CAM仿真 实验指导

CAM仿真一、实验目的1. 了解数控编程的基本过程；2. 结合实例分析零件的加工工艺方案；3. 初步掌握零件数控加工自动编程方法。二、基本知识1. 数控自动编程数控自动编程就是利用计算机编制数控加工程序，所以又称为计算机辅助编程。编程人 员将零件的形状、几何尺寸、刀具路线、工艺参数、机床特征等，按一定的格式和方法输入 到计算机内，自动编程软件对这些输入信息进行编译、计算、处理后，自动生成刀具路径文 件和机床的数控加工程序，通过通信接口将加工程序直接送入机床数控系统，以备加工。数控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，主要有语言式自动 编程系统和CAD/CAM集成化编程系统。1）APT语言自动编程APT语言系统已是一种功能非常丰富、通用性非常强的系统。但该系统庞大，这又限 制了它的推广使用。在APT语言自动编程系统的基础上，各国相继研究出针对性较强、各具 特点的编程系统。如美国的ADAPT. AUTOSPOT，英国的确2C、2CL、2PC，西德的EXAPT-1 （点 位）、EXAPT-2 （车削）、EXAPT-3 （铣削），法国的 IFAPT-P （点位）、IFAPT-C （轮廓）、 IFAPT-CP （点位、轮廓），日本的FAPT数控自动编程语言系统等。我国原机械工业部1982 年发布的数控机床自动编程语言标准（JB3112-82）采用了 APT的词汇语法，1985年国际标 准化组织ISO公布的数控机床自动编程语言（ISO4342-1985）也是以APT语言为基础。2）CAD/CAM集成系统数控编程CAD/CAM集成系统数控编程是以待加工零件CAD模型为基础的一种集加工工艺规划及数 控编程为一体的自动编程方法，其中零件CAD模型的描述方法多种多样，适用于数控编程的 主要有表面模型（surface model）和实体模型（solid model），其中以表面模型在数控编程中 应用较为广泛。以实体模型为基础的数控编程方法比以表面模型为基础的编程方法复杂，基于表面模型 的数控编程系统，其零件的设计功能（或几何造型功能）是专为数控编程服务的，其针对性 很强，也容易使用。基于表面模型的数控编程系统，其零件的设计功能（或几何造型功能）是专为数控编程 服务的，针对性很强，也容易使用。基于实体模型的数控编程系统其实体模型一般不是专为数控编程服务的，为了用于数控 编程往往需要对实体模型进行可加工性分析，识别加工特征，并对加工特征进行加工工艺规 划，最后才能进行数控编程，其中每一步可能都很复杂。过程如图1所示图1基于表面模型的数控编程系统和基于实体模型的数控编程系统2. 自动编程的刀位算法复杂的曲线、曲面及带岛、坑的型腔零件的加工是数控自动编程系统的难点；对复杂 零件进行编程时，首先要确定其型面的数学模型，然后计算其刀位点及规划走刀轨迹。1）自由曲线的刀位算法数控系统一般都不具备样条曲线的插补功能，自由曲线使用三次参数样条、NURBS等方 法拟合后，必须用直线段或圆弧进行二次逼近，才能编制数控加工程序，进行数控加工。处理自由曲线和曲面的数学方法很多：如三次参数样条与孔斯曲面法，Bezier曲线与 曲面，B样条曲线与曲面，以及NURBS方法；NURBS法被认为是最有发展前景的方法，1991 年ISO正式颁布关于工业产品几何定义的STEP国际标准，把NURBS方法作为定义产品形状 的数学方法，多数数控编程系统及CAD/CAM系统都扩充开发了 NURBS方法。2）平面形腔零件加工时的刀位算法平面型腔是由封闭的边界（外轮廓）与底面构成的凹坑。