自動(dòng)編程技術(shù)（自動(dòng)編程技術(shù)）

技術(shù)引言

自動(dòng)編程

研究概況

1952年，美國(guó)的Person公司與麻省理工學(xué)院(MIT)合作研制出了的一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床，為了解決

了數(shù)控機(jī)床的編程問題，美國(guó)空軍與MIT合作于第二年研制成了APT系統(tǒng)，從此便開始了數(shù)控加工和數(shù)控編程的發(fā)展進(jìn)程。 20世紀(jì)60年代著眼于交互式繪圖系統(tǒng)和NC編程語(yǔ)言的開發(fā)，美國(guó)MIT的SUTHERLAND教授發(fā)表的“SKETCHPAD一人機(jī)會(huì)話系統(tǒng)”為計(jì)算機(jī)圖形設(shè)計(jì)系統(tǒng)和CAD/CAM提供了理論基礎(chǔ)。具有多坐標(biāo)立體曲面自動(dòng)編程的APTIH的問世，使數(shù)控編程從面向機(jī)床指令上升面向幾何元素的高層次編程。隨后，APT幾經(jīng)修改和充實(shí)，又出現(xiàn)了APTIV(改進(jìn)算法，增加了多坐標(biāo)編程系統(tǒng))、APT-AQ增加了切削數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng))和APT-SS(增加了雕塑曲面編程系統(tǒng))等。世界各國(guó)以APT為基礎(chǔ)開發(fā)了具有獨(dú)自特色、專業(yè)性更強(qiáng)的APT衍生編程語(yǔ)言，如美國(guó)MDSI公司的Compact。用APT語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)控編程，具有程序簡(jiǎn)練、易于控制走刀等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)計(jì)和編程之間只能通過圖紙來傳遞數(shù)據(jù)，圖紙解釋、工藝規(guī)劃靠工藝人員來完成，不能對(duì)刀具軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，易發(fā)生人為編程錯(cuò)誤和造成重復(fù)工作等。步入20世紀(jì)70年代，圖形輔助數(shù)控編程GNC得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)了CAD/CAM向一體化方向發(fā)展，并逐步形成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)概念。GNC是一種面向制造的技術(shù)，它將零件的幾何顯示、走刀模擬、交互修改等不足，如1972年美國(guó)Lochead公司推出的CADAM系統(tǒng)，就融入了最新的GNC技術(shù)。1975年法國(guó)的達(dá)索飛機(jī)公司對(duì)引進(jìn)的CADAM系統(tǒng)進(jìn)行了二次開發(fā)，研制成功了CATIA系統(tǒng)，使其能進(jìn)行三維設(shè)計(jì)、分析和NC加工。80年代初，該公司成功地將CATIA應(yīng)用于飛機(jī)吹風(fēng)模型地設(shè)計(jì)和加工，使生產(chǎn)周期從六個(gè)月下降為一個(gè)月。到了20世紀(jì)80年代，相繼出現(xiàn)了將設(shè)計(jì)和GNC成功結(jié)合和工程化、商業(yè)化CAD/CAM系統(tǒng)，如I-DEAS、CADDS、UG等，它們廣泛地應(yīng)用于航空航天、造船機(jī)械、電子、模具等行業(yè)。

現(xiàn)狀及發(fā)展

我國(guó)數(shù)控加工及編程技術(shù)的研究起步較晚，其研究始于航空工業(yè)的PCL數(shù)控加工自動(dòng)編程系統(tǒng)SKC一1。在此基礎(chǔ)上，以后又發(fā)展了SKC-2、SKC-3和CAM251數(shù)控加工繪圖語(yǔ)言，這些系統(tǒng)沒有圖形功能，并且以2坐標(biāo)和2.5坐標(biāo)加工為主。我國(guó)從“七五”開始有計(jì)劃有組織地研究和應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，引進(jìn)成套的CAD/CAM系統(tǒng)，首先應(yīng)用在大型軍工企業(yè)，航天航空領(lǐng)域也開始應(yīng)用，雖然這些軟件功能很強(qiáng)，但價(jià)格昂貴，難以在我國(guó)推廣普及?！鞍宋濉庇忠M(jìn)了大量的CAD/CAM軟件，如:EUCLID-15、UG、CADDS、I-DEAS等，以這些軟件為基礎(chǔ)，進(jìn)行了一些二次開發(fā)工作，也取得了一些應(yīng)用成功，但進(jìn)展比較緩慢。

