現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)的應(yīng)用分析

林慧娟

（安徽六安技師學(xué)院 安徽 六安 237010）

0 引言

在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展的影響下，各行各業(yè)對于零件的外形要求也在不斷提高，使得各機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造工作變得越發(fā)復(fù)雜，加工制造技術(shù)也要跟隨經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不斷更新。 傳統(tǒng)人工加工制造方法無法滿足零件設(shè)計(jì)、加工的具體要求。 數(shù)控編程技術(shù)作為現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)的全新成果，成為我國機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)自動化發(fā)展的重要技術(shù)因素，并且該項(xiàng)技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)、自動控制等多項(xiàng)技術(shù)成果，使得機(jī)械設(shè)計(jì)制造加工難度明顯下降，產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率得到提高，逐漸在機(jī)械設(shè)計(jì)制造加工行業(yè)普及應(yīng)用。 本文通過研究分析現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造加工行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，展望了未來的發(fā)展趨勢，為今后數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展以及普及應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)控編程技術(shù)概述

現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)的應(yīng)用一般需要相關(guān)人員對產(chǎn)品、零部件具體加工要求進(jìn)行分析，再形成工藝設(shè)計(jì)方案，確定產(chǎn)品的最終加工方法，其中也包括了選擇加工機(jī)床、刀具、夾具等設(shè)備。 同時要在科學(xué)確定走刀路線以及切削用量的基礎(chǔ)上，建立三維工件幾何模型，通過模擬加工計(jì)算工件的運(yùn)動軌跡以及機(jī)床的運(yùn)動軌跡［1］。 數(shù)控編程技術(shù)能夠在建立程序格式的情況下，對于零件的加工工具不斷進(jìn)行調(diào)整，最終得出在生產(chǎn)效率和質(zhì)量方面都具備優(yōu)勢的產(chǎn)品加工程序。 對于零部件的生產(chǎn)加工工作而言，因?yàn)楫a(chǎn)品生產(chǎn)難度存在明顯差異，利用自動編程或者手動編程的方法建立最終的產(chǎn)品加工程序，手工程序編制和數(shù)控加工程序編制都需要借助人力資源，一般分為零件的圖樣分析和工藝分析、確定加工路線的多個環(huán)節(jié)，一般會在程序較為簡單、計(jì)算難度較低的零件加工過程中逐漸應(yīng)用。 但此類編程的缺陷也較為明顯，主要表現(xiàn)在工作效率和偏差方面。 自動編程則是利用計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件自主完成數(shù)控加工程序的設(shè)計(jì)和調(diào)整，在容錯率和出錯率方面有著明顯的優(yōu)勢。

2 現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 數(shù)控加工仿真技術(shù)

在現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)持續(xù)發(fā)展的影響下，有關(guān)工藝設(shè)計(jì)和刀具軌跡生成等方面的技術(shù)取得了相應(yīng)的發(fā)展成就。但考慮到零件的形狀多元化特征明顯，且產(chǎn)品加工環(huán)境也處于動態(tài)變化狀態(tài)，零件加工也會在多種因素的影響下，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量降低的問題，影響因素是以零件加工過程中的過切、欠切和機(jī)床干涉碰撞等為主，數(shù)控加工編程技術(shù)利用計(jì)算機(jī)以及相關(guān)軟件模擬加工環(huán)境、刀具軌跡和加工流程，幫助相關(guān)人員以此為基礎(chǔ)針對其中不合理的加工工序進(jìn)行調(diào)整，將之前的工件試切環(huán)節(jié)逐漸取代，在成本投入、效率和安全性方面有著明顯的優(yōu)勢，也是數(shù)控編程質(zhì)量提升的有效途徑。

