機械CAD-CAM技術(shù)第六講-數(shù)控加工自動編程.ppt

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1、-1-,機械,CAD/CAM技術(shù),中南林業(yè)科技大學(xué) 機械設(shè)計制造極其自動化教研室 易春峰,,,-2-,第六講數(shù)控加工自動編程,零件數(shù)控加工程序的編制是數(shù)控加工的基礎(chǔ)，也是CADCAM系統(tǒng)中的重要的模塊之一，當(dāng)前，應(yīng)用CADCAM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控編程已成為數(shù)控機床加工編程的主流，由CAD系統(tǒng)所生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型將在CAM系統(tǒng)中直接轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的加工模型，CAM系統(tǒng)可幫助產(chǎn)品制造工程師完成被加工零件的形面定義、刀具的選擇、加工參數(shù)的設(shè)定、刀具軌跡的計算、數(shù)控加工程序的自動生成、加工模擬等數(shù)控編程的整個過程。,,,,-3-,第一節(jié) 數(shù)控編程方法及其發(fā)展,一、手工編程 二、數(shù)控語言自動編程 APT語言

2、 三、CADCAM系統(tǒng)自動編程,,,,-4-,CADCAM系統(tǒng)自動編程,1、常見的CAD/CAM自動編程系統(tǒng)： 工作站微機型：Ideas、Pro/e、UG、Catia 微機型：MasterCAM、SurfCAM、PowerMILL、Cimtron、EdgeCAM、CAMworks、GibbsCAM、CAXA制造工程師,,,,-5-,,常見的CAM軟件系統(tǒng)中，一般有不同的功能模塊可供選用，如：二維平面加工；三軸至五軸聯(lián)動的曲面加工；車削加工；電火花加工（EDM）；板金加工（Fabrication）；切割加工，包括電火花、等離子、激光切割加工等。對于通常的切削加工數(shù)控編程， CAM系統(tǒng)一般均具有刀

3、具工藝參數(shù)的設(shè)定、刀具軌跡自動生成、刀具軌跡編輯、刀位驗證、后置處理、動態(tài)仿真等基本功能。,,,,-6-,2、 CADCAM系統(tǒng)自動編程的基本步驟,,,,-7-,3、 CADCAM軟件系統(tǒng)自動編程特點,1）將零件加工的幾何造型、刀位計算、圖形顯示和后置處理等作業(yè)過程結(jié)合在一起，有效地解決了編程的數(shù)據(jù)來源、圖形顯示、走刀模擬和交互修改問題； 2）編程過程是在計算機上直接面向零件的幾何圖形交互進(jìn)行，不需要用戶編制零件加工源程序，用戶界面友好、使用簡便、直觀、準(zhǔn)確、便于檢查； 3）有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的集成，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計（CAD）與數(shù)控加工編程（NCP）的集成，還便于與工藝過程設(shè)計（CAPP），刀

4、夾量具設(shè)計等其它生產(chǎn)過程的集成。,,,,-8-,第二節(jié) 數(shù)控編程系統(tǒng)中的基本概念和術(shù)語,一、數(shù)控機床的坐標(biāo)系統(tǒng) 二、常用的切削刀具 在數(shù)控銑削加工中，最常用的刀具類型有球頭銑刀（Ball Nose Cutter），圓角銑刀（Hog Nose Cutter）和平底銑刀（End Mill），如圖7-5所示。,,,,-9-,,,,,,-10-,,球頭銑刀在帶有復(fù)雜曲面的零件加工中應(yīng)用最普遍，具有曲面加工干涉少，表面質(zhì)量好的特點，但是球頭銑刀切削能力較差，越接近球頭刀的底部，切削條件越差； 平底銑刀是平面加工最常用的刀具之一，具有價格便宜，刀刃強度高的特點； 圓角銑刀被廣泛應(yīng)用于粗，精銑削加工中，具

5、有球頭銑刀和平底銑刀共有的特點。,,,,-11-,刀觸點與刀位點,作用在刀具上的兩個位置點應(yīng)特別予以重視，一是刀觸點，另一為刀位點。所謂刀觸點即為加工過程中刀具與工件實際接觸的點，由它產(chǎn)生最終的切削效果，如圖7-5中的A點。而刀位點是數(shù)控編程中表示刀具編程位置的坐標(biāo)點，如圖7-5中的O點。,,,,-12-,刀具的參數(shù)定義,在CAM系統(tǒng)中，刀具常以統(tǒng)一的參數(shù)進(jìn)行定義，對于銑刀而言有5參數(shù)定義法、7參數(shù)定義法，也有10參數(shù)定義法，如圖7-6所示。賦值予不同的參數(shù)可導(dǎo)出不同的刀具類型。,,,,-13-,三、刀具運動控制面,為了確定刀具切削運動軌跡，通常CADCAM系統(tǒng)要求用戶給定與刀具運動相關(guān)的三個

