数控自动编程现状及其发展.pdf

1、 数控自动编程技术 现状及其发展 摘 要： 随着现代加工业的发展 ，加工零件的复杂化，数控加工作为现代制造技术的典型代表，得到了人们 的普遍重视， 并在制造业的各个领域有着日益广泛的应用。 与此同时， 作为数控加工极其重要的一个环节， 数控自动编程技术也随之迅速发展。 本文从数控自动编程技术的发展历史， 体系结构， 发展 趋势进行论述， 并且比较了国内外数控自动编程技术的发展现状，分析国内发展落后的原因，最后对数控自动编程技术进 行了展望。 关 键词： 数控自动编程，APT ，CAM 0 引言 数控， 即数 字控 制 （Numerical Control, 缩写 为 NC ） ， 在机床 领域

2、 指用数 字化 信号 对 机床运 动及 其加 工过 程进 行控制 得一 种方 法。采用 数控 机床 提高 机械 工业的 生产 率， 是当前 机械 制造 业技 术改 造、 技 术更 新的 必 由之路 。 数控机 床的历史 从 1952 年 美国帕 森斯 公司与 麻省 理工 学院 伺服 机构实 验室 合作 研制的 第一 台三 坐标 数控 立铣床 开始 ，50 多年来 ， 随着电 子元 器件 、 计算 机、 传感 与 检测、 自动 控制 及机 械制 造等技 术的 不断 进 步，数控 机床 不断 更行 换代 ，晶体 管元 件、 小规模 集成 电路 、 小型 计算机及 中、 大规模 集成电 路的 依次

3、问世 把数 控机床 技术 推向 了一个 又一 个高 潮， 目前 数控机 床已 经发 展 到了第 五代 。 数控编 程， 作为数 控加 工的“灵魂” ， 编 程的效 率和 质量 对于 缩短 制造周 期， 保证 加 工质量 都有 非常 重要 的意 义。 目前 ， 很多 人 正致力 于数 控编 程技术 之中， 并研发 了各 种 数控编 程系 统。 数控 编程 的方法 总的 来说 分 为手工 和自 动编 程两 种， 手工编 程利 用一 般 的计算 工具 ， 通过 各种 数 学方法 ， 人工 进行 刀具轨 迹的 运算 ， 并进 行 指令的 编制 ， 但是 在实际 生产 过程 中， 复杂的二维 零件 、

4、具有 曲线轮 廓和 三维 复杂 零件 越来越 多， 而简 单 的手工 编程 已满 足不 了实 际生产 的要 求。 如 何在较 短的 时间 内编 制出 高效 、 快速、 合格 的加工 程序 成为 了人 们研 究的一 大方 向，在 这种需 求推 动下 ， 数 控自 动编程 技术 应运 而 生， 并由于 其先 进性 、 高效率、 高质 量的 优 点，自 动编 程得 到了 长足 的发展 。 1 数控 自动 编程 概述 1.1 定义 自动编 程 （Automatic Programming）的 含义是 计算 机辅 助编 程（Computer Aided Programming）。 世界 上第 一台三 坐

5、标 数控 机 床的研 制成 功， 为计 算机 在产品 制造 中的 应 用开创 了一 条崭 新的 道路 ， 成为 计算 机辅 助 制造的 开端 。 随着刀 库的 发明 ，于 1958 年出现 了数 控加工 中心 ， 能 在一 次装 夹中通 过自 动换刀 实现铣 、 镗、 钻、 铰、 攻丝 等多道 工序 加工 ， 使数控 自动 化加 工由 工序 分散方 式向 集中 方式发 展。 与此同 时， 自动编程 系统 的研 制 也迅速 发展 ，1956 年以 自 动编程 工具 APT(Automatic Programming Tools)为基 础， 开始研 究数 控编 程语 言， 而且不 断扩 充、 完

6、善。 1.2 分类 数控编 程可分为 手工 编程 、 APT 语言编 程和交 互式 图形 编程 。 交 互式图 形编 程就 是 通常所 说的 CAM 软件 编程。 APT 是通过 一系 列的 加工 语言(也称数 控 语言) 去 描述零 件的 几何形 状和 加工 过程 。 APT 系 统接 受此 类信 息进 行翻译 和计 算， 输 出数控 代码 。 APT 系统中 刀具运 动轨 迹计 算 和数控 代码 转换 皆由 计算 机完成 ， 大 大减 轻 了编程 人员 的负 担， 同时 很大程 度上 提高 了 编程的 效率 和质 量。 但是 ，由 于 APT 系统 庞大 ， 较难掌 握， 而且对 硬件支持

