第八章CADpptWord下载.docx
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4．数控加工应用
适用于形状比较复杂、中批或中批以下生产类型、要求重复精度高以及在普通机床或自动机床和仿形机床上加工需要复杂工装的零件。
对形状比较简单、批量较大的产品，采用数控加工就不合算，应该采用其它自动化机床。
二、数控系统的类型
1．点对点控制
也称为点位控制，通常适用于不关心刀具相对于工件的运动轨迹的场合，比如钻孔、冲压以及直线铣削等。
这种方法只强调到达指定点时的坐标精度，至于在指定点之间运动的路径和速度则无关紧要。
2．轮廓控制
又称连续控制（continuouspath），在这种方法中，刀具相对于被加工工件严格精确的运动轨迹和速度意义重大，而且各方向上的运动、加速或减速必须协调同步，才能加工形状复杂的零件，绝大多数数控车床、数控铣床、数控磨床、焊接机床和加工中心均属此类。
3．自适应控制
可以根据切削环境地变化，自动对切削参数作相应的改变，使其更加适应新的环境，自适应一词由此而得。
比如，机床可以根据刀具的钝化程度、机床温升以及振动，自动调节切削用量。
三、插补方法（interpolation）
1．插补
为了加工出工件规定的表面形状，需要对走刀轨迹进行插补，即插补出刀位点。
2．线形插补（或称直线插补）
机床的运动部件（刀具或工作台）可以沿三个不同的方向（x、y、z轴）以不同的速率从起始点运动到终点。
从理论上讲，只要直线段长度足够小，用线形插补的方法可以加工出任意复杂的外形轮廓。
但是形状越复杂，要求的精度越高，则插补直线段越小，运算次数和产生的刀位点的数据也越多，效率就越低。
3．圆弧插补
使刀具按规定的圆弧进给，这时需要给定终点坐标、圆心坐标和圆的半径及刀具运动的方向（顺时针方向或逆时针方向）。
4．其它的插补方法
抛物线插补和三次曲线插补是比较常用方法，而三次曲线插补中，三次B-样条曲线插补应用较为广泛。
这些方法的突出特点是拟和精度比线形插补和圆弧插补高。
曲线插补应用较为广泛。
四、NC/CNC/DNC
1．直接数字控制
1）概念
它由一台中央主机直接对多台机床进行控制。
在这种系统中，操作者通过远程终端访问主机，多台机床可共用一台主机，由主机对这几台加工机床直接实施检测和控制。
2）特点
主机出现故障，所有机床将被迫停机等待。
2．计算机数字控制
以微机或微处理器作为控制机床和其它设备的中心部件，一台微机只控制一台机床或设备。
数控编程可远程脱机进行，也可在机床微机上直接编程，通过加工仿真确保数控程序的正确性。
数控程序被载入机床微机后，操作者可以随时对程序进行修改，机床微机中可储存多个零件的数控加工程序。
3．分布式数字控制
每台机床由各自携带的微机进行控制，相关的机床又通过专用的网络与一台中央主机连接，这台主机就构成了上层的控制系统。
当其中一台机床需要加工某一种零件时，操作者通过网络将该零件的数控程序从主机下载至这台机床的微机上，并储存起来以便调用。
第二节数控编程
一、数控编程基础
1．数控机床的坐标系统
在数控机床上，为了保证刀具相对于工件的正确运动，按规定的程序加工工件，必须有一个确定的坐标系。
我国1982年颁布了JB3051-82数控机床坐标和运动方向的命名标准：
机床标准坐标系采用笛卡儿直角坐标系，如图所示，其坐标轴命名为X、Y、Z，绕X、Y、Z轴旋转运动分别为A、B、C，X、Y、Z、A、B、C的正方向按右手螺旋法则判定。
机床上，传递切削力的主轴规定为Z坐标轴，当机床没有主轴时，则选垂直于工件装夹面的轴为主轴，Z轴的正方向规定为增大工件和刀具距离的方向。
X轴是水平的，且垂直于Z轴，它平行于工件的装夹面，X轴的正方向规定为刀具远离工件旋转中心方向。
Y轴垂直于X及Z轴。
2．代码
穿孔纸带就是数控机床常用的控制介质，目前应用最广泛的是八单位穿孔纸带，穿孔纸带经光电阅读器将纸带上孔的信息转化为数字信息，再输入到计算机中，控制机床运动。
纸带上有孔表示“1”，无孔表示“0”。
纸带上一排孔的组合便可表示一个字母、数字或符号，我们称之为代码。
目前，常用的代码有ISO（国际标准化组织）代码和EIA（美国电子协会）代码两种标准。
