自動編程技術

自動編程(AutomaticProgramming)也稱為計算機編程。將輸入計算機的零件設計和加工信息自動轉換成為數控裝置能夠讀取和執行的指令(或信息)的過程就是自動編程。隨着數控技術的發展，數控加工在機械製造業的應用日趨廣泛，使數控加工方法的先進性和高效性與冗長複雜、效率低下的數控編程之間的矛盾更加尖鋭，數控編程能力與生產不匹配的矛盾日益明顯。如何有效地表達、高效地輸入零件信息，實現數控編程的自動化，已成為數控加工中亟待解決的問題。計算機技術的逐步完善和發展，給數控技術帶來了新的發展奇蹟，其強大的計算功能，完善的圖形處理能力都為數控編程的高效化、智能化提供了良好的開發平台。數控自動編程軟件在強大的市場需求驅動下和軟件業的激烈競爭中得到了很大的發展，功能不斷得到更新與拓展，性能不斷完善提高。作為高科技轉化為現實生產力的直接體現，數控自動編程已代替手工編程在數控機牀的使用中發揮着越來越大的作用。目前，CAD/CAM圖形交互式自動編程已得到較多的應用，是數控技術發展的新趨勢。它是利用CAD繪製的零件加工圖樣，經計算機內的刀具軌跡數據進行計算和後置處理，從而自動生成數控機牀零部件加工程序，以實現CAD與CAM的集成。隨着CIMS技術的發展，當前又出現了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，其編程所需的加工工藝參數不必由人工參與，直接從系統內的CAPP數據庫獲得，推動數控機牀系統自動化的進一步發展。

1952年，美國的Person公司與麻省理工學院(MIT)合作研製出了的一台三座標數控銑牀，為了解決

了數控機牀的編程問題，美國空軍與MIT合作於第二年研製成了APT系統，從此便開始了數控加工和數控編程的發展進程。 20世紀60年代着眼於交互式繪圖系統和NC編程語言的開發，美國MIT的SUTHERLAND教授發表的“SKETCHPAD一人機會話系統”為計算機圖形設計系統和CAD/CAM提供了理論基礎。具有多座標立體曲面自動編程的APTIH的問世，使數控編程從面向機牀指令上升面向幾何元素的高層次編程。隨後，APT幾經修改和充實，又出現了APTIV(改進算法，增加了多座標編程系統)、APT-AQ(增加了切削數據庫管理系統)和APT-SS(增加了雕塑曲面編程系統)等。世界各國以APT為基礎開發了具有獨自特色、專業性更強的APT衍生編程語言，如美國MDSI公司的Compact。用APT語言進行數控編程，具有程序簡練、易於控制走刀等優點，但設計和編程之間只能通過圖紙來傳遞數據，圖紙解釋、工藝規劃靠工藝人員來完成，不能對刀具軌跡進行驗證，易發生人為編程錯誤和造成重複工作等。 步入20世紀70年代，圖形輔助數控編程GNC得到了迅速的發展和廣泛的應用，推動了CAD/CAM向一體化方向發展，並逐步形成了計算機集成製造系統(CIMS)概念。GNC是一種面向製造的技術，它將零件的幾何顯示、走刀模擬、交互修改等不足，如1972年美國Lochead公司推出的CADAM系統，就融入了最新的GNC技術。1975年法國的達索飛機公司對引進的CADAM系統進行了二次開發，研製成功了CATIA系統，使其能進行三維設計、分析和NC加工。80年代初，該公司成功地將CATIA應用於飛機吹風模型地設計和加工，使生產週期從六個月下降為一個月。 到了20世紀80年代，相繼出現了將設計和GNC成功結合和工程化、商業化CAD/CAM系統，如I-DEAS、CADDS、UG等，它們廣泛地應用於航空航天、造船機械、電子、模具等行業。

我國數控加工及編程技術的研究起步較晚，其研究始於航空工業的PCL數控加工自動編程系統SKC一1。在此基礎上，以後又發展了SKC-2、SKC-3和CAM251數控加工繪圖語言，這些系統沒有圖形功能，並且以2座標和2.5座標加工為主。我國從“七五”開始有計劃有組織地研究和應用CAD/CAM技術，引進成套的CAD/CAM系統，首先應用在大型軍工企業，航天航空領域也開始應用，雖然這些軟件功能很強，但價格昂貴，難以在我國推廣普及。“八五”又引進了大量的CAD/CAM軟件，如:EUCLID-15、UG、CADDS、I-DEAS等，以這些軟件為基礎，進行了一些二次開發工作，也取得了一些應用成功，但進展比較緩慢。

