不同类型数学模型典型件在数控加工中的应用.docx

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不同类型数学模型典型件在数控加工中的应用

第一章概述

数控技术是指用数字化信号（记录在媒介上的数字信息及数字指令）对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术，简称NC（NumericalControl），它是自动化技术的基础和关键技术。

数控加工技术是其中的一个分支，它根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序（简称为数控程序）。

1.1数控加工编程技术的发展概况、目前状况及发展趋势

1.1.1数控加工编程技术的发展概况

在1952年，美国帕麦斯（Parsons）公司和麻省理工学院（MIT）合作，研制成功世界上第一台以数字计算机原理为基础的数字控制（NumericalControl）三坐标铣床，很好地完成了直升飞机叶片轮廓检查样板的加工，从而开创了机械加工实现数字化控制的新纪元。

经过几年的发展，在1955年，数字控制机床进入实用化阶段，它在复杂曲面的加工中起了重要的作用。

数控加工技术的出现和应用，同时带动了相应数控加工编程技术的发展。

在1953年，在美国空军的资助下，麻省理工学院电子系研究所在旋风I号电子计算机上实现了自动编程，这就是APT/I（AutomaticallyProgrammedTools）自动编程系统，它是一种专门用于机械零件数控加工的自动编程语言，人们只需对零件的几何形状进行定义，并指定加工路线，计算机就会自动计算出加工的刀具路径，生成NC程序。

这为计算机辅助数控自动编程和CAM技术进一步发展奠定了基础。

60年代的实验室研究，使计算机图形学得到长足的发展。

1966年，出现了第一台供使用的图形显示装置。

70年代初期，以交互式图形操作为主要操作方式的CAD/CAM系统开始进入了早期的实用阶段，开始进入电子、船舶、机械、建筑、化工和轻纺等行业。

这一时期典型的系统有美国洛克希德的CAD/CAM等。

80年代以来，随着计算机软、硬件的飞速发展和现代加工制造需求，进一步促进了计算机辅助技术在机械领域中的广泛应用。

图形工作站（Workstation）的出现，为计算机辅助系统提供了强有力的计算和图形处理功能、直观图形显示和灵活的网络连接能力，使CAD/CAM系统集成成为一个强大的图形交互系统，这为CAD/CAM的集成技术的进一步发展提供了坚实的保障。

如今，随着计算机技术的发展，CAD/CAM技术得到了广泛的应用，它已为企业提供了从设计到制造整体解决方案，使CAD/CAM完全成为机械行业必不可缺的工具。

对于现代数控加工编程系统来说，它己与最初的那种采用批处理的方式，使用不便的编程工具不可同日而语，现己成为一个用户使用接口友好的交互式图形处理系统，它为用户提供了更强的加工编程和工艺处理功能。

1.1.2数控加工编程技术的目前状况

第一代数控自动编程系统APT的出现和发展，为计算机数控自动编程的进一步发展打下坚实的基础，这也是CAM技术发展的雏形。

在计算机辅助制造技术发展的初期，CAM（ComputerAidedManufacturing）主要指计算机自动数控加工编程，经过几十年的发展，现在的计算机辅助制造技术所涉及的内容更多，它的覆盖面更广，除了自动编程外，它还涉及到加工仿真、加工测量，CAPP，FMS和CIMS等方面。

在以下所说的数控编程系统，特指CAM技术中的数控自动编程部分，即狭义的CAM。

以下从几个方面来概述现代CAM的几个主要特点。

1.计算机性能的提高推动了计算机辅助制造技术的发展

从数控自动编程软件开发过程所使用的硬件平台看，它可分为四个发展阶段:

