林慧娟

（安徽六安技師學院 安徽 六安 237010）

0 引言

在現(xiàn)代經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的影響下，各行各業(yè)對于零件的外形要求也在不斷提高，使得各機械產(chǎn)品設(shè)計制造工作變得越發(fā)復(fù)雜，加工制造技術(shù)也要跟隨經(jīng)濟社會發(fā)展不斷更新。 傳統(tǒng)人工加工制造方法無法滿足零件設(shè)計、加工的具體要求。 數(shù)控編程技術(shù)作為現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)的全新成果，成為我國機械設(shè)計制造行業(yè)自動化發(fā)展的重要技術(shù)因素，并且該項技術(shù)集成了計算機、自動控制等多項技術(shù)成果，使得機械設(shè)計制造加工難度明顯下降，產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率得到提高，逐漸在機械設(shè)計制造加工行業(yè)普及應(yīng)用。 本文通過研究分析現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)在機械設(shè)計制造加工行業(yè)的實際應(yīng)用，展望了未來的發(fā)展趨勢，為今后數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展以及普及應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)控編程技術(shù)概述

現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)的應(yīng)用一般需要相關(guān)人員對產(chǎn)品、零部件具體加工要求進行分析，再形成工藝設(shè)計方案，確定產(chǎn)品的最終加工方法，其中也包括了選擇加工機床、刀具、夾具等設(shè)備。 同時要在科學確定走刀路線以及切削用量的基礎(chǔ)上，建立三維工件幾何模型，通過模擬加工計算工件的運動軌跡以及機床的運動軌跡［1］。 數(shù)控編程技術(shù)能夠在建立程序格式的情況下，對于零件的加工工具不斷進行調(diào)整，最終得出在生產(chǎn)效率和質(zhì)量方面都具備優(yōu)勢的產(chǎn)品加工程序。 對于零部件的生產(chǎn)加工工作而言，因為產(chǎn)品生產(chǎn)難度存在明顯差異，利用自動編程或者手動編程的方法建立最終的產(chǎn)品加工程序，手工程序編制和數(shù)控加工程序編制都需要借助人力資源，一般分為零件的圖樣分析和工藝分析、確定加工路線的多個環(huán)節(jié)，一般會在程序較為簡單、計算難度較低的零件加工過程中逐漸應(yīng)用。 但此類編程的缺陷也較為明顯，主要表現(xiàn)在工作效率和偏差方面。 自動編程則是利用計算機和相關(guān)軟件自主完成數(shù)控加工程序的設(shè)計和調(diào)整，在容錯率和出錯率方面有著明顯的優(yōu)勢。

2 現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 數(shù)控加工仿真技術(shù)

在現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)持續(xù)發(fā)展的影響下，有關(guān)工藝設(shè)計和刀具軌跡生成等方面的技術(shù)取得了相應(yīng)的發(fā)展成就。但考慮到零件的形狀多元化特征明顯，且產(chǎn)品加工環(huán)境也處于動態(tài)變化狀態(tài)，零件加工也會在多種因素的影響下，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量降低的問題，影響因素是以零件加工過程中的過切、欠切和機床干涉碰撞等為主，數(shù)控加工編程技術(shù)利用計算機以及相關(guān)軟件模擬加工環(huán)境、刀具軌跡和加工流程，幫助相關(guān)人員以此為基礎(chǔ)針對其中不合理的加工工序進行調(diào)整，將之前的工件試切環(huán)節(jié)逐漸取代，在成本投入、效率和安全性方面有著明顯的優(yōu)勢，也是數(shù)控編程質(zhì)量提升的有效途徑。

