《数控机床自动编程》PPT课件

自动编程 1、 APT为代表的语言自动编程 （ Automatical Programmed Tools) 2、图形交互式自动编程 3、以参数化设计、特征造型为主 导的新一代 CAD/CAM系统 4.1自动编程概述 典型软件 Unigraphics、 I-DEAS 、 Pro/Engineer、 CATIA CIMATRON Mastercam、 Surfcam CAXA-ME、金银花系统 4.1自动编程概述 CAD CAM编程过程 不管采用什么 CAD CAM软件， NC编程的基本过 程及内容大同小异 刀具的定义或选择， 刀具相对于零件表面的运动方式的定义， 切削加工参数的确定， 走刀轨迹的生成， 加工过程的动态图形仿真显示、程序验证 后置处理 4.1自动编程概述 加工模块 加工环境 操作导航器 Initialize 参数组 程序组 刀具组 加工几何组 加工方法组 创建操作 主模型 产生刀具路径 后处理 刀具路径检查、模拟 NC程序 数控机床 车间资料（程序单） 工件的装夹、加工坐标系的位置、 执行顺序、刀具数据等 UG/Post Postprocess Verify Toolpath 1、二坐标数控加工对象 : 外形轮廓 二维型腔 孔 二维字符 4.2二坐标数控加工导轨生成算法 2、二坐标数控加工刀具半径补偿 计算机辅助数控编程，刀具半径 补偿除了可由 数控系统 实现外， 还可由 数控编程系统 实现，即根 据给定的刀具半径值和待加工零 件的外形轮廓，由数控编程系统 计算出实际的刀具中心轨迹。 4.2二坐标数控加工导轨生成算法 3、两坐标联动走刀基本方式 4.2二坐标数控加工导轨生成算法 Zig-Zag Zig Zig With Contour Follow Periphery Follow Part Trochoidal Profile Standard Drive 3、两坐标联动走刀基本方式 Zig-Zag 3、两坐标联动走刀基本方式 单向 zig 3、两坐标联动走刀基本方式 单向带轮廓（ Zig With Counter） 3、两坐标联动走刀基本方式 跟随周边（ Follow Periphery） 3、两坐标联动走刀基本方式 跟随工件（ Follow Part） 3、两坐标联动走刀基本方式 跟随工件（ Follow Part） 跟随周边（ Follow Periphery） Voronoi图 摆线（ Trochoidal） 3、两坐标联动走刀基本方式 轮廓（ Profile） 3、两坐标联动走刀基本方式 Standard Drive 3、两坐标联动走刀基本方式 4、 外形轮廓铣削加工刀具轨迹生成 轮廓预处理 非圆曲线段离散逼近 排序 （外形轮廓的串联和有序化） 手工编程时是直接用数控加工程序来保 证的。 计算机辅助数控编程，则必须用一定的 数据结构 和 计算方法 来保证。 定义进刀、退刀线 4、外形轮廓铣削加工刀具轨迹生成 刀具轨迹基本参数的定义 轮廓偏置（刀心轨迹生成） 4、外形轮廓铣削加工刀具轨迹生成 5、二维型腔数控加工刀具轨迹生成 二维型腔是指以平面封闭轮廓为边界的平底 直壁凹坑 二维型腔加工的一般过程是： 沿轮廓边界留出精加工余量，先用平底端 铣刀用 环切 或 行切法 走刀，铣去型腔的多 余材料， 沿型腔底面和轮廓走刀， 精铣 型腔底面和 边界外形。 当型腔较深时，则要分层进行粗加工。 5、二维型腔数控加工刀具轨迹生成 (1) 行切法加工刀具轨迹生成 这种加工方法的刀具轨迹计算比较简单， 其基本过程是： 确定走刀路线的角度（与 X轴的夹角）。 根据刀具半径及加工要求确定走刀步 距。 根据平面型腔边界轮廓外形（包括岛 屿的外形）、走刀步距、刀具半径和 精加工余量计算各切削行的刀具轨迹。 将各行刀具轨迹线段有序连接起来， 对于有 岛屿 的刀具轨迹线段连接，需要 采用以下计算步骤： 平面型腔边界（含岛屿的边界）轮廓的 串联和有序化：生成封闭的边界轮廓。 