1、數控編程技術數控機床是采用計算機控制的高效能自動化加工設備，而數控加工程序是數控機床運動與工作過程控制的依據。因此程序編制是數控加工中的一項重要工作，理想的加工程序應保證能加工出符合產品圖樣要求的合格工件，同時也能使數控機床的功能得到合理的應用與充分的發揮，使數控機床安全、可靠、高效地工作，加工出高質量的產品。從零件圖紙到獲得合格的數控加工程序的過程便是數控編程，其過程如圖1-3虛框所示。數控編程技術與數控機床兩者的發展是緊密相關的。數控機床的性能提升推動了編程技術的發展，而編程手段的提高也促進了數控機床的發展，二者相互依賴。現代數控技術正在向高精度、高效率、高柔性和智能化方向發展，編程方式也

2、越來越豐富。手工編程一般對幾何形狀不復雜，加工程序不長、計算不繁瑣的零件，如點位加工或幾何形狀不復雜的輪廓加工，一般選用手工編程，其流程如圖1-4所示。手工編程的重要性是不容忽視的，它是編制加工程序的基礎，是機床現場加工調試的主要方法，是機床操作人員必須掌握的基本功，但它也有以下缺點：(1)人工完成各個階段的工作，效率低、易出錯；(2)每個點的坐標都需計算，工作量大、難檢查；(3)對復雜形狀的零件，如螺旋槳的葉片形狀，不但計算復雜，有時也很難實現。機床表刀具表零件圖形工藝人員編程手冊夾具表工藝規程編程人員加工程序初稿加工程序修改圖1-4 手工編程流程自動編程但上述問題若由計算機進行處理，難題就

3、迎刃而解了。自動編程是指在計算機及相應的軟件系統的支持下，自動生成數控加工程序的過程。除分析零件圖樣和制定工藝方案由人工進行外，其余均由計算機自動完成，故又稱計算機輔助編程，它充分利用了計算機快速運算和存儲的功能。如圖1-5編程人員將零件形狀、幾何尺寸、刀具路線、工藝參數、機床特征等，按一定的格式和方法輸入到計算機內，再由自動編程軟件對這些輸入信息進行編譯、計算等處理生成刀具路徑文件和機床的數控加工程序，通過通信接口將加工程序送入機床數控系統以備加工。對于形狀復雜，比如具有非圓曲線輪廓、三維曲面等零件編寫加工程序，采用自動編程方法效率高，可靠性好。零件圖工藝要求生成刀位文件后置處理數控加工程序

4、翻譯計算程序檢驗加工模擬數控機床修改編譯程序圖1-5 自動編程流程隨著微電子技術和CAD技術的發展，為降低編程難度、提高效率，減少和避免程序錯誤，自動編程技術不斷發展，大約經歷了以下幾個階段：1）50年代美國麻省理工學院（MIT）開發APT語言；2）60年代MIT組織美國各大飛機公司共同開發APTII、APTIII；3）70年代出現基于APTIII的APT-IV、APT-AC；4）APT衍生出其他語言如ADAPT，EXAPT，HAPT，FAPT，IFAPT等；5）80年代以后各種不同的CAD/CAM集成數控編程系統發展起來；1.1.1.1.1 數控語言自動編程1.1.1.1.2 圖形交互式自動

5、編程隨著計算機技術的迅猛發展，計算機的圖形處理能力不斷增強。一種可以直接將零件的幾何圖形信息，自動轉化為數控加工程序的全新的計算機輔助編程技術圖形交互式自動編程應運而生，并在20世紀70年代以后得到迅速發展和推廣應用。圖形交互自動編程是計算機配備了圖形終端和三維繪圖軟件后進行編程的一種方法，它以人機對話的形式，在圖形顯示終端上繪制出加工零件及毛坯，選擇機床和刀具并制定加工工藝，計算機便按預先存儲的圖形自動編程系統計算刀具軌跡，然后由相應機床的后處理器自動生成NC代碼。現代圖形交互式自動編程是建立在CAD和CAM系統的基礎上的，典型的圖形交互式自動編程系統都采用CAD/CAM集成數控編程系統模式

