數(shù)控編程軟件的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

姚國林

（河南科技學(xué)院機電學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000）

數(shù)控加工在現(xiàn)代工業(yè)中有著不可替代的地位，隨著數(shù)控加工技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控編程軟件在現(xiàn)代制造業(yè)中越來越重要。數(shù)控編程軟件（CAD/CAM）能幫助制造業(yè)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本[1]。

1 數(shù)控編程軟件的發(fā)展歷程

1.1 遙控編程軟件的早期階段

遙控編程軟件的早期階段即數(shù)控編程軟件發(fā)展的起點，該階段，數(shù)控編程軟件以基本的指令集為核心，供用戶手動輸入程序來實現(xiàn)機床的控制。由于計算機技術(shù)水平的限制，這些軟件通常只能支持簡單的數(shù)控操作，且需要用戶具備較高的編程技能。

1.2 自動編程與兩維編程系統(tǒng)的發(fā)展

自動編程與兩維編程系統(tǒng)的發(fā)展是數(shù)控編程軟件發(fā)展的一個重要階段。自動編程技術(shù)的出現(xiàn)極大提高了數(shù)控編程的效率和準(zhǔn)確性，使得數(shù)控加工過程更加智能化和自動化。兩維編程系統(tǒng)通過將工件的幾何信息轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，使得編程過程更加直觀和簡單。編程人員只須通過鼠標(biāo)點擊或繪圖工具進行操作，即可生成相應(yīng)的加工路徑和程序。同時，兩維編程系統(tǒng)還引入了自動刀具路徑優(yōu)化、補償、刀尖軌跡仿真等功能，極大提高了加工效率和質(zhì)量，通過這些功能，編程人員能更加靈活地進行編程，同時也能更好處理加工過程中的問題。

1.3 數(shù)字模擬與三維編程系統(tǒng)

在數(shù)控編程軟件發(fā)展歷程中，數(shù)字模擬與三維編程系統(tǒng)的進步是一個重要的里程碑。隨著計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字模擬和三維編程系統(tǒng)為數(shù)控編程軟件帶來了巨大的改進和突破。

傳統(tǒng)的數(shù)控編程需要根據(jù)圖紙和實際物體進行編程，不僅費時費力，且容易出現(xiàn)誤差。而數(shù)字模擬技術(shù)通過將物體的幾何特征和加工路徑等信息輸入計算機中，通過虛擬仿真的方式進行加工模擬，可事先發(fā)現(xiàn)問題并進行優(yōu)化，極大地提高了編程的準(zhǔn)確性和效率。

三維編程系統(tǒng)的發(fā)展也使得數(shù)控編程軟件朝著更直觀和易用的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的兩維編程系統(tǒng)主要通過平面圖進行編程，雖然可滿足一些簡單的加工需求，但對于復(fù)雜曲面的加工就顯得力不從心。而三維編程系統(tǒng)則可實現(xiàn)對三維物體的完整加工描述，使得編程更加直觀和準(zhǔn)確。通過三維編程系統(tǒng)，操作人員可以在計算機上對物體進行旋轉(zhuǎn)、放縮、編輯等操作，實時查看加工結(jié)果，并進行相應(yīng)的調(diào)整，從而達到更好的加工效果。

2 數(shù)控編程軟件的現(xiàn)狀

2.1 當(dāng)前市場主流品牌及特性分析

當(dāng)前市場數(shù)控編程軟件（CAD/CAM）的數(shù)量很多，市場競爭十分激烈，如我國的CAXA 數(shù)控編程軟件、美國的Mastercam 和Pro/E 軟件、德國的UG（NX）、法國的CATIA、英國的PowerMILL 軟件等，這些品牌在功能和性能方面都具有顯著的優(yōu)勢[1]，具體體現(xiàn)如下。

（1）Mastercam 數(shù)控編程軟件。該軟件操作簡便、功能豐富，具備模型設(shè)計和編程兩個功能。主要以CAM 算法、刀路、精度及2D 方面為特色，使得用戶能更加高效地編寫和執(zhí)行數(shù)控程序。此外，該軟件還具有對用戶友好的圖形界面和可定制的工作流程，能滿足不同用戶的需求。

（2）UG（NX）數(shù)控編程軟件。該軟件主要以模型的三維設(shè)計為主，同時兼顧數(shù)控編程功能。該軟件強項是平行銑削和3D 流道加工。缺點是雖然有后處理功能，但與不同類型的數(shù)控機床和控制系統(tǒng)兼容一般，為用戶的使用減少了更大的靈活性和便利性。

