第8章-计算机辅助数控编程1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,CAD/CAM,技术基础,第,8,章 计算机辅助数控编程、,制造、生产管理,8.1,图形交互式自动编程,8.2,计算机辅助制造技术,8.3,计算机辅助生产管理和控制,参考文献：,姚英学，蔡颖,.,计算机辅助设计与制造,.,北京：高等教育出版社，,2002,蔡汉明，陈清奎,.,机械,CAD/CAM,技术,.,北京：机械工业出版社，,2003,数控加工程序编程的内容与步骤,图形交互式自动编程,正确的加工程序不仅应保证加工出符合图纸要求的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，以使数控机床能安全、可靠、高效地工作。数控加工程序的编制过程是一个比较复杂的工艺决策过程。一般来说，数控编程过程主要包括：分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写程序单、输入数控程序及程序检验，典型的数控编程过程如图所示。,计算机辅助数控加工编程的一般原理,图形交互式自动编程,编程人员首先将被加工零件的几何图形及有关工艺过程用计算机能够识别的形式输入计算机，利用计算机内的数控系统程序对输入信息进行翻译，形成机内零件拓扑数据；然后进行工艺处理（如刀具选择、走刀分配、工艺参数选择等）与刀具运动轨迹的计算，生成一系列的刀具位置数据（包括每次走刀运动的坐标数据和工艺参数），这一过程称为主信息处理（或前置处理）；然后按照,NC,代码规范和指定数控机床驱动控制系统的要求，将主信息处理后得到的刀位文件转换为,NC,代码，这一过程称之为后置处理。经过后置处理便能输出适应某一具体数控机床要求的零件数控加工程序（即,NC,加工程序），该加工程序可以通过控制介质（如磁带、磁盘等）或通讯接口送入机床的控制系统。,整个处理过程是在数控系统程序（又称系统软件或编译程序）的控制下进行的。数控系统程序包括前置处理程序和后置处理程序两大模块。每个模块又由多个子模块及子处理程序组成。计算机有了这套处理程序，才能识别、转换和处理全过程，它是系统的核心部分。,数控编程术语与标准,字符编码标准与加工程序指令标准化,以前广泛采用数控穿孔纸带作为加工程序信息输入介质，常用的标准纸带有五单位和八单位两种，数控机床多用八单位纸带。纸带上表示代码的字符及其穿孔编码标准有,EIA,（美国电子工业协会）制定的,EIA RS,244,和,ISO,（国际标准化协会）制定的,ISO,RS840,两种标准。国际上大都采用,ISO,代码，由于,EIA,代码发展较早，已有的数控机床中，有一些是应用,EIA,代码的，现在我国规定新产品一律采用,ISO,代码。也有一些机床，具有两套译码功能，既可采用,ISO,代码也可采用,EIA,代码。目前绝大多数数控系统采用通用计算机编码，并提供与通用微型计算机完全相同的文件格式，保存、传送数控加工程序，因此，纸带已逐步被现代化的信息介质所取代。,除了字符编码标准外，更重要的是加工程序指令的标准化，主要包括准备功能码（,G,代码）、辅助功能码（,M,代码）及其它指令代码。我国机械工业部制定了有关,G,代码和,M,代码的,JB3202-1983,标准，它与国际上使用的,ISO1056,1975E,标准基本一致。,数控机床的坐标系定义,数控机床通过各个移动件的运动产生刀具与工件之间的相对运动来实现切削加工。为表示各移动件的移动方位和方向（机床坐标轴），在,ISO,标准中统一规定采用右手直角笛卡儿坐标系对机床的坐标系进行命名，在这个坐标系下定义刀具位置及其运动的轨迹。,机床坐标的命名方法如图所示：,通常在坐标轴命名或编程时，不论在加工中是刀具移动，还是被加工工件移动，都一律假定工件相对静止不动而刀具在移动，并同时规定刀具远离工件的方向作为坐标轴的正方向。在坐标轴命名时，如果把刀具看作相对静止不动，工件移动，那么，在坐标轴的符号上应加注标记（），如、等。,确定机床坐标轴,一般是先确定轴，再确定轴和轴。,1.,确定轴,对于有主轴的机床，如车床、铣床等则以机床主轴轴线方向作为,Z,轴方向。