数控技术及应用第四章数控程序自动编程

1、编辑课件 第四章第四章 数控程序自动编程数控程序自动编程 第一节第一节 自动编程概述自动编程概述 一、计算机辅助编程的基本原理一、计算机辅助编程的基本原理 手工编程对于编制外形不太复杂或计算机工作量不大的零件程序时，简便、易行。但是， 对于许多复杂的冲模、凸轮、非圆齿轮或多维空间曲面等，则编程周期长、精度差、易出 错。据统计，一般手工编程所需的时间与机床加工时间之比约为30：1。因此，快速、准 确地编制程序就成为数控机床发展和应用中的一个重要环节。计算机辅助编程正是针对这 个问题而产生和发展起来的。 对于三维以上的复杂零件程序，由于数学运算处理复杂。只能借助于计算机进行辅助编 程，计算机辅助编

2、程也称为自动编程。所谓自动编程，就是用电子计算机代替手工编程， 其过程是：编程人员根据零件图和工艺要求，运用数控语言，编写零件加工的源程序，将 该源程序输入通用计算机。在编译程序支持下，进行译码、计算和后处理后，自动生成出 数控加工所需的二进制代码穿孔纸带（卡），或通过打印机打印成加工程序单，或通过计 算机通信接口，将加工程序直接输送给CNC存储器予以调用。 要实现自动编程，数控语言、编译程序、通用计算机三者缺一不可。 数控语言是一套规定好的基本符号和由基本符号描述零件加工程序的规则。数控语言 编辑课件 又称“工艺语言”，它接近于工厂车间里使用的工艺语言和工艺规程。这样，用户编写、 阅读、修改

3、零件程序时，变的直观、简便、易掌握。 应用数控语言编写的零件加工程序称为零件源程序。该程序包含加工零件的形状、尺寸、 刀具动作、切削条件、机床的辅助功能等项内容。编写零件源程序的数控语言由下列三种 主要语句构成：几何定义语句：描述几何图形的语句，规定点、线、圆等定义的表达式； 刀具运动语句：指定刀具运动轨迹和动作顺序的语句；控制语句：变更刀具运动语句的顺 序和改变几何定义语句的作用的语句。 编译程序（又称为系统处理程序）：是把计算机的源程序翻译成为等价的目标程序的程 序。目标程序是源程序经过编译程序处理，而获得的计算机可以识别的直接执行的程序。 编译程序是根据数控语言的要求，结合生产对象和具体

4、的计算机，由专家应用汇编语 言或高级语言编好的一套庞大的程序系统。在编译程序的支持下，计算机就能对零件源程 序进行翻译、计算、处理、最后获得某特定数控机床所需的一套加工指令代码，并能自动 地将其制备到穿孔带或打印出程序清单。 二、计算机辅助编程分类二、计算机辅助编程分类 随着计算机应用技术的发展，数控机床计算机辅助编程的方式在不断地出现，我们一 般地可以分类如下如图4-1所示。 (1) 数控语言编程 它是由编程员根据零件图样和有关加工工艺要求，用一种专用的 数控编程语言来描述整个零件加工过程，即称为零件加工源程序。然后将源程序输入计算 机中，由计算机进行编译（也称为前置处理），刀具轨迹计算，最

5、后再由与所用数控机床 编辑课件 计算机辅助编程 词汇语言编程 符号语言编程 数控语言编程 图形交互式编程 CAD/CAM自动编程 CAD/CAPP/CAM全自动编程 图4-1 计算机辅助编程分类 相对应的后置处理程序处理后，自动生成相应的数控加工程序，并同时制作程序纸带或打 印出程序清单。 数控语言是由字母ostprocessing就自动生成数控加工程序。并同时在计算机上动态地 显示其刀具的加工轨迹图形。 由于图形交互式自动编程不仅极大地提高了数控编程的效率，并且它也使得从设计到 编程的信息流成为连续，进而可实现CAD/CAM集成，即为实现计算机辅助设计（CAD） 和计算机辅助制造（CAM）一

6、体化，、数字及规定好的一套基本符号，按一定的词法及 语法规则组成的语言，用来描述加工零件的几何形状、几何元素间的相互关系及加工过程、 工艺参数等等。 按数控语言所表达的形式不同，又可分为词汇语言和符号语言。如对于表达某一点、 线、圆，词汇语言可分别用POINT、LINE、CIRCLE来表示。而符号语言分别用Pi、Si、Ci 来表示。数控语言最典型的有APT（Automatically Programmed Tools）。 编辑课件 (2) 图形交互式编程 图形交互自动编程是利用机械计算机辅助设计（CAD）软件的 图形编程功能，将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，或者直接调用 由

7、CAD系统完成的产品设计文件中的零件图形文件，然后再直接调用计算机内相应的数控 编程模块，进行刀具轨迹处理，由计算机自动对零件加工轨迹的每一节点上进行运算，数 学处理，从而生成刀位文件后，再经相应的后置处理，生成数控加工程序。因此，图形互 交式自动编程是目前国内外在实施CAD/CAM中普遍采用的数控编程方法。由此，它也习 惯地被称为CAD/CAM自动编程。 随着CAPP计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning）技术的发展，当 今在先进制造技术领域中，对数控编程又提出了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程。图 4-2为其全自动编程系统的组成框图。