6、控制面，即：零件面、導(dǎo)動面和檢查面，如圖7-7所示。,,,,-14-,零件面（Part Surface）,零件面即零件上已加工表面，它是在加工過程中與刀具始終保持接觸的表面，可由它控制刀具切削的深度。零件面在數(shù)控加工過程中是固定不動的面。,,,,-15-,導(dǎo)動面（Drive Surface）,導(dǎo)動面是指在刀具切削運動中引導(dǎo)刀具運動的面，它控制刀具在指定的公差范圍內(nèi)運動。刀具與導(dǎo)動面存在著三種相對位置關(guān)系（圖7-8），即：刀具沿著導(dǎo)動面的左側(cè)運動（Left），刀具沿導(dǎo)動面的右側(cè)運動（Right），刀具在導(dǎo)動面上運動（On），或者說刀具中心沿導(dǎo)動曲線運動。導(dǎo)動面在加工過程中是不斷變化的表面。,,,

7、,-16-,檢查面（Check Surface）,檢查面是用來確定每次走刀的終止位置。在CAM系統(tǒng)中，可通過檢查面計算刀具切削過程中的干涉，避免過切現(xiàn)象的產(chǎn)生。,,,,-17-,四、切削加工中的階段劃分,,,,起始運動階段,接近運動階段,刀具切入運動階段,切削加工階段,退出切削階段,返回階段,-18-,第三節(jié) 數(shù)控編程中的刀位計算,無論手工編程還是自動編程，都要按已確定的加工路線和允許的編程誤差進(jìn)行刀位點的計算。所謂刀位點即為刀具運動過程中相關(guān)的坐標(biāo)點。 三維型面加工時，首先應(yīng)根據(jù)被加工型面的幾何形狀和工藝精度要求分割成若干條的走刀軌跡，再根據(jù)每條軌跡計算刀位點。,,,,-19-,一、非圓曲線

8、刀位點的計算,用直線段逼近輪廓曲線的節(jié)點計算 常用的節(jié)點計算方法有等間距法，等弦長法和等誤差法幾種。,,,,-20-,二、球頭銑刀行距的確定,一般曲面零件的數(shù)控加工通常采用球頭銑刀，因用其它形狀刀具加工曲面時往往容易導(dǎo)致加工過程干涉而損傷毗鄰表面。 用球頭銑刀數(shù)控加工曲面時多按行切法加工，即銑刀沿坐標(biāo)軸方向或曲面參數(shù)軸方向?qū)η嬉恍幸恍羞M(jìn)行加工，每加工完一行后，銑刀移動一個行距，直至將整個曲面加工完畢。,,,,-21-,,用球頭銑刀對曲面進(jìn)行行切法加工時，必然在被加工表面留下一段較為明顯的殘留高度，殘留高度的大小決定于由刀具半徑和切削行距。刀具半徑越大，殘留高度越小；切削行距越小，殘留高度越小

9、，但使走刀次數(shù)增多，程序量增大。因而，在選定刀具半徑的前提下，球頭銑刀行距S和步長L的確定將直接影響零件的加工精度，表面粗糙度和程序量的大小。,,,,-22-,平面加工時行距S的確定,,,,則,-23-,曲面加工時行距S的確定,,,,直接給出：,-24-,三、平面型腔零件加工刀位點的計算,型腔是指由封閉的約束邊界及其底面構(gòu)成的凹坑，如圖7-14所示，一般情況下，凹坑的坑壁（外輪廓）與底面垂直，但也有和坑底面成一定錐度的，有的型腔中存在凸臺，被稱之為島嶼（內(nèi)輪廓）。型腔的加工是成型模具和機械零件加工中常見的一種加工型式，型腔數(shù)控加工方法主要有行切法（zigzag）和環(huán)切法（Spiral）兩種。,

