數(shù)控加工自動編程方法及其發(fā)展

1、前一頁后一頁退出1前一頁后一頁退出第六講數(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(jī)床加工系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控編程已成為數(shù)控機(jī)床加工編程的主流，由編程的主流，由CAD系統(tǒng)所生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型將系統(tǒng)所生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型將在在CAM系統(tǒng)中直接轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的加工模型，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

2、跡的定義、刀具的選擇、加工參數(shù)的設(shè)定、刀具軌跡的計(jì)算、數(shù)控加工程序的自動生成、加工模擬等數(shù)控計(jì)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。編程的整個過程。2前一頁后一頁退出 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 三、CADCAM系統(tǒng)自動編程3前一頁后一頁退出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(jī)型：Ideas、Pro/e、UG、Catia微機(jī)型：MasterCAM、SurfCAM、PowerMILL、Cimtron、EdgeCAM、CAMworks、GibbsCAM、CAXA制造工程師4前一頁后一頁退出 常

3、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(yàn)證、后置處理、動態(tài)仿真等基本功能。5前一頁后一頁退出 2、 CADCAM系統(tǒng)自動編程的基本步驟6前一頁后一頁退出 3、 CADCAM軟件系統(tǒng)自動編程特點(diǎn)1）將零件加工的幾何造型、刀位計(jì)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

4、改問題；2）3）有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品設(shè)編程過程是在計(jì)算機(jī)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；計(jì)（CAD）與數(shù)控加工編程（NCP）的集成，還便于與工藝過程設(shè)計(jì)（CAPP），刀夾量具設(shè)計(jì)等其它生產(chǎn)過程的集成。7前一頁后一頁退出 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(jī)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。8前一頁后一頁退出9前一頁后一

5、頁退出球頭銑刀在帶有復(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(diǎn)，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(qiáng)度高的特點(diǎn)；圓角銑刀被廣泛應(yīng)用于粗，精銑削加工中，具有球頭銑刀和平底銑刀共有的特點(diǎn)。10前一頁后一頁退出刀觸點(diǎn)與刀位點(diǎn)作用在刀具上的兩個位置點(diǎn)應(yīng)特別予以重視，一是刀觸點(diǎn)，另一為刀位點(diǎn)。所謂刀觸點(diǎn)刀觸點(diǎn)即為加工過程中刀具與工件實(shí)際接觸的點(diǎn)，由它產(chǎn)生最終的切削效果，如圖7-5中的A點(diǎn)。而刀位點(diǎn)刀位點(diǎn)是數(shù)控編程中表示刀具編程位置的坐標(biāo)點(diǎn)，如圖7-5中的O點(diǎn)。11前一頁后一頁退出刀具的參數(shù)定義在CA

6、M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。12前一頁后一頁退出 三、刀具運(yùn)動控制面 為了確定刀具切削運(yùn)動軌跡，通常CADCAM系統(tǒng)要求用戶給定與刀具運(yùn)動相關(guān)的三個控制面，即：零件面、導(dǎo)動面和檢查面，如圖7-7所示。13前一頁后一頁退出零件面（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。14前一頁后一頁退出 導(dǎo)動面（Drive Surface） 導(dǎo)動面是指在刀具切削運(yùn)動中

7、引導(dǎo)刀具運(yùn)動的面，它控制刀具在指定的公差范圍內(nèi)運(yùn)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(yùn)動（Left），刀具沿導(dǎo)動面的右側(cè)運(yùn)動（Right），刀具在導(dǎo)動面上運(yùn)動（On），或者說刀具中心沿導(dǎo)動曲線運(yùn)動。導(dǎo)動面在加工過程中是不斷變化的表面。15前一頁后一頁退出檢查面（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(jì)算刀具切削過程中的干涉，避免過切現(xiàn)象的產(chǎn)生。16前一頁后一頁退出 四、切削加工中的階段劃分17前一頁后一頁退出 第三節(jié) 數(shù)控編程中的刀位計(jì)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

8、差進(jìn)行刀位點(diǎn)的計(jì)算。所謂刀位點(diǎn)即為刀具運(yùn)動過程中相關(guān)的坐標(biāo)點(diǎn)。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(jì)算刀位點(diǎn)。18前一頁后一頁退出 一、非圓曲線刀位點(diǎn)的計(jì)算用直線段逼近輪廓曲線的節(jié)點(diǎn)計(jì)算常用的節(jié)點(diǎn)計(jì)算方法有等間距法，等弦長法和等誤差法幾種。19前一頁后一頁退出 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

