现代制造中的机电系统应用教学第5章

*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,机械工业出版社,*,在线教务辅导网：,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:,349134187,或者直接输入下面地址：,在线教务辅导网：www.shangfuwang,1,现代制造中的 机电系统应用,第,5,章 计算机辅助工艺过程设计与 计算机辅助制造,现代制造中的 机电系统应用第5,3,5.1,计算机辅助工艺过程设计（,CAPP,）,5.1.1 CAPP,的基本概念,国内外,CAPP,的发展状况,在机械制造领域，由于工艺设计涉及的因素非常多、随机性大、很难用简单的数学模型进行理论分析，所以工艺设计长期处于手工操作、效率很低的状态，与,NC,、,CAD,和,CAM,相比，工艺设计自动化是发展最晚的部分。,因为工艺规程设计要处理的信息量大，各种信息之间的关系又极为错综复杂，以前主要靠工艺师多年工作实践总结出来的经验来进行。因此，工艺规程的设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验。,对,CAPP,的研究始于,20,世纪,60,年代中期，世界上最早进行工艺设计自动化研究的国家是挪威。,从,20,世纪,80,年代起，我国一些高校和工厂在推广和应用成组技术的基础上，也开始研究和开发计算机辅助工艺规程设计系统。,35.1计算机辅助工艺过程设计（CAPP）5.1.1,4,CAPP,的概念,计算机辅助工艺过程设计,(CAPP),就是通过计算机输入被加工零件的几何信息（图形）和加工工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等的工艺文件的过程。,CAPP,系统研究开发始终是以克服传统工艺过程设计的缺点和推进工艺设计自动化为主要目标的，目前正向设计与制造集成和智能化方向发展。,4CAPP的概念 计算机辅助工艺过程设计(CAPP)就是通过,5,CAPP,的优点,与传统工艺设计方法相比，,CAPP,无论是对单件小批量生产还是大批量生产都有重要意义，主要表现在以下方面。,(1)CAPP,使工艺人员的经验能够得到充分的积累和继承。,(2)CAPP,可以提高产品工艺的继承性，提高工艺过程设计 质量。,(3),缩短设计周期。,(4)CAPP,可以最大限度地利用现有资源、减少工艺过程设 计费用及制造费用、降低生产成本、减小编制工艺文件 的工作量和产生错误的可能性，并为建立计算机制造系 统打下基础。,(5),在,CIMS,中，,CAPP,是连接,CAD,与,CAM,的桥梁。,(6)CAPP,有助于推动企业开展的工艺设计标准化和最优化 工作。,5CAPP的优点 与传统工艺设计方法相比，CAPP无论是对单,6,CAPP,软件的应用和开发技术现状,CAPP,软件在广义的,CAD,领域中是研究和发展较早的软件技术之一，但与同类的,CAD/CAM,的软件技术相比，,CAPP,软件的发展却大大落后于,CAD,、,CAM,软件。,20,世纪,90,年代中后期一些专家重新衡量了,CAPP,软件在企业内应发挥的作用，逐步抛弃了传统的,CAPP,的研究方法，开发重点从注重工艺过程的自动生成，转向为工艺设计人员提供软件工具，同时为企业的信息化建设提供服务。,6CAPP软件的应用和开发技术现状 CAPP软件在广义的CA,7,国内商品化的,CAPP,系统分类,(1),使用,Word,、,Excel,、,AutoCAD,或再开发的,CAPP,系统。,常规的数据库管理系统，工艺卡片使用,Form,、,Report,或在,AutoCAD,上绘制卡片的,CAPP,系统。,(3),注重卡片的生成，但工艺数据的管理功能较弱的,CAPP,系统。,(4),采用“所见即所得”的交互式填表方式,+,工艺数据管理、集成的综合式,CAPP,系统。,7国内商品化的CAPP系统分类(1)使用Word、Exce,8,5.1.2CAPP,的系统结构,一个完整的,CAPP,系统的结构组成,图,5-1 CAPP,系统基本构成框图,85.1.2CAPP的系统结构 一个完整的CAPP系统的结构,9,CAPP,系统的基本结构,尽管,CAPP,系统的种类很多，但其基本结构都差不多，都离不开以下几部分。,(1),零件的输入,(2),工艺规程的生成,(3),工艺数据及知识库,(4),系统的控制和管理,(5),工艺文件管理与输出,9CAPP系统的基本结构 尽管CAPP系统的种类很多，但其基,10,CAPP,系统的基本模块,CAPP,系统的结构，视其工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。基本的模块如下：,(1),控制模块,(2),零件信息输入模块,(3),工艺过程设计模块,(4),工序决策模块,(5),工步决策模块,(6)NC,加工指令生成模块,(7),输出模块,(8),加工过程动态仿真,10CAPP系统的基本模块 CAPP系统的结构，视其工作原理,11,5.1.3 CAPP,的功能,从目前国内研发的,CAPP,系统来看，他们主要的功能包括以下几个方面。