机械CADCAM-第七章计算机辅助数控加工.ppt

1,第八章 数控编程和仿真,第一节 计算机辅助数控编程,第二节 数控编程中的数学处理,第四节 DNC技术,第三节 加工过程仿真,2,1952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.,第一节 计算机辅助数控编程,3,数控机床出现不久，计算机就被用来帮助人们解决复杂零件的数控编程问题，即产生了计算机辅助数控编程(又称自动编程)。 计算机辅助数控编程技术的发展大约经历了以下几个阶段：,4,(1)数控语言自动编程 从20世纪50年代美国麻省理工学院设计的APT语言，到60年代的APTII、APTIII，70年代的APr-IV、APT-AC、和APTIVSS，以及后来发展的APT衍生语言(如美国的ADAPT，德国的EXAPT，日本的HAPT、FAPT，英国的IFAPT，意大利的MODAPT和我国的SCK-1、SCK-2、SCK-3、HZAPT等)。,5,(2)图形自动编程系统 于20世纪70年代微处理机问世以后，进入实用阶段，这种编程系统将编程中的大量信息变成了显示屏幕上的直观图形，成为人机对话式的程序编制工作。早期的编程系统有1972年美国洛克希德加里福尼亚飞机公司开发的CADAM系统和1978年法国达索飞机公司开发的CATIA系统，它具有三维设计、分析和数控程序一体化功能。该类软件不断发展，目前已成为应用最广泛的CADCAM集成软件之一。,6,(3)CADCAM集成数控编程系统 从20世纪80年代以后，各种不同的CADCAM集成数控编程系统如雨后春笋般发展起来，如Euclid、MasterCAM、SurfCAM、ProEngineering、Cimatron等，从90年代中期以后更是向着集成化、智能化、网络化、并行化和虚拟化方向发展。,7,(一)语言自动编程的一般原理 语言自动编程的整个编程过程如图71所示，它可以分为源程序编制和目标程序编制两个阶段。,一、数控语言自动编程,8,1编制源程序阶段 零件加工源程序由编程人员根据所要加工的零件图样及其工艺过程，用专门的数控语言人工编写 ，用以描述零件的几何形状、尺寸大小、工艺路线、工艺参数及刀具相对零件的运动轨迹等内容。零件源程序由各种语句构成，源程序编制比较简单方便。,9,2编制目标程序阶段 零件源程序并不能被数控系统识别，不能直接控制机床，只是加工程序预处理的计算机输入程序，零件原程序编写后，输入计算机，由计算机完成后续工作直至自动生成机床数控系统所需要的加工程序，称为目标程序。通常说的数控加工程序就是目标程序。计算机内的数控软件具有处理零件源程序和自动输出具体机床加工程序的能力。,10,数控系统程序是自动编程系统的核心之一，由前置处理和后置处理两部分组成，完成对源程序进行处理并生成零件数控加工程序。,(二)语言编程系统的信息处理过程,11,1前置处理 (1)输入翻译阶段 即语言处理阶段，它是为计算刀具运动轨迹阶段准备。此阶段的主要功能是按源程序的顺序依次阅读并对源程序进行处理。当遇到几何定义语句时即转入几何定义处理程序，判断是哪类几何元素及采用哪种定义方式，然后分门别类地将其处理成标准形式并求出标准参数；再根据几何名字将其几何类型和标准参数存储在计算机的某个内存区内(称为信息表)，供计算阶段使用。,12,（2）轨迹计算阶段 作用是处理连续运动语句，产生刀具运动的一系列有序的坐标数据，根据导动面和检查面的数据计算基点坐标和节点坐标，从而求出 刀位数据并以刀位文件(二进制或ASC格式)的形式加以存储。对于有工艺处理能力的程序系统还包括工艺过程和工艺参数的确定。这个阶段的目标程序要适应各种不同机床后置处理程序的要求，即应是通用的。,13,2后置处理 产生所用具体数控机床的数控程序。按照轨迹计算阶段得到的结果刀位数据，通过后置处理完成增量计算、脉冲当量转换等即可生成符合具体数控机床要求的零件加工程序。从而将目标程序给出的数据、工艺参数及其有关信息转变成具体数控机床所要求的指令和程序格式，形成零件的数控加工程序。后置处理程序与具体的数控机床和数控系统有关，数控系统不同，代码也不同。,14,(三)数控语言编程的特点,1、优点 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。