边界（含岛屿的边界）轮廓等距线的生 成：该等距线距离边界轮廓的距离为精 加工余量与刀具半径之和。 行切加工各行刀具轨迹计算： 刀具轨迹线段的有序串联； 沿型腔和岛屿的等距线运动，生成最后 一条刀具轨迹。 5、二维型腔数控加工刀具轨迹生成 (1) 行切法加工刀具轨迹生成 5、二维型腔数控加工刀具轨迹生成 (1) 行切法加工刀具轨迹生成 （ 2）环切法加工刀具轨迹生成 环切法加工一般是 沿型腔边界走 等距线 ，刀具轨迹的计算相对比 较复杂，其优点是铣刀的切削方 式不变（顺铣或逆铣）。环切法 加工分为由内至外环切和由外至 内环切。 一种等距线计算方法是 直接偏置法， 其算法 步骤如下： 按一定的偏置距离对封闭轮廓曲线的每一 条边界曲线分别计算等距线； 对各条等距线进行必要的裁剪或延拓，连 接形成封闭曲线。 处理等距线的自相交，并进行有效性测试， 判断时候和岛屿、边界轮廓曲线干涉，去 掉多余环，得到基于上述偏置距离的封闭 等距线。 重复上述过程，直到遍历完所有待加工区 域。 定义进刀、退刀线 刀具轨迹基本参数的定义 轮廓偏置（刀心轨迹生成 ） 经过预处理后的轮廓只包含 直线 段和圆弧段 ，对应的偏置（等距） 线段仍是直线和圆弧，容易得到 ,加 工轨迹不是这些偏置线段的简单连 接，而需进行刀具 干涉检查和偏置 线段过渡处理 平面铣（ Planar Mill）和型腔铣（ Cavity Mill） 4.2二坐标数控加工导轨生成算法 6、 UG中的加工方法 UG中对加工域有影响的的几何体 加工边界（ Part Boundary） Part Boundary 指定加工量 毛坯边界（ Blank Boundary） Part and Blank Boundaries共同决定切削量 检查边界（ Check Boundary） Check Boundary 指定夹具几何 修剪边界（ Trim Boundary） 修剪边界（ Trim Boundary）裁掉了 Trim Boundary外的所有加工区域。 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 1、多坐标数控加工的加工对象： 多坐标数控加工可以解决任何复杂曲面零件 的加工问题。如下几种加工对象（或加工特征）： 多坐标点位加工。 空间曲线加工。 曲面区域加工。 组合曲面加工。 曲面交线区域加工。 曲面间过渡区域加工。 裁剪曲面加工。 复杂多曲面加工。 曲面型腔加工。 曲面通道加工。 2、刀具轨迹生成方法 （ 1） 参数线法 适用于曲面区域和组合曲面的 加工编程； （ 2） 截平面法 适用于曲面区域、组合曲面、 复杂多曲面和曲面型腔的加工编程； （ 3）回转截面法 适用于曲面区域、组合曲面、 复杂多曲面和曲面型腔的加工编程。 （ 4） 投影法 适用于有干涉面存在的复杂多曲 面和曲面型腔的加工编程。 （ 5）三坐标球形刀多面体曲面加工方法 适用 于三角域曲面和散乱数据描述的曲面加工编程。 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 一种较好的刀具轨迹生成方法： 计算速度快 占用计算机内存少 切削行距分布均匀、加工误差小且分布均匀、 走刀步长分布合理、刀具轨迹流畅，算法稳定， 无过切干涉，适应性广，加工效率高等 要求。 3、与刀具轨迹生成有关的几个基本概念 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 （ 1） 切触点 （ cutting contact point） 指刀具在加工过程中与被加工零件曲面的理论接触 点。 3、与刀具轨迹生成有关的几个基本概念 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 （ 2） 切触点曲线 （ cutting contact curve） 指刀具在加工过程中由切触点构成的曲线。