第6章微机自动编程与应用

第6章微机自动编程与应用6.1自动编程概述6.1.1自动编程原理及类型从前述章节的手工编程实践中可知，数控编程主要就是将组成零件几何图形的基本线圆图素的节点（交点）坐标值，按数控程序的要求固定地排列起来，再少量地在某些部位嵌入一些加工工艺指令而已。只要求出各交点坐标，则转化成数控程序是就相当于填表一样有规则。自动编程就是用计算机来计算这些交点，再按规律自动组成数控程序。对于简单零件图形，由于各交点坐标很容易求出，通常都只需要采用手工编程即可，若用自动编程则感觉不出其优势，但对于复杂零件图形，由于交点坐标手工很难计算，所以往往需要借助于自动编程。当然，对于简单图形，若需要经常性地进行数学变换，同样需要使用自动编程系统。1．数控语言型批处理式自动编程早期的自动编程都是编程人员根据零件图形及加工工艺要求，采用数控语言，先编写成源程序单，再输入计算机，由专门的编译程序，进行译码、计算和后置处理后，自动生成数控机床所需的加工程序清单，然后通过制成纸带或直接用通讯接口，将加工程序送入到机床CNC装置中。这其中的数控语言是一套规定好的基本符号和由基本符号描述零件加工程序的规则，它比较接近工厂车间里使用的工艺用语和工艺规程，主要由几何图形定义语句、刀具运动语句和控制语句三种语句组成。编译程序是根据数控语言的要求，结合生产对象和具体的计算机，由专家应用汇编语言或其它高级语言编好的一套庞大的程序系统。这种自动编程系统的典型就是APT语言。APT语言最早于1955年由美国研制成功，经多次修改完善，于70年代发展成APT-Ⅳ，一直沿用至今。其它如法国的IFAPT、德国的EXAPT、日本的FAPT、HAPT以及我国的ZCK、SKC等都是APT的变形。这些数控语言有的能处理3～5坐标，有的只能处理2坐标，有车削用的、铣削及点位加工用的等。这种方式的自动编程系统，由于当时计算机的图形处理能力较差，所以一般都无图形显示，不直观，易出错。虽然后来增加了一些图形校验功能，但还是要反复地在源程序方式和图形校验方式之间来回切换，并且还需要掌握数控语言，初学者用起来总觉不太方便。2．人机对话型图形化自动编程在人机对话式的条件下，编程员按菜单提示的内容反复与计算机对话，陆续回答计算机的提问。从一开始，对话方式就紧密与图形显示相联，从工件的图形定义，刀具的选择，起刀点的确定，走刀路线的安排直到各种工艺指令的及时插入，全在对话过程中提交给了计算机，最后得到的是所需的机床数控程序单。这种自动编程具有图形显示的直观性和及时性，能较方便地进行对话修改，易学且不易出错。图形化自动编程系统有EZ-CAM、MasterCAM、UGII、PRO/E、CAXA制造工程师等。本章主要介绍MasterCAM自动编程系统。6.1.2MsterCAM软件系统概述MsterCAM是美国CNCSoftwareInc.公司所研制的集CAD/CAM于一体的一个大型应用软件系统，主要用于数控机床的自动编程及其控制，因其对机器配置要求较低而得到了广泛的应用。该软件采用的是图形化自动编程的方式，具有绘图设计、尺寸标注、轮廓铣削、钻削、车削、线切割等的处理技术。用户可利用其绘图设计功能绘制出待加工零件的图样，然后直接在其上进行加工路线的描述定义，则该软件即可自动计算处理并生成用于控制机床的数控加工程序。图6-1所示是其中Mill铣削模块的结构框架。1．系统界面特点图6-1Mill模块结构框架当前流行的MasterCAM是基于WINDOWS平台上运行的一套软件系统，启动MasterCAM8.0版的铣削模块Mill后的操作界面如图6-2所示。MasterCAM系统将显示界面分割为三个区域：绘图区、菜单区和系统回应区。其中：绘图区是为作图、图形显示、加工模拟显示等提供表演的场所。可通过功能设定将其划分为多个视区，以达到从不同的角度观察的效果。系统回应区是人机对话的场所，包括从系统中反馈的信息显示、各种状态显示、错误提示以及必需的键盘响应，进行中需要键入的数据等。