（机械设计及理论专业论文）基于autocad的数控自动编程系统的研究与开发.pdf

摘要浙江大学硕士学位论文 摘要 本文研究并开发了一个基于a u t o c a d 2 0 0 0 的数控自动编程系统。首先，对 系统开发的可行性进行了方案分析与方案论证，并在此基础上详细地分析了系统 的要求，对系统的总体功能及各个模块的详细功能进行了讨论和设计，建立了系 统的功能模型图和总体结构图。然后，针对其中几个关键功能模块进行了详细的 分析与算法讨论。最后，本文在实践的基础上给出了原型系统的两个运行实例。 f 本文主要包括以下几个部分： 第一章综述了数控技术的发展概况及在现代工业中的应用，并对国内常见 c a m 软件及国内c a d c a m 技术的应用现状进行了分析。在此基础 上，阐述了论文的选题背景、意义及论文的研究目标和主要工怍。 第二章对数控自动编程系统的工作原理进行了分析与阐述。 第三章对系统开发的可行性进行了分析与论证，并在此基础上对系统的总 体功能及各个模块的详细功能进行了讨论及设计，建立了系统的功 能模型图和总体结构图。 第四章详细地讨论了在a u t o c a d 的环境中如何拓展一个基于参数化设计的 常见零件复杂轮廓图形库。介绍了两种机械零件设计中的常见零件 复杂轮廓齿轮和凸轮的绘制原理与算法。 第五章基于系统开发平台为a u t o c a d 2 0 0 0 ，分别对二维轮廓和三维曲面的 刀位数据生成算法进行了讨论。 第六章无干涉刀具轨迹的生成是数控加工自动编程中研究的热点问题。本 文分别对二维轮廓加工和三维自由曲面加工中的干涉处理算法进行 了讨论。对二维轮廓加工，重点分析了无干涉刀具轨迹的生成算法； 对三维自由曲面加工，重点分析了刀位点的干涉检查算法。 第七章数控指令集的动态仿真与模拟是数控自动编程系统的难点。其算法 要综合考虑图形的真实感显示效果、系统的实时性能及对仿真结果 的误差测量。本文对数控仿真的基本算法进行了详细的分析与讨论。 第八章运行实例。卜厂一 关锺奶 a u t o c a d 2 0 0 0 ，数控自动编程，二维平面轮廓7 三维自由曲面 a b s t r a c t浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a nn c a u t o p r o g r a m m i n gs y s t e mb a s e do na u t o c a d 2 0 0 0 i s s t u d i e da n d d e v e l o p e d f i r s t o f a l l ，t h e a u t h o r a n a l y s e s a n dd e m o n s t r a t e st h e d e v e l o p m e n tf e a s i b i l i t yo f t h es y s t e m b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h ea u t h o r a n a l y s e st h er e q u i r e m e n t so f t h es y s t e ma n d d e s i g n se a c hm o d u l ei nd e t a i l t h ei d e f c h a r ta n dt h eg e n e r a li n s t m c t u r ec h a no ft h es y s t e ma r ea l s oc o n s t r u c t e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h ea u t h o ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h ea l g o r i t h mo fs e v e r a lk e ym o d u l e s f i n a l l y , t w oe x a m p l e so ft h es y s t e ma r eg i v e n m a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o n i n c l u d e s ： c h a p t e r l ：t h ed e v e l o p m e n tg e n e r a ls i t u a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o ni nm o d e m i n d u s t r yo f n c t e c h n o l o g y o l es u m m a r i z e d f u t h e r m o r e ，t h ea u t h o r a n a l y s e st h ec u r r e n t a p p l i c a t i o n s i t u a t i o no ft h ed o m e s t i cf a m i l i a rc a m s o f i w a r e sa n d c a d c a mt e c h n i q u e b a s e do na b o v e s