任务一 数控加工程序编制的基本概念
任务描述
什么是数控编程？数控编程的方法有哪些？其相应的特点是什么？
学习目标
了解数控加工程序编制的基本概念，掌握数控编程方法的分类。
任务分析
学习数控加工程序编制的基本知识是学习好编程的先决条件，从概念入手先易后难，掌握先进的编程技术。分析零件图样合理制定数控工艺路线是数控编程的基础。理解并合理应用是本任务的重点，理解和掌握自动语言编程是本任务的难点。
任务完成
数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动的对被加工工件进行加工。我们把从数控系统外部输入的，直接用于加工的程序称为数控加工程序，简称数控程序，它是机床数控系统的应用软件。与数控系统应用软件相对应的是数控系统内部的系统软件，系统软件是控制数控系统工作的。
数控系统的种类繁多，它们使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同，本教程以国际标准为主来介绍加工程序的编制方法。当针对某一台数控机床编制加工程序时，应该严格按机床编程手册中的规定进行程序编制。
一、数控程序编制的概念
在编制数控加工程序前，应首先了解数控程序编制的主要工作内容，程序编制的工作步骤，每一步应遵循的工作原则等，最终才能获得满足要求的数控程序。
程序样本
1.数控程序编制的定义
编制数控加工程序是使用数控机床的一项重要技术工作，理想的数控程序不仅应该保证加工出符合零件图样要求的合格零件，还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分发挥，使数控机床能安全、可靠、高效的工作。
2.数控程序编制的内容及步骤
数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。数控程序编制的内容及步骤如图1-2-1所示。
图1-2-1 数控程序编制的内容及步骤
1）分析零件图样和制订工艺方案
这项工作的内容包括：对零件图样进行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案；选择适合的数控机床；选择或设计刀具和夹具；确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，并结合数控机床使用的基础知识，如数控机床的规格、性能、数控系统的功能等，确定加工方法和加工路线。
2）数学处理
在确定了工艺方案后，就需要根据零件的几何尺寸、加工路线等，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。数控系统一般均具有直线插补与圆弧插补功能，对于加工由圆弧和直线组成的较简单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。当零件的几何形状与控制系统的插补功能不一致时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅助计算，否则难以完成。
3）编写零件加工程序
在完成上述工艺处理及数值计算工作后，即可编写零件加工程序。程序编制人员使用数控系统的程序指令，按照规定的程序格式，逐段编写加工程序。程序编制人员应对数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，才能编写出正确的加工程序。
4）程序检验
将编写好的加工程序输入数控系统，就可控制数控机床的加工工作。一般在正式加工之前，要对程序进行检验。通常可采用机床空运转的方式，来检查机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。对于形状复杂和要求高的零件，也可采用铝件、塑料或石蜡等易切材料进行试切来检验程序。通过检查试件，不仅可确认程序是否正确，还可知道加工精度是否符合要求。若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切，则更能反映实际加工效果，当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿等措施。
二、数控编程的方法
1.手工编程
手工编程是指在编程的过程中，全部或主要由人工进行。对于加工形状简单、计算量小、程序不多的零件，采用手工编程较简单、经济、效率高。
2.自动编程（APT语言）
为了解决数控加工中的程序编制问题，20世纪50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（Automatically Programmed Tool）。是编程人员根据零件图纸要求用一种直观易懂的编程语言（包括几何、工艺等语句定义）手工编写一个简短的零件源程序，然后输给计算机，计算机经过翻译处理和刀具运动轨迹处理，再经过后置处理，自动生成数控系统可以识别的加工程序。由此可见，APT语言不能直接控制机床。APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APTAC（Advancedcontouring）（增加切削数据库管理系统）和APT/SS（Sculptured Surface）（增加雕塑曲面加工编程功能）等先进版。
