《CAD CAM技术》-CAD CAM技术第七章

7.1CAM概述计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)就是利用计算机来代替人去完成制造以及与制造系统有关的工作，其核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。CAM是CAD/CAM及CIMS的重要组成部分。一个大规模的计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构的网络，它由两级或三级计算机组成。计算机辅助制造系统的组成可以分为硬件和软件两方面:硬件方面有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等;软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。返回7.2数控加工与数控编程概述数控加工也称为NC(NumericalControl)，是泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。数控编程，是指编写加工指令的过程，即把加工零件的工艺过程、工艺参数和运动要求用数字指令的形式(数控语言)记录在介质上。由图7-1可见，在数控机床上加工零件所涉及的范围很广，与相关的配套技术有密切关系。7.2.1数控加工一、数控加工的概念数控加工是指在数控机床上进行自动加工零件的一种工艺方法。一般来说，数控加工的主要内容有:下一页返回7.2数控加工与数控编程概述①对零件图进行数控加工的工艺分析;②选择并确定零件的数控加工内容;③设计数控加工的工艺;④编写数控加工程序单(数控编程时，需对零件图形进行数学处理;自动编程时，需进行零件CAD、刀具路径的产生和后置处理);⑤按程序单制作程序介质;⑥数控程序的校验与修改;⑦首件试加工与现场问题处理;⑧数控加工工艺技术文件的定型与归档等。在这里简单介绍一下数控加工中的常用术语。(1)两坐标和多坐标加工上一页下一页返回7.2数控加工与数控编程概述(2)刀具补偿二、数控加工原理最初的数字控制系统是由数字逻辑电路构成的，因而称为硬件数控系统。随着计算机技术的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统(ComputerNumerialControl,CNC)。由于计算机完全由软件处理数字信息，从而具有真正的柔性，并可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。在机床控制中，“数字控制”和“顺序控制”是两个不同的概念。随着社会生产和科学技术的进步，数控技术不仅应用于机床的控制，还用于控制其他设备，产生了诸如数控线切割机、数控绘图机、数控测量机、数控冲剪机等数控设备，仅数控机床就有数控车床、数控上一页下一页返回7.2数控加工与数控编程概述铣床、数控钻床、数控磨床、数控加工中心和数控车削中心等。数控机床的组成如图7-3所示。三、数控加工的特点(1)适合于复杂零件的加工(2)加工精度高，加工稳定可靠(3)高柔性(4)生产效率高(5)自动化程度高.劳动条件奸(6)生产准备工作复杂(7)有利于实现现代化管理上一页下一页返回7.2数控加工与数控编程概述四、数控加工的适应范围①批量小而又多次重复生产的零件;②几何形状复杂、精度要求较高，在普通机床上无法加工或难以加工的零件;③贵重零件加工;④试制件;⑤需要最小生产周期的零件。五、数控加工技术的发展(1)高速度、高精度化(2)多功能化(3)智能化上一页下一页返回7.2数控加工与数控编程概述(4)数控编程自动化(5)可靠性最大化(6)控制系统小型化六、数控加工的人才需求7.2.2数控编程一、数控编程的内容和步骤一般来说，数控编程过程主要包括:零件图样分析、工艺处理、数学处理、程序单编写、数控程序输入及程序检验，典型的数控编程过程如图7-4所示。1.零件图纸分析、加工工艺过程确定2.