浅析数控加工中计算机数控编程技术的二次开发

王 田

浅析数控加工中计算机数控编程技术的二次开发

王 田

（天津市教委职教中心，天津市 300122）

针对数控技术在我国制造业中的应用，结合数控编程软件Unigraphics（UG），对计算机数控编程的二次开发进行了分析和研究。通过二次开发，能够缩短数控编程时间，提高加工效率，减少数控编程中的人机交互，提高了数控程序的准确性和可靠性。

计算机数控编程；Unigraphics（UG）；UG／open；二次开发

制造业作为国民经济的基础行业，我国的制造业正在以前所未有的速度发展。从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工有着加工柔性好、精度高、生产率高，以及减轻操作者劳动强度，改善劳动条件等特点，有利于现代化的生产管理以及经济效益的提高。在从事机械制造业的企业中，绝大部分都在使用数控机床，为了更好的提高数控机床的加工效率和工件的加工质量，对数控编程技术提出了更高的要求，面对日益增多的复杂零件、多轴加工和高速加工，数控编程技术正在进一步向柔性化、集成化、智能化的方向发展。

一、计算机数控编程的现状分析

数控加工就是根据零件图样及加工工艺要求等原始资料，编制零件的数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统中，达到控制数控机床刀具与工件的相对运动，从而实现工件加工的过程。数控编程技术是数控加工过程中关键的环节。数控加工的效率和工件的质量主要取决于加工方案与加工参数的合理选择，包括合理的机床、刀具、走刀路线、主轴转速、吃刀量和进给速度等。

计算机数控编程的任务是使用计算机计算出数控刀轨，然后将其离散成刀位点，并以数控机床能够识别的程序的形式输出到数控机床，其核心就是计算出刀轨上的刀位点（数控刀轨是由一系列简单的线段连接而成的折线，折线上的结点称为刀位点）。刀具的中心点沿着刀轨经过每一个刀位点，从而切削出工件的形状。

计算机数控编程方法经历了两个阶段，即从基于点、线、面、体的刀轨生成方法发展到基于特征的刀轨生成方法。现在向第三阶段发展，即智能化编程。对加工方案与加工参数的自动选择与优化是计算机数控编程走向智能化的重要标志。

1．基于点、线、面和体的数控刀轨生成方法

在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工、轮廓加工、平面区域加工等。这种加工要求数控编程人员的水平较高，人机交互复杂。在曲面和实体造型阶段，是基于实体的加工。该加工对象是一个实体，它由一些基本体素经过集合运算（交、并、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，还可以大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发，是特征加工的基础。实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种，实体加工的实现方法主要为层切法，即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为刀具轨迹。

2．基于特征的数控刀轨生成方法

参数化特征造型已经发展了一段时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员不再对那些低层次的几何信息（如点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。

二、计算机数控加工中Unigraphics应用的现状分析

国内制造企业普遍使用的数控编程软件是Unigraphics（简称UG），它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著的改进了汽车、航天、航空、机械、消费产品、医疗仪器和工具等工业的生产。UG是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAID／CAD／CAE／CA M高端软件，是知识驱动自动化技术领域中的领先者。为各种规模的企业带来了显而易见的价值，更快地将企业产品递交到市场，使复杂产品的设计简化，减少产品的成本和增加企业的竞争实力。它已成为世界上广泛使用的软件。不只是因为UG本身的优势，还因为其出品公司拥有许多与之相关的其它软件，比如UG的PDM软件Iman、CAD软件Solid Edge等构成的家族为企业提供了完整的技术支持，带来极大的便利、效率和经济效益。UG自进入中国市场以来，发展迅速，已经成为汽车、中国航空航天、机械、计算机及外设、家用电器等领域的首选软件。

国内普遍使用的CA M系统只能从CAD系统获取产品的底层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。因此整个CA M必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互完成。如：制造工程师必须选择加工对象（点、线、面或实体）、约束条件（装夹、干涉和碰撞等）、刀具、加工参数（切削方向、切深、进给量、进给速度等），整个系统的自动化程度比较低。如何降低人为干预率，提升系统效率、提升系统自动化程度，这就提出数控加工中计算机数控编程技术的二次开发问题。

三、计算机数控编程Unigraphics的二次开发的意义

传统的数控加工都是依靠手工编程，效率低、易出错、加工对象简单，限制并影响了数控机床的应用。为了简化数控编程过程，减少人机交互，可以根据工件的几何信息使用计算机数控自动编程系统编制出数控加工程序，并计算出刀具的加工轨迹。有了计算机数控自动编程对不熟悉数控机床加工的编程员，在短时间内，也可以编制出符合加工要求的数控加工程序。

现在大部分企业都在使用UG作为数控编程软件，虽然UG CAM有着强大的功能，但使用它编写数控加工程序是一个复杂的过程，包括加工方法的选择、刀具的选用、加工路线的设定、加工参数的设置、刀轨的生成、加工方法的验证以及数控代码的输出等。同时还需要编程人员有良好的数控加工经验，对各种常用的加工方法和加工参数非常熟悉，有关于数控铣床、三轴或多轴铣削加工中心的工作原理的知识。

