《数控加工编程及操作》第6章：自动编程

第6章自动编程（时间：3次课，6学时）第6章自动编程教学目标：自动编程是从零件的设计模型(或几何图样)获得数控加工程序的全部过程。其主要任务是编程人员在对加工对象和工艺要求进行仔细分析的基础上，借助CAD/CAM系统的交互式编程功能，对零件进行几何造型，确定工艺步骤，输入加工参数，系统自动生成刀具运动轨迹，并经后置处理输出零件加工程序。同时，由于在计算机上能够自动进行走刀轨迹的模拟，所以能够及时检查程序是否有错并进行修改。通过本章的学习，要求读者了解自动编程的发展过程，掌握自动编程的方法和步骤，熟练应用CAXA-ME软件系统进行自动编程，完成数控加工。第6章自动编程教学重点和难点：零件的加工造型。刀具轨迹的生成方法。第6章自动编程6.1自动编程的发展6.2自动编程系统简介6.3CAXA-ME的基本概念6.4加工模型的创建6.5平面轮廓与平面区域加工6.6曲面加工6.7粗加工6.8轨迹仿真6.9后置处理6.10机床通信6.11实训6.12习题自动编程的发展通常，自动编程是指用计算机和编程软件进行编程。目前，交互式图形编程是普遍采用的自动编程方法。数控编程经历了手工编程、APT语言编程和交互式图形编程3个发展阶段。手工编程是利用一般的计算工具，通过各种数学方法，人工进行刀具轨迹的运算，并编制指令。这种方式比较简单，很容易掌握，适应性较强。可用于复杂程度低，计算量不大的零件编程，是最早发展的编程方法，也是其他编程方法的基础。自动编程技术源于20世纪50年代，美国麻省理工学院研制出APT(自动编程工具)自动编程系统。该系统是世界上开发最早、功能齐全并在当时使用普遍的自动编程系统。由于受当时计算机技术的限制，无法在计算机上生成零件图形来进行自动编程。因此使用APT系统前，需要用一种专用数控编程语言来描述零件的加工过程，即编制一个零件加工源程序。该程序不同于手工编制的加工程序，它不能直接控制机床，必须经过计算机编译程序的处理，才能生成加工程序。零件加工的源程序所使用的数控语言又称为APT语言。使用APT语言编程方法直观性差，编程过程繁琐而复杂。近年来，随着CAD/CAM一体化技术的发展和推广，极大地提高了产品设计和自动编程的效率与质量。CAD/CAM软件已成为数控加工自动编程系统的主流。这些软件具有生动的图形显示功能，友好的人机界面，智能化的操作命令，可以用人机交互方式对零件的几何模型进行绘制、编辑和修改，从而得到零件的几何模型。然后对机床和刀具进行定义和选择，确定刀具相对于零件表面的运动方式、切削加工参数，生成刀具轨迹。最后经过后置处理，即按照特定机床规定的文件格式生成加工程序。通常软件还具有加工轨迹的仿真功能，以用于验证走刀轨迹和加工程序的正确性。使用这类软件通过交互式图形生成的方法把零件几何信息、拓扑信息、工艺信息输入计算机，对加工程序的生成和修改都非常方便，大大提高了编程效率。另一方面，由于交互式图形输入的直观性和易操作性，可以使编程操作中的失误大幅度地减少。自动编程系统简介6.2.1自动编程的方法与过程6.2.2常见的几种CAD/CAM软件介绍自动编程系统简介自动编程是借助计算机和CAD/CAM自动编程系统软件进行数控加工编程的方法。自动编程时，大部分编程工作由计算机来完成，这样不但提高了编程效率，还解决了手工编程无法解决的复杂零件的加工编程问题。自动编程系统的功能对编程的质量和效率是至关重要的。自动编程系统技术水平的提高是数控技术发展的重要方面。自动编程的方法与过程1．CAD/CAM系统的基本功能一个典型的CAD/CAM集成系统，一般应具备以下几大功能模块。(1)造型设计功能。包括二维草图设计、曲面设计、实体和特征设计、曲线曲面的编辑。对于型腔模具CAD/CAM集成数控编程系统来说，型腔和型芯的自动生成具有十分重要的意义。(2)在三维几何造型设计的基础上，自动生成二维工程图的功能。对于单一功能的数控编程系统，二维工程图功能不一定是必须的。(3)数控加工编程、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀具轨迹验证和通用后置处理等。刀具轨迹生成模块直接采用几何模型中的几何信息，根据所选用的刀具及加工方式进行刀位计算，生成数控加工刀具轨迹。自动编程的方法与过程2．自动编程的步骤目前，国内外图形交互式自动编程软件的种类很多，但其编程的基本原理和过程大体相同。编程人员应遵循一定的步骤进行编程工作，自动编程的主要步骤和工作内容如下。(1)分析加工零件。①根据被加工零件的图样和数控加工工艺要求，分析待加工表面及约束面，确定所需的机床设备、零件的加工方法、装夹方法及工夹量具。②确定编程原点及编程坐标系。