切触点曲 线是生成刀具轨迹的基本要素，既可以显式地定义在 加工曲面上，如曲面的等参数线、二曲面的交线等， 也可以隐式定义，使其满足一些约束条件，如约束刀 具沿导动线运动，而导动线的投影可以定义刀具在加 工曲面上的切触点，还可以定义刀具中心轨迹，切触 点曲线由刀具中心轨迹隐式定义。这就是说， 切触点 曲线可以是曲面上实在的曲线，也可以是对切触点的 约束条件所隐含的 “ 虚拟 ” 曲线。 3、与刀具轨迹生成有关的几个基本概念 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 （ 3） 刀位点数据 （ cutter location data，简称为 CLData） 指准确确定刀具在加工过程中的每一位置所需的数据。 原则上可定义刀具的任意位置为刀位点，实际中为计算 的一致性和便于对刀调整，采用刀具轴线的顶端作为标 准刀位点。一般来说， 刀具在工件坐标系中的准确位置 可以用 刀具中心点 和 刀轴矢量 来进行描述 ，其中刀具中 心点可以是刀心点，也可以是刀尖点，视具体情况而定。 “刀具轴”定义为从刀尖方向指向刀柄方向的矢量 （ 4） 刀具轨迹曲线 指在加工过程中由 刀位点 构成的曲线，即曲线上的每 一点包含一个刀轴矢量。刀具轨迹曲线一般由切触点曲 线定义刀具偏置计算得到，计算结束存放于刀位文件 （ CLData file）之中。 3、与刀具轨迹生成有关的几个基本概念 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 typedef struct Ppoint3 PASTLC; /*刀心 Vvector3 PASTLA; /*刀轴矢量 CLDATA; 其中， Ppoint3和 Vvector3分别为三维点的数据结构和三维矢量的数据结构，分 别定义为： typedef struct double x; /*点的 x坐标 double y; /*点的 y坐标 double z; /*点的 z坐标 Ppoint3; typedef struct double x;/*矢量在 x轴上的投影分量 double y; /*矢量在 y轴上的投影分量 double z; /*矢量在 z轴上的投影分量 Vvector3; 3、与刀具轨迹生成有关的几个基本概念 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 （ 5） 导动规则 指曲面上 切触点曲线的生成方法 （如参数线法、截平 面法）及一些有关 加工精度的参数 ，如步长、行距、两 切削行间的残余高度、曲面加工的盈余容差（ out tolerance）和过切容差（ inner tolerance）等。 （ 6） 刀具偏置 （ tool offset） 指由切触点生成刀位点的计算过程。 3、与刀具轨迹生成有关的几个基本概念 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 刀具轨迹曲线 切触点曲线 曲面描述 导动规则 刀具偏置 由以上定义，可以将 曲面加工刀具轨迹的计算过程 简略地表述为： 给出一张或多张待加工曲面（零件面 ），按导动规则约束生成切触点曲线，由切触点曲线 按某种刀具偏置计算方法生成刀具轨迹曲线 。由于一 般的数控系统有线性、圆弧等少数几种插补功能，所 以一般需将切触点曲线和刀具轨迹曲线按点串方式给 出，并保证加工精度。 4、 曲面加工刀具轨迹生成计算过程 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 5、 多坐标点位数控加工刀具轨迹生成 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 1）让钻头走到曲面上方一点 P0 2）在 P0点处摆刀。 