对于没有主轴的机床，如刨床，则以与装卡工件的工作台相垂直的直线作为,Z,轴方向。如果机床有几个主轴，则选择其中一个与机床工作台面相垂直的主轴作为主要主轴，并以它来确定轴方向。,2.,确定轴,轴一般位于与工件安装面相平行的水平面内。对于机床主轴带动工件旋转的机床，如车床、磨床等，则在水平面内选定垂直于工件旋转轴线的方向为轴，且刀具远离主轴轴线方向为轴的正方向。对于机床主轴带动刀具旋转的机床，当主轴是水平的，如卧式铣床、卧式镗床等，则规定人面对主轴，选定主轴左侧方向为轴正方向；当主轴是竖直时，如立式铣床、立式钻床等，则规定人面对主轴，选定主轴右侧方向为轴正方向。对于无主轴的机床，如刨床，则选定切削方向为轴正方向。,3.,确定轴,轴方向可以根据已选定的、轴方向，按右手直角坐标系来确定。,坐标运动命名,如果机床除有、主要直线运动之外，还有平行于它们的坐标运动，则应分别命名为、。如果还有第三组运动，则应分别命名为、。如在第一组回转运动、和的同时，还有第二组回转运动，可命名为或等。,数控加工程序的程序段格式,字地址格式,一个零件的加工程序是由许多按规定格式书写的程序段组成。每个程序段包含着各种指令和数据，它对应着零件的一段加工过程。常见的程序段格式有固定顺序格式、分隔符顺序格式及字地址格式三种。而目前常用的是字地址格式。典型的字地址格式如图。,数控加工程序的程序段格式,每个程序段的开头是程序段的序号，以字母,N,和四位数字表示；接着一般是准备功能指令，由字母,G,和两位数字组成，这是基本的数控指令；而后是机床运动的目标坐标值，如用、等指定运动坐标值；在工艺性指令中，,F,代码为进给速度指令，,S,代码为主轴转速指令，,T,为刀具号指令，,M,代码为辅助机能指令。,LF,为,ISO,标准中的程序段结束符号（在,EIA,标准中为,CR,，在某些数控系统中，程序段结束符用符号“*”或“；”表示）。,程序字,程序段由若干个部分组成，各部分称为程序字。,地址码和数据,每一个程序字均由一个英文字母和后面的数字串组成。英文字母称为地址码，其后的数字串称为数据，这种形式称为字地址格式。,字地址格式特点,字地址格式用地址码来指明指令数据的意义，因此程序段中的程序字数目是可变的，程序段的长度也就是可变的，因此，字地址格式也称为可变程序段格式。字地址格式的优点是程序段中所包含的信息可读性高，便于人工编辑修改，是目前使用最广泛的一种格式。字地址格式为数控系统解释执行数控加工程序提供了一种便捷的方式。,数控程序指令,数控程序指令包括准备功能,G,指令、辅助功能,M,指令和工艺指令（,F,、,S,、,T,）。,准备功能,G,指令用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（即指令插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿等多种加工操作；,辅助功能,M,指令的作用是实现机床各种辅助动作的控制，包括主轴起停、润滑油泵起停、冷却液泵起停、加工程序结束等功能控制；,F,指令用来设定进给速度；,S,指令用来指定主轴的转速；,T,指令用来设定加工所用的刀具。,切触点与切触点曲线,切触点,在曲面加工过程中，切削过程中刀具与工件曲面的理论接触点称为切触点。切触点是变化的。从几何学的角度来看，刀具与工件曲面之间的接触关系均为点接触。不同的刀具形状与工件的接触点位置是不一样的。,切触点曲线,切触点曲线指刀具在加工过程中由切触点构成的曲线。切触点曲线是生成刀具轨迹的基本要素，既可以显式地定义在加工曲面上，如曲面的等参数线、两曲面的交线等，也可以隐式定义，使其满足一些约束条件，如约束刀具沿导动线运动，而导动线的投影可以定义刀具在加工曲面上的切触点，还可以定义刀具中心轨迹，切触点曲线由刀具中心轨迹隐式定义。这就是说，切触点曲线可以是曲面上实在的曲线，也可以是对切触点的约束条件所隐含的“虚拟”曲线。,刀位点数据与刀具运动轨迹,刀位点数据是指准确确定刀具在加工过程中每一位置所需的坐标值。一般来说，刀具在工件坐标系中的准确位置可以用刀具中心点和刀轴矢量来进行描述，其中刀具中心点可以是刀心点（如球心），也可以是刀尖点。刀具运动轨迹是指在加工过程中由刀位点运动所构成的曲线，曲线上的每一点还包含着一个刀轴矢量。