机械CADCAM技术第六讲数控加工自动编程.ppt

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1、-1-,机械,CAD/CAM技术,中南林业科技大学机械设计制造极其自动化教研室 易春峰,-2-,第六讲数控加工自动编程,零件数控加工程序的编制是数控加工的基础，也是CADCAM系统中的重要的模块之一，当前，应用CADCAM系统进行数控编程已成为数控机床加工编程的主流，由CAD系统所生成的产品数据模型将在CAM系统中直接转换为产品的加工模型，CAM系统可帮助产品制造工程师完成被加工零件的形面定义、刀具的选择、加工参数的设定、刀具轨迹的计算、数控加工程序的自动生成、加工模拟等数控编程的整个过程。,-3-,第一节 数控编程方法及其发展,一、手工编程 二、数控语言自动编程 APT语言 三、CADCAM

2、系统自动编程,-4-,CADCAM系统自动编程,1、常见的CAD/CAM自动编程系统：工作站微机型：Ideas、Pro/e、UG、Catia微机型：MasterCAM、SurfCAM、PowerMILL、Cimtron、EdgeCAM、CAMworks、GibbsCAM、CAXA制造工程师,-5-,常见的CAM软件系统中，一般有不同的功能模块可供选用，如：二维平面加工；三轴至五轴联动的曲面加工；车削加工；电火花加工（EDM）；板金加工（Fabrication）；切割加工，包括电火花、等离子、激光切割加工等。对于通常的切削加工数控编程，CAM系统一般均具有刀具工艺参数的设定、刀具轨迹自动生成、刀

3、具轨迹编辑、刀位验证、后置处理、动态仿真等基本功能。,-6-,2、CADCAM系统自动编程的基本步骤,-7-,3、CADCAM软件系统自动编程特点,1）将零件加工的几何造型、刀位计算、图形显示和后置处理等作业过程结合在一起，有效地解决了编程的数据来源、图形显示、走刀模拟和交互修改问题；2）编程过程是在计算机上直接面向零件的几何图形交互进行，不需要用户编制零件加工源程序，用户界面友好、使用简便、直观、准确、便于检查；3）有利于实现系统的集成，不仅能够实现产品设计（CAD）与数控加工编程（NCP）的集成，还便于与工艺过程设计（CAPP），刀夹量具设计等其它生产过程的集成。,-8-,第二节 数控编程

4、系统中的基本概念和术语,一、数控机床的坐标系统 二、常用的切削刀具在数控铣削加工中，最常用的刀具类型有球头铣刀（Ball Nose Cutter），圆角铣刀（Hog Nose Cutter）和平底铣刀（End Mill），如图7-5所示。,-9-,-10-,球头铣刀在带有复杂曲面的零件加工中应用最普遍，具有曲面加工干涉少，表面质量好的特点，但是球头铣刀切削能力较差，越接近球头刀的底部，切削条件越差；平底铣刀是平面加工最常用的刀具之一，具有价格便宜，刀刃强度高的特点；圆角铣刀被广泛应用于粗，精铣削加工中，具有球头铣刀和平底铣刀共有的特点。,-11-,刀触点与刀位点,作用在刀具上的两个位置点应特别

5、予以重视，一是刀触点，另一为刀位点。所谓刀触点即为加工过程中刀具与工件实际接触的点，由它产生最终的切削效果，如图7-5中的A点。而刀位点是数控编程中表示刀具编程位置的坐标点，如图7-5中的O点。,-12-,刀具的参数定义,在CAM系统中，刀具常以统一的参数进行定义，对于铣刀而言有5参数定义法、7参数定义法，也有10参数定义法，如图7-6所示。赋值予不同的参数可导出不同的刀具类型。,-13-,三、刀具运动控制面,为了确定刀具切削运动轨迹，通常CADCAM系统要求用户给定与刀具运动相关的三个控制面，即：零件面、导动面和检查面，如图7-7所示。,-14-,零件面（Part Surface）,零件面即

6、零件上已加工表面，它是在加工过程中与刀具始终保持接触的表面，可由它控制刀具切削的深度。零件面在数控加工过程中是固定不动的面。,-15-,导动面（Drive Surface）,导动面是指在刀具切削运动中引导刀具运动的面，它控制刀具在指定的公差范围内运动。刀具与导动面存在着三种相对位置关系（图7-8），即：刀具沿着导动面的左侧运动（Left），刀具沿导动面的右侧运动（Right），刀具在导动面上运动（On），或者说刀具中心沿导动曲线运动。导动面在加工过程中是不断变化的表面。,-16-,检查面（Check Surface）,检查面是用来确定每次走刀的终止位置。在CAM系统中，可通过检查面计算刀具切削