一般情况下坑的坑壁（外轮廓） 与底面是垂直，但也有和坑底面成一定锥度的。有时在凹坑（型腔）中存在凸起即称为岛屿 （内轮廓）。平面型腔零件加工方法主要有两种：行切法及环切法。行切法加工时时刀具沿一组平行线走刀，可分为往返走刀和单向走刀。往返走刀是当刀 具切进毛坯后，尽量少抬刀，在一个单向行程结束时，继续以切进方式转向返回行程并走完 返回行程，如此往返。这种方式在加工过程中将交替出现顺铣、逆铣，因两者切削效果不同， 影响加工表面质量和切削刀的大小。有些材料不宜往返走刀，可采用单向走刀方式。单向走 刀时刀具沿一个方向进行至终点后，抬刀到安全高度再快速返回到起刀点后沿下一条平行线 走刀，如此循环进行。该方式优点是刀具可保持相同的切削状态进行加工。行切法的刀位点 计算较简单。主要是一组平行线与型腔的内、外轮廓求交，判断出有效的交线，经编辑后按 一定的顺序输出。在遇到型腔中“岛屿”时，稍作分析加以处理，可采取不同的措施：抬刀 到安全高度越过“岛屿”；沿“岛屿”边界绕过去；或是遇到内轮廓反向回头继续切削；若 内轮廓不是凸台而是“坑”可以直接跨越。环切法加工不仅可使加工状态保持一致，同时能保证外轮廓的加工精度，环切法刀位计 算复杂，是国内外学者研究的重点。下面介绍一种环切计算方法，其步骤如下：Q外轮廓按加工要求的刀偏值向里偏置，检查形成的环是否合理，并进行预处理；9内轮廓按加工要求的刀偏值向外偏置，检查所形成的环是否合理，并进行预处理；Q内、外环接触后，消除干涉，重新形成新的内、外环；9重复上述步骤，新的环不断生成，直至整个零件的加工完成。3. UG CAM加工类型1) .孔加工(1) 点位加工。点位加工用来创建钻孔、扩孔、镗孔和攻丝等刀具路径。(2) 基于特征的孔加工。基于特征的孔加工通过自动判断孔的设计特征信息，自动地对孔 进行选取和加工，这就大大地缩短了刀轨生成的时间，并使孔加工的流程标准化。2) . UG车加工车削加工可以面向二维部件轮廓或者是完整的三维实体模型编程。用来加工轴类和回转 体零件，它包括粗车、多步骤精车、预钻孔、攻螺纹和镗孔等程序。3) . UG铣加工(1) 平面加工。平面加工通常用于粗加工切去大部分材料，也用于精加工外型、清除转角 残留余量。适用于底面(Floor)为平面且垂直于刀具轴、侧壁为垂直面的工件。(2) 穴型加工。穴型加工主要用于曲面或斜度的壁和轮廓的型腔、型芯进行加工，用于粗 加工以切除大部分毛坯材料。(3) 等高加工。等高加工通过切削多个切削层来加工零件实体轮廓与表面轮廓。(4) 固定轴加工。固定轴加工是通过选择驱动几何体生成驱动点，将驱动点沿着一个指定 的投射矢量投影到零件几何体上生成刀位轨迹点，同时检查刀位轨迹点是否过切或超差。(5) 可变轴加工。与固定轴加工相比，可变轴加工提供了多种刀具轴的控制。根据不同的 加工对象，可变轴加工也可实现多种方式的精加工。(6) 清根加工。清根加工可以有效地清除拐角及狭缝中残留的材料。(7) 顺序铣加工。顺序铣加工是利用零件面控制刀具底部，驱动面控制刀具侧刃，检查面 控制刀具停止位置的加工方式，刀具与零件面、驱动面、检查面接触，刀具在切削过程中， 侧刃沿驱动面运动且保证底部与零件相切，直至刀具接触到检查面。顺序铣加工非常适合于 切削有角度的侧壁。4) . NX/线切割加工线切割加工编程从接线框或实体模型中产生，实现了两轴和四轴模式下的线切割。可以 利用范围广泛的线操作，包括多次走外型、钼丝反向和区域切除。该程序包也可以支持调节 Glue Stops、各种钼丝线径尺寸和功率设置。线切割广泛支持包括AGIE、Charmilles及其他 加工设备。