目前数控程序在进行实际加工之前，必须进行试切以检验程序的正确性，这一过程周期长、成本高、劳动强度大、危险，不仅占用了加工设备的时间，而且其中工艺问题的解决主要依靠操作人员的经验，影响和限制了数控设备的使用效率和应用范围。如果要生成完全正确的数控加工程序，就是要保证在加工过程中刀具与工件、刀具与机床不会产生干涉碰撞等问题。解决了这些问题，使原本复杂的工件加工变得容易很多，并且缩短了加工周期，避免了加工中不必要的麻烦，保证程序的正确性和可靠性，从而提高加工效率，减少浪费，保证了加工质量。所以研究计算机数控编程的二次开发具有非常重要的理论意义和实用价值，可以借助UG的二次开发工具UG／Open和计算机软件开发语言C／C＋＋／Java等计算机语言与UG风格一致的加工菜单和人机对话界面。

UG／Open是一系列UG开发工具的总称，是UG软件为用户或第三方开发人员提供的最主要的开发工具。它主要由 UG／Open API、UG／Open GRIP、UG／Open MenuScript和 UG／Open UIStyler四部分组成。a．UG／Open API（又称 User Function）是一个允许程序访问并改变 UG对象模型的程序集；b．在 UG／Open API工具发布之前，UG的应用开发工具是UG／Open GRIP，GRIP是一种专用的图形交互编程语言，它与UG系统集成，可以实现UG环境中的大部分应用操作；c．UG／Open MenuScript是创建用户菜单的工具；d．UG／Open UIStyler是开发UG对话框的可视化工具。

四、计算机数控编程Unigraphics的二次开发的实际应用

在计算机数控编程中，使用UG的二次开发功能，可以实现自动出图，快速设置刀库，快速设置加工参数，快速设置模胚和标准件，平面铣、型腔铣和固定轴曲面轮廓铣的快速编程和计算机自动编程，刀具轨迹干涉检查等。其中计算机数控自动编程和刀具轨迹干涉检查两方面的二次开发是最具实际应用意义的，也是在二次开发中最广泛应用的。

1．计算机数控自动编程

计算机数控自动编程是借助计算机及其外围设备装置自动完成零件加工程序编制到控制介质制作等工作的一种编程方法，它将输入计算机的零件设计和加工信息自动转换成为数控装置能够读取和执行的指令（或信息）的过程。

计算机数控自动编程的一般流程：

a．将被加工零件的几何图形及有关工艺过程用计算机能够识别的形式输入计算机，利用计算机内的数控编程系统对输入信息进行翻译，形成零件的几何数据与拓扑数据；

b．进行工艺处理，确定加工方法、加工路线和工艺参数；

c．通过数学处理计算刀具的运动轨迹，并将其离散成为一系列的刀位数据；

d．根据某一具体数控系统所要求的指令格式，将生成的刀位数据通过后置处理生成最终加工所需的数控指令集；

e．对数控指令集进行校验及修改；

f．通过通讯接口将计算机内的数控指令集送入机床的控制系统。

上述步骤c至步骤f均由计算机自动完成，可见UG CAM传统的数控编程过程非常复杂，对其进行深度研究和二次开发的主要目的在于减少UG CAM数控加工编程时间，提高编程效率。

计算机自动编程的核心是计算刀具的运动轨迹，根据不同的加工要求调用相对应的程序模块，从而得到刀具轨迹。加工程序的设计算法就成了核心中的核心，针对不同的加工需求设计不同的加工程序算法。（1）若加工曲面，则可以采用截平面法，它的基本加工思想是采用一组平面去截取加工表面，截出一系列交线，刀具与加工表面的切点就沿着这些交线运动，完成曲面的加工，该方法使刀具与曲面的切点轨迹在同一平面上。在加工曲面时也可以采用构造等距面的方法，使刀具沿截平面与加工表面等距面的交线运动，根据加工工艺进行刀具的选择并计算出刀位点。（2）若加工平面，可以直接提取加工面的边界，只需要将加工面的边界属性全部提取出来。如果全部是直线，就可以直接根据加工工艺要求选择刀具并进行刀位点的计算。如果加工面的边界有圆弧，就要计算出圆弧的直径，根据加工工艺要求和圆弧的直径来进行刀具的选择，计算出刀位点。（3）若加工孔，可以采用点位加工方法，这种加工方法主要应用在平面和曲面上钻孔（例如直孔、斜孔，包括扩孔、铰孔）。钻孔的过程可以分为以下几步：a．让钻头走到曲面上方的一点Q（Q位于孔的中心线上）；b．在Q点出刀，使刀轴与孔的中心线平行；c．保持摆角不变，按钻孔工艺要求进行钻孔；d．钻孔完成后刀具回到Q点。需要注意的是，尽管钻孔的刀具轨迹计算方法比较简单，但其工艺问题非常重要，在研发钻孔部分的程序时要注意加工的进给速度、退钻速度、每一次钻孔深度和钻孔总深度等问题。