7、 要求 较高 ， 零件设 计和 加工 之间 是由 图纸传 递信 息， 不 易实现 设计 和制 造的 一体 化。 这个 缺点，阻 碍了 APT 数控编 程 的 推广 和编程 效率 的进 一步提 高。 在这种 背景 下，20 世纪 70 年代 末， 由 于计算 机技 术与 机械 设计 和制造 技术 的相 互渗透 和结 合， 产生 了辅 助制造 这样 一门 多 学科的 、 综合 性的 应用 技术 ， 并称 之为 CAM 。 与 APT 语言 相比， CAD/CAM 有以下 特点 ： (1) 这种编 程方 法是 直接 面向 零件的 几何 图形 ， 不需进 行复 杂的 数学计算 ， 不需 要用具体 的语

8、 言描 述零 件的几 何形 状， 具有直 观、 简便、 准确和 便于检 查等 优 点。 (2) 有利于 实现 CAD/CAM 的 一体化 。 通常 的数控 自动 编程 系统 是和 相应 的 CAD 软件连 在一 起的 一体 化软 件系统 ， 既 可 进行计 算机 辅助 设计 ， 又 可以直 接调 用 已设计 好的 图形 。 (3) 这类软 件都 可在 通用 计算 机上进 行， 无 需专用 的编 程机 ， 便于 推 广， 是自 动编 程系统 的发 展方 向。 由于 CAM 软件自 动编 程具 有 优于 APT 编程的 特点 ， 其 已成 为目 前国内 外数 控加 工 普遍采 用的 数控 编程 方

9、法 。CAM 编程 的实 现是 以 CAD 技术为 前提 的， 利用 CAD 技术 生成的 产品 三维 造型 包含 了数控 编程 所需 要的完 整的 产品 表现 几何 信息， 而计 算机 软 件可针 对这 些几 何信 息进 行数控 加工 刀位 的自动 计算 。 因此 ， 绝大 多数数 控编 程软 件 同时具 备 CAD 的功 能， 因 此成为 CAD/CAM 一体化 软件 ，从 而更 加方 便制造 加工 。 1.3 发展历程 计算机 辅助 数控 编程 技术 的发展 大约 经历了 以下几个 阶段 ： (1) APT 语言，50 年 代， 美国 麻省理 工学 院开发 。 (2) APTII 、AP

10、TIII ，60 年代 ， 麻省理 工学 院组织 美国 各大 飞机 公司 共同开 发。 (3) APT-IV 、 APT-AC ， 70 年 代， 基于 APTIII 。 (4) APT 衍生 语言 ：如 ADAPT 、EXAPT 、 EXAPT- P 、 HAPT 、 FAPT 、 IFAPT 、 MODAPT 、 HZAPT 等。 (5) CADAM 系统： 具有 计算机 辅 助设 计、 绘图 、 和数控 编程 一体 化， 1972 年， 美国 洛 克希德 加里 福尼 亚飞 机公 司开发 。 (6) CATLA 系统 ：具 有三 维设 计、分 析与 数控编 程一 体化 功能 ， 1978

11、年， 法国达 索公 司开发 并不 断发 展， 目前 已成为 应用 最广 泛 的 CAD/CAM 集成 软件 之 一， 在航 空和 汽车 工业具 有广 泛的 应用 。 (7) UGIICAD/CAM 系统：1983 年， 美国 MeDonnell Douglas Automation(1991 年并入 General Motor 公司下 属的 EDS 公司， 即现 在的 Unigraphics Solutiona 公司)开发并 不断 发展 ， 是目前 应用 最广 泛的 以 CAD/CAM 集 成软件 之一 。 (8) 80 年代以 后， 各种 不同 的 CAD/CAM 集成数 控编 程系 统迅

12、速发 展， 如 Euc1id 、 MasterCAM、surfCAM、Pr/Engineer 、 Cimatron 等。 90 年代 以后 ， CAD/CAM 集成 数控编程 系统 向集 成化 、智 能化、 网络 化、 并行化 和虚 拟化 方向 迅速 发展。 现在， 由于 数控 加工 在机 械制造 业中 发 挥的作 用越 来越 大， 以其 为背景 出现 了一 批 非常优 秀的 应用 软件 ， 这 些软件 具有 先进 的 管理基 础、 强大的 工程 背景、 完善 的操 作功 能和专 业化 的技 术服 务， 能够显 著地 提高 制 造业的 核体 效益 。 正因 为如此 ， 这些应 用软 件很快 赢