8、系统从CAD数据库获取零件的几何信息，从CAPP数 据库获取零件加工过程的工艺信息，然后调用NC源程序生成器生成数控源程序。经后置 处理后自动生成数控加工程序，并同时进行动态仿真。如果正确无误，则将加工程序指令 直接送到NC机床加工。 由此可知，CAD/CAPP/CAM全自动编程与CAD/CAM系统编程的最大区别是其编程所 需的加工工艺参数，不必由编程人员通过键盘手工输入，它直接从系统内部的CAPP数据 库获得有关工艺信息。这样不仅使计算机编程过程中减少了许多人工干预，并且使所编程 序更加合理、工艺性好、可靠性高。 编辑课件 NC 代码库 NC机床修改 NC源程序生成器 后置处理程序 动态仿真

9、 正确 CAPP CAPP 数据库 工艺信息 CAD CAD 数据库 几何信息 YN 图4-2 CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程系统框 编辑课件 第二节第二节 APT语言简介语言简介 APT语言是世界上发展最早、功能齐全，也是当时应用较为广泛的数控语言编程系统。 它最早由美国麻省理工学院电子系研究开发，于1953年首先推出APT-语言系统。1958年， 美国航空空间协会（AIA）组织了10多家航空工厂，在麻省理工学院协助下，进一步发展 APT系统，进而产生了APT-，它增加了翻译APT语言的能力，用立体定义曲线的功能及 自动求出线段的终点坐标值。1962年，又完成了可解决三维编程的AP

10、T-自动编程系统。 在此之后又经过进一步完善、充实，1970年推出了APT-系统，后来又发展成为APT-。 APT语言是一种用来对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件运动进行定义的，接近 英语的符号语言。它由一系列APT语言和句法规则所构成，而语句则是由一个或几个语句 成分、按句法规则所构成。语句成分指的是标点符号、词汇、数字、名字和语句标号5个 要素。 所谓语句就是对图形定义、数据运算、刀具运动指令以及对机床的指令等含有独立意 思的句子称为语句。语句是执行基本运算和控制用的基本单位。下面简单介绍一下构成语 句的5种语言成分。 一、一、APT语句成分语句成分 （一）标点符号 APT语言所用的标

11、点符号包括：逗号（，）、斜杠（/）、星号（*）、双星号（*）、 正号（+）负号（-）、单元号（$）、双元号（$）、等号（=）、句号（小数点）、左括 编辑课件 符号名称用途说明实例 ，逗号用来隔开语句中的各个组成部分MACHIN/BENDIX,2,CIRCU LTLLFT,GOLET/L1,TO,L2 /斜杠用来隔开语句的主要成分或用来计算语句的运算符号GOLET/L1.PAST,C3, A=B/D *星号用作乘法运算符号A=B*C *双星号用作指数运算符号A=B* *C +正号用作表示算术加法或规定一数符号A=B+C D=E+F*(+2)+G -负号用作表示算术减法或规定一数符号A=B-D C

12、=E+F*(-3) =等号1给几何表面或宏指令确定一个名字PT1=POINT/X,Y,Z 2给标量变量定义一个数值A=B+D 3给宏指令变量定义一个数值MAC1=MACRO/A1=B,C,D $单元号用来表示一行结束并告诉处理程序、该号右边的信息是其注 释 P1=PLANE/PARLEL $CLEARANGEXL ALRGE,6,9 $双元号可以任意位置使用，它表示零件程序语句在72纵行结束之前 结束，右边的信息是其注释 CUTTER/1,0.25 $ $ F1 LLETED END MILL .句号用来分开整数和小数4.32 2.0 0.098 表4-1 号和右括号（）等。 这些标点符号是用

13、来分隔APT语言原语中的各个单词和其它成分，并用来表示算术运 算的方法。APT处理程序可以自动地接受BCD（二十进制）或EBCD（十二进制）的 符号。 编辑课件 ( )括号 1括算术函数的自变量A=sinF(B) 2括上变量和下变量A=(J)=E(2) 3括上算术条件语句IF(A-D*C)12,13,14 4括上嵌套定义GO/(L1=LINE/X1,Y1,X2,Y2) 5括上某个插入表达式或有关的项A=B*(-3)+C 6右括号用来将语句和语句标号分开A4)K=1 （二）词汇 词汇类型示例 1几何量和表面种类的词汇POINT LINE PLANE CIRCLE 2计算符和函数一类的词汇IF s

14、inF cosF 3后置处理指令一类的词汇STOP END SPINDL 4作为修饰词、指示符、选择符一类的词汇XLAR GE LEFT 5与动作动词相同的词汇GO DLTA 6规定操作方式的词汇NOPOST CLPRNT 表4-2 APT语言的词汇十分丰富，它共分6大类，词字数多达425个，最常用的主要粗会有147条， 祥见表8-3APT词汇分类表。 编辑课件 （三）数字 数字包括09十个符号。 在零件程序中使用的数全为浮动小数点。小数时，包括小数点在内可表示12为数；整数 则可以表示2351以内的数。 （四）名字 名字是用来定义零件程序语句的一个量，这个量在后面的语句中将会用到。 例如：语

15、句CIRC1=CIRCLE/1，2，3，8 定义一个圆，它的圆心坐标为：x=1，y=2，z=3，半径8cm。后面的零件程序语句便可用 CIRC1表示圆。 名字一般由16个字母或数字组成，其中至少有一个不是数字。标点符号不能加在变量 名字中。名字有时可以表示“变量名”，但不能与APT词汇中的相同。一个名字必须预先 定义，才能在其它零件程序语句中使用。因为APT语言在动态条件下经常要使用新的词汇， 所以要求在名字中至少要用一个数字，以示区别。 （五）句标号 语句可以有一个标号。它是由16个字母或数字（可以全是数字）组成、而且必须放在语 句的左边。语句标号必须用右括号与后面的语句分开。 例如：IF（