菜单区共分主功能菜单区、次功能菜单区、图标菜单区三部分。系统绝大部分功能实施都需要通过对主功能菜单的逐层调用来进行。例如，如图6-3所示为进行“连续画线”功能操作所需要逐层调用的菜单层次结构。菜单内容的显示始终在同一区域内，当要执行某一项功能时，只能一层层地切换菜单项，操作起来很烦琐。为使操作方便，该系统采用了如下几种快捷方法。（1）增设次功能菜单区；主要是为对图层操作、颜色及构图面等的设定方便而提供的一种快捷操作菜单项。用鼠标点选这些菜单项时，有关图层与颜色的设置是通过弹出对话框的图6-2Mill模块的操作界面图6-3菜单层次结构形式进一步操作的，而有关构图面等的设置则是直接调用主菜单区来进行的。（2）增设图标菜单区；主要是为系统常用功能选用方便而提供的一些快捷操作菜单项。用鼠标点选某一图标，则相当于打开多层菜单，直接调用底层具体执行的功能菜单。（3）提供逐层回退及直接返回根菜单功能；连续点选“返回上一菜单”项，可逐层回退直到根菜单，若点选“回根菜单”项，则无论当前是处于那一个菜单层次都可直接回到根菜单。（4）提供快捷键操作。系统对一些常用的功能提供即时热键快速调用。常用热键及对应功能见图6-4所示。新版本中因有图标菜单，故取消了许多热键功能。在系统中可随时按F1功能键或按ALT+H键得到更具体的帮助。2．系统的主要菜单功能（1）主功能菜单其主菜单各项功能分别为：分析（Analyze）：将所选实体的坐标数据信息等显示在屏幕上，如点、线、弧、曲线、曲面或标注的尺寸、文字等的数据状态信息。主要用于数据查询。绘图（Create）：产生点、线、弧、曲线、曲面或标注的尺寸、文字等几何实体，每产生一个实体，其数据自动存入数据库中并且该实体同时显示在屏幕上。档案（File）：用于对图形数据的存档、读出、编辑、转换、打印、传送输出等的管理。修整（Modify）：用倒圆、修剪、延伸、断开、连接等方式修整已经绘制的几何实体。图形变换（Xform）：对已经绘制的实体进行对称、旋转、比例缩放、平移、偏移等多种方式的变换，从而生成新的几何实体。删除（Delete）：从屏幕上和系统的数据库中删除一个或者一组几何实体图素。视屏设定（Screen）：用于改变图形在屏幕上显示的大小、位置等的设置，如放大、缩小、自动调整、指定范围等的显示方式，颜色、图层等的设定，还有系统设置等。刀具路径（Toolpaths）：为零件几何图形的轮廓铣削、钻孔、铣槽形、字型铣削、曲面铣削等的加工定义刀具路线，产生NC刀具路径。用于为数控加工的自动编程提供数据。NC公用程序（NCUtils）：用于对NC刀具路径数据文件进行查询显示、编辑修改、加工模拟、自动编程以及对已有数控程序文件反向进行NC刀具路径的自动生成。这一功能可用于对手工编程进行加工模拟的校验。MasterCAM系统的整个菜单内容见书后附录5。（2）次功能菜单作图面高度Z：用于设定当前作图面的高度。对曲面三维实体的构建必不可少。作图颜色（Color）：用于设定当前作图时线条的颜色。作图层（Level）：用于设定当前作图的图层。MasterCAM系统也同样引入图层的概念，用于存放一些具有相同属性的实体，以便于进行管理。MasterCAM设定最多为256层。刀具面（TPlane）：用于设定当前刀具所处的方位。对三维立体形状工件而言，只有设置合理的刀具方位才能保证合理加工程序的产生。构图面（CPlane）：用于设定当前所绘图形的空间方位。绘制三维图形时需要及时改变构图面的位置，结合作图面高度的设定可使得图形绘制过程快捷方便。观察面（View）：用于改变观察所绘图形的视角，以获得满意的观察效果。如在进行模拟加工时将观察面设定为“轴测面”可得到较形象的观察效果。（3）图标菜单各图标菜单及其功能见书后附录6。6.2零件基本几何图形的绘制6.2.1基本线圆定义1．绘制直线（Line）见图6-5所示。（1）水平线（Horizontal）画一条水平方向的线段。