第五章 图象编程pptConvertor.docx
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第五章图象编程pptConvertor
第五章图像数控编程
一.图像编程简介
二.二坐标平面轮廓数
控加工图像编程
三.多坐标图像数控编程
四.高速切削加工简介
1
图像编程即根据计算
机图形显示器上显示的
零件设计三维模型，在
1.图像编程的概念:
一.图像编程简介
CAD/CAM软件系统支
持下自动生成零件数控
加工程序的编程过程。
2
2.图像编程的过程:
3
3.图像编程的特点:
1）用户不需要编写任何源程序，省去了
调试源程序的繁琐工作。
2）编程过程直观、形象；编程效率及可靠性高。
3）实现了设计制造（CAD/CAM）的一体化。
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4.图像编程刀位轨迹的构成:
5
5.图像编程需设置或定义的参数
CAD/CAM系统建有一个刀具库，编程者可从库中选出所需刀具，也可按照所需参数和尺寸定义新的刀具。
1）刀具参数的定义:
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给定刀轴的矢量方向：
2）刀轴方向（TOOLAXIS）的确定
7
根据加工工艺来设定加工余量---粗、精加工*（刀具长度补偿）?
３）加工余量（PartStock）的设定
４）加工容差（INTOL,OUTOL）的设定
根据零件要求的精度
来设定（选取原则）
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行距的设定有多种方法：
５）行距（STEPOVER）的设定
（１）给－固定值（constant）；
（２）给定残留高度（scallop）；
（３）按刀具的百分比（percent）
６）转速（SPEEDS）及
进给速度（FEEDS）的设定
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从工艺角度给出了多种方式：
７）进退刀方式的设定
（１）按刀轴方向进退刀；
（２）按给定矢量方向进退刀；
（３）按圆弧方向进退刀；
９）安全面的设定
（４）按切线方向进退刀等
１０）加工坐标系的设定
８）走刀方式的规划
“Ｚ”形；单向；螺旋等
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二坐标平面轮廓数控加工图
像编程
二维轮廓通常是指垂直于刀轴平面上的二维曲线轮廓，它一般由直线、圆弧、样条曲线所构成。
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1.二坐标数控加工对象分类
1）.轮廓加工（profile）
分为内轮廓（internalprofile）和外轮廓（externalprofile），其刀具中心轨迹为轮廓
线的等距线，如图5-1所示：
图5-1轮廓及其数控加工刀具中心轨迹
a外轮廓加工
b内轮廓加工
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计算其外轮廓线的等距线（直线、圆弧举例），就存在外尖点过渡的选取方式，通常有两种方式（图5-2）：
a尖角过渡
b圆角过渡
图5-2外尖角过渡方式
1.尖角过渡
2.圆角过渡
思考：
内尖点如何
考虑及加工？
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图5-3二维型腔数控加工刀具轨迹
2）二维型腔（2Dpocket）
二维型腔分为简单型腔和带岛型腔，其数控加工方式分为环切法和行切法两种切削加工方式，如图5-3所示：
a）行切加工刀具轨迹
d）带岛型腔环切加工刀具轨迹
b）环切加工刀具轨迹
c）带岛型腔行切加工刀具轨迹
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3）二维字符
平面上的刻字加工也是一类典型的二坐标加工，按设计要求输入字符后，采用雕刻加工所设计的字
符，其刀具轨迹一般就是字符轮廓轨迹，字符的线
条宽度一般由雕刻刀具直径来保证，如图5-４所示：
图5-4字符及其数控雕刻加工刀具轨迹
a字符
b刀具轨迹
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2.二坐标数控加工刀具半径补偿
刀具半径补偿为将刀具中心轨迹向待加工零件轮廓指定
的一侧偏移一个刀具半径值。
利用刀补方法编程加工，操
作灵活，可避免刀具本身尺寸误差及磨损带来的误差。
R刀=d偏
R刀〉d偏
R刀〈d偏