16、I+2）JOE，123，41E JOE）I=2 123）J=3 41E）K=1 编辑课件 二、二、APTAPT语句结构语句结构 由上述各语句成分即可构成语句，但还要有一定的格式，如 P1=POINT/INTOF，L1，L2 该语句定义了P1这一点是直线L1和直线L2相交的点。它由斜杠“/”隔开，左边为主 部，说明是何种语句，其关键词为主关键词；右边为辅部，给出附加信息，用作对主部的 说明，其中的关键词为辅助关键词。在辅部的各成分中用逗号“，”隔开，等号“=”及 其前面的标识符一般用于描述几何元素的几何定义语句（如上述点语句）和加工定义语句。 有些语句则不需要，如： GORGT/L2，PAST，

17、L3 SPIND/2 000，CLW 应注意的是：有时一个主关键词也可表示一条语句，如“FINI”表示程序结束语句。 三、APT语句类型语句类型 APT语言是由几何定义语句、刀具运动语句、宏语句、辅助机能语句等语句组成，以 下分别对上述语句作一介绍。 （一）几何定义语句（一）几何定义语句 几何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，为后面描述 路线作准备。几何定义语句必须在几何执行语句之前做好。 编辑课件 APT几何定义语句的一般形式为： 几何名字（标识符）=几何类型/描述数据 （如：P1=POINT/5.0,4.0,0.0） 下面列举APT几何语句定义的几条基本规则： (

18、1) 坐标数据的描述按X、Y、Z表示，如： P1=POINT/5.0,4.0,0.0; 它是用APT程序定义一个X=5.0、Y=4.0、Z=0.0的点； (2) 任何一个标识符所用的标识数据必须是前面已经定义过的，如： P2=POINT/INTOF，L1，L2 表示点P2是直线L1和L2的相交点，而L1和L2必须是前面已经定义过的； (3) 一个标识符只能用来定义一个几何元素，同一标识符不能用来定义两个几何元素， 如下面的表达式是不正确的： P1=POINT/1.0,1.0,1.0 P1=POINT/2.0,3.0,4.0 (4) 一个给定的几何元素只能用一个标识符表示，例如下列描述方法将会执

19、行错误程序： P1=POINT/1.0,1.0,1.0 P2=POINT/1.0,1.0,1.0 编辑课件 (5) APT中定义的直线在两个方向上的长度是不定的，同样，平面的延伸也是不定的，而 定义的圆是一个整圆。 几何定义有点、直线、点群、柱面、球面、二次曲面。 （二）刀具运动语句（二）刀具运动语句 刀具运动语句是在一个零件的几何语句基础上描述零件加工过程中刀具的顺序和状态， 并生成刀具运动轨迹的数据，供后置处理阶段应用。APT刀具运动语句可分为点位运动语 句和轮廓运动语句，下面仅就几种常用语句做一介绍。 刀具运动语句的一般式为： 运动命令/描述数据 例如：GOTO/P1。 这个语句由用斜线

20、隔开的两部分组成。其中第一部分说明刀具执行的基本命令；第二部 分说明刀具在何处工作。上述例子说明命令刀具走向P1点。这个点事先已经定义过。 在运动语句开始时，必须给刀具规定一个起始点。零件编程员用下列语句插入这个起始 位置： FROM/TARG FROM是APT词汇中的一个词。它指出是以一个点作为参考起始点。TARG为这个起始点 的符号。描述这个起始点的另一种方式是： FROM/-2.0, 2.0, 0.0 这里的描述数据是起始点X，Y，Z坐标值。 编辑课件 （三）宏语句与循环语句（三）宏语句与循环语句 宏语句用于那些在程序中要多次使用而又稳定可靠的运动程序。使用宏子程序的目的是 减少APT程

21、序语句的总数，是零件编程员能用较少时间完成编程工作。宏子程序用下列格 式表示： 标识符=MACRO/参数定义 宏标识符的命令规则与APT的其它标识符相同，它要用六个或少于六个字符组成，其中 至少有一个英文字符。 宏命令用来表示语句相同但定义参数不同的语句组，即上式斜线后的子程序参数在子程 序每次调入时是变化的。上式可以用作子程序的标题，也可以作为子程序的首行，在首行 之后为一组APT命令。这组指令最后必须用APT词TERMACD表示宏的结束。 在APT程序中激活宏子程序用下列调入指令： CALL/标识符，描述参数 式中标识符为所调用宏的名称，描述参数表示参数的特定值。这个参数是用于执行这次宏

22、程序的。 （四）辅助机能语句（四）辅助机能语句 辅助机能语句包括刀具说明语句，容差语句，启停冷却系统语句，进给速率语句，主 轴状态语句和其它语句等。 四、四、APT语言的源零件程序举例语言的源零件程序举例 图4-3是待加工的零件。下面是零件的APT源程序清单 编辑课件 图4-3 典型零件加工 PARTNON/C360 APT SAMPLE PART PROGRAM; （程序清单的标题，以识别零件和控制带） $ $ DEEFINITION （以下为几何定义语句） SP=POINT/0, 0, 0; （定义刀具运动的起始点，即坐标原点） L1=LINE/4, 2, 0, 4, 8, 0; PT=P

23、OINT/4.0, 8.0, 0; L2=LINE/PT, ATANGL, 45; （定义一条过PT且与X轴成45的直线） L3=LINE/8, 12, 0, 12, 12, 0; L4=LINE/14, 5, 0, 14, 10, 0; L5=LINE/4, 2, 0, 11, 2, 0; C1=CIRCLE/12, 10, 0, 2, 0; （定义一圆心坐标X=12，Y=10，Z=0，半径为2） 编辑课件 C2=CIRCLE/14, 2, 0, 3, 0; INTOL/0; （轮廓容差为0） OUTTOL/.005; （轮廓外容差0.005） CUTTER/5; （采用的刀具直径为5mm）