u m m a r i z a t i o n ，t h eb a c k g r o u n d ， s i g n i f i c a n c e ，r e s e a r c ho b j e c t i v ea n dm a i nt a s ko ft h i sp a p e ra r ed i s c u s s e di n d e t a i l c h a p t e r 2 ：i nt h i sc h a p t e r , t h ep r i n c i p l eo fn ca u t o p r o g r a m m i n gs y s t e mi sa n a l y s e d a n dd i s c u s s e d c h a p t e r 3 ：i nt h i sc h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n tf e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mi sa n a l y s e da n d d e m o n s t r a t e d o nm eb a s i so ft h ea n a l y s i s t h ea u t h o rd i s c u s s e st h es y s t e m r e q u i r e m e n t sa n dd e s i g n se a c hm o d u l ei nd e t a i l t h ei d e fc h a r ta n dt h e g e n e r a ls t r u c t u r ec h a r to f t h es y s t e ma r ea l s od e s i g n e d c h a p t e r 4 ：i n t h i s c h a p t e r , t h e a u t h o rd i s c u s s e sh o wt o e x p a n d a c o m p l e xf i g u r e g r a p h i c sd a t a b a s eo fs o m ef a m i l i a rp a r t sb a s e do np a r a m e t r i cd e s i g n t h e d r a w i n gp r i n c i p l ea n da l g o r i t h mo ft w oc o m p l e xf i g u r e si nm e c h a n i c a l d e s i g n g e a ra n d c a ma r ed i s c u s s e d c h a p t e r 5 ：i nt h i sc h a p t e r , t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ea l g o r i t h mo f t h ec u tt o o lp a t hi n2 d f i g u r ea n d3 ds u r f a c em a c h i n i n gb a s e do na u t o c a d 2 0 0 0d e v e l o p m e n t p l a t f o r r n c h a p t e r 6 ：t h ec a c u l a t i o no fat o o lp a t ht h a tc a na v o i di n t e r f e r e n c ei so n eo ft h e h o t s p o t si nn ca u t o p r o g r a m m i n g i nt h i sc h a p t e r , t h ea u t h o rd i s c u s s e st h e a l g o r i t h m o fi n t e r f e r e n c e p r o c e s s i n2 d m a c h i n i n g a n d3 ds u r f a c e m a c h i n i n gr e s p e c t i v e l y w i t hr e g a r dt o2 dm a c h i n i n g ，t h ea u t h o rp u ta n e m p h e s i s o nt h e a l g o r i t h m i n g e n e r a t i n g at o o l p a t h t h a tc a na v o i d 2 a b s t r a c t浙江大学硕士学位论文 i n t e r f e r e n c e w i t h r e g a r d t o3 ds u r f a c e m a c h i n i n g ，t h e a u t h o r m a i n l y a n a l y s e st h ea l g o r i t h m o fi n t e r f e r e n c ec h e c k - u p c h a p t e r 7 ：d y n a m i c e m u l a t i o