计算机辅助数控编程

图形交互式自动编程的特点和基本步骤
所谓图形交互式自动编程系统就是应用计算机图形交互技术开发出来 的数控加工程序自动编程系统，使用者利用计算机键盘、鼠标等输入设备 以及屏幕显示设备通过交互操作，建立、编辑零件轮廓的几何模型，选择 加工工艺策略，生成刀具运动轨迹，利用屏幕动态模拟显示数控加工过程， 最后生成数控加工程序。现代图形交互式自动编程是建立CAD和CAM系 统的基础上的，典型的图形交互式自动编程系统都采纳CAD/CAM集成数 控编程系统模式。图形交互式自动编程系统通常有两种类型的结构，一种 是 CAM 系 统 中 内 嵌 三 维 造 型 功 能 ； 另 一 种 是 独 立 的 CAD 系 统 与 独 立 的 CAM系统集成方式构成数控编程系统。
备功能指令，由字母G和两位数字组成，这是基本的数控指令；而后是机床运动 的目标坐标值，如用Ｘ、Ｙ、Ｚ等指定运动坐标值；在工艺性指令中，F代码为 进给速度指令，S代码为主轴转速指令，T为刀具号指令，M代码为帮助机能指令。 LF 为ISO标准中的程序段结束符号（在EIA标准中为CR，在某些数控系统中，程 序段结束符用符号“*”或“；”表示）。 程序字
2. 图形交互式自动编程软件和相应的CAD软件是有机地联在一起的一 体化软件系统，既可用来进行计算机帮助设计，又可以直接调用设计好的 零件图进行交互编程，对实现CAD/CAM一体化极为有利。
3. 这种编程方法的整个编程过程是交互进行的，简洁易学，在编程过 程中可以随时发现问题并进行修改。
4. 编程过程中，图形数据的提取、节点数据的计算、程序的编制及输 出都是由计算机自动进行的。因此，编程的速度快、效率高、精准性好。
一个零件的加工程序是由很多按规定格式书写的程序段组成。每个程序段包含
着各种指令和数据，它对应着零件的一段加工过程。常见的程序段格式有固定挨 次格式、分隔符挨次格式及字地址格式三种。而目前常用的是字地址格式。典型 的字地址格式如图。
数控加工程序的程序段格式 每个程序段的开头是程序段的序号，以字母N和四位数字表示；接着一般是筹
除了字符编码标准外，更重要的是加工程序指令的标准化，主要包括 筹备功能码（G代码）、帮助功能码（M代码）及其它指令代码。 我国机 械工业部制定了有关G代码和M代码的JB3202-1983标准，它与国际上使 用的ISO1056－1975E标准基本全都。
➢数控机床的坐标系定义 数控机床通过各个移动件的运动产生刀具与工件之间的相对运动来实
图形交互式自动编程
计算机帮助数控加工编程的一般原理
整个处理过程是在数控系统程序（又称系 统软件或编译程序）的掌握下进行的。数 控系统程序包括前置处理程序和后置处理 程序两大模块。每个模块又由多个子模块 及子处理程序组成。计算机有了这套处理 程序，才能识别、转换和处理全过程，它 是系统的核心部分。
编程人员首先将被加工零件的几何图形及有关工艺过程用计算机能够识别的形式 输入计算机，利用计算机内的数控系统程序对输入信息进行翻译，形成机内零件 拓扑数据；然后进行工艺处理（如刀具选择、走刀安排、工艺参数选择等）与刀 具运动轨迹的计算，生成一系列的刀具位置数据（包括每次走刀运动的坐标数据 和工艺参数），这一过程称为主信息处理（或前置处理）；然后依据NC代码规 范和指定数控机床驱动掌握系统的要求，将主信息处理后得到的刀位文件转换为 NC代码，这一过程称之为后置处理。经过后置处理便能输出适应某一简略数控 机床要求的零件数控加工程序（即NC加工程序），该加工程序可以通过掌握介 质（如磁带、磁盘等）或通讯接口送入机床的掌握系统。
现切削加工。为表示各移动件的移动方位和方向（机床坐标轴），在ISO 标准中统一规定采纳右手直角笛卡儿坐标系对机床的坐标系进行命名，在 这个坐标系下定义刀具位置及其运动的轨迹。
机床坐标的命名方法如图所示：
通常在坐标轴命名或编程时，不论在加工中是刀具移动，还是被加工工 件移动，都一律假定工件相对静止不动而刀具在移动，并同时规定刀具 远离工件的方向作为坐标轴的正方向。在坐标轴命名时，如果把刀具看 作相对静止不动，工件移动，那么，在坐标轴的符号上应加注标记 （＇），如Ｘ＇、Ｙ＇、Ｚ＇等。
