NC加工编程

11.NC加工编程随着数控加工技术的普及，技术市场上对NC编程人员的需求量也呈现出快速增长的势头。从技术特点上看，NC编程比三维造型更程式化，即它的实现过程相对来说更模式化一些。然而，要想成为一个优秀的NC编程人员也并非一件易事。高水平的NC程序员应当具备以下的条件：（1）掌握一定的基础知识，包括数控机床基本结构、NC加工基本原理、机械加工工艺及必要的CAD基础等；（2）全面地理解和掌握NC编程的基本过程和关键技术。（3）熟练运用一种CAD/CAM软件；（4）有丰富的实际加工经验。有时，还需要掌握一些相关学科的知识和经验（如模具等）。数控编程种类较多，如数控铣、车、钻等。由于其中以三坐标数控铣最为常用，因此将予以重点介绍。在以后的文章中，如无特别说明则NC编程均指对三坐标数控铣加工的编程。应当指出的是，NC编程是一门经验性很强的技术，仅靠书面的学习是远远不够的，更重要的是在实践中不断总结和提高。本文主要介绍NC编程的一般技术要求、操作过程和技术要点。2NC程序的质量标准程序的质量标准我们认为，判别一个NC程序员水平的依据主要有以下几条：（1）NC程序的质量；（2）NC编程的工作效率；（3）NC编程的可靠性和规范化程度（包括工艺规划、数据文件管理、保存和交接的规范化程度等）。其中，NC程序的质量是衡量NC程序员水平的关键指标，其判定标准又可归纳为：（1）完备性：即不存在加工残留区域。（2）误差控制：包括插补误差控制、残余高度（表面粗糙度）控制等。（3）加工效率：即在保证加工精度的前提下加工程序的执行时间。（4）安全性：指程序对可能出现的让刀、漏刀、撞刀及过切等不良现象的防范措施和效果。（5）工艺性：包括进退刀设置、刀具选择、加工工艺规划（如加工流程及余量分配等）、切削方式（刀轨形式选择）、接刀痕迹控制以及其它各种工艺参数（如进给速度、主轴转速、切削方向、切削深度等）的设置等。（6）其它：如对机床及刀具的损耗程度、程序的规范化程度等。2不管采用什么CAD/CAM软件，NC编程的基本过程及内容大同小异。可由图1表示：CAD造型加工对象设置加工工艺分析和规划刀具设置参数设置加工工艺参数设置刀轨计算切削方式设置仿真校验后处理图1CAD造型是NC编程的前提和基础，NC编程人员也往往需要掌握一定的三维造型技术，如在模具加工中构造分型面等。加工工艺分析和规划包括：（1）加工工序安排，即从粗加工到精加工的流程及加工余量分配；（2）加工分区规划，即对同一产品分区域进行加工的工艺规划；（3）对加工方式的规划，如刀具选择、切削方式（刀轨形式）选择等。工艺分析在原则上决定了NC程序的质量。参数设置可视为对工艺分析和规划的具体实施，它构成了利用CAD/CAM软件进行NC编程的主要操作内容，直接影响NC程序的生成质量。参数设置的内容较多，其中加工对象设置是指用户通过交互手段指定被加工的几何体或其中的加工分区、毛坯、避让区域等。刀具设置是针对每一个加工工序设置相应的刀具参数。加工工艺参数设置包括对进退刀位置及方式、切深（切削深度）、行间距、加工余量、安全高度、进给速度及主轴转速等。切削方式设置用于指定刀轨的类型及相关参数（包括切削方向）。在完成参数设置后，即可将设置结果提交CAD/CAM系统进行刀轨的计算。为确保程序的安全性，必须对生成的刀轨进行仿真校验。校验的方式可采用对刀轨轨迹进行逐行（层）观察，或进行仿真加工直接在计算机屏幕上观察加工效果。后处理实际上是一个文本编辑处理过程，其作用是将计算出的刀轨（刀位运动轨迹）以规定的标准格式转化为NC代码并输出保存。4NC编程的技术要点编程的技术要点3在NC编程的过程中，难度较大且对加工质量有重要影响的技术要点有：（1）残余高度的控制。由于现有的CAD/CAM软件对残余高度缺乏自动控制手段，需要程序员根据加工对象的具体情况进行控制（见上期《曲面数控加工编程中的残余高度控制》）。（2）进给速度、切深、主轴转速等参数的设置与加工材料特性、机床特性、刀具特性等诸多因素相关，对程序员的加工经验要求较高。