CAP與宏程序手工編程在實際加工中的對比研究

王小娥，陳作越

（樂山職業技術學院 機電工程系，四川 樂山 614000）

0 引 言

在現代制造技術中，數控加工得到了最為廣泛的應用。同時伴隨著計算機輔助編程的日益普及，各類CAD/CAM軟件被越來越多地應用在數控三維曲面加工中，許多的曲面零件也很難用手工編程完成，再加上強大的思維定勢和使用習慣的緣由，使得編程人員非常習慣并樂意使用各種CAD/CAM軟件來完成編程加工，而不考慮程序大小、加工難易等問題，手工編程的使用范圍顯得越來越小。

但是對于規則曲面的編程，利用宏程序手工編程，更能體現其編程方式的優越性[1-2]。數控加工中很大部分工作屬于一般機械零件的批量生產加工，這類數控加工主要包含刀具尺寸、刀具補償值、層降、進給步距、計算精度、進給速度等編程時需要的工藝參數，只要其中任何一項加工參數發生變化，任何一個優異的軟件在計算刀具軌跡時也要依據更正后的加工參數重新完成，雖然利用軟件運算刀具軌跡的速度也很快，但這始終是個較為麻煩的過程。手工編寫宏程序則能人為地將機床參數功能與編程語言相結合，支持靈活的參數設置，使機床具有最佳的工作性能，同時可使機床操作者擁有一個極大的自由調整空間。

因此，研究宏程序編程在數控加工中的優越性，論證宏程序編程在工業生產中的實用性，并將其理念推行到學校教育和企業生產實踐中，顯得很有意義，也很有必要。

本研究對計算機輔助編程與宏程序手工編程方式的加工效果進行驗證和比較。

1 計算機輔助編程與宏程序編程的差異性

無論是計算機編程還是手工宏程序編程，數控系統對其編程軌跡的插補處理方式都是一致的，體現在刀尖的運動控制中也是一樣的插補方式，即：對數控系統輸入有限坐標點（例如起點、終點），計算機根據線段特征（直線、圓弧、橢圓等），運用一定的算法自動插入一系列中間點進行數據密化，從而對各坐標軸進行脈沖分配，完成整個曲線的軌跡運行，以滿足加工精度的要求[3]。

但當研究者對應用計算機編寫的程序與宏程序手工編程進行加工比較時，兩者又會有各自的優、缺點體現，編程加工原理的不同便是造成這些差異性的本質原因。

計算機輔助編程是指利用計算機編制數控加工程序的過程。基于圖形交互式的編程是目前國內外普遍采用的計算機輔助編程技術，即將零件模形建立到計算機中，形成圖形文件，或直接調用零件圖形文件，然后再對該圖形文件進行分析處理，生成數控加工程序[4]。因此，也習慣地稱之為CAD/CAM軟件編程。

計算機對零件模型進行多分層離散化處理，從中得到零件點、線、面的離散數據，結合工藝參數，進行數學處理，生成刀位文件，經過后置處理，編制程序。如此編制的加工程序就本質上而言是利用刀具從模型的毛坯中逐層、逐點削去毛坯材料，最終獲得零件的過程。零件的形狀更多是被分散、離散地描述，并被數控加工過程所接納。快速原型制造技術（RPM）的原理與上述編程過程類似，其區別在于，CAD/CAM輔助加工是從實體材料中去除不需要的材料而得到被加工的零件的過程[5]，而RPM則是通過造型機添加粘合劑、粘合離散性的物料而形成實體零件的過程。

宏程序手工編程的原理則相對要簡單的多，即研究者根據完整的數學曲線和連續的數據描述編寫出程序。刀具和工件之間的相對運動是按照一定的數學計算軌跡進行，切削形成所需要形狀的零件。最重要的是，這不是離散軌跡，而是基于連續數據的加工。

2 宏程序對加工的影響

手工編寫的程序，其程序都很精煉。一個合理、優化且能用于數控加工的宏程序，其篇幅也不會長。翻閱各類編程書籍和編程實例可知，絕大多數程序都不會超過60行，最大不過2 KB。因此，手工編寫的宏程序完全能被存儲于絕大多數的數控系統中，也就不需要機床與外部信息之間的連接，根本不必考慮機床與外設之間的傳輸速度是否會對實際加工速度產生影響（實際上，以DNC方式進行宏程序在線加工，目前也找不到能夠支持的數控系統或DNC軟件）。

同時，研究者利用宏程序手工編程，對復雜加工軌跡進行描述，數控系統內部的各種指令代碼被最大程度地使用，例如，G01直線插補指令和G02/G03圓弧插補指令等。這樣，機床執行程序時，數控系統的計算機直接完成插補運算，極快的運算速度配合伺服電機和機床的快速響應，能夠獲得極高的加工效率。