,15,2）缺点： 零件的设计与加工之间通过工艺人员对图样解释和工艺规划来传递数据，阻碍了设计与制造的一体化，容易出错，数控编程语言缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀位轨迹的验证手段。,16,二、图形交互自动编程,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。,（一）图形交互式自动编程原理和功能,17,2、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。,18,3、图形交互式自动编程系统组成,图形交互自动编程系统，一般由几何造型、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀位验证、后置处理(相对独立)、计算机图形显示、数据库管理、运行控制及用户界面等部分组成，如图7-3所示。,19,（二）图形交互式编程的基本步骤,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：,20,（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。,21,2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。,22,3、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。,23,4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。,24,5程序输出 由于图形交互式自动编程软件在编程过程中可在计算机内自动生成刀位轨迹图形文件和数控指令文件，所以程序的输出可以通过计算机的各种外部设备进行，例如可以通过打印机打印程序代码文件，或者通过通信端口直接输入到数控机床上，等等。 6加工程序动态仿真 将自动编制好的程序以动态图形的方式显示在屏幕上。,25,图7-4为一图形交互式自动编程流程图。该例中，零件几何信息是从设计阶段图形数据文件中读取的，对此文件进行一定的转换产生所要加工零件的图形，并在屏幕上显示；工艺信息由编程员以交互式通过用户界面输入。,26,（三）图形交互式自动编程特点,1、图形编程将加工零件的几何造型、刀位计算、图形显示和后置处理等结合在一起，有效地解决了编程数据来源、几何显示、走刀模拟、交互修改等问题，迹补了单一利用数控编程语言进行编程的不足。 2、不需要编制零件加工源程序，用户界面友好，使用简便、直观、准确、便于检查。因为编程过程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的，其编程的结果也以图形的方式显示在计算机上。,27,3)编程方法简单易学，使用方便。整个编程过程是交互进行的，有多级功能“菜单” 引导用户进行交互操作。 4)有利于实现与其它功能的结合。可以把产品设计与零件编程结合起来，也可以与工艺过程设计、刀具设计等过程结合起来。,28,(一)概述 CADCAM集成技术中的重要内容之一就是数控自动编程系统与CAD及CAPP的集成，数控编程与CAD的集成，可以直接从产品的数字定义提取零件的设计信息，包括零件的几何信息和拓扑信息；与CAPP的集成，可以直接提取零件的工艺设计结果信息；最后，CAM系统帮助产品制造工程师完成被加工零件的形面定义、刀具的选择、加工参数的设定、刀具轨迹的计算、数控加工程序的自动生成、加工模拟等数控编程,三、CADCAM集成编程,29,（二）CAD/CAM集成数控编程系统设计,图7-5为在并行工程环境下集成化数控编程系统的应用实例。从图中可以看出，在集成化数控编程系统中，数控编程系统直接读人CAD系统提供的零件图形信息和工艺要求及CAPP系统的工艺设计结果，进行加工程序的自动编制。同时CAM系统与CAD、DFM、CAPP、CAFD及MPS系统的关系极为密切，各子系统之间不但要实现信息集成，更重要的是要实现功能上的集成。