淺析數(shù)控加工中計算機數(shù)控編程技術(shù)的二次開發(fā)

王 田

淺析數(shù)控加工中計算機數(shù)控編程技術(shù)的二次開發(fā)

王 田

（天津市教委職教中心，天津市 300122）

針對數(shù)控技術(shù)在我國制造業(yè)中的應(yīng)用，結(jié)合數(shù)控編程軟件Unigraphics（UG），對計算機數(shù)控編程的二次開發(fā)進行了分析和研究。通過二次開發(fā)，能夠縮短數(shù)控編程時間，提高加工效率，減少數(shù)控編程中的人機交互，提高了數(shù)控程序的準(zhǔn)確性和可靠性。

計算機數(shù)控編程；Unigraphics（UG）；UG／open；二次開發(fā)

制造業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)行業(yè)，我國的制造業(yè)正在以前所未有的速度發(fā)展。從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工有著加工柔性好、精度高、生產(chǎn)率高，以及減輕操作者勞動強度，改善勞動條件等特點，有利于現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理以及經(jīng)濟效益的提高。在從事機械制造業(yè)的企業(yè)中，絕大部分都在使用數(shù)控機床，為了更好的提高數(shù)控機床的加工效率和工件的加工質(zhì)量，對數(shù)控編程技術(shù)提出了更高的要求，面對日益增多的復(fù)雜零件、多軸加工和高速加工，數(shù)控編程技術(shù)正在進一步向柔性化、集成化、智能化的方向發(fā)展。

一、計算機數(shù)控編程的現(xiàn)狀分析

數(shù)控加工就是根據(jù)零件圖樣及加工工藝要求等原始資料，編制零件的數(shù)控加工程序，并輸入到數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)中，達(dá)到控制數(shù)控機床刀具與工件的相對運動，從而實現(xiàn)工件加工的過程。數(shù)控編程技術(shù)是數(shù)控加工過程中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。數(shù)控加工的效率和工件的質(zhì)量主要取決于加工方案與加工參數(shù)的合理選擇，包括合理的機床、刀具、走刀路線、主軸轉(zhuǎn)速、吃刀量和進給速度等。

計算機數(shù)控編程的任務(wù)是使用計算機計算出數(shù)控刀軌，然后將其離散成刀位點，并以數(shù)控機床能夠識別的程序的形式輸出到數(shù)控機床，其核心就是計算出刀軌上的刀位點（數(shù)控刀軌是由一系列簡單的線段連接而成的折線，折線上的結(jié)點稱為刀位點）。刀具的中心點沿著刀軌經(jīng)過每一個刀位點，從而切削出工件的形狀。

計算機數(shù)控編程方法經(jīng)歷了兩個階段，即從基于點、線、面、體的刀軌生成方法發(fā)展到基于特征的刀軌生成方法?，F(xiàn)在向第三階段發(fā)展，即智能化編程。對加工方案與加工參數(shù)的自動選擇與優(yōu)化是計算機數(shù)控編程走向智能化的重要標(biāo)志。

1．基于點、線、面和體的數(shù)控刀軌生成方法

在二維繪圖與三維線框階段，數(shù)控加工主要以點、線為驅(qū)動對象，如孔加工、輪廓加工、平面區(qū)域加工等。這種加工要求數(shù)控編程人員的水平較高，人機交互復(fù)雜。在曲面和實體造型階段，是基于實體的加工。該加工對象是一個實體，它由一些基本體素經(jīng)過集合運算（交、并、差運算）而得。實體加工不僅可用于零件的粗加工和半精加工，還可以大面積切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的數(shù)控編程系統(tǒng)的研究與開發(fā)，是特征加工的基礎(chǔ)。實體加工一般有實體輪廓加工和實體區(qū)域加工兩種，實體加工的實現(xiàn)方法主要為層切法，即用一組水平面去切被加工實體，然后對得到的交線產(chǎn)生等距線作為刀具軌跡。

2．基于特征的數(shù)控刀軌生成方法

參數(shù)化特征造型已經(jīng)發(fā)展了一段時期，但基于特征的刀具軌跡生成方法的研究才剛剛開始。特征加工使數(shù)控編程人員不再對那些低層次的幾何信息（如點、線、面、實體）進行操作，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉Ψ瞎こ碳夹g(shù)人員習(xí)慣的特征進行數(shù)控編程，大大提高了編程效率。