3 CAD/CAM軟件編程對加工的影響

相比較CAD/CAM軟件編制的程序，實際的加工情況則要復雜的多，下面進行簡單的闡述。

3.1 通信影響

一般而言，CAD/CAM軟件編制的程序龐大，受限于機床數控系統的內部程序存儲空間，程序無法被完全存儲。通常來說，軟件針對相對簡單的孔系、二維輪廓或簡單平面編制的程序，有可能被系統所容納下，而其余絕大部分編制的程序由于數據龐大的原因，都必須以DNC在線傳輸的方式進行加工。目前能實現的DNC在線加工通信方式如表1所示[6]。

顯而易見，機床系統與外設之間的傳輸速度是對加工速度產生影響的一個關鍵因素。除因機床系統內置硬盤或機床與外設之間以光纖、以太網等形式進行組網的新型數控機床可以不受這種通信傳輸的影響以外，目前大多數的數控機床都會有一定的影響。

本研究以RS-232串口通信為例進行分析，波特率是傳輸速率的一種度量，而占據市場主流的大部分中檔數控系統（例如，FANUC 0M、0i，西門子802D、810D，三菱M52、M64等）所配置的RS-232串行通信接口能支持的最大傳輸波特率為19 200 bit/s。FANUC系統可以使用的傳輸軟件大致有PCIN、AIC、WIN PCIN、MASTERCAM、WIN COMM、CIMCO等。這些通信軟件能支持的最大波特率范圍大約為19 200 bit/s～38 400 bit/s。即使在19 200 bit/s的波特率下工作，當計算精度較高、進給速度F值較大（如F1800～F2500）時，程序傳輸速率往往也是跟不上機床節拍的，在實際加工中測試，研究者就會發現機床進給運動有明顯的遲鈍、不連貫現象。

表1 DNC在線加工通信方式比較

實踐證明，由于RS-232串口通信抗干擾能力有限（除非在計算機及機床兩側都采用較高價格的光電耦合保護電路），其傳輸效果還涉及到傳輸線纜的屏蔽是否良好、長度是否適中、計算機與機床兩端接地是否良好等因素。研究者設定越高的波特率，傳輸越不穩定，實際加工中通常設置波特率為9 600 bit/s，甚至更低，但同時DNC在線加工的效率將會大打折扣。

3.2 加工影響

如研究者進一步剖析刀具軌跡在軟件中的生成原理，還能發現一些弊端。在軟件中構建任何曲面都是一個數學運算的過程，這個過程會有計算的誤差和處理，在刀具軌跡生成時，軟件依據設定的各項工藝參數，并結合所設置的加工誤差值（曲面計算精度），使刀具與加工表面接觸點逐漸移動并完成加工。從本質上講，這個過程是在允許的誤差值范圍內沿每條路徑用多條直線去逼近曲面的過程。

這種軌跡生成方式合理，也能面向任意的曲面，但當處理規則曲面（如球面）時，工藝上就會存在一些缺陷。由于受到軟件構造曲面的底層數學模型和對曲面生成刀具軌跡的逼近原理所限制，事實上在執行真正的整圓或圓弧軌跡加工時，軟件難以智能地判別這里是否存在整圓或圓弧，也就不會用G02/G03指令來編制程序，而是用G01指令直線逐點逼近完成軌跡。研究者可以將這種方式理解為用足夠多邊數的正多邊形去逼近一個圓。假如整圓或圓弧位于G18（ZX）或G19（ZY）平面，再智能的軟件也很難對其識別判斷，當然也無法運用G02/G03指令來編制程序。一個簡單的G02/G03整圓或圓弧指令能完成的軌跡路線將被分解為若干的G01直線插補指令來完成，這也正是軟件編制的程序龐大、難以精簡的原因。執行程序時，數控系統要對每兩個相鄰的逼近點間進行直線插補運算，系統計算工作量大，在機床上也就表現出運動斷續、遲滯的現象。

3.2.1 實例分析1

半球曲面構造及其UV流線如圖1所示，兩個相同的半球曲面在建模中有多種不同的方法，圖1（a）中是把ZX平面內的一段1/4圓弧作為母線，以Z軸為軸線旋轉360°得出的半球曲面；圖1（b）中是把XY平面內的一段1/2圓弧作為母線，以X軸為軸線旋轉180°得出的半球曲面。即使研究者采用實體造型（如UGⅡ、Pro/ENGINEER之類），在其底層草圖構造的數學機理上，也有類似的區別。

圖1 半球曲面構造及其UV流線

看似相同的兩個半球曲面，構成其曲面的UV流線完全不同，當研究者利用各類CAD/CAM軟件生成半球曲面精加工的刀具軌跡時，必然存在差別。如果是獨立的CAM軟件（如Mastercam、Edgecam、Powermill等），需要通過中性文件從其他CAD系統獲取零件幾何模型[7]，更是如此。

3.2.2 實例分析2

以加工中心螺旋銑削內圓孔為例，宏程序編程長度短，且實際加工時，即使進給速度達到F=2 000 mm/min都可以保持均勻、快速的螺旋運動。而在Cimatron軟件中，即使研究者通過使用外部用戶功能實現與此相似的刀具軌跡，由于刀具軌跡是用G01指令根據給定的誤差值逐段逼近實現的，其程序就比宏程序大兩個數量級。忽略機床系統是否能完全存儲這個因素，而把整個程序都存入到機床的控制系統中，機床運行的實際速度也上不去，加工的最終效果也不如采用宏程序加工。