no ft h en ci n s t r u c t i o n si s ad i f f i c u l t p r o b l e m i n d e v e l o p i n g n c a u t o p r o g r a m m i n gs y s t e m t h ed i s p l a ye f f e c to f t h em o d e l s ， t h er e a lt i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n dt h ee r r o rm e a s u r e m e n to ft h e e m u l s i o nr e s u l t ss h o u l da l lb ec o n s i d e r e di nt h ea l g o r i t h m i nt h i sc h a p t e r ， t h ea u t h o ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h eb a s i ca l g o r i t h mo fn ce m u l a t i o ni n d e t a i l c h a p t e r 8 ：t w oe x a m p l e so f t h es y s t e m k e y o r d s ：a u t o c a d 晓0 0 0 2 d p l a n ef i g u r e a u t o p r o g r a m m i n gs y s t e m 3 ds u r f a c e 3 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 数控加工是c a d c a m 技术中最能明显发挥效益的生产环节之一。它可以保 征产品达到极高的b u 工精度和稳定的加工质量：操作过程容易实现自动化，生产 二红高：生产周期短，可以大量节省专用工艺设备，适应产品快速更新换代的需要； 它与c a d 衔接紧密，可以直接从产品的数字定义产生加工指令，保证零件具有 精确的协调和互换性；产品最后用数控测量机检验，容易严格控制外形和尺、j - 精 度。生产对象的形状越复杂，加工精度要求越高，设计更改越频繁，生产批量越 小，数控加工的优越性就越容易得到发挥。在e 机工业中，象新机吹风模型的铣 切、机翼大型壁板和梁、框、复杂连接件等整体结构件的生产、重要工艺装各的 制造，都离不开数控加工。对于结构更复杂的机头、机翼、发动机短舱等，数控 加工件的比重更大。在汽车行业中，带有复杂型面的各种工艺装备的加工，象车 身外主模型和内主模型，外形钣金零件的冲压模，保险杠、仪表板等大型注塑模， 发动机进气道、汽缸水套等的铸造砂芯模，连杆、曲轴等锻模，都是数控加工发 挥特殊优势的领域。 数控加工技术集中体现了机械制造技术，自动控制技术，计算机软、硬件技 术，检测监控等多种学科技术的最新成就；在提高生产率、降低成本、保证加工 质量及改善劳动条件等方面均体现出优越性。特别是在适应市场激烈竞争、产品 迅速更新换代、小批量和多品种生产方面，采用各类数控设备、加工中心、柔性 制造单元、柔性制造系统乃至计算机集成制造系统，是必然的趋势。由于生产实 际的强烈需求，国内外都对数控加工技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。 数控技术已是衡量一个国家机械制造工业水平的重要标志之一，更是体现一个机 械制造企业水平的重要标志。 1 2 数控技术发展概况及在现代工业中的应用 12 1 数控技术的发展概况 随着电子技术与计算机技术的发展，数控技术的发展共经历了五个时代，从 第一代的电子管时代一第二代的矗体管时代一第三代的集成电路时代一第四代 4 第一章绪论 浙江大学硕士学位论丈 的大规模集成电路和小型通用计算机时代一第五代的微处理机和微型计算机时 代。1 9 4 8 年美国巴森兹公司在研制加工直升飞机叶片轮廓样板时提出r 数控机 床的初始设想。1 9 5 2 年美国帕森斯( p a r s o n s ) 公司和麻省理工学院( m i t ) 合 作研制成功世界上第一台三坐标数控铣床为计算机在产品铷造中的应用开创r 一条崭新的道路，成为计算机辅助制造( c a m ) 的开端，它采用电子管元件， 可作甑线插补，称之为第一代数控系统。1 9 5 5 年经改进后进入实用阶段，在加 工复杂的曲面零件中发挥了很大的作用。随着刀库的发明，于1 9 5 8 年出观了数 控加工中心，能在一次装夹中通过自动换刀实现铣、镗、钻、绞、攻丝等多道工 序加工，使数控自动化加工由工序分散方式向集中方式发展。在5 0 年代由于价 格上和技术上的原因，数控机床的应用仅局限于航空工业中。1 9 5 9 年，因计算 机行业研制出晶体管元件，故数控系统中广泛采用了晶体管和印刷电路板，数控 系统的发展进入了第二代。1 9 6 5 年，出现了小规模集成电路，由于体积小、功 耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。