6、，與早期的語言型的自動編程系統相比它有如下特點：輸入工件圖形并采用人機對話方式，而不需要使用數控語言編制源程序；從加工工件的圖形再現、進給軌跡的生成、加工過程的動態模擬，到生成數控加工程序，都是通過屏幕菜單驅動，因而速度快、精度高、直觀性好、使用簡便、便于檢查；可以通過軟件的數據接口共享已有的CAD設計結果，實現CAD/CAM集成一體化，實現無圖紙設計制造；為提高生產率、縮短新產品研制周期、保證產品產量、降低成本創造了有利的條件，尤其是對三維復雜曲面零件，只要作適當的修改就能產生新的NC代碼，因而它具有相當大的柔性。數控程序后置處理系統數控加工設備CAD產品造型設計刀位源文件CAM加工工藝規劃

7、圖1-7 應用CADCAM集成系統設計加工的流程圖從上世紀40年代第一臺計算機問世以來，50年代出現了第一臺數控機床，60年代的交互式圖像顯示設備，70年代的工作站(Workstation)和造型技術 ( Wireframe Modeling、Solid Modeling、Surface Modeling)，以至80年代的智能機器人及專家系統，CAD/CAM歷經形成、發展、提高和集成各個階段。90年代中期以后便向著，如圖1-7所示。近年來，計算機技術、空間幾何造型技術、工程數據庫技術和系統集成技術的不斷發展進步，如今已出現了一批功能強大的CAD/CAM軟件，如法國達索飛機制造公司的CATIA、

8、美國麥道航空公司的UG-II和美國參數技術公司的Pro/E，我國北航海爾的制造工程師(CAXA-ME)等，這些軟件都具有空間異型曲面的數控加工程序編制功能，且具有智能型后置處理環境，可以面向眾多的數控機床和大多數數控系統。近年來，計算機硬件技術飛速發展，使微機的性能價格比不斷進步。目前世界上很多著名的CAD/CAM軟件公司已著手開發了基于微機的CAD/CAM軟件，使原來只能在工作站上運行的軟件，在微機上同樣可以運行。硬件本錢的大幅度降低，使CAD/CAM能夠得以廣泛應用。對于使用多種CAD/CAM系統，配備多種機床各種類型數控系統的情況就更為復雜，這是由于后置處理面臨如下紛繁的情況：1.刀具路

9、徑文件格式的多樣性刀具路徑文件采用APT語言格式，這種語言接近于英語自然語言，它描述當前的機床狀態及刀尖的運動軌跡。它的內容和格式不受機床結構、數控系統類型的影響。但不同的CAD/CAM軟件天生的刀具路徑文件的格式均有所不同如：“調用n號刀具，長度補償選用a寄存器中的值”，表示這一功能的指令在不同的CAM系統表述格式不同，如表1-1。表1-1 不同種CAD/CAM系統的表述格式CAD/CAM系統表述格式UG-LOAD/TOOL，n，ADJUST，aCATIALOADTL/n，1Pro/ELOADTL/n，OSETNO，aCV CADDSLOAD/TOOL，n，OSETNO，a2.NC程序格式的

10、多樣性NC程序由一系列程序段組成，通常每一程序段包含了加工操縱的一個單步命令，程序段通常是由N、G、X、Y、Z、F、S、T、M地址字和相應的數字值組成的。(1) ISO 1056-1975標準對其中的部分預備代碼功能、輔助功能代碼的功能作了同 一的規定如：G00快速點位運動、G01直線插補、G02順時針圓弧插補、G03逆時針圓弧插補、G04駐留。但還有大量的未作同一規定的“不指定代碼”，其中不指定的“G”代碼由數控系統廠家根據需要自行制定其代碼功能，如表1-2。G代碼FANUC-15MA系統TOSNUC 800-M系統G10數據設置撤銷坐標轉換G11取消數據設置坐標轉換G15取消極坐標命令G1

11、6極坐標命令未做同一規定的“M”代碼由數控機床制造廠根據其機床所具有的附屬設備功能制定其代碼功能。如日本日立精機公司制造的柔性加工單元HG500，帶有16個托盤(PPL)，托盤可自動交換，實現無人加工。為了控制托盤自動進進主機，它用M87M89代碼控制A.P.C門的開關：表1-3 自行制定的“M”代碼功能M87A.P.C door right openA.P.C右側門打開M88A.P.C door left openA.P.C左側門打開M89A.P.C door closeA.P.C門關閉(2) 有些數控系統對部分G代碼的功能并不嚴守ISO-1056標準的規定，而是自行定義，如表1-4 所示。

