数控编程技术

Home / 数控编程技术 - 2022年3月29日 , by

数控编程技术

数控机床是采用计算机控制的高效能自动化加工设备,而数控加工程序是数控机床运动与工作过程控制的依据。因此程序编制是数控加工中的一项重要工作,理想的加工程序应保证能加工出符合产品图样要求的合格工件,同时也能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥,使数控机床安全、可靠、高效地工作,加工出高质量的产品。从零件图纸到获得合格的数控加工程序的过程便是数控编程,其过程如图1-3虚框所示。

数控编程技术与数控机床两者的发展是紧密相关的。数控机床的性能提升推动了编程技术的发展,而编程手段的提高也促进了数控机床的发展,二者相互依赖。现代数控技术正在向高精度、高效率、高柔性和智能化方向发展,编程方式也越来越丰富。

手工编程

一般对几何形状不复杂,加工程序不长、计算不繁琐的零件,如点位加工或几何形状不复杂的轮廓加工,一般选用手工编程,其流程如图1-4所示。手工编程的重要性是不容忽视的,它是编制加工程序的基础,是机床现场加工调试的主要方法,是机床操作人员必须掌握的基本功,但它也有以下缺点:(1)人工完成各个阶段的工作,效率低、易出错;

(2)每个点的坐标都需计算,工作量大、难检查;

(3)对复杂形状的零件,如螺旋桨的叶片形状,不但计算复杂,有时也很难实现。

图1-4 手工编程流程

自动编程

但上述问题若由计算机进行处理,难题就迎刃而解了。自动编程是指在计算机及相应的软件系统的支持下,自动生成数控加工程序的过程。除分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外,其余均由计算机自动完成,故又称计算机辅助编程,它充分利用了计算机快速运算和存储的功能。

如图1-5编程人员将零件形状、几何尺寸、刀具路线、工艺参数、机床特征等,按一定的格式和方法输入到计算机内,再由自动编程软件对这些输入信息进行编译、计算等处理生成刀具路径文件和机床的数控加工程序,通过通信接口将加工程序送入机床数控系统以备加工。对于形状复杂,比如具有非圆曲线轮廓、三维曲面等零件编写加工程序,采用自动编程方法效率高,可靠性好。

图1-5 自动编程流程

随着微电子技术和CAD技术的发展,为降低编程难度、提高效率,减少和避免程序错误,自动编程技术不断发展,大约经历了以下几个阶段:1)50年代美国麻省理工学院(MIT)开发APT语言;2)60年代MIT组织美国各大飞机公司共同开发APTII、APTIII;3)70年代出现基于APTIII的APT-IV、APT-AC;4)APT衍生出其他语言如ADAPT,EXAPT,HAPT,FAPT,IFAPT等;

5)80年代以后各种不同的CAD/CAM集成数控编程系统发展起来;

1.1.1.1.1 数控语言自动编程

1.1.1.1.2 图形交互式自动编程

随着计算机技术的迅猛发展,计算机的图形处理能力不断增强。一种可以直接将零件的几何图形信息,自动转化为数控加工程序的全新的计算机辅助编程技术——图形交互式自动编程应运而生,并在20世纪70年代以后得到迅速发展和推广应用。

图形交互自动编程是计算机配备了图形终端和三维绘图软件后进行编程的一种方法,它以人—机对话的形式,在图形显示终端上绘制出加工零件及毛坯,选择机床和刀具并制定加工工艺,计算机便按预先存储的图形自动编程系统计算刀具轨迹,然后由相应机床的后处理器自动生成NC代码。

现代图形交互式自动编程是建立在CAD和CAM系统的基础上的,典型的图形交互式自动编程系统都采用CAD/CAM集成数控编程系统模式,与早期的语言型的自动编程系统相比它有如下特点:

①输入工件图形并采用人机对话方式,而不需要使用数控语言编制源程序;

②从加工工件的图形再现、进给轨迹的生成、加工过程的动态模拟,到生成数控加工程序,都是通过屏幕菜单驱动,因而速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查;

③可以通过软件的数据接口共享已有的CAD设计结果,实现CAD/CAM集成一体化,实现无图纸设计制造;

④为提高生产率、缩短新产品研制周期、保证产品产量、降低成本创造了有利的条件,尤其是对三维复杂曲面零件,只要作适当的修改就能产生新的NC代码,因而它具有相当大的柔性。