9、加工完畢。20前一頁后一頁退出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??；切削行距越小，殘留高度越小，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。21前一頁后一頁退出平面加工時行距S的確定則22前一頁后一頁退出曲面加工時行距S的確定直接給出：23前一頁后一頁退出 三、平面型腔零件加工刀位點(diǎn)的計(jì)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

10、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(jī)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。24前一頁后一頁退出平面型腔構(gòu)成示意25前一頁后一頁退出行切法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。26前一頁后一頁退出 行切法的刀位點(diǎn)計(jì)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(jì)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)

11、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。27前一頁后一頁退出 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(diǎn)，是一種常用的數(shù)控加工方法之一。環(huán)切法刀位點(diǎn)計(jì)算比較復(fù)雜，尤其帶有多島多坑的復(fù)雜型腔的刀位點(diǎn)計(jì)算是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。28前一頁后一頁退出環(huán)切法刀位計(jì)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)

12、計(jì)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。29前一頁后一頁退出30前一頁后一頁退出 在型腔輪廓邊界偏置環(huán)計(jì)算過程中，將伴的三種特殊情況：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7-1731前一頁后一頁退出內(nèi)外輪廓偏置環(huán)自交問題的處理-去逆時針環(huán)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L232前一頁后一頁退出 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、

13、方角過渡、三角過渡等（圖7-19）。33前一頁后一頁退出 五、曲面加工中的刀位計(jì)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）34前一頁后一頁退出 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(yùn)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

14、以及加工精度等綜合因素決定。35前一頁后一頁退出36前一頁后一頁退出（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(jì)算所消耗時間較長。37前一頁后一頁退出38前一頁后一頁退出 （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(diǎn)開始向下切削，直至將整個曲面加工完畢，如圖

15、7-23所示。這種加工方法，刀位計(jì)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。39前一頁后一頁退出40前一頁后一頁退出 六、刀具的干涉檢驗(yàn)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。41前一頁后一頁退出42前一頁后一頁退出（1）刀具運(yùn)動方向的干涉檢這種干涉檢查方法僅校核檢查刀具運(yùn)動方向上的僅校核檢查刀具運(yùn)動方向上的加工干涉，加工干涉，

16、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(yùn)動軌跡，直至消除為止。如圖7-25a所示，在刀具切削運(yùn)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(yùn)動方向上所造成的過切，如圖7-25b所示，當(dāng)?shù)毒咔邢鬟\(yùn)動方向改變后便會產(chǎn)生加工過程的過切。43前一頁后一頁退出44前一頁后一頁退出45前一頁后一頁退出 （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(yùn)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(fèi)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（

17、Patch）。如圖7-26所示，計(jì)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。46前一頁后一頁退出47前一頁后一頁退出 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，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。48前一頁后一頁退出 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

18、刀。在滿足要求的情況下，優(yōu)先選用平底刀具優(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)，。刀具的選擇應(yīng)是，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。49前一頁后一頁退出 2、加工路徑的選擇，因?yàn)榇旨庸r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)。可根據(jù)加工的部位適當(dāng)改變安全平面的高度以提高效率。，這樣可大大減少空行程，切削效率提高。因?yàn)榫庸r切削力較小，對順銑、逆銑方法反映不敏感。50前一頁后一頁退出 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(diǎn)是不相同的。粗加工選擇進(jìn)刀方式主要考慮

19、的是刀具切削刃的強(qiáng)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(diǎn)應(yīng)放在工件毛坯的外部，逐漸向毛坯里面進(jìn)行進(jìn)刀；對于型腔的加工，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。51前一頁后一頁退出52前一頁后一頁退出 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)53前一頁后一頁退出54前一頁后一頁退出55前一頁后一頁退出 2、三維切削加工時刀具的切入切出引導(dǎo)56前一頁后一頁退出 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(diǎn)的

20、計(jì)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(diǎn)原則：1）使被加工零件獲得良好的加工精度和表面質(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(jì)算容易，減少刀位計(jì)算工作量，提高編程效率。57前一頁后一頁退出例：發(fā)動機(jī)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(jì)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(jì)算復(fù)雜，計(jì)算量大、程序段多。58前一頁后一頁退出例，型腔加工的三種不同方法59前一頁后一頁退出例，走刀角度的選擇60前一頁后一頁退出 2、走刀路線的優(yōu)化 如果在一個加工零件

21、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(yùn)動路線，這便是走刀路線的優(yōu)化問題，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(yùn)動路線最短。 在CAM系統(tǒng)中，刀具路線優(yōu)化可有兩種計(jì)算方法，一種為，另一種為61前一頁后一頁退出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。62前一頁后一頁退出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。63前一頁后一頁退出64前一頁后一頁退出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多次換