1 概述

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床越來越廣泛地應(yīng)用在機械制造行業(yè)中。在數(shù)控加工系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的NC代碼手工編程不僅效率低，而且容易出錯;而采用APT語言的自動編程雖然幾何定義語句簡潔，功能較強，但要求編程人員要熟記系統(tǒng)的語言與規(guī)則，一旦出錯又不易發(fā)現(xiàn)。國外的數(shù)控沖床圖形編程系統(tǒng)已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實際，而我國在這方面還處于研究階段。

　　本文作者對數(shù)控沖床的自動編程系統(tǒng)進行了深入的研究，并在AutoCAD的VisualLISP環(huán)境下進行了相應(yīng)的系統(tǒng)開發(fā)工作，并成功通過了AutoCAD2000～AutoCAD2006多個版本的兼容性測試。

2 自動編程系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　自動編程系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，由六大功能模塊組成，分別為自動編程主模塊、圖形信息處理模塊、加工路徑確定與優(yōu)化模塊、模具庫與模具選擇模塊、后置處理模塊、圖形仿真模塊，模塊化數(shù)控沖床自動編程系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　自動編程主模塊的主要工作是調(diào)用加工路徑模塊和模具庫模塊，將圖形信息轉(zhuǎn)化為加工路徑信息及模具信息，并生成刀位文件。此模塊還可以直接調(diào)用后置處理模塊與圖形仿真模塊，生成加工所需的NC代碼，并對其進行圖形仿真。本模塊所具有的功能還包括保存、編輯刀位文件和NC代碼文件等文件編輯功能。

3 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)研究

　　3.1 圖形信息的處理

　　要想生成NC代碼，首先就要讓計算機識別所需要加工的圖形。圖形信息處理模塊的作用是將CAD圖形中的有用圖形信息提取出來，比如圖形中圓孔的直徑和圓心、方孔的邊長和中心、腰圓孔的孔徑和中心線圓弧的半徑與圓心、矩形孔的邊長和幾何中心等，然后將這些信息輸送到主程序模塊中。獲取圖形信息的方法有多種，比如通過DXF文件導(dǎo)人，或者通過人機交互獲取。由于VisualLISP可以直接操作選擇集，所以選擇后一種方法更為合適，并且有利于設(shè)定編程原點（工件坐標系原點）等人機交互更為方便的操作。

　　3.1.1 圓形類基本參數(shù)的獲取

　　在AutoLISP中，通過交互操作獲取圓基本參數(shù)是非常容易的，如下簡單程序段即可獲得圓形的主要參數(shù)：

　?。⊿ETQ cir_data（ENTGET （CAR（ENTSEL”\n請選擇一個圓形：”））））;通過交互操作獲得圖形信息

　?。⊿ETQ cir_pt（CDR（ASSOC 10cir_data）））;從圖形信息中獲取圓心坐標

　　（SETQ cir_r（CDR（ASSOC 40 cir_data）））;從圖形信息中獲取圓的半徑。

　　3.1.2 矩形類基本參數(shù)的獲取

　　矩形類的主要參數(shù)是2個邊長和4個頂點，4個頂點可以用AutoLISP函數(shù)獲得，邊長可以通過計算相鄰的兩點間的距離確定。

　　獲得點的位置一般要用到ASSOC函數(shù)，其作用是從關(guān)聯(lián)表中搜索1個元素，如果找到則返回該關(guān)聯(lián)表條目，如果點的數(shù)目較多則一般采用循環(huán)讀取的方法，只需做1個循環(huán)即可獲得4個頂點。

　　（SETQ reg_data（ENTGET（CAR（ENTSEL”\n請選擇一個矩形：”））））;通過交互操作獲得圖形信息

　?。╓HILE（SETQpt（ASSOCloreg data））;設(shè)置循環(huán)條件

　　（SETQ reg-data（CDR（MEMBER pt reg-da-ta）））;將以獲得的點從羌聯(lián)表中刪除

　?。⊿ETQptb（CONS（CDR pt）ptb）））;將獲得的依次點位存儲到變量ptb中

　　計算邊長的時候?qū)Ⅻc位從點表變量ptb中提取，通過Distance函數(shù)直接求取，無需做距離計算。

　　3.1.3 腰圓孔、腰直孔類基本參數(shù)的獲取

　　腰圓孔、腰直孔基本參數(shù)的獲取涉及到多段線數(shù)據(jù)的提取。為了實現(xiàn)圖形的自動編程，必須將這兩類孔均轉(zhuǎn)換為多段線Polyline或者Lwpolyline。