從我國數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展看來，在模型化以及仿真計算方面取得了相應(yīng)的發(fā)展成果，并且在模型精度提升、仿真計算時效性提升方面也在不斷優(yōu)化和改進。 以試切環(huán)境模型特征為基礎(chǔ)進行分析，將數(shù)字控制（numerical control，NC）切削期間的仿真具體分為幾何仿真和力學仿真。 前者的設(shè)計操作并不需要考慮切削參數(shù)和切削力，只需要將仿真刀具和工件幾何體的運動過程進行結(jié)合，以此為基礎(chǔ)對于NC 程序的合理性進行驗證。 這種仿真方式能夠有效規(guī)避因為程序錯誤帶來的機床損壞、零件損傷等多種現(xiàn)象，且產(chǎn)品設(shè)計制造周期明顯得到壓縮［2］。 后者因為屬于物理仿真范圍，在防止切削期間預(yù)測刀具的損害和振動厚度，合理地調(diào)節(jié)切削參數(shù)，保障切削環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的發(fā)展目標。

在數(shù)控加工仿真技術(shù)應(yīng)用期間，數(shù)據(jù)驅(qū)動一般是刀位數(shù)據(jù)和NC 代碼為主，以應(yīng)用模式方面的差異將數(shù)據(jù)加工分為后置前處理數(shù)據(jù)以及后置處理過程的仿真。 前者是以刀位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展的數(shù)控加工仿真工作，后者則是基于NC程序開展的加工過程仿真。 以刀位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展的數(shù)控加工仿真，同樣不需要將切削力和切削參數(shù)此類數(shù)據(jù)作為考慮因素，只需要完成刀具運作過程的仿真工作，借此檢驗刀具軌跡的合理性，提高零件的加工質(zhì)量［3］。 以NC 程序為基礎(chǔ)的數(shù)控加工仿真主要是用于檢驗NC 程序的正確性、操作人員培訓和碰撞檢測，在實踐環(huán)節(jié)中，因為仿真器件將環(huán)境因素加入其中，導致仿真工作難度明顯提高。

2.2 后置處理技術(shù)

現(xiàn)如今，我國機械設(shè)計制造正在逐漸向著計算機集成制造方向發(fā)展，并且計算機輔助設(shè)計和制造也是計算機集成制造系統(tǒng)得以實現(xiàn)的核心技術(shù)。 為了全面達成計算機輔助設(shè)計和制造系統(tǒng)的無縫集成目標，必須將自動編程系統(tǒng)產(chǎn)生的自動編程工具（automatically programmed tool，APT）格式的單位代碼經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后，才能保證數(shù)控機床能夠有效執(zhí)行。

在數(shù)控編程工作中，計算刀具軌跡是前置處理工作內(nèi)容，為了保障前置處理環(huán)節(jié)的通用化發(fā)展，需要以相對運動原理作為基礎(chǔ)，在同一個空間坐標系中進行統(tǒng)一計算，并不需要考慮具體機床結(jié)構(gòu)和指令形式，確保系統(tǒng)軟件能夠逐漸優(yōu)化。 如此一來，為了保證數(shù)控機床加工程序的可行性以及簡潔性，要經(jīng)過計算得到的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驁?zhí)行的代碼程序，這也是常見的后置處理環(huán)節(jié)。 綜合考慮機床運動結(jié)構(gòu)以及控制指令的格式，相關(guān)人員能夠?qū)⒔?jīng)過前置計算得到的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機床各軸運行指令數(shù)量，且控制指令格式也能夠隨之得到轉(zhuǎn)換，并最終形成數(shù)控機床能夠執(zhí)行的加工程序。

后置處理技術(shù)應(yīng)用的最終目標是建立數(shù)控機床能夠執(zhí)行的加工指令。 考慮到機床的控制系統(tǒng)存在明顯的差異，故此數(shù)控指令的文件代碼格式也需要不斷進行調(diào)整。計算機設(shè)計和制造數(shù)控編程程序需要設(shè)置后置文件處理選項，以此為基礎(chǔ)產(chǎn)生與數(shù)控技術(shù)對接的加工文件，需要按照使用的格式，對于數(shù)控文件使用的代碼、程序、圓整化方式等內(nèi)容進行定義，在條件允許的情況下，進行必要的編輯修改［4］。

