数控加工程序的评价和优化

作者：北京航天数控集团 孙德茂

欢迎访问e展厅 展厅 3 数控机床/铣床展厅 数控铣床, 摇臂铣床, 立式铣床, 转塔铣床, 炮塔铣床, ... 摘 要： 加工程序在数控机床运行中处于极其重要的地位，文章提出从零件加工质量、编程和运行成本、生产效率等诸方面评价加工程序，并针对CAM后置处理功能的现状，提出了对CAM编制的加工程序进行优化的方法。 关键词： 数控机床；加工程序；评价；优化 1 引 言 数控机床是按照零件加工程序对工件进行加工的。一个好的加工程序不仅能保证加工出符合要求的工件，还应能充分发挥数控机床的功能，使其安全、可靠、高效地运行。零件加工程序是数控系统的一个重要组成部分，据国外统计，数控机床停机的原因中，有20%～30%是由于编不出加工程序。为了提高数控机床的利用率，编程员应努力提高编程能力，迅速编制出优良的零件加工程序。 2 零件加工程序的评价 一个零件的加工程序决不是唯一的，诸多程序（方案）中，肯定有最优的。可否从以下方面评价： （1）保证程序是正确的，零件加工质量稳定。 （2）程序方便调试和修改，程序的可读性好。例如：要改变非圆曲线的逼近步长或曲面的走刀行距，只需修改某一个参数即可，而不必修改整个程序。 （3）程序的稳定性好。当刀具半径变化或零件安装位置改变，不需改变程序。 （4）充分发挥系统功能，使程序最短。例如：系统有检腔宏指令，一条指令可以编出一个铣腔程序。若弃之不用，改为一刀一刀的描述，则势必使程序变得冗长。 （5）程序的通用性好。若有系列零件，则只需编一种，其余只要修改关键尺寸，程序即可使用。 （6）编程成本低。为编出某一程序，所花的人工费用和机器费用要低。当然人工成本与编程员的熟练程度有关，不便量化。但是只需一个计算器和一台计算机辅助编程（CAM）系统，其成本是可比的。 （7）运行成本要低。能用三轴机床，尽量不用四轴机床；能用四轴机床加一分度转台，尽量不用五轴机床。例如：在一圆锥内面铣曲线槽，可以考虑车削中心，也可以考虑三轴机床加一旋转轴，锥面用一夹具变角，这样仅四轴机床足够，而不用五轴机床。 （8）后续加工成本低。如一模具型腔，用通用球头刀具整张曲面加工，刀具成本低，编程容易，但下道工序抛光成本高，且不易保证精度。用专用刀具分型面加工，虽然编程和刀具成本高，但抛光成本低，极易保证精度。要权衡利弊，择优选用。 具体的零件，究竟确定什么样的加工程序，要根据实际情况决定。在实际编程中要有优化意识，尤其用CAM编制的零件加工程序，由于CAM的后置处理功能比较弱，更应该进行优 化。 3 CAM编制的零件加工程序的优化 由于CAM具有很强的图形数学处理功能，免去了手工编程中繁琐的数学计算，CAM源程序相对零件加工程序较短，因此很受欢迎。由于数控系统及机床各异， CAM的后置处理，尽管有专用后置或万能后置，但与机床数控系统功能相比，仍有相当差距。在实际使用中，若能既充分发挥CAM的优点，又能避免其不足，还能充分发挥数控系统的功能和操作者的实践经验，就需要对CAM编制的零件加工程序进行优化，使之编出一个高水准的零件加工程序。优化加工程序建议从以下几方面考虑。 3.1 发挥系统刀具半径补偿功能 数控系统一般都具有刀具半径补偿功能，即以零件轮廓编程，刀具自动偏移一个半径矢量，刀心轨迹由系统自动计算。现以图1零件为例。 图1零件加工程序源自某CAM系统。从CAM编的零件程序看（见NC代码加工程序），其外拐角的刀心轨迹为围绕尖角的圆弧（相当B刀补），数控系统一般为远离尖点的直线转接（C刀补），对保持尖点有利，CAM编的零件程序包含外拐角的转接程序段，而数控系统用刀具半径补偿功能自动生成转接程序段，零件程序中不出现。这样，程序段数量减少，便于阅 读。 若以轮廓编程，系统用刀具半径补偿功能控制刀心，当改变刀具尺寸时，操作者只需改变刀补值，不必改变程序。 CAM若要生成刀心轨迹沿零件轮廓的加工程序，只需将刀具半径设置为零。如果CAM不能生成刀具补偿的G代码，操作者可将刀补G代码加入程序中。此时的零件加工程序，既体现了CAM的数学处理的优势，避免了繁琐的手工计算，又体现了带有刀具半径补偿程序的灵活 性。 自动生成的NC代码加工程序如下：% OOOOO （PROGRAM NAME-EX1） （DATE＝DD―MM―YY―11―04―00 TIME＝HH：MM―15：29） （12.END_MILL_FLAT TOOL―1 DIA.OFF.