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1）进退刀方式
（1）加工外轮廓
如有直线段或圆弧段时，可由直线段的延长线切入或圆弧段的最外高点做引线由空处切入，并由空处退刀，如下图所示：
3.编程中应特别注意的问题
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一定要圆弧进退刀（其辅助圆弧半径一定要大于所给刀补半径值）或最高点切线空处进退刀，否则易造成零件啃切，还要注意内轮廓加工的下刀问题。
如图5-7所示：
图5-7 二维内轮廓进退刀方式
内轮廓圆弧进退刀
内轮廓圆弧最外点切线进退刀
（2）加工内轮廓
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图5-8a二维轮廓的多刀加工
2）走刀路线
如图5-8a所示：
加工
外轮廓时，一般要分粗
精加工，即多刀加工。
如图5-8b所示：
还要注
意加工时分层，防止让
刀，使加工轮廓形成锥
度。
图5-8b二维轮廓的让刀现象
（虚线为实际刀具位置）
（1）加工外轮廓
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（2）带岛屿内轮廓
注意：
拐角处的进给速度；中间抬刀啃伤零件
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无论内、外轮廓，当要求的转角半径较小时，通常是用大的刀具将大部分余量去掉；
再换小刀具将所需转角加工到位，如图5-10所示：
图5-10 二维轮廓转角处加工方式
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对二维轮廓而言，其刀位轨迹计算、编程较为简单，而多坐标数控加工才是数控编程的重点和关键。
1.概述
三.多坐标图像数控编程
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（1）多坐标点位加工
（2）空间曲线加工
（3）曲面区域加工
（4）组合曲面加工
（5）曲面交线区域加工
一般来说，多坐标数控加工可以解决任何复杂曲面零件的加工问题。
根据零件的形状特征进行分类，可以归纳为如下几种加工对象（或加工特征）：
1）多坐标数控加工的加工对象
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目前，比较常用的刀具轨迹生成方法（限于课时），只简要介绍如下几种:
（1）参数线法:
适用于曲面区域和组合曲面的加
工编程。
（2）截平面法:
适用于曲面区域、组合曲面、复
杂多曲面和曲面型腔的加工编程。
（3）投影法:
适用于有干涉面存在的复杂多曲面
和曲面型腔的加工编程。
2）刀具轨迹生成方法
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（1）切触点（cuttingcontactpoint）
切触点指刀具在加工过程中和被加工零件曲面的
理论接触点。
3）和刀具轨迹有关的几个基本概念
a球头刀
b环形刀
c平底端刀
d鼓形刀
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（3）刀位点数据（cutterlocationdata，简称为CLData）
刀位点数据指准确确定刀具在加工过程中每一位置所
对应的数据,有刀尖点和刀心点之分。
（2）切触点曲线（cuttingcontactcurve）
切触点曲线指刀具在加工过程中由切触点构成的曲线。
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（4）刀位轨迹
刀具轨迹是指在加工过程中由刀位点构成的曲线。
a）加工曲面及其刀位轨迹
b）加工刀轨计算机仿真结果
为提高加工效率，降低成本，现代图像编程系统均有加工刀位轨迹仿真功能。
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2.参数线法加工
曲面参数线加工方法是多坐标数控加工中生成刀具轨迹的一个重要方法，特点是切削行沿曲面的参数
线分布，即切削行沿u线或v线分布，适用于网格比较规整的参数曲面的加工。
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图5-14a）所示加工的区域正好为零件实际范围.
通过调整U、V参数大小，可控制加工区域范围：
图5-14a）参数U=1V=1的刀位轨迹
图5-14c）所示加工的区域比零件实际范围大.
图5-14b）所示加工的区域正比零件实际范围小.