從我國數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展看來，在模型化以及仿真計(jì)算方面取得了相應(yīng)的發(fā)展成果，并且在模型精度提升、仿真計(jì)算時效性提升方面也在不斷優(yōu)化和改進(jìn)。 以試切環(huán)境模型特征為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，將數(shù)字控制（numerical control，NC）切削期間的仿真具體分為幾何仿真和力學(xué)仿真。 前者的設(shè)計(jì)操作并不需要考慮切削參數(shù)和切削力，只需要將仿真刀具和工件幾何體的運(yùn)動過程進(jìn)行結(jié)合，以此為基礎(chǔ)對于NC 程序的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。 這種仿真方式能夠有效規(guī)避因?yàn)槌绦蝈e誤帶來的機(jī)床損壞、零件損傷等多種現(xiàn)象，且產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期明顯得到壓縮［2］。 后者因?yàn)閷儆谖锢矸抡娣秶诜乐骨邢髌陂g預(yù)測刀具的損害和振動厚度，合理地調(diào)節(jié)切削參數(shù)，保障切削環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的發(fā)展目標(biāo)。

在數(shù)控加工仿真技術(shù)應(yīng)用期間，數(shù)據(jù)驅(qū)動一般是刀位數(shù)據(jù)和NC 代碼為主，以應(yīng)用模式方面的差異將數(shù)據(jù)加工分為后置前處理數(shù)據(jù)以及后置處理過程的仿真。 前者是以刀位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展的數(shù)控加工仿真工作，后者則是基于NC程序開展的加工過程仿真。 以刀位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展的數(shù)控加工仿真，同樣不需要將切削力和切削參數(shù)此類數(shù)據(jù)作為考慮因素，只需要完成刀具運(yùn)作過程的仿真工作，借此檢驗(yàn)刀具軌跡的合理性，提高零件的加工質(zhì)量［3］。 以NC 程序?yàn)榛A(chǔ)的數(shù)控加工仿真主要是用于檢驗(yàn)NC 程序的正確性、操作人員培訓(xùn)和碰撞檢測，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，因?yàn)榉抡嫫骷h(huán)境因素加入其中，導(dǎo)致仿真工作難度明顯提高。

2.2 后置處理技術(shù)

現(xiàn)如今，我國機(jī)械設(shè)計(jì)制造正在逐漸向著計(jì)算機(jī)集成制造方向發(fā)展，并且計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造也是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)。 為了全面達(dá)成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)的無縫集成目標(biāo)，必須將自動編程系統(tǒng)產(chǎn)生的自動編程工具（automatically programmed tool，APT）格式的單位代碼經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后，才能保證數(shù)控機(jī)床能夠有效執(zhí)行。

在數(shù)控編程工作中，計(jì)算刀具軌跡是前置處理工作內(nèi)容，為了保障前置處理環(huán)節(jié)的通用化發(fā)展，需要以相對運(yùn)動原理作為基礎(chǔ)，在同一個空間坐標(biāo)系中進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，并不需要考慮具體機(jī)床結(jié)構(gòu)和指令形式，確保系統(tǒng)軟件能夠逐漸優(yōu)化。 如此一來，為了保證數(shù)控機(jī)床加工程序的可行性以及簡潔性，要經(jīng)過計(jì)算得到的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驁?zhí)行的代碼程序，這也是常見的后置處理環(huán)節(jié)。 綜合考慮機(jī)床運(yùn)動結(jié)構(gòu)以及控制指令的格式，相關(guān)人員能夠?qū)⒔?jīng)過前置計(jì)算得到的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)床各軸運(yùn)行指令數(shù)量，且控制指令格式也能夠隨之得到轉(zhuǎn)換，并最終形成數(shù)控機(jī)床能夠執(zhí)行的加工程序。

后置處理技術(shù)應(yīng)用的最終目標(biāo)是建立數(shù)控機(jī)床能夠執(zhí)行的加工指令。 考慮到機(jī)床的控制系統(tǒng)存在明顯的差異，故此數(shù)控指令的文件代碼格式也需要不斷進(jìn)行調(diào)整。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和制造數(shù)控編程程序需要設(shè)置后置文件處理選項(xiàng)，以此為基礎(chǔ)產(chǎn)生與數(shù)控技術(shù)對接的加工文件，需要按照使用的格式，對于數(shù)控文件使用的代碼、程序、圓整化方式等內(nèi)容進(jìn)行定義，在條件允許的情況下，進(jìn)行必要的編輯修改［4］。