图形交互式自动编程
数控加工程序编程的内容与步骤
正确的加工程序不仅应保证加工出 符合图纸要求的合格工件，同时应 能使数控机床的功能得到合理的应 用与充分的发挥，以使数控机床能 平安、牢靠、高效地工作。数控加 工程序的编制过程是一个比较简洁 的工艺决策过程。一般来说，数控 编程过程主要包括：分析零件图样、 工艺处理、数学处理、编写程序单、 输入数控程序及程序检验，典型的 数控编程过程如图所示。
1.粗加工阶段 粗加工一般称为区域清除。在此加工阶段中，应该在公差允许范 围内尽可能多地切除材料。比较典型的区域清除方式是等高切面，即在毛坯上沿 着高度方向等距离划分出数个切削层，每次切削一个层面的毛坯余量，如图所示。
粗加工阶段主要任务是切削掉尽可能多的余量，精度保障不是主要目标，因此， 在这个阶段一般采纳圆柱立铣刀进行加工，除了切削角度外，选择刀具的主要参 数是刀具直径。同时在粗加工阶段一般采纳行切方式进行切削，产生区域清除刀 具路径。如图所示。
图形交互式自动编程的特点 图形交互式数控自动编程是通过专用的计算机软件来实现的，是目前
所普遍采纳的数控编程方法。 1. 这种编程方法既不像手工编程那样需要用简洁的数学手工计算算出
各节点的坐标数据，也不需要象APT语言编程那样用数控编程语言去编写 描绘零件几何外形加工走刀过程及后置处理的源程序，而是在计算机上直 接面对零件的几何图形以光标指点、菜单选择及交互对话的方式进行编程， 其编程结果也以图形的方式显示在计算机上。所以该方法具有简便、直观、 精准、便于检查的优点。
数线、两曲面的交线等，也可以隐式定义，使其满意一些约束条件，如约束刀具 沿导动线运动， 而导动线的投影可以定义刀具在加工曲面上的切触点，还可以定 义刀具中心轨迹，切触点曲线由刀具中心轨迹隐式定义。 这就是说，切触点曲线 可以是曲面上实在的曲线，也可以是对切触点的约束条件所隐含的“虚拟”曲线。
➢刀位点数据与刀具运动轨迹 刀位点数据是指精准确定刀具在加工过程中每一位置所需的坐标值。一般来说，
5. 此类软件都是在通用计算机上运行的，不需要专用的编程机，所以 格外便于普及推广。
图形交互式自动编程的基本步骤 从总体上讲，其编程的基本原理及基本步骤大体上是全都的，归纳起
来可分为五大步骤： 几何造型
几何造型就是利用三维造型CAD软件或CAM软件的三维造型、编辑修 改、曲线曲面造型功能把要加工的工件的三维几何模型构造出来，并将 零件被加工部位的几何图形精准地绘制在计算机屏幕上。与此同时，在 计算机内自动形成零件三维几何模型数据库。它相当于APT语言编程中， 用几何定义语句定义零件的几何图形的过程，其不同点就在于它不是用 语言，而是用计算机造型的方法将零件的图形数据输送到计算机中。这 些三维几何模型数据是下一步刀具轨迹计算的依据。自动编程过程中， 交互式图形编程软件将依据加工要求提取这些数据，进行分析推断和必 要的数学处理，形成加工的刀具位置数据。
3.确定Ｙ轴 Ｙ轴方向可以依据已选定的Ｚ、Ｘ轴方向，按右手直角坐标系来确定。
➢ 坐标运动命名 如果机床除有Ｘ、Ｙ、Ｚ主要直线运动之外，还有平行于它们的坐标运动，则
应分别命名为Ｕ、Ｖ、Ｗ。如果还有第三组运动，则应分别命名为Ｐ、Ｑ、Ｒ。 如在第一组回转运动Ａ、Ｂ和Ｃ的同时，还有其次组回转运动，可命名为Ｄ或Ｅ 等。 ➢数控加工程序的程序段格式 字地址格式
程序段由若干个部分组成，各部分称为程序字。 地址码Байду номын сангаас数据
每一个程序字均由一个英文字母和后面的数字串组成。英文字母称为地址码， 其后的数字串称为数据，这种形式称为字地址格式。 字地址格式特点
字地址格式用地址码来指明指令数据的意义，因此程序段中的程序字数目是 可变的，程序段的长度也就是可变的，因此，字地址格式也称为可变程序段格式。 字地址格式的优点是程序段中所包含的信息可读性高，便于人工编辑修改，是目 前使用最广泛的一种格式。字地址格式为数控系统解释执行数控加工程序供应了 一种便捷的方式。