4. UG CAM加工过程NX CAM加工过程如下：1）获得CAD数据模型。数控编程的CAD数据模型，有UG直接造型的实体模型和数据转 换的CAD模型两种方式。2）启动UG/加工，初始化设置。进入加工环境后，首先要进行初始化设置，包括选择模板 文件，建立父节点组。3）建立CAM数据模型。设计人员建立CAD数据模型时更多考虑零件设计的方便性和完整 性，不一定完全考虑对加工的需求，因而要根据加工对象建立CAM模型。（1）加工坐标系（MCS）的确定。坐标系是加工的基准，将加工坐标系定位于机床操 作人员确定的位置，同时保持坐标系的统一。（2）CAD数据模型数据处理。分析CAD数据模型，把不适合用铣切方法加工的特征 用简化Simplify或用wave技术处理。把此特征采用另外的加工方式，例如采用线切割加工； 隐藏部分对加工不产生影响的曲面。用类选择器将对加工不产生影响的曲面分类，通过层选 项将分类的曲面移动到不同层，设置为不可见；修补部分曲面，用缝合等命令选项构造的零 件几何体应考虑曲面片间可能出现的重叠和缝隙，而导致刀轨的过切削、啃刀等现象，应修 整或缝合这些不光顺的区域。这样获得的刀具路径规范而安全；对轮廓曲线进行修整。CAD 数据集若存在位置数据不连续，一阶导数或者二阶导数不连续、多余（辅助）几何等缺陷， 可通过修整或者创建轮廓线构造出最佳的轮廓曲线。（3）构造CAM辅助加工几何。针对不同驱动几何的需要，构造辅助曲线或辅助面； 构建边界曲线限制加工范围。4）定义加工方案。加工对象的确定及加工区域的规划。在平面铣和型腔铣中加工几何用于 定义加工时的零件几何、设定毛料几何、检查几何，在固定轴铣和变轴铣中加工几何用于定 义要加工的轮廓表面。包括（1）刀具选择；（2）加工内容和加工路线规划；（3）切削方式 的确定；（4）定义加工参数；（5）进、退刀Engage/Retract；（6）避让几何Avoidance； （7） 切削参数Cutting； （8）机床控制Machine Controlo内容融入到创建操作中。5）创建操作，生成加工刀具路径在“创建操作”对话框中指定该操作的类型、程序、使用几何体、使用刀具和使用方法等 父节点组，并指定操作的名称。在咆J建操作”对话框中选定了不同的加工操作类型，则会弹 出不同的操作对话框。在这些对话框中需进行一系列加工几何对象、切削参数、控制选项等 操作参数的设置，并且很多选项需通过二级对话框弹出并进行设置。操作参数的设定是UG CAM编程中最主要的工作内容，具体包括：（1）加工对象的定义：选择加工几何体、检查几何体、毛坯几何体、边界几何体、区域 几何体、底面几何体等。（2）加工参数的设置：包括走刀方式的设定，切削行距、切深的设置，加工余量的设置， 进/退刀方式的设置等。（3）工艺参数设置：包括切削参数设置、避让控制、机床控制、进给率设定等，不同的 操作类型，其操作对话框显示的选项不尽相同。UG编程操作时，操作对话框中的参数设置非常关键，会直接影响所编制的加工程序的 正确性与合理性。但是，不少参数也可使用系统提供的默认值。在完成参数设置后，系统进行刀轨计算，生成加工刀具路径。6）刀具路径检验、编辑和仿真。对生成刀具路径的操作，可以在图形窗口中以线框形式或 实体形式模拟刀具路径，让用户在图形方式下更直观地观察刀具的运动过程，以验证各操作 参数定义的合理性。此外可在图形方式下用刀具路径编辑器对其进行编辑。并在图形窗口中 直接观察编辑结果。7）加工刀具路径后处置输出NC程序。在NX生成的刀具路径如果不经后置处理将无法直 接送到数控机床进行零件加工。