―21 LEN.―1 DIA.―12.） N100G21 N102G0G40G49G80G90 N104T1M6 N106G0G90G55X―6.Y25.S600M3 N108G43H1Z7.M8 N110G1Z―10.F15 N112Y135. N114G2X0.Y141.I6. N116G3X19.Y160.J19. N118G2X25.Y166.I6. N120G1X75. N122G2X81.Y160.J―6. N124G3X100.Y141.I19. N126G2X106.Y135.J―6. N128G1Y25. N130G2X100.Y19.I―6. N132G3X81.Y0.J―19. N134G2X75.Y―6.I―6. N136G1X25. N138G2X19.Y0.J6. N140G3X0.Y19.I―19. N142G2X―6.Y25.J6. N144G0Z1. N146M5 N148G91G28Z0.M9 N150M30 % 3.2 以圆弧插补功能代替直线逼近 在曲面加工中，CAM一般以直线逼近生成零件加工程序。如果是对称形状，则一般只出第一象限的曲面加工程序，其余象限的加工用系统的镜象功能解决。就是第一象限的程序有时也很长，超过了系统的内存。笔者曾遇到一个程序超出系统内存，若扩大内存，则需投资4～5万元，而且以后的利用率很低；若分段加工则效率低。曲线是在G18平面内，改用圆弧逼近轮廓，程序段数量大幅下降，内存还有剩余。但程序中Z轴需进行刀具长度补偿和刀具半径补偿，操作者要查看系统有否此功能。 3.3 利用系统的简化编程功能 系统提供了大量的简化编程功能，如固定循环、刀具补偿、轮廓直接编程、比例缩放和镜象、坐标旋转、典型形状（圆周、矩阵）孔位描述计算、规则形状（圆形、矩形）挖腔、不规则形状挖腔、带孤岛型挖腔等功能。若CAM的后置处理，能按这些功能处理出零件加工程序，则可大大缩短程序。 例如曲面加工，只编出一个象限的加工程序，利用系统的镜象功能加工其余象限，则程序为原来的1/4。在链轮等重复形状的轮廓加工中，用CAM编出一个形状的轮廓，其余用旋转功能，程序缩短的更可观。又如矩形腔的挖腔程序，多刀多层切削程序较长，若能处理成挖腔宏指令，则只需一段程序便能完成整个挖腔加工。 3.4 发挥系统空间刀具半径补偿功能 对曲面，CAM一般生成刀心直线运动的加工程序。曲面加工一般用球头刀，若要改变刀具则必须改变程序，给加工带来不便。如果系统有空间三维刀具半径补偿功能，则CAM可以按曲面生成程序，并同时生成刀心矢量，实际的刀心位置由系统按刀心矢量计算。这样，刀具半径大小在一定范围内可调，给加工带来方便。 3.5 利用系统的用户宏程序功能，缩短非圆曲线轮廓、空间曲线甚至曲面的加工程序 以非圆曲线轮廓为例，CAM一般生成直线逼近程序。在加工中，若要改变步长，则需重新编程而且程序较长（成百上千段程序）。对程序正确性的检验，只能靠图形显示或实际切削，变化很不方便。 CAM若能按系统的宏程序格式生成系统的宏程序，加工程序则由系统自动生成。笔者遇到一例：轮廓由二段摆线和一段包络线组成，先是用CAM编出的程序，又是直线又是圆弧而且很长，加工程序段约千段。后改用宏程序编程，而宏程序仅几十段，调整修改都非常方便。经比较，操作者选用了宏程序编辑的程序。而且，当产品有几个规格，又做了赋值程序，只需输入几个关键尺寸便可改变尺寸的输入值。宏程序是通用的，深受操作者欢迎。 3.6 利用子程序功能简化编程 用CAM编制子程序加工程序，由数控系统编制主程序和子程序调用功能。子程序中有大量的数值计算工作量，由CAM来完成。主程序多调用指令用手工编程，这样程序灵活且编程工作量又不大。 4 结束语 综上所述，数控系统的编程功能有基本指令，如轮廓描述的直线与圆弧指令，简化指令，固定循环、刀补功能，比例缩放与镜象，坐标旋转功能，宏指令等，还有用户宏程序功能。CAM一般按基本指令编制零件加工程序，有的用部分简化指令，如固定循环等，未能充分发挥数控系统的功能。如果使用者能对CAM 编制的零件加工程序进行优化，将数控系统的高级功能与CAM相结合，则可编制出优良的加工程序。(end)

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