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机械CAD/CAM技术第八章数控编程和仿真第一节概述第二节数控编程第四节图形交互式自动编程第三节数控语言自动编程第五节应用MASTERCAM系统进行数控加工编程第六节数控加工仿真1952年世界上第一台数控机床在麻省理工学院研制成功。1954年世界上第一个自动编程语言——APT语言诞生二十世纪六十年代初期，数控机床更广泛地应用于工业生产中，操作更加容易，功能更加强大。1976年，第一台计算机数控（CNC）机床问世，它具有存储功能，响应速度更快。数字控制（简称数控）是指在数控机床上使用数字编码指令（数字或字母）对机床部件进行控制的一种方法。第一节概述1．概念数控加工是用数控装置或计算机代替人工操作机床进行自动化加工的一种方法。2．加工的过程首先设计出零件的图纸，根据零件图进行工艺规程设计，然后编制出数控程序并生成刀位数据文件，经后置处理器进一步处理后，数控指令以穿孔纸带的形式输入机床的数控系统。数控系统对输入的指令进行处理后，把它们转化成输出信号，用来控制各个机床部件，进行数控加工。这样，机床就会在指令的控制下加工出合格的零件。当加工对象改变时，不需要重新调整机床，只要更换一个新的控制介质（如穿孔纸带）就可以加工新的零件。一、数控加工的特点3．数控加工的特点：1）加工精度高2）生产效率高3）自动化程度高4）工件成本低5）生产准备时间短6）加工范围广7）有利于实现CAD系统、CAPP系统、CAM系统的集成。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。二、数控系统的类型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。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1）概念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2）特点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。四、NC/CNC/DNC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，目前应用昀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1）概念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。2）特点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1）概念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1）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。2）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。3）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昀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。1）概念图形交互编程技术通过专门的计算机软件来实现，这种软件通常利用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；然后调用数控编程模块，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。2）特点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。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。第四节图形交互式自动编程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的图形交互方式。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