二、計算機數(shù)控加工中Unigraphics應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

國內(nèi)制造企業(yè)普遍使用的數(shù)控編程軟件是Unigraphics（簡稱UG），它實現(xiàn)了設(shè)計優(yōu)化技術(shù)與基于產(chǎn)品和過程的知識工程的組合，顯著的改進了汽車、航天、航空、機械、消費產(chǎn)品、醫(yī)療儀器和工具等工業(yè)的生產(chǎn)。UG是當(dāng)前世界上最先進和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAID／CAD／CAE／CA M高端軟件，是知識驅(qū)動自動化技術(shù)領(lǐng)域中的領(lǐng)先者。為各種規(guī)模的企業(yè)帶來了顯而易見的價值，更快地將企業(yè)產(chǎn)品遞交到市場，使復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計簡化，減少產(chǎn)品的成本和增加企業(yè)的競爭實力。它已成為世界上廣泛使用的軟件。不只是因為UG本身的優(yōu)勢，還因為其出品公司擁有許多與之相關(guān)的其它軟件，比如UG的PDM軟件Iman、CAD軟件Solid Edge等構(gòu)成的家族為企業(yè)提供了完整的技術(shù)支持，帶來極大的便利、效率和經(jīng)濟效益。UG自進入中國市場以來，發(fā)展迅速，已經(jīng)成為汽車、中國航空航天、機械、計算機及外設(shè)、家用電器等領(lǐng)域的首選軟件。

國內(nèi)普遍使用的CA M系統(tǒng)只能從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的底層幾何信息，無法自動捕捉產(chǎn)品的幾何形狀信息和產(chǎn)品高層的功能和語義信息。因此整個CA M必須在經(jīng)驗豐富的制造工程師的參與下，通過圖形交互完成。如：制造工程師必須選擇加工對象（點、線、面或?qū)嶓w）、約束條件（裝夾、干涉和碰撞等）、刀具、加工參數(shù)（切削方向、切深、進給量、進給速度等），整個系統(tǒng)的自動化程度比較低。如何降低人為干預(yù)率，提升系統(tǒng)效率、提升系統(tǒng)自動化程度，這就提出數(shù)控加工中計算機數(shù)控編程技術(shù)的二次開發(fā)問題。

三、計算機數(shù)控編程Unigraphics的二次開發(fā)的意義

傳統(tǒng)的數(shù)控加工都是依靠手工編程，效率低、易出錯、加工對象簡單，限制并影響了數(shù)控機床的應(yīng)用。為了簡化數(shù)控編程過程，減少人機交互，可以根據(jù)工件的幾何信息使用計算機數(shù)控自動編程系統(tǒng)編制出數(shù)控加工程序，并計算出刀具的加工軌跡。有了計算機數(shù)控自動編程對不熟悉數(shù)控機床加工的編程員，在短時間內(nèi)，也可以編制出符合加工要求的數(shù)控加工程序。

現(xiàn)在大部分企業(yè)都在使用UG作為數(shù)控編程軟件，雖然UG CAM有著強大的功能，但使用它編寫數(shù)控加工程序是一個復(fù)雜的過程，包括加工方法的選擇、刀具的選用、加工路線的設(shè)定、加工參數(shù)的設(shè)置、刀軌的生成、加工方法的驗證以及數(shù)控代碼的輸出等。同時還需要編程人員有良好的數(shù)控加工經(jīng)驗，對各種常用的加工方法和加工參數(shù)非常熟悉，有關(guān)于數(shù)控銑床、三軸或多軸銑削加工中心的工作原理的知識。

目前數(shù)控程序在進行實際加工之前，必須進行試切以檢驗程序的正確性，這一過程周期長、成本高、勞動強度大、危險，不僅占用了加工設(shè)備的時間，而且其中工藝問題的解決主要依靠操作人員的經(jīng)驗，影響和限制了數(shù)控設(shè)備的使用效率和應(yīng)用范圍。如果要生成完全正確的數(shù)控加工程序，就是要保證在加工過程中刀具與工件、刀具與機床不會產(chǎn)生干涉碰撞等問題。解決了這些問題，使原本復(fù)雜的工件加工變得容易很多，并且縮短了加工周期，避免了加工中不必要的麻煩，保證程序的正確性和可靠性，從而提高加工效率，減少浪費，保證了加工質(zhì)量。所以研究計算機數(shù)控編程的二次開發(fā)具有非常重要的理論意義和實用價值，可以借助UG的二次開發(fā)工具UG／Open和計算機軟件開發(fā)語言C／C＋＋／Java等計算機語言與UG風(fēng)格一致的加工菜單和人機對話界面。