,(1),接受或生成零件图上的几何及拓扑信息、工艺信息、测量信息等,(2),检索标准工艺文件,(3),安排加工方法,(4),安排加工路线,(5),选择机床、刀具和夹具,(6),确定切削用量,(7),计算切削参数、工时定额和加工费用等,115.1.3 CAPP的功能从目前国内研发的CAPP系统来,12,CAPP,的功能,(8),计算工序尺寸和公差，确定毛坯类型和尺寸,(9),绘制工序图,(10),生成工艺文件,(11),刀具路线规划和,NC,编程,(12),加工过程的仿真,上述功能并不是所有的,CAPP,系统都具备的，有些,CAPP,系统只具备其中的某些功能。另外，目前仅有少数,CAPP,系统能实现与,CAD/CAM,系统的连接。,12CAPP的功能(8)计算工序尺寸和公差，确定毛坯类型和尺,13,5.1.4CAPP,系统的分类,通常可以将制造企业分为,5,个层次，即：工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层。,CAPP,系统按其工作原理可以分为以下,5,大类：,(1),交互式,CAPP,系统,(2),变异式,CAPP,系统,(3),创成式,CAPP,系统,(4),综合式,CAPP,系统,(5)CAPP,专家系统,135.1.4CAPP系统的分类通常可以将制造企业分为5个层,14,5.2,计算机辅助制造（,CAM,）,数控编程是目前,CAD/CAPP/CAM,系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。,由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。,145.2 计算机辅助制造（CAM）数控编程是目前CAD/C,15,5.2.1,数控编程,数控编程的基本概念,数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（,Cutter Location point,简称,CL,点）。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。,155.2.1 数控编程数控编程的基本概念,16,数控编程技术的发展概况,20,世纪,50,年代，,MIT,设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为,APT,（,Automatically Programmed Tool,）。,采用,APT,语言编制数控程序具有程序简炼、走刀控制灵活等优点，但是,APT,仍有许多不便之处。,1978,年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、,NC,加工一体化的系统，称为为,CATIA,。,到了,20,世纪,80,年代，在,CAD/CAM,一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（,CIMS,）及并行工程（,CE,）的概念。,16数控编程技术的发展概况20世纪50年代，MIT设计了一种,17,5.2.2 NC,刀具轨迹的生成方法,数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。,点、线、面和体的,NC,刀具轨迹生成方法,CAD,技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象；在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。,实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。,175.2.2 NC刀具轨迹的生成方法数控编程的核心工作是生,18,基于特征的,NC,刀具轨迹生成方法,参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。,一个基于特征的,NC,代码生成子系统的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总和。,18基于特征的NC刀具轨迹生成方法参数化特征造型已有了一定的,19,特征加工与实体加工主要的不同点,从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，实体是低层的几何对象。,实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工则从特征上解决加工问题。,特征加工具有更多的智能，而实体加工是无法实现的。,特征加工有利于实现从,CAD,、,CAPP,、,NCP,及,CNC,系统的全面集成，实现信息的双向流动，为,CIMS,乃至并行工程奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。