10、,,,-25-,平面型腔構(gòu)成示意,,,,,-26-,行切法,行切法是刀具按平行于某坐標(biāo)軸方向或一組平行線方向走刀。,,,,-27-,,行切法的刀位點計算比較簡單，主要是由一組平行線與型腔內(nèi)，外輪廓線求交，計算出有效交線，按一定順序依次將有效交線編程輸出。在遇到型腔中島嶼時，可抬刀到安全高度越過島嶼，或沿島嶼邊界繞過去，或遇到島嶼輪廓后返向回頭繼續(xù)切削等采用多種加工處理方法。若型腔內(nèi)輪廓不是凸臺而是凹坑，可以直接跨越過去進(jìn)行切削編程。,,,,-28-,環(huán)切法,環(huán)切法是環(huán)繞被加工型腔的輪廓邊界進(jìn)行加工的方法，這種方法具有加工狀態(tài)平穩(wěn)，輪廓表面加工質(zhì)量好的特點，是一種常用的數(shù)控加工方法之一。環(huán)切法刀

11、位點計算比較復(fù)雜，尤其帶有多島多坑的復(fù)雜型腔的刀位點計算是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題。,,,,-29-,,環(huán)切法刀位計算方法較多，但其基本思想為： 進(jìn)行型腔輪廓邊界的定義，外輪廓邊界以順時針方向描述，內(nèi)輪廓（島嶼或凹坑）以逆時針方向進(jìn)行構(gòu)造； 按加工精度要求和型腔底面曲率半徑幾何結(jié)構(gòu)確定每次走刀的偏置量（Offset Value）；按確定的偏置量由外輪廓向內(nèi)，內(nèi)輪廓向外進(jìn)行一個個偏置環(huán)計算； 對偏置環(huán)進(jìn)行干涉檢查，去除干涉部分，形成新的內(nèi)外環(huán)邊界； 重復(fù)上述步驟，新環(huán)不斷生成、分裂、退化直至完全消失。如圖7-16所示。,,,,-30-,,,,,,-31-,,,,在型腔輪廓邊界偏置環(huán)計算過程中，將

12、伴的三種特殊情況：外輪廓偏置環(huán)的自相交；外輪廓偏置環(huán)與內(nèi)輪廓偏置環(huán)互相交；多個內(nèi)輪廓偏置環(huán)互交。必須及時處理。 見圖7-17,-32-,內(nèi)外輪廓偏置環(huán)自交問題的處理-去逆時針環(huán)，但在內(nèi)輪廓偏置自包容時要注意見C圖，去L2,,,,-33-,四、轉(zhuǎn)角過渡處理,在有些CADCAM系統(tǒng)中，對轉(zhuǎn)角過渡進(jìn)行了專門的處理，并提供多種方法供用戶選擇。經(jīng)歸納，常用的轉(zhuǎn)角過渡處理方法有圓弧過渡、尖角過渡、方角過渡、三角過渡等（圖7-19）。,,,,-34-,五、曲面加工中的刀位計算,1、曲面的參數(shù)化表示 自由曲面的數(shù)學(xué)模型已在第三章第三小節(jié)作了詳盡的討論。無論是Bezier曲面，B樣條曲面，還是其它曲面，一般都

13、用雙參數(shù)構(gòu)造的曲面方程進(jìn)行描述： P=P（u，v） （u1u u2，v1 v v2）,,,,-35-,2、曲面加工方法,（1）等參數(shù)曲線法（uv Cutting） 如圖7-21所示，在曲面加工中刀具沿參數(shù)曲面u向或v向等參數(shù)線進(jìn)行切削加工。若在參數(shù)u=u0不變的情況下，刀具運動軌跡將由曲線P（u0，v）及其法矢n所決定。兩等參數(shù)線之間的距離，即行距的大小可由法矢、曲率半徑、刀具矢量方向以及加工精度等綜合因素決定。,,,,-36-,,,,,,-37-,（2）任意切片法（Slice Cutting）,任意切片法：在XYZ三軸坐標(biāo)中若刀具軸線與Z軸相一致，如果用垂直于XOY平面的任意一族平行的平面

14、去截待加工的曲面，將會得到一組曲線族，刀具沿著這組曲線進(jìn)行曲面加工的方法，稱之為切片加工法，如圖7-22所示。這種曲面加工方法，其刀位計算所消耗時間較長。,,,,-38-,,,,,,-39-,（3）等高線法（Topographic Cutting）,等高線法是用一組水平平面族去截被加工曲面，從而得到一個個等高的曲線。切削加工時，從曲面的最高點開始向下切削，直至將整個曲面加工完畢，如圖7-23所示。這種加工方法，刀位計算所消耗時間最長，各層層高的確定，需由加工精度，曲面曲率等因素確定。,,,,-40-,,,,,,-41-,六、刀具的干涉檢驗,在三維型面加工中往往存在著多個檢查面，如果忽略了某個檢