UG／Open是一系列UG開發(fā)工具的總稱，是UG軟件為用戶或第三方開發(fā)人員提供的最主要的開發(fā)工具。它主要由 UG／Open API、UG／Open GRIP、UG／Open MenuScript和 UG／Open UIStyler四部分組成。a．UG／Open API（又稱 User Function）是一個允許程序訪問并改變 UG對象模型的程序集；b．在 UG／Open API工具發(fā)布之前，UG的應(yīng)用開發(fā)工具是UG／Open GRIP，GRIP是一種專用的圖形交互編程語言，它與UG系統(tǒng)集成，可以實現(xiàn)UG環(huán)境中的大部分應(yīng)用操作；c．UG／Open MenuScript是創(chuàng)建用戶菜單的工具；d．UG／Open UIStyler是開發(fā)UG對話框的可視化工具。

四、計算機數(shù)控編程Unigraphics的二次開發(fā)的實際應(yīng)用

在計算機數(shù)控編程中，使用UG的二次開發(fā)功能，可以實現(xiàn)自動出圖，快速設(shè)置刀庫，快速設(shè)置加工參數(shù)，快速設(shè)置模胚和標(biāo)準(zhǔn)件，平面銑、型腔銑和固定軸曲面輪廓銑的快速編程和計算機自動編程，刀具軌跡干涉檢查等。其中計算機數(shù)控自動編程和刀具軌跡干涉檢查兩方面的二次開發(fā)是最具實際應(yīng)用意義的，也是在二次開發(fā)中最廣泛應(yīng)用的。

1．計算機數(shù)控自動編程

計算機數(shù)控自動編程是借助計算機及其外圍設(shè)備裝置自動完成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，它將輸入計算機的零件設(shè)計和加工信息自動轉(zhuǎn)換成為數(shù)控裝置能夠讀取和執(zhí)行的指令（或信息）的過程。

計算機數(shù)控自動編程的一般流程：

a．將被加工零件的幾何圖形及有關(guān)工藝過程用計算機能夠識別的形式輸入計算機，利用計算機內(nèi)的數(shù)控編程系統(tǒng)對輸入信息進行翻譯，形成零件的幾何數(shù)據(jù)與拓?fù)鋽?shù)據(jù)；

b．進行工藝處理，確定加工方法、加工路線和工藝參數(shù)；

c．通過數(shù)學(xué)處理計算刀具的運動軌跡，并將其離散成為一系列的刀位數(shù)據(jù)；

d．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數(shù)控指令集；

e．對數(shù)控指令集進行校驗及修改；

f．通過通訊接口將計算機內(nèi)的數(shù)控指令集送入機床的控制系統(tǒng)。

上述步驟c至步驟f均由計算機自動完成，可見UG CAM傳統(tǒng)的數(shù)控編程過程非常復(fù)雜，對其進行深度研究和二次開發(fā)的主要目的在于減少UG CAM數(shù)控加工編程時間，提高編程效率。

計算機自動編程的核心是計算刀具的運動軌跡，根據(jù)不同的加工要求調(diào)用相對應(yīng)的程序模塊，從而得到刀具軌跡。加工程序的設(shè)計算法就成了核心中的核心，針對不同的加工需求設(shè)計不同的加工程序算法。（1）若加工曲面，則可以采用截平面法，它的基本加工思想是采用一組平面去截取加工表面，截出一系列交線，刀具與加工表面的切點就沿著這些交線運動，完成曲面的加工，該方法使刀具與曲面的切點軌跡在同一平面上。在加工曲面時也可以采用構(gòu)造等距面的方法，使刀具沿截平面與加工表面等距面的交線運動，根據(jù)加工工藝進行刀具的選擇并計算出刀位點。（2）若加工平面，可以直接提取加工面的邊界，只需要將加工面的邊界屬性全部提取出來。如果全部是直線，就可以直接根據(jù)加工工藝要求選擇刀具并進行刀位點的計算。如果加工面的邊界有圓弧，就要計算出圓弧的直徑，根據(jù)加工工藝要求和圓弧的直徑來進行刀具的選擇，計算出刀位點。（3）若加工孔，可以采用點位加工方法，這種加工方法主要應(yīng)用在平面和曲面上鉆孔（例如直孔、斜孔，包括擴孔、鉸孔）。鉆孔的過程可以分為以下幾步：a．讓鉆頭走到曲面上方的一點Q（Q位于孔的中心線上）；b．在Q點出刀，使刀軸與孔的中心線平行；c．保持?jǐn)[角不變，按鉆孔工藝要求進行鉆孔；d．鉆孔完成后刀具回到Q點。需要注意的是，盡管鉆孔的刀具軌跡計算方法比較簡單，但其工藝問題非常重要，在研發(fā)鉆孔部分的程序時要注意加工的進給速度、退鉆速度、每一次鉆孔深度和鉆孔總深度等問題。