（3）切削方式及进退刀方式对加工效果有较大影响，且设置灵活多样，是需要重点掌握的另一技术要点。为保证程序的质量和可靠性，在编程工作中应注意以下几点：（1）要保持严谨细致的工作作风，对每个设置参数都应反复确认，刀轨计算完成后必须进行仿真校验；（2）NC编程操作应规范化模式化。即根据企业的特定条件制定出NC编程的技术规程，将各操作环节中具有共性的部分（如加工工艺、刀具等）模式化规范化，可有效提高工作效率和可靠性。（3）对重要的加工程序应进行试切检验2.插补原理概念引出：在‘画图板’下绘制垂直、水平、45°、一般角度的直线，圆弧。找同学写出其加工代码。并让其观察各直线的区别。存在差别的原因就是插补所致，引出本节题目―――插补。显示器显示原理与步进电机插补原理同出一辙。插补的地位：CNC装置的工作流程：插补是加工程序与电机控制之间的纽带。3.2.1插补概述1、插补定义用户在零件加工程序中，一般仅提供描述该线形所必须的相关参数，如对直线，提供其起点和终点坐标；对圆弧，提供起终点坐标、圆心坐标及顺逆圆的信息。而这些信息不能满足控制机床的执行部件运动（步进电机、交直流伺服电机）的要求。因此，为了满足按执行部件运动的要求来实现轨迹控制必须在已知的信息点之间实时计算出满足线形和进给速度要求的若干中间点。这就是数控系统的插补概念。可对插补概念作如下定义：是指在轮廓控制系统中，根据给定的进给速度和轮廓线形的要求，在已知数据点之间插入中间点的方法，这种方法称为插补方法。每种方法又可能用不同的计算方法来实现，这种具体的计算方法称之为插补算法。插补的实质就是数据点的密化。由插补的定义可以看出，在轮廓控制系统中，插补功能是最重要的功能，是轮廓控制系输入输出处理控制位置控制程序输入数据处理译码插补显示诊断图1CNC装置的工作流程4统的本质特征。插补算法的稳定性和算法精度将直接影响到CNC系统的性能指标。所以为使高级数控系统能发挥其功能，不论是在国外还是国内，精度高、速度快的新的插补算法(软件)一直是科研人员努力突破的难点，也是各数控公司竭力保密的技术核心。像西门子、Fanuc数控系统，其许多功能都是对用户开放的，但其插补软件却从不对用户开放。2、插补分类插补的形式很多，按其插补工作由硬件电路还是软件程序完成，可将其分为硬件插补和软件插补。软件插补的结构简单（CNC装置的微处理器和程序），灵活易变。现代数控系统都采用软件插补器。完全硬件的插补已逐渐被淘汰，只有在特殊的应用场合和作为软件、硬件结合插补时的第二级插补使用；从产生的数学模型来分，有一次（直线）插补、二次（圆、抛物线等）插补及高次曲线插补等。大多数数控机床的数控装置都具有直线插补和圆弧插补。根据插补所采用的原理和计算方法的不同，可有许多插补方法。目前应用的插补方法分为两类：(一)基准脉冲插补(reference-pulseinterpolator)基准脉冲插补又称行程标量插补或脉冲增量插补。这种插补算法的特点是每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲插补的实现方法较简单（只有加法和移位）可以用硬件实现。目前，随着计算机技术的迅猛发展，多采用软件完成这类算法。脉冲的累积值代表运动轴的位置，脉冲产生的速度与运动轴的速度成比例。由于脉冲增量插补的转轴的最大速度受插补算法执行时间限制，所以它仅适用于一些中等精度和中等速度要求的经济型计算机数控系统。基准脉冲插补方法有一下几种：1、数字脉冲乘法器插补法；2、逐点比较法；3、数字积分法；4、矢量判别法；5、比较积分法；6、最小偏差法；7、目标点跟踪法；8、直接函数法；9、单步跟踪法；10、加密判别和双判别插补法；11、Bresenham算法早期常用的脉冲增量式插补算法有逐点比较法、单步跟踪法、DDA法等。插补精度常为一个脉冲当量，DDA法还伴有运算误差。