随着计算机技 术的发展，小型计算机的价格猛跌，采用小型的通用计算机取代专用的控制机的 时代己成熟，因为普通数控装置中的许多功能( 如插补器) 可通过编制专用的程 序( 如插补运算程序) 加以实现，提高了可靠眭，从而形成了第四代数控系统， 又称为计算机数字控制系统( c n c 系统) 并于1 9 7 0 年首次在美国芝加哥国际机 床展览会上展出。自1 9 7 1 年至1 9 8 8 年，微型计算机得到迅速发展，其系统性能 已接近和超过小型计算机，而成本却仅为小型机的几十分之一，特别是微型机的 体积小、功耗低，可靠性高和体系结构灵活、可编程能力强等特点，引起，各方 面工程设计人员的重视。微型机的大量推广应用，促进了它的进一步发展，为在 数控技术中的应用提供了良好的条件。1 9 7 4 年，美、日等国家的数控生产厂， 首先研制出以微处理器为核心的数控系统。由于中、大规模集成电路价格低廉、 集成度商和可靠性好，以微处理器为核心的数控系统很快处于领先地位，称之为 第五代数控系统。它通过软件来自动进行编程处理和数控设置，由专门的控制器 控制，大大提高了数控的灵活性，数控程咩的容量和高度自动化。 1 2 2 数控加工自动编程系统 计算机数控自动编程的方法有：语言编程方法、图形编程方法及其它方法。 随着科学技术特别是计算机科学的发展，数控自动编程的方法不断地改进与完 善。5 0 年代m i t 设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言称 为a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e d t 0 0 1 ) 。a p t 语言系统足世界上发展最早的编 程语言，它采用语句形式描述n u 工零件的儿何形状以及进，厂j 和走j 方法等，用批 处理方式运行，输出刀位点数据，再经过后置处理，生成穿孔纸带。a p t 系统 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 语言词汇丰富，定义的几何类型多，加工的功能齐全并配有1 0 0 0 多个后置处理 程序，在各国得到广泛的应用，并在发展过程中形成了诸如a p t i i ( 适用于曲线 自动编程) 、a p t i i i ( 适用于3 - 5 轴立体曲面自动编程) 、a p t i v ( 适用于自由曲 面自动编程) 、a p t - a c ( a d v a n c e dc o n t o u r i n g ) ( 增加切削数据库管理系统) 和 a p t - s s ( s c u l p t u r e ds u r f a c e ) ( 增加雕塑曲面加工编程功能) 等先进版。采用a p t 语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点。这种编程方法在国外已 经使用很久，软件系统成熟，所以发展到了今天，即使是交互式图形编程系统， 往往也带有a p t 源程序输出功能，将c a d c a m 系统的数控加工编程结果送给 a p t 系统再重新处理一遍，让a p t 产生机床的控制指令。a p t 语言的发展最高 水平是向雕塑曲面加工功能扩展，称作a k r x 。它由c a m i 国际组织在7 0 年代 末着手研制并逐步推广应用，在我国航空和汽车工业中有较大影响。a p t x 可以 灵活定义多种形式的参数曲线，包括直线、圆弧、二次曲线以及三次参数样条曲 线。曲线可以作光顺处理，用权因子控制型值点的位移柔性，可以对已有的参数 曲线实现再参数化等。由于a p t 系统庞大，需大型计算机，费用昂贵。因此， 各国相继研究出了针对性较强的各具不同特点的编程系统。如美国的a d a p t 、 a u t o s p o t 等，英国的2 c 、2 c l 、2 p c 等，西德的e x a p t - 1 ( 点位) 、e x a p t - 2 ( 车削) 、e x a p t - 3 ( 铣削) 等，法国的i f a p t - p ( 点位) 、i f a p t - c ( 轮廓) 、i f a p t - c p ( 点位、轮廓) ，日本的f a p t 、h a p t 等数控自动编程语言系统。国内在数控自 动编程方面的研究工作从6 0 年代中期开始，7 0 年代己研制出了s k c 、z c x 、 z b c 一1 、c k y 等具有平面轮廓铣削加工、车削加工等功能的数控自动编程系统。 后又研制出具有解决复杂曲面编程功能的数控编程系统c a m 一2 5 1 等多功能的语 言系统。随着计算机技术的发展，微机数控自动编程系统以其较高的性能价格比 迅速发展起来，如h z a p t 、e a p t 、s a p t 等微机数控自动编程系统。 a p t 语言系统的优点有： f 1 ) 处理能力强。从点位直线加工、两坐标曲线加工，直至五坐标空间曲面 加工都能处理。 ( 2 、可靠性高。系统有很强的诊断功能，源程序错误可由计算机自行检查出 来。 ( 3 ) 灵活性好。a p t 积累了上千种后置处理程序，刀具轨迹数据只需计算一 次，便可调用不同的后置处理程序，制备出所用机床的加工程序和穿孔 纸带。 f 4 ) 数据处理时间短，所需费用少。在编制复杂零件程序时尤为经济。 a p t 语言也存在许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂 的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示 和刀具轨迹的验证手段：难以和c a d 数据库和c a p p 系统有效连接；不容易作 6 第一章绪论浙江大学硕士学位沦文 到高度的自动化，集成化。