24、 SPINDL/2000, CLW; （规定机床主轴转速为2000r/min，转动方向为顺时针） COLLNT/ON; （开冷却液） FEDRAT/200; （进给为200mm/min） $ $ MOTION （以下为刀具运动语句） FROM/SP; （刀具起始点为SP点） GO/TO, L1; （刀具从当前位置开始运动直到L1为止） TLLFT, GOLFT/L1, PAST, L2; （刀具在零件的左边，到L1时转向左。刀具继续沿L1运动，直到走过L2为止） GORGT/L2, PAST, L3; （刀具向右，沿L2继续移动，直到刀具走过L3为止） GORGT/L3, TANTO, C1;

25、 （刀具向右，沿L3继续移动，直到刀具与圆C1相切为止） GORGT/C1, TANTO, L4; （刀具向前，沿C1继续移动，直到刀具与L4相切为止） GORGT/L4, PAST, C2; （刀具向前，沿L4继续移动，直到刀具走过圆C2为止） GORGT/C2, PAST, L5; （刀具向右，沿C2继续移动，直到刀具走过L5为止） GORGT/L5, PAST, L1; （刀具向右，沿L5继续移动，直到刀具走过L1为止） GORGT/SP; （刀具直接走到SP点） COOLNT/OFF; （关冷却液） SPINDL/OFF; （主轴停） FINI; （表示此零件程序结束） 编辑课件 第三

26、节第三节 CAD/CAM数控自动编程数控自动编程 一、一、CAD/CAM集成的基本概念集成的基本概念 CAD（计算机辅助设计）和CAM（计算机辅助制造）是60年代以来迅速发展起来的 一门新兴的综合性计算机应用技术。计算机辅助设计和制造，简称CAD/CAM，指的是以 计算机作为主要技术手段，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成从产品设计到加工制 造整个过程中的各项活动。 (一) CAD 计算机辅助设计是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。从思维的角度看， 设计过程包含分析和综合两个方面的内容。人可以进行创造性的思维活动，将设计方法经 过综合、分析，转换成计算机可以处理的数学模型和解析这些模

27、型的程序。在程序运行过 程中，人可以评价设计结果，控制设计过程；计算机则可以发挥其分析、计算和存储信息 的能力，完成信息管理、绘图、模拟、优化和其他数值分析任务。人和计算机相结合，在 设计过程中两者发挥各自的优势，有利于获得最优设计结果，缩短设计周期。CAD就其功 能来讲，主要是指利用计算机完成整个产品设计的过程，产品设计过程是指从接受产品功 能定义开始到设计完成产品的材料信息、结构形状和技术要求等，并最终以图形信息（零 件图、装配图）的形式表达出来的过程。 CAD包括设计与分析两个方面。设计主要是指构造零件的几何形状，选用零件的材料， 以及为了保证整个设计的统一性（如与制造、装配方面的一致性

28、），而对零件提出的一些 其它要求。 编辑课件 设计分概念设计、工程设计和详细设计三个阶段。设计者根据设计协议，将产品的功能 定义（如功能、价格、生命期、外形要求、重量等）量化成设计过程所需的参数信息，就 此完成概念设计。工程设计阶段完成几何形状设计，完整的零件表和材料清单输出。详细 设计给出符合功能要求、加工要求和装配要求的每个零件的设计信息。 分析是指运用有限元法，对产品的性能进行检验、模拟等测试，以提高产品设计质量及 可靠性。 (二) CAM 计算机辅助制造是利用计算机对制造过程进行设计、管理和控制。它有狭窄和广义两个 概念，其狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它主

29、要包括 CAPP计算机辅助工艺过程设计、NC编程、MRP制造资源计划（Manufacturing Resources Planning）三大部分。 CAPP是指工艺人员利用计算机完成零件的工艺规程设计。CAPP接受来自CAD系统的零 件信息，包括几何信息和工艺制造信息，运用工艺设计知识，设计合理的加工工艺，选择 优化的加工参数和加工设备。工艺规程设计是一项复杂的高度智能化的活动，经验性强， 涉及面广，与经验性的决策思维相关，又受具体加工条件的限制。设计一个零件的工艺路 线，要根据零件最终的形状、技术要求和工艺装备（如机床、刀、卡、量具）来决定，同 时还要考虑零件材料特性、经济效益等因素，最后向

30、车间提供成熟的工艺文件。 MRP制造资源计划是为实现企业的生产计划和供应计划的管理，详细地编制能力需求计 划和物料需求计划，并可以方便地对几种计划方案进行测试和评价。管理人员可以用它来 对企业进行有效的管理。 甚至也有把CAPP、MRP作为一个专门的子系统，而CAM更狭义的概念缩小为NC编 编辑课件 程的同义词，曾经CAM在早期的含义就指数控机床的应用。CAM的广义概念除包括上述 CAM狭义定义中所有内容外，还包括制造活动中与物流有关的所有过程（如加工、装配、 检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。 (三) CAD/CAM集成 计算机辅助设计和计算机辅助制造关系十分密切。开始，计算机辅助几何设

31、计和数控加 工自动编程是两个独立发展的分支。对于一个产品的设计与制造的全过程来讲，若CAD和 CAM技术处于单独的使用状态，也就是说，使用CAD系统完成其设计任务后所形成的有 关信息，只是以设计图纸形式输出，而不能自动地传送给与之相关的CAM系统。在CAD 与CAM之间形成一个间隙，使产品的数据流中断，在CAD阶段形成的数据，往往在CAM 系统中还需进行人工干预，这不仅造成时间上的浪费，而且还容易出错，所以这种“孤岛” 形的CAD和CAM系统的效率是不高的，经济效益也是不显著的，为此提出了CAD/CAM系 统的集成化。即通过工程数据库和网络通讯等技术，把CAD和CAM系统的功能有机地结 合起来

