现代数控编程技术的应用分析

林慧娟

（安徽六安技师学院 安徽 六安 237010）

0 引言

在现代经济社会持续发展的影响下，各行各业对于零件的外形要求也在不断提高，使得各机械产品设计制造工作变得越发复杂，加工制造技术也要跟随经济社会发展不断更新。 传统人工加工制造方法无法满足零件设计、加工的具体要求。 数控编程技术作为现代技术发展出现的全新成果，成为我国机械设计制造行业自动化发展的重要技术因素，并且该项技术集成了计算机、自动控制等多项技术成果，使得机械设计制造加工难度明显下降，产品生产质量和效率得到提高，逐渐在机械设计制造加工行业普及应用。 本文通过研究分析现代数控编程技术在机械设计制造加工行业的实际应用，展望了未来的发展趋势，为今后数控编程技术的发展以及普及应用提供参考。

1 数控编程技术概述

现代数控编程技术的应用一般需要相关人员对产品、零部件具体加工要求进行分析，再形成工艺设计方案，确定产品的最终加工方法，其中也包括了选择加工机床、刀具、夹具等设备。 同时要在科学确定走刀路线以及切削用量的基础上，建立三维工件几何模型，通过模拟加工计算工件的运动轨迹以及机床的运动轨迹［1］。 数控编程技术能够在建立程序格式的情况下，对于零件的加工工具不断进行调整，最终得出在生产效率和质量方面都具备优势的产品加工程序。 对于零部件的生产加工工作而言，因为产品生产难度存在明显差异，利用自动编程或者手动编程的方法建立最终的产品加工程序，手工程序编制和数控加工程序编制都需要借助人力资源，一般分为零件的图样分析和工艺分析、确定加工路线的多个环节，一般会在程序较为简单、计算难度较低的零件加工过程中逐渐应用。 但此类编程的缺陷也较为明显，主要表现在工作效率和偏差方面。 自动编程则是利用计算机和相关软件自主完成数控加工程序的设计和调整，在容错率和出错率方面有着明显的优势。

2 现代数控编程技术应用分析

2.1 数控加工仿真技术

在现代数控编程技术持续发展的影响下，有关工艺设计和刀具轨迹生成等方面的技术取得了相应的发展成就。但考虑到零件的形状多元化特征明显，且产品加工环境也处于动态变化状态，零件加工也会在多种因素的影响下，出现产品质量降低的问题，影响因素是以零件加工过程中的过切、欠切和机床干涉碰撞等为主，数控加工编程技术利用计算机以及相关软件模拟加工环境、刀具轨迹和加工流程，帮助相关人员以此为基础针对其中不合理的加工工序进行调整，将之前的工件试切环节逐渐取代，在成本投入、效率和安全性方面有着明显的优势，也是数控编程质量提升的有效途径。

从我国数控编程技术的发展看来，在模型化以及仿真计算方面取得了相应的发展成果，并且在模型精度提升、仿真计算时效性提升方面也在不断优化和改进。 以试切环境模型特征为基础进行分析，将数字控制（numerical control，NC）切削期间的仿真具体分为几何仿真和力学仿真。 前者的设计操作并不需要考虑切削参数和切削力，只需要将仿真刀具和工件几何体的运动过程进行结合，以此为基础对于NC 程序的合理性进行验证。 这种仿真方式能够有效规避因为程序错误带来的机床损坏、零件损伤等多种现象，且产品设计制造周期明显得到压缩［2］。 后者因为属于物理仿真范围，在防止切削期间预测刀具的损害和振动厚度，合理地调节切削参数，保障切削环节能够实现最优的发展目标。

在数控加工仿真技术应用期间，数据驱动一般是刀位数据和NC 代码为主，以应用模式方面的差异将数据加工分为后置前处理数据以及后置处理过程的仿真。 前者是以刀位数据为基础开展的数控加工仿真工作，后者则是基于NC程序开展的加工过程仿真。 以刀位数据为基础开展的数控加工仿真，同样不需要将切削力和切削参数此类数据作为考虑因素，只需要完成刀具运作过程的仿真工作，借此检验刀具轨迹的合理性，提高零件的加工质量［3］。 以NC 程序为基础的数控加工仿真主要是用于检验NC 程序的正确性、操作人员培训和碰撞检测，在实践环节中，因为仿真器件将环境因素加入其中，导致仿真工作难度明显提高。

2.2 后置处理技术

现如今，我国机械设计制造正在逐渐向着计算机集成制造方向发展，并且计算机辅助设计和制造也是计算机集成制造系统得以实现的核心技术。 为了全面达成计算机辅助设计和制造系统的无缝集成目标，必须将自动编程系统产生的自动编程工具（automatically programmed tool，APT）格式的单位代码经过转换之后，才能保证数控机床能够有效执行。