数控编程术语与标准
➢字符编码标准与加工程序指令标准化 以前广泛采纳数控穿孔纸带作为加工程序信息输入介质，常用的标准
纸带有五单位和八单位两种，数控机床多用八单位纸带。纸带上表示代码 的字符及其穿孔编码标准有EIA （美国电子工业协会）制定的EIA RS－ 244和 ISO（国际标准化协会）制定的ISO－RS840两种标准。国际上大 都采纳ISO代码，由于EIA代码进展较早，已有的数控机床中，有一些是 应用EIA 代码的，现在我国规定新产品一律采纳ISO代码。也有一些机床， 具有两套译码功能，既可采纳ISO代码也可采纳EIA代码。 目前绝大多数 数控系统采纳通用计算机编码，并供应与通用微型计算机完全相同的文件 格式，保存、传送数控加工程序，因此，纸带已逐步被现代化的信息介质 所取代。
F指令用来设定进给速度； S指令用来指定主轴的转速； T指令用来设定加工所用的刀具。
➢切触点与切触点曲线 切触点 在曲面加工过程中，切削过程中刀具与工件曲面的理论接触点称为切 触点。切触点是变化的。从几何学的角度来看，刀具与工件曲面之间的接触关系 均为点接触。不同的刀具外形与工件的接触点位置是不一样的。 切触点曲线 切触点曲线指刀具在加工过程中由切触点构成的曲线。切触点曲 线是生成刀具轨迹的基本要素， 既可以显式地定义在加工曲面上，如曲面的等参
CAD/CAM 技术基础
第8章 计算机帮助数控编程、 制造、生产管理
8.1 图形交互式自动编程 8.2 计算机帮助制造技术 8.3 计算机帮助生产管理和掌握
参考文献： 姚英学，蔡颖. 计算机帮助设计与制造. 北京：高等教育出版社，2002 蔡汉明，陈清奎. 机械CAD/CAM技术. 北京：机械工业出版社，2003
2.确定Ｘ轴 Ｘ轴一般位于与工件安装面相平行的水平面内。对于机床主轴带动工
件旋转的机床，如车床、磨床等，则在水平面内选定垂直于工件旋转轴线 的方向为Ｘ轴，且刀具远离主轴轴线方向为Ｘ轴的正方向。对于机床主轴 带动刀具旋转的机床， 当主轴是水平的，如卧式铣床、卧式镗床等，则
规定人面对主轴，选定主轴左侧方向为Ｘ轴正方向；当主轴是竖直时，如 立式铣床、立式钻床等，则规定人面对主轴，选定主轴右侧方向为Ｘ轴正 方向。对于无主轴的机床，如刨床，则选定切削方向为Ｘ轴正方向。
刀具在工件坐标系中的精准位置可以用刀具中心点和刀轴矢量来进行描述，其中 刀具中心点可以是刀心点（如球心），也可以是刀尖点。
刀具运动轨迹是指在加工过程中由刀位点运动所构成的曲线，曲线上的每一点
还包含着一个刀轴矢量。对于二、三坐标数控加工，刀具运动轨迹一般由切触点 曲线经过刀具偏置计算得到，计算结果一般存放于刀位文件之中。
➢数控程序指令 数控程序指令包括筹备功能G指令、帮助功能M指令和工艺指令（F、S、T）。 筹备功能G指令用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（即指令插补功能）、机
床坐标系、坐标平面、刀具补偿等多种加工操作；
帮助功能M指令的作用是实现机床各种帮助动作的掌握，包括主轴起停、润滑 油泵起停、冷却液泵起停、加工程序结束等功能掌握；
加工工艺决策 选择合理的加工方案以及工艺参数是精准、高效加工工件的前提条件。
加工工艺决策内容包括定义毛坯尺寸、边界、刀具尺寸、刀具基准点、进 给率、快进路径以及切削加工方式。首先按模型外形及尺寸大小设置毛坯 的尺寸外形，然后定义边界和加工区域，选择合适的刀具类型及其参数， 并设置刀具基准点。
CAM系统中有不同的切削加工方式供编程中选择，可为粗加工、半精加 工、精加工各个阶段选择相应的切削加工方式。
确定机床坐标轴,一般是先确定Ｚ轴，再确定Ｘ轴和Ｙ轴。 1.确定Ｚ轴 对于有主轴的机床，如车床、铣床等则以机床主轴轴线方向作为Z轴方
向。对于没有主轴的机床，如刨床，则以与装卡工件的工作台相垂直的直 线作为Z轴方向。如果机床有几个主轴，则选择其中一个与机床工作台面 相垂直的主轴作为主要主轴，并以它来确定Ｚ轴方向。