3）保持摆角不变，钻孔。 4）退刀之 P0点，摆角归零，刀具回零点。 ndrp nbrp naRrp i 2 1 0 6、 参数线法 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 等参数步长法 参数筛选法（等误差） 参数线法 曲面参数线加工方法是多坐标数控加工中生成刀 具轨迹的主要方法，特点是 切削行沿曲面的参数 线分布 ，即切削行沿 u线或 v线分布，适用于网格 比较规整的参数曲面的加工。 基于曲面参数线加工的刀具轨迹计算方法的基本 思想是利用 Bezier曲线曲面的细分特性， 将加工 表面沿参数线方向进行细分，生成的点位作为加 工时刀具与曲面的切触点。 因此，曲面参数线加 工方法也称为 Bezier曲线离散算法。 6、 参数线法 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 如球面方程 r=R coscos， cossin， sin 当 =0时代表球面上的经线， 当 =0时代表球面上的纬线， 不同的 00就对应不同的经纬线，构成 地球仪上的经纬线网。 截平面法 截平面法加工的基本思想是指采用一组平 面去截取加工表面， 截出一系列交线 ，刀 具与加工表面的 切触点就沿着这些交线运 动 ，完成曲面的加工。该方法使刀具与曲 面的切触点轨迹在同一平面上。 截平面可以定义为一组平行的平面，也可 以定义为一组绕某直线旋转的平面 7、 截平面法 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 刀具沿截平面与加工表面等距面的交线运 动为二轴联动运动方式 ， 刀具与加工表面 的切触点一般不在同一截平面内，但偏离 截面不太远。 需要指出的是， 刀具沿截平面与加工表面的 交线运动一般为三轴联动运动方式 ， 这是因 为尽管刀具与加工表面的切触点在同一截平 面内，但由于在截交线上的曲面法矢的转动， 刀心一般并不在同一截平面内； 投影法 8、投影 法 4.3 多坐标数控加工刀具轨迹生成 投影法基本原理 先由 驱动几何（ Drive Geometry）产生 驱动 点 ，在每个驱动点处，按 投影方向 （ Projection Vector） 驱动刀具向着 加工 几何（ Part Geometry） 移动，直至刀具接 触到加工几何为止，此时，得到 切触点 ，最 后，系统根据切触点处的曲率半径和刀具半 径值，补偿得到刀具定位点。 刀具 投影方向 接触点 刀具定位点 驱动几何 加工几何 驱动点 刀具 投影方向 接触点 刀具定位点 驱动几何 加工几何 驱动点 固定轴轮廓铣（ Fixed_Contour） 可变轴轮廓铣（ Variable-Contour） 主要用于半精或精加工一个或多个复 杂曲面 +ZM 轴 I,J,K I,J,K 离开点 允许您定义偏离焦点的 “ 可变刀具轴 ” 。 指向点 允许您定义向焦点收敛的 “ 可变刀具轴 ” 。 指向点 允许您定义向焦点收敛的 “ 可变刀具轴 ” 。 指向直线 允许您定义向聚焦线收敛的 “ 可变 刀具轴 ” 。 垂直于部件 允许您定义在每个接触点处垂直 于 “ 部件表面 ” 的 “ 刀具轴 ” 。 驱动方式 允许您定义创建 “ 刀轨 ” 所需的 “ 驱动点 ” 。 驱动方式 允许您定义创建 “ 刀轨 ” 所需的 “ 驱动点 ” 。 螺旋驱动方式 UG驱动方式 边界驱动 边界驱动方式 允许您通过指定 “ 边界 ” 和 “ 环 ” 定义切削区域。 UG驱动方式 边界驱动 UG驱动方式 边界驱动 UG驱动方式 边界驱动 UG驱动方式 径向切削驱动方式 UG驱动方式 径向切削驱动方式 允许您使用指定的“步进距离”、“带宽” 和“切削模式”生成沿着并垂直于给定边界的“驱动路径”。 