在数控编程工作中，计算刀具轨迹是前置处理工作内容，为了保障前置处理环节的通用化发展，需要以相对运动原理作为基础，在同一个空间坐标系中进行统一计算，并不需要考虑具体机床结构和指令形式，确保系统软件能够逐渐优化。 如此一来，为了保证数控机床加工程序的可行性以及简洁性，要经过计算得到的刀位数据转变为能够执行的代码程序，这也是常见的后置处理环节。 综合考虑机床运动结构以及控制指令的格式，相关人员能够将经过前置计算得到的刀位数据转化为机床各轴运行指令数量，且控制指令格式也能够随之得到转换，并最终形成数控机床能够执行的加工程序。

后置处理技术应用的最终目标是建立数控机床能够执行的加工指令。 考虑到机床的控制系统存在明显的差异，故此数控指令的文件代码格式也需要不断进行调整。计算机设计和制造数控编程程序需要设置后置文件处理选项，以此为基础产生与数控技术对接的加工文件，需要按照使用的格式，对于数控文件使用的代码、程序、圆整化方式等内容进行定义，在条件允许的情况下，进行必要的编辑修改［4］。

在后置处理技术的几何算法中，利用商用计算机辅助设计和制造软件获取APT 格式的文件，借助工件坐标系能够给出刀头位置和刀具的矢量方向。 一般的五轴数控机床是将转轴中心作为控制点，需要的因素包括转轴中心点位置和刀具的旋转角度以及进刀因素。 也正因如此，在后置几何处理过程中，需要实现坐标系的转换。 因为不同机床的刀具位置描述因素也存在不同，甚至部分坐标系确定也存在明显的差异，尚未形成统一的算法进行坐标系的转换，但具体的思想却是基本一致的，也需要通过空间几何的方法，将APT 文件中的机床刀头位置和刀具矢量方向转变为机床运转所需的各种数字量。 在后置处理的译码过程中，因为APT 文件并不包括机床所使用的G 代码以及M 代码用于描述机床的动作，使用的是GOTO 以及STOP 之类语句，在后置处理译码过程中，需要将一般性语句转变为机床运动所需的专用语句［5］。

在计算机辅助设计与制造系统中，一般都会对走刀轨迹进行弧弦逼近。 刀具运动的包络面和加工表面之间存在一定的逼近误差，要以误差的数据大小对于走刀的补偿和加工带宽度进行调整，对多轴联动，尤其是包含旋转轴联动的曲面加工的理论刀具轨迹要以刀具表面和零件表面的啮合关系为基础，确立相应的非线性连续曲线，最终得到机床运动中的理想联动规律。 但实际上，在具体多重联动的控制过程中，一般都只具备线性插补功能。 非线性连续轨迹只能够以一小段的直线进行离散逼近，随后需要相关系统针对机床运动进行线性插补，最终实现被加工曲面的近似包络成型目标。 这会带来一定的非线性误差，此误差的数值与机床运动结构之间有着密切的联系，在前置处理中无法有效解决，因此需要在后置处理中，以刀位文件中收录的离散刀位信息修正其中存在的非线性误差。

高速数控加工有明显的效率和精度方面的优势，但对于机床结构和数控系统也提出了更高的要求，在普通手工加工中，计算机设计和辅助系统都是以较小的直线和圆弧作为刀具的移动路径，因此产生的数控程序数量较多，运行时间较长。 在高速数控加工过程中使用的插补刀轨方式，综合使用控制点、节点矢量和权三个变量对于自由曲线进行表达，针对各项产品曲面结构复杂的加工程序而言，程序数量能够减少50%以上，加工时长也能够得到明显压缩，产品加工效率和精度能够得到保障。

2.3 数控机床程序编制

以目前数控编程技术发展来看，用于数控机床编程的方法分为手动编程、自动编程两种。 手动编程技术要求技术人员在科学分析零件图的前提下，以其中的相关信息和加工要求进行零件的加工，技术人员也需要参与整个产品生产过程。 技术人员需要以零件图的数据分析结果为基础科学选择程序代码，基本指令代码编程和高级指令代码编程是最为常见的两种形式。 前者需要技术人员在加工程序编程的过程中使用各种简单标准的指令，使用范围较小，通常用于简单机械零件加工。 后者则是由数控系统编写生成的代码，应用范围更加广泛，在产品生产的过程中进行零件的精细化处理。 通常在机械设计加工制造中，指令编程将基本指令代码和高级指令代码变成有效结合，在提高产品加工效率时，压缩工程成本。