我國在引用CAD/CAM系統的同時，也開展了自行研製工作。20世紀80年代以後，首先在航空工業開始集成化的數控編程系統的研究和開發工作，如西北工業大學成功研製成功的能進行曲面的3~5軸加工的PNU/GNC圖形編程系統;北京航空航天大學與第二汽車製造廠合作完成的汽車模具、氣道內複雜型腔模具的三軸加工軟件，與331廠合作進行了發動機葉輪的加工;華中理工大學1989年在微機上開發完成的適用於三維NC加工的軟件HZAPT;中京公司和北京航空航天大學合作研製的唐龍CAD/CAM系統，以北京機牀所為核心的JCS機牀開發的CKT815車削CAD/CAM一體化系統等。

到了20世紀90年代，響應國家開發自主產權的CAD/CAM的號召，開始了自行研製CAD/CAM軟件的工作，並取得了一些成果，如:由北京由清華大學和廣東科龍(容聲)集團聯合研製的高華CAD、由北京北航海爾軟件有限公司(原北京航空航天大學華正軟件研究所)研製的CAXA電子圖板和CAXAME製造工程師、由浙江大天電子信息工程有限公司開發的基於特徵的參數化造型系統GSCAD98、由廣州紅地技術有限公司和北京航空航天大學聯合開發的基於STEP標準的CAD/CAM系統金銀花。由華中理工大學機械學院開發的具有自主版權的基於微機平台的CAD和圖紙管理軟件開目CAD、南京航空航天大學自行研製開發的超人2000CAD/CAM系統等，其中有一些系統已經接近世界水平。雖然我國的數控技術己開展多年，並取得了一定的成效，但始終未取得較大的突破。從總體來看，先進的是點，落後的是面，我國的數控加工及數控編程與世界先進水平相比，約有10一15年的差距，差距主要包涵以下幾個方面:數控技術的硬件基礎落後，CAD/CAM支撐的軟件體系尚未形成，CAD/CAM軟件關鍵技術落後。

自數控機牀問世以來，一些先進的工業國家都在大力開展自動編程技術，特別是近年來隨着計算機

輔助設計與製造的發展，自動編程越來越受到重視。自動編程系統發展到今天，己經出現了品種繁多，功能各異的編程系統。從國際範圍來看，使用較為普遍的系統主要有三種:數控語言編程系統;會話式編程系統;數控圖形編程系統。

數控語言編程系統是最早研製的，也是目前應用最廣泛的自動編程系統。它是用數控語言來編寫零件加工的源程序。與其他類型的自動編程系統相比，他是迄今為止應用最廣泛、功能最強、通用性最廣、技術最成熟的系統。APT是自動編程工具的簡稱，是一種對工件、刀具的幾何形狀及刀具相對於工件的運動等進行定義時所使用的一種接近英語符號的語言。把用APT語言書寫的零件加工程序輸入計算機，經計算機的APT語言編程系統編譯產生刀位文件，然後進行數控加工後置處理，生成數控系統能接受的零件數控加工程序，稱為APT語言自動編程。採用APT語言編制數控加工程序具有程序簡練、走刀控制靈活等特點，使數控加工編程從面向機牀指令的“彙編語言”級，上升到面向幾何元素的點、線、面的高級語言級。由於計算機自動編程代替程序編制人員完成了繁瑣的數值計算工作，並省去了編寫程序單的工作量，因而可將編程效率提高數倍到數十倍，同時解決了手工編程中無法解決的許多複雜零件的編程問題。但APT仍有如下缺點與不足:零件的設計與加工之間用圖紙傳遞數據，阻礙了設計與製造的一體化;同時工藝過程規劃要工藝人員完成，對用户的技術水平要求較高，既困難又容易出錯;用APT語言描述零件模型一方面受語言描述能力的限制，另一方面也使APT系統幾何定義過於龐大;APT語言缺少對零件形狀、刀具運動軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗證手段。這些缺點阻礙了編程效率和質量的進一步提高。