　　采用AutoLISP表處理函數(shù)可以獲得各節(jié)點坐標及圓弧凸度，其方法如下：

　　（SETQ pel_data（ENTGET（CAR（ENTSEL”\n請選擇一個矩形：”））））

　?。⊿ETQ ptl（CDR（ASSOCl0pel-ara）））;從pel_data中取出第一個節(jié)點坐標給變量pt1

　　（SETQ par（CDR（ASSOC42pel-ata）））;從pel_data中取出第一條線段凸度給變量par

　　圓弧半徑可由凸度值和相鄰兩節(jié)點坐標計算出來，圓弧半徑R的值由式（1）確定：

　　R=（dist＊par2+dist）/（2＊par） （1）

　　式中：R為圓弧半徑;dist為兩節(jié)點距離;par為凸度絕對值。

　　腰圓孔類基本參數(shù)主要有4個半徑和4個圓心。其實，只需要計算出其中4個圓心就可以實現(xiàn)編程功能了。有了4個圓心又可以確定圓弧步?jīng)_的起點和終點。通過分析計算出的圓弧半徑就可以獲得模具的半徑和圓弧步?jīng)_所需的圓弧半徑。

　　腰直孔獲得其多段線的4個頂點圓弧半徑就可得出步?jīng)_的起點、終點和步?jīng)_的長度。計算出的圓弧半徑即模具的半徑。

　3.2 加工模具的自動選擇

　　3.2.1 模具庫的建立

　　對于一個具體的刀具，具體有以下幾個參數(shù)：模具號，形狀，X方向長，Y方向長以及直徑。對于圓形模具，沒有X、Y方向長參數(shù)，對于矩形模具，沒有直徑參數(shù)。用戶可以由對話框建立刀具和修改刀具。

　　定義變量m_dia為模具直徑，m xlen為模具X方向長，m_ylen為模具Y方向長，m_shape為模具形狀，m_sym為模具號，如下程序段定義刀具信息格式。

　?。╨ist m_sym m_shape m_xlen m_ylen m_dia）;刀具信息組成表格式

　　模具類的建立即是建立了刀具存儲的格式，即刀具信息在刀具庫中是以表的格式存儲的，模具庫管理通過表操作來完成對模具庫的管理功能。

　　3.2.2 加工模具的自動選擇

　　一般的數(shù)控沖壓機可以多副模具，其中既有圓形模具，也有矩形模具，其要加工的孔可分為圓孔、矩形孔、腰圓孔，腰直孔四類。為了方便選擇圖形和不同類圖形的處理，系統(tǒng)可以通過交互式操作將不同類型圖形賦值于四個不同的選擇集ss1、ss2、ss3、ss4。通過對SSGET函數(shù)的參數(shù)設(shè)置，可以避免賦值過程的誤操作。系統(tǒng)自動模具選擇的總體流程如圖2所示。

其中模具匹配需要編寫專用的匹配函數(shù)，根據(jù)孔型的不同自動從建立好的模具庫中選擇合適的模具進行加工。

　　3.3 加工路徑確定

　　加工路徑的確定就是數(shù)控沖床沖壓路徑的確定，主要的設(shè)計任務(wù)就是實現(xiàn)以何種方式來確定加工順序，加工路徑如何實現(xiàn)最短優(yōu)化，如何使加工時間縮到最少，如何使程序適應(yīng)多種加工方案。

　　3.3.1 加工路徑確定的基本原則

　　數(shù)控沖床加工路徑的確定主要涉及兩個基本原則：

　?。?）同一把刀工序盡量集中。在數(shù)控沖壓加工時，為了減少轉(zhuǎn)刀所占用的輔助時間，可按集中工序的方法加工零件，盡可能用同一把沖模加工完零件表面上的相同沖切部分。

　　（2）走刀路徑最短。對于數(shù)控設(shè)備來說，每一秒鐘的時間都是寶貴的，沖壓過程所需的時間較短，而模具的空行程決定了加工效率，合理安排空行程路徑顯得尤為重要。