加工工艺决策上一页下一页返回7.2数控加工与数控编程概述(1)确定加工方案(2)工夹具的设计和选择(3)选择合理的走刀路线(4)选择合理的刀具(5)确定合理的切削用量3·刀位轨迹计算在计算刀具加工轨迹前，正确选择编程原点和工件坐标系是极其重要的。工件坐标系是指在数控编程时，在工件上确定的基准坐标系，其原点也是数控加工的对刀点。工件坐标系的选择原则为:①所选的工件坐标系应使程序编制简单;②工件坐标系原点应选在容易找正、并在加工过程中便于检查的位置;上一页下一页返回7.2数控加工与数控编程概述③引起的加工误差小。4.编制或生成加工程序清单5.程序输入6.数控加工程序正确性校验及首件试切二、数控程序编制的方法1.手工编程手工编程是指从零件图分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、制作控制介质直到程序校验等各个阶段均由人工完成的编程方法。由此可见，整个程序编制过程全部是手工作业，这样就难以避免出现以下问题:工作量大，表现在大量的计算、大量的程序书写、大量的介质制作;容易出错。上一页下一页返回7.2数控加工与数控编程概述对于几何形状不太复杂的零件，数值计算较为简单，所需的程序段不多，程序编制容易实现。这时用手工编程较为经济而且及时。因此，手工编程被广泛用于点位加工和形状简单的轮廓加工中。但是，下列情况不适合用手工编程:①形状较复杂的零件，特别是由非圆曲线、空间曲线等几何元素组成的零件;②几何元素并不复杂但程序量很大的零件，如在一个零件上有数百甚至上千个孔;③当铣削轮廓时，数控装置不具备刀具半径自动补偿功能，而只能以刀具中心的运动轨迹进行编程的情况。上一页下一页返回7.2数控加工与数控编程概述2.自动编程数控语言自动编程产生数控程序的基本过程如图7-5所示，整个编程过程以自动编程系统为核心分两个阶段展开，即源程序编制阶段和目标程序生成阶段。这里目标程序显然是最终可输入数控系统中控制机床加工的数控程序，而源程序(即零件加工源程序)则是以专门的数控编程语言编写的、供自动编程系统进行处理的程序。(1)源程序编制源程序是由编程人员根据被加工零件的图纸及其工艺要求，用专门的数控语言(如APT,EXAPT等)手工编写的，用以描述零件的几何形状、尺寸大小、工艺路线、工艺参数及刀具相对零件的运动轨迹等内容的一段文本。源程序类似高级语言程序，由规定的各种语句构成，这些上一页下一页返回7.2数控加工与数控编程概述语句可读性很好，编写也比较容易。源程序的编写质量直接影响目标程序的准确程度和质量，进而影响数控加工的质量和加工效率，因此应力争使其能够准确、完整地表示零件的几何信息和加工过程。(2)生成目标程序零件源程序并不能被数控系统所识别，因此不能直接控制机床。将编好的零件源程序输入计算机，由计算机完成后续工作直至自动生成可直接控制机床的加工程序，称为目标程序。通常所说的数控加工程序就是指目标程序。上一页返回7.3数控编程基础7.3.1程式格式1.程序结构一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。例如：下一页返回7.3数控编程基础1)程序号。在程序的开头要有程序号，以便进行程序检索。程序号就是给零件加工程序一个编号，并说明该零件加工程序开始。2)程序内容。程序内容部分是整个程序的核心，它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成，表示数控机床要完成的全部动作。3)程序结束。程序结束是以程序结束指令M02,M30或M99(子程序结束)，作为程序结束的符号，用来结束零件加工。2.程序段格式程序段格式是指一个程序段中字、字符和数据的书写规则。目前国内外广泛采用字一地址可变程序段格式。所谓字-地址可变程序段格式，就是在一个程序段内数据字的数口上一页下一页返回7.3数控编程基础以及字的长度(位数)都是可以变化的格式。不需要的字以及与上一程序段相同的续效字可以写。一般的书写顺序按表7-1所示从左往右进行，对其中不用的功能应省略。该格式的优点是程序简短、直观以及容易检验、修改。