7、过程中的干涉，避免过切现象的产生。,-17-,四、切削加工中的阶段划分,起始运动阶段,接近运动阶段,刀具切入运动阶段,切削加工阶段,退出切削阶段,返回阶段,-18-,第三节 数控编程中的刀位计算,无论手工编程还是自动编程，都要按已确定的加工路线和允许的编程误差进行刀位点的计算。所谓刀位点即为刀具运动过程中相关的坐标点。三维型面加工时，首先应根据被加工型面的几何形状和工艺精度要求分割成若干条的走刀轨迹，再根据每条轨迹计算刀位点。,-19-,一、非圆曲线刀位点的计算,用直线段逼近轮廓曲线的节点计算常用的节点计算方法有等间距法，等弦长法和等误差法几种。,-20-,二、球头铣刀行距的确定,一般曲面零件

8、的数控加工通常采用球头铣刀，因用其它形状刀具加工曲面时往往容易导致加工过程干涉而损伤毗邻表面。用球头铣刀数控加工曲面时多按行切法加工，即铣刀沿坐标轴方向或曲面参数轴方向对曲面一行一行进行加工，每加工完一行后，铣刀移动一个行距，直至将整个曲面加工完毕。,-21-,用球头铣刀对曲面进行行切法加工时，必然在被加工表面留下一段较为明显的残留高度，残留高度的大小决定于由刀具半径和切削行距。刀具半径越大，残留高度越小；切削行距越小，残留高度越小，但使走刀次数增多，程序量增大。因而，在选定刀具半径的前提下，球头铣刀行距S和步长L的确定将直接影响零件的加工精度，表面粗糙度和程序量的大小。,-22-,平面加工时

9、行距S的确定,则,-23-,曲面加工时行距S的确定,直接给出：,-24-,三、平面型腔零件加工刀位点的计算,型腔是指由封闭的约束边界及其底面构成的凹坑，如图7-14所示，一般情况下，凹坑的坑壁（外轮廓）与底面垂直，但也有和坑底面成一定锥度的，有的型腔中存在凸台，被称之为岛屿（内轮廓）。型腔的加工是成型模具和机械零件加工中常见的一种加工型式，型腔数控加工方法主要有行切法（zigzag）和环切法（Spiral）两种。,-25-,平面型腔构成示意,-26-,行切法,行切法是刀具按平行于某坐标轴方向或一组平行线方向走刀。,-27-,行切法的刀位点计算比较简单，主要是由一组平行线与型腔内，外轮廓线求交，

10、计算出有效交线，按一定顺序依次将有效交线编程输出。在遇到型腔中岛屿时，可抬刀到安全高度越过岛屿，或沿岛屿边界绕过去，或遇到岛屿轮廓后返向回头继续切削等采用多种加工处理方法。若型腔内轮廓不是凸台而是凹坑，可以直接跨越过去进行切削编程。,-28-,环切法,环切法是环绕被加工型腔的轮廓边界进行加工的方法，这种方法具有加工状态平稳，轮廓表面加工质量好的特点，是一种常用的数控加工方法之一。环切法刀位点计算比较复杂，尤其带有多岛多坑的复杂型腔的刀位点计算是国内外学者研究的热点问题。,-29-,环切法刀位计算方法较多，但其基本思想为：进行型腔轮廓边界的定义，外轮廓边界以顺时针方向描述，内轮廓（岛屿或凹坑）以

11、逆时针方向进行构造；按加工精度要求和型腔底面曲率半径几何结构确定每次走刀的偏置量（Offset Value）；按确定的偏置量由外轮廓向内，内轮廓向外进行一个个偏置环计算；对偏置环进行干涉检查，去除干涉部分，形成新的内外环边界；重复上述步骤，新环不断生成、分裂、退化直至完全消失。如图7-16所示。,-30-,-31-,在型腔轮廓边界偏置环计算过程中，将伴的三种特殊情况：外轮廓偏置环的自相交；外轮廓偏置环与内轮廓偏置环互相交；多个内轮廓偏置环互交。必须及时处理。见图7-17,-32-,内外轮廓偏置环自交问题的处理-去逆时针环，但在内轮廓偏置自包容时要注意见C图，去L2,-33-,四、转角过渡处理,