　　3.3.2 加工路徑的優(yōu)化

　　加工路徑的優(yōu)化的問題即是對加工孔尋找最短遍歷路徑的問題，對尺寸相同的加工孔而言，路徑的優(yōu)化可以歸屬與完全NP問題，完全NP問題的典型是貨郎擔(dān)問題，貨郎擔(dān)問題和本文研究的最短遍歷路徑問題的差別在于貨郎擔(dān)問題的最終節(jié)點是起始點，而最短遍歷路徑不要求最后回到起始點，但如果能夠以一個高效的算法來解決貨郎擔(dān)問題，最短遍歷路徑也可參照得出近似算法。完全NP問題完全的算法是不存在的，因為對于遍歷點大于20時要想得出結(jié)果需要幾年甚至幾十年的時間。一般采用近似算法來代替最優(yōu)算法，常見的算法有正交路徑法、最近點路徑法等。

　　3.4 后置處理

　　后置處理模塊的主要作用是用來將刀位文件轉(zhuǎn)化為NC代碼。把它作為獨立模塊的作用是可以通過不同的后置處理生成適應(yīng)不同數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼，增強系統(tǒng)的通用性。

　　3.4.1 后置處理模塊的設(shè)計

　　后置處理模塊分為兩大類：一類為專用后置處理模塊，另一類是通用后置處理模塊。根據(jù)沖壓數(shù)控系統(tǒng)的特點，通用后置處理模塊更適合本系統(tǒng)，通過制定標準格式的機床文件，通過對話框?qū)崿F(xiàn)機床數(shù)據(jù)的標準化文件。在NC代碼生成和圖形仿真時調(diào)用機床標準文件，即可獲得相應(yīng)的數(shù)控代碼信息。數(shù)控系統(tǒng)C代碼的設(shè)置界面如圖3所示。

　　3.4.2 NC代碼生成

　　（1）點位沖孔的NC代碼生成

　　點位沖孔的C代碼是GOO，但為了適應(yīng)更多的數(shù)控系統(tǒng)，作者建立一個變量gcode_00，用來表示快速點定位沖孔指令，系統(tǒng)默認代碼為GOO，不同的數(shù)控系統(tǒng)可以在自動編程系統(tǒng)的后置處理設(shè)置中設(shè)定。刀具的中心位置坐標由加工路徑模塊確定，刀具信息由模具選擇模塊確定。

　?。?）步?jīng)_加工的NC代碼生成

　　以直線步?jīng)_為例，系統(tǒng)默認的直線步?jīng)_的G代碼是G69，不同的數(shù)控系統(tǒng)仍然可以在自動編程系統(tǒng)的C代碼設(shè)置中設(shè)定。步?jīng)_的起始位置和終點位置坐標由加工路徑模塊確定，刀具信息由模具選擇模塊確定。步?jīng)_的長度即是起點位置和終點位置的距離，用函數(shù)Distance可以輕松實現(xiàn)，步矩的確定分為圓形模具步?jīng)_和矩形模具步?jīng)_兩種情況。

　　3.4.3 步?jīng)_步矩的確定

　　用圓形的模具進行步?jīng)_時必然會產(chǎn)生均勻的步?jīng)_齒花，步距越大，齒花越明顯。圓形模具的步?jīng)_步距取決于步?jīng)_齒花的高度，即取決于步?jīng)_精度的大小，齒花大小決定了孔的加工精度，所以設(shè)計程序時把精度要求作為一個輸入?yún)?shù)，在自動編程系統(tǒng)的步?jīng)_精度設(shè)置中設(shè)定，步距的大小由式（2）計算確定。

　　p=2（ds-s2）1/2 （2）

　　式中：P為步距;d為模具直徑;s為齒花高度。

　　矩形模具的步?jīng)_步距只取決于步?jīng)_的長度與模具的尺寸。用步?jīng)_起點和終點的距離除以步?jīng)_方向的模具尺寸得出的數(shù)值取整加一，得出最小步?jīng)_步數(shù);然后，再用步?jīng)_起點和終點的距離除以步?jīng)_步數(shù)得出的數(shù)值即可作為步?jīng)_步距。

　　當(dāng)然，在大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)中，矩形模具的步?jīng)_步距可以是小于步?jīng)_方向的模具尺寸的任何值，為了保證加工的效率和加工效果，可以人工估算一個合理步矩值，然后通過自動編程系統(tǒng)的步?jīng)_精度設(shè)置中設(shè)定。如果步?jīng)_起點和終點的距離除以此步距得出的步?jīng)_步數(shù)不為整數(shù)時，數(shù)控系統(tǒng)會自動調(diào)整步矩以適合加工。