在后置處理技術(shù)的幾何算法中，利用商用計算機輔助設(shè)計和制造軟件獲取APT 格式的文件，借助工件坐標系能夠給出刀頭位置和刀具的矢量方向。 一般的五軸數(shù)控機床是將轉(zhuǎn)軸中心作為控制點，需要的因素包括轉(zhuǎn)軸中心點位置和刀具的旋轉(zhuǎn)角度以及進刀因素。 也正因如此，在后置幾何處理過程中，需要實現(xiàn)坐標系的轉(zhuǎn)換。 因為不同機床的刀具位置描述因素也存在不同，甚至部分坐標系確定也存在明顯的差異，尚未形成統(tǒng)一的算法進行坐標系的轉(zhuǎn)換，但具體的思想?yún)s是基本一致的，也需要通過空間幾何的方法，將APT 文件中的機床刀頭位置和刀具矢量方向轉(zhuǎn)變?yōu)闄C床運轉(zhuǎn)所需的各種數(shù)字量。 在后置處理的譯碼過程中，因為APT 文件并不包括機床所使用的G 代碼以及M 代碼用于描述機床的動作，使用的是GOTO 以及STOP 之類語句，在后置處理譯碼過程中，需要將一般性語句轉(zhuǎn)變?yōu)闄C床運動所需的專用語句［5］。

在計算機輔助設(shè)計與制造系統(tǒng)中，一般都會對走刀軌跡進行弧弦逼近。 刀具運動的包絡(luò)面和加工表面之間存在一定的逼近誤差，要以誤差的數(shù)據(jù)大小對于走刀的補償和加工帶寬度進行調(diào)整，對多軸聯(lián)動，尤其是包含旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)動的曲面加工的理論刀具軌跡要以刀具表面和零件表面的嚙合關(guān)系為基礎(chǔ)，確立相應(yīng)的非線性連續(xù)曲線，最終得到機床運動中的理想聯(lián)動規(guī)律。 但實際上，在具體多重聯(lián)動的控制過程中，一般都只具備線性插補功能。 非線性連續(xù)軌跡只能夠以一小段的直線進行離散逼近，隨后需要相關(guān)系統(tǒng)針對機床運動進行線性插補，最終實現(xiàn)被加工曲面的近似包絡(luò)成型目標。 這會帶來一定的非線性誤差，此誤差的數(shù)值與機床運動結(jié)構(gòu)之間有著密切的聯(lián)系，在前置處理中無法有效解決，因此需要在后置處理中，以刀位文件中收錄的離散刀位信息修正其中存在的非線性誤差。

高速數(shù)控加工有明顯的效率和精度方面的優(yōu)勢，但對于機床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)也提出了更高的要求，在普通手工加工中，計算機設(shè)計和輔助系統(tǒng)都是以較小的直線和圓弧作為刀具的移動路徑，因此產(chǎn)生的數(shù)控程序數(shù)量較多，運行時間較長。 在高速數(shù)控加工過程中使用的插補刀軌方式，綜合使用控制點、節(jié)點矢量和權(quán)三個變量對于自由曲線進行表達，針對各項產(chǎn)品曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的加工程序而言，程序數(shù)量能夠減少50%以上，加工時長也能夠得到明顯壓縮，產(chǎn)品加工效率和精度能夠得到保障。

