第八章 数控编程和仿真,8.1 数控编程方法及其发展 8.2 数控编程系统中基本概念与术语 8.3 数控编程中的刀位计算 8.4 数控编程中的工艺策略 8.5 后置处理及DNC,8.1 数控编程方法及其发展,1、手工编程 2、数控语言自动编程 3、CAD/CAM系统自动编程,手工编程特点： 不需辅助工具，效率低、出错率高，难以对复杂零件编程。,1、手工编程,2、数控语言自动编程,输入编译,数值处理,刀位文件 CLDATA,后置处理,机床加工,穿孔纸带 磁盘,零件图样,数控语言,零件源程序,程序员,计算机,原理：应用专用数控语言编制零件源程序，经编译生成刀具运动轨迹，和中性刀位文件(CLData File)，经后置处理生成相应机床数控加工程序。,特点：比手工编程效率高，解决复杂曲面编程问题。但专用词汇及语句格式繁多，仍存在编程效率与机床加工速度间的矛盾。,数控语言的产生与发展,1952年MIT开始研究数控自动编程； 1954年公布APT自动编程系统； 之后的近40年不断推出新版本，如APTII、APTIII、APTIV、APTAC、APTSS等； 德国EXAPT、法国IFAPT； 日本FAPT； 我国在上世纪70年代推出SKC、ZCX车铣编程系统。,数控语言APT简介,APT数控语言格式： 命令/参数 例：GODLTA/20,20,-5 增量走刀 数控语言常用语句： 初始语句： 例：PARNO 几何定义语句：例 POINT、LINE、CIRCLE、PLANE等 刀具定义语句：例 CUTTER 刀具运动语句：例 GOLFT、GORGT、GOFWD等 切削用量语句：例 FEDRAT、SPEED等 容许误差语句：例OUTTOL、INTOL 后置处理语句：例 MACHINE、SPINDL、COOLNT、END等,加工图示零件APT源程序： PARTNO/TEMPLATE ；初始语句，TEMPLATE为程序名称 MACHINE/FANUC,6M；后置处理程序的调用 CLPRNT ；打印刀具轨迹数据 OUTTOL/0.002 ；外轮廓逼近容差 INTOL/0.002 ；内轮廓逼近容差 CUTTER/10 ；平头立铣刀，直径=10mm L1=LINE/20,20,20,70 ；定义直线L1 几何定义 L2=LINE/(POINT/20,70)ATANGL,75,L1 ；定义直线L2 L4=LINE/20,20,46,20 ；定义直线L4 L3=LINE/(POINT/46,20),ATANGL,45,L4 ；定义直线L3 C1=CIRCLE/YSMALL,L2,YLARGE,L3,RADIUS,10 ；定义圆弧C1 XYPL=PLANE/0,0,1,0 ；定义平面XYPL SETPT=POINT/-10,-10,10,FROM/SETPT ；指定起刀点 运动轨迹定义 FEDRAT/2400 ；快速进给 GODLTA/20,20,-5 ；增量走刀 SPINDL/ON ；主轴启动 COOLNT/ON ；冷却液开 FEDRAT/100 ；指定切削速度 GO/TO,L1,TO,XYPL,TO,L4 ；初始运动指定 TLLFT,GOLFT/L1,PAST L2 ；沿直线L1左边切削直至超过直线L2 GORGT/L2,TANTO,C1 ；右转切削L2直至切于圆C1 GOFWD/C1,PAST,L3 ；沿圆C1切削直至超过L3 GOFWD/L3,PAST,L4 ；沿直线L3切削直至超过L4 GORGT/L4,PAST,L1 ；右转切削L4直至超过L1 GODLTA/0,0,10 ；增量走刀 SPINDL/OFF ；主轴停止 FEDRAT/2400 ；快速进给 GOTO/SETPT ；返回起刀点 END ；机床停止 FINI ；零件源程序结束,3、CAD/CAM系统自动编程,CAD/CAM系统数控编程原理,CAD造型,加工工艺分析 加工面选择 工艺参数确定,刀轨文件生成,刀位验证 编辑修改,后置处理,加工仿真,机床加工,加工 参数库,刀具库 材料库,几种数控编程方法的比较,8.2 数控编程系统中的 基本概念和术语,1、数控机床坐标系统 2、常用切削刀具 3、刀具运动控制面 4、切削加工中的阶段划分,1、数控机床坐标系统,数控机床坐标定义（假设工件不动，刀具相对工件运动） Z轴：与主轴平行，正向-使工件尺寸增大方向 X轴：与工件装夹面平行，水平，与Z轴垂直 车床：沿工件径向，离开工件轴线方向为正向 铣床 卧式：由主轴向工件看，右手方向为正向 立式：由主轴向立柱看，右手方向为正向 Y轴：与Z,X轴垂直，符合右手定律 A,B,C轴：分别绕X,Y,Z轴右旋前进方向,WILLEMIN公司(瑞士威力铭 )主轴可摆动的五轴加工中心,机床坐标系MCS（Machine Coordinate System)： 有固定的坐标原点，是机床厂商通过回零开关由硬件设定。 参考坐标系RCS（Reference Coordinate System)： 是用户为了编程方便，通过G代码由软件设定，坐标原点不固定。,2、常用切削刀具,球头铣刀 圆角铣刀 平底铣刀,刀触点：在加工过程中刀具与工件的实际接触点(A)。 刀位点： 数控编程中用以表示刀具位置的坐标点(O)。 球头刀设于球心，圆角铣刀和平底铣刀位于端面中心 刀位点计算： 计算接触点处法向量 沿法向量从A点偏移圆角半径r 沿刀具径向偏移（R-r) (R-刀具半径) 沿刀具轴线向刀具端部移动r,a)5参数 b)7参数 c)10参数 刀具参数定义,3、刀具运动控制面,零件面：零件上已加工生成的表面，用以控制切削深度； 导动面：控引导刀具运动的面，用以控制刀具运动方向； 检查面：确定走刀的终止位置，检查切削过程的干涉。,刀具与导动面的关系,刀具与检查面的关系,4、切削加工中的阶段划分,起始运动阶段 接近运动阶段 切入运动阶段 切削加工阶段 退出切削阶段 返回阶段,8.3 数控编程中的刀位计算,1、非圆曲线刀位点计算 2、球头铣刀行距的确定 3、平面型腔加工刀位点的计算 4、转角过渡处理 5、曲面加工中的刀位计算 6、刀具干涉检验,1、非圆曲线刀位点计算,直线段逼近,各直线逼近方法比较,双圆弧段逼近,直线元素 内切双圆弧 外切双圆弧 P1,p2,p3,p4 P1,p4在p2p3 P1,p4在p2p3 接近一直线 连线同侧 连线两侧 (- 0.05),2、球头铣刀行距的确定,平面,曲面,残留高度H 粗糙度要求Ra,3、平面型腔加工刀位点的计算,行切走刀路线 a)往返走刀 b)单向走刀,包含岛屿平面型腔简图,型腔加工方法：有行切法和环切法 行切法：刀具按平行于某坐标轴方向或一组平行线方向走刀。刀位计算简单，遇到岛屿抬刀越过岛屿，或沿岛屿边界绕过去。,刀位计算步骤： 型腔轮廓边界定义； 确定走刀偏置量； 计算内外偏置环； 干涉检查，去除无效环，形成新内外边界环； 重复循环，新环不断生成、分裂、退化直至消失。,环切法:是环绕型腔边界进行切削加工方法。,a)外轮廓偏置环自相交 判别自相交后每个新生封闭环，保留顺时针走向封闭环，去除逆时针封闭环。 b) 外偏置环与内偏置环互交 将收缩偏置环与扩张偏置环合成一个新边界环，扩张环的岛屿将自然消失。 c) 多个内偏置环互交 将相交的多个内轮廓偏置环合成为一个新的内轮廓封闭环，所包含的岛屿合并为一个大岛屿。