3．数控编程的指令代码
常用的指令代码主要有准备指令代码和辅助功能代码。
准备功能指令也称G指令，它是由字母“G”和其后的2位数字组成，从G00到G99。
辅助功能代码也称M指令它是由字母“M”和其后的2位数字组成，从M00到M99。
G指令和M指令已经标准化，采用ISO和EAI两种标准，另外还有S、F、T等指令，分别用来指定机床的主轴转速、进给速度和刀具号。
4数控程序的结构
程序可分为主程序和子程序。
有时为了简化主程序，常把某些重复出现的程序段编成一个子程序，供主程序随时调用。
一个完整的程序必须包括程序的开始部分、内容部分和结束部分。
5．刀具偏差补偿
数控加工常用的刀具有普通端铣刀、球头刀和鼓形刀。
因为刀具都有一定的半径，所以刀位点不在加工面上，而偏离一个距离。
当换用不同刀具加工时，需要重新计算。
目前的数控系统具有三维空间直线的刀具半径补偿功能。
二、数控编程的步骤
1．制定加工工艺
首先就是在工艺分析的基础上，根据数控机床的性能、零件的加工要求制定出合理的加工工艺。
（1）确定加工方案和机床类型
（2）确定零件合理的装夹方法并选择夹具
（3）合理地选择对刀点和换刀点
（4）确定走刀路径
2．计算运动轨迹坐标值
3．编写数控程序单
按照数控机床规定的程序格式和编程指令逐段编写数控加工程序。
4．制备控制介质
将程序单上的内容记录在控制介质上，然后输入到数控机床。
5．数控程序校验与试切
准备好的程序和穿孔纸带必须经过校验和试切，确认无误后方可进行正式加工。
现在已经可以采用先进的数控加工仿真系统对数控程序进行检验了。
三、数控编程的方法
1．手工编程
1）概念
手工编程也称人工编程，上述几方面的工作，即从分析零件图纸、制定零件工艺规程、计算刀具运动轨迹坐标值、编写加工程序单、制备控制介质直至程序校核等都是靠人工来完成的。
2）应用
用于形状比较简单，数值计算不复杂的零件，比较适于采用手工编程。
2．自动编程
也称为计算机辅助零件编程，即数控机床的程序编制的工作的大部分或一部分是由计算机来完成的。
自动编程具有编程速度快、周期短、质量高、使用方便等优点。
3）应用
能完成用手工编程无法编制的复杂零件的数控加工程序，而且零件越是复杂，其经济效益越好。
4）分类
自动编程根据编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同，主要有两种方法，即以自动编程语言为基础的自动编程方法和以计算机绘图为基础的交互式自动编程方法。
3．以数控编程语言为基础的自动编程方法
依据所用数控语言的编程手册以及零件图样，以语言的形式表达出加工的全部内容，然后再把这些内容全部输入计算机中进行处理，制作出可以直接用于数控基础的NC加工程序。
2）特点采用数控语言编程具有程序简练、走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向元素——点、线、面的高级语言级。
3）缺点
零件的设计与加工之间用图纸传递数据，阻碍了设计与制造的一体化。
图纸的解释、工艺过程规划要工艺人员完成，对用户的技术水平要求较高。
系统本身缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段。
此种自动编程方法中最常用的自动编程语言是著名的APT（AutomaticallyProgrammedTools）语言
4．以计算机绘图为基础的交互式自动编程方法。
图形交互编程技术通过专门的计算机软件来实现，这软件通常以软件为基础，利用CAD的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件；
然后调用数控编模块，采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位，再输入相应的加工工艺参数，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，同时在屏幕上动态显示刀具的加工轨迹。
这种编程方法具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优点。