针对a p t 语言的缺点，1 9 7 8 年，法国达索飞机公司 开始开发集三维设计、分析、n c 加工于一体化的系统，称为c a t i a 。随后很快 出现了象e u c l i d ，u g i i ，i n t e r g r a p h ，p r o e n g i n e e r i n g ，m a s t e r c a m 及 n p u g n c p 等系统，这些系统采用图形编程方法，称为交互式图像编程系统。 同a p t 语言系统相比，这些系统都有效地解决了几何造型、零件几何形状的显 示及交互设计、刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，从而推动了 c a d 和c a m 向一体化方向发展。这类系统的主要缺点包括： ( 1 ) 需要高级软件的支撑和开发平台，高效率地提供输入输出手段： ( 2 ) 需要高级的图形显示，对硬件平台要求较高； ( 3 ) 对于复杂曲面的构造很困难，针对性很强，往往每一种图形处理系统只能处 理有限的问题。 1 2 3 数控自动编程系统的发展 随着计算机技术及信息处理的发展，在c a d c a m 一体化概念的基础上，逐 步形成了计算机集成制造系统( c i m s ) 及并行工程( c e ) 的概念。目前，为了 适应c i m s 及c e 发展的需要，数控编程系统正向通用化、集成化和智能化方向 发展。 1 数控自动编程系统的集成化 n c 编程与c a d 系统的连接和集成是n c 自动编程的一个非常重要的发展方 向，即在c a d 系统提供的零件信息基础上，直接进行编程。目前，n c 编程 与c a d 的连接有多种途径和可能性。第一种途径是根据零件图样进行n c 编程，也就是中间的转换和连接是靠人实现的。第二种途径是将n c 编程系 统作为c a d 系统中的一个组成部分，即c a d 软件中的一个模块，系统可对 零件设计和加工中的信息自动进行集成处理，如商品化的c a d 软件i - d e a s 、 u g i i 等都有一个n c 编程模块，能对系统设计出的零件进行n c 自动编程。 第三种途径是通过c a d 系统直接产生一个针对特定n c 语言的专用零件源 程序，由于这种方法通用性差，实际中应用很少。目前应用最多的途径是将 c a d 的数据通过标准接口的方式传递给n c 编程系统，如通过i g e s 或s t e p 标准，也有的是通过c a p p ，实现c a d c a p p c a m 的集成。这种方法要求 采用特征建模系统作为c a d c a p p c a m 集成环境下统一的零件信，皂、模型， 并在此基础上建立特征n c 程序库，开发基于特征的n c 自动编程系统。它 通过接口文件读取c a p p 系统输出的工艺信息文件，经过特征识别和处理， 从特征n c 程序库中调用相应的n c 指令，自动生成n c 机床所需格式的n c 代码程序。这是一种很有实用价值的实现c a d c a p p c a m 集成的新方法。 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 2 数控自动编程系统的智能化 数控编程系统的智能化是指将“智能”加入数控自动编程系统中，并将人的 判断及决策交给机器来完成。因此采用人工智能方法建立各类知识库专家系 统，把人的决策作用变为各种问题的求解过程。基于这样的思想，在数控自 动编程系统中加入知识体系的内容，可以加强计算机对自动编程系统的控 制，对一些一般算法无能为力的地方，可用专家系统的方法解决，更进一步 减少人工的干预，真正做到全部自动化。 3数控自动编程系统的通用化 尽管不同的数控机床其功能不同，指令系统不同，但大部分的指令，如走刀、 坐标等都统一或内容相似，所不同的地方是辅助功能和机床的控制指令。因 此，大部分的后置处理程序代码是可以重用的。完全可以通过模块化的设计 来实现后置处理程序的通用化。 4研究和发展小型专用的自动编程系统 a p t 系统是一种发展最早、功能最为齐全并应用最为广泛的n c 自动编程系 统。据统计美国4 4 的n c 编程是利用a p t 实现的。但a p t 系统庞大，因 丽对软件人员及计算机设备的要求也很高，它需要使用大容量的大型计算 机。这对中、小企业是很不适用的，因此反而促进了小型专用n c 编程系统 的发展。尤其随着微机的出现和发展，国内外都相继开发了适用于各种微机 的n c 自动编程系统。这种专用自动编程系统的着眼点不是放在功能齐全上， 而是放在如何简化程序和提高效率上，因此这类系统容易掌握，便于使用， 且成本较低。 5发展交互式的n c 自动编程系统 随着自动编程技术的发展，对自动编程系统的功能和应用的方便性也提出了 更高的要求。尤其是在处理零件源程序的过程中，希望操作者能对计算机进 行控制，就象与计算机进行对话一样。 交互式自动编程系统的特点是：操作者可随时、随意修改零件源程序：随时 停止或开始处理过程；随时打印零件加工程洋单或某一项中闻结果：随意给 出n c 机床的脉冲当量等后置处理参数。例如，日本富士通公司的f a p t ， 荷兰的m i t u r n 等系统都是交互式的n c 自动编程系统。 