80年代后期插补算法有改进逐点比较法、直接函数法、最小偏差法等，使插补精度提高到半个脉冲当量，但执行速度不很理想，在插补精度和运动速度均高的CNC系统中应用不广。近年来的插补算法有改进的最小偏差法，映射法。兼有插补精度高和插补速度快的特点。总的说来，最小偏差法插补精度较高，且有利与电机的连续运动(二)数据采样插补(sampled-wordinterpolator)数据采样插补又称为时间标量插补或数字增量插补。这类插补算法的特点是数控装置产生的不是单个脉冲，而是标准二进制字。插补运算分两步完成。第一步为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度L都相等，且与给定进给速度有关。粗插补在每个插补运算周期中计算一次，因此，每一微小直线段的长度L与进给速度F和插补周期T有关，即FTl。第二步为精插补，它是在粗插补算出的每一微小直线段的基础上再作“数据点的密化”工作。这一步相当于直线的脉冲增量插补。采样速度的选取：在数控系统中，采样周期的选取对于实际加工的精度影响很大，如果采样周期选取太大，加工精度就不能的得到保证，但是采样周期选取太小，又会影响加工速5度，所以在实际选取时要尽量二者兼顾。数据采样插补方法适用于闭环、半闭环以直流和交流伺服电机为驱动装置的位置采样控制系统。粗插补在每个插补周期内计算出坐标实际位置增量值，而精插补则在每个采样周期内采样闭环或半闭环反馈位置增量值及插补输出的指令位置增量值。然后算出各坐标轴相应的插补指令位置和实际反馈位置，并将二者相比较，求得跟随误差。根据所求得跟随误差算出相应轴的精速度，并输给驱动装置。我们一般将粗插补运算称为插补，用软件实现。而精插补可以用软件，也可以用硬件实现。数据采样插补方法很多，常用方法如下：1、直接函数法；2、扩展数字积分法；3、二阶递归扩展数字积分圆弧插补法；4、圆弧双数字积分插补法；5、角度逼近圆弧插补法；6、“改进吐斯丁”（ImprovedTustinMethod――ITM）法。近年来，众多学者又研究了更多的插补类型及改进方法。改进DDA圆弧插补算法，空间圆弧的插补时间分割法，抛物线的时间分割插补方法，椭圆弧插补法，Bezier、B样条等参数曲线的插补方法，任意空间参数曲线的插补方法。上述的方法均为基于时间分割的思想，根据编程的进给速度，将轮廓曲线分割为插补周期的进给段（轮廓步长），即用弦线或割线等逼近轮廓轨迹，(注意，这里的“逼近”是为了产生基本的插补曲线(直线和圆等)。编程中的“逼近”是用基本的插补曲线代替其它曲线)，然后在此基础上，应用上述不同的方法求解各坐标轴分量。不同的求解方法有不同的逼近精度和不同的计算速度。随着STEP标准的颁布，NURBS曲线、曲面插补方法的应用将越来越广泛。因为NURBS描述方法囊括了圆弧等二次曲线及自由曲线曲面的表达式，使得未来的CNC系统的型线代码指令可以“瘦身”为直线和NURBS两大类。如果脱离速度控制谈插补算法，那么插补只能用于计算机图形学中。只有将加减速控制与插补算法有机结合起来，才能构成完整的CNC系统运动控制模块。在脉冲增量式插补算法中，可以靠改变插补周期来控制进给速度，而在数据采样算法中，进给速度与插补周期没有直接联系。数据采样算法的加减速控制分为插补前加减速控制和插补后加减速控制。由于后加减速方式是以各个轴分别考虑的，不但损失加工精度而且可能导致终点判别错误，所以在高精度加工中均采用前加减速方式。但是对于任意曲线曲面加工来说，前加减控制的减速点预测是非常困难的。加减速控制的方法分为梯形、指数型、抛物线型和复合曲线加减速法等。直线型加减速方法计算简单，但是存在冲击；指数型方法没有冲击，但速度慢于直线型的，而且计算复杂；复合曲线加减速法不存在冲击，速度适中，但计算复杂。所以根据所需要的不同的控制精度、控制速度选择合适的加减速控制方法是很重要的。3.2.2逐点比较法直线插补原理逐点比较法是一种逐点计算、判别偏差并逼近理论轨迹的方法，逐点比较法要完成如下四个工作节拍：1）偏差判别――判别刀具当前位置相对于给定