目前以成为国内外先进的CAD/CAM软件普遍采用的数控编程方法。
第三节数控语言自动编程
一、语言编程的步骤
1．编程人员利用编程语言把输入的零件图编写数控加工源程序
2．计算机对对零件源程序进行处理，
1）前置处理阶段
又可分为输入翻译、数值计算和刀具偏置补偿三个部分。
前置处理阶段不涉及数控系统的具体指令形式和机床的辅助功能，只与计算机的指令系统有关，因此该阶段的处理软件对各类数控机床都应是通用的。
2）后置处理阶段
计算机在自动编程中的最后是接受前置处理后的通用指令，并使它们能为某一特定的机床系统所使用，完成这个任务的单元称为后置处理程序。
源程序输入计算机，计算机将其翻译成计算机能够执行的形式，计算出刀具运动轨迹的坐标值，经刀具偏置补偿后，得到刀位数据，再经过后置处理，把刀位数据处理成适合于特定数控机床的指令，并制作出数控纸带，控制数控机床进行加工。
3）源程序
用数控编程语言编写的零件加工程序，称为零件的源程序，主要描述了零件图上的几何形状及刀具相对于零件运动的轨迹、顺序和切削条件等其它工艺参数。
4）加工程序
后置处理阶段输出的控制数控加工操作的程序称作零件的加工程序。
5）数恐语言选择的原则
（1）数控加工设备的类型和专业化程度。
（2）零件的复杂程度。
（3）使用的计算机类型。
（4）操作人员的技术水平。
（5）编程要求的时间和费用的多少。
二、APT自动编程语言
1.APT语言发展概况
1955年麻省理工学院公布第一个APT实验性系统。
1958年美国航空空间协会推出了APTII，适合于自由曲线的自动编程。
1961年开发出了APTIII，已能解决3～5坐标三维立体曲面的自动编程，
70年代又推出了APTIV，适用于自由曲面的自动编程。
80年代APT语言发展到APTIV/SS。
2．APT语言特点
1）优点
APT系统是一套发展最早、容量最大、功能较全面又成熟、编程可靠性高而且又富有灵活性的数控编程系统。
它比较接近于英语自然语言，容易为编程人员所掌握，同时语言词汇丰富，定义的几何元素类型多，配有多种后置处理程序，通用性好，因此在世界范围内获得广泛的应用。
2）缺点
APT系统庞大，对从事软件操作人员和计算机的要求很高，对中、小型企业不适用。
于是在APT的基础上，
3．其他数控语言系统
美国的ADAPT、UNIAPT、COMPACTII和SPLIT，德国的EXAPT，日本的FAPT和HAPT，法国的IFAPT，意大利的MODAPT，我国的SKC和ECX等。
我国机械工业部1982
年发布的数控机床自动编程语言标准（JB3112-82）采用了APT的词汇语法；
1985年国际标准化组织ISO公布的数控机床自动编程语言（ISO4342-1985）也是以APT语言为基础的。
第四节图形交互式自动编程
一、图形交互式自动编程的特点
1.这种编程方法既不象手工编程那样要用复杂的数学方法计算出各节点的坐标数据，也不需要象APT语言编程那样，用数控编程语言去编写描述零件几何形状、加工走刀过程及后置处理的程序，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，其编程的结果也以图形的方式显示在计算机上。
所以该方式具有简便、直观、准确、便于检查的优点。
2.通常图形交互式自动编程软件和相应的CAD软件有机地结合在一起地一体化软件系统，这样既可以进行计算机辅助设计，又可以直接调用设计好地零件图进行交互编程，有利于实现CAD/CAM的一体化。
3.此方法的整个编程过程是交互进行的，而不是象APT语言编程那样，事先用数控语言编写好程序，然后由计算机以批处理的方式运行，生成数控加工程序。
而这种交互式的编程方法在编程过程中可以随时发现问题进行修改。
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。
5．这类软件一般是在通用计算机上运行，不需要专门的编程机，所以非常便于普及推广。
6．这类软件同时具备动态加工仿真功能，可以方便地检查走刀的合理性和是否发生干涉等问题。
二、图形交互式自动编程的基本步骤
1．零件图样及加工工艺分析