32、，达到资源共享。设计系统只有配合数控加工，才能充分显示其巨大的优越性。另 一方面，数控技术只有依靠设计系统产生的模型才能发挥其效率。所以，在实际应用中二 者很自然的紧密结合起来，形成了计算机辅助设计与制造集成系统。在CAD/CAM系统中， 设计和制造的各个阶段可利用公共数据库中的数据。公共数据库将设计与制造过程紧密联 系为一个整体。数控自动编程系统利用设计的结果和产生的模型，形成数控加工机床所需 的信息。CAD/CAM可大大缩短产品的制造周期，显著提高产品质量，从而产生巨大的经 济效益。 按运行方式，CAD/CAM系统可分为交互式系统和自动化系统。虽然人们正在研究以人工 智能方法为基础的CAD

33、/CAM系统，但在目前的技术发展水平，计算机尚难以自动的完成 设计和制造中的全部工作。因此，绝大多数CAD/CAM系统都属于交互式系统。这种 编辑课件 系统以交互方式运行，由计算机检索数据，分析计算，并将运算结果以图形或数据的形式 显示在屏幕上，用户可利用键盘和图形板等交互设备输入参数，选择方案，修改设计，控 制运行的进程。 另外，CAD/CAM系统从硬件角度可分为主机系统、工作站系统和微机系统；按软件的开 放性可分为交钥匙系统(Turn-Key System)和可编程系统（Programmable System）。 CAD/CAM技术随着计算机硬件和软件技术的迅速发展日趋完善，在机械、电子、

34、宇航和 建筑等部门得到广泛应用。CAD/CAM技术使产品的设计制造和组织生产的传统模式产生 了深刻的变革，成为产品更新换代的关键技术，被人们称为产业革命的发动机。在工业发 达国家，CAD/CAM已经形成了一个推动各行业技术进步的、具有相当规模的新兴产业部 门。 (四) 计算机在设计和制造中的辅助作用 计算机在设计和制造过程中起着重要的辅助作用，但不是取代人的作用，即在人能有效 发挥作用的地方不用计算机，反之在计算机可被有效利用的场合不用人。 计算机在设计和制造中的辅助作用主要体现在数值计算、数据存储与管理、图样绘制三 个方面。 计算机作为计算工具使用的优越性显而易见。人工计算容易发生错误的问题

35、在这里得 到了完全的克服。许多需要多次迭代的复杂运算，只有用计算机才能完成。一些设计分析 方法，例如优化方法、有限元分析，离开计算机便难以实现。计算机作为计算工具提高了 计算精度，保证了结果的正确性。 计算机可靠的记忆能力，使其能够在数据存储与管理方面发挥重要作用。例如，常规 设计时，设计人员必须从有关的技术文件或设计手册中查找数据，不但费时，而且容易出 编辑课件 错。使用CAD/CAM系统时，标准的数据存放在统一的数据库中，检索存储方便迅速。有 了数据库，设计人员便不再需要记忆具体的数据，也不必关心数据的存储位置，可以全神 贯注于创造性的工作。 图样是工程的语言，是人们交流思想的工具。它在审

36、查设计方案、检验产品等方面起着 重要作用。图样的绘制工作约占整个设计工作量的60%以上，因此计算机绘图是对设计工 作的有力辅助。这就是为什么计算机绘图被广泛使用的原因。另外，实际设计中很大一部 分图样只是在现有设计的基础上加以局部修改。一旦图形数据存储于图库之中，它们可以 重复使用，可以进行修改与编辑，以产生新的图形。 人和计算机相结合，恰当地发挥二者的作用对CAD/CAM十分重要。在建立一个 CAD/CAM系统时，应在以下几个方面考虑人机的特点。 经验与判断相结合在产品和工艺过程设计中是不可缺少的，所以设计过程仍必须由人控 制。设计人员应能在设计的各个阶段行使控制权，应能利用其直觉进行设计，

37、而不一定要 遵循计算机的设计逻辑。计算机的学习能力很差，学习的任务应由人来完成。人可以从过 去的设计中学习，总结经验。 对于费时费力的数值分析工作，计算机可以高速精确地完成。在设计中应尽量可能多地 让计算机完成数值分析工作，使人有更多的时间利用数值分析的结果和他本身的直觉分析 能力完成决策性的工作。 计算机具有永久存储信息的能力，对重复性工作有极强的耐力。所以，在设计和制造过 程中，信息的存储管理应在人的指导下由计算机完成。像绘制图样之类繁琐的、令人疲倦 的工作，适合于计算机去完成，将人从重复劳动中解放出来。 计算机具有系统检错的能力，人则可用直觉方式检错。一般说来，让计算机自动改正 编辑课件

38、 错误、修改设计的任务应由人来完成。 总之，在设计和制造中计算机可以起到重要的辅助作用，正确地处理人机关系，发挥二 者各自的优势，是CAD/CAM中的一个重要问题。 二、图形交互自动编程的特点和基本步骤二、图形交互自动编程的特点和基本步骤 图形交互自动编程是一种计算机辅助编程技术。它是通过专用的计算机软件来实现的。 这种软件通常以机械计算机辅助设计（CAD）软件为基础，利用CAD软件的图形编辑功能 将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程模块，采用 人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位，再输入相应的加工工艺参数，计算机 便可自动进行必要的数学处理并编制出数控

