CADCAM和先进制造技术(APT简介)

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：美国的ADAPT、AUTOSPOT；英国的2C、2CL、2PC；德国的EXAPT—1(点位)、EXAPT—2(车削)、EXAFF—3(铣削)；法国的IFAPT—P(点位)、IFAPT—C(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ZCX—1、ZCX—2、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：CUTTER／1，0.25表示直径为1英寸，顶端为平端，角部半径为0．25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)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=POINT／2，3，0表示为x=2、y=3、z=0的三维坐标点“P1”。

如：L2=LINE／P1，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=CIRCLE／CENTER，P1，RADIUS，3．5表示圆弧中心为P1、半径为3．5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：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0．001英寸。

如：INTOL/.001表示工件轮廓内侧误差允许值为0．001英寸。

如：TOLER/.001表示工件轮廓内外误差允许值为0．001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，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，GORGT／L3表示刀具在曲面的右侧沿直线L3向右侧移动。

如：GOFWD／C1 表示刀具沿圆弧C1前进。

5．机械操作功能如：CDOLNT／ON表示接通冷却液。

如：FEDRAT／50表示进给速度为50英寸／min。

如：SPINDL/2400表示主轴转速为2400r／Min。

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。