由于CAPP技术尚未达到普及和应用的阶段，这项工作仍然需要依靠人工进行。
因为图形交互式自动编程需要将零件被加工部位的图形准确地绘制在计算机上，所以作为编程前期工作地加工工艺分析的主要任务有：
（1）核准零件的几何尺寸、公差及精度要求；
（2）确定零件相对机床坐标系的装夹位置以及被加工部位所处的坐标平面；
（3）选择刀具并准确测定刀具的有关尺寸；
（4）确定工件坐标系、编程原点（零点）、找正基准面及对刀点；
（5）确定加工路线；
（6）选择合理的工艺参数。
2．几何造型
几何造型就是利用图形交互式自动编程软件的图形绘制、编辑修改、曲线曲面造型等功能，将零件被加工部位的几何图形准确地绘制在计算机屏幕上，同时计算机内部自动形成零件图形的数据文件。
这些图形数据是下一步刀具轨迹计算的依据。
在之后的自动编程过程中，软件将根据加工要求提取这些数据，进行分析判断和数学处理，形成加工的刀具位置数据。
如果零件的几何信息在设计阶段就已建立，图形编程软件可直接从图形库中读取该零件的图形信息文件。
3．刀具轨迹计算及生成
图形交互式自动编程软件的刀位轨迹生成是面向屏幕地图形交互方式。
其基本过程是：
首先在刀位轨迹生成菜单中选择所需的菜单项，然后根据屏幕地提示，用光标选择相应地图形目标，指定相应地坐标点，输入需要的各种参数。
软件将自动从图形文件中提取编程所需的信息，进行分析判断，计算出节点数据，并将其转化成刀位数据，存入指定的刀位文件中或直接进行后置处理生成加工程序，同时在屏幕上显示出刀位轨迹图。
4．后置处理
后置处理的目的是形成数控指令文件。
由于各种数控机床使用的数控系统不同，所以使用的数控指令文件的代码及格式也有所不同，为解决这一问题，软件通常设置一个后置处理惯用文件，在进行后置处理前，编程人员需根据具体数控机床指令代码及程序的格式，事先编辑好这一文件，这样就能输出符合各种数控系统要求的加工程序。
5．程序输出
由于图形交互式自动编程软件在编程过程中可在计算机内自动生成刀位轨迹图形文件和数控指令文件，所以程序的输出可以通过计算机的各种外部设备进行，例如可以通过打印机打印程序代码文件，或者通过通信端口直接输入到数控机床上，等等。
6．加工程序动态仿真
将自动编制好的程序以动态图形的方式显示在屏幕上。
三、图形交互自动编程的应用
采用图形交互编程可以不编写源程序，因此就避免了调试源程序工作，若零件图形已事先设计好，这种编程方法更有利于CAD/CAM的集成。
由于刀路径可以立即显示，并可直观、形象地模拟刀具路径与被加工零件的关系，且容易发现错误并及时纠正，因此可靠性大大提高，试切次数减少，对于简单的零件可以做到一次加工合格。
第六节数控加工仿真
一、数控程序的检验和加工过程仿真
自从APT语言诞生以来，人们利用计算机自动编程方法解决了列表轮廓曲线、自由曲面的数控编程的难题。
但是，数控程序的编制过程和工艺过程的设计相似，都具有经验性和动态性，在程序编制过程中出错是难免的。
特别是对于一些复杂零件的数控加工来说，用自动编程方法生成的数控加工程序在加工过程中是否发生过切，所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，刀具与约束控制面（非加工面）是否干涉等，编程人员事先往往很难预料。
为此不论是手工编程还是自动编程都必须认真检查和校核数控程序，如果发现错误，则需马上对程序进行修改，直至最终满足要求为止。
为了确保数控加工程序能加工出合格的零件，传统的方法是在零件加工之前，在数控机床上进行试切，从而发现程序问题并进行修改，排除错误之后进行零件的正式加工，这样不仅费工费时，使生产成本显著增加，而且安全性也难以保证。
为解决这一问题，计算机数控加工仿真技术应运而生。
工程技术人员利用计算机图形学的原理，在计算机图形显示器把加工过程中的零件模型、刀具轨迹、刀具外形一起动态地显示出来，用这种方法来模拟零件的加工过程，检查刀位计算是否正确、加工过程是否发生过切，所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，刀具与约束面是否发生干涉与碰撞。
这种方法称为数控加工过程仿真。
1.加工仿真的主要内容