12、在有些CADCAM系统中，对转角过渡进行了专门的处理，并提供多种方法供用户选择。经归纳，常用的转角过渡处理方法有圆弧过渡、尖角过渡、方角过渡、三角过渡等（图7-19）。,-34-,五、曲面加工中的刀位计算,1、曲面的参数化表示自由曲面的数学模型已在第三章第三小节作了详尽的讨论。无论是Bezier曲面，B样条曲面，还是其它曲面，一般都用双参数构造的曲面方程进行描述：P=P（u，v）（u1u u2，v1 v v2）,-35-,2、曲面加工方法,（1）等参数曲线法（uv Cutting）如图7-21所示，在曲面加工中刀具沿参数曲面u向或v向等参数线进行切削加工。若在参数u=u0不变的情况下，刀具运动

13、轨迹将由曲线P（u0，v）及其法矢n所决定。两等参数线之间的距离，即行距的大小可由法矢、曲率半径、刀具矢量方向以及加工精度等综合因素决定。,-36-,-37-,（2）任意切片法（Slice Cutting）,任意切片法：在XYZ三轴坐标中若刀具轴线与Z轴相一致，如果用垂直于XOY平面的任意一族平行的平面去截待加工的曲面，将会得到一组曲线族，刀具沿着这组曲线进行曲面加工的方法，称之为切片加工法，如图7-22所示。这种曲面加工方法，其刀位计算所消耗时间较长。,-38-,-39-,（3）等高线法（Topographic Cutting）,等高线法是用一组水平平面族去截被加工曲面，从而得到一个个等高的

14、曲线。切削加工时，从曲面的最高点开始向下切削，直至将整个曲面加工完毕，如图7-23所示。这种加工方法，刀位计算所消耗时间最长，各层层高的确定，需由加工精度，曲面曲率等因素确定。,-40-,-41-,六、刀具的干涉检验,在三维型面加工中往往存在着多个检查面，如果忽略了某个检查面，常常会造成加工过程的干涉。如图7-24所示，需加工带有直弯折的两个平面，当加工水平面时，若不将垂直面作为检查面，或加工垂直面时，不将水平面作为检查面，均会造成加工过程的干涉。因而，在刀具轨迹生成后，常常需要进行刀具干涉检查。,-42-,-43-,（1）刀具运动方向的干涉检,这种干涉检查方法仅校核检查刀具运动方向上的加工干

15、涉，若检查发现干涉现象存在，系统将自动修正刀具运动轨迹，直至消除为止。如图7-25a所示，在刀具切削运动方向有一凹槽，系统将检查其曲率半径是否小于刀具半径，若小于，则修改刀具轨迹，以避免过切现象的产生。这种方法不检查不在刀具运动方向上所造成的过切，如图7-25b所示，当刀具切削运动方向改变后便会产生加工过程的过切。,-44-,-45-,-46-,（2）全方位刀具干涉检查,系统考虑刀具在零件面全方位的干涉情况，这样无论刀具运动方向如何，都可以检测干涉是否存在，避免过切，代价是要花费较长的干涉检查时间。在全方位的刀具干涉检查时，较普遍的算法是将零件面离散成一个个小曲面片（Patch）。如图7-26

16、所示，计算刀具中心到小曲面片距离是否小于刀具半径，若小于则表示干涉，需要抬刀或绕行。,-47-,-48-,第四节 数控编程中的工艺策略,一、粗精加工的工艺选择为获得符合技术要求的工件，数控加工也需要分为粗加工，半精加工和精加工工艺。不同的加工工艺，其刀具的选择、加工路径、切削用量、以及进刀方式也不尽相同，利用CAM系统进行数控编程时，也必须予以分别处理，进行不同的选择。,-49-,1、刀具的选用,粗加工一般选用平底铣刀，不适宜选用球头铣刀加工，刀具的直径尽可能选大。精加工刀具类型主要根据被加工表面的形状要求而定，可选择平底刀，球头刀或圆角铣刀。在满足要求的情况下，优先选用平底刀具。在曲面加工中

17、，若曲面属于直纹曲面或凸形曲面，应尽量选择圆角铣刀，少用球头铣刀。刀具的选择应是由大到小逐步过渡，即先用大直径刀具完成大部分的曲面加工，再用小直径刀具进行清角或局部加工。,-50-,2、加工路径的选择,粗加工时，刀具的加工路径一般选择单向切削，因为粗加工时切削量较大，切削状态与用户选择的顺铣与逆铣方式有较大的关系，单向切削可保证切削过程平稳。可根据加工的部位适当改变安全平面的高度以提高效率。精加工的加工路径一般可以采用双向切削，这样可大大减少空行程，切削效率提高。因为精加工时切削力较小，对顺铣、逆铣方法反映不敏感。,-51-,3、粗、精加工进刀方式的选择,粗、精加工对进刀方式选择的出发点是不相

