蔣 毅

（四川職業(yè)技術學院 智能制造學院，四川 遂寧 629000）

0 引言

數(shù)控系統(tǒng)通過幾十年的發(fā)展，市面上已有眾多數(shù)控系統(tǒng)，包括：西門子、法拉克、華中數(shù)控等等，雖然每種系統(tǒng)在編程格式、編程指令上存在部分差異，但不可否認這些系統(tǒng)都已經(jīng)達到了成熟、穩(wěn)定和可靠的水平。在計算機輔助編程誕生之前通常采用的是手工編程方式，就是從分析零件圖樣、確定加工工藝過程、數(shù)值計算、編寫加工程序單直至程序校驗均由人工來完成。它要求編程人員要具備相關工藝知識和數(shù)值計算能力，熟悉數(shù)控指令及編程規(guī)則，程序最終的準確性、可靠性與編程者水平息息相關。近些年隨著計算機技術的進一步的發(fā)展，計算機輔助編程也日漸成熟。計算機輔助編程也被稱為自動編程，通過利用計算機專用軟件來編制數(shù)控加工程序，編程人員只需根據(jù)零件圖樣的要求繪制圖形，選擇加工方法，進行參數(shù)設置，通過后置處理程序由計算機自動生成零件的數(shù)控加工程序。

在實際生產(chǎn)過程中，使用較多的是數(shù)控車床、數(shù)控銑床/加工中心。數(shù)控銑床/加工中心能夠實現(xiàn)三軸聯(lián)動，當無需三軸聯(lián)動實現(xiàn)加工要求的簡單零件可以采用手工編程；需要三軸聯(lián)動才能滿足加工要求的零件往往需要用CAM 制造軟件進行自動編程，而手工編程則望塵莫及。數(shù)控車床加工的范圍主要以軸類工件為主，僅需兩軸聯(lián)動就能滿足加工要求，因此數(shù)控車床加工時自動編程與手工編程相比，自動編程優(yōu)勢沒有在數(shù)控銑床加工中那么明顯。自動編程與手工編程各有優(yōu)勢、各有不足，下面就數(shù)控車床編程中自動編程與手工編程各自的優(yōu)缺點和編程差異進行探討和分析。

1 程序的準確性

數(shù)控車床手工編程過程完全由操作人員先根據(jù)圖紙要求編寫好程序，再將編寫好的程序通過面板輸入機床，程序里的每個字符都需操作者逐一輸入，那么就存在編程錯誤或者輸入錯誤的可能，對于形狀復雜的零件，程序往往很長，如需一次編程成功，不出一點錯誤是很難做到的，在編程過程中可能出現(xiàn)本文書寫錯誤、算式錯誤、程序格式錯誤等等情況。靠人工逐句檢查錯誤是困難的，費時又費力。特別是具有非圓曲線、列表曲線及曲面組成的零件，需要采用直線段或圓弧段來逼近，這時用手工計算節(jié)點就有一定困難，出錯的概率增大，甚至無法編出程序[1]。例如圖1 所示，該圖標注了工件外表面四個依次相切的圓弧，圓弧的圓心均不在工件的對稱軸上，該工件若采用手工編程計算量將巨大，并且該工件的內(nèi)孔尺寸并未直接標注，僅標注了外圓與內(nèi)空的壁厚尺寸2mm，如果采用手工編程，那么內(nèi)壁圓弧切點坐標和內(nèi)壁圓弧與直徑23 內(nèi)孔交點坐標幾乎無法計算。即使借助計算器等輔助辦法強行計算，大量的計算也會增加出錯的可能，甚至有時必須通過二次檢查或模擬加工才能最終確定，這便要求操作者既要較高的編程能力，還有心思縝密的習慣。

圖1 圓弧的計算

自動編程則全完全不同，操作者只需根據(jù)圖紙要求正確繪制加工圖形和設置好后處理程序，無論零件有多復雜，只要繪圖無誤，都可以很快的成生準確率極高的加工程序。仍以圖1 為例，采用CAXA 繪圖，外圓相切圓弧的繪制只需采用“切點+切點+半徑”的畫圓方式便可輕松完成，至于內(nèi)孔只需在外圓的基礎上使用“平移”或“平行線”功能即可輕松而又快速的完成。所以采用自動編程可最大限度地減少尺寸節(jié)點的計算，不但可保證形狀的準確性，也降低了出錯的幾率。

同時在設置刀尖半徑補償方面，自動編程也更加簡單，無需使用刀具半徑補償?shù)闹噶睿ㄈ鏔ANUC 系統(tǒng)數(shù)控的G40、G41、G42 指令），以CAXA CAM 數(shù)控車自動編程軟件為例，只需在加工方式的對話框中選中“編程時考慮半徑補償”，如圖2所示，在生成軌跡的時候，計算機會根據(jù)操作者所輸入的刀尖半徑大小自動偏移相應部位的刀具軌跡，同時不需要設置刀尖方位，進一步降低了出錯的可能，從而保證工件的精度。