6 语音n c 自动编程 采用语音n c 自动编程时，操作者不必写出程序，也不需要按严格的格式打 印出程序，操作者只需对着话筒讲出所需指令即可。这些指令是按不同操作 员的音调、方言预先存储在计算机内，因而系统能够正确识别操作员的语音， 并将识别的每个指令按顺序显示出来，以便核对。采用语音自动编程的主要 优点是：便于操作，减少编程时问，消除打字错误，从而可提高编程的效率。 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 1 3 论文的选题背景及意义 1 3 1 论文选题的背景 一、国内常见c a m 软件分析 国内目前常见的c a m 软件有许多，主要可分为两大类：一类是与c a d 软 件一体化集成的，如著名的美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r 、s d r c 公司的i - d e a s 、 e d s 公司的u n i g r a p h i c s 、i b m 公司的c a t i a 、以色列c 1 m a t r o n 公司的 c i m a t r o n 、法国m a r a d a t a v i s i o n 公司的e u c l i d i s 、华正软件工程所的国 产软件c a x a 等，这类软件是属于c a d c a m 一体化集成的，由于它们各自开 发自己的c a d 系统，数据结构不统一，所以相互之间往往很难无缝集成，这就 会造成实际使用中的一些问题： 以上各c a d c a m 集成软件，都只是在某些方面具有特长，如p r o e 的造型 功能较强、i - d e a s 的有限元分析和优化功能较强、u g 的c a m 模块比较成 熟、e u c l i d i s 的曲面造型功能比较强等，所以一些大型企业往往同时需要使 用几种c a d c a m 软件系统才能满足自己的需要，结果导致软件之间进行数 据交换时丢失信息，相互之间很难实现无缝集成； 目前产品信息在各不同的c a d c a m 系统之间的集成主要是通过建立统一 的产品数据交换标准来实现的，如 g e s 标准、p d d 标准、p d e s 标准和s t e p 标准等。但是在朝着集成化目标发展的过程中，尤其是在解决面向 c a d c a e c a p p c a m 、c i m 、c e 等的集成( 信息交换、语义集成、功能集 成) 方面，遇到了很大的困难。以1 g e s 为代表的产品数据交换标准，尽管 在支持几何数据的交换方面已达到实用化程度，但它只支持物理层上的数据 交换，难以满足信息集成的需要。如一个圆柱面通过i g e s 文件格式读入， 得到的可能是一个有多个直纹面拼合的面，其精度多取决于读入的精度设 置，这样在加工中会因为精度过高，而产生过长的代码，而精度过低，则加 工的产品粗糙度会增加，如果软件能认得它是圆柱面，则通过短短的几句代 鹛，即可获得很好的加工效果。发展中的s t e p 尽管克服了i g e s 的不足， 从理论上解决了同时支持物理层和逻辑层的数据交换，即实现信息交换的方 法，但由于其刚刚起步，在许多方面还远没有达到实用化的程度。产品数据 交换标准的最终完善还需相当一段时间。 另一类c a m 软件为独立的c a m 软件，这一类软件往往只有c a m 的功能， 而不具备产品设计和绘图的能力，主要依靠数据转换接口来读入产品数据，如 d e l c a m 的p o w e r m i l l 等。这类软件同样也存在着与c a d 系统的集成问题。目 9 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 前也主要是通过标准的产品数据交换文件来实现。 以上介绍了目前国内常见的两大类c a m 软件，不同的软件有不同的特色。 第一类软件大多是一些高档的三维c a d c a m 集成系统，它们往往具有强有力 的产品设计与造型能力，功能覆盖整个机械设计的全过程，但这类产品往往价格 比较昂贵，对技术人员的要求很高，不一定适合国内许多企业的现状。第二类软 件灵活性好，可与不同的c a d 系统相配合，但由于产品数据交换标准的最终完 善还需相当一段时间，所以不可能完全实现与各c a d 系统的无缝集成，实现信 息流的真正共享。 二、c a d c a m 技术在我国的应用现状及存在的问题 我国的c a d c a m 工作始于7 0 年代，发展迅速，已取得了良好的经济效益， 少数大型企业，如一汽、二汽等，已建立起比较完整的c a d c a m 系统，其应 用水平也已接近国际先进水平。许多中小企业应用c a d c a m 技术在保证产品 质量、提高劳动生产率等方面也取得了显著的经济效益。但总的来说，国内在 c a d c a m 技术应用的深度和广度方面与国外先进水平相比还有很大的差距。在 实际应用中存在着许多问题： 目前国内应用的一大类c a d c a m 系统为从国外引进的一些高档三维 c a d c a m 集成系统，如p r o e 、u g 、 - d e a s 等，这些系统具有强有力的 产品设计能力，可以进行产品的实体造型和曲面造型，实现产品的动态模拟 装配、有限元分析、运动学与动力学分析等二维系统所无法实现的功能。