13、得 了广 大 CAD/CAE/CAM 用户的 青睐 ， 成为制 造业 中真 正的商品 化软 件， 其 中较具 有代 表性 的有 MasterCAM 、UG 、 So1idworks 、pro/Engineer 等。 2 国内外数控自动编程技术 发展 现状 机械制 造行 业作 为国 民工 业的基 础， 作 为国力 的体 现， 自然 受到 各国政 府的 大力 投 入。 数 控自 动编 程技 术对 于数控 加工 乃至 整 个制造行 业都 有着 举足 轻重 的地位 ，因 此， 在此方 面的 投入 必不 可少 。 事实上 ， 数控 自 动编程 技术 及其 副产 品的 开发已 经被 很多 国家列 为科 技

14、发 展的 重要 方向 。 目前， 自动 编程系 统已 逐渐 过渡 到以 图形交 互为 基础 的 CAM 软件 。 2.1 世界各国的发展现状 商品化 的 CAM 软件比 较多，应用 情况 也各有 不同 ， 下 表列 出了 国内应 用比 较广 泛 的 CAM 软件 的基 本情 况。 软件名 称 基本情 况 unigraphics (UG) 美国 EDS 公 司出 品， 将所 有的数 控加工 仿真 模块 连接 起来 ，是一 套集成 化的 CAD CAM CAE 一体化 的大 型软 件， 功能 强大， 在大型 软件 中， 加工 能力 最强， 支持三 轴到 五轴 的加 工， 由于相 关模块 比较 多。

15、 Pro/Engineer 是美国 PTC 公司出 品的 CAD CAM CAE 一体化的大型集成 软件，功能强大，支 持三轴到 五 轴的加工，同样由于 相关模块 比 较多，学习掌握，需 要较多的 时 间。 Solidedge 是 通用机 械 CAD CAM CAE 一体化 软件 ， 三 维实 体造 型 系统。 将装配设计、零件造 型、钣金 设 计和图纸生成结合在 一起，为 用 户提供了从二维到三 维的设计 及 加工等 功能 。 CATIA IBM 下属 的 Dassault 公司 出品的 CADCAM CAE 一体化 的大 型软件 ，功 能强 大， 支持 三轴到 五轴的 加工 ，支 持高 速

16、加 工，由 于相关 模块 比较 多， 学习 掌握的 时间也 较长 。 Ideas 也是美 国 EDS 公司出 品的 CAD CAM CAE 一体化 的大 型软 件，由 于目 前与 UG 软件 在功能 方面有 较多 重复 ，EDS 公 司准备 将 Ideas 的优 点融 合到 UG 中， 让 两个软 件合 并成 为一 个功 能更强 的软件 。 Cimatron 是以色 列的 CIMATRON 公司出 品的 CAD CAM 集 成软 件，相 对于前 面的 大型 软件 来说 ，是一 个中端 的专 业加 工软 件， 支持三 轴到五 轴的 加工 ， 支 持高 速 加工， 在模具 行业 应用 广泛 。 P

17、owerMILL 是英国 的 Delcam Plc 出品 的专业 CAM 软件， 是目 前唯 一一 个与 CAD 系统 相分 离的 CAM 软件 ， 其功能 强大 ，加 工策 略非 常丰富 的数控 加工 编程 软件 ，目 前，支 持 3 轴到 5 轴的 铣削 加工 ，支持 高速加 工。 MasterCAM 是美国 CNCSoftware,INC 开发的 CAD/CAM 系统， 是最 早在微机 上开发 应用 的 CAD CAM 软 件，用 户数 量最 多， 许多 学校都 广泛使 用此 软件 来作 为机 械制造 及 NC 程序 编制 的范 例软 件。 EdgeCAM 是英 国 Pathtrace

18、公司 开发 的一个 中端 的 CAD/CAM 系统 。 CAXA 是国内 北航 海尔 软件 有限 公司出 品的数 控加 工软 件， 其功 能与前 面介绍 的软 件相 比较 ，在 功能上 稍差一 些， 但价 格便 宜。 2.2 中国的发展现状 我国数控 技术 与国 外相 比有较 大差 距。 由于开 发与 应用 部门 的脱 节， 以 及软 件开 发 政策上 的一 些失 误， 我国 还没有 开发 出具 有 自己特 色的 大型 的工 程化 、 商业 化的 软件 系 统。 从三 维图 形设 计到 工程数据 库， 国内还 没有一 套能 代替 国外 产品 的软件 。 因此 ， 我 国现阶 段主 要是 研究