采用APT语言编制数控程序具有程序简单，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素。但是APT仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易做到高度的自动化、集成化。
针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为CATIA。随后很快出现了EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD/CAM向一体化方向发展。
APT语言格式举例如下。
（1）点的定义：P=POINT/10，20，15。
（2）直线的定义：L=LINE/16，8，0，16，32，0。
（3）机床主轴转数及旋转方向的定义：SPINDL/n，CLW。
（4）轮廓加工的外容差和内容差的定义：OUTTOL/τ，INTOL/τ。
（5）刀具起始点为P：From/P。
（6）刀具从P点以最短距离运动向L运动，直至与L相切：GO/TO，L。
这里用“语言”编写的源程序和手工编程的加工程序有本质差别，手工编程的加工程序可直接控制数控机床进行零件加工；自动编程的源程序要经编译处理后才可被数控机床接受。APT自动编程的基本步骤如图1-2-2所示。
图1-2-2 APT自动编程的基本步骤
3.CAD/CAM
采用人机交互功能的计算机图形显示器，在图形显示系统软件和图像编程应用软件的支持下，只要给出一些必要的工艺参数，发出相应的命令或“指点”菜单，然后根据应用软件提示的操作步骤，实时“指点”被加工零件的图形元素，就能得到零件的各轮廓点的位置坐标值，并立即在图像显示屏上显示出刀具加工轨迹，再连接适当的后置处理程序，就能输出数控加工程序单。这种编程方法称为计算机图像数控编程（Computer Graphics Aided NC Programming），简称图像编程。
图像编程是目前主要的自动编程方式，国内外图形交互自动编程软件有很多，流行的集成CAD/CAM（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing）系统大都具有图形自动编程功能。以下是目前市面上流行的几种CAD/CAM系统软件：
（1）Pro/Engineer（简称Pro/E）软件。Pro/E是美国PTC公司开发的机械设计自动化软件，也是最早实现参数化技术商品化的软件，在全球拥有广泛影响，也是我国使用最为广泛的CAD/CAM软件之一。
（2）UG软件。UG是美国EDS公司的产品。多年来，该软件汇集了美国航空航天及汽车工业丰富的设计经验，发展成为世界一流的集成化CAD/CAE/CAM系统，在世界和我国都占有重要的市场份额。
（3）Solidworks软件。Solidworks公司的CAD/CAM系统从一开始就是面向微机系统，并基于窗口风格设计的，同时它采用了著名的Parasolid为造型引擎，因此，该系统的性能先进，主要功能几乎可以和上述大型CAD/CAM系统相媲美。
（4）MasterCAM软件。MasterCAM是美国CNC Software NC公司研制开发的一套PC级套装软件，可以在一般的计算机上运行。它既可以设计绘制所要加工的零件，也可以产生加工这个零件的数控程序，还可以将AutoCAD、CADKEY、Solidworks等CAD软件绘制的图形调入到MasterCAM中进行数控编程。该软件简单实用。
（5）Catia软件。
（6）国内市场信誉较好的CAD/CAM软件有北航海尔软件有限公司开发CAXA和广州红地公司推出的金银花系统。
4.语音编程
语音数控自动编程是利用人的声音作为输入信息，并与计算机和显示器直接对话，令计算机编出加工程序的一种方法。语音编程系统的构成，如图1-2-3所示。编程时，编程员只需对着话筒讲出所需的指令即可。编程前应使系统“熟悉”编程员的“声音”，即首次使用该系统时，编程员必须对着话筒讲该系统约定的各种词汇和数字，让系统记录下来并转换成计算机可以接受的数字指令。
图1-2-3 语音编程系统的构成
5.视觉系统编程
采用计算机视觉系统来自动阅读、理解图样，由编程员在编辑过程中实时给定起刀点、下刀点和退刀点，然后自动计算出刀位点的有关坐标值，并经后置处理，最后输出数控加工的程序单。视觉系统编程首先由图样扫描器（常用的CCD传感器扫描器和扫描鼓两种）扫描图样，取得一幅图像，对该图像进行预处理是为了校正图像的几何畸变和灰度畸变，并将它转化为易处理的二值图像，同时作断口校正、几何交点部分检测、细线化处理，以消除输入部分分辨率的影响；然后分离并识别图样上的文字、符号、线划等元素，并记忆它们之间的关系，对线划还需进行矢量化处理，并用直线或曲线拟合，得到端点和分支点；将这些信息综合处理，确定图样中每条线的意义及其尺寸大小，最后作编辑处理及刀位点坐标计算。再连接适当的后置处理，就能输出数控加工程序单。视觉系统在编程时不需要零件源程序和编程员，只要事先输入工艺参数即可，操作简单，能直接与CAD的数据相连接，实现高度自动化。
思考与练习
1.简述数控编程的内容与步骤。
2.手工编程与自动编程各有何特点？各适应什么场合？