图5-14b）参数U<1V<1的刀位轨迹
图5-14c）参数U>1V>1的刀位轨迹
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a）沿参数线方向加工的不均匀刀位轨迹
b）投影线环切法的均匀刀位轨迹
用不同方法加工参数分布不均匀曲面的特点：
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3.截平面法
截平面法是指用一组截平面去截取加工表面，
截出一系列交线，刀具和加工表面的切触点就沿
这些交线运动，完成曲面加工。
若采用“ZIG-ZAG（之）”字走刀方式，截平面图像编程刀位
轨迹如图5-16所示：
图5-16a）截平面和X轴正方向垂直
图5-16b）截平面和X轴平行
图5-16c）截平面和X轴夹角>90º
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图5-17去余量螺旋线走刀
若采用“Zig（单向）”的螺旋线走刀方式，加工刀位轨迹始终沿一个方向运动，可利用球头刀或平底刀进行去余量粗加工，避免线速度为零的底刃中心参加切削，有利于提高加工效率。
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导动曲线在待加工表面上的投影一般为切触点轨迹，也可以是刀尖点轨迹。
4.投影法
投影法加工的基本思想是使刀具沿一组事先定义好的导动曲线（或轨迹）运动，同时跟踪待加工表面的形状。
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图5-19刀尖点、切触点和零件面之间的关系
见图5-19由于待加工表面上每一点的法矢方向均不相同，因此限制切触点轨迹不能保证刀尖点轨迹落在投影
方向上，所以限制刀尖点容易控制刀具的准确位置，可以保证刀具在一些临界位置和其它曲面不发生干涉。
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图5-20投影法加工导动曲面对刀位点的限制
a）导动投影线和零件轮廓相切
图5-20描述了投影导动曲线的定义依加工
对象而定，图5-20a）所示的投影线法可
将零件完全加工到位，而图5-20b）所示
的投影线法在左侧就没有将零件加工到位。
b）导动投影线在零件轮廓线上
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投影法加工以其灵活且易于控制等特点在三
坐标NC编程中获得了广泛的使用，常用来处理
用其它方法难以取得满意效果的组合曲面和曲面
型腔的加工。
它不受组合曲面曲率半径大小和选
用刀具大小的限制投影线可以是直线或曲线，也
可以是零件本身或人为控制轮廓，在有些场合还
可用已生成的刀位轨迹做为投影线，以生成较为
均匀的刀位轨迹。
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b）边界轮廓投影
c）刀位轨迹投影
a）曲线投影
图5-21是用投影法生成三坐标刀位轨迹的几个举例：
d）外轮廓投影
e）径向投影
f）回转面投影
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当零件面较为平坦时，利用投影线法简单灵活，
容易保证零件精度。
但若遇到深腔槽，尤其是其侧壁和刀轴方向夹
角较小时，利用投影线法编程就会产生新的问题。
如图5-22所示，在同样行距下，其加工残留高
度会随侧壁梯度的加大而急剧增大，而且当刀具
急剧向下运动时,需要球头刀担当钻头的钻削功能，
图5-22投影法加工深腔槽的残留高度
而球头刀底刃中心线速度为零，切削功能最差。
在实际加工过程中，易损坏刀具，
啃伤零件，效率也不高。
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如图5-23所示，就必须采用新的方法，即所谓的腔槽铣。
图5-23深腔槽及其投影法加工刀位轨迹
a）深腔槽
b）投影法加工刀位轨迹
腔槽铣即其投影方向为一组等距的和刀轴方向垂直的平面和腔槽求交线，让此平面交线向里或向外偏置一刀具半径和余量之和的距离，此即为刀心点坐标。
其加工过程由前一等高线转入下一等高线，通过调整平面层间距和步长，很容易满足零件的精度要求，此加工方法在腔槽复杂且多的模具行业使用极为广泛，如图5-24所示。
a）腔槽铣投影截平面
图5-24腔槽铣投影平面及刀位轨迹
b）腔槽铣刀位轨迹
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图5--25四坐标镗孔件及直纹面转子叶轮
5.四坐标图像数控编程
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在上述的三坐标数控编程基础上再增加
一个转角，此转角根据机床的结构可以是工作台旋转或者是主轴头旋转，即为四坐标图像数控编程。
在加工需要分度零件或零件形面由始终垂直于某轴的直纹面形成的零件时，常用到四坐标数控编程。
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图5-26直纹面转子叶轮轮毂及型面刀位轨迹
四坐标数控加工过程中，其刀轴始终和某一坐标轴垂直，刀位文件中刀轴矢量i、j、k中的一项必须始终为0，经后置处理后即为刀尖的X、Y、Z坐标和绕某轴的转角。
图5-26所示的直纹面转子叶轮的刀位文件和
后置结果见表5-1和表5-2，刀位文件中的刀轴矢量j=0，表示刀轴垂直于Y轴，其四联动坐标为X、Y、Z、B。
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表5—1某转子叶轮的刀位文件
GOTO/-4.1860,2.3330,14.9240,
0.2700668,0.0000000,0.9628416
GOTO/-4.1722,2.1659,14.9279,
-0.2691727,0.0000000,0.9630919
.
.