15、查面，常常會造成加工過程的干涉。如圖7-24所示，需加工帶有直彎折的兩個平面，當(dāng)加工水平面時，若不將垂直面作為檢查面，或加工垂直面時，不將水平面作為檢查面，均會造成加工過程的干涉。因而，在刀具軌跡生成后，常常需要進(jìn)行刀具干涉檢查。,,,,-42-,,,,,,-43-,（1）刀具運動方向的干涉檢,這種干涉檢查方法僅校核檢查刀具運動方向上的加工干涉，若檢查發(fā)現(xiàn)干涉現(xiàn)象存在，系統(tǒng)將自動修正刀具運動軌跡，直至消除為止。如圖7-25a所示，在刀具切削運動方向有一凹槽，系統(tǒng)將檢查其曲率半徑是否小于刀具半徑，若小于，則修改刀具軌跡，以避免過切現(xiàn)象的產(chǎn)生。這種方法不檢查不在刀具運動方向上所造成的過切，如圖7-

16、25b所示，當(dāng)?shù)毒咔邢鬟\動方向改變后便會產(chǎn)生加工過程的過切。,,,,-44-,,,,,,-45-,,,,,,-46-,（2）全方位刀具干涉檢查,系統(tǒng)考慮刀具在零件面全方位的干涉情況，這樣無論刀具運動方向如何，都可以檢測干涉是否存在，避免過切，代價是要花費較長的干涉檢查時間。 在全方位的刀具干涉檢查時，較普遍的算法是將零件面離散成一個個小曲面片（Patch）。如圖7-26所示，計算刀具中心到小曲面片距離是否小于刀具半徑，若小于則表示干涉，需要抬刀或繞行。,,,,-47-,,,,,,-48-,第四節(jié) 數(shù)控編程中的工藝策略,一、粗精加工的工藝選擇 為獲得符合技術(shù)要求的工件，數(shù)控加工也需要分為粗加工

17、，半精加工和精加工工藝。不同的加工工藝，其刀具的選擇、加工路徑、切削用量、以及進(jìn)刀方式也不盡相同，利用CAM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控編程時，也必須予以分別處理，進(jìn)行不同的選擇。,,,,-49-,1、刀具的選用,粗加工一般選用平底銑刀，不適宜選用球頭銑刀加工，刀具的直徑盡可能選大。 精加工刀具類型主要根據(jù)被加工表面的形狀要求而定，可選擇平底刀，球頭刀或圓角銑刀。在滿足要求的情況下，優(yōu)先選用平底刀具。在曲面加工中，若曲面屬于直紋曲面或凸形曲面，應(yīng)盡量選擇圓角銑刀，少用球頭銑刀。刀具的選擇應(yīng)是由大到小逐步過渡，即先用大直徑刀具完成大部分的曲面加工，再用小直徑刀具進(jìn)行清角或局部加工。,,,,-50-,2、加工路徑

18、的選擇,粗加工時，刀具的加工路徑一般選擇單向切削，因為粗加工時切削量較大，切削狀態(tài)與用戶選擇的順銑與逆銑方式有較大的關(guān)系，單向切削可保證切削過程平穩(wěn)?？筛鶕?jù)加工的部位適當(dāng)改變安全平面的高度以提高效率。 精加工的加工路徑一般可以采用雙向切削，這樣可大大減少空行程，切削效率提高。因為精加工時切削力較小，對順銑、逆銑方法反映不敏感。,,,,-51-,3、粗、精加工進(jìn)刀方式的選擇,粗、精加工對進(jìn)刀方式選擇的出發(fā)點是不相同的。粗加工選擇進(jìn)刀方式主要考慮的是刀具切削刃的強度，而精加工考慮的是被加工工件的表面質(zhì)量，不致在被加工表面內(nèi)留下進(jìn)刀痕。 對于外輪廓的粗加工，刀具的起刀點應(yīng)放在工件毛坯的外部，逐漸向毛

19、坯里面進(jìn)行進(jìn)刀；對于型腔的加工，可事先預(yù)鉆工藝孔，以便刀具落在合適的高度后再進(jìn)行進(jìn)給加工；也可以一定的斜角切入工件。,,,,-52-,,,,,,-53-,二、刀具的切入和切出引導(dǎo)（LeadinLeadout）,1二維切削加工時刀具的切入切出引導(dǎo) （1）圓弧切入切出引導(dǎo),,,,-54-,（2）垂直切入切出引導(dǎo),,,,-55-,（3）平行切入切出引導(dǎo),,,,-56-,2、三維切削加工時刀具的切入切出引導(dǎo),,,,-57-,三、加工路線的確定及優(yōu)化,1、加工路線的確定 刀具加工路線直接影響刀位點的計算速度、加工效率和加工表面質(zhì)量，刀具加工路線的選擇主要依據(jù)如下的幾點原則： 1）使被加工零件獲得良好的加