,偏置环干涉处理方法,外偏置环自交： 保留顺时针走向环， 去除逆时针走向环,岛屿偏置环自交： 保留逆时针走向环 去除顺时针走向环,4、转角过渡处理,a)圆弧过渡： 添加一段附加圆弧B1B2 b)尖角过渡：（夹角 90) 延长两轨迹B1D、DB2构成形成尖角 c)方角过度：（夹角 90) 在两附加轨迹段之间插入过渡直线D1D2，使B1D1=B2D2=BB1 d)三角过度：应用较少。,5、曲面加工中的刀位计算,参数曲面,参数域,等参数曲线法： 刀具沿参数曲面 向或 向等参数线进行切削加工，计算速度快。,任意切片法： 刀具沿参数曲面与一组平行平面截交线 进行切削加工，这种方法刀位计算消耗时间较长。,等高线法： 刀具由高到低沿参数曲面与一组水平平面截交线进行切削加工，这种方法刀位计算时间最长。,6、刀具干涉检验,数控加工过程中，加工表面曲率半径小于刀具半径时的过切现象。,刀具运动方向的干涉检查,运动方向上存在的干涉可排除,非运动方向上的干涉不能排除,全方位干涉检查 通过计算刀具中心到离散小曲面片距离检查。,曲面曲率变化大测点多,曲面平坦，检测点少,8.4 数控编程中的工艺策略,1、粗精加工的工艺选择 2、刀具的切入和切出引导 3、加工路线的确定及优化,刀具的选用 粗加工：是切除绝大部分多余材料，切削用量较大，刀具负荷重，一般选用平底铣刀，刀具的直径尽可能选大。 精加工：是保证加工面精度要求，切削用量较小，刀具负荷轻，根据加工表面形状可选择平底刀、球头刀或圆角铣刀。应优先选用平底刀，应尽量选择圆角铣刀，而少用球头刀。 在刀具直径选择上：先用大直径刀具完成大部分的曲面加工，再用小直径刀具进行清角或局部加工。,1、粗精加工的工艺选择,加工路径的选择 粗加工：加工路径一般选择单向切削，可保证切削过程 稳定，可避免顺逆铣工作状态的变化。 精加工：切削力较小，对顺逆铣反映不敏感，加工路径 可采用双向切削，以减少空行程，提高切削效率。,进刀方式的选择 粗加工：主要考虑刀具切削刃强度； 精加工：主要考虑被加工表面质量。,铣刀端面刃切削能力差，对于型腔加工可采用斜角切入。,粗加工一般采用分层切削,2、刀具的切入和切出引导,二维圆弧切入/切出引导,二维圆弧切入/切出引导应用实例,二维垂直切入/切出 引导应用实例,二维平行切入/切出 引导应用实例,潜入式 水平式 法向式 切向式,三维切削刀具切入切出引导,3、加工路线的确定及优化,加工路线确定原则： 获得良好的加工精度和表面质量 走刀路线短空程少 数据计算工作量小,a)沿直纹母线走刀 好,b)沿横截面线走刀不好,加工路线确定实例,a)行切法 b)环切法 c)综合法 计算简单 表面质量好 两者综合,型腔加工路线确定,a)水平走刀 b)沿最长路径角度走刀 好 不好,走刀角度的选择,孔加工相邻距离最近优化法,孔加工例图,通常加工序列,优化加工序列 可节省近一半定位时间,孔加工配对优化法,使用不同刀具时的优化,不好 好,8.5 后置处理及DNC,后置处理：刀位计算后，CAM系统将生成一个刀位文件,该文件不能直接送给数控机床使用，尚需其转换为机床控制代码。,10 TOOL PATH/P2, TOOL, T2 20 TLDATA/MILL, 0.3750, 0.0000, 1.0000, 0.0000, 0.0000 30 MSYS/0.0000000, 0.0000000, 0.0000000, 1.0000000 0.0000000, 0.0000000, 0.0000000, 1.0000000, 0.0000000 40