GOTO/4.3894,-14.5000,14.8655,
0.2831850,0.0000000,0.9590653
END-OF-PATH
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表5—2某转子叶轮的刀位文件后置结果
（MAHO机床）
N11G1Y13.918F1000//下刀点
N22X-10.129Y13.918Z24.001B9.912F300//切入点
N23X-10.000Y13.305Z24.055B9.961F100//切削点
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工作台旋转的四坐标联动数控机床在零件装夹后对确定加工坐标系和机床坐标系的平行关系特别方便，即装夹后不需要人工调节，只需把工作
台转动相应的角度，即可完成。
尤其是再采用红外头测量仪，根据测量点的数据，由程序自动控制工作台所需转动的角度，使上述工作更为敏捷
和准确,便于找正。
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当零件面加工必须考虑刀心三轴联动加刀轴
摆动时，常用到五坐标图像数控编程。
6.五坐标图像数控编程
五坐标数控编程既需要扎实的理论基础，又
需要丰富的实践经验，不是短短几个章节就可
讲解清楚，在此略举几例，作为简介。
五坐标镗孔件
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图5-28所示为复杂三元流转子叶轮类零件，对单件要求又高的必须用五坐标数控机床进行加工。
a）直纹面转子叶轮
b）S
形扭曲非直纹面转子叶轮
图5—28三元流叶轮件
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轮毂通道数控加工一般采用螺旋线走刀分层由上后退
向下，如图5-29所示，即开槽加工，这样刀具底刃切
削效果最差部位不参加加工，可提高加工效率和减少应
力产生的变形。
图5—29叶轮气流通道的开槽加工
图5--30平底或锥度球刀开槽加工
为提高加工效率及防止刀具刚性不足产生让刀，在开
槽加工过程中常选用平底端刀或锥度球刀，如图5-30所
示，以缩短加工时间和提高加工精度。
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对图5-28a所示的直纹型面转子叶轮的叶型面，利用数
控机床的五轴联动，选择刃长合适的刀具，依靠刀具侧刃
可一次加工到尺寸，加工轨迹如图5-31所示，其型面加
工质量较高，加工效率也较高。
图5-28a
图5-31
而对图5-28b所示的扭曲非直纹型面转子叶轮的叶型面，无法靠刀具侧刃一次加工完成，只能靠球头刀或环型刀行切进行，要想提高型面加工精度，就必须减小行距，则必然延长加工时间，成本增加。
图5-28b
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而转子类零件从气动性能方面考虑以及加工
手段的提高，它的型面类型向扭曲非直纹型面
方向发展。
五坐标数控编程的刀位文件和表5-1类似，
但刀轴矢量i、j、k三者同时变化，其刀位文件
后置结果为刀心/尖点位置（x、y、z）和另外两同时变化的转角，实现五坐标联动。
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综上所述，高坐标数控机床一定具有低
坐标数控机床的功能，但数控机床随坐标
数的增加，其设备成本，单位床时费急剧
增加，所以在能满足零件精度要求和工期
的前提下，应尽可能选用成本低的低坐标
数控加工设备。
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四.高速切削加工简介
1.高速切削技术
以高切削速度、高进给速度、高加工精度
和优良的加工表面质量为主要特征的高速切
削加工技术具有不同于传统切削加工技术的
加工机理和使用优势，已被国内外的航空航
天、汽车制造等行业广泛采用。
高速切削加工：
主轴转速为：
20，000~60，000rpm
切削进给率：
10m/min.左右
空切进给率可达：
40m/min
机床运动加速度最大可达：
10m/sec²。
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利用高速切削机床编制程序，由于设备
的“三高”特点，其程序也有别于普通数
控加工，要求小行距、小切削余量、高速
旋转、快速进给，使得切削时产生的热量
及时被微小的切屑高速飞出带走，加强冷
却，使零件不至于产生热变形，同时保证
刀具有足够的刚度。
机床运动的高加速度
可保证机床能够及时达到高速及降速，它
由机床的预读功能控制完成。
2.高速切削编程特点
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高速切加工特点为切削、磨削合二为一，
以铣代磨，零件加工表面可达到镜面效果，
避免了铣削后的抛光工序，加工表面精度
可达到0.01mm以下。
目前影响高速切削使用推广的主要制约
因素为：
机床价格昂贵、高转速的主轴头
寿命有限、刀具的高温强度和平衡要求高。
不同材料的切削加工工艺参数还未形成规
范，需进一步开展研究工作，以充分发挥
高速切削的特点。
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高速切削机床的研究和使用，相关材料
切削工艺参数的不断探索，为加工高硬度
材料避免电火花传统工艺提供了可能。
小
切削量也为航空业加工钛合金、铝合金框
架类易变形件提供了新的手段，也是目前
高速切削研究的主要方向。
55
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