a.在数控自动编程软件开发的初期

以大、中型机为主，运行平台昂贵，使用的成本高，只有极少数实力雄厚的大企业、科研单位才有能力涉及这种先进的技术，它的应用受到极大限制，且用户接口不友好。

b.70年代

计算机硬件的性价比不断上升，以小型机为主的CAM系统进入市场。

这时，CAM系统的价格相对便宜，使用和维护也较为方便，使CAM技术得到较快的发展，开始逐步应用于航空和机械等领域。

此时的编程方式主要以APT语言自动编程为主，它以二维零件图纸为主要编程依据，以走刀轨迹为编程对象，解决了手工编程中无法解决的许多复杂零件的编程难题。

c.80年代一90年代初、中期阶段

从80年代起，随计算机图形技术和硬件技术的发展，出现了专业图形工作站，它有很强的资料计算能力、图形处理能力和系统网络功能。

以图形工作站为基础，构成了功能越来越强的新一代的加工编程系统—图形交互式编程系统。

它以计算机辅助设计（CAD）软件为基础，首先形成零件的图形文件，然后在调用数控编程模块，自动编制加工程序，同时可动态显示刀具的加工轨迹。

其特点是速度快、精度高、直观性好、使用简便。

图形交互式系统的出现进一步推动了计算机辅助技术的发展，为企业提供了从设计到制造的一体解决方案，使CAM的应用进一步普及。

d.90年代中~目前

Intel的奔腾芯片的出现，使微机的性价比得到大幅度的提高，PC可以提供与图形工作站媲美的资料和图形处理速度，使CAD/CAM系统能够处理更复杂的零件模型，编程对象由线框模型向更复杂的曲面模型和实体模型方向发展，使数控加工的自动化和智能化成为可能。

2.计算机辅助制造系统的集成化、智能化和网络化

随着现代计算机技术的飞速发展，计算机辅助制造系统不再是一个单独的学科分支，而是向着集成化、智能化和网络化的方向发展:

a.集成化

CAD与CAPP、CAM的集成是当前CAM技术发展的特征，目的是提高产品的自动化生产的程度，逐步形成一个以工厂生产自动化为目标的CIMS系统（即计算机集成制造系统）。

b.智能化

在机加过程中，要设计编制出一个合理的工艺规程，是一个复杂的工艺过程，要求用户有相当的实践经验；同时，对于在具体加工切削过程，要设计出良好的加工切削方式，也需要有丰富的加工实践经验。

要解决这个问题，单靠目前的CAM技术是达不到的，这需引入人工智能技术，利用其中所提供大量的专家水平的知识与经验，来分析解决这个领域的问题。

c.网络化

（1）共享网络资源

（2）平衡负载

（3）提高系统的性能价格比

3.现代数控自动编程系统中所体现的新技术

a.制造特征（ManufacturingFeature）的引入，为CAM的进一步发展提供了重要的途径。

制造特征技术不仅仅是从特征造型技术的简单衍生。

从设计特征提取的特征信息，不等同于制造特征，它要经过具备一定智能化能力的制造特征识别系统进行识别、分析，才能完成制造特征的建立，最终实现特征编程过程。

因此，特征编程系统还必须有相应的制造工艺数据库作为支撑，在次数据库中，要有相应的工艺过程和工艺参数库等工艺支撑资料为保证。

b.工模板（ManufacturingTemplate）技术的应用

模板技术的机理非常简单，就是针对某种加工类型，提取出经过实践加工验证是正确有效的参数与方法，制作成此类加工的标准模式备用。

当用户需实现此类加工时，只需直接调用（或按需要设置少量系数）此模板，就可以得到工艺合理、系数正确的加工程序。

c.高效的粗加工方案的提供

粗加工自动编程较好地解决了从零件毛坯直接去除大量余量的问题，从而为用户提高工件的加工效率和质量提供了高效的保障手段，这已成为衡量CAM加工功能的一个非常重要的标志。

1.2课题的提出及研究现状

随着计算机技术水平的迅速发展，计算机图形处理能力和数据存储能力都有了很大的提高，普通PC机可以提供与图形工作站媲美的资料和图形处理速度，图形交互式系统在数控加工中得到了更为广泛的应用，弥补了手工编程和ATP语言自动编程的不足，同时也带来了一些新的问题。

目前流行的数控编程系统采用的是面向局部曲面加工的处理方式，它以曲面模型为加工对象，根据曲面几何信息自动生成加工刀具轨迹，使数控加工的自动化、智能化程度得到了好很大的提高。