此驱动方式可用于生成清根加工 区域铣削驱动方式 UG驱动方式 它只能用于“固定轴曲面轮廓铣”操作，不需要驱动几 何体 。 可以通过选择“曲面区域”、“片体”或“面”来定义 “切削区域”。与“曲面区域驱动方式”不同，切削区 域几何体不需要按一定的行序或列序进行选择。 如果不指定“切削区域”，系统将使用完整定义的“部 件几何体” （刀具无法访问的区域除外）作为切削区域 。换言之，系统将使用部件轮廓线作为切削区域。如果 使用整个“部件几何体”而没有定义“切削区域”，则 不能删除“边界跟踪”。 陡角 任何给定点的部件 陡峭度可定义为刀具轴和 面的法向之间的角度。 陡峭区域是指部件的陡峭度大于指定“陡角” 的区域。 将“陡角”切换为“开”时，只有陡峭度大于 或等于指定“陡角”的部件区域才进行切削。 将“陡角”切换为“关”时，系统将对部件 （由部件几何体和任何限定的切削区域几何体 来定义）进行切削。 曲面驱动方式 UG驱动方式 “投影矢量 ” 是大多数 “ 驱动方式 ” 共用的选 项。（除 “ 自动清根 ” 之外） 定义 “ 驱动点 ” 投影到 “ 部件表面 ” 的方式和 刀具要接触的 “ 部件表面 ” 侧 “驱动点 ” 沿着 “ 投影矢量 ” 投影到 “ 部件表面 ” 上 UG投影矢量 刀轴、投影矢量 UG投影矢量 离开点的投影矢量 UG投影矢量 指向点的投影矢量 UG投影矢量 指向中心线的投影矢量 UG投影矢量 UG投影矢量 UG投影矢量 垂直于驱动曲面的投影矢量 UG投影矢量 朝向驱动曲面 朝向驱动曲面 用于曲面区域驱动方式 UG投影矢量 侧刃划线投影矢量 UG投影矢量 驱动曲面 将引导刀具的侧面。 部件曲面 将引导刀具的底部。 检查曲面 将停止刀具运动。 刀具与驱动曲面和部件曲面保持连续的接触。 4.4 多坐标端铣数控加工刀位计算 球形刀与加工表面的关系 1、球形刀三坐标曲面加工刀位计算方法 nrr RPC 0 zPC yPC xPC Rnzz Rnyy Rnxx 0 0 0 球形刀三坐标加工的刀位指的是刀心，其刀 轴矢量为（ 0， 0， 1）是固定不变的。球形刀铣 削加工表面上任一点 P的刀心计算公式为： 4.4 多坐标端铣数控加工刀位计算 2、加工误差分析 4.4 多坐标端铣数控加工刀位计算 图 球形刀三坐标加工误差分布 2222 8181422 sRkRRRR fn s i nc os 2 8 1 8 1 4 4 22 1 2 2 sksss ft s i n c o s c o s s i n 222 8181 sRksk ffnt 222 8 1 8 1 LRkLk ffnt fk 为加工表面在插补段内沿进给方向的法曲率 s 加工表面在插补段内的弧长。 刀心位置修正补偿法向矢量转动误差 凹曲面加工误差分布 3、走刀步长和加工带宽度的计算 222 8 1 8 1 LRkLk ffnt 281 Lk f fk L 22 bhw RkRd 1/22 bk 为加工表面沿切削行进给方向的法曲率 把刀位原文件转换成数控机床能执行的数控程序 的过程称为后置处理（ Post Processing）。 4.5 后置处理 开始 读刀位文件 文件结束 机床运动求解 非线性误差校核与处理 进给速度校核与修正 格式转换 数控加工程序 刀位原文件 机床 特性 数控系 统特性 结束 Y N 1、机床运动变换 刀位原文件中刀位的给出形式为刀心坐标和刀轴 矢量，在后置处理过程中，需要将它们转换为机 床的运动坐标，这就是机床运动变换。其间要考 虑是否超出行程，若超程则需重新选择或对编程 工艺作相应修改。此外为提高加工精度，还要考 虑机床结构误差，在加工程序上给与补偿修正。 坐标变换与加工方式和所选数控机床类型密切相 关。 