这是因为不同厂商生产的机床硬件条件不同，而且各种机床 所使用的控制系统也不同，对同一功能，在不同的数控系统中不完全相同。这些与特定机床 相关的信息，不包含在刀具位置源文件（CLSF），因此刀具位置源文件必须进行后置处理， 以满足不同机床/控制系统的特殊要求。根据机床参数格式化刀具位置源文件，生成特定机 床可以识别的NC程序。8）机床试切加工。较复杂工件的数控程序需通过试切件的试切切削验证。试切件用料可采 用硬塑料、铝、硬石蜡、硬木等，试切件还应多次使用和重复使用，以降低成本。上述编程流程如图2所示。图4心形零件草图图2 UG CAM编程过程三、实验内容1、CAM实验内容加工如图3所示心形零件，草图如图4所示，长方体高度为30mm，其下凹部分为直壁， 外壁为心形凹槽由6段相切的圆弧组成，心部为直径为25mm的直壁圆柱，深度为16mm， 上表面与底面均为平面，毛坯自定，（为了简化）定为180mmX 140mmX30mm的长方体。2、工艺分析需要对心形零件进行凹槽的粗加工、精加工，以固定底面安装在数控机床工作台上。 （1）工件坐标系原点设置。为了方便对刀，将工件坐标系设置在顶部平面的心形中心位置。（2）加工工步分析。零件形状比较简单，使用平面铣加工，没有尖角或很小的圆角，同时 表面没有特殊的要求，采用（P16的平底立铣刀进行加工，避免换刀操作。分为3个工步：A凹槽粗加工：分层切削，每层切削深度为0.2mm，设置主轴转速为1000r/min，进给深度 为 500mm/min；B底面精加工。设置主轴转速为1500r/min，进给深度为300mm/min；C侧面精加工：采用分层切削，每层切削深度为0.2mm，设置主轴转速为1500r/min，进给 深度为 300mm/min。四、操作步骤1、零件导入启动UG NX，打开UG建立的需要加工的零件模型，或者导入其他CAD系统建立的模型文件，如图6所示，零件导入后如图7所示。图6导入其他格式的零件图7导入零件后的状态2、加工初始设置在主菜单中选择一 “加工”，如图8所示；系统弹出加工环境初始化对话框，如图9所 示，加工环境设置为mill-planar，单击“确定”按钮进行初始化，并进入UG加工模块及相 应的环境，用户界面上将出现加工模块专用的各个工具栏和图标（按钮），同时在导航器栏中将增加“操作导航器”图标和相应的窗口，如图10所示。图10初始设置后的窗口图8进入“加工”模块 图9 UG加工环境3、创建/修改组(1)建立 MCS_MILL在“操作导航器”中空白处点鼠标右键，弹出菜单选【几何视图】按钮；双击导航器中 的“MCS_MILL”选项，弹出“Mill Orient”对话框，单击机床坐标系中的【CSYS对话框】 按钮，如图11所示；类型下拉菜单中选择“对象的CSYS”选项，然后选择零件上表面， 单击“确定”按钮，建立MCS，如图12所示，在“Mill Orient”对话框中的“间隙”选项 组中设置安全平面高度为20mm，如图11中的黑色椭圆框。图12建立MCS图 11 设置 MCS_MILL（2）建立 WORKPIECE在“操作导航器”中，双击“WORKPIECE”选项，弹出“铣削几何体”对话框，如图13所示；单击【指定部件】，弹出“部件几何体”对话框，如图14所示，单击“全选”按 钮，将零件全部选择，然后确定；单击中“铣削几何体”对话框中的【指定毛坯】按钮，弹 出“毛坯几何体”对话框，如图15所示，点选“自动块”单选钮，然后单击“确定”完成毛坯的创建。在“铣削几何体”对话框按“确定”，完成WORKPIECE的建立图13设置铣削几何体图14设置部件几何体 图15设置毛坯几何体(3) 建立程序组在“操作导航器”中空白处点鼠标右键，弹出菜单选【程序顺序视图】按钮，将导航器 切换至程序顺序视图。