圖2 圓孔輪廓加工（螺旋銑削）示意圖

3.2.3 CAD/CAM軟件編程優化

對于具有支持NURBS曲線插補功能數控系統的高速機床來說，CAD/CAM軟件編制程序在擁有高速加工功能的機床下運行，不會有太大的問題；但是對于絕大多數的數控系統來說，這仍然是個問題。

實際上，CAD/CAM軟件的設計者也意識到這個問題，并針對該問題提供了一些改善的方法，但總的來說，都不能從本質上解決程序編制的問題，只是在后置處理的環節上做了改進。CAD/CAM軟件進行編程的原理是：先生成一個僅包含純粹幾何意義的刀位點文件（即刀具軌跡），對于使用者來說這是不透明的后臺執行，例如UG的CLF文件（Cutter Location File），Pro/E的CL文件，Cimatorn的APT文件，MasterCAM的NCI文件等，然后經過后置處理環節，最終生成真正的程序[8]。

軟件所能實現的改善效果，是在不改變刀位點文件（即用G01指令直線逼近曲線的刀具軌跡）的前提下，在后置處理（Post Procoss）上做優化。例如在Mas?terCAM軟件的后置處理過程中，系統許可使用者設定最小半徑值和最大半徑值來生成G02/G03指令，即用G02/G03來擬合相鄰的若干段直線段，從而達到減少程序字節、提高機床實際運行速度的目的[9]。

Cimatron軟件也采用了相似的方法，即使用者不用通常使用的GPP（General Post Processor）后置處理，而是用另一個專業的后處理程序編輯器IMSpost，這是第三方軟件，是IMS公司為廣大使用者提供的基于宏匯編的后處理程序編輯器，可支持各類CAD/CAM軟件生成刀位文件的后置處理，并提供多種后置處理文件庫，能支持更普遍的數控機床。同時它也提供了豐富的定制功能，可生成任意形式的后置處理文件，從而可更好地提供支持高速加工、多軸加工的后置處理。所有用戶需要的后處理程序都可以通過執行IM?Spost后生成[10]，但是一般的軟件使用者很少擁有運行IMS軟件的權限。文獻[11]針對Cimatron軟件的GPP和IMS兩種處理方法進行過研究，結合加工測試，雖然改善較大，但不能從根本上解決問題。

在后置處理上進行改進的根本弊端在于：本質上它并沒有改變、改良或優化刀具軌跡本身，只是在軌跡的計算上增加了一個二次逼近的過程，結果是出現更多的誤差積累，無法從根本上解決問題。

4 結束語

目前，雖然CAD/CAM軟件編程的應用越來越廣泛，但手工編程仍是數控編程必不可少的一部分。在機械加工中，除當遇到輪廓形狀復雜、加工精度高的情形（例如葉輪、葉片等零件），必須采用軟件輔助編程以外，其他的一些規則性零件均可以手工編程，即使零件有一定的輪廓，采用宏程序即可解決，對比計算機輔助編程與宏程序編程對零件加工的影響，可找到兩者最適合的應用載體。熟練掌握手工編程，更全面、更深刻地理解軟件編程，靈活地運用宏程序，也能在實際的加工應用中編出短小、精悍而加工精度能與計算機輔助編程相媲美的程序。

（References）：

[1] 趙鵬喜，田子欣.宏程序在零件典型部位加工中的應用分析[J].煤礦機械，2008，28（5）：89-90.

[2] 彼得·斯密德.FANUC數控系統用戶宏程序與編程技巧[M].北京：化學工業出版社，2007.

[3] 鄭曉峰.數控原理與系統[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4] 張 軍，劉笑羽，孫樹廷.數控銑床的自動編程和程序分析[J].機床與液壓，2008，36（9）：182-183.

[5] 孟 莉，劉 媛，王金泉.自動編程與手工編程探討[J].現代制造工程，2006，29（8）：30-32.

[6] 馬萬里.PCMCIA-CF卡在FANUC系統程序傳輸中的應用[J].機床與液壓，2009，37（12）：250-252.

[7] 李銀海，戴素江.機械零件數控車削加工[M].北京：科學出版社，2008.

[8] 周 吉，尹冠群，楊家榮.五軸龍門擺頭Cimatron后置處理研究[J].上海電氣技術，2010，3（2）：17-21.

[9] 肖軍民.MasterCAM等高加工分段自動編程技術的應用研究[J].組合機床與自動化加工技術，2010（1）：78-80.

[10] 余紅華，呂 強，陳偉鋒.Cimatron的后置處理技術研究[J].新技術新工藝，2006（1）：62-64.

[11] 陳海舟.數控銑削加工宏程序及應用[M].北京：機械工業出版社，2007.