2．刀具轨迹干涉检查

刀具轨迹干涉检查是衡量CA M系统中数控编程功能的一项重要标志，其不仅要检查出每个刀位点是否与零件、机床等存在干涉和碰撞，优秀的干涉检查系统还能够通过抬刀、调整刀轴矢量等方法来消除干涉，然后生成一个无干涉和碰撞的刀具轨迹。干涉主要存在两方面问题，它们是：a．刀具与毛坯上加工面、约束面的切削和干涉；b．刀具与机床或夹具之间以及机床元件之间的干涉。

在研发程序时，需要注意干涉检查往往都有实时性的要求，而且也是干涉回避及其它空间规划问题的基础，因此，程序的效率及可靠性（无漏判或误判）是干涉检查程序研究的核心。

为了在数控加工中得到无干涉的刀具轨迹，避免刀具干涉的程序算法有很多，例如：（1）向量相交的方法基于向量长度的改进方法；（2）计算半平面交集的球理论算法；（3）用切向量来发现Bezier曲线及曲面数控加工中可行的刀具方向的方法；（4）利用投影法；⑸利用参数曲线曲面的特性来判断是否存在刀具干涉。

在实际的程序开发中干涉检查就是确定不同的物体在空间是否占有相同区域的问题。最常使用的干涉检查程序流程是：首先利用参数曲线曲面的特性来进行全局刀具干涉的粗判，若不存在干涉，则该刀具方向是可行的；若存在干涉，则需要通过进一步的详细检查来判断该空间自由曲面与现行的刀具方向之间是否真正存在刀具干涉，直至得到最终检查结果。若有干涉，计算干涉量、抬刀、修正刀位点，并将产生干涉的刀具轨迹去掉，最终得到无干涉的刀具轨迹。粗检查也就是判断刀具与加工面、约束面、机床等之间是否有交集，详细检查是对粗检查中产生干涉的部分进行进一步分析判断并计算出干涉量。

在实际的数控编程中避免刀具干涉的方法主要可以分为两大类：a．在生成刀具轨迹及数控程序之后通过数控程序检验仿真中的干涉检查算法来检查并排除干涉。这种方法在个别情况下需要反复进行干涉检查和刀具轨迹的生成；b．在刀具轨迹生成的过程中避免刀具干涉。这种方法可以减少数控程序的反复检查及修改，但是在生成刀具轨迹的同时进行干涉检查，会使生成刀具轨迹的时间延长，不利于提高加工效率。在具体的编程中，两种方法应该结合使用，根据工件的不同情况和加工轮廓及曲面的难易程度来判断使用哪种方法更能提高效率。

数控技术的应用为制造业带来了翻天覆地的变革，数控技术的发展应用必然加快行业工业化进程；计算机数控编程在数控技术中的应用，很大的程度上促进的数控技术的发展，研发出优秀的计算机数控编程的二次开发程序，可以实现加工自动化，提高加工速度、保证加工精度，缩短产品的加工周期，为企业带来更多的经济效益。

［1］王庆林，李莉敏，韦纪祥．UG铣制造过程实用指导［M］．北京：清华大学出版社，2004．

［2］黄翔，李迎光．UG应用开发教程与实例精解．［M］北京：清华大学出版社，2005．

［3］董正卫，田立中，付宜利．UG／OPEN API编程基础［M］．北京：清华大学出版社，2002．

［4］夏天，吴立军．UG二次开发技术基础［M］．北京：电子工业出版社，2005．

［5］Unigraphics Solutions Inc．UG高级铣加工应用培训教程［M］．北京：清华大学出版社，2002．

［6］Guan Liwen，Wang Jinsong，Wang Liping．Combined method for parallel manipulator configuration design．High Technology Letters，2005．

Analysis of t he Second Exploration of CNC Pr ogra mming Technol ogy in Nu merical Contr ol Pr ocessing

WANG Tian

（Tianjin Vocational Education Center of Boar d of Education，Tianjin 300122 China）

The article is based mainly on the numerical control technology used in the manuf acturing industry in our country，combined with CNC programming soft ware Unigraphics（UG），the article researches on the second exploration of computer nu merical control programming．Through this activity，we can shorten the ti me of CNC programming，i mprove the machining efficiency，reduce humancomputer interaction in the CNC programming，and therefore i mprove the accuracy and reliability of nu merical control program．

computer numerical control programming；Unigraphics

T H6

A

1673－582 X（2012）02－0061－04

2011－12－06

王田（1982－），男，天津人，天津市教育委员会职业技术教育中心，助理讲师，主要从事职业教育教学研究工作。