在“插入”工具栏中单击【创建程序】按钮，弹出“创建程序”对话 框；在“位置”选项组的“程序”下拉菜单中选择“PROGRAM”，并设置名称为“RR”， 如图16所示，在弹出菜单中单击“确定”；同理设置“FF”程序组，设置程序之后的“操 作导航器”如图17所示。*肥 6 - lanuf acturing UG_CAI_Ex_igs. prt 修改的）视图堕）插入格式（R）工具（D 装配旧）信息（D分析（U1 /X G %匏莅四曰 操作导航器-,建程序瘁文件编辑E名称年|创建程序NC_PROGRAM司不便用的项0- ?囱 PROGRAM卜小|RRVQ|FF 图16创建程序图17创建RR和FF程序（4）建立刀具在“操作导航器”中空白处点鼠标右键，弹出菜单选【机床视图】按钮，将导航器切换 至机床视图，在“插入”工具栏中单击【创建刀具】按钮，弹出“创建刀具”对话框；在“刀 具子类型，中选择“MILL”，刀具名称为“D16”，如图18所示，“确定”后弹出“铣刀-5 参数”，设置“尺寸”中的直径，“数字”中的参数，如图19所示，单击“确定”，完成刀具设置。寻 :创建刀具创建几何体生成刀轨确认刀轨该对象显示在LA. I “操作导航器”v 1 NX 6 - Manuf acturing - UG_CAM_Ex_igs. prt 修改的）尸文件编辑（D视图凹插入格式但）IM 装配信息（!）分析（L）CENERIC.MACHINE囱不使用的项创建程序R|创建刀具1*1anar位置确定11应用j 取消j图19铣刀（D16）参数图18创建刀具（5）设置加工方法在“操作导航器”中空白处点鼠标右键，弹出菜单选【加工方法视图】按钮，将导航器 切换至加工方法视图，用鼠标左键双击“MI LL_ROUGH ”图标，弹出“铣削方法”对话框; 在“铣削方法”中设置粗加工“余量”和“公差”如图20所示，单击“确定”完成粗加工余量和公差设定；用鼠标左键双击 MILL_FINISH ”图标，在弹出“铣削方法”对话框中设置精加工“余量”和“公差”，如图21所示，单击“确定”。图20粗加工“余量”和“公差”图21精加工“余量”和“公差”4、创建操作（1）粗加工创建粗加工操作。在“操作导航器”中空白处点鼠标右键，弹出菜单选【程序顺序视图】 按钮，将导航器切换至程序顺序视图。在“插入”工具栏中单击【创建操作】按钮，弹出“创 建操作”对话框；在“类型”下拉列表中选择“mill_planar（二维铣削）”，在“操作子类型” 中选择【PLANAR_MILL（型腔铣）】按钮，如图22所示。平面铣指定部件边界。单击“创建操作”（图22）中的“确定”按钮，弹出“平面铣”对话框，如图23所示；单击【指定部件边界】按钮，弹出“边界几何体”对话框，直接选图22创建粗加工操作择待加工区域一一部件和岛屿，单击“确定”按钮，回到“平面铣”对话框。图23平面铣指定部件边界平面铣指定毛坯边界。在“平面铣”对话框中单击【指定毛坯边界】按钮，弹出“边界几何体”对话框，选择零件底面边界作为“毛坯边界”，单击“确定”按钮，如图24所示， 回到“平面铣”对话框。平面铣指定底面。在“平面铣”对话框中单击【指定底面】按钮，弹出“平面构造器” 对话框，选择零件槽底面，单击“确定”按钮，如图25所示，回到“平面铣”对话框。图24平面铣指定毛坯边界图25平面铣指定底面设定加工参数，如图26所示。