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第1章自动编程基础 随着航空工业 汽车工业和轻工消费品生产的高速增长 复杂形状的零件越来越多 精度要求也越来越高 数控技术是现代机械加工的重要基础与技术 数控加工的应用可提高生产率 稳定加工质量 缩短加工周期 增加生产柔性 实现对各种复杂精密零件的自动化加工 如图1 1所示的车铣中心 易于在工厂或车间实行计算机管理 还使车间设备总数减少 节省人力 改善劳动条件 有利于加快产品的开发和更新换代 提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益 1 1CAD CAE CAM软件应用 CAD CAE CAM 计算机辅助设计 分析及制造 构成了一个现代制造业计算机应用的主要部分 对于机械制造行业 设计 制造水平和产品的质量 成本息息相关 人工设计 单件生产这种传统的设计与制造方式已无法适应工业发展的要求 采用CAD CAE CAM的技术已成为整个制造行业当前和将来技术发展的重点 1 1 1CAD CAE CAM特点 对于产品从设计 验证 制造整个过程的CAD CAE CAM软件解决方案的大型软件 一般具备以下技术特点 1 集成化 一个完全集成的CAD CAE CAM软件 能对产品进行计算机辅助设计 计算机辅助分析和计算机辅助制造整个开发过程 如图1 2所示 2 相关性 通过主模型的相关性能快速地完成产品分析 装配 二维工程图 加工等 同时主模型的更改能反应到子档 子档的更改也会对主模型进行更新 如图1 3所示 3 并行协作 通过使用主模型 产品数据管理 产品可视化运用Internet远程连接各企业计算机 使在不同企业 不同地方的工程师参与产品的开发 1 1 2CAD CAE CAM软件分类 CAD CAE CAM技术伴随计算机的发展历史 先后走过大型机 小型机 工作站 微型计算机 现在主要以微型计算机平台CAD CAE CAM软件为主 企业可以根据自身的条件采购适合的CAD CAE CAM软件 现在主要流行的软件有以下几大类型 1 大型软件 大型CAD CAE CAM软件有Unigraphics Pro Engineer CATIA等 这类软件的特点是高效的参数化设计 变量化设计及特征造型技术与传统的实体和曲面造型功能结合在一起 加工类型完备 计算准确 实用性强 是航空 汽车 造船行业的首选软件 2 中型软件 CIMATRON是中型CAD CAM软件的代表 这类软件实用性强 提供了比较灵活的用户界面 优良的三维造型 工程绘图 全面的数控加工 各种通用 专用数据接口以及集成化的产品数据管理 3 独立软件 相对独立的CAD CAM系统有Autocad Mastercam Surfcam等 这类软件功能单一 针对性强 比如Mastercam主要通过中性文件 stp igs 从其他CAD系统获取产品几何模型 系统主要有交互工艺参数输入模块 刀具轨迹生成模块 刀具轨迹编辑模块 三维加工动态仿真模块和后置处理模块 1 2数控编制基础 数控机床 NC 是一种高效的自动化数字加工设备 它严格按照加工程序 自动地对被加工工件进行加工 数控系统外部输入的直接用于加工的程序称 手工输入 网络传输 DNC传输 为数控程序 执行数控程序对应的是数控系统内部的数控系统软件 数控系统是用于数控机床工作的核心部分 数控系统的种类繁多 使用的数控程序语言规则和格式也不一定相同 学习时以ISO国际标准为主的数控编制方法 当针对某一类型的数控机床编制加工程序时 应该严格按机床编程手册中的规定 1 2 1数控程序编制的概念 在编制数控加工程序前 应首先了解 数控程序编制的主要工作内容 程序编制的工作步骤 每一步应遵循的工作原则等 最终才能获得满足要求的数控程序 如下列所示的程序样本 N0010G40G17G90G70N0020G91G28Z0 0N0030T00M06N0040G0G90X 0733Y 0484S500M03N0050G43Z1 2992H00N0060Z1 0236N0070G1X 0569Y 0695Z1 0164F150M08N0080X 0317Y 084Z1 0087N0090X 0073Y 0895Z 9981 1 2 2数控编制步骤 