39、加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出 刀具的加工轨迹。很显然，这种编程方法具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便 于检查等优点。因此，“图形交互自动编程”已经成为目前国内外先进的CAD/CAM（计 算机辅助设计与制造）软件所普遍采用的数控编程方法。 (一) 图形交互自动编程的特点 图形交互自动编程是一种全新的编程方法，与手工编程及APT语言编程比较，有以下 几个特点： 1）这种编程方法既不象手工编程那样需要用复杂的数学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形状、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向零件的几何图形以光

40、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、准确、便于检查的优点。 编辑课件 2）通常图形交互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辅助设计，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，而不是象APT语言编程那样，事先用数 控语言编好源程序，然后由计算机以批处理的方式运行，生成数控加工程序。这种交互式 的编程方法简单易学，在编程过程中可以随时发现问题进行修改。 4）编程过程中，图形数据的提取、节点数据

41、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、准确性好。 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。所以非常便于普及推广。 基于上述特点，可以说图形交互自动编程是一种先进的自动编程技术，是自动编程软 件的发展方向。目前国内外先进的编程软件均普遍采用了这种编程技术。 (二) 图形交互自动编程的基本步骤 目前，国内外图形交互自动编程软件的种类很多，其软件功能、面向用户的接口方式 有所不同，所以，编程的具体过程及编程过程中所使用的指令也不尽相同。但从总体上讲， 其编程的基本原理及基本步骤大体上是一致的。归纳起来可分为五大步骤：零件图纸及 加工工艺分析；

42、几何造型；刀位轨迹计算及生成；后置处理；程序输出。 零件图纸及加工工艺分析 零件图纸及加工工艺分析是数控编程的基础。图形交互自动编程和手工编程、APT语 言编程一样也首先要进行这项工作。目前，由于国内计算机辅助工艺过程设计（CAPP）技 编辑课件 术尚未达到普及应用阶段，因此该项工作还不能由计算机承担，仍需依靠人工进行。因为 图形交互自动编程需要将零件被加工部位的图形准确地绘制在计算机上，并需要确定有关 工件的装卡位置、工件坐标系、刀具尺寸、加工路线及加工工艺参数等数据之后才能进行 编程，所以，作为编程前期工作的加工工艺分析的任务主要有：核准零件的几何尺寸、 公差及精度要求；确定零件相对机床坐

43、标系的装夹位置以及被加工部位所处的坐标平面； 选择刀具并准确测定刀具有关尺寸；确定工件坐标系、编程零点、找正基准面及对刀 点；确定加工路线；选择合理的工艺参数。 几何造型 几何造型就是利用图形交互自动编程软件的图形绘制、编辑修改、曲线曲面造型等有 关指令将零件被加工部位的几何图形准确地绘制在计算机屏幕上。与此同时，在计算机内 自动形成零件的图形数据文件。这就相当于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绘图的方法将零件的图形数 据输送到计算机中。这些图形数据是下一步刀位轨迹计算的依据。自动编程过程中，软件 将根据加工要求自动提取这些数据

44、，进行分析判断和必要的数学处理，以形成加工的刀位 轨迹数据。图形数据的准确与否直接影响着编程结果的准确性。所以要求几何造型必须准 确无误。众所周知，零件图尺寸是按标准的标注方法进行标注的，通常并不标注图形节点 的坐标值。因此，如果先将图纸的尺寸用人工的方法换算成节点的坐标值，然后再按节点 坐标值将零件图形绘制到计算机上，就失去了自动编程的意义。用计算机进行几何造型时， 并不需要计算节点的坐标值，而是利用软件丰富的图形绘制、编辑、修改功能，采用类似 手工绘图中所使用的几何作图的方法，在计算机上利用各种几何造型指令绘制构造零件的 几何图形。 (1) 点位加工图形的生成 钻孔、镗孔、冲剪都属于点位加

45、工。对于圆孔类点位图形的 生成，通常只要按零件图上标注的圆心坐标系将圆绘制到计算机上就可以了。而对按一定 编辑课件 规律分布的圆，则可利用软件的一些功能采用简便的方法生成图形。如对于在节圆上环形 均布的圆，可以使用环形阵列命令，首先画出基准圆，然后在节圆上一次阵列出所有均布 圆。对沿横向纵向均匀排列的圆，可以使用矩形阵列的命令在画出基准圆后按分布规律一 次阵列出所有圆。对于对称分布的圆，可以在画出一系列圆的基础上，利用镜像命令一次 性地生成与这一系列的圆对称分布的所有的圆。对于非圆的点位图形，如各种形状的冲孔， 可将图形定义成图块，并将图形的中心作为块的插入点，按其中心坐标值分别插入到计算 机

46、屏幕图形中；或按其分布规律，采用阵列或镜像的方法插入到图形中。在交互编程中， 软件将自动提取圆心或插入点的坐标值编制点位加工程序。 (2) 直线、圆弧轮廓图形的生成 直线、圆弧是组成零件图最基本最常见的图形。在图形 交互编程软件中，生成直线和圆弧图形的方法很多。不同的软件系统其指令有所区别，但 其功能大同小异。这里仅对一些常用的直线、圆弧作图功能作一介绍。 对可以直接从零件图上取到端点绝对坐标或相对坐标的直线，可根据零件图标注，键 入端点的绝对坐标或相对坐标值形成图形。对于端点是计算机屏幕上已有图素的特征点的 直线（如某直线或圆弧的端点、中点、垂足、两线素的交点、切点、弧或圆的圆心及象限 点等