我國(guó)在引用CAD/CAM系統(tǒng)的同時(shí)，也開展了自行研制工作。20世紀(jì)80年代以后，首先在航空工業(yè)開始集成化的數(shù)控編程系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作，如西北工業(yè)大學(xué)成功研制成功的能進(jìn)行曲面的3~5軸加工的PNU/GNC圖形編程系統(tǒng)；北京航空航天大學(xué)與第二汽車制造廠合作完成的汽車模具、氣道內(nèi)復(fù)雜型腔模具的三軸加工軟件，與331廠合作進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪的加工;華中理工大學(xué)1989年在微機(jī)上開發(fā)完成的適用于三維NC加工的軟件HZAPT;中京公司和北京航空航天大學(xué)合作研制的唐龍CAD/CAM系統(tǒng)，以北京機(jī)床所為核心的JCS機(jī)床開發(fā)的CKT815車削CAD/CAM一體化系統(tǒng)等。

到了20世紀(jì)90年代，響應(yīng)國(guó)家開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的CAD/CAM的號(hào)召，開始了自行研制CAD/CAM軟件的工作，并取得了一些成果，如：由北京由清華大學(xué)和廣東科龍(容聲)集團(tuán)聯(lián)合研制的高華CAD、由北京北航海爾軟件有限公司(原北京航空航天大學(xué)華正軟件研究所)研制的CAXA電子圖板和CAXAME制造工程師、由浙江大天電子信息工程有限公司開發(fā)的基于特征的參數(shù)化造型系統(tǒng)GSCAD98、由廣州紅地技術(shù)有限公司和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的基于STEP標(biāo)準(zhǔn)的CAD/CAM系統(tǒng)金銀花。由華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院開發(fā)的具有自主版權(quán)的基于微機(jī)平臺(tái)的CAD和圖紙管理軟件開目CAD、南京航空航天大學(xué)自行研制開發(fā)的超人2000CAD/CAM系統(tǒng)等，其中有一些系統(tǒng)已經(jīng)接近世界水平。雖然我國(guó)的數(shù)控技術(shù)己開展多年，并取得了一定的成效，但始終未取得較大的突破。從總體來看，先進(jìn)的是點(diǎn)，落后的是面，我國(guó)的數(shù)控加工及數(shù)控編程與世界先進(jìn)水平相比，約有10一15年的差距，差距主要包涵以下幾個(gè)方面：數(shù)控技術(shù)的硬件基礎(chǔ)落后，CAD/CAM支撐的軟件體系尚未形成，CAD/CAM軟件關(guān)鍵技術(shù)落后。

技術(shù)分類

自數(shù)控機(jī)床問世以來，一些先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家都在大力開展自動(dòng)編程技術(shù)，特別是近年來隨著計(jì)算機(jī)

輔助設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展，自動(dòng)編程越來越受到重視。自動(dòng)編程系統(tǒng)發(fā)展到今天，己經(jīng)出現(xiàn)了品種繁多，功能各異的編程系統(tǒng)。從國(guó)際范圍來看，使用較為普遍的系統(tǒng)主要有三種：數(shù)控語(yǔ)言編程系統(tǒng)；會(huì)話式編程系統(tǒng)；數(shù)控圖形編程系統(tǒng)。