會話式自動編程系統為了克服數控語言編程系統的一些缺陷，在其基礎上發展了會話式自動編程系統，以日本的FAPT為例，其會話式編程系統除了幾何定義語句、刀具運動語句與原來的APT基本相同以外，由於增加了可以進行會話的命令，這樣它不僅能處理原來的APT零件源程序，而且還具有以下功能:可以隨時執行或暫停程序中的任意語句或語句組;可以隨時變更零件源程序，如刪去某些語句，修改或插入某些語句;對以前定義過的零件源程序的點或直線等數據，在以後的零件源程序中可以不再定義並加以使用;隨時可打印或不打印程序單或某一中間處理結果，如點、直線、圓的數據等;隨時可打印出修面向圖形特徵的自動數控編程技術研究改後的零件源程序單。但是，會話式編程系統也有其自身的缺點，主要是輸入零件信息時要有一個將圖紙信息進行轉換的過程，這種轉換過程由編程人員完成，因此容易產生人為錯誤。

數控圖形編程系統是一種計算機輔助編程技術，它通過專用的計算機軟件來實現。這種軟件通常以機械計算機輔助設計(CAD)軟件為基礎，利用CAD軟件的圖形編輯功能，將零件的幾何圖形繪製到計算機上，形成零件的圖形文件;然後調用數控編程模塊，採用人機交互的方式在計算機屏幕上指定被加工的部位，再輸入相應的加工工藝參數，計算機便可以自動進行必要的數學處理並編制出數控加工程序，同時在計算機屏幕上動態地顯示刀具的加工軌跡川。因為這種方法很大限度地減少了人為錯誤，很大限度地提高了編程效率和質量，被認為是目前效率較高的編程方法。更重要的是，由於圖形編程系統是從加工零件圖來生成數控加工指令單，計算機輔助設計的結果是圖形，故可利用CAD系統進行工件的設計，然後經過CAPP生成數控機牀上使用的工序卡，即可生成數控加工指令單。很顯然，這種編程方法具有速度快、精度高、直觀性、使用簡便、便於檢查等優點，因此，“圖形交互式自動編程”已經成為目前國內外先進的CAD/CAM軟件所普遍採用的數控編程方法。日本FANVC公司在FAPT編程系統基礎上開發了SFAPT系統。這種方法是在生產現場和數控裝置上，利用數控裝置的計算機、顯示屏幕(CRT)和圖形對話功能直接進行編程，故被稱為圖形人機對話編程系統。這種系統在數控車牀、銑牀上已有應用。以數控車牀上的編程為例來説明這一方法和系統的概況。在數控系統上先用鍵盤輸入被加工工件的毛坯圖形和尺寸，在毛坯圖形上繪出零件的圖形和尺寸;選定並繪出機牀座標系、機牀原點、工件座標系、換刀位置並確定所用刀具;然後在零件圖上顯示加工部位，確定加工工序和給定所用切削工藝參數:最後在零件與毛坯圖上選定走刀路線，走刀次數，系統據此進行必要的計算;根據給定的工序和走刀路線，可以對工序進行增刪和編輯。這樣，無需轉換成程序介質，機牀便能按上面所確定的加工工序、加工路線與工藝參數自動加工出所需要的零件。根據需要也可以將上述的程序與內容存儲，以便保存或作為再次加工時輸入之用。

20世紀70年代出現並迅速發展起來的GNC技術推動了CAD和CAM向一體化方向發展，促使計算機

集成製造系統(CIMS)興起。作為現代製造新生產模式的CIMS，成為各國競相發展的高技術，我國“863”己將CIMS作為重點發展的高技術領域。作為CIMS主要內容的數控加工自動編程技術，出現了向集成化、可視化、網絡化、自動化、智能化發展的趨勢。

自動編程是藉助計算機及其外圍設備裝置自動完成從零件圖構造、零件加工程序編制到控制介質制

作等工作的一種編程方法。它的一般過程：首先將被加工零件的幾何圖形及有關工藝過程用計算機能夠識別的形式輸入計算機，利用計算機內的數控編程系統對輸入信息進行翻譯，形成機內零件的幾何數據與拓撲數據；然後進行工藝處理，確定加工方法、加工路線和工藝參數；通過數學處理計算刀具的運動軌跡，並將其離散成為一系列的刀位數據；根據某一具體數控系統所要求的指令格式，將生成的刀位數據通過後置處理生成最終加工所需的NC指令集；對NC指令集進行校驗及修改；通過通訊接口將計算機內的NC指令集送入機牀的控制系統。整個數控自動編程系統分為前置處理和後置處理兩大模塊。

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