图1-7 应用CAD/CAM集成系统设计加工的流程图

从上世纪40年代第一台计算机问世以来,50年代出现了第一台数控机床,60年代的交互式图像显示设备,70年代的工作站(Workstation)和造型技术 ( Wireframe Modeling、Solid Modeling、Surface Modeling),以至80年代的智能机器人及专家系统,CAD/CAM历经形成、发展、提高和集成各个阶段。90年代中期以后便向着,如图1-7所示。

近年来,计算机技术、空间几何造型技术、工程数据库技术和系统集成技术的不断发展进步,如今已出现了一批功能强大的CAD/CAM软件,如法国达索飞机制造公司的CATIA、美国麦道航空公司的UG-II和美国参数技术公司的Pro/E,我国北航海尔的制造工程师(CAXA-ME)等,这些软件都具有空间异型曲面的数控加工程序编制功能,且具有智能型后置处理环境,可以面向众多的数控机床和大多数数控系统。

近年来,计算机硬件技术飞速发展,使微机的性能价格比不断进步。目前世界上很多着名的CAD/CAM软件公司已着手开发了基于微机的CAD/CAM软件,使原来只能在工作站上运行的软件,在微机上同样可以运行。硬件本钱的大幅度降低,使CAD/CAM能够得以广泛应用。

对于使用多种CAD/CAM系统,配备多种机床各种类型数控系统的情况就更为复杂,这是由于后置处理面临如下纷繁的情况:1.刀具路径文件格式的多样性

刀具路径文件采用APT语言格式,这种语言接近于英语自然语言,它描述当前的机床状态及刀尖的运动轨迹。它的内容和格式不受机床结构、数控系统类型的影响。  

但不同的CAD/CAM软件天生的刀具路径文件的格式均有所不同如:“调用n号刀具,长度补偿选用a寄存器中的值”,表示这一功能的指令在不同的CAM系统表述格式不同,如表1-1。

表1-1 不同种CAD/CAM系统的表述格式

CAD/CAM系统

表述格式

UG-Ⅱ

LOAD/TOOL,n,ADJUST,a

CATIA

LOADTL/n,1

Pro/E

LOADTL/n,OSETNO,a

CV CADDS

LOAD/TOOL,n,OSETNO,a

2.NC程序格式的多样性

NC程序由一系列程序段组成,通常每一程序段包含了加工操纵的一个单步命令,程序段通常是由N、G、X、Y、Z、F、S、T、M.....地址字和相应的数字值组成的。(1) ISO 1056-1975标准对其中的部分预备代码功能、辅助功能代码的功能作了同

一的规定如:G00快速点位运动、G01直线插补、G02顺时针圆弧插补、G03逆时针圆弧插补、G04驻留。

但还有大量的未作同一规定的“不指定代码”,其中不指定的“G”代码由数控系统厂家根据需要自行制定其代码功能,如表1-2。

G代码

FANUC-15MA系统

TOSNUC 800-M系统

G10

数据设置

撤销坐标转换

G11

取消数据设置

坐标转换

G15

取消极坐标命令

G16

极坐标命令

未做同一规定的“M”代码由数控机床制造厂根据其机床所具有的附属设备功能制定其代码功能。如日本日立精机公司制造的柔性加工单元HG500,带有16个托盘(PPL),托盘可自动交换,实现无人加工。为了控制托盘自动进进主机,它用M87~M89代码控制A.P.C门的开关:

表1-3 自行制定的“M”代码功能

M87

A.P.C door right open

A.P.C右侧门打开

M88

A.P.C door left open

A.P.C左侧门打开

M89

A.P.C door close

A.P.C门关闭

(2)有些数控系统对部分G代码的功能并不严守ISO-1056标准的规定,而是自行定义,如表1-4 所示。

表1-4 东芝数控系统自行定义的G码功能

G代码

TOSNUC 800-M

ISO

G20

参考点返回检查

英制

G21

第2、3、4参考点返回检查

公制

G44

取消长度补偿

刀具偏置-负

G93

局部坐标系设定

时间倒数进给

(3)个别数控系统的NC程序采用了比较特殊的代码格式如:

HEIDENHAIN TNC426系统的

右补偿直线插补语句格式: FL X+10 Y+10 RL

对应于标准代码 : G01 G42 X10 Y10。3.技术需求的多样性  随着技术的发展和应用的进展,现在的后置处理技术已不能停留在仅仅是对刀具路径文件的代码转换,而是增加了从具体的加工需求特征、具体的数控机床和数控系统的特征出发,赋予后置处理器以更多的功能要求。   高速数控加工的出现不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求,对于加工工艺的策划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提出了新的要求。   又如各种数控系统在曲面加工时,所用的曲面拟合模型不尽相同,有的用Nurbs拟合模型,有的用Bezier拟合模型,有的用Polymial拟合模型,还有的用Spline拟合模型,后置处理器就面临支持相应的多种曲面拟合模型的题目。

因此,要使所生成的数控程序不经手工修改,直接应用于数控机床加工,则必须针对每一台数控机床定制专用的后置处理器。特别是对于多轴数控加工机床,各大CAD/CAM软件厂家提供的多轴后置处理器还有很大的局限性,通用性不好,有的软件仅提供了三轴后置处理器。而针对五轴数控机床,目前只有一些经过改良的后置处理器,五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。

因此能够处理不同类型格式的刀具路径文件,并做优化处理,以适应不同类型的机床、不同类型的系统、不同类型的零件的加工需求,生成的NC程序不需人工做二次修改,而直接应用于机床是后置处理器技术的发展方向。

高速数控加工的出现不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求,对于加工工艺的策划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提出了新的要求。   又如各种数控系统在曲面加工时,所用的曲面拟合模型不尽相同,有的用Nurbs拟合模型,有的用Bezier拟合模型,有的用Polymial拟合模型,还有的用Spline拟合模型,后置处理器就面临支持相应的多种曲面拟合模型的题目。

因此,要使所生成的数控程序不经手工修改,直接应用于数控机床加工,则必须针对每一台数控机床定制专用的后置处理器。特别是对于多轴数控加工机床,各大CAD/CAM软件厂家提供的多轴后置处理器还有很大的局限性,通用性不好,有的软件仅提供了三轴后置处理器。而针对五轴数控机床,目前只有一些经过改良的后置处理器,五轴数控机床的后置处理器还有待进一步开发。

因此能够处理不同类型格式的刀具路径文件,并做优化处理,以适应不同类型的机床、不同类型的系统、不同类型的零件的加工需求,生成的NC程序不需人工做二次修改,而直接应用于机床是后置处理器技术的发展方向。

图1-7 CAD/CAM发展情况

后置处理技术

从图1-7我们可以看出,传统的机械制造方式正在向计算机集成制造系统(CIMS)方向发展,计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)集成系统又是实现CIMS的核心技术。实现CAD/CAM系统的无缝集成,必须将CAD/CAM自动编程系统生成的APT格式的刀位代码转换成指定数控机床能执行的程序。

在数控编程中,将刀具轨迹计算过程称为前置处理。为使前置处理通用化,按照相对运动原理,将刀位轨迹计算统一在工件坐标系中进行,而不考虑具体机床结构及指令格式,从而简化系统软件。

因此,要获得数控机床加工程序,还需要将前置计算所得的刀位数据换成具体机床的程序代码,该过程称为后置处理,即根据具体机床运动结构和控制指令格式将前置计算的刀位数据变换成机床各轴的运动数据,并按其控制指令格式进行转换,成为数控机床的加工程序。后置处理的目的是形成数控加工指令文件。由于各种机床使用的控制系统不同,所以,所用的数控指令文件的代码和格式也有所不同。因此CAD/CAM数控编程系统通常设置一个后置处理文件选项,生成与某类数控系统相对应的加工文件,按文件所使用的格式定义数控文件所使用的代码、程序格式、圆整化方式等内容,输出所需要的加工文件,也可对文件进行必要的编辑修改。

图1-5为CAD/CAM系统中一般的产品设计与制造流程,可见后置处理器是衔接CAD/CAM集成系统与数控加工设备的纽带。

面向通用化

后置处理系统分为专用后置处理系统和通用后置处理系统。

前者一般是针对专用数控编程系统和特定数控机床而开发的专用后置处理程序,流程图如下图所示。

通用后置处理系统一般指后置处理程序功能的通用化,要求能针对不同类型的数控系统对刀位原文件进行后置处理,输出数控程序。

2) 面向高速加工

高速数控加工是一种以高主轴转速、快速进给、较小的切削深度和间距为加工特征的高效率、高精度数控加工方式,它不仅对机床结构和数控系统提出了新的要求,对于加工工艺的规划、工艺参数的设置和加工约束的设置也提出了新的要求。

