1、概述 数控加工程序的编制是数控加工技术的重要方面，程序编制水平直接影响到零件加工的质量和效率。因此，高质量、高效率的编程方法，一直是数控技术研究的重要课题之一，目前国内外研究开发了大量的数控自动编程软件。数控自动编程系统主要由硬件和软件组成。硬件主要由计算机、穿孔机、绘图机、磁盘或磁带等外部设备组成；软件主要包括编程语言和程序系统(编译系统)。编程语言是一套规定的基本符号、字母、数字和用它们描述零件加工的语法、词法规则。这些符号和规则接近于车间日常用语，用来描述被加工零件的几何形状、几何元素间的相互关系、刀具运动轨迹以及一些必要的工艺参数等。编程语言易读、易懂、易于修改。自动编程的方法是由编程
2、人员根据零件图的要求，进行工艺分析，用编程语言在计算机上编写零件加工的源程序，将该源程序送入计算机，经过计算处理后，计算机便自动地输出零件数控加工程序单，绘出零件加工刀具运动中心轨迹。为了处理源程序，必须有一套预先存放在计算机内的零件源程序处理的程序，即所谓“编译程序”。该程序将零件的源程序翻译成计算机能够接受的机器语言，并进行主信息处理和后置处理。其中，主信息处理完成数值计算、刀具中心轨迹计算，并制定辅助功能等工作。后置处理则针对不同的数控机床的数控系统，将主信息处理后的数据转换成该数控系统规定的数控加工程序。数控自动编程语言 APT数控编程是目前 CAD/CAPP/CAM 系统中最能明显发
3、挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。下面就对数控编程及其发展作一些介绍。数控编程的基本概念数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点(cutter location point 简称 CL点)。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。数控编程技术的发展概况为了解决数控加工中的程序编制问题，50 年代，MIT 设计了一种专门用于机械零
4、件数控加工程序编制的语言，称为APT(Automatically Programmed Tool)。其后，APT 几经发展，形成了诸如 APTII、APTIII(立体切削用)、APT-AC(Advanced contouring)(增加切削数据库管理系统)和 APT-/SS(Sculptured Surface)(增加雕塑曲面加工编程功能)等改进版。采用 APT 语言编制数控程序具有程序简洁，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素。APT 仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨
5、迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和 CAD 数据库和CAPP 系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。针对 APT 语言的缺点，1978 年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC 加工一体化的系统，称为为 CATIA。随后很快出现了 EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及 NPU/GNCP 等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了 CAD 和 CAM 向一体化方向发展。到了 80 年代，在 CAD/CAM 一体化概念的基础
6、上，逐步形成了计算机集成制造系统(CIMS)及并行工程(CE)的概念。目前，为了适应 CIMS 及 CE 发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。在集成化方面，以开发符合 STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。自 20 世纪 50 年代美国最早研制成 APT(Automatically Programmed Tools)系统以来，现在许多工业发达国家也已研制了很多的数控自动编程系统。如：美
7、国的 ADAPT、AUTOSPOT；英国的2C、2CL、2PC；德国的 EXAPT1(点位)、EXAPT2(车削)、EXAFF3(铣削)；法国的 IFAPTP(点位)、IFAPTC(轮廓)、IFAPT CP(点位、轮廓)；日本的 FAPT、HAPT 等。我国自 20 世纪 60 年代中期开始了数控自动编程方面的研究，已开发出 ZCX1、ZCX2、SKC 等多种类型的实用自动编程系统。在各种自动编程系统中，APT 系统是最具代表性的系统之一，以下概略介绍 APT 系统。APT 语言使用类似英语语言来描述，非常接近人们常用语言的形式，便于记忆、编写，用 APT 语言编写的零件源程序由 APT 处理