,19特征加工与实体加工主要的不同点从概念上讲，特征是组成零件,20,CAM,系统刀具轨迹生成,按照传统的,CAD/CAM,系统和,CNC,系统的工作方式，,CAM,系统以直接或间接（通过中性文件）的方式从,CAD,系统获取产品的几何数据模型。,CAM,系统以三维几何模型中的点、线、面或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以,NC,代码的形式提供给,CNC,机床。,在,CAM,系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息（直线和圆弧的几何定位信息），以及少量的过程控制信息（如进给率、主轴转速、换刀等）。,20CAM系统刀具轨迹生成按照传统的CAD/CAM系统和CN,21,5.2.3,数控仿真技术,计算机仿真的概念及应用,从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。,图,5-2,计算机仿真过程,215.2.3 数控仿真技术计算机仿真的概念及应用图5-2计,22,计算机仿真过程,建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。,仿真模型是对系统的数学模型进行一定的算法处理，使其成为合适的形式之后，成为能被计算机接受的,“,可计算模型,”,。,仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。,数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。,22计算机仿真过程建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽,23,数控仿真技术,数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。为确保数控程序的正确性，防止加工过程中干涉和碰撞的发生，在实际生产中，常采用试切的方法进行检验，后来又采用轨迹显示法。,几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具,-,工件几何体的运动，以验证,NC,程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。,23数控仿真技术数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。,24,5.2.4 CAMWorks,功能简介,CAMWorks,是一个集成于,Solidworks CAD,软件中的,CAM,软件产品。,图,5-3 CAMWorks2003,启动界面,245.2.4 CAMWorks功能简介CAMWorks是一,25,CAMWorks,最为显著的贡献,(1)CAD,信息与,CAM,的完美集成。,(2),应用特征识别技术大幅度提升,CAM,应用中的自动化和智能化。,(3),智能化的加工计划或加工顺序计算机辅助设计技术对企业非常有利。,(4),基于数据库技术的软件应用从另一角度为用户的产品数据、工艺数据的保存、继承和应用提供了实实在在的帮助。,25CAMWorks最为显著的贡献(1)CAD信息与CAM,26,5.2.5 CAMWorks2003,使用,CAMWorks2003,使用时主要设置的参数以及完成功能。,(1),设置描述零件模型参数包括比例，旋转角度和平移等。,(2),设置加工参数，包括刀具、加工精度、刀具轨迹策略等,。,(3),设置机床参数，包括特殊指令集、进给率、转速、行程范围等。,(4),计算生成刀具轨迹。,(5),加工仿真。,(6),将生成的刀具轨迹输出为,NC,加工代码。,265.2.5 CAMWorks2003使用CAMWorks,27,在零件模式下产生铣削刀具轨迹以及数控代码的步骤,以下步骤用来产生铣削刀具轨迹和数控代码：,(1),零件建模或在,SoildWorks,中打开一个零件文件。,(2),切换到,CAMWorks,特征树。,(3),定义加工类型和更改控制器参数。,(4),定义毛坯。,(5),定义可加工特征。,(6),产生操作计划。,(7),调整加工参数。,(8),产生刀具轨迹。,(9),刀具轨迹后置处理。,27在零件模式下产生铣削刀具轨迹以及数控代码的步骤 以下步骤,28,生成刀具轨迹以及数控代码的步骤,生成刀具轨迹及数控代码的步骤如下图所示,图,5-4,生成加工轨迹和数控代码的流程图,28生成刀具轨迹以及数控代码的步骤 生成刀具轨迹及数控代码的,29,5.2.6 CAMWorks,具体操作简介,在,SolidWorks,中进行零件建模或者导入零件,打开一个,SolidWorks,中的零件造型，特征管理（,FeatureManager,）设计树列出了零件上的特征、草图、平面和轴等。,图,5-5 SolidWorks,打开一个零件模型,295.2.6 CAMWorks具体操作简介在 SolidW,30,切换到,CAMWorks,特征树,单击树底部,CAMWorks,特征树（,Freature Tree,）标签。