2.3 數(shù)控機床程序編制

以目前數(shù)控編程技術(shù)發(fā)展來看，用于數(shù)控機床編程的方法分為手動編程、自動編程兩種。 手動編程技術(shù)要求技術(shù)人員在科學分析零件圖的前提下，以其中的相關(guān)信息和加工要求進行零件的加工，技術(shù)人員也需要參與整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程。 技術(shù)人員需要以零件圖的數(shù)據(jù)分析結(jié)果為基礎(chǔ)科學選擇程序代碼，基本指令代碼編程和高級指令代碼編程是最為常見的兩種形式。 前者需要技術(shù)人員在加工程序編程的過程中使用各種簡單標準的指令，使用范圍較小，通常用于簡單機械零件加工。 后者則是由數(shù)控系統(tǒng)編寫生成的代碼，應(yīng)用范圍更加廣泛，在產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中進行零件的精細化處理。 通常在機械設(shè)計加工制造中，指令編程將基本指令代碼和高級指令代碼變成有效結(jié)合，在提高產(chǎn)品加工效率時，壓縮工程成本。

在我國現(xiàn)代自動化技術(shù)發(fā)展的影響下，數(shù)控編程自動化發(fā)展趨勢也變得十分明顯，現(xiàn)代數(shù)控自動編程技術(shù)是以管理軟件計算機輔助設(shè)計（computer-aided design，CAD）技術(shù)作為基礎(chǔ)，在全面分析復(fù)雜工作零件的前提下產(chǎn)生相應(yīng)的設(shè)計方案，并且數(shù)控系統(tǒng)能夠根據(jù)得到的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，形成相應(yīng)的指令代碼，嚴格按照對應(yīng)的加工要求，保證機床能夠自主加工機械零件，提高其效率和精準度。 因為現(xiàn)代數(shù)控自動編程技術(shù)的代碼指令更加精準，能夠在形狀復(fù)雜、手工編程無法應(yīng)用的零件加工工作中廣泛應(yīng)用。 在利用CAD 軟件進行指令代碼編程的過程中，需要技術(shù)人員優(yōu)先進行加工零件的分析，尤其是需要對待加工面進行觀察，最終形成合理的加工方案。 隨后利用CAD 軟件完成待加工面的幾何造型，嚴格按照對應(yīng)元素的定義方法形成精準的幾何模型。 在設(shè)置加工參數(shù)和刀具參數(shù)的過程中，以CAD 軟件形成的幾何形態(tài)為基礎(chǔ)，加工參數(shù)以主軸轉(zhuǎn)速為主，刀具參數(shù)則是以刀具的類型和刀具號為主。 在完成參數(shù)設(shè)置工作之后，數(shù)控系統(tǒng)便會針對產(chǎn)品加工過程中的刀具運行軌跡自動生成，提高零件加工的效率和質(zhì)量，利用人工交互的方法進行刀具軌跡監(jiān)控，一旦出現(xiàn)運動軌跡偏差，可以由技術(shù)人員及時進行調(diào)整。 根據(jù)CAD軟件的指令代碼編程環(huán)節(jié)能夠科學地驗證刀位位置的準確性，保障生產(chǎn)過程中的刀位完全符合加工零件的要求，轉(zhuǎn)化為NC 代碼，保障數(shù)控機床能夠進行批量化零件生產(chǎn)。

2.4 零件圖的數(shù)學化處理

在現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)應(yīng)用的過程中，機械設(shè)計加工制造利用該項技術(shù)完成零件圖的數(shù)學處理，該環(huán)節(jié)工作是對零件加工軌跡的尺寸進行計算，可以分為基點坐標和節(jié)點坐標的計算。

因為數(shù)控機床只具備直線和圓弧插補功能，對于包括直線和圓弧的平面機械零件輪廓而言，在編程過程中數(shù)值計算要求進行各基點坐標的計算。 基點坐標使用直接計算方法，要求相關(guān)人員對于加工程序單的信息進行填寫，針對每條運動軌跡的起點和終點在選定坐標系中的坐標以及圓弧運動軌跡的圓心坐標值進行計算。 技術(shù)人員利用零件圖樣給出的已知條件，綜合使用代數(shù)、三角、解析幾何等相關(guān)知識直接計算出相應(yīng)的數(shù)值。 在節(jié)點計算過程中，需要保障小數(shù)點后的位數(shù)合理保留，以此提高產(chǎn)品生產(chǎn)的精準度，節(jié)點坐標的計算工作總量和難度明顯增加，一般利用計算機后臺完成，在條件允許的情況下，根據(jù)人工方法進行計算，最為常見的計算方法是直線逼近法等間距法等步長法。 在現(xiàn)代技術(shù)加持下，利用CAD 繪圖軟件，在精準捕獲中標點的前提下，根據(jù)精度允許的范圍進行節(jié)點坐標的計算。