对于二、三坐标数控加工，刀具运动轨迹一般由切触点曲线经过刀具偏置计算得到，计算结果一般存放于刀位文件之中。,图形交互式自动编程的特点和基本步骤,所谓图形交互式自动编程系统就是应用计算机图形交互技术开发出来的数控加工程序自动编程系统，使用者利用计算机键盘、鼠标等输入设备以及屏幕显示设备通过交互操作，建立、编辑零件轮廓的几何模型，选择加工工艺策略，生成刀具运动轨迹，利用屏幕动态模拟显示数控加工过程，最后生成数控加工程序。现代图形交互式自动编程是建立,CAD,和,CAM,系统的基础上的，典型的图形交互式自动编程系统都采用,CAD/CAM,集成数控编程系统模式。图形交互式自动编程系统通常有两种类型的结构，,一种是,CAM,系统中内嵌三维造型功能；另一种是独立的,CAD,系统与独立的,CAM,系统集成方式构成数控编程系统,。,图形交互式自动编程的特点,图形交互式数控自动编程是通过专用的计算机软件来实现的，是目前所普遍采用的数控编程方法。,1.,这种编程方法既不像手工编程那样需要用复杂的数学手工计算算出各节点的坐标数据，也不需要象,APT,语言编程那样用数控编程语言去编写描绘零件几何形状加工走刀过程及后置处理的源程序，而是在计算机上直接面向零件的几何图形以光标指点、菜单选择及交互对话的方式进行编程，其编程结果也以图形的方式显示在计算机上。所以该方法具有简便、直观、准确、便于检查的优点。,2.,图形交互式自动编程软件和相应的,CAD,软件是有机地联在一起的一体化软件系统，既可用来进行计算机辅助设计，又可以直接调用设计好的零件图进行交互编程，对实现,CAD/CAM,一体化极为有利。,3.,这种编程方法的整个编程过程是交互进行的，简单易学，在编程过程中可以随时发现问题并进行修改。,4.,编程过程中，图形数据的提取、节点数据的计算、程序的编制及输出都是由计算机自动进行的。因此，编程的速度快、效率高、准确性好。,5.,此类软件都是在通用计算机上运行的，不需要专用的编程机，所以非常便于普及推广。,图形交互式自动编程的基本步骤,从总体上讲，其编程的基本原理及基本步骤大体上是一致的，归纳起来可分为五大步骤：,几何造型,几何造型就是利用三维造型,CAD,软件或,CAM,软件的三维造型、编辑修改、曲线曲面造型功能把要加工的工件的三维几何模型构造出来，并将零件被加工部位的几何图形准确地绘制在计算机屏幕上。与此同时，在计算机内自动形成零件三维几何模型数据库。它相当于,APT,语言编程中，用几何定义语句定义零件的几何图形的过程，其不同点就在于它不是用语言，而是用计算机造型的方法将零件的图形数据输送到计算机中。这些三维几何模型数据是下一步刀具轨迹计算的依据。自动编程过程中，交互式图形编程软件将根据加工要求提取这些数据，进行分析判断和必要的数学处理，形成加工的刀具位置数据。,加工工艺决策,选择合理的加工方案以及工艺参数是准确、高效加工工件的前提条件。加工工艺决策内容包括定义毛坯尺寸、边界、刀具尺寸、刀具基准点、进给率、快进路径以及切削加工方式。首先按模型形状及尺寸大小设置毛坯的尺寸形状，然后定义边界和加工区域，选择合适的刀具类型及其参数，并设置刀具基准点。,CAM,系统中有不同的切削加工方式供编程中选择，可为粗加工、半精加工、精加工各个阶段选择相应的切削加工方式。,1.,粗加工阶段,粗加工一般称为区域清除。在此加工阶段中，应该在公差允许范围内尽可能多地切除材料。比较典型的区域清除方式是等高切面，即在毛坯上沿着高度方向等距离划分出数个切削层，每次切削一个层面的毛坯余量，如图所示。粗加工阶段主要任务是切削掉尽可能多的余量，精度保障不是主要目标，因此，在这个阶段一般采用圆柱立铣刀进行加工，除了切削角度外，选择刀具的主要参数是刀具直径。同时在粗加工阶段一般采用行切方式进行切削，产生区域清除刀具路径。如图所示。,粗加工过程动画效果,2.,精加工阶段,对于复杂的曲面加工，我们可以把加工阶段进一步划分成半精加工和精加工阶段，也常常只划分成一个精加工阶段。在精加工阶段主要任务是满足加工精度、表面粗糙度要求，而加工余量是非常小的。如果是曲面铣削，一般选取球头铣刀，除了刀具角度外主要刀具参数就是球头直径参数。,精加工阶段可以采用行切方式（如图所示），也可以采用环切方式。