8、系统能识别的语句和数据组成。APT 语言的主要语句1刀具形状语句如：CUTTER1，0.25表示直径为 1 英寸，顶端为平端，角部半径为 025 英寸的刀具。2几何定义语句几定义语句用来说明零件轮廓的几何形状、进刀点位置和进刀方向等。它是下面描述走刀路线的基础，一般的表达形式为(几何元素标识符)=(几何元素类型字)(几何元素定义方式)等号左边是用户为各个几何元素所起的名字，便于以后引用。等号右边是 APT 的专用字和给定的几何定义形式及参数。APT 语言提供的几何定义的类型有： 点(POINT)定义、直线 (LINE)定义、圆弧(CIRCLE)定义、平面(PLANE)定义、圆柱面(CYLNDR
9、)定义、一般二次曲线 (GCONIC)定义、球面(SPHERE)定义等 10 余种几何定义类型，每种类型的几何元素又有多种定义形式。如：P1=POINT2，3，0表示为 x=2、y=3、z=0 的三维坐标点“P1”。如：L2=LINEP1，ATANGL，30表示通过点 P1、与 x 轴成 30 度角的直线。如： L=LINE/P1，P2； 或 L=LINE/x1，y1，x2，y2； 表示通过两点的直线 如： L1=LINE/P1，LEFT，TANTO，C；L2=LINE/P2，RIGHT，TANTO，C；表示过一点 P 与圆相切的直线。其中 LEFT，RIGHT 表示左、右，以点 P 与圆心联
10、线方向为基准，TANTO 表示相切。如：C1=CIRCLE/x，y，r； 表示用半径和圆心定义的圆，其中，x，y 为圆心坐标，r 为圆的半径。如：C3=CIRCLECENTER，P1，RADIUS，35表示圆弧中心为 P1、半径为 35 英寸的圆。如：C1=CIRCLE/P1，P2，P3；表示用已知三点定义圆 如： C1=CIRCLE/PC，TANTO，L；表示用圆心和切线定义圆（如下图）其中 PC 为已知圆心，L 为已定义之直线。 如：C3=CIRCLE/YSMALL，TANTO，OUT，C1，OUT，C2，RADIUS，8；表示与两圆相切的圆（如下图），该圆半径为 8，Y 坐标值较小。如：
11、EL=ELLIPS/CENTER,PC,A,B,ALFA；表示以 PC 为中心点，A、B 为长短轴的长度，ALPA 为长轴与 X 轴夹角的椭圆。3允差语句数控插补大都是直线插补或圆弧插补，对于其他曲线的零件形状，经常是用直线来逼近的，这就会造成误差。为了保证加工精度，必须规定误差值。如：OUTTOL/.001表示工件轮廓外侧误差允许值为 0001 英寸。如：INTOL/.001表示工件轮廓内侧误差允许值为 0001 英寸。如：TOLER/.001表示工件轮廓内外误差允许值为 0001 英寸。4刀具运动语句刀具运动语句是用来规定加工过程中刀具运动的轨迹。为了定义刀具在空间的位置和运动，引入如左下
12、图所示三个控制面的概念，即零件面(PS) 、导向面(DS) 和检查面(CS) 。通过上述三个控制面就可联合确定刀具的运动。(1)零件面(Part Surface) 简称 PS，指刀具底面所形成的曲面；零件面是刀具在加工运动过程中，刀具端点运动形成的表面。它是控制切削深度的表现。描述刀具与零件面关系的词汇，有 TLONPS 和 TLOFPS 分别表示刀具中心正好位于零件面上和不位于零件面上。(2)导向面(Drive Surface) 简称 DS，也称导动面。用来引导刀具运动，控制刀具侧面的曲面；导向面是在加工运动中，刀具与零件接触的第二个表面，是引导刀具运动的面，由此可以确定刀具与零件表面之间的
13、位置关系。描述刀具与导向面关系的词汇如下图所示，有 TLIFT（刀具在导向面左边），TLRGT（刀具在导向面右边），TLON（刀具在导向面上）之分。所谓左右是沿运动方向向前看，刀具在导向面的左边还是右边。(3)检查面(Check Surface) 简称 C5，也称检验面。用来确定每次走刀的刀具终止的位置的曲面。检查面是刀具运动终止位置的限定面，刀具在到达检查面之前，一直保持与零件面和导向面所给定的关系，在到达检查面后，可以重新给出新的运动语句。为保持刀具连续切削，必须使上一段程序所给定的检查面，成为下一段程序的驱动面。分清上述三种表面的不同涵义，就可正确理解刀具轴线和控制面的相对关系。如图所示
14、，其刀具位置的解释为：TO(走到)，指刀具走到检查面并与其相切；ON(走上)，指刀具中心走上检查面；PAST(走过)，指刀具走过检查面并与其相切。APT 语言的刀具运动语句可分为点位编程语句和轮廓编程语句。点位编程语句有起始语句(FROM)、绝对语句(GOTO)、增量运动语句(GODLTA)等。轮廓编程语句有 FROM、GOTO、GODLTA、GO、 OFFSET、GOLFT、GORGT、GOFWD、GOBACK 等。如：TLRGT，GORGTL3 表示刀具在曲面的右侧沿直线 L3 向右侧移动。如：GOFWDC1 表示刀具沿圆弧 C1 前进。5机械操作功能如：CDOLNTON表示接通冷却液。如