但 是，这些软件相对来说，一方面价格十分昂贵，对硬件要求很高，一般价格 都在5 3 0 万美元左右，另一方面掌握起来比较困难，对技术人员要求很高。 所以，目前国内只有极少数企业有能力配备这些高档的c a d c a m 系统： 目前国内绝大多数企业及研究单位其c a d 支撑平台仍为a u t o d e s k 公司的 a u t o c a d 软件，产品设计为二维设计，着重于零件工程图纸的绘制。如零件 需数控加工，则需进行人工数控代码编程，其过程十分繁琐，容易出错，且 需占用数控机床机时。虽然有些诸如a p t 之类的软件可以使用，但这些软 件不仅仍然需要输入零件轮廓的坐标信息这一繁琐易错的过程，而且这些软 件的价格十分昂贵。很显然，对于适合数控加工的零件，如能由c a d 二维 图形中描述零件轮廓的图形实体直接生成( 包括从毛坯到最终尺寸的) 数控 加工代码，而不需人工编程，则不仅可以解决人工编程繁琐易错的问题，而 且可缩短编程及调试时间，提高数控机床利用率，具有显著的经济效益。但 至今仍未见到可以实用的由c a d 二维图形直接生成数控加工代码的商品化 软件； 国内在应用c a d c a m 系统的过程中，一个突出的问题就是不同系统之间的 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 集成问题。对一些大型企业来说，复杂机械产品的生产往往需要不同企业、 部门的分工协作完成，由于产品信息是在不同的地点、不同的计算机和不同 的c a d c a m 系统中产生的，因此造成了同一个产品的信息表达差异。如有 些企业使用p r o f e 来进行产品的造型设计，然后再将产品的设计结果通过u g 生成最终的数控加工指令。不同的系统其产品信息模型不同，目前集成的主 要方法是通过标准的数据交换文件来实现，由于数据交换文件的发展现在还 不十分完善，所以不同系统之间通过这种方式进行数据交换时，会产生信息 丢失和信息理解不准确的情况。 1 3 2 论文选题的意义 基于以上对国内常见c a m 软件和国内c a d c a m 技术应用现状的分析，我 选择了本文的研究方向基于a u t o c a d 的数控自动编程系统研究与开发。由 于a u t o c a d 是国内目前普及率最高的c a d 支撑平台，对许多企事业单位来说， 它仍是进行产品设计和绘图的首选工具。a u t o c a d 具有强大的二维、三维绘图 功能和图形编辑功能，是一个非常成熟的图形输入器，而且易学、易掌握。其功 能强大的二次开发工具a d s 、o b j e c t a r x 2 0 0 0 可以充分满足系统开发的需求。 如果在此基础上开发一套实用的数控编程系统，其经济效益和社会效益将是巨大 的，具有广阔的应用前景。开发基于a u t o c a d 的数控自动编程系统可以解决目 前国内在c a d c a m 应用方面的一些问题： 开发一个基于a u t o c a d 的数控自动编程系统，可以解决目前许多企业中设 计与加工相分离的问题。由于该系统是基于a u t o c a d 开发的，所以可以保 证产品信息的完整性与正确性，实现设计与加工的无缝集成与共享； 真接在a u t o c a d 上进行系统的开发，利用a u t o c a d 作为系统的图形输入器， 可以减小系统的开发代价，同时可靠性和通用性比较高。如果要重新开发自 己的图形输入器和底层库，其开发代价是非常大的，而且通用性，性能可靠 性不能得到保证。 1 4 论文的研究目标和研究内容 1 4 1 基于a u t o c a d 的数控自动编程系统的研究现状分析 由于基于a u t o c a d 的数控自动编程系统在国内具有广阔的应用前景，所以 已有许多单位在这方面进行了大量的研究并开发了相应的编程系统，如基于 a u t o c a d 的a p t 语言自动编程系统，基于a u t o c a d r l 4 和v b 5 开发的数控自 l l 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 动编程系统，基于a u t o c a d 开发的电火花仿铣加工系统等等。许多系统已在实 际中得到应用，并产生了良好的经济效益。但总的来说，国内在开发基于 a u t o c a d 的数控自动编程系统方面深度和广度还不够，存在一些问题： 各系统都具有自己的特色，专用性比较强，但扩展性不够。其应用范围十分 有限，难以形成商品化； 大多数系统的开发都集中在二维及二维半加工，对三轴以上的加工，如三维 自由曲面的加工，研究开发的较少； 各系统的开发大多都集中在制造加工方面，缺乏对a u t o c a d 本身几何设计 能力的扩展； 在数控指令集的仿真模拟方面，大多数系统的研究开发都集中在二维轮廓加 工的线架式模拟，对a u t o c a d 平台上的三维自由曲面加工模拟及实体造型 模拟，由于开发难度和代价较大，研究开发的较少。 1 4 2 论文的研究目标和研究内容 本论文的目标是研究并实现基于a u t o c a d 的数控自动编程系统。针对该目 标，并根据以上对基于a u t o c a d 的数控自动编程系统的研究现状分析，本论文 确定的研究内容如下： 通过对基于a u t o c a d 的数控自动编程系统所应具备的功能和与实现这些功 能有关的信息的研究与分析，建立系统的功能模型和结构模型。