在后置處理技術(shù)的幾何算法中，利用商用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造軟件獲取APT 格式的文件，借助工件坐標(biāo)系能夠給出刀頭位置和刀具的矢量方向。 一般的五軸數(shù)控機(jī)床是將轉(zhuǎn)軸中心作為控制點(diǎn)，需要的因素包括轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn)位置和刀具的旋轉(zhuǎn)角度以及進(jìn)刀因素。 也正因如此，在后置幾何處理過程中，需要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。 因?yàn)椴煌瑱C(jī)床的刀具位置描述因素也存在不同，甚至部分坐標(biāo)系確定也存在明顯的差異，尚未形成統(tǒng)一的算法進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，但具體的思想?yún)s是基本一致的，也需要通過空間幾何的方法，將APT 文件中的機(jī)床刀頭位置和刀具矢量方向轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)所需的各種數(shù)字量。 在后置處理的譯碼過程中，因?yàn)锳PT 文件并不包括機(jī)床所使用的G 代碼以及M 代碼用于描述機(jī)床的動作，使用的是GOTO 以及STOP 之類語句，在后置處理譯碼過程中，需要將一般性語句轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)床運(yùn)動所需的專用語句［5］。

在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)中，一般都會對走刀軌跡進(jìn)行弧弦逼近。 刀具運(yùn)動的包絡(luò)面和加工表面之間存在一定的逼近誤差，要以誤差的數(shù)據(jù)大小對于走刀的補(bǔ)償和加工帶寬度進(jìn)行調(diào)整，對多軸聯(lián)動，尤其是包含旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動的曲面加工的理論刀具軌跡要以刀具表面和零件表面的嚙合關(guān)系為基礎(chǔ)，確立相應(yīng)的非線性連續(xù)曲線，最終得到機(jī)床運(yùn)動中的理想聯(lián)動規(guī)律。 但實(shí)際上，在具體多重聯(lián)動的控制過程中，一般都只具備線性插補(bǔ)功能。 非線性連續(xù)軌跡只能夠以一小段的直線進(jìn)行離散逼近，隨后需要相關(guān)系統(tǒng)針對機(jī)床運(yùn)動進(jìn)行線性插補(bǔ)，最終實(shí)現(xiàn)被加工曲面的近似包絡(luò)成型目標(biāo)。 這會帶來一定的非線性誤差，此誤差的數(shù)值與機(jī)床運(yùn)動結(jié)構(gòu)之間有著密切的聯(lián)系，在前置處理中無法有效解決，因此需要在后置處理中，以刀位文件中收錄的離散刀位信息修正其中存在的非線性誤差。

高速數(shù)控加工有明顯的效率和精度方面的優(yōu)勢，但對于機(jī)床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)也提出了更高的要求，在普通手工加工中，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和輔助系統(tǒng)都是以較小的直線和圓弧作為刀具的移動路徑，因此產(chǎn)生的數(shù)控程序數(shù)量較多，運(yùn)行時間較長。 在高速數(shù)控加工過程中使用的插補(bǔ)刀軌方式，綜合使用控制點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)矢量和權(quán)三個變量對于自由曲線進(jìn)行表達(dá)，針對各項(xiàng)產(chǎn)品曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的加工程序而言，程序數(shù)量能夠減少50%以上，加工時長也能夠得到明顯壓縮，產(chǎn)品加工效率和精度能夠得到保障。

2.3 數(shù)控機(jī)床程序編制

以目前數(shù)控編程技術(shù)發(fā)展來看，用于數(shù)控機(jī)床編程的方法分為手動編程、自動編程兩種。 手動編程技術(shù)要求技術(shù)人員在科學(xué)分析零件圖的前提下，以其中的相關(guān)信息和加工要求進(jìn)行零件的加工，技術(shù)人員也需要參與整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程。 技術(shù)人員需要以零件圖的數(shù)據(jù)分析結(jié)果為基礎(chǔ)科學(xué)選擇程序代碼，基本指令代碼編程和高級指令代碼編程是最為常見的兩種形式。 前者需要技術(shù)人員在加工程序編程的過程中使用各種簡單標(biāo)準(zhǔn)的指令，使用范圍較小，通常用于簡單機(jī)械零件加工。 后者則是由數(shù)控系統(tǒng)編寫生成的代碼，應(yīng)用范圍更加廣泛，在產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中進(jìn)行零件的精細(xì)化處理。 通常在機(jī)械設(shè)計(jì)加工制造中，指令編程將基本指令代碼和高級指令代碼變成有效結(jié)合，在提高產(chǎn)品加工效率時，壓縮工程成本。