,切削方式,刀位轨迹的计算及生成,图形交互式自动编程的刀位轨迹的生成是面向屏幕上的零件模型交互进行的。首先在刀位轨迹生成菜单中选择所需的菜单项；然后根据屏幕提示，用光标选择相应的图形目标，指定相应的坐标点，输入所需的各种参数；交互式图形编程软件将自动从图形文件中提取编程所需的信息，进行分析判断，计算出节点数据，并将其转换成刀位数据，存人指定的刀位文件中或直接进行后置处理生成数控加工程序，同时在屏幕上显示出刀位轨迹图形。,后置处理,由于各种机床使用的控制系统不同，所用的数控指令文件的代码及格式也有所不同。为解决这个问题，交互式图形编程软件通常设置一个后置处理文件。在进行后置处理前，编程人员需对该文件进行编辑，按文件规定的格式定义数控指令文件所使用的代码、程序格式、圆整化方式等内容，在执行后置处理命令时将自行按设计文件定义的内容，生成所需要的数控指令文件。另外，由于某些软件采用固定的模块化结构，其功能模块和控制系统是一一对应的，后置处理过程已固化在模块中，所以在生成刀位轨迹的同时便自动进行后置处理生成数控指令文件，而无需再进行单独后置处理。,程序输出,图形交互式自动编程软件在计算机内自动生成刀位轨迹图形文件和数控程序文件，可采用打印机打印数控加工程序单，也可在绘图机上绘制出刀位轨迹图，使机床操作者更加直观地了解加工的走刀过程，还可使用计算机直接驱动的纸带穿孔机制作穿孔纸带，提供给有读带装置的机床控制系统使用，对于有标准通信接口的机床控制系统可以和计算机直接联机，由计算机将加工程序直接送给机床控制系统。,数控程序的检验与仿真目的与意义,无论是采用语言自动编程方法还是采用图形自动编程方法生成的数控加工程序，在加工过程中是否发生过切、少切，所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，零件与刀具、刀具与夹具、刀具与工作台是否干涉和碰撞等，编程人员往往事先很难预料，结果可能导致工件形状不符合要求，出现废品，有时还会损坏机床、刀具。随着,NC,编程的复杂化，,NC,代码的错误率也越来越高。因此，零件的数控加工程序在投入实际的加工之前，如何有效地检验和验证数控加工程序的正确性、确保投入实际应用的数控加工程序正确，是数控加工编程中的重要环节。,检查刀轨是否正确,避免碰撞,保证质量,降低费用,目前数控程序检验方法主要有：,试切、刀具轨迹仿真、三维动态切削仿真和虚拟加工仿真等方法。,试切法是,NC,程序检验的有效方法。传统的试切是采用塑模、蜡模或木模在专用设备上进行的，通过塑模、蜡模或木模零件尺寸的正确性来判断数控加工程序是否正确。但试切过程不仅占用了加工设备的工作时间，需要操作人员在整个加工周期内进行监控，而且加工中的各种危险同样难以避免。,用计算机仿真模拟系统，从软件上实现零件的试切过程，将数控程序的执行过程在计算机屏幕上显示出来，是数控加工程序检验的有效方法。在动态模拟时，刀具可以实时在屏幕上移动，刀具与工件接触之处，工件的形状就会按刀具移动的轨迹发生相应的变化。观察者可在屏幕上看到的是连续的、逼真的加工过程。利用这种视觉检验装置，就可以很容易发现刀具和工件之间的碰撞及其它错误的程序指令。,刀具轨迹显示验证,刀具轨迹截面法验证,刀具轨迹数值验证,三维动态切削仿真法,虚拟加工仿真法,虚拟加工方法是应用虚拟现实技术实现加工过程的仿真技术。虚拟加工法主要要解决加工过程和实际加工环境中，工艺系统间的干涉碰撞问题和运动关系。由于加工过程是一个动态的过程，刀具与工件、夹具、机床之间的相对位置是变化的，工件从毛坯开始经过若干道工序的加工，在形状和尺寸上均在不断变化，因此虚拟加工法是在各组成环节确定的工艺系统上进行动态仿真。,虚拟加工法与刀位轨迹仿真方法不同，虚拟加工方法能够利用多媒体技术实现虚拟加工，不只是解决刀具与工件之间的相对运动仿真，它更重视对整个工艺系统的仿真，虚拟加工软件一般直接读取数控程序，模仿数控系统逐段翻译，并模拟执行，利用三维真实感图形显示技术，模拟整个工艺系统的状态，还可以在一定程度上模拟加工过程中的声音等，提供更加逼真的加工环境效果。,从发展前景看，一些专家学者正在研究开发考虑加工系统物理学、力学特性情况下的虚拟加工，一旦成功，数控加工仿真技术将发生质的飞跃。,