在我国现代自动化技术发展的影响下，数控编程自动化发展趋势也变得十分明显，现代数控自动编程技术是以管理软件计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）技术作为基础，在全面分析复杂工作零件的前提下产生相应的设计方案，并且数控系统能够根据得到的结构分析结果，形成相应的指令代码，严格按照对应的加工要求，保证机床能够自主加工机械零件，提高其效率和精准度。 因为现代数控自动编程技术的代码指令更加精准，能够在形状复杂、手工编程无法应用的零件加工工作中广泛应用。 在利用CAD 软件进行指令代码编程的过程中，需要技术人员优先进行加工零件的分析，尤其是需要对待加工面进行观察，最终形成合理的加工方案。 随后利用CAD 软件完成待加工面的几何造型，严格按照对应元素的定义方法形成精准的几何模型。 在设置加工参数和刀具参数的过程中，以CAD 软件形成的几何形态为基础，加工参数以主轴转速为主，刀具参数则是以刀具的类型和刀具号为主。 在完成参数设置工作之后，数控系统便会针对产品加工过程中的刀具运行轨迹自动生成，提高零件加工的效率和质量，利用人工交互的方法进行刀具轨迹监控，一旦出现运动轨迹偏差，可以由技术人员及时进行调整。 根据CAD软件的指令代码编程环节能够科学地验证刀位位置的准确性，保障生产过程中的刀位完全符合加工零件的要求，转化为NC 代码，保障数控机床能够进行批量化零件生产。

2.4 零件图的数学化处理

在现代数控编程技术应用的过程中，机械设计加工制造利用该项技术完成零件图的数学处理，该环节工作是对零件加工轨迹的尺寸进行计算，可以分为基点坐标和节点坐标的计算。

因为数控机床只具备直线和圆弧插补功能，对于包括直线和圆弧的平面机械零件轮廓而言，在编程过程中数值计算要求进行各基点坐标的计算。 基点坐标使用直接计算方法，要求相关人员对于加工程序单的信息进行填写，针对每条运动轨迹的起点和终点在选定坐标系中的坐标以及圆弧运动轨迹的圆心坐标值进行计算。 技术人员利用零件图样给出的已知条件，综合使用代数、三角、解析几何等相关知识直接计算出相应的数值。 在节点计算过程中，需要保障小数点后的位数合理保留，以此提高产品生产的精准度，节点坐标的计算工作总量和难度明显增加，一般利用计算机后台完成，在条件允许的情况下，根据人工方法进行计算，最为常见的计算方法是直线逼近法等间距法等步长法。 在现代技术加持下，利用CAD 绘图软件，在精准捕获中标点的前提下，根据精度允许的范围进行节点坐标的计算。

3 数控编程技术的发展趋势展望

一是集成化发展。 在我国数控加工行业持续发展的影响下，各企业对于现代数控编程技术的标准要求也在不断提高。 随着我国数控加工行业规模的持续保障，数控编程技术也会逐渐向着集成化方向发展，确保过程控制、计算机辅助编程以及后处理系统三者能够有效集成。 在集成多项技术的背景下，现代数控编程技术能够在特定的产品设计空间范围内合理运用设计、生产资源，同时数据信息传输效率和安全性也能够得到保证，能够在节约生产资源时，保证产品加工的效率和效益不断提高。

二是智能化发展趋势。 随着我国大数据时代的持续发展，人工智能技术与各个行业实现了深度融合发展的目标。 现代数控技术在人工智能技术的加持下将会出现明显的智能化发展趋势，数控编程技术的智能化能够降低数控编程操作过程中的手动编程频率和次数，数控加工领域需要投入的人力资源数量能够明显减少，人为失误带来的加工质量和安全问题发生概率也会逐渐下降。 在现代数控编程技术智能化发展的影响下，系统内部能够融入专家的判断和相关专业理论知识，自主识别和控制较为简单的机械加工步骤，使得数控机床的产品加工效率进一步提高。

三是并行化发展趋势。 从目前我国各行业的发展看来，对于机械设备和机械零件加工精度以及复杂性的要求正在不断提高，产品加工流程变得越发复杂，必须促进数控加工的全面协同发展，保障产品的加工效率和精度符合相关标准的要求。 如此一来，数控编程技术未来将会出现并行化发展方向，通过建立完善的计算机协同工作系统，摒弃之前单一独立的工作方法，建立机械设计制造的并行化运行工作机制，合理调配各项资源，控制机床生产过程中的刀具轨迹以及相关位置，提高产品零件生产的精准度。

4 总结

综上所述，现代数控编程技术作为机械设计制造加工行业不可或缺的重要技术条件，数控加工仿真处理技术应用使得机械设计制造和加工的效率、质量以及精准度都得到了明显提高，逐渐成为我国机械设计制造加工行业的主流技术。 随着我国云计算、大数据、人工智能等技术的发展，未来的数控编程技术将会出现智能化、集成化和并行化的发展趋势，在降低人力资源投入的同时，还可以避免人为操作失误带来的加工质量和效率问题，促进我国机械设计制造加工行业的现代化发展。