12、表1-4 東芝數控系統自行定義的G碼功能G代碼TOSNUC 800-MISOG20參考點返回檢查英制G21第2、3、4參考點返回檢查公制G44取消長度補償刀具偏置-負G93局部坐標系設定時間倒數進給(3) 個別數控系統的NC程序采用了比較特殊的代碼格式如：HEIDENHAIN TNC426系統的右補償直線插補語句格式： FL X+10 Y+10 RL 對應于標準代碼 ： G01 G42 X10 Y10。3.技術需求的多樣性隨著技術的發展和應用的進展，現在的后置處理技術已不能停留在僅僅是對刀具路徑文件的代碼轉換，而是增加了從具體的加工需求特征、具體的數控機床和數控系統的特征出發，賦予后置處理器以

13、更多的功能要求。 高速數控加工的出現不僅對機床結構和數控系統提出了新的要求，對于加工工藝的策劃、工藝參數的設置和加工約束的設置也提出了新的要求。 又如各種數控系統在曲面加工時，所用的曲面擬合模型不盡相同，有的用Nurbs擬合模型，有的用Bezier擬合模型，有的用Polymial擬合模型，還有的用Spline擬合模型，后置處理器就面臨支持相應的多種曲面擬合模型的題目。因此，要使所生成的數控程序不經手工修改，直接應用于數控機床加工，則必須針對每一臺數控機床定制專用的后置處理器。特別是對于多軸數控加工機床，各大CAD/CAM軟件廠家提供的多軸后置處理器還有很大的局限性，通用性不好，有的軟件僅提供了

14、三軸后置處理器。而針對五軸數控機床，目前只有一些經過改良的后置處理器，五軸數控機床的后置處理器還有待進一步開發。因此能夠處理不同類型格式的刀具路徑文件，并做優化處理，以適應不同類型的機床、不同類型的系統、不同類型的零件的加工需求，生成的NC程序不需人工做二次修改，而直接應用于機床是后置處理器技術的發展方向。高速數控加工的出現不僅對機床結構和數控系統提出了新的要求，對于加工工藝的策劃、工藝參數的設置和加工約束的設置也提出了新的要求。 又如各種數控系統在曲面加工時，所用的曲面擬合模型不盡相同，有的用Nurbs擬合模型，有的用Bezier擬合模型，有的用Polymial擬合模型，還有的用Spline

15、擬合模型，后置處理器就面臨支持相應的多種曲面擬合模型的題目。因此，要使所生成的數控程序不經手工修改，直接應用于數控機床加工，則必須針對每一臺數控機床定制專用的后置處理器。特別是對于多軸數控加工機床，各大CAD/CAM軟件廠家提供的多軸后置處理器還有很大的局限性，通用性不好，有的軟件僅提供了三軸后置處理器。而針對五軸數控機床，目前只有一些經過改良的后置處理器，五軸數控機床的后置處理器還有待進一步開發。因此能夠處理不同類型格式的刀具路徑文件，并做優化處理，以適應不同類型的機床、不同類型的系統、不同類型的零件的加工需求，生成的NC程序不需人工做二次修改，而直接應用于機床是后置處理器技術的發展方向。圖

16、1-7 CAD/CAM發展情況后置處理技術從圖1-7我們可以看出，傳統的機械制造方式正在向計算機集成制造系統(CIMS)方向發展，計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)集成系統又是實現CIMS的核心技術。實現CAD/CAM系統的無縫集成，必須將CAD/CAM自動編程系統生成的APT格式的刀位代碼轉換成指定數控機床能執行的程序。在數控編程中，將刀具軌跡計算過程稱為前置處理。為使前置處理通用化，按照相對運動原理，將刀位軌跡計算統一在工件坐標系中進行，而不考慮具體機床結構及指令格式，從而簡化系統軟件。因此，要獲得數控機床加工程序，還需要將前置計算所得的刀位數據換成具體機床的程序代碼，該過程稱為后置處

17、理，即根據具體機床運動結構和控制指令格式將前置計算的刀位數據變換成機床各軸的運動數據，并按其控制指令格式進行轉換，成為數控機床的加工程序。后置處理的目的是形成數控加工指令文件。由于各種機床使用的控制系統不同，所以，所用的數控指令文件的代碼和格式也有所不同。因此CAD/CAM數控編程系統通常設置一個后置處理文件選項，生成與某類數控系統相對應的加工文件，按文件所使用的格式定義數控文件所使用的代碼、程序格式、圓整化方式等內容，輸出所需要的加工文件，也可對文件進行必要的編輯修改。圖1-5為CAD/CAM系統中一般的產品設計與制造流程，可見后置處理器是銜接CAD/CAM集成系統與數控加工設備的紐帶。面向