一个完整的数控加工仿真过程包括：
（1）数控程序的编译和检查。
（2）毛坯和零件图形的输入和显示。
（3）刀具的定义、输入与显示。
（4）刀具运动动态显示包括刀具中心的运动轨迹仿真。
（5）刀具、夹具、机床、工件间碰撞、干涉检验工艺系统是由机床、夹具、刀具和工件组成，在加工时应检查它们之间是否发生干涉。
（6）质量分析仿真这种仿真带有专题性质，是针对某些质量问题进行预检查，如在实际加工前，用计算机检查零件轮廓尺寸与位置精度是否与设计要求一致，表面粗糙度能否达到要求，若不能应立即采取措施。
（7）工艺过程布局仿真对于一些复杂的关键零件，常采用多台机床组成的流水线生产线或柔性制造系统进行加工生产，这时可对时间定额、生产节拍、机床配置和布局等进行仿真。
（8）仿真结果显示和输出。
采用加工仿真能显著减少程序调试时间，缩短制造周期，可以代替实际的试切过程，避免机床和刀具的损坏，保证加工质量，减少制造费用。
2.加工仿真的方法
在加工仿真时，根据房间的目的和要求，可使用不同的加工仿真方法，现有的加工仿真方法主要有二维显示仿真和三维实体仿真两种。
（1）二维显示仿真这种方法简单易行，因此应用广泛，在求解平面刀位轨迹、优化刀具轨迹运动方面比较有效，同时一些三维仿真问题也可转化为二维问题来解决。
其中最简单和常用的方法是刀位轨迹的仿真，即将刀位数据（刀心坐标与刀轴矢量）的线框（Wireframe）图显示出来，判断刀位轨迹是否连续，检查刀位计算是否正确，是否发生干涉等；
其次是将刀位数据连同被加工表面的线框图一起显示出来，来判断刀位轨迹的正确性，走刀路线、进退刀方式是否合理等。
本节主要介绍刀具轨迹的仿真。
（2）三维实体仿真三维实体仿真比较理想，效果好，是目前加工仿真的研究热点和发展趋势，但它开发难度大、运算工作量大，因此尚未能广泛的应用。
其主要问题表现在以下几个方面：
a.零件、夹具、刀具、机床等都要进行三维实体几何造型，建模比较复杂。
b.加工过程是一个动态的过程，而且往往是连续加工，进行动态连续过程的描述难度较大。
c.由毛坯加工成零件的过程中，其形状和尺寸会随工序而变化，从而增加了仿真难度。
二、刀位轨迹仿真
刀位轨迹仿真的基本思想是：
从曲面造型结果中取出所有加工表面及相关型面，从刀位计算结果（刀位文件）中取出刀位轨迹信息，然后将它们组合起来进行显示；
或者在所选择的刀位点上放上“真实”的刀具模型，再将整个加工零件与刀具一起进行三维组合消隐，从而判断刀具轨迹上的刀心位置、刀轴矢量、刀具与加工表面的相对位置以及进退刀方式是否合理等。
如果将加工表面各加工部位的加工余量分别用不同的颜色来表示，并且与刀位轨迹一同显示出来，以判断刀具和工件之间是否发生干涉（过切）等。
图7-15和图7-16为某水轮机叶片刀位轨迹仿真图。
刀位轨迹仿真的主要作用如下：
1）显示刀具轨迹是否光滑、是否交叉、凹凸点处的刀具轨迹连接是否合理；
2）判断组合曲面加工时刀位轨迹的拼接是否合理；
指示出走刀方向是否符合曲面的造型原则（主要针对直纹面）。
3）指示出走刀方向是否符合曲面的造型原则（主要针对直纹面）。
4）指示出刀位轨迹与加工表面的相对位置是否合理；
5）显示刀轴矢量是否有突变现象，刀轴的偏置方向是否符合实际要求；
6）分析进退刀位置及方式是否合理、是否发生干涉。
三、干涉、碰撞检验
干涉是指两个元件在相对运动时运动空间有干涉或者刀具在被加工表面上切除了不该切除的部分（过切干涉）。
碰撞是指两个元件在相对运动时，由于空间有干涉而产生碰撞。
在多轴数控加工中，影响干涉碰撞的因素很多，切削刀具的形状及尺寸大小，被加工表面的形状及曲率变化情况以及数控机床动力头的外形尺寸，还有工作台和刀具的工作行程等都对碰撞干涉有影响。
这种碰撞会造成刀具、工件、机床、夹具等的损坏，是绝对不允许的。
干涉、碰撞检验是加工过程仿真系统的一个重要功能。
在数控机床或加工中心的环境下，完善的仿真系统不仅要检查刀具与工件的干涉和碰撞，而且应能检查刀具与夹具、机床工作台及其它运动部件之间的干涉和碰撞，特别是机械手换刀、工作台转位时，更要注意干涉和碰撞。
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