47、），可利用软件中目标捕捉的各种方式，使用光标靶区准确地捕捉到这些特征点，并 以此作为端点形成直线图形。对于零件图上既无法直接取到坐标值，也捕捉不到的点，可 用几何作图的方法求出该点，以绘制图形。 画圆常用的有以下几种方式：给出圆上三点的位置；给出直径的两个端点；给出 圆心及半径；给出圆心及直径；给出两个和圆相切的图素及圆半径。 画圆弧有以下几种方式：给出弧上三点位置；给出始点、圆心及终点；给出始 点、圆心及弧所夹的角；给出始点、圆心及弧所对的弦长；给出始点、终点及半径； 给出始点、终点及弧所夹的角；给出始点、终点及弧的起始方向角；规定和前面直 线或弧相切并给出弧的终点。 编辑课件 以上画圆及圆

48、弧的取点方法和上述直线取点一样。可直接给出绝对坐标或相对坐标值， 或采用目标捕捉，几何作图等方法。 对于直线、圆弧轮廓图形的生成，要注意线素之间必须首尾相连，不允许首尾分离、线 素交叉等现象的存在，否则编程中会出现错误。 除此之外，直线、圆弧轮廓的生成还可根据图形的情况，利用图形编辑中的拷贝、旋转、 镜像、造等距线、延长、修剪、阵列等指令灵活进行。 (3) 列表曲线的造型 列表曲线经常出现在凸轮、靠模、曲面样板零件中，数控编程中 应有相应的造型方法。图形交互自动编程软件对列表曲线的造型问题，一般是采用曲线拟 合的方法处理。其处理过程通常是首先按零件图给出的列表曲线型值点的坐标值绘制一条 连续的

49、折线（某些软件中称之为复线）。然后用曲线拟合指令一次将其拟合成过型值点的 光滑曲线。对于不同的软件其拟合的数学方法可能有所不同。通常有双圆弧拟合法、样条 曲线拟合法、Bezier曲线拟合法等。对不同拟合法生成的曲线，在刀位计算中的处理方法 也不相同。采用双圆弧法拟合的曲线，用分解指令打碎后，将生成一系列光滑连接的圆弧， 刀位计算将按圆弧处理。而用样条及Bezier曲线拟合法生成的曲线，在刀位计算中需按加 工精度要求进行插值，用插值点连成的折线作为刀位轨迹，逼近曲线进行加工。 (4) 常用非圆平面曲线的造型 这里所说的常用非圆平面曲线是指在机械零件中经常出 现的，有固定数学模型的非圆平面曲线图形

50、。如渐开线、螺线、摆线等。由于这类曲线有 固定的数学模型，因此，软件通常采用参数绘图的方法进行造型。首先选择所要绘制曲线 的菜单项或命令，然后根据计算机提示，交互输入曲线的坐标原点、曲线数学公式中要求 的各项系数、拟合精度或插值点的数目以及曲线起点终点的角度，软件将自动在计算机屏 幕上绘制出所需的曲线。用这种方法生成的曲线，通常是以双圆弧法拟合的，所以是由多 段圆弧光滑连接而成的曲线。对于非圆曲线的造型，不同的软件处理方法不尽相同。有些 编辑课件 软件还没有现成的造型命令，但可利用软件内所含有的编程语言，根据需要编制专用的程 序，并将其转换为专用的曲线造型命令，以解决这类曲线的造型问题。 (5

51、) 曲面的造型 较高档次的图形交互自动编程软件，都具有三维曲面的处理功能。其曲 面造型的方法虽然有所区别，但大同小异。归纳起来有以下几种常用的方法： 1）截面线造型法 适用于零件图给出的条件是曲面若干截面线的型值点坐标值。首先用 曲线拟合指令将各截面线拟合成曲线，然后再用曲面拟合指令将各截面曲线拟合成光滑曲 面。 2）回转曲面造型法 适用于各种回转面的造型。首先根据零件图给出的已知条件构造母 线。其母线可以是直线、圆弧或各种平面曲线，其造型方法如前所述。然后用回转面生成 指令，令母线绕指令轴旋转指定角度，生成回转面。 3）型值点造型法 适用于零件图给出的条件是曲面上的若干型值点。可用以点拟合曲

52、面 的指令，直接拟合曲面。 4）边界线造型法 适用于零件图给出的条件是曲面四个边界线的数据。可在计算机上首 先生成边界线，然后用相应的边界线曲面拟合指令，拟合出符合边界条件的曲面。 5）扫描曲面造型法 适用于零件图给出的条件是一扫描母线和一导引线数据。可先构造 扫描母线和导引线，然后用相应的曲面生成指令，让扫描母线沿导引线运动而生成曲面。 以上只是从各种软件中归纳出的几种曲面造型的方法。其具体造型指令的适用方法需 参考软件使用说明书。 编辑课件 刀位轨迹的计算及生成 图形交互自动编程的刀位轨迹的生成是面向屏幕上的图形交互进行的。其基本过程是 这样的：首先在刀位轨迹生成菜单中选择所需的菜单项，然

53、后根据屏幕提示，用光标选择 相应的图形目标，指定相应的坐标点，输入所需的各种参数。软件将自动从图形文件中提 取编程所需的信息，进行分析判断，计算出节点数据，并将其转换成刀位数据，存入指定 的刀位文件中或直接进行后置处理生成数控加工程序。同时在屏幕上显示出刀位轨迹图形。 刀位轨迹的生成大致可划分为四种情况：点位加工刀位轨迹的生成；平面轮廓加工 刀位轨迹的生成；槽腔加工刀位轨迹的生成；曲面加工刀位轨迹的生成。下面就分别 介绍各种刀位的生成过程。 (1) 点位加工刀位轨迹的生成 由于在点位加工中，刀具从一点到另一点运动时不切削， 各点的加工顺序一般也没有要求，所以其刀位轨迹生成过程也比较简单。一般在