（3）CATIA 數(shù)控編程軟件。該軟件機械設(shè)計尤其是航空航天設(shè)計方面具有獨特的優(yōu)勢。該軟件通過高精度的模擬仿真和實時可視化功能，使用戶能更好地理解和調(diào)優(yōu)數(shù)控程序。但該軟件的使用成本較高，且產(chǎn)品的附加信息較少，一般在高端的產(chǎn)業(yè)使用較多。

（4）PowerMILL 數(shù)控編程軟件。該軟件也是一款具備設(shè)計和編程兩功能的軟件，加工能力十分強大，具備很豐富的加工策略，可快速確定加工路徑，減少加工時間提高加工效率。另外該軟件對于兩軸、三軸、四軸、五軸加工都很適合，專業(yè)適應(yīng)性很強[2]。

（5）CAXA 數(shù)控編程軟件。該軟件操作界面簡潔，全中文界面，對初學(xué)者十分友好；該軟件也是集設(shè)計與編程于一體的軟件，可加工兩軸到五軸的編程代碼，適合各種零件的編程于加工；該軟件具有強大的后處理功能，可與不同類型的機床系統(tǒng)對接，使用十分靈活和方便；該軟件使用成本較低、功能齊全、操作簡單，在數(shù)控編程軟件領(lǐng)域有著不可替代的地位。由于我國數(shù)控領(lǐng)域起步較晚，所以該軟件和上述幾款國外軟件相比，在加工精度和效率上還有一定差距。

2.2 現(xiàn)階段數(shù)控編程軟件面臨的問題

現(xiàn)階段數(shù)控編程軟件主要面臨以下問題[3]。

（1）當(dāng)前數(shù)控編程軟件的用戶界面設(shè)計和交互方式較為簡單，缺乏用戶友好性。即使是對于專業(yè)的數(shù)控編程人員來說，操作繁瑣、界面復(fù)雜的軟件也是一種挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計易于學(xué)習(xí)和操作、用戶友好的界面成為了當(dāng)前迫切需要解決的問題之一。

（2）數(shù)控編程軟件在處理復(fù)雜加工任務(wù)時存在一定的局限性?，F(xiàn)階段的數(shù)控編程軟件主要針對簡單的二維加工任務(wù)進行編程，而對于復(fù)雜的三維加工任務(wù)則支持不足。由于現(xiàn)實中的加工任務(wù)通常具有多個坐標(biāo)軸、復(fù)雜的曲線路徑和變化的刀具軌跡，傳統(tǒng)的數(shù)控編程軟件很難滿足這些需求。因此，提升數(shù)控編程軟件的三維編程能力成為了當(dāng)前亟待解決的問題之一。

（3）數(shù)控編程軟件在與其他軟件、硬件的兼容性上存在問題。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，各種設(shè)備和軟件系統(tǒng)間存在差異，不同供應(yīng)商提供的數(shù)控機床和數(shù)控編程軟件間可能不兼容，給用戶的選擇和使用帶來了一定的難度和不便。

（4）數(shù)控編程軟件在數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全方面面臨一定的挑戰(zhàn)。隨著云計算和大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，數(shù)控編程軟件不僅需要能處理越來越大量的數(shù)據(jù)，還需要保證數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中的安全性。特別是對于涉及商業(yè)機密和個人隱私的加工任務(wù)，保護數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全顯得尤為重要。

針對上述問題，數(shù)控編程軟件的未來發(fā)展應(yīng)著重解決以下方面：①加強用戶界面設(shè)計和優(yōu)化交互方式，使軟件更加易于學(xué)習(xí)和操作，提高用戶體驗；②增強數(shù)控編程軟件的三維編程能力，提供更強大、靈活的編程功能，以滿足復(fù)雜加工任務(wù)的需求。同時，加強與其他軟件、硬件的兼容性，推動不同設(shè)備和軟件系統(tǒng)的互操作性和兼容性，提升用戶的選擇和使用便利性；③加強數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全的保護，結(jié)合云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸和存儲的安全性，提升整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

綜上所述，現(xiàn)階段數(shù)控編程軟件面臨著用戶界面設(shè)計和交互方式不友好、對復(fù)雜加工任務(wù)支持不足、兼容性問題及數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全方面的挑戰(zhàn)。未來，通過加強用戶友好性、提升三維編程能力、改善與其他軟件、硬件的兼容性及加強數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全，數(shù)控編程軟件的發(fā)展將更加全面和可持續(xù)。

3 數(shù)控編程軟件的未來展望

3.1 智能化發(fā)展趨勢

隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)控編程軟件也在不斷演變和改進，在未來，智能化發(fā)展將成為數(shù)控編程軟件的一個重要趨勢。