普通数控加工中CAM系统主要采用小的直线和圆弧作为刀具移动路径,生成的数控程序量大,运算时间长。高速数控加工中采用NURBS 插补刀轨,通过控制点、节点矢量和权三个变量来表达自由曲线,对复杂曲面加工的程序量可减少1/ 2以上,加工时间缩短1/ 3以上,加工精度更高。

3) 非线性误差、进给速度校核

CAD/CAM系统中大多采用对走刀轨迹进行弧弦逼近,刀具运动的包络面与加工表面之间存在逼近误差,根据误差的大小决定走刀步长和加工带宽度。对于多轴联动,特别是包含旋转轴联动的曲面加工的理论刀具轨迹是由刀具与零件表面的啮合关系所确定的非线性连续曲线,由此得到的机床各运动轴的理想联动规律是复杂的非线性关系。但由于目前的CNC 在多轴联动控制时一般只具有线性插补功能,该非线性连续轨迹只能以一系列小直线段进行离散逼近后,再由CNC 控制机床各运动轴作线性插补来实现被加工曲面的近似包络成型,由此将导致为非线性误差。由于该误差的大小与机床运动结构有关,在通用化的前置处理中难以处理。因此,一般还需在后置处理中根据刀位文件中的离散刀位信息对非线性误差进行校验与修正。

4) STEP-NC模型

1997年欧共体提出了STEP-NC概念,将产品数据转换标准STEP扩展至CNC领域,重新定义了CAD/CAM 与CNC之间的接口,它要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型(包括几何数据、设计和制造特征),加上工艺的信息和刀具信息,直接产生加工程序来控制机床。STEP-NC使产品模型数据库用作数控机床的直接输入文档,不存在单独的刀具路径文件,废弃了G代码和M代码,从而不再需要后置处理系统。

STEP-NC是目前世界工业化国家研究的热点,其中具代表性的研究项目有欧洲的STEP-NC项目、美国的Super modal项目、日本的Digital Master项目等。但STEP-NC的推广需更新或废弃现有数控系统和CAM系统,这不是短期内可以实现的事。

20世纪50年代由麻省理工学院设计APT数控语言后,后置处理就成为自动编程的重要组成部分。在APT中后置处理采用批处理方式,在编辑状态下利用汇编语言,将前置处理语句与数控输出程序字或程序段一一对应。

对于不同的数控系统,数控指令文件的代码和格式也有所不同,也就是说需要编写不同的后置处理程序。由于数控系统种类繁多,机床配置不尽相同,代码差异大,因此必须为每种数控机床配置专用后置处理程序。

1980年IBM公司为解决APT刀位源文件的处理推出了DAPP(Design Aid for Post Processor)系统,系统提供给用户生成后置处理系统所需的一些程序和文件,如输入模块、输出模块、数据处理模块等。该系统将一些计算、分析模块公共化、标准化,使后置处理系统向通用化发展迈进了一步。但它采用高级语言编写描述机床运转的程序,要求用户既熟悉数控知识,又具备较丰富的软件编程经验,因此给程序编写、修改和维护带来一定困难。

随着计算机技术的发展,编程系统向CAD/ CAM一体化迅速发展,各种CAD/CAM系统,功能有强有弱,但CAM部分都由五个基本模块组成:交互工艺参数输入模块、刀位轨迹计算模块、刀位轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理Post Processing模块,其中后置处理模块是CAD/ CAM系统的一个重要部分。