18、通用化 后置處理系統分為專用后置處理系統和通用后置處理系統。前者一般是針對專用數控編程系統和特定數控機床而開發的專用后置處理程序，流程圖如下圖所示。通用后置處理系統一般指后置處理程序功能的通用化，要求能針對不同類型的數控系統對刀位原文件進行后置處理，輸出數控程序。2) 面向高速加工 高速數控加工是一種以高主軸轉速、快速進給、較小的切削深度和間距為加工特征的高效率、高精度數控加工方式，它不僅對機床結構和數控系統提出了新的要求，對于加工工藝的規劃、工藝參數的設置和加工約束的設置也提出了新的要求。 普通數控加工中CAM系統主要采用小的直線和圓弧作為刀具移動路徑，生成的數控程序量大，運算時間長。高速數

19、控加工中采用NURBS 插補刀軌，通過控制點、節點矢量和權三個變量來表達自由曲線，對復雜曲面加工的程序量可減少1/ 2以上，加工時間縮短1/ 3以上，加工精度更高。3) 非線性誤差、進給速度校核CAD/CAM系統中大多采用對走刀軌跡進行弧弦逼近，刀具運動的包絡面與加工表面之間存在逼近誤差，根據誤差的大小決定走刀步長和加工帶寬度。對于多軸聯動，特別是包含旋轉軸聯動的曲面加工的理論刀具軌跡是由刀具與零件表面的嚙合關系所確定的非線性連續曲線，由此得到的機床各運動軸的理想聯動規律是復雜的非線性關系。但由于目前的CNC 在多軸聯動控制時一般只具有線性插補功能，該非線性連續軌跡只能以一系列小直線段進行離散

20、逼近后，再由CNC 控制機床各運動軸作線性插補來實現被加工曲面的近似包絡成型，由此將導致為非線性誤差。由于該誤差的大小與機床運動結構有關，在通用化的前置處理中難以處理。因此，一般還需在后置處理中根據刀位文件中的離散刀位信息對非線性誤差進行校驗與修正。 4) STEP-NC模型 1997年歐共體提出了STEP-NC概念，將產品數據轉換標準STEP擴展至CNC領域，重新定義了CAD/CAM 與CNC之間的接口，它要求CNC系統直接使用符合STEP標準的CAD三維產品數據模型(包括幾何數據、設計和制造特征)，加上工藝的信息和刀具信息，直接產生加工程序來控制機床。STEP-NC使產品模型數據庫用作數控

21、機床的直接輸入文檔，不存在單獨的刀具路徑文件，廢棄了G代碼和M代碼，從而不再需要后置處理系統。 STEP-NC是目前世界工業化國家研究的熱點，其中具代表性的研究項目有歐洲的STEP-NC項目、美國的Super modal項目、日本的Digital Master項目等。但STEP-NC的推廣需更新或廢棄現有數控系統和CAM系統，這不是短期內可以實現的事。20世紀50年代由麻省理工學院設計APT數控語言后，后置處理就成為自動編程的重要組成部分。在APT中后置處理采用批處理方式，在編輯狀態下利用匯編語言，將前置處理語句與數控輸出程序字或程序段一一對應。對于不同的數控系統，數控指令文件的代碼和格式也有

22、所不同，也就是說需要編寫不同的后置處理程序。由于數控系統種類繁多，機床配置不盡相同，代碼差異大，因此必須為每種數控機床配置專用后置處理程序。1980年IBM公司為解決APT刀位源文件的處理推出了DAPP(Design Aid for Post Processor)系統，系統提供給用戶生成后置處理系統所需的一些程序和文件，如輸入模塊、輸出模塊、數據處理模塊等。該系統將一些計算、分析模塊公共化、標準化，使后置處理系統向通用化發展邁進了一步。但它采用高級語言編寫描述機床運轉的程序，要求用戶既熟悉數控知識，又具備較豐富的軟件編程經驗，因此給程序編寫、修改和維護帶來一定困難。 隨著計算機技術的發展，編程

23、系統向CAD/ CAM一體化迅速發展，各種CAD/CAM系統，功能有強有弱，但CAM部分都由五個基本模塊組成：交互工藝參數輸入模塊、刀位軌跡計算模塊、刀位軌跡編輯模塊、三維加工動態仿真模塊和后置處理Post Processing模塊，其中后置處理模塊是CAD/ CAM系統的一個重要部分。1后置處理的幾何算法 使用商用CAD/CAM軟件得到的是APT格式的文件，這種文件使用的是工件坐標系，給出的是刀頭的位置與刀具的矢量方向。而一般五軸機床是以轉軸中心為控制點，所需的是轉軸中心點的位置與刀具旋轉的角度A,B以及進刀因數E。故，需要進行幾何運算實現坐標系的轉換。對于具體的計算過程，在4與5、6中均有