2．刀具軌跡干涉檢查

刀具軌跡干涉檢查是衡量CA M系統(tǒng)中數(shù)控編程功能的一項重要標(biāo)志，其不僅要檢查出每個刀位點是否與零件、機床等存在干涉和碰撞，優(yōu)秀的干涉檢查系統(tǒng)還能夠通過抬刀、調(diào)整刀軸矢量等方法來消除干涉，然后生成一個無干涉和碰撞的刀具軌跡。干涉主要存在兩方面問題，它們是：a．刀具與毛坯上加工面、約束面的切削和干涉；b．刀具與機床或夾具之間以及機床元件之間的干涉。

在研發(fā)程序時，需要注意干涉檢查往往都有實時性的要求，而且也是干涉回避及其它空間規(guī)劃問題的基礎(chǔ)，因此，程序的效率及可靠性（無漏判或誤判）是干涉檢查程序研究的核心。

為了在數(shù)控加工中得到無干涉的刀具軌跡，避免刀具干涉的程序算法有很多，例如：（1）向量相交的方法基于向量長度的改進方法；（2）計算半平面交集的球理論算法；（3）用切向量來發(fā)現(xiàn)Bezier曲線及曲面數(shù)控加工中可行的刀具方向的方法；（4）利用投影法；⑸利用參數(shù)曲線曲面的特性來判斷是否存在刀具干涉。

在實際的程序開發(fā)中干涉檢查就是確定不同的物體在空間是否占有相同區(qū)域的問題。最常使用的干涉檢查程序流程是：首先利用參數(shù)曲線曲面的特性來進行全局刀具干涉的粗判，若不存在干涉，則該刀具方向是可行的；若存在干涉，則需要通過進一步的詳細(xì)檢查來判斷該空間自由曲面與現(xiàn)行的刀具方向之間是否真正存在刀具干涉，直至得到最終檢查結(jié)果。若有干涉，計算干涉量、抬刀、修正刀位點，并將產(chǎn)生干涉的刀具軌跡去掉，最終得到無干涉的刀具軌跡。粗檢查也就是判斷刀具與加工面、約束面、機床等之間是否有交集，詳細(xì)檢查是對粗檢查中產(chǎn)生干涉的部分進行進一步分析判斷并計算出干涉量。

在實際的數(shù)控編程中避免刀具干涉的方法主要可以分為兩大類：a．在生成刀具軌跡及數(shù)控程序之后通過數(shù)控程序檢驗仿真中的干涉檢查算法來檢查并排除干涉。這種方法在個別情況下需要反復(fù)進行干涉檢查和刀具軌跡的生成；b．在刀具軌跡生成的過程中避免刀具干涉。這種方法可以減少數(shù)控程序的反復(fù)檢查及修改，但是在生成刀具軌跡的同時進行干涉檢查，會使生成刀具軌跡的時間延長，不利于提高加工效率。在具體的編程中，兩種方法應(yīng)該結(jié)合使用，根據(jù)工件的不同情況和加工輪廓及曲面的難易程度來判斷使用哪種方法更能提高效率。

數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用為制造業(yè)帶來了翻天覆地的變革，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用必然加快行業(yè)工業(yè)化進程；計算機數(shù)控編程在數(shù)控技術(shù)中的應(yīng)用，很大的程度上促進的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)出優(yōu)秀的計算機數(shù)控編程的二次開發(fā)程序，可以實現(xiàn)加工自動化，提高加工速度、保證加工精度，縮短產(chǎn)品的加工周期，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟效益。

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［6］Guan Liwen，Wang Jinsong，Wang Liping．Combined method for parallel manipulator configuration design．High Technology Letters，2005．

Analysis of t he Second Exploration of CNC Pr ogra mming Technol ogy in Nu merical Contr ol Pr ocessing

WANG Tian

（Tianjin Vocational Education Center of Boar d of Education，Tianjin 300122 China）

The article is based mainly on the numerical control technology used in the manuf acturing industry in our country，combined with CNC programming soft ware Unigraphics（UG），the article researches on the second exploration of computer nu merical control programming．Through this activity，we can shorten the ti me of CNC programming，i mprove the machining efficiency，reduce humancomputer interaction in the CNC programming，and therefore i mprove the accuracy and reliability of nu merical control program．

computer numerical control programming；Unigraphics

T H6

A

1673－582 X（2012）02－0061－04

2011－12－06

王田（1982－），男，天津人，天津市教育委員會職業(yè)技術(shù)教育中心，助理講師，主要從事職業(yè)教育教學(xué)研究工作。