3.常用准备功能指令及用法(1)坐标系设定指令1)G92:设定工件坐标系。用绝对值编程时，必须设定工件坐标系，必须先将刀具的起刀点坐标及工件坐标系的绝对坐标原点(也称编程原点)告诉数控系统。当工件安装后，须确定工件零点在机床坐标系中的位置。G92指令用于实现此功能。上一页下一页返回7.3数控编程基础格式:G92X——Y——Z——;式中，X,Y,Z为当前刀位点在工件坐标系中的绝对坐标，由此也就确定了工件的绝对坐标原点位置。2)G54-G59:编程原点偏置。编程过程中，为了避免尺寸换算，需多次把工件坐标系平移。此法是将机床零点(参考点)与要设定的工件零点间的偏置坐标值，即工件坐标原点在机床坐标系中的数值，用手动输入方式输入，事先存储在机床存储器内，然后用G54-G59任一指令调用。这些坐标系的原点在机床重开机时仍然存在。用此方法可以将工件坐标系原点平移至工件基准处，如图7-7所示。3)G90,G91:绝对坐标编程与增量坐标编程。上一页下一页返回7.3数控编程基础如图7-9所示，要求刀具由A点直线插补到B点，用G90编程，其程序段为:N20G90GO1X10Y20;oG91则表示增量值，刀具运动的位置坐标是以刀具前一点的位置坐标与当前位置坐标之间的增量值给出的。4)G17,G18,G19:坐标平面选择指令。G17,G18,G19分别指定在XY、ZX、YZ平面上加工。(2)加工方式指令坐标1)G00:快速点定位指令。G00命令刀具以点定位控制方式从刀具所在点以最快速度移动到指定位置，用于刀具的空行程运动，它只是快速到位，而其运动轨迹根据具体控制系统的设计可以有不同。进给速度F对G00程序段无效。上一页下一页返回7.3数控编程基础G00是续效指令。指令格式:G00X——Y——Z——;其中，X,玖Z分别为G00的终点坐标。2)G01:直线插补指令。G01是直线运动指令，使机床各个坐标间以插补联动方式，按指定的F进给速度直线切削运动到规定的位置。指令格式:GO1X——Y——Z——F——；其中，X,Y,Z分别为GO1的终点坐标，F为指定进给速度(mm/min)。3)G02,G03:圆弧插补指令G02为顺时针圆弧加工，G03为逆时针圆弧加工。该指令使机床在各坐标平面内做圆弧切削运动，加工出圆弧轮廓，圆弧的顺、逆可按上一页下一页返回7.3数控编程基础图7-13给出的方法进行判断:沿圆弧所在平面(如XY平面)的另一坐标轴的负方向(-Z)看，刀具相对于工件的转动方向是顺时针方向，则为G02，逆时针方向则为G03。4)G04:暂停(延迟)指令G04指令可使刀具做短时间(如几秒钟)的暂停(延迟)，进行无进给的光整加工，用于车槽、锁平面、锁孔、惚孔等场合，以获得圆整而光滑的表面。5)G33:螺纹加工指令许多机床用G33作为公制螺纹简单循环加工指令。指令格式:G33D——I——X——L——P——Q—;其中，D为螺纹外径;X为螺纹根径;X为每次径向进给量;L为螺纹上一页下一页返回7.3数控编程基础有效长度;P为螺纹导程;Q为锥螺纹的锥角所对应的径向尺寸。(3)刀具补偿指令为了保证一定的精度和编程方便，通常需有刀具半径尺寸补偿和刀具位置尺寸补偿。1)G40,G41,G42:刀具半径补偿指令如图7-16所示，刀具半径补偿指令使刀具按程序坐标尺寸的法向偏置一个输入的半径值。G41为刀具半径左补偿指令，表示沿着刀具前进方向看，刀具偏在工件轮廓的左边;G42为刀具半径右补偿指令，表示沿着刀具前进方向看，刀具偏在工件轮廓的右边;G40表示刀具半径补偿注销指令，命令刀具中心与程序段给定的编程坐标点重合。G41,G42指令需要与G00-G03等指令共同构成程序段。G40、G41、G42上一页下一页返回7.3数控编程基础为模态指令。2)G43、G44:刀具长度补偿(偏置)指令刀具长度补偿又称刀具长度偏置。用于补偿编程刀具和实际使用的刀具之间的长度差。图7-18所示为用钻头钻孔的示意图，当用钻头钻一批工件之后，钻头进行重磨，钻头长度小于原来值，这时需要正补偿(图7-18(a));当这个钻头不能再继续使用，换上一个新的同规格的钻头时，钻头的长度大于原来那个钻头，这时需要负补偿(图7-18(b))。