操作：先指定第一点，同时菜单转为公共给点菜单，这时可选择用键盘输入坐标点的方式或捕捉已有点的方式，默认状态为直接用鼠标在屏幕上点取一点，你可根据情况选择一种取点方式并用鼠标点取相应的菜单项。给定第一点后，屏幕即提示输入第二点的坐标，方法同上。然后屏幕显示第一点的Y坐标值，并允许输入修改为其它值，修改或认可回车后，即可得到由第一、二两点的X值确定左右边界，由指定的Y值确定上下位置的一条水平线。（2）垂直线（Vertical）．画一条垂直方向的线段。操作：方法同水平线，只是由第一、二两点的Ｙ值定上下边界，由第一点的Ｘ值或输入修改后的X值确定左右位置的一条垂直线。（3）两点连线（Endpoints）由指定的两点画一条线段。操作：先后要求指定两点，点值可根据公共给点菜单的选项采用键盘输入或捕捉得到。（4）连续画线（Multi）画一些首尾相接的连续线段。操作：每一条线的画法同两点连线，只不过该方法始终是将前一条线的第二点作为后一条线的第一点，连续不停地持续下去，直到按ESC键、或用鼠标去拾取其它画线方法而中止。（5）极坐标画线（Polar）画一指定角度且定长的线段。图6-5直线绘制方法操作：先指定一点作为线段的起点，然后要求输入极角和极半径值。每次重启系统或重新初始化后默认的极角值为0，极半径为25mm，当定义一次以后，所定义的值将作为新的默认值为其后使用，直到再定义新值后，新值又将作为新的默认值。（6）切线（Tangent）画一和某圆弧相切的线段。本画线方式菜单还有下级菜单，即将其细分成：切角切线、公切线、点切线①切角切线（Angle）：与某圆弧相切并和X正轴夹于某角度值。操作：先选择并拾取相切圆弧，再接着要求输入夹角、输入线长（系统将根据拾取点的位置决定两可能切点中的一个切点，如果拾取点在过圆心的水平线的上方则取上切点，否则取下切点，若夹角为90度则左右区分切点），然后在屏幕上显示出由切点向两边切向画出的两段切线，并提示要求在欲保留的那段切线上拾取一下，则另一段切线将自动被舍弃。在要求用鼠标拾取某线圆时，若不合要求（如离可能的线圆太远等）则需要重试。②公切线（2arcs）：同时切于两圆弧的直线。操作：要求先后选择并拾取两圆弧，并根据拾取点的位置确定几条可能公切线中的一条。如下规定仅供参考：上←―→上：上外公切线下←―→下：下外公切线上←―→下：内公切线下←―→上：内公切线当对两相交圆弧拾取时，若由于拾取点的位置导致计算在内公切线方式上时，系统会产生错误提示。由于公切线的产生和拾取点的位置是有很大关系，所以拾取时应尽量使拾取点靠近所需切点。③点切线（Point）：即过一点向某圆弧作切线。操作：输入时先提示拾取相切圆弧，然后再提示指定该切线经过的某点。最后则要求指定该切线从切点处开始计量的长度（默认长度为指定点到切点的计算长度）。定义完成后则显示出从切点起指定长度的直线段。（7）点垂线（peRpendclr）过一点且与另一线段或圆弧相垂直的线段（端点为垂足）。操作：先拾取相垂直的原始实体，然后提示指定一点，最后还要求指定垂线的长度（默认长度为指定点到被垂直实体的垂足点间的计算长度）。2．绘制圆弧和整圆如图6-6所示。圆弧部分（Arc）有极坐标画弧、两点定弧、三点定弧、相切圆弧等。（1）极坐标方式（Polar）：细分为圆心点、拾取点、起径角、终径角等定义方式。圆心点：先指定圆心点，再输入半径，指定起始角和终止角（初始默认值为：半径25mm，起始角和终止角均为0度，鼠标拾取则视为回车认可）。拾取点：基本同上，但其起始角和终止角可由鼠标直接拾取确定（不可捕捉拾取）。适用于画草图。起径角：先指定圆弧起点再输入半径值，最后定起始角和终止角终径角：先指定圆弧终点再输入半径值，最后定起始角和终止角（鼠标拾取视为回车）（2）两点半径定弧（Endpoints）：操作：先后提示指定两点（弧的两端点）后，再按要求输入半径值，接着显示出所有满足条件的圆弧，并要求选择其一。若计算出两点间距直径，则出现错误信息＝直径，则有两半圆弧供选择