在我國現(xiàn)代自動化技術(shù)發(fā)展的影響下，數(shù)控編程自動化發(fā)展趨勢也變得十分明顯，現(xiàn)代數(shù)控自動編程技術(shù)是以管理軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer-aided design，CAD）技術(shù)作為基礎(chǔ)，在全面分析復(fù)雜工作零件的前提下產(chǎn)生相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，并且數(shù)控系統(tǒng)能夠根據(jù)得到的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，形成相應(yīng)的指令代碼，嚴(yán)格按照對應(yīng)的加工要求，保證機(jī)床能夠自主加工機(jī)械零件，提高其效率和精準(zhǔn)度。 因?yàn)楝F(xiàn)代數(shù)控自動編程技術(shù)的代碼指令更加精準(zhǔn)，能夠在形狀復(fù)雜、手工編程無法應(yīng)用的零件加工工作中廣泛應(yīng)用。 在利用CAD 軟件進(jìn)行指令代碼編程的過程中，需要技術(shù)人員優(yōu)先進(jìn)行加工零件的分析，尤其是需要對待加工面進(jìn)行觀察，最終形成合理的加工方案。 隨后利用CAD 軟件完成待加工面的幾何造型，嚴(yán)格按照對應(yīng)元素的定義方法形成精準(zhǔn)的幾何模型。 在設(shè)置加工參數(shù)和刀具參數(shù)的過程中，以CAD 軟件形成的幾何形態(tài)為基礎(chǔ)，加工參數(shù)以主軸轉(zhuǎn)速為主，刀具參數(shù)則是以刀具的類型和刀具號為主。 在完成參數(shù)設(shè)置工作之后，數(shù)控系統(tǒng)便會針對產(chǎn)品加工過程中的刀具運(yùn)行軌跡自動生成，提高零件加工的效率和質(zhì)量，利用人工交互的方法進(jìn)行刀具軌跡監(jiān)控，一旦出現(xiàn)運(yùn)動軌跡偏差，可以由技術(shù)人員及時進(jìn)行調(diào)整。 根據(jù)CAD軟件的指令代碼編程環(huán)節(jié)能夠科學(xué)地驗(yàn)證刀位位置的準(zhǔn)確性，保障生產(chǎn)過程中的刀位完全符合加工零件的要求，轉(zhuǎn)化為NC 代碼，保障數(shù)控機(jī)床能夠進(jìn)行批量化零件生產(chǎn)。

2.4 零件圖的數(shù)學(xué)化處理

在現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)應(yīng)用的過程中，機(jī)械設(shè)計(jì)加工制造利用該項(xiàng)技術(shù)完成零件圖的數(shù)學(xué)處理，該環(huán)節(jié)工作是對零件加工軌跡的尺寸進(jìn)行計(jì)算，可以分為基點(diǎn)坐標(biāo)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算。

因?yàn)閿?shù)控機(jī)床只具備直線和圓弧插補(bǔ)功能，對于包括直線和圓弧的平面機(jī)械零件輪廓而言，在編程過程中數(shù)值計(jì)算要求進(jìn)行各基點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算。 基點(diǎn)坐標(biāo)使用直接計(jì)算方法，要求相關(guān)人員對于加工程序單的信息進(jìn)行填寫，針對每條運(yùn)動軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)在選定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)以及圓弧運(yùn)動軌跡的圓心坐標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算。 技術(shù)人員利用零件圖樣給出的已知條件，綜合使用代數(shù)、三角、解析幾何等相關(guān)知識直接計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)值。 在節(jié)點(diǎn)計(jì)算過程中，需要保障小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)合理保留，以此提高產(chǎn)品生產(chǎn)的精準(zhǔn)度，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算工作總量和難度明顯增加，一般利用計(jì)算機(jī)后臺完成，在條件允許的情況下，根據(jù)人工方法進(jìn)行計(jì)算，最為常見的計(jì)算方法是直線逼近法等間距法等步長法。 在現(xiàn)代技術(shù)加持下，利用CAD 繪圖軟件，在精準(zhǔn)捕獲中標(biāo)點(diǎn)的前提下，根據(jù)精度允許的范圍進(jìn)行節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算。