采用G43,G44指令，就可按实际情况选用不同的刀具长度进行编程;当刀具重磨或更换新刀时，也不必变更程序。补偿值的输入方法与刀具半径补偿的相同，只要把实际刀具长度变化之差输入CNC的H(补偿上一页下一页返回7.3数控编程基础号)指定的存储器中即可。刀具半径补偿和刀具长度补偿的使用过程应遵循以下三个步骤:建立刀补、刀具半径或长度补偿、取消刀补。4.常用辅助功能指令及用法辅助功能指令主要是控制机床开/关功能的指令，如主轴的启停、冷却液的开闭、运动部件的夹紧与松开等辅助动作。(1)M00:程序停止(2)M01:计划(选择)停止(3)M02:程序结束(4)M03,M04,M05:分别命令主轴正转、反转、停止运转(5)M06:换刀指令上一页下一页返回7.3数控编程基础(6)M07,M08:分别命令2号雾状切削液及1号液状冷却液开，用于切削液开(7)M09:切削液关(8)M10,M11:运动部件(如工作台、工件、夹具、主轴等)的夹紧和松开(9)M19:主轴定向停止，命令主轴准停在预定的角度位置上(10)M30:程序结束7.3.2零件加工程序的格式与组成1.程序段的格式程序段格式是指在同一个程序段中关于字母、数字和符号等各个信息代码的排列顺序和含义规定的表示方法。不同的数控系统，程序段上一页下一页返回7.3数控编程基础格式不一定相同。一般情况下，数控加工程序由若干个程序段组成，每个程序段包含若干个指令字(简称字)，每个字由若干个字符组成。一个程序段表示数控机床的一种操作，对应于零件的某道工序加工。程序段格式主要有固定顺序程序段格式、带分隔符的固定顺序程序段格式和字地址可变程序段格式三种形式。2.加工程序的结构与组成一个完整的加工程序包含若干程序段，由程序号、程序段和程序结束符号三部分组成。为便于理解加工程序的构成，下面以图7-20所示零件在数控机床上进行加工所编制的加工程序为例说明程序的构成。上一页下一页返回7.3数控编程基础假如在一个加工程序中，有几个一连串的程序段完全相同，为缩短程序，可将这些重复的程序段串单独编成一个子程序供调用，这样的程序结构，如需执行该子程序即可调用，并可多次重复调用。主程序调用子程序流程如图7-21所示。上一页返回7.4数控语言自动编程7.4.1APT语言编程一、概述数控语言系统有商用语言系统和自行研制语言系统两类。如前所述，商用的数控语言系统有很多种，其中APT应用最广。APTIII的出现，使数控编程从面向机床指令的手工编程上升到面向几何元素的高一级编程，它是可用于3~5坐标曲面加工的自动编程;APTW更是可进行自由曲面的自动编程，机械加工中遇到的各种几何形状，几乎都可以由数控编程系统给出刀具运动轨迹;APT-AC具有切削数据库管理的力;APT一SS是可以进行复杂雕塑曲面加工的自动编程。经过多年的不断使用和完善，APT系统已是一种功能非常丰富、通用性非常强的系统，在全世界范围得到广泛应用，许多系统都是在它的基础上下一页返回7.4数控语言自动编程发展起来的。二、APT语言基本元素1.基本符号①逗号“，”，用于分隔语句内的词汇、标识符和数据。②斜杠“/”，用来将语句分隔为主部和辅部，或者在计算语句中作除法运算符号。③星号“*”，这是乘法运算符号。④双星号“**”或“卞”，这是指数运算符号。⑤正号“+”，用来表示算术加法或规定一个数的符号。⑥负号“-”，用来表示算术减法或规定一个数的符号。⑦单美元符号“$”为续行符，表示语句未结束，延续到下一行。上一页下一页返回7.4数控语言自动编程⑧冒号“:”，用于分隔语句及其标号。⑨方括号“[]”，用于给出子曲线的起点和终点，或用于复合语句及下标变量中。⑩等号“=”，用于给定一个名字或者给标识符号赋值用。⑪分号“;”，作为语句结束符号。⑫圆括号“()”，用于括上算术自变量及几何图形语言中的嵌套定义部分。⑬小数点“.”，用于分隔数的整数部分和小数部分。2.词汇(1)几何元素词汇(2)几何位置关系状况词汇上一页下一页返回7.4数控语言自动编程(3)函数类词汇(4)加工工艺词汇(5)刀具名称词汇(6)与刀具运动有关的词汇3.