18、同的。粗加工选择进刀方式主要考虑的是刀具切削刃的强度，而精加工考虑的是被加工工件的表面质量，不致在被加工表面内留下进刀痕。对于外轮廓的粗加工，刀具的起刀点应放在工件毛坯的外部，逐渐向毛坯里面进行进刀；对于型腔的加工，可事先预钻工艺孔，以便刀具落在合适的高度后再进行进给加工；也可以一定的斜角切入工件。,-52-,-53-,二、刀具的切入和切出引导（LeadinLeadout）,1二维切削加工时刀具的切入切出引导（1）圆弧切入切出引导,-54-,（2）垂直切入切出引导,-55-,（3）平行切入切出引导,-56-,2、三维切削加工时刀具的切入切出引导,-57-,三、加工路线的确定及优化,1、加工路线

19、的确定 刀具加工路线直接影响刀位点的计算速度、加工效率和加工表面质量，刀具加工路线的选择主要依据如下的几点原则：1）使被加工零件获得良好的加工精度和表面质量；2）尽量使走刀路线最短，减少空程时间，提高加工效率；3）使数值计算容易，减少刀位计算工作量，提高编程效率。,-58-,例：发动机叶片加工的两种不同的走刀路线,由于加工面是直纹面，采用a方案显然比较有利，每次沿直线走刀，刀位计算简单程序段少，加工过程符合直纹面造型规律，保证母线的直线度；图b方案刀位计算复杂，计算量大、程序段多。,-59-,例，型腔加工的三种不同方法,-60-,例，走刀角度的选择,-61-,2、走刀路线的优化,如果在一个加工

20、零件上，有许多待加工的对象，如何安排各个对象的加工次序，以便获得最短的刀具运动路线，这便是走刀路线的优化问题，例如孔系的加工，可通过优化确定各孔加工的先后顺序，以保证刀具运动路线最短。在CAM系统中，刀具路线优化可有两种计算方法，一种为距离最近法，另一种为配对法。,-62-,距离最近法,从起始对象开始，搜寻与该对象距离最近的下一个对象，直到所有对象全部优化为止。,-63-,配对法,以相邻距离最近的两个对象一一配对，然后对已配对好的对象再次进行两两配对，直至优化结束，如图7-39所示。配对法所消耗时间较长，但能获得更好的优化效果。,-64-,-65-,使用不同刀具时的优化,如果在加工中需要使用不

21、同的刀具，这时在路径优化的同时还要考虑刀具的更换分类，不然则可能引起加工过程中的多次换刀，反而影响整个加工过程的效率。,-66-,第五节 后置处理,CAM系统对被加工的零件表面进行刀位计算后将生成一个可读的刀位源程序，该刀位文件由刀具设置、刀具运动、加工控制、进给率、显示、后处理等各类命令组成。这种刀位文件还不能直接送给数控机床供加工控制使用，因各数控机床所需的指令格式不尽相同，在刀位文件生成后还必须对此进行转换修改，以满足不同机床控制系统的特定要求，这种转换修改过程称之为后置处理。,-67-,专用后置处理模块与通用后置处理模块,从处理的原理考虑可将后置处理模块分为两大类：一类为专用后置处理模

22、块，它是针对各种不同的数控系统提供不同的后置处理，MasterCAM的后置处理便属于这种类型，这类系统的后置处理需要一个庞大的后置处理模块库，刀位文件CLS经过一个个专用后置处理模块为各自的机床提供服务。另一类是通用后置处理模块，如UG、ProE等CADCAM系统便属于这种类型。,-68-,通用的后置处理模块需要的三个软件资料,（1）机床数据文件MDF（Machine Data File）该文件可以由CAM系统所提供的机床数据文件生成器生成。MDF文件是描述所使用机床的控制器类型、指令定义、输出格式等机床特征。（2）刀位文件CLS描述刀具的位置、刀具运动、控制、进给速度等数控加工时有关信息。（3）后处理模块PM（Postprocessor Module）PM是一个可执行程序，用以将刀位文件转换生成机床控制数控代码的软件程序。,-69-,-70-,MASTERCAM系统数控代码自动生成举例。,-71-,思考题,P226：1、2、3、4、8、13、14,