数控编制是数控加工的一项重要工作 是机床开动的前提 合格的数控程序不仅要保证加工出符合零件图样要求的合格零件 还应该使数控机床得到合理的应用与充分的发挥 使数控机床能安全 可靠 高效的工作 数控编程是指从零件图纸到得到数控加工程序的全部工作过程 如图1 4所示 编程工作主要包括以下几大类型 1 2 3数控程序编制的方法 数控加工程序的编制方法主要有两种 手工编程和自动编程 1 手工编程 手工编程指由人工来完成数控编程中各个阶段的工作 如图1 5所示 一般对几何形状不太复杂的零件 平面轮廓类型 所需的加工程序短 计算比较简单 用手工编程比较合适 手工编程的特点 耗费时间较长 容易出现错误 无法胜任复杂形状零件的编程 2 计算机自动编程 自动编程是指在编程过程中 除了分析图样和制定工艺方案由人工进行外 其余工作均由计算机辅助完成 手工编程的极限为2 5轴加工 而采用自动编程可以达到3 5轴联动加工 完全能胜任杂形状零件的编程 比如螺旋桨 机翼的加工 1 2 4程序格式 程序段是可作为一个单位来处理的 连续的字组 是数控加工程序中的一条语句 一个数控加工程序是若干个程序段组成的 1 程序段格式程序段格式是指程序段中的字 字符和数据的安排形式 现在一般使用字地址可变程序段格式 每个字长不固定 各个程序段中的长度和功能字的个数都是可变的 地址可变程序段格式中 在上一程序段中写明的 本程序段里又不变化的那些字仍然有效 可以不再重写 这种功能字称之为续效字 2 加工程序的一般格式 1 程序开始符 结束符 2 程序名 3 程序主体 4 程序结束指令 1 3机床的坐标系 规定数控机床的坐标系及运动方向 是为了准确地描述机床的运动 简化程序编制的方法及保证纪录数据的互换性 控机床的坐标系和运动方向均已标准化 ISO和我国机械工业部都拟定了命名的标准 对机床坐标系和运动方向作了明文规定 1 3 1机床坐标系的确定 由于数控机床的种类繁多 机床坐标系的统一性有利用编程的方便 机床坐标系的确定主要包含 坐标系和运动方向的命名原则 机床坐标系的规定和运动方向 1 坐标系和运动方向的命名原则 由于数控机床的种类繁多 为了编程的方便 不管是在任何数控机床上 都始终认为工件是静止的 而刀具是运动的 因此编程人员不需要考虑机床工件与刀具具体运动的情况 就可以依据零件图样 确定数控机床的加工过程 2 机床坐标系的规定 数控机床上运动的位移和运动的方向需要通过坐标系来实现 这个坐标系被称作为机床坐标系 在数控机床工作时 机床各轴的运动是由数控装置来控制的 机床坐标系就确定了机床的成形运动和辅助运动 比如数控铣床上有的3个轴的运动 纵向运动 横向运动以及垂向运动 3 运动方向以右手笛卡尔直角坐标为基础 远离某个刀具与工件距离的方向即为该坐标轴的正方向 如图1 8所示为数控车床上两个运动的正方向 1 3 2机床原点的设置 机床原点是指在机床上设置的一个固定点 即机床坐标系的原点 它在机床生产企业装配 调试时就已确定下来 是数控机床进行加工运动的基准参考点 1 数控车床的原点在数控车床上 机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处 同时 通过设置参数的方法 也可将机床原点设定在X Z坐标的正方向极限位置上 2 数控铣床的原点在数控铣床上 机床原点一般取在X Y Z坐标的正方向极限位置上 1 3 3机床参考点 机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点 机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的 坐标值已输入数控系统中 因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数 通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的 而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点 图1 9所示为数控车床的参考点与机床原点 数控机床开机时 必须先返回机床原点 而确定机床原点的运动就是刀架返回参考点的操作 这样通过确认参考点 就确定了机床原点 只有机床参考点被确认后 刀具 或工作台 