15、：FEDRAT50表示进给速度为 50 英寸min。如：SPINDL/2400表示主轴转速为 2400rMin。6.工艺数据语句、初始语句和终止语句 工艺数据及一些控制功能也是自动编程中必须给定的：如： SPINDL/n，CLW 表示了机床主轴转数及旋转方向。如：CUTTER/d，r 给出了铣刀直径和刀尖圆角半径。 如：MATERL/FE 给出材料名称及代号等等。初始语句也称程序名称语句，由“PARTNO”和名称组成。终止语句表示零件加工程序的结束，用 FINI 表示。 此外，还有其他指令和语句等，如宏指令和循环指令，计算功能语句，输入、输出、说明语句等。APT 处理程序分成几个阶段，首先将源
16、代码转换成 APT 的内部代码，然后进行数学处理，根据走刀路线计算出刀位点的坐标，形成刀位文件。源程序及各个中间处理阶段的结果均可打印输出，以便检查和跟踪错误。最后进行后置处理，即将通用的刀位文件根据用户指定的机床型号，转换成该数控系统所能接受的数控加工程序和制作成穿孔纸带。应用 APT 语言编制零件源程序应遵循如下步骤：分析零件图 在编制零件源程序之前，详细分析零件图，明确构成零件加工轮廓的几何元素，确定出图纸给出的几何元素的主参数及各个几何元素之间的几何关系。选择坐标系 确定坐标系原点位置及坐标轴方向的原则是使编程简便、几何元素的参数换算简单，确保所有的几何元素都能够较简便地在所选定的坐标
17、系中定义。 确定几何元素标识符 确定几何元素标识符，实际上是建立起抽象的零件加工轮廓描述模型，为在后续编程中定义几何表面和编写刀具运动语句提供便利。 进行工艺分析 这一过程与手工编程相似，要依据加工轮廓、工件材料、加工精度、切削余量等条件，选择加工起刀点、加工路线，并选择工装夹具等。 PARTNO LJBCL 零件名称MACHIN，MHC432 机床名称$INTOL/0.01 允差 0.01，且为内允差CUTTER/8 计算刀补，刀具直径 8SPINDLE/800,CLW 主轴转速 800rpm，顺时针FEDRAT/100 刀具进给速度 100mm/minCOOLNT/ON 打开冷却液P0=P
18、OINT/0,0 定义一点 P0，坐标(0,0)L1=LINE/XAXIS,5 定义一直线 L1 平行 X 轴，在 Y 轴正向距离为 5L2=LINE/YAXIS,5 定义一直线 L2 平行 Y 轴，在 X 轴正向距离为 5P1=POINT/5,20 定义一点 P1，坐标(5,20)L3=LINE/P1,ATANGLE,(90+45) 定义一直线 L3，过 P1 且与 X 轴正向夹角 135C1=CIRCLE/YLARGE,L1,XSMALL,L3,RADIUS,2.5 定义一圆 C1，与L1、L3 相切，半径 2.5FROM/P0 刀具移动到点 P0GO/TO,L1,TO,L2 刀具移动到
19、L1、L2 交点TLRGT,GORGT/L1,TANTO,C1 刀具向右沿 L1 移动，到和 C1 相切的位置GOFWD/C1,TANTO,L3 刀具沿 C1 前进，到与 L3 相切的位置GOFWD/L3,PAST,L2 刀具沿 L3 前进，过 L2GOLFT/L2,PAST,L1 刀具向左沿 L2 移动，过 L1GOTO/P0 刀具返回 P0$COOLNT/OFF 关闭冷却液SPINDLE/OFF 主轴停转FINI 程序结束车床编程实例： 外径粗加工复合循环编制图所示零件的加工程序：要求循环起始点在 A(46，3)，切削深度为 1.5mm（半径量） 。退刀量为 1mm，X 方向精加工余量为0
20、.4mm，Z 方向精加工余量为 0.1mm，其中点划线部分为工件毛坯。图 外径复合循环编程实例N1 G59 G00 X80 Z80 （选定坐标系 G55，到程序起点位置）N2 M03 S400 （主轴以 400r/min 正转）N3 G01 X46 Z3 F100 （刀具到循环起点位置）N4 G71U1.5R1P5Q13X0.4 Z0.1（粗切量：1.5mm 精切量：X0.4mm Z0.1mm） N5 G00 X0 （精加工轮廓起始行，到倒角延长线）N6 G01 X10 Z-2 （精加工 245倒角）N7 Z-20 （精加工 10 外圆）N8 G02 U10 W-5 R5 （精加工 R5 圆弧）N9 G01 W-10 （精加工 20 外圆）N10 G03 U14 W-7 R7 （精加工 R7 圆弧）N11 G01 Z-52 （精加工 34 外圆）N12 U10 W-10 （精加工外圆锥）N13 W-20 （精加工 44 外圆，精加工轮廓结束行）N14 X50 （退出已加工面）N15 G00 X80 Z80 （回对刀点）N16 M05 （主轴停）N17 M30 （主程序结束并复位）