4 加工過程的仿真

　　在數(shù)控加工過程中，零件加工后的質(zhì)量是否符合要求，在加工過程中是否會發(fā)生零件與刀具、刀具與夾具、刀具與機床工作臺之間的干涉與碰撞，刀具是否對零件進行了過切或少切，刀具的走刀路線、走刀方式是否合理等一系列實際加工中可能會發(fā)生的問題都決定于自動編程系統(tǒng)所輸出的數(shù)控加工指令集是否正確。根據(jù)NC代碼文件提供的信息，將加工軌跡模擬出來，顯示在顯示屏上，以方便程序校驗和沖壓過程檢驗。

　　4.1 仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　仿真系統(tǒng)應(yīng)該能夠完成數(shù)控程序的錯誤檢查，動態(tài)地模擬數(shù)控機床驅(qū)動刀具的運動及加工過程。因此加工過程的仿真一般由文件處理、錯誤檢查和模擬仿真三部分組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　4.2 NC代碼的翻譯與仿真的實現(xiàn)

　　獲得了程序段的數(shù)據(jù)，就可以利用其提供的數(shù)值進行仿真。

　　實現(xiàn)了在屏幕上作圖不等于實現(xiàn)了加工過程的仿真，如果不僅想看到全部的圖形顯示在屏幕上，而且想動態(tài)的觀測加工的先后順序，就需要加一些程序。實現(xiàn)動態(tài)的仿真可以由兩種方法實現(xiàn)：

　　一是調(diào)用AutoCAD的內(nèi)部命令“delay”。這種方法的優(yōu)點是簡單快捷，可以隨意設(shè)定兩個圖形間的生成時間，即可以隨意調(diào)節(jié)仿真的速度。

　　第二種方法是編寫動態(tài)函數(shù)z_timer。動態(tài)函數(shù)z_timer的作用是通過輸入的沖床T軸移動速度，再根據(jù)圖形中計算出的兩個相鄰加工點的距

　　離，即可得出其移動所需要的時間，然后再由Delay函數(shù)實現(xiàn)延時。這種方法的優(yōu)點是：全部時間與實際時間相符，可以加入換刀的時間，實現(xiàn)真正實時的仿真，并且可以通過對話框指定時間縮放比例，即也可以按比例控制仿真的速度。

5 程序運行實例

　　5.1 NC代碼的自動生成

　　選用實際加工的電控板圖紙如圖5所示。

　　首先，將圖5按1:1的比例在AutoCAD中繪制出來，然后檢查要加工的矩形孔是否是整體，如果矩形孔是用多條直線段繪制的，就需要轉(zhuǎn)化為一條多段線。點擊菜單“數(shù)控加工”→“加工刀具預(yù)檢驗”，以檢查所需加工的孔在刀庫中是否存在合適的加工刀具，檢查完畢后，系統(tǒng)會提示矩形孔60×20沒有直接可以使用的模具。因此，可以指定步?jīng)_模具為T316號刀具，即13×13方模具，但是為了讓動態(tài)仿真更為清晰，選用T321號步?jīng)_模具，即10×10方模具。

　　點菜單“數(shù)控加工”→“NC代碼生成”，在彈出的對話框中根據(jù)提示選擇要加工的圖形，并設(shè)定好相關(guān)參數(shù)，點擊確定即可生成相應(yīng)的NC代碼，如圖6所示。

　　5.2 NC代碼的動態(tài)仿真的實例

　　爭先對NC代碼文件進行錯誤檢查，確認沒有詞法和語法錯誤后，點擊“數(shù)控加工”→“數(shù)控仿真”，激活數(shù)控仿真對話框，通過對話框選定要進行仿真的NC文件，設(shè)定好沖壓仿真速度，點擊確定按鈕，對話框自動關(guān)閉，并且在當(dāng)前屏幕上開始對所指定的NC代碼文件進行動態(tài)仿真。仿真效果如圖7所示。圖7顯示了NC代碼文件的仿真結(jié)果，圖中的虛線展示了刀具走刀的中心軌跡。

6 結(jié)論

　　本系統(tǒng)已成功應(yīng)用到山西某電控設(shè)備廠。實踐生產(chǎn)證明，本系統(tǒng)具有NC代碼的自動生成和圖形的動態(tài)仿真功能，并且可以對已有的NC代碼進行檢錯。系統(tǒng)通過對加工零件圖的自動編程，避免了手工編程繁瑣的坐標計算，并對加工路徑進行了優(yōu)化處理，提高了生產(chǎn)效率;結(jié)合圖形仿真模塊的應(yīng)用，有效地減少了加工事故的發(fā)生，提高了沖壓加工的安全性。