方法：MILL_ROUGH切削模式：跟随部件步距：刀具直径平均直径百分比：50.0【即：步距为刀具直径的50%】切削层：点击按钮，弹出“切削深度参数”对话框，设置切削深度固定值为2.0mm； 非切削移动：点击按钮，弹出“非切削移动”对话框，进行设置；进给和速度：点击按钮，弹出“进给和速度”对话框，进行设置；图26设置平面铣加工参数点击“操作”里面的“生成”（第一个图标），如图26,再点击“操作”里面的“确认”(第三个图标)，弹出“刀轨可视化”对话框，可以实现刀轨可视，如图27所示。(2)精加工选择“RR”程序组下的平面铣操作，单击鼠标右键，在弹出菜单中单击“复制”命令， 选择“FF”程序，单击鼠标右键，在弹出菜单中选择“内部粘贴”命令，如图28所示。图27刀轨可视图28复制粘贴操作底面精加工操作。双击打开复制得到的平面铣操作“PLANAR_MILL_COPY”，进行编 辑。如图29所示，修改“方法”为“MILL_FINISH”，“切削模式”为“跟随部件”，“切削 层”为“仅底部面”，“进给和速度”中“主轴转速rpm”设为“1500”、“进给率mmpm”设 为“300”，完成设置后单击“生成”按钮，计算刀具轨迹，单击“确定”按钮。侧壁精加工操作。选择侧壁精加工操作，单击鼠标右键，在弹出菜单中单击“复制”命 令，然后再单击鼠标右键，在弹出菜单中选择“粘贴”命令，如图30所示。双击“PLANAR_MILL_COPY_COPY ”弹出“平面铣”对话框。编辑“切削模式”为“配置文 件”，“切削层”为“仅底部面”，在“非切削移动”中将“进刀类型”改为“与开放区域相 同”，如图30所示。完成后单击“生成”按钮，计算刀具轨迹，单击“确定”按钮。20001：!00001：主轴速度更多进刀il京|另站/站|福i/W|避让wi rar切削深度参数与|非切削移动进给和速度确定JI取消刀轴刀轨设置方法切削模式切削层切削参数非切削移动进给和速度巨岛顶面切削I确定11后退11取消 主轴速度(rpm)11500. 000(|日确定日取消确定1取消日几何体刀具步距平面直径百分比机床控制程序口.1兀叮 WWWIWDWW进绐率切削回素困园I封闭区域履跟随部件 D展刀具平直同恤5顽厂后何1配置文件商情，R具平直可型固定深度:大值:小值初始最终伽面余星增量自动设置切削层切削参数非切削移动进给和速度机床控制进刀类型开放区域切削模式步距平面直径百分比附加刀略程序选项倒面余星增星几何体BM刀轴刀轨设直回岛顼面切削切削深度参数平面铳进刀类型谶性明长度1哽PM刻何刀度可旋转角度0.00001：倾斜角度0.0000(局度1 3 0000( mm 】是小安全距离回修敦至最小安全距离| 60. 0000(1 %刀度【】初始封印区域图29底面精加工设置图30侧壁精加工设置5、加工模拟仿真在“操作导航器”中单击“PROGRAM”程序组，组内所有操作被选择，然后在“操作” 工具栏中单击【确认刀轨】按钮，如图31所示。弹出“刀轨可视化”对话框，单击，2D动 态”，如图27所示，然后单击【播放】按钮，加工模拟结果如图32所示。图31确认所有操作图32模拟结果6、后置处理模拟完成后，即可输出NC程序。在“操作导航器”中单击“PROGRAM”程序组，组 内所有操作被选择，然后在“操作”工具栏中单击【后处理】按钮，弹出“后处理”对话框。 选择后处理器为“MILL_3_AXIS”，在“输出文件”选项组的“文件名”文本框中设置程序 的文件名和保存路径；在“设置”选项中，勾选“列出输出”复选框，如图33所示，单击 “确定”，系统自动弹出信息窗口，显示程序，如图34所示。图34 NC程序图33后处理设置五、思考题试找一个板类槽体零件，按照上述基本步骤进行加工仿真。