在计算机图形处理能力和数据存储能力有限的条件下，这种加工方式极大地推动了数控加工的发展。

但随着计算机技术的发展，这种以CAD模型的局部几何特征为目标对象的处理方式，已经成为数控技术向智能化、自动化方向发展的制约因素。

现代数控加工是以模型为对象，以工艺为核心的工程过程，应该采取面向整体模型、面向工艺特征的处理方式。

这种非工程化概念的处理方式会造成一系列的问题。

（1）不能有效地利用CAD模型的几何信息，无法自动提取模型的工艺特征，只能靠人工提取，甚至靠重新模拟计算来取得必要的控制信息，影响了编程质量与效率，致使系统的自动化程度和智能化程度很低。

（2）局部加工计算方式靠人工或半自动进行防过切处理，由于编程对象不是面向整体模型，系统没有从根本上杜绝过切现象产生的可能，因而不适合在高速条件下对安全的要求[1]。

此外，数控加工正朝着CAD/CAPP/CAM集成化的方向发展，为实现系统自动化和智能化提供条件。

零件模型数据的连贯性、完整性、准确性是数控加工系统集成的基础，然而这种面向零件局部曲面的处理方式不利于系统一体化的集成。

针对以上问题，我们应该找到一种更有利于数控加工系统自动化和智能化发展的零件模型，充分分析不同数学模型对数控加工的影响。

近年来，各国研究工作者为建立零件模型进行了长期深入的理论研究和试验探索，并已取得丰硕的成果。

而在数控加工方面，前人已经总结出实体加工是未来数控加工的方向，近年来也出现了不少针对实体零件模型进行智能编程的软件，如MasterCAM、UG、PRO/E、Cimatron、EdgeCAM等。

各软件的数控编程侧重点有所不同，但从中也可以看出实体模型在未来数控加工中的重要地位。

1.3课题内容

1.3.1课题的内容

本课题主要研究线框模型、曲面模型和实体模型这三类数学模型在数控加工中的应用，以及对刀具加工路径、加工精度、加工效率等方面的影响。

主要工作有：

1.在建模软件中建立复杂零件的线框模型、曲面模型和实体模型，要求其复杂程度能满足理论研究的要求；观察不同类型的模型之间的差别，并从理论上分析它们的特点。

2.在数控编程软件中分别对这三种类型的零件模型进行数控编程，注意其加工参数设置的差异以及加工方式的差别。

尝试用不同的方法进行加工，观察刀具路径的细微变化；对编程结果进行加工仿真，分析这三种数学模型对数控加工的影响。

3.分析实体零件模型在STEP-NC、高速加工和五轴加工中的应用，论证实体零件模型是未来数控加工的方向。

4.解决当前工厂中所遇到的复杂模型的建模问题，并运用前面做出的理论研究优化刀具路径，在试验台上完成实际加工，验证前面得出的理论是否正确。

同时对仿真过程与加工过程进行比较，观察二者之间是否存在差异，并分析原因。

1.3.2课题使用的工具

本课题主要使用EdgeCAM智能编程软件来进行相关的试验和研究。

EdgeCAM是由英国Pathtrace工程系统公司开发的一套智能数控编程系统，主要应用在数控铣、数控车和数控线切割等领域。

它采用目前流行的图形交互式自动编程系统，直接面向加工对象，自动生成刀具轨迹。

它具有以下特点：

（1）EdgeCAM提供了众多智能加工策略，从简单的轮廓加工到复杂的曲面加工，从投影加工到残料加工、清根加工、等粗糙度加工等数十种加工策略可供选择；可支持2轴半至5轴联动的铣削、普通车削以及车铣复合加工设备。

其加工范围广，为本次课题研究提供了广阔的试验平台。

（2）实现与CAD系统的无缝链接。

路径公司已经与Autodes、Dassort、UGS、PTC等公司合作，开发出针对与Invneotr、CATIA、SolidWorks、Solidedge、Parasolid、Pro/E等三维CAD实体模型的数据接口，不仅保证了模型数据从CAD环境到CAM环境的完整，而且还可以与这些CAD环境实现联动。

同时为了更好地继承人们对曲面模型编程的思维习惯，还与其他基于曲面模型编程的CAM环境一样，设置了IGES、VDA等中间格式的文件接口。

EdgeCAM超强的兼容能力保证了三维零件模型数据的完整