通过功能模 型图详细描述系统各个功能模块的输入输出和相互之间的接口，并对系统的 总体结构和工作原理进行讨论和设计； 扩充a u t o c a d 的产品设计能力，以提高一些常见零件复杂轮廓( 如齿轮、 凸轮) 的绘制及编程效率。对在a u t o c a d 中如何拓展常见零件复杂轮廓的 绘制与编辑功能进行分析和讨论； 基于系统开发平台为a u t o c a d 2 0 0 0 ，分别对二维平面轮廓和三维自由曲面的 刀位数据计算方法进行讨论。主要是在满足加工精度的前提f ，如何使系统 的运算量及刀位数据量得到优化： 分别对二维轮廓加工和三维自由曲面加工中的干涉处理算法进行讨论。对二 维轮廓加工，重点分析无干涉刀具轨迹的生成算法：对三维自由曲面加工， 重点分析刀位点的干涉检查算法； 基于系统开发平台为a u t o c a d 2 0 0 0 ，对数控指令集的动态仿真与模拟方法进 行分析与讨论。主要是在数控加工指令的正确性得到验证的情况下，如何结 合多种模拟方法，以提高系统的运行效率。 第二章数控编程的基本原理浙江大学硕士学位论文 第二章数控编程的基本原理 2 1 自动编程的一般原理 自动编程的一般过程如图2 一l 所示：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编程系统对输 入信息进行翻译，形成机内零件的几何数据与拓扑数据；然后进行工艺处理，确 定加工方法、加工路线和工艺参数：通过数学处理计算刀具的运动轨迹，并将其 离散成为一系列的刀位数据( 包括每一次走刀运动刀位点的坐标数据及所需的工 艺参数) ：根据某一具体数控系统所要求的指令格式，将生成的刀位数据通过后 置处理生成最终加工所需的n c 指令集；对n c 指令集进行校验( 干涉检查、动 态模拟等) 及修改；通过通讯接口将计算机内的n c 指令集送入机床的控制系统。 整个数控自动编程系统分为前置处理和后置处理两大模块。 修 改 图2 1 自动编程的一般原理 对于a p t 语言自动编程和图形交互式自动编程，编程信息的输入方式和计 算机对信息的处理方式是不同的。使用a p t 语言进行自动编程时，编程人员根 据所用数控语言的编程手册及零件图纸，编写零件源程序来表达加工的全部内 容，然后再把这些内容全部输入到计算机中进行处理，生成可直接用于数控加工 第二章数控编程的基本原理浙江大学硕士学位论文 的n c 代码。进行图形交互式自动编程时，编程人员在对零件图样进行工艺分析 确定构图方案后，通过与计算机交互的方式完成对零件图形的定义、刀具的选择、 起刀点的确定、走刀路线的选择及加工参数的选择，最后经系统处理得到所需的 n c 加工代码，这种方法也是目前大多数c a m 系统所采用的编程方法。 2 2 自动编程中的工艺处理 工艺处理涉及的问题很多，主要应注意以下几点： 1 确定加工方案 根据零件的几何形状及技术要求，选择合适的数控加工设备。此时应考 虑数控机床使用的合理性及经济性，并充分发挥数控机床的性能； 2 正确地选择零件的装夹方法及选择夹具 在数控加工中，要注意减少零件加工的辅助时间，使用夹具要加快零件 的定位和夹紧过程。 3 合理地选择走刀路线 选择走刀路线时应注意： 保证零件的加工精度及表面粗糙度； 取最佳路线，即尽量缩短走刀路线，减少空行程，提高生产率，并 保证安全可靠： 有利于数值计算，减少工作量： 如加工空间曲面时，走刀路线如果选择正确，可极大地提高生产率。 如加工半椭圆柱面时，可以采用三种走刀方式，沿母线方向的行切 法，沿垂直于轴线方向的行切法和环切法。如采用第一种方式，沿 母线切削，每次走直线，刀位点计算简单，且加工过程符合直纹面 的形成规律。如采用第二种方式，沿垂直于轴线方向，切削为一组 椭圆，数控机床一般只具有直线和圆弧差补功能，因此椭圆需用直 线段逼近，刀位点计算复杂。 4正确地选择对刀点 进行数控编程时，首先应选择对刀点，对刀点是指在进行数控加工时， 刀具相对于工件运动的起点，也称为程序原点。对刀点的选择原则如下： 选择对刀的位置，应使编程简单： ，对刀点在机床上容易找正，方便加工； 加工过程便于检查： 引起的加工误差小； 对刀点可以设在加工零件或夹具和机床上，但必须与零件的定位基准有确 1 4 第二章数控编程的基本原理浙江大学硕士学位论文 等。 定的关系。为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量选在零件的设计基准 或工艺基准上。对于以孔定位的零件，可以取孔的中心作为对刀点。对刀 点不仅仅是程序的起点，而且往往是程序的终点，因此在生产中，要考虑 对刀的重复精度。对刀时，应使对刀点与刀位点重合。刀位点是刀具的定 位基准点，对球头刀是指球头刀的球心，对车刀是刀尖，对立式铣刀是刀 具轴线与刀具底面的交点，对于钻头是钻尖。 5正确地选择换刀点 换刀点应根据工序内容安排，为了防止换刀时刀具碰伤工件，换刀点往 往设在零件的外面。 6 刀具的选择 刀具的选择应根据工件的材料性能，机床的加工能力，数控加工工序的 安排，切削参数及其它与加工有关的因素。如加工变斜角零件时经常采 用锥形刀和鼓形刀，锥形刀切削条件好，加工效率高，工件表面粗糙度 低，但加工变斜角零件的灵活性小，当工件的斜角变化范围大时需要中 途分阶段换刀，留下的金属残痕多。鼓形刀的刃口纵剖面磨成圆弧形， 加工时控制刀具的上下位置，相应改变刀刃的切削部位，就可以在工件 上切出从正到负的不同斜角，圆弧半径越小，刀具所能适应的斜角范围