移动才有基准 1 3 4编程坐标系 编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系 编程坐标系一般供编程使用 确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置 如图1 10所示 其中O1即为编程坐标系原点 1 3 5工件坐标系 工件坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系 工件坐标也称为程序原点 是指零件被装夹好后 相应的编程原点在机床坐标系中的位置 在加工过程中 数控机床是按照工件装夹好后所确定的加工原点位置和程序要求进行加工的 编程人员在编制程序时 只要根据零件图样就可以选定编程原点 建立编程坐标系 计算坐标数值 而不必考虑工件毛坯装夹的实际位置 1 4刀具的补偿 刀具的补偿包括长度补偿 半径补偿 尤其是刀具半径尺寸影响最大 在零件轮廓铣削加工时 刀具的中心轨迹与零件轮廓往往不一致 为了避免计算刀具中心轨迹 直接按零件图样上的轮廓尺寸编程 数控系统提供了刀具半径补偿功能 如图1 11所示 1 4 1长度补偿 在实际加工当中刀具的长度不统一 刀具磨损 更换刀具等原因引起刀具长度尺寸变化时 编程人员不必考虑刀具的实际长度及对程序的影响 可以通过使用刀具长度补偿指令来解决问题 在程序中使用补偿 并在数控机床上用MDI方式输入刀具的补偿量 就可以正确的加工 当刀具磨损也只要修正刀具的长度补偿量 而不必调整程序或刀具的加持长度 如图1 12所示 G43 刀具长度正补偿 将Z坐标值与长度补偿的量相加 G44 刀具长度负补偿 将Z坐标值与长度补偿的量相减 G49 撤消补偿 刀具的长度补偿格式为 G01G43 或G44 H 建立补偿 切削加工 G49 补偿撤消 1 4 2半径补偿 在零件轮廓铣削加工时 由于刀具半径尺寸影响 车刀受刀尖半径的影响 刀具的中心轨迹与零件轮廓往往不一致 为了避免计算刀具中心轨迹 直接按零件图样上的轮廓尺寸编程 数控系统提供了刀具半径补偿功能 1 刀补指令 G40 取消刀尖半径补偿 G41 左刀补 在刀具前进方向左侧补偿 如图1 13所示 G42 右刀补 在刀具前进方向右侧补偿 如图1 13所示 G40 G41 G42都是模态代码 可相互注销 2 补偿格式从G40方式变为G41或G42方式的第一个程序段 称为起始补偿程序段 G40X0 Y15 G41X10 起始补偿程序段 在起始补偿段刀具进行偏置移动 该段后的第一个程序段中 刀具在程序段的起始处刀尖中心线的运动轨迹垂直 3 取消补偿从G41或G42方式中 变到G40的程序段称为取消偏置程序段 G41X0 Y15 G40 补偿取消程序段 取消补偿程序段的前一个程序段的终点 刀尖R中心垂直于编程轨迹 在G40的程序段中 刀具移向终点 1 5数控加工工艺设计 数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺有许多相同之处 但在数控机床上加工的零件要比通用机床加工零件的工艺规程要复杂 在数控加工前 要将机床的运动过程 零件的工艺过程 刀具的形状 切削用量和走刀路线等都编入程序 在进行数控加工工艺设计时 一般应进行以下几方面的工作 数控加工工艺内容的选择 数控加工工艺性分析和数控加工工艺路线的设计 1 5 1数控加工内容的选择 对于一个零件来说 并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成 只是其中的一部分工艺内容适合数控加工 这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析 选择那些适合进行数控加工的内容和工序 在选择时 一般可按下列顺序考虑 普通机床无法加工的内容应作为优先选择内容 普通机床难加工 质量也难以保证的内容应作为重点选择内容 普通机床加工效率低 劳动强度大的内容 1 5 2数控加工工艺性分析 数控加工工艺性问题涉及面很广 零件种类不同则工艺不同 结合编程的可能性和方便性以下提出一些必须分析和审查的主要内容 尺寸标注应符合数控加工的特点 几何要素的条件应完整 准确 定位基准可靠 统一几何类型及尺寸 1 5 3数控加工路线的设计 理想的加工程序不