,30,31,DFM根据CAD的信息对产品的结构工艺性作出评价，并将结果反馈至CAD； DFM根据CAD的几何信息和CAPP的工艺信息对制造资源能力和加工经济性作较为定量的分析，并将结果反馈至CAPP； CAPP读取STEP格式文件，生成加工工艺； CAPP完成定位装夹方案后向CAFD提供定位装夹方案信息； CAFD进行定位装夹分析后向CAPP反馈结果,32,CAFD进行夹紧力和夹紧变形(影响加工精度)计算后向CAPP反馈结果； MPS根据NC代码、夹具设计、机床和刀具等进行加工过程仿真，并向CAPP反馈结果； CAM根据CAPP提供的工艺信息，自动生成自动编程系统工作所需各种数据、参数文件，利用机床模型、刀具模型、工序参数、工步参数，生成刀位文件，并进行刀位轨迹仿真。经后置处理生成特定数控系统的NC代码，并向CAPP反馈有关信息。,33,一个典型的CADCAM集成数控编程系统，其数控加工编程模块，一般应具备以下功能： (1)编程功能 包括：点位加工编程；二位轮廓加工编程；平面区域加工编程；平面型腔加工编程；曲面区域加工编程；多曲面加工编程；曲面交线加工编程；若干曲面特征的自动编程；约束面(线)控制加工编程。 ,(二)CADCAM集成数控编程系统的加工编程功能的需求,34,(2)刀具轨迹计算方法 包括：参数线法；截平面法；投影法。 (3)刀具轨迹编辑功能 包括：刀具轨迹的快速图形显示；刀具轨迹文本显示与修改；刀具轨迹的删除；刀具轨迹的拷贝；刀具轨迹的粘贴；刀具轨迹的插入；刀具轨迹的恢复；刀具轨迹的移动；刀具轨迹的延伸；刀具轨迹的修剪；,35,刀具轨迹的转置；刀具轨迹的反向；刀具轨迹的几何变换；刀具轨迹上到位点的均化；刀具轨迹的编排；刀具轨迹的加载和存储。 (4)刀具轨迹验证功能 包括：刀具轨迹的快速图形显示；截面法验证；动态图形显示验证。,36,目前在计算机辅助设计、工艺规划和刀具轨迹生成等技术方面已取得很大进展，但由于零件形状的复杂多变以及加工环境的复杂性，要确保所生成的加工程序不存在任何问题仍然是十分困难，其中最主要的如加工过程中的过切与欠切、机床各部件之间的干涉碰撞等。对于精密加工和高速加工，这些问题常常是致命的。因此，实际加工前采取一定的措施对加工程序进行检验并修正是十分必要的。,第三节 加工过程仿真,一、概述,37,数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程来检验并优化加工程序，具有柔性好、成本低、效率高且安全可靠等特点，是提高编程效率与质量的重要措施。,38,二、加工过程仿真应用,1刀位轨迹仿真,是对刀位文件进行模拟仿真，一般在前置处理后进行。通过读入刀位数据文件检查刀位计算是否正确，加工过程中是否发生过切，所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，刀位轨迹是否正确，刀具与约束面是否发生干涉与碰撞。这种仿真一般可以采用动画显示的方法。由于该法是对后置处理以前的刀位轨迹仿真，所以，它可以脱离具体的数控机床环境进行。该方法比较成熟而有效，应用普遍。,39,2加工过程动态仿真,主要对数控代码进行仿真，用来解决加工过程中，实际加工环境内，工艺系统间的干涉、碰撞问题和运动关系。加工过程动态仿真是在后置处理以后，已有工艺系统实体几何模型和数控加工程序的情况下进行，专用性强。,40,UG CATIA PRO / E CIMATRON MasterCAM DELCAM CAXA制造工程师 EdgeCAM,常用自动编程软件,41,Unigraphics是美国Unigraphics Solution公司开发的一套集CAD、CAM、CAE 功能于一体的三维参数化软件，是当今最先进的计算机辅助设计、分析和制造的高端软件，用于航空、航天、汽车、轮船、通用机械和电子等工业领域。,UG,42,优点 提供可靠、精确的刀具路径 能直接在曲面及实体上加工 良好的使用者界面，客户也可自行化设计界面 多样的加工方式，便于设计组合高效率的刀具路径 完整的刀具库 加工参数库管理功能 包含二轴到五轴铣削、车床铣削、线切割 大型刀具库管理 实体模拟切削 泛用型后处理器等功能 高速铣功能 CAM客户化模板 UG软件在CAM领域处于领先的地位，产生于美国麦道飞机公司，是飞机零件数控加工首选编程工具。