19、开发 面向工 业化 、 实 用 化的软 件。 从“七五” 开始， 国家 已 将 CAD/CAM 作为重 点研 究项 目， “八五”又投 入了 大量 的人力 物力 进行 深入 研究 。 华中 理工 大学 的 NCPVSS 系统 ， 可自动 生成 NC 铣床 加工 的 刀具轨 迹， 并完成 加工 过程的三 维仿 真， 以 确保程 序的 正确 性。 哈尔 滨工业 大学 的 NCMPS 可建 立 NC 加工仿 真环境 ， 面向多 轴数控 加工 中心 ， 在 图形 工作站 上实 时显 示 三维多 轴 NC 加 工过 程仿 真。 北京 科技 大学 开发的 SS-CADM 微机 零件以 CAD/CAM 集

20、成化系 统， 实现了 轴类 零件 的 CAD/CAM 集 成。北京 航空 航天 大学 开发 的金银 花软 件， 能够处 理大 型复 杂零 件设 计， 装 配零 件数 目 可达 1000 多个 ， 具备零 件设计 、 装配设 计、 工程图纸 设计 、高 级曲 面设 计、高 级渲 染、 三维标 准件 模块 ， 广泛 的数据交 换接 口， 可 与多 种 CAD/CAE/CAM/CAPP 系统交 换产 品数据。 大连 理工 大学的 CVBSIMU 系 统， 可对插 装阀 块进 行 NC 加 工过程 仿真 等。 虽然我 们也 有了 自己 的以 CAD/CAM 软件产 品， 但国 内软 件产 品远远 不如

21、 国外 的 成型软 件。 应用部门 欲购 进国外 产品 却 苦于 价格昂 贵， 既使购 买了 国外的产 品， 由于 其 开发的 虚拟 加工 环境 在许 多方面 不适 合我 国国情 ， 因此 还需 投入 大量的人 力、 物力和 时间进 行二 次开 发。 以往 的经验 是我 国研 制 的二次开 发产 品刚 刚投 入市 场，新 的版 本、 新的系 统己 经出 现。 这种事实证 明： 抓住问 题的核 心， 突破技 术难 点， 并将现 有技 术集 成， 开 发自 主版 权的 适应 市场需 求的 软件 产 品，是 解决 这一 问题 的关 键。 3 数 控编 程系 统的 发展 趋势 随着微 电子 、 自 动

22、控 制和 数控加 工技 术 发展日 益迅 速， 控制 自动 编程和 加工 技术 呈 现出一 些新 的发 展趋 势， 主要表 现在 一下 几 个方面 ： (1) 集成化 集成化是指将数控编程系统和其他计 算机辅 助设 计系 统、 加工过程控 制系 统、 质 量控制 系统 ， 如： CAD 、 CAE、 CAPP 、 CAM 等系统 集成 到一 起， 形成 一个自 动化 的计 算 机集成 自造 系统 （CIMS ） ， 以便实现 集成 系 统内部 信息 的充 分利 用， 提高产 品设 计制 造 过程的 效率 与质 量。 (2) 智能化 智能化是指把人类的专业知识融入到 集成化 的系 统中 ， 将人

23、的 判断及 决策 交给 机 器来完 成， 采用 人工 智能 的方法 建立 各类 知 识库， 包括 专家 系统 、 智 能库、 自学 习功 能 等。 (3) 并行化 随着计 算机 技术 与网 络技 术的发 展， 特 别是 Internet 技术 的普 及应 用，计 算机 协同 工作得 到高 度重 视， 新产 品的开 发要 求相 关 学科的 专家 协同 工作 ， 形 成一种 新的 工作 模 式 群组 工作 ， 从 而缩 短产品 的开 发周 期， 降低制 造成 本， 提高 产品 的质量 。 4 结 束语 近年来 ， 我 国的 数控 技术 得到了 长足 的 发展 ， 但相对 于其 他发 达国家 ， 我

24、们还 是有 不小差 距的 。 数 控系 统技 术是一 项综 合性 强 的高技 术， 涉及的 多学 科的交叉 ， 要想 真正 达到世 界先 进水 平， 个人 认为还 有相 当的 一 段时间 ， 而我 们更 不能 因此而放 弃， 因为它 是开启 迈向 强国 行列 的钥 匙。 参考文 献 1 王道宏数控编程技术 人民邮电出版 社2005.2 2 李凯，阎红娟，罗学科CAD/CAM 与数控自 动编程技术化学工业出版社2004.1 3 王卫兵MasterCAM 数控编程实用教程 清华 大学出版社2004.7 4 许平 钣金件可视化数控自 动编程技术研究 昆 明理工大学2003.5 5 董淳数控系统技术的发 展新趋势重庆工学 院2006.1 6 魏志强，郭述在数控自 动编程及 NC 代码仿 真技术的应用研究 山东工程学院学报 1995.12 7 金朝力 CAM 软件在国内 的应用 机电国际市 场2002 年，第 7 期