圖2 刀尖半徑補償

同時自動編程的程序由軟件生成，具有可信度高，數(shù)據(jù)準確，在軟件中生存軌跡的時候已經(jīng)進行了干涉檢查和圖形檢查，所以無需再在機床上進行圖形模擬來檢查程序的準確性。

2 編程效率

同一工件采用手工編程或自動編程，編程效率又存在差異：由于手工編程只要編程者熟悉指令，便可直接在機床上編程加工；自動編程前期準備時間較長，需要計算機上用軟件完成繪圖，再設置刀具和毛坯等等才能加工。如果一個簡單的工件也采用自動變成，那么前期準備工作所花費的時間相對于整個加工時間將占用較高的比值。所以通常簡單工件采用手工編程，復雜工件或節(jié)點計算較多的工件采用自動編程。

如圖3 所示的工件，該圖為川渝地區(qū)某次技能大賽樣題，圖中共有7 處需進行槽加工，屬于比較復雜的工件。以FANUC 系統(tǒng)數(shù)控車床為例，手工編程中效率最高的辦法是采用G75 指令進行編輯，即便如此仍需使用7 次G75 指令，也意味著操作者需設置7 次G75 加工參數(shù)。如果采用自動編程就顯得簡單很多，操作者只需要一次把所有尺寸繪制出來完后，通過后處理一次性將7 個槽生成一個或多個加工程序進行加工，加工軌跡如圖4 所示。通過對加工軌跡的檢查，也節(jié)省了在機床上模擬圖形檢查程序的環(huán)節(jié)，從而也節(jié)約時間。

圖3 多槽工件

圖4 槽的自動編程軌跡

在該次川渝地區(qū)的技能比賽后，裁判長也又做過一次統(tǒng)計：根據(jù)比賽要求，選手可以采用手工編程，也可采用CAXA CAM 數(shù)控車自動編程，比賽采用了華中數(shù)控操作系統(tǒng)的數(shù)控車床，當時46位參賽選手中約有百分之五十的選手采用手工編程方式加工，另外百分之五十的選手采用了CAXA CAM 數(shù)控車自動編程方式加工，最終能在大賽規(guī)定的3 個小時內(nèi)完成工件加工的選手均是采用自動編程方式加工的選手，同時獲得大賽一、二、三等獎的14 位選手均是采用的自動編程方式加工的選手。所以自動編程與手工編程相比，在加工復雜工件的時候后，在加工效率方面具有絕對的優(yōu)勢。通過兩種編程方式對同一零件加工程序的進行編制，加工復雜工件時，采用自動編程所用時間將比手工編程的時間節(jié)省20%至50%，大大提高了編程的效率。所以自動編程特別適合在技能比賽或加工形狀較為復雜的情況下使用[2]。

3 編程邏輯

手工編程與自動編程在編程編程邏輯上也存在較大不同：以FANUC 系統(tǒng)數(shù)控車床為例，手工編程時往往會采用復合循環(huán)指令，如G71、G72、G73、G75、G76 等指令，加工過程則由機床根據(jù)復合循環(huán)指令中的參數(shù)設置自動完成具體的加工軌跡，以此減少編程工作量和減小程序書寫量。對于非直線和非圓表面的復雜工件，有的時候還必須采用“用戶宏程序”進行編輯，但“用戶宏程序”對于操作者對變量的運算、轉向語句、和曲線宏程序編程思路都有較高的要求，對于初學者或者無計算機語言基礎的學者具有一定的難度，如果存在非常規(guī)曲面或類似如圖1 的復雜工件，甚至無法編輯。

自動編程由于是計算機編程，通常情況下無需考慮編程工作量和程序書寫量，采用自動編程生成的程序通常由最簡單最基礎的加工指令構成，不會采用復合循環(huán)指令和“用戶宏程序”[3]。特別是對于復雜曲線和非常規(guī)曲面，只要能繪制出圖形就能輕松編輯出程序。

如圖5 所示的工件，如果采用手工編程加工工件右端時，除了使用G73 指令外，還必須使用“用戶宏程序”進行編程，其中涉及變量和條件轉移語句的運用，編寫難度也比較大，如果編程者沒有一定的文化基礎或計算機語言的思維邏輯，對于“用戶宏程序”的學習和編寫都具有一定的難度，所以這類工件的程序編寫對編程人員能力有著較高的要求[4]。如果采用自動編程，計算機只需要使用G00、G01、G03 和G32 等最簡單的就可以完成輪廓的編輯，不需要使用變量和條件轉移語句，處理過程與一般工件幾乎沒有區(qū)別，故此時采用自動編程方式編寫程序就顯得格外簡單。