數(shù)控語(yǔ)言編程系統(tǒng)是最早研制的，也是目前應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)編程系統(tǒng)。它是用數(shù)控語(yǔ)言來編寫零件加工的源程序。與其他類型的自動(dòng)編程系統(tǒng)相比，他是迄今為止應(yīng)用最廣泛、功能最強(qiáng)、通用性最廣、技術(shù)最成熟的系統(tǒng)。APT是自動(dòng)編程工具的簡(jiǎn)稱，是一種對(duì)工件、刀具的幾何形狀及刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行定義時(shí)所使用的一種接近英語(yǔ)符號(hào)的語(yǔ)言。把用APT語(yǔ)言書寫的零件加工程序輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)的APT語(yǔ)言編程系統(tǒng)編譯產(chǎn)生刀位文件，然后進(jìn)行數(shù)控加工后置處理，生成數(shù)控系統(tǒng)能接受的零件數(shù)控加工程序，稱為APT語(yǔ)言自動(dòng)編程。采用APT語(yǔ)言編制數(shù)控加工程序具有程序簡(jiǎn)練、走刀控制靈活等特點(diǎn)，使數(shù)控加工編程從面向機(jī)床指令的“匯編語(yǔ)言”級(jí)，上升到面向幾何元素的點(diǎn)、線、面的高級(jí)語(yǔ)言級(jí)。由于計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程代替程序編制人員完成了繁瑣的數(shù)值計(jì)算工作，并省去了編寫程序單的工作量，因而可將編程效率提高數(shù)倍到數(shù)十倍，同時(shí)解決了手工編程中無法解決的許多復(fù)雜零件的編程問題。但APT仍有如下缺點(diǎn)與不足：零件的設(shè)計(jì)與加工之間用圖紙傳遞數(shù)據(jù)，阻礙了設(shè)計(jì)與制造的一體化；同時(shí)工藝過程規(guī)劃要工藝人員完成，對(duì)用戶的技術(shù)水平要求較高，既困難又容易出錯(cuò)；用妙T語(yǔ)言描述零件模型一方面受語(yǔ)言描述能力的限制，另一方面也使妙T系統(tǒng)幾何定義過于龐大;APT語(yǔ)言缺少對(duì)零件形狀、刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗(yàn)證手段。這些缺點(diǎn)阻礙了編程效率和質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

會(huì)話式自動(dòng)編程系統(tǒng)為了克服數(shù)控語(yǔ)言編程系統(tǒng)的一些缺陷，在其基礎(chǔ)上發(fā)展了會(huì)話式自動(dòng)編程系統(tǒng)，以日本的FAPT為例，其會(huì)話式編程系統(tǒng)除了幾何定義語(yǔ)句、刀具運(yùn)動(dòng)語(yǔ)句與原來的APT基本相同以外，由于增加了可以進(jìn)行會(huì)話的命令，這樣它不僅能處理原來的APT零件源程序，而且還具有以下功能：可以隨時(shí)執(zhí)行或暫停程序中的任意語(yǔ)句或語(yǔ)句組；可以隨時(shí)變更零件源程序，如刪去某些語(yǔ)句，修改或插入某些語(yǔ)句；對(duì)以前定義過的零件源程序的點(diǎn)或直線等數(shù)據(jù)，在以后的零件源程序中可以不再定義并加以使用；隨時(shí)可打印或不打印程序單或某一中間處理結(jié)果，如點(diǎn)、直線、圓的數(shù)據(jù)等；隨時(shí)可打印出修面向圖形特征的自動(dòng)數(shù)控編程技術(shù)研究改后的零件源程序單。但是，會(huì)話式編程系統(tǒng)也有其自身的缺點(diǎn)，主要是輸入零件信息時(shí)要有一個(gè)將圖紙信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程，這種轉(zhuǎn)換過程由編程人員完成，因此容易產(chǎn)生人為錯(cuò)誤。