智能化的發(fā)展可從兩方面來理解。①智能化意味著數(shù)控編程軟件將能具備自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)的能力。通過分析大量數(shù)據(jù)和算法的支持，數(shù)控編程軟件可不斷學(xué)習(xí)并提高其編程能力和效率。其可自動識別并優(yōu)化不同工件的加工路徑，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)整，使得數(shù)控編程軟件能更好地適應(yīng)不同的加工需求，提高加工的精度和效率。②智能化的發(fā)展還意味著數(shù)控編程軟件將能夠與其他設(shè)備和系統(tǒng)進行互聯(lián)互通。通過云計算和大數(shù)據(jù)的支持，數(shù)控編程軟件可與機床、傳感器和其他工廠管理系統(tǒng)進行無縫鏈接。其可以實時獲取和分析設(shè)備和加工過程的數(shù)據(jù)，通過智能算法進行優(yōu)化調(diào)整，并實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控和控制，這樣操作者可實時了解加工情況，及時進行調(diào)整，提高生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

在智能化發(fā)展基礎(chǔ)上，數(shù)控編程軟件的未來還可能向著自動化的方向發(fā)展。例如，通過引入人工智能相關(guān)技術(shù)，數(shù)控編程軟件可根據(jù)操作者的經(jīng)驗和偏好，自動生成適合的加工程序，極大減少人工編程的工作量，同時，數(shù)控編程軟件還可以在加工過程中實時檢測設(shè)備的狀態(tài)和加工質(zhì)量，并預(yù)測可能出現(xiàn)的故障或問題，提前進行預(yù)防和優(yōu)化。

3.2 云計算和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用預(yù)測

隨著云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)控編程軟件領(lǐng)域?qū)⒃谄湟I(lǐng)下獲得更廣闊的發(fā)展空間和更高效的功能，具體體現(xiàn)如下。

（1）云計算的應(yīng)用預(yù)測使得數(shù)控編程軟件能更好地適應(yīng)用戶需求。通過云計算技術(shù)，數(shù)控編程軟件可以在網(wǎng)絡(luò)上進行實時的數(shù)據(jù)交互和共享。用戶可通過云端平臺進行數(shù)控編程任務(wù)，無需繁瑣的安裝軟件環(huán)節(jié)，極大降低了使用成本和門檻。同時，云計算技術(shù)也可以提供強大的計算和存儲能力，使數(shù)控編程軟件能更加高效地處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)，為用戶提供更加快捷、精確的編程服務(wù)。

（2）大數(shù)據(jù)的應(yīng)用預(yù)測使得數(shù)控編程軟件能更好地進行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化。隨著生產(chǎn)制造業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)控機床所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也越來越大，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，數(shù)控編程軟件可對這些數(shù)據(jù)進行深度挖掘和分析，從而發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律和潛在問題，提供有效的優(yōu)化方案。例如，通過對數(shù)控機床運行數(shù)據(jù)的分析，數(shù)控編程軟件可預(yù)測機床的運行狀態(tài)和維修周期，提前進行維護，減少損耗和故障，提高生產(chǎn)效率和機床的使用壽命。

（3）云計算和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用預(yù)測還將促進數(shù)控編程軟件與其他智能化設(shè)備的集成和協(xié)同。通過云端平臺的數(shù)據(jù)共享和交互，數(shù)控編程軟件可實現(xiàn)與其他智能化設(shè)備的無縫連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)。例如，在數(shù)控加工過程中，數(shù)控編程軟件可將實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸給智能傳感器，通過對傳感器數(shù)據(jù)的分析和反饋，對加工過程進行實時控制和優(yōu)化，提高加工精度和質(zhì)量。

綜上所述，云計算和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用預(yù)測為數(shù)控編程軟件帶來了巨大的發(fā)展機遇。未來，數(shù)控編程軟件將更加智能化，具備更高的計算和分析能力，實現(xiàn)更加精準(zhǔn)、高效的編程功能。同時，數(shù)控編程軟件還將與其他智能化設(shè)備實現(xiàn)更緊密的協(xié)同，為制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供強有力的支持。

4 結(jié)束語

文章回顧了數(shù)控編程軟件的發(fā)展歷程，從編程軟件的早期階段到自動編程與兩維編程系統(tǒng)的發(fā)展，再到數(shù)字模擬與三維編程系統(tǒng)的進步，梳理了數(shù)控編程軟件的演變過程。對現(xiàn)階段市場主流的幾款數(shù)控編程軟件特性進行分析并提出其存在的問題及解決方案，對未來數(shù)控編程軟件的發(fā)展趨勢進行了智能化、云計算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用提出預(yù)測和展望。希望通過文章的研究，能促進數(shù)控編程軟件的進一步發(fā)展，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和提高生產(chǎn)效率作出貢獻。