3 數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展趨勢展望

一是集成化發(fā)展。 在我國數(shù)控加工行業(yè)持續(xù)發(fā)展的影響下，各企業(yè)對于現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)的標準要求也在不斷提高。 隨著我國數(shù)控加工行業(yè)規(guī)模的持續(xù)保障，數(shù)控編程技術(shù)也會逐漸向著集成化方向發(fā)展，確保過程控制、計算機輔助編程以及后處理系統(tǒng)三者能夠有效集成。 在集成多項技術(shù)的背景下，現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)能夠在特定的產(chǎn)品設(shè)計空間范圍內(nèi)合理運用設(shè)計、生產(chǎn)資源，同時數(shù)據(jù)信息傳輸效率和安全性也能夠得到保證，能夠在節(jié)約生產(chǎn)資源時，保證產(chǎn)品加工的效率和效益不斷提高。

二是智能化發(fā)展趨勢。 隨著我國大數(shù)據(jù)時代的持續(xù)發(fā)展，人工智能技術(shù)與各個行業(yè)實現(xiàn)了深度融合發(fā)展的目標。 現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)在人工智能技術(shù)的加持下將會出現(xiàn)明顯的智能化發(fā)展趨勢，數(shù)控編程技術(shù)的智能化能夠降低數(shù)控編程操作過程中的手動編程頻率和次數(shù)，數(shù)控加工領(lǐng)域需要投入的人力資源數(shù)量能夠明顯減少，人為失誤帶來的加工質(zhì)量和安全問題發(fā)生概率也會逐漸下降。 在現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)智能化發(fā)展的影響下，系統(tǒng)內(nèi)部能夠融入專家的判斷和相關(guān)專業(yè)理論知識，自主識別和控制較為簡單的機械加工步驟，使得數(shù)控機床的產(chǎn)品加工效率進一步提高。

三是并行化發(fā)展趨勢。 從目前我國各行業(yè)的發(fā)展看來，對于機械設(shè)備和機械零件加工精度以及復(fù)雜性的要求正在不斷提高，產(chǎn)品加工流程變得越發(fā)復(fù)雜，必須促進數(shù)控加工的全面協(xié)同發(fā)展，保障產(chǎn)品的加工效率和精度符合相關(guān)標準的要求。 如此一來，數(shù)控編程技術(shù)未來將會出現(xiàn)并行化發(fā)展方向，通過建立完善的計算機協(xié)同工作系統(tǒng)，摒棄之前單一獨立的工作方法，建立機械設(shè)計制造的并行化運行工作機制，合理調(diào)配各項資源，控制機床生產(chǎn)過程中的刀具軌跡以及相關(guān)位置，提高產(chǎn)品零件生產(chǎn)的精準度。

4 總結(jié)

綜上所述，現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)作為機械設(shè)計制造加工行業(yè)不可或缺的重要技術(shù)條件，數(shù)控加工仿真處理技術(shù)應(yīng)用使得機械設(shè)計制造和加工的效率、質(zhì)量以及精準度都得到了明顯提高，逐漸成為我國機械設(shè)計制造加工行業(yè)的主流技術(shù)。 隨著我國云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，未來的數(shù)控編程技術(shù)將會出現(xiàn)智能化、集成化和并行化的發(fā)展趨勢，在降低人力資源投入的同時，還可以避免人為操作失誤帶來的加工質(zhì)量和效率問題，促進我國機械設(shè)計制造加工行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。