24、較為詳細的描述。 對于不同的機床，其所需描述刀具位置的因素也可能不同，甚至坐標系的確定也不一致。故，難以有較為統一的算法來確定坐標上的轉換。但是坐標轉化的思想是相同的，即通過空間幾何的方法，將APT文件中的機床刀頭位置與刀具矢量方向轉變為具體機床所需的數字量。 2后置處理的譯碼 APT文件中并不包含一般機床所用的G代碼或是M代碼，而是用GOTO、STOP等語句來描述機床的動作，后置處理的譯碼既是將這些一般性語句改成專門的機床運動語句。下面是一些APT中的常用語句所代表的含義。讀者可以根據機床的語法來對應相應的描述。表 APT常用語語意3程序設計框圖圖3 4中給出的后置處理過程圖這是4中給出的一

25、個后置處理過程圖，其進行了由大型商用軟件Catia所產生的APT文件到MACS5000五坐標數控龍門銑床數控程序的后置處理文件的編寫。從過程上看，后置處理分為運動語句的后置處理與非運動語句的后置處理兩部分，運動語句的處理主要是位置因素的計算，而非運動語句則是APT語句到NC代碼語句的轉化。這個流程圖代表了一般后置處理的過程。 四結論 總體來說，由于機床程序的多樣性，很難找到一個通用的方法對APT文件進行后置處理。使用最廣乏的仍舊是一對一的編程方式。在程序的編制過程中，對機床坐標轉化的把握，以及機床語言的熟悉程度是決定后置處理程序好壞的關鍵。對機床的了解主要包括，刀具位置描述所需的因素，坐標原點

26、的位置，進給量、轉速等的描述方法，運動的描述以及一些特殊的語法。 后置處理得到的結果可能是錯誤的，其原因可能是因為后置處理的翻譯過程存在問題。也可能是APT刀軌本身具有一定的問題，需要通過一定的手段來檢驗NC代碼的準確性。一般可以直接運行來檢驗其正確性，也可以使用一定的數控仿真軟件進行模擬仿真來驗證其準確性。 后置處理的研究是機床程序語言不通用性的產物，也必然會隨著機床控制通用性的實現而消亡。而機器人操作PC化的趨勢也許會使機床的控制的通用性成為現實，那時，后置處理也會越來越少的受人關注。APT語句所表示的含義FROM/x,y,z, a,b,c無切削移動至位置(表示因素由機床決定)GOTO/x

27、,y,z a,b,c切削至位置(表示因素由機床決定)FEDRAT/n進給量CUTTER刀具SPINDL/n,cw(ccw)旋轉速率順時針，(逆時針)/off停止旋轉COOLNT on打開冷卻液off關閉冷卻液RAPID快速進給至STOP停止運動FINI程序結束我國數控加工技術的現狀1952年誕生的第一臺數控機床是制造技術發展過程中的一項重大突破，標志著制造領域中數控加工時代的開始；就制造行業而言，具有跨時代的意義和深遠的影響。世界上主要的的工業發達國家都十分重視對數控加工技術的研究。目前數控加工技術已從當初的航空工業部門逐步擴大到汽車、造船、機床、建筑等民用機械制造業，并取得巨大的經濟效益。從

28、上世紀50年代末我國也開始數控技術的研究及數控產品的開發。1958年清華大學和北京第一機床廠合作研制了我國第一臺數控銑床。20世紀70年代初期，曾掀起研制數控機床的熱潮，但當時是采用分立元件，性能不穩定，可靠性差。1980年北京、上海機床研究所及遼寧精密儀器廠分別引進了日本FANUC和美國的MTC、Dynapth LTD數控系統，在引進、消化、吸收國外先進技術的基礎上，經過多年的努力，我國的數控產業取得了長足的發展，國產數控系統基本上掌握了關鍵技術，可靠性有了很大提高。20世紀90年代末，華中數控自主開發出基于PC-NC的HNC數控系統，達到了國際先進水平，加大了我國數控機床在國際上的競爭力度。后置處理技術也就是說數控加工的后置處理是CAD/CAM集成系統非常重要的組成部分，它直接影響CAD/CAM軟件的使用效果及零件的加工質量。 一般來說，數控加工技術涉及數控機床加工工藝和數控編程技術兩方面，數控編程是目前CAD/CAM 系統中最能明顯發揮效益的環節之一