,CAMWorks,特征树（,Freature Tree,）将列出数控管理器（,NCManager,）、毛坯（,Workpiece,）、机床（,Machine,），以及回收站（,Recycle Bin,）条目。,图,5-6,切换到,CAMWorks,特征树,30切换到CAMWorks特征树单击树底部 CAMWorks,31,定义加工类型,加工类型定义：铣削或者车削。加工类型定义可以自动或者交互地识别可加工特征。,图,5-7,进入加工类型定义,31定义加工类型加工类型定义：铣削或者车削。加工类型定义可以,32,定义加工类型,在,Mill machine,上面单击右键，选择,Edit Definition,菜单，进入加工类型定义如图,5-8,所示。,图,5-8,定义设备类型,32定义加工类型在Mill machine上面单击右键，选择,33,定义加工类型,常用刀库,(tool crib),：通常由刀具数据库装载当前机床使用的子刀具库。,图,5-9,选择和编辑刀具,33定义加工类型常用刀库(tool crib)：通常由刀具数,34,定义加工类型,控制器：也叫后置处理器。后置处理器用来识别,G,代码的输出格式。,图,5-10,选择控制器,34定义加工类型控制器：也叫后置处理器。后置处理器用来识别G,35,定义毛坯,在,Stock Manager,右键选择,Edit Defination,毛坯是用来加工零件的坯料。,图,5-11,毛坯的定义,35定义毛坯在Stock Manager右键选择Edit D,36,定义可加工特征,在,Stock Manager,右键选择,Insert Part Setup,选择刀具的加工取向。,图,5-12,选择刀具的加工取向,36定义可加工特征在Stock Manager右键选择Ins,37,定义可加工特征,这样在“,NC Manager,”里面就会出现一个“,Part Setup,”子条目，然后选中此条目在右键单击的弹出框中选择“,Insert 3 Axis feature,”，插入一个三轴加工特征。,图,5-13,生成一个加工特征,37定义可加工特征这样在“NC Manager”里面就会出现,38,定义可加工特征,另外还可以对加工属性,(Attribute),进行选择，在这里我们选择“,Fine,”，也就是精加工。在本实例中我们使用一把刀一次完成零件的加工。,图,5-14,编辑三轴加工特征,38定义可加工特征另外还可以对加工属性(Attribute),39,产生操作计划,完成上面的操作后就会产生一个三轴的加工特征。从鼠标右键单击的弹出栏中选择“,Generate Operation Plan,”，产生操作计划。,39产生操作计划完成上面的操作后就会产生一个三轴的加工特征。,40,调整加工参数,选择“,part setup,”子条目，从鼠标右键单击的弹出栏中选择“,Edit Definition,”，就会进入加工参数的编辑树，如图,5-15,所示。,图,5-15,定义精加工,40调整加工参数选择“part setup”子条目，从鼠标右,41,调整加工参数,定义加工起始点，选择“,Stock vertex,”，如图,5-16,所示。,图,5-16,选择加工起始点,41调整加工参数定义加工起始点，选择“Stock verte,42,调整加工参数,在操作树里面选择“,3Axis Finish Mill,”子条目，点击鼠标右键在弹出框中选择“,Edit Definition,“，如图,5-17,所示。,图,5-17,三轴加工定义,42调整加工参数在操作树里面选择“3Axis Finish,43,调整加工参数,在这里可以选择铣削工具以及夹具，如图,5-18,所示。,图,5-18,刀具定义,43调整加工参数在这里可以选择铣削工具以及夹具，如图5-18,44,调整加工参数,选择“,Finish,”选项，可以对加工方式、加工精度进行设置，如图,5-19,所示。,图,5-19 Finish,（精铣的定义）,44调整加工参数选择“Finish”选项，可以对加工方式、加,45,调整加工参数,对,NC,设置可以修改加工的切削速度、主轴转速等参数，如图,5-20,所示。,图,5-20 NC,参数的定义,45调整加工参数对NC设置可以修改加工的切削速度、主轴转速等,46,产生刀具轨迹,生成刀具轨迹。就可以看到走刀的路线，如图,5-21,所示。,图,5-21,生成刀具轨迹,46产生刀具轨迹生成刀具轨迹。就可以看到走刀的路线，如图5-,47,刀具轨迹后置处理,选择,按键，或者选中“,3-Axis Feature,”子条目后，从鼠标右键单击的弹出栏中选择“,Simulate ToolPath,”，进入零件的加工仿真,。,图,5-22,加工仿真,47刀具轨迹后置处理选择 按键，或者选中“3-Axis Fe,48,刀具轨迹后置处理,如果仿真完成就可以点击,图标或者选择“,Post Process,”在指定的文件夹生成,NC,代码,。,图,5-23 NC,代码的生成,48刀具轨迹后置处理如果仿真完成就可以点击 图标或者选择“P,