,UG,43,应用举例 建模（零件图纸） 加工程序生成（工艺、数控系统）,UG,44,Catia是法国达索（Dassault）公司推出的产品，法制幻影系列战斗机、波音737、777的开发设计均采用Catia。 CATIA据有强大的曲面造型功能，在所有的CAD三维软件位居前列，广泛应用于国内的航空航天企业、研究所，以逐步取代UG成为复杂型面设计的首选。 CATIA具有较强的编程能力，可满足复杂零件的数控加工要求。目前一些领域采取CATIA设计建模，UG编程加工，二者结合，搭配使用。,Catia,45,Pro/E是美国PTC（参数技术有限公司）开发的软件，是全世界最普及的三维CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）系统。广泛用于电子、机械、模具、工业设计和玩具等民用行业。具有零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、造型设计等多种功能。 Pro/E在我国南方地区企业中被大量使用，设计建模采用PRO-E，编程加工采用MASTERCAM和CIMATRON是目前通行的做法。,Pro/E,46,CimatronCAD/CAM系统是以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。CimatronCAD/CAM系统在国际上的模具制造业备受欢迎，国内模局制造行业也在广泛使用。,Cimatron,47,Mastercam是美国CNC公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件，它具有方便直观的几何造型Mastercam提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。 Mastercam具有较强的曲面粗加工及的曲面精加工的功能，曲面精加工有多种选择方式，可以满足复杂零件的曲面加工要求，同时具备多轴加工功能。由于价格低廉，性能优越，成为国内民用行业数控编程软件的首选。,Mastercam,48,FeatureCAM是美国DELCAM公司开发的基于特征的全功能CAM软件，全新的特征概念，超强的特征识别，基于工艺知识库的材料库，刀具库，图标导航的基于工艺卡片的编程模式。全模块的软件，从25轴铣削，到车铣复合加工，从曲面加工到线切割加工，为车间编程提供全面解决方案。 DELCAM软件后编辑功能相对来说是比较好的。 近年来国内一些制造企业正在逐步引进，以满足行业发展的需求，属新兴产品。,DELCAM,49,CAXA制造工程师是北京北航海尔软件有限公司推出一款全国产化的CAM产品，为国产CAM软件在国内CAM市场中占据了一席之地。 作为我国制造业信息化领域自主知识产权软件优秀代表和知名品牌，CAXA已经成为我国CAD/CAM/PLM业界的领导者和主要供应商。 CAXA制造工程师是一款面向二至五轴数控铣床与加工中心、具有良好工艺性能的铣削/钻削数控加工编程软件。该软件性能优越，价格适中，在国内市场颇受欢迎。,CAXA制造工程师,50,EdgeCAM是英国Pathtrace公司出品的具有智能化的专业数控编程软件，可应用于车、铣、线切割等数控机床的编程。针对当前复杂三维曲面加工特点，EdgeCAM设计出更加便捷可靠的加工方法 ，目前流行于欧美制造业。英国路径公司正在进行中国市场的开发和运作，为国内的制造业的客户提供更多的选择。,EdgeCAM,51,VERICUTVERICUT是美国CGTECH公司出品的一种先进的专用数控加工仿真软件。VERICUT 采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度。不仅能用彩色的三维图像显示出刀具切削毛坯形成零件的全过程，还能显示出刀柄、夹具甚至机床的运行过程和虚拟的工厂环境也能被模拟出来，其效果就如同是在屏幕上观看数控机床加工零件时的录像。,数控加工仿真软件,52,编程人员将各种编程软上生成的数控加工程序导入VERICUTVERICUT中，由该软件进行校验，可检测原软件编程中产生的计算错误，降低加工中由于程序错误导致的加工事故率。目前国内许多实力较强的企业，已开始引进该软件来充实现有的数控编程系统，取得了良好的效果。,