1.后置处理的几何算法 使用商用CAD/CAM软件得到的是APT格式的文件,这种文件使用的是工件坐标系,给出的是刀头的位置与刀具的矢量方向。而一般五轴机床是以转轴中心为控制点,所需的是转轴中心点的位置与刀具旋转的角度A,B以及进刀因数E。故,需要进行几何运算实现坐标系的转换。对于具体的计算过程,在[4]与[5]、[6]中均有较为详细的描述。 对于不同的机床,其所需描述刀具位置的因素也可能不同,甚至坐标系的确定也不一致。故,难以有较为统一的算法来确定坐标上的转换。但是坐标转化的思想是相同的,即通过空间几何的方法,将APT文件中的机床刀头位置与刀具矢量方向转变为具体机床所需的数字量。 2.后置处理的译码 APT文件中并不包含一般机床所用的G代码或是M代码,而是用GOTO、STOP等语句来描述机床的动作,后置处理的译码既是将这些一般性语句改成专门的机床运动语句。下面是一些APT中的常用语句所代表的含义。读者可以根据机床的语法来对应相应的描述。

表 APT常用语语意

3.程序设计框图

图3 [4]中给出的后置处理过程图

这是[4]中给出的一个后置处理过程图,其进行了由大型商用软件Catia所产生的APT文件到MACS5000五坐标数控龙门铣床数控程序的后置处理文件的编写。从过程上看,后置处理分为运动语句的后置处理与非运动语句的后置处理两部分,运动语句的处理主要是位置因素的计算,而非运动语句则是APT语句到NC代码语句的转化。这个流程图代表了一般后置处理的过程。 四.结论 总体来说,由于机床程序的多样性,很难找到一个通用的方法对APT文件进行后置处理。使用最广乏的仍旧是一对一的编程方式。在程序的编制过程中,对机床坐标转化的把握,以及机床语言的熟悉程度是决定后置处理程序好坏的关键。对机床的了解主要包括,刀具位置描述所需的因素,坐标原点的位置,进给量、转速等的描述方法,运动的描述以及一些特殊的语法。 后置处理得到的结果可能是错误的,其原因可能是因为后置处理的翻译过程存在问题。也可能是APT刀轨本身具有一定的问题,需要通过一定的手段来检验NC代码的准确性。一般可以直接运行来检验其正确性,也可以使用一定的数控仿真软件进行模拟仿真来验证其准确性。 后置处理的研究是机床程序语言不通用性的产物,也必然会随着机床控制通用性的实现而消亡。而机器人操作PC化的趋势也许会使机床的控制的通用性成为现实,那时,后置处理也会越来越少的受人关注。

APT语句

所表示的含义

FROM/x,y,z, a,b,c

无切削移动至位置(表示因素由机床决定)

GOTO/x,y,z a,b,c

切削至位置(表示因素由机床决定)

FEDRAT/n

进给量

CUTTER

刀具

SPINDL/n,cw(ccw)

旋转速率顺时针,(逆时针)

/off

停止旋转

COOLNT on

打开冷却液

off

关闭冷却液

RAPID

快速进给至

STOP

停止运动

FINI

程序结束

我国数控加工技术的现状

1952年诞生的第一台数控机床是制造技术发展过程中的一项重大突破,标志着制造领域中数控加工时代的开始;就制造行业而言,具有跨时代的意义和深远的影响。

世界上主要的的工业发达国家都十分重视对数控加工技术的研究。目前数控加工技术已从当初的航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造业,并取得巨大的经济效益。

从上世纪50年代末我国也开始数控技术的研究及数控产品的开发。1958年清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。20世纪70年代初期,曾掀起研制数控机床的热潮,但当时是采用分立元件,性能不稳定,可靠性差。1980年北京、上海机床研究所及辽宁精密仪器厂分别引进了日本FANUC和美国的MTC、Dynapth LTD数控系统,在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上,经过多年的努力,我国的数控产业取得了长足的发展,国产数控系统基本上掌握了关键技术,可靠性有了很大提高。20世纪90年代末,华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统,达到了国际先进水平,加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。

后置处理技术

也就是说数控加工的后置处理是CAD/CAM集成系统非常重要的组成部分,它直接影响CAD/CAM软件的使用效果及零件的加工质量。

一般来说,数控加工技术涉及数控机床加工工艺和数控编程技术两方面,数控编程是目前CAD/CAM 系统中最能明显发挥效益的环节之一。对于复杂零件,特别是具有空间曲线、曲面的零件,如叶片、叶轮、复杂模具等或者程序量很大的零件,数控编程通常采用自动编程系统,其在实现设计、加工自动化、提高加工数控加工从两轴加工、两轴半加工、三轴加工发展到目前的多轴加工。两轴加工是指机床坐标系的X和Y轴两轴联动,而Z轴固定,机床在同一高

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