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1、-1-,機械,CAD/CAM技術,中南林業(yè)科技大學 機械設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，也是CADCAM系統(tǒng)中的重要的模塊之一，當前，應用CADCAM系統(tǒng)進行數(shù)控編程已成為數(shù)控機床加工編程的主流，由CAD系統(tǒng)所生成的產品數(shù)據(jù)模型將在CAM系統(tǒng)中直接轉換為產品的加工模型，CAM系統(tǒng)可幫助產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、準確、便于檢查； 3）有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的集成，不僅能夠實現(xiàn)產品設計（CAD）與數(shù)控加工編程（NCP）的集成，還便于與工藝過程設計（CAPP），刀
4、夾量具設計等其它生產過程的集成。,,,,-8-,第二節(jié) 數(shù)控編程系統(tǒng)中的基本概念和術語,一、數(shù)控機床的坐標系統(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-,,球頭銑刀在帶有復雜曲面的零件加工中應用最普遍，具有曲面加工干涉少，表面質量好的特點，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的三個
6、控制面，即：零件面、導動面和檢查面，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-,導動面（Drive Surface）,導動面是指在刀具切削運動中引導刀具運動的面，它控制刀具在指定的公差范圍內運動。刀具與導動面存在著三種相對位置關系（圖7-8），即：刀具沿著導動面的左側運動（Left），刀具沿導動面的右側運動（Right），刀具在導動面上運動（On），或者說刀具中心沿導動曲線運動。導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行刀位點的計算。所謂刀位點即為刀具運動過程中相關的坐標點。 三維型面加工時，首先應根據(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，即銑刀沿坐標軸方向或曲面參數(shù)軸方向對曲面一行一行進行加工，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??；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-,平面型腔構成示意,,,,,-26-,行切法,行切法是刀具按平行于某坐標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，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。若型腔內輪廓不是凸臺而是凹坑，可以直接跨越過去進行切削編程。,,,,-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、位點計算比較復雜，尤其帶有多島多坑的復雜型腔的刀位點計算是國內外學者研究的熱點問題。,,,,-29-,,環(huán)切法刀位計算方法較多，但其基本思想為： 進行型腔輪廓邊界的定義，外輪廓邊界以順時針方向描述，內輪廓（島嶼或凹坑）以逆時針方向進行構造； 按加工精度要求和型腔底面曲率半徑幾何結構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，內輪廓向外進行一個個偏置環(huán)計算； 對偏置環(huán)進行干涉檢查，去除干涉部分，形成新的內外環(huán)邊界； 重復上述步驟，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)與內輪廓偏置環(huán)互相交；多個內輪廓偏置環(huán)互交。必須及時處理。 見圖7-17,-32-,內外輪廓偏置環(huán)自交問題的處理-去逆時針環(huán)，但在內輪廓偏置自包容時要注意見C圖，去L2,,,,-33-,四、轉角過渡處理,在有些CADCAM系統(tǒng)中，對轉角過渡進行了專門的處理，并提供多種方法供用戶選擇。經歸納，常用的轉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)構造的曲面方程進行描述： 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?shù)毒咔邢鬟\動方向改變后便會產生加工過程的過切。,,,,-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、以及進刀方式也不盡相同，利用CAM系統(tǒng)進行數(shù)控編程時，也必須予以分別處理，進行不同的選擇。,,,,-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，應盡量選擇圓角銑刀，少用球頭銑刀。刀具的選擇應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、精加工進刀方式的選擇,粗、精加工對進刀方式選擇的出發(fā)點是不相同的。粗加工選擇進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量，不致在被加工表面內留下進刀痕。 對于外輪廓的粗加工，刀具的起刀點應放在工件毛坯的外部，逐漸向毛
19、坯里面進行進刀；對于型腔的加工，可事先預鉆工藝孔，以便刀具落在合適的高度后再進行進給加工；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（LeadinLeadout）,1二維切削加工時刀具的切入切出引導 （1）圓弧切入切出引導,,,,-54-,（2）垂直切入切出引導,,,,-55-,（3）平行切入切出引導,,,,-56-,2、三維切削加工時刀具的切入切出引導,,,,-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行兩兩配對，直至優(yōu)化結束，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置、刀具運動、加工控制、進給率、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行轉換修改，以滿足不同機床控制系統(tǒng)的特定要求，這種轉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經過一個個專用后置處理模塊為各自的機床提供服務。 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、進給速度等數(shù)控加工時有關信息。 （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,,,,
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