圖5 公式曲線工件

但正是由于自動編程沒有采用復合循環(huán)指令和“用戶宏程序”，所生成的程序往往冗長，加工程序需占用加大的存儲空間，并且存在加工路徑不靈活，可能會有很多空行程情況，這也導致在后期修改程序的時候自動編程不如手工編修改方便，特別是對于形狀較為復雜的工件一旦程序生成后很難將圖形中各個尺寸和程序語句快速而又準確地對應關聯(lián)，使得修改工作變地無從下手。例如圖6 為圖5 工件右端部分的加工軌跡，同樣是對加工軌跡修改，采用手動編程僅有20 余段代碼，修改程序也十分便捷，只需對相應節(jié)點坐標或公式進行修改便可快速完成修改工作；

圖6 公式曲線工件的自動編程軌跡

然而自動編程所生成的程序由于沒有采用G73 或CYCLE95 循環(huán)指令，也沒有使用用戶宏程序進行編程，無論是快速定位還是插補，每一段軌跡都有與之對應的程序，導致程序代碼總行數(shù)多達數(shù)百段，很難將每段代碼與其相應段軌跡一一對應起來，程序一旦輸入機床很難再對其輪廓進行修改[5]。所以自動編程往往只進行簡單的指令修改，如果程序確需較大幅度的修改，往往只能回到最初的繪圖或參數(shù)設置環(huán)節(jié)，通過重新繪圖或重置參數(shù)的方式才能完成程序的修改[6]。

4 對不同操作系統(tǒng)的適應性

隨著各個國家對制造業(yè)的重視，各國也在不斷地研發(fā)自己的數(shù)控操作系統(tǒng)，比如德國有西門子和海德漢數(shù)控系統(tǒng)，日本有FANUC、三菱數(shù)控系統(tǒng)[7]，近些年我國在數(shù)控系統(tǒng)領域也有著巨大的進步，我們國家也有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、北京凱恩帝數(shù)控技術等等，總之如今數(shù)控系統(tǒng)領域屬于百花齊放的現(xiàn)狀。不同數(shù)控系統(tǒng)的指令形式不盡相同，編程格式有著各自的規(guī)則，機床的輔助功能也不一樣[8]，伺服系統(tǒng)的性能也存在差別。同一個零件在不同的數(shù)控機床上加工，所需編程的數(shù)控加工程序或多或少也存在差異。如在法拉克系統(tǒng)中進給速度單位的設定指令是G98、G99，每分鐘進給量采用G98，每轉進給量采用的是G99；而在華中數(shù)控的車床操作系統(tǒng)中進給速度單位的設定指令是G94、G95，每分鐘進給量采用G94，每轉進給量采用的是G95[9]。不同系統(tǒng)之間指令的差異還遠遠不止于此，但一般操作人員很難掌握所有數(shù)控操作系統(tǒng)的編程指令，通常只對學習過的操作系統(tǒng)才能熟練的編程。如果采用自動編程這個問題便可以完美地解決，對于不同的操作系統(tǒng)，自動編程具有很強地適應性，在采用自動編程時，所有數(shù)控操作前期的繪圖都完全一致，只要有對應系統(tǒng)的后處理程序就能自動生成適用于不同數(shù)控機床的數(shù)控程序[10]。所以采用自動編程時，即使面對多種不同系統(tǒng)的數(shù)控機床，只需后期采用相應的后置處理程序，就得到適用于不同系統(tǒng)的加工程序，極大地擴展了自動編程系統(tǒng)的使用范圍。

5 結束語

總之，當加工幾何形狀較為簡單，編寫的程序量不多，坐標計算也較簡單時，采用手工編程既經(jīng)濟又省時；當加工形狀復雜的零件時，特別是具有非圓曲線、列表曲線及曲面組成的零件，采用自動編程軟件在程序的準確性和效率方面也更具優(yōu)勢。所以，在必要時候采用手工編程與自動編程相結合的方式也可將兩種方式優(yōu)點相結合，達到互補不足、相互補充的目的，從而編寫出加工速度快、程序準確性高的程序。

手工編程和自動編程各有所長，但也存在各自的不足，不能絕對地評價哪一種方式更好，操作者可根據(jù)實際情況采用適當?shù)木幊谭绞?。但無論采用哪種編程方式，操作者都應該先掌握手工編程的技能，因為即使自動編程相比于手工編程有很多明顯的優(yōu)點，但手工編程才是實際操作的基礎，自動編程也離不開基本程序指令的支撐。無論采用何種方式編程，掌握了手工編程在加工的時候才能更加得心應手，甚至還可以幫助理解和修改自動編程的程序。所以只有同時掌握手工編程和自動編程，在編寫加工程序時才能更加得心應手。