數(shù)控圖形編程系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)輔助編程技術(shù)，它通過專用的計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。這種軟件通常以機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件為基礎(chǔ)，利用CAD軟件的圖形編輯功能，將零件的幾何圖形繪制到計(jì)算機(jī)上，形成零件的圖形文件；然后調(diào)用數(shù)控編程模塊，采用人機(jī)交互的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上指定被加工的部位，再輸入相應(yīng)的加工工藝參數(shù)，計(jì)算機(jī)便可以自動(dòng)進(jìn)行必要的數(shù)學(xué)處理并編制出數(shù)控加工程序，同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上動(dòng)態(tài)地顯示刀具的加工軌跡川。因?yàn)檫@種方法很大限度地減少了人為錯(cuò)誤，很大限度地提高了編程效率和質(zhì)量，被認(rèn)為是目前效率較高的編程方法。更重要的是，由于圖形編程系統(tǒng)是從加工零件圖來生成數(shù)控加工指令單，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的結(jié)果是圖形，故可利用CAD系統(tǒng)進(jìn)行工件的設(shè)計(jì)，然后經(jīng)過CAPP生成數(shù)控機(jī)床上使用的工序卡，即可生成數(shù)控加工指令單。很顯然，這種編程方法具有速度快、精度高、直觀性、使用簡(jiǎn)便、便于檢查等優(yōu)點(diǎn)，因此，“圖形交互式自動(dòng)編程”已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的CAD/CAM軟件所普遍采用的數(shù)控編程方法。日本FANVC公司在FAPT編程系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)了SFAPT系統(tǒng)。這種方法是在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)控裝置上，利用數(shù)控裝置的計(jì)算機(jī)、顯示屏幕(CRT)和圖形對(duì)話功能直接進(jìn)行編程，故被稱為圖形人機(jī)對(duì)話編程系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在數(shù)控車床、銑床上已有應(yīng)用。以數(shù)控車床上的編程為例來說明這一方法和系統(tǒng)的概況。在數(shù)控系統(tǒng)上先用鍵盤輸入被加工工件的毛坯圖形和尺寸，在毛坯圖形上繪出零件的圖形和尺寸；選定并繪出機(jī)床坐標(biāo)系、機(jī)床原點(diǎn)、工件坐標(biāo)系、換刀位置并確定所用刀具；然后在零件圖上顯示加工部位，確定加工工序和給定所用切削工藝參數(shù):最后在零件與毛坯圖上選定走刀路線，走刀次數(shù)，系統(tǒng)據(jù)此進(jìn)行必要的計(jì)算；根據(jù)給定的工序和走刀路線，可以對(duì)工序進(jìn)行增刪和編輯。這樣，無需轉(zhuǎn)換成程序介質(zhì)，機(jī)床便能按上面所確定的加工工序、加工路線與工藝參數(shù)自動(dòng)加工出所需要的零件。根據(jù)需要也可以將上述的程序與內(nèi)容存儲(chǔ)，以便保存或作為再次加工時(shí)輸入之用。

發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來的GNC技術(shù)推動(dòng)了CAD和CAM向一體化方向發(fā)展，促使計(jì)算機(jī)

集成制造系統(tǒng)(CIMS)興起。作為現(xiàn)代制造新生產(chǎn)模式的CIMS，成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的高技術(shù)，我國(guó)“863”己將CIMS作為重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域。作為CIMS主要內(nèi)容的數(shù)控加工自動(dòng)編程技術(shù)，出現(xiàn)了向集成化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)。

技術(shù)原理

自動(dòng)編程是借助計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備裝置自動(dòng)完成從零件圖構(gòu)造、零件加工程序編制到控制介質(zhì)制

作等工作的一種編程方法。它的一般過程：首先將被加工零件的幾何圖形及有關(guān)工藝過程用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的形式輸入計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)控編程系統(tǒng)對(duì)輸入信息進(jìn)行翻譯，形成機(jī)內(nèi)零件的幾何數(shù)據(jù)與拓?fù)鋽?shù)據(jù)；然后進(jìn)行工藝處理，確定加工方法、加工路線和工藝參數(shù)；通過數(shù)學(xué)處理計(jì)算刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將其離散成為一系列的刀位數(shù)據(jù)；根據(jù)某一具體數(shù)控系統(tǒng)所要求的指令格式，將生成的刀位數(shù)據(jù)通過后置處理生成最終加工所需的NC指令集；對(duì)NC指令集進(jìn)行校驗(yàn)及修改；通過通訊接口將計(jì)算機(jī)內(nèi)的NC指令集送入機(jī)床的控制系統(tǒng)。整個(gè)數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)分為前置處理和后置處理兩大模塊。

VB數(shù)控

JAVANC

參考文獻(xiàn)

[1]李剛.[D].大連：大連理工大學(xué),2004.

[2]廖友軍.[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2007.

[3]許平.[D].昆明：昆明理工大學(xué),2003.