后置处理的任务： 刀具在加工坐标系中的位置由刀位点和刀 轴方向来描述 typedef struct Ppoint3 PASTLC; /*刀心 Vvector3 PASTLA; /*刀轴矢量 CLDATA; 其中， Ppoint3和 Vvector3分别为三维点的数据结构和三维矢量的数据结构，分 别定义为： typedef struct double x; /*点的 x坐标 double y; /*点的 y坐标 double z; /*点的 z坐标 Ppoint3; typedef struct double x;/*矢量在 x轴上的投影分量 double y; /*矢量在 y轴上的投影分量 double z; /*矢量在 z轴上的投影分量 Vvector3; FEDRAT/MMPM,250.0000 GOTO/67.0679,8.7248,33.2472 GOTO/67.0949,8.8975,32.6096 GOTO/67.2583,9.2193,32.0555 GOTO/67.5401,9.6549,31.6457 GOTO/67.9096,10.1568,31.4248 PAINT/COLOR,31 GOTO/68.5801,11.0225,31.2297,0.2718456,0.12840 85,0.9537354 GOTO/69.1359,11.9715,31.0420,0.2732181,0.13540 37,0.9523748 2、非线性运动误差校验 在前置刀位计算中，使用离散直线来逼近工 件轮廓，加工过程中，只有当刀位点实际运 动为直线时才与编程精度相符合。多坐标加 工时，由于旋转运动的非线性，由机床各运 动轴线性合成的实际刀位运动会严重偏离编 程直线。因此应对误差进行校验，若超过允 许误差应作必要修正。 后置处理的任务： 3、进给速度校验 进给速度是指刀具切触点或刀位点相对于工 件表面的相对速度。多轴加工时，由于回转半 径的放大作用其合成速度转换到机床坐标时， 会使平动轴的速度变化很大，超出机床伺服能 力或机床、刀具的负荷能力。因此应根据机床 伺服能力（速度、加速度）及切削负荷能力进 行校验修正。 4、数控加工程序生成 根据数控数控系统规定的指令格将机床运动 数据转换成机床程序代码。 后置处理的任务： 1 X、 Y、 Z、 C、 A五坐标数控机床后置处理 算法 已知：工件坐标系为 OWXYZ，工件可绕坐 标轴 X摆动 A(0oA90o ）、角，工件可绕坐标 轴 Z转动 C角，工作台回转铀与 Z铀一致；机床运 动坐标系为 OrXYZ， OwOr d；刀心 C0在工件坐 标系中的位置为 (Xc0,Yc0， Zc0)；刀轴矢量 a(单位矢量 )在工件坐标系中为 (ax,ay,az)。 求：机床的运动坐标值 X、 Y、 Z、 C、 A。 后置处理算法 带回转工作台的五坐标数控机床后置处理算法 解： (1)设刀轴矢量 a为自由矢量 首先将刀 轴矢量的起点移到工件坐标系的原点，然后将 刀轴矢量绕 Z轴顺时针转到 (一 Y)(十 Z)平面上， 再将刀轴矢量绕 X轴顺时针转到与 Z坐标方向一 致。这样转动可保证当 az0 时，刀轴矢量绕 X 轴顺时针转动角在 (-90 0 。 )之间，即刀 具相对于工件绕 X轴逆时针转动角 A在 (0 90 )之间。 (2)将刀轴矢量 a的转动转化为刀具相对于工件 的转动或摆动 首先使刀具相对于工件绕 X轴逆 时针转动 A角，然后使刀具相对于工件绕 Z轴逆 时针转动 C角，如图所示。其中 A、 C角的计算公 式如下： (3)求刀心 C0经工件转动后在机床坐标系 OrXYZ中的位置 (即机床的运动坐标值 X、 Y、 Z 1 )先将工件坐标系 OwXYZ平移到机床坐标 系 OrXYZ，变换矩阵为 2)工件绕 Z轴旋转 -C角，变换矩阵为 3)工件绕 X轴旋转 -A角，变换矩阵为 (X Y Z 1) (Xc0 Yc0 Zc0 1） T1T2T3 将其展开可得： 球形刀三坐标加工误差分布