3 數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展趨勢展望

一是集成化發(fā)展。 在我國數(shù)控加工行業(yè)持續(xù)發(fā)展的影響下，各企業(yè)對于現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求也在不斷提高。 隨著我國數(shù)控加工行業(yè)規(guī)模的持續(xù)保障，數(shù)控編程技術(shù)也會逐漸向著集成化方向發(fā)展，確保過程控制、計(jì)算機(jī)輔助編程以及后處理系統(tǒng)三者能夠有效集成。 在集成多項(xiàng)技術(shù)的背景下，現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)能夠在特定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間范圍內(nèi)合理運(yùn)用設(shè)計(jì)、生產(chǎn)資源，同時數(shù)據(jù)信息傳輸效率和安全性也能夠得到保證，能夠在節(jié)約生產(chǎn)資源時，保證產(chǎn)品加工的效率和效益不斷提高。

二是智能化發(fā)展趨勢。 隨著我國大數(shù)據(jù)時代的持續(xù)發(fā)展，人工智能技術(shù)與各個行業(yè)實(shí)現(xiàn)了深度融合發(fā)展的目標(biāo)。 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)在人工智能技術(shù)的加持下將會出現(xiàn)明顯的智能化發(fā)展趨勢，數(shù)控編程技術(shù)的智能化能夠降低數(shù)控編程操作過程中的手動編程頻率和次數(shù)，數(shù)控加工領(lǐng)域需要投入的人力資源數(shù)量能夠明顯減少，人為失誤帶來的加工質(zhì)量和安全問題發(fā)生概率也會逐漸下降。 在現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)智能化發(fā)展的影響下，系統(tǒng)內(nèi)部能夠融入專家的判斷和相關(guān)專業(yè)理論知識，自主識別和控制較為簡單的機(jī)械加工步驟，使得數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品加工效率進(jìn)一步提高。

三是并行化發(fā)展趨勢。 從目前我國各行業(yè)的發(fā)展看來，對于機(jī)械設(shè)備和機(jī)械零件加工精度以及復(fù)雜性的要求正在不斷提高，產(chǎn)品加工流程變得越發(fā)復(fù)雜，必須促進(jìn)數(shù)控加工的全面協(xié)同發(fā)展，保障產(chǎn)品的加工效率和精度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 如此一來，數(shù)控編程技術(shù)未來將會出現(xiàn)并行化發(fā)展方向，通過建立完善的計(jì)算機(jī)協(xié)同工作系統(tǒng)，摒棄之前單一獨(dú)立的工作方法，建立機(jī)械設(shè)計(jì)制造的并行化運(yùn)行工作機(jī)制，合理調(diào)配各項(xiàng)資源，控制機(jī)床生產(chǎn)過程中的刀具軌跡以及相關(guān)位置，提高產(chǎn)品零件生產(chǎn)的精準(zhǔn)度。

4 總結(jié)

綜上所述，現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造加工行業(yè)不可或缺的重要技術(shù)條件，數(shù)控加工仿真處理技術(shù)應(yīng)用使得機(jī)械設(shè)計(jì)制造和加工的效率、質(zhì)量以及精準(zhǔn)度都得到了明顯提高，逐漸成為我國機(jī)械設(shè)計(jì)制造加工行業(yè)的主流技術(shù)。 隨著我國云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，未來的數(shù)控編程技術(shù)將會出現(xiàn)智能化、集成化和并行化的發(fā)展趨勢，在降低人力資源投入的同時，還可以避免人為操作失誤帶來的加工質(zhì)量和效率問題，促進(jìn)我國機(jī)械設(shè)計(jì)制造加工行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。