20、工精度和表面質(zhì)量； 2）盡量使走刀路線最短，減少空程時間，提高加工效率； 3）使數(shù)值計算容易，減少刀位計算工作量，提高編程效率。,,,,-58-,例：發(fā)動機葉片加工的兩種不同的走刀路線,由于加工面是直紋面，采用a方案顯然比較有利，每次沿直線走刀，刀位計算簡單程序段少，加工過程符合直紋面造型規(guī)律，保證母線的直線度；圖b方案刀位計算復(fù)雜，計算量大、程序段多。,,,,-59-,例，型腔加工的三種不同方法,,,,,-60-,例，走刀角度的選擇,,,,-61-,2、走刀路線的優(yōu)化,如果在一個加工零件上，有許多待加工的對象，如何安排各個對象的加工次序，以便獲得最短的刀具運動路線，這便是走刀路線的優(yōu)化問題，

21、例如孔系的加工，可通過優(yōu)化確定各孔加工的先后順序，以保證刀具運動路線最短。 在CAM系統(tǒng)中，刀具路線優(yōu)化可有兩種計算方法，一種為距離最近法，另一種為配對法。,,,,-62-,距離最近法,從起始對象開始，搜尋與該對象距離最近的下一個對象，直到所有對象全部優(yōu)化為止。,,,,-63-,配對法,以相鄰距離最近的兩個對象一一配對，然后對已配對好的對象再次進(jìn)行兩兩配對，直至優(yōu)化結(jié)束，如圖7-39所示。配對法所消耗時間較長，但能獲得更好的優(yōu)化效果。,,,,-64-,,,,,,-65-,使用不同刀具時的優(yōu)化,如果在加工中需要使用不同的刀具，這時在路徑優(yōu)化的同時還要考慮刀具的更換分類，不然則可能引起加工過程中的

22、多次換刀，反而影響整個加工過程的效率。,,,,-66-,第五節(jié) 后置處理,CAM系統(tǒng)對被加工的零件表面進(jìn)行刀位計算后將生成一個可讀的刀位源程序，該刀位文件由刀具設(shè)置、刀具運動、加工控制、進(jìn)給率、顯示、后處理等各類命令組成。這種刀位文件還不能直接送給數(shù)控機床供加工控制使用，因各數(shù)控機床所需的指令格式不盡相同，在刀位文件生成后還必須對此進(jìn)行轉(zhuǎn)換修改，以滿足不同機床控制系統(tǒng)的特定要求，這種轉(zhuǎn)換修改過程稱之為后置處理。,,,,-67-,專用后置處理模塊與通用后置處理模塊,從處理的原理考慮可將后置處理模塊分為兩大類：一類為專用后置處理模塊，它是針對各種不同的數(shù)控系統(tǒng)提供不同的后置處理，MasterCAM

23、的后置處理便屬于這種類型，這類系統(tǒng)的后置處理需要一個龐大的后置處理模塊庫，刀位文件CLS經(jīng)過一個個專用后置處理模塊為各自的機床提供服務(wù)。 另一類是通用后置處理模塊，如UG、ProE等CADCAM系統(tǒng)便屬于這種類型。,,,,-68-,通用的后置處理模塊需要的三個軟件資料,（1）機床數(shù)據(jù)文件MDF （Machine Data File）該文件可以由CAM系統(tǒng)所提供的機床數(shù)據(jù)文件生成器生成。MDF文件是描述所使用機床的控制器類型、指令定義、輸出格式等機床特征。 （2）刀位文件CLS描述刀具的位置、刀具運動、控制、進(jìn)給速度等數(shù)控加工時有關(guān)信息。 （3）后處理模塊PM （Postprocessor Module） PM是一個可執(zhí)行程序，用以將刀位文件轉(zhuǎn)換生成機床控制數(shù)控代碼的軟件程序。,,,,-69-,,,,-70-,,MASTERCAM系統(tǒng)數(shù)控代碼自動生成舉例。,,,,-71-,思考題,P226： 1、2、3、4、8、13、14,,,,