54、通过指点 菜单或输入命令激活刀位轨迹生成的功能后，根据屏幕提示在图形上用光标指点出编程原 点、选择好加工目标图形、输入相应的加工参数，刀位轨迹将自动生成并显示在屏幕上。 并生成刀位轨迹文件，或直接生成数控加工程序。 (2) 轮廓加工轨迹的生成 轮廓加工轨迹的生成有两种方式。一种是采用交互绘图的方法， 使用造等距线的指令，将加工轮廓线按实际情况左偏或右偏一刀具半径，直接在屏幕上生 成加工刀位轨迹，然后按此刀位轨迹交互编程。同样在交互过程中要根据提示输入相应的 加工参数，并用光标指点编程原点、起刀点、起切线或走刀方向及退刀点，并选择前面生 成的刀位轨迹作为加工目标，软件将按此刀位轨迹编制出加工程序

55、。这种方式在编程中已 考虑了刀补问题，所以更适用于使用不具备刀补功能的控制系统的编程。另一种是直接对 零件的轮廓图形进行编程。这种方法在交互编程过程中除了要根据提示输入相应的加工参 数，并用光标指点编程原点、起刀点、起切线或走刀方向及退刀点之外，还要根据提 编辑课件 示指定刀补方式并选择零件轮廓作为加工目标，软件将按此轮廓编制出加工程序，并在程 序中自动加入刀补指令。这种方式编制的程序要求机床的控制系统必须具备刀补功能。 (3) 槽腔零件加工刀位轨迹的生成 槽腔零件加工刀位轨迹的生成也有两种方式。一种是 在激活刀位轨迹生成命令后，对照图形用光标交互地指定槽腔的边界图形及中间的孤岛图 形，并指点

56、编程原点、起刀点、退刀点、交互地输入加工参数、刀具半径、走刀方式（环 形走刀或Z字形走刀），软件将自动生成加工刀位轨迹。另一种是把槽腔加工作为轮廓加 工的一种特例来处理。采用交互绘图的方法，使用造等距线的指令及其他图形编辑修改指 令交互绘制生成环形或Z字形刀位轨迹。然后按此刀位轨迹进行交互编程，其交互过程和 轮廓加工一样。 (4) 曲面加工刀位轨迹的生成 曲面加工比较复杂，所以具有曲面加工编程功能的软件， 其交互编程过程通常采用多重菜单的方式进行。在曲面造型完成之后，进入刀位轨迹生成 分菜单，编程人员根据所需的刀位轨迹生成方式，选取相应的菜单项，并根据屏幕提示输 入相应参数，软件便自动生成刀位

57、轨迹文件。 后置处理 后置处理的目的是形成数控指令文件。由于各种机床使用的控制系统不同，所以，所 用的数控指令文件的代码及格式也有所不同。为解决这个问题，软件通常设置一个后置处 理文件。在进行后置处理前，编程人员需对该文件进行编辑，按文件规定的格式定义数控 指令文件所使用的代码、程序格式、圆整化方式等内容，软件在执行后置处理命令时将自 行按设计文件定义的内容，输出所需要的数控指令文件。另外，由于某些软件采用固定的 模块化结构，其功能模块和控制系统是一一对应的，后置处理过程已固化在模块中，所以 在生成刀位轨迹的同时便自动进行后置处理生成数控指令文件，而无需再进行后置处理。 编辑课件 程序输出 由

58、于图形交互自动编程软件在编程过程中可在计算机内自动生成刀位轨迹图形文件和 数控指令文件，所以程序的输出可以通过计算机的各种外部设备进行。使用打印机可以打 印出数控加工程序单，并可在程序单上用绘图机绘制出刀位轨迹图。使机床操作者更加直 观地了解加工的走刀过程。使用由计算机直接驱动的纸带穿孔机，可将加工程序穿成纸带， 提供给有读带装置的机床控制系统使用，对于有标准通信接口的机床控制系统可以和计算 机直接联机，由计算机将加工程序直接送给机床控制系统。 三、典型三、典型CAD/CAM软件介绍软件介绍 CAD/CAM系统软件是实现图形交互式数控编程必不可少的应用软件。随着CAD/CAM 技术的飞跃发展和

59、推广应用，国内外不少公司与研究单位先后推出了各种CAD/CAM支撑 软件。目前，就国内市场上销售比较成熟的CAD/CAM支撑软件有十几中，即有国外的也 有国内自主开发的。这些软件在功能、价格、适用范围等方面有很大的差别。由于 CAD/CAM（特别是三维CAD/CAM）软件技术复杂，售价高，并且涉及到企业多方面的 应用，企业在选型时要很慎重，并往往要花费很大的精力和时间。为此，国家机械工业部 于1998年年底专门组织了一批CAD/CAM方面的专家教授，对当前国内市场上销售和应用 比较普遍的CAD/CAM支撑软件进行了一次评测。根据有关信息，本书例举一些典型的 CAD/CAM软件，以供选型时参考。

60、 CAXAME软件 CAXAME是由我国北京北航海尔软件有限公司（原华正模具所）自主开发研制，基 于微机平台，面向机械制造业的全中文三维复杂形面加工的CAD/CAM软件。它具有25 编辑课件 轴数控加工编程功能，较强的三维曲面拟合能力，可完成多种曲面造型，特别适合于模具 加工的需要，系统提供丰富的工艺控制参数、多种加工方式（粗加工、参数线加工、限制 线加工、复杂曲线加工、曲面区域加工、曲面轮廓加工），刀具干涉检查、真实感防真、 数控代码反读、数控加工刀具路径仿真、检测和适合于多种数控机床的通用后置处理功能。 UG（Unigraphics）软件 UG系统由美国EDS公司经销。它最早由美国麦道航空