语句语句是数控编程语言中具有独立意义的基本单位。它由词汇、数值、标识符号等按语法规则组成。按语句在程序中的作用，大致可分为几何定义语句、刀具运动语句、工艺数据语句等几类。三、APT源程序APT源程序一般由三个段落组成。比如:第一段说明数控程序针对的机床以及有关加工的其他参数;第二段说明零件的形状，这里定义的上一页下一页返回7.4数控语言自动编程形状是一系列的点、直线和圆弧，几何元素之间可以规定TANTO等关系;第三段说明刀具相对于零件的运动。每个段落包含若干条语句，而每条语句则由若干个AFT语言基本元素组成。四、APT程序实例7.4.2图形交互自动编程系统一、、图形交互编程的基本原理图形交互编程是一项在计算机辅助下人机交互工作的编程技术，是依靠专用的软件系统实现的。利用软件系统的图形编辑功能，通过鼠标、键盘、数字化仪等零件的几何图形及与加工有关的信息输入上一页下一页返回7.4数控语言自动编程计算机内，并形成零件的图形文件;然后调用数控编程模块，采用人机时对话的方式，在计算机屏幕上指定被加工的部位，再输入相应的加工参数，计算机便可自动进行必要的数学处理并编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。在人机交互过程中，根据“菜单”命令和屏幕上的“提示”，编程人员在计算机的引导下工作。菜单一般包括主菜单和各级分菜单，相当于语言编程系统中几何、运动、后置等处理阶段及其所包含的语句，只是表现形式和处理方式不同。二、图形交互式自动编程的特点①这种编程方法既不像手工编程那样需要用复杂的数学手段手工计算出各节点的坐标数据，也不需要像APT语言编程那样用数控编程语言上一页下一页返回7.4数控语言自动编程去编写描绘零件几何形状加工走刀过程及后置处理的源程序，而是在计算机上直接面向零件的几何图形，以光标指点、菜单选择及交互对话的方式进行编程，其编程结果也以图形的方式显示在计算机上。所以该方法具有简便、直观、准确、便于检查的优点。②图形交互式自动编程软件和相应的CAD软件是有机地连在一起的一体化软件系统，既可用来进行计算机辅助设计，又可以直接调用设计好的零件图进行交互编程，对实现CAD/CAM一体化极为有利。③这种编程方法的整个编程过程是交互进行的，简单易学，在编程过程中可以随时发现问题并进行修改。④编程过程中，图形数据的提取、节点数据的计算、程序的编制及输出都是由计算机自动进行的。因此，编程的速度快、效率高、准确性好。上一页下一页返回7.4数控语言自动编程⑤此类软件都是在通用计算机上运行的，不需要专用的编程机，所以非常便于普及推广。三、图形交互式自动编程的基本步骤目前，国内外图形交互式自动编程软件的种类很多，其软件功能、面向用户的接口方式有所不同，所以编程的具体过程及编程过程中所使用的指令也不尽相同。但总体来讲，其编程的原理和基本步骤大体上是一致的，归纳起来可分为如图7-23所示的几个基本步骤。1.几何造型2.加工工艺决策3.刀位轨迹的计算及生成上一页下一页返回7.4数控语言自动编程4.后置处理5.程序输出6.加工程序动态仿真上一页返回7.5数控程序的检验与仿真一、数控程序检验与仿真目的与意义二、数控程序检验与仿真方法1.试切法试切法是NC程序检验的有效方法。传统的试切是采用塑模、蜡模或木模在专用设备上进行的，通过塑模、蜡模或木模零件尺寸的正确性来判断数控加工程序是否正确。但试切过程不仅占用了加工设备的工作时间，需要操作人员在整个加工周期内进行监控，而且加工中的各种危险同样难以避免。2.刀具轨迹仿真法(1)刀具轨迹显示验证图7-24所示是采用球形棒铣刀五坐标侧铣加工透平压缩机叶轮叶片型下一页返回7.5数控程序的检验与仿真面的显示验证图，从图中可看出刀具轨迹与叶型的相对位置是合理的。截面法验证主要应用于侧铣加工、型腔加工及通道加工的刀具轨迹验证截面形式有横截面、纵截面及曲截面等三种方法。图7-25所示是采用二坐标端铣加工型腔及二坐标侧铣加工轮廓时的横截面验证图。如图7-26所示，在用球形刀加工自由曲面时，若选择的刀具半径大于曲面的最小曲率半径，