一般根据零件的基准的位置以及待加工表面的几何形态，在零件毛坯上选择一个合适的编程原点及编程坐标系(也称为工件坐标系)。设置加工零件毛坯尺寸，确定对刀点和刀具原点位置。(2)几何造型。利用CAD/CAM软件的曲线、曲面造型、实体造型等功能绘制零件加工图形(2D或3D图形)，与此同时，在计算机内自动生成零件的图形文件，作为下一步刀具轨迹设计的依据。(3)确定刀具和加工参数。确定所需刀具数量、刀具种类，设置刀具参数和走刀路线。设置不同加工种类的特性参数。(4)生成刀具轨迹并作适当编辑与修改。根据所选择的刀具和加工参数，系统自动生成刀具轨迹，对于刀具轨迹不合适的地方，要用人工交互方式进行编辑和修改。刀具轨迹计算的结果存放在刀位源文件之中。(5)刀具轨迹模拟与验证。利用CAD/CAM软件的刀具轨迹验证功能，可以对可能过切、干涉与碰撞的刀位点进行检验。(6)后置处理。运行数控编程系统提供的后置处理程序，生成加工程序单(G代码)。(7)根据不同的数控系统对G代码作适当修改。(8)将正确的G代码传送到数控系统。常见的几种CAD/CAM软件介绍1.UGⅡ与UGNX软件系统UGⅡ由美国UGS(UnigraphicsSolutions)公司开发的CAD/CAM/CAE一体化软件，它的功能覆盖了整个产品的开发过程，即覆盖了从概念设计、功能工程、工程分析、加工制造到产品发布的全过程，广泛应用在航空、汽车、机械、电器电子等工业领域。UGⅡ有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，无论装配图还是零件图设计，都是从三维实体造型开始的，可视化程度很高，三维实体生成后，可自动生成二维视图。其三维CAD有参数化修改功能，一个零件的尺寸修改可致使相关零件的变化。在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。UGⅡ系统具有丰富的数控加工编程能力，可用建立的三维模型直接生成数控代码用于产品的加工，是目前市场上数控加工编程能力最强的CAD/CAM集成系统，其加工编程功能包括：车削加工、型芯和型腔铣削、平面铣削、定轴铣削、自动清根、可变轴铣削、顺序铣削、线切割、刀具轨迹编辑、验证、仿真、后置处理等等。UGⅡ软件经营与开发经历了数次变迁与合并，其最新版本为UGNX。UGNX提供了一种面向产品生命周期管理的有效解决方案，包括实体造型、有限元分析和CN编程等方面的工作都有过人之处。UGNX提出以下几点创新。(1)知识驱动自动化。可以从复杂产品中找出可复用的工程信息。(2)集成化协同环境。可以很好地把设计团队的理念表达出来。(3)开放设计系统。实现整个供应链中的无缝信息通信。(4)各种生产过程验证手段。把面向制造扩展到面向整个工程生命周期，从概念设计到最终产品均集中在一个集成化数字环境中完成建模、仿真、优化、归档、组装及测试工作。常见的几种CAD/CAM软件介绍2．Pro/ENGINEERPro/ENGINEER是美国PTC公司开发的世界著名的3DCAD/CAM/CAE软件。Pro/ENGINEER是高度集成的面向产品设计的大型软件，它开创了三维CAD/CAM参数化的先河，其全参数化思想关联了产品开发的每一个环节。该软件集成了零件设计、装配、模具生成、NC加工、造型设计、逆向工程、工程仿真与分析、产品数据库管理等众多功能于一身，并具有较好的二次开发环境和数据交换能力。Pro/ENGINEER系统的核心技术具有以下特点。(1)基于特征。将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸作为可变参数，进而形成实体，以此为基础进行更为复杂的几何形体的构建。(2)全尺寸约束。将形状和尺寸结合起来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制。(3)尺寸驱动设计修改。通过编辑尺寸数值可以改变几何形状。(4)全数据相关。尺寸参数的修改导致其他模块中的相关尺寸得以更新。如果要修改零件的形状，只需修改一下零件上的相关尺寸。常见的几种CAD/CAM软件介绍3．CATIACATIA是法国达索飞机公司开发的CAD/CAM软件。CATIA软件因有较强大的曲面设计功能而在飞机、汽车、轮船等设计领域享有较广泛的应用。CATIA采用特征造型和参数化造型技术，允许自动指定或由用户指定参数化设计、几何或功能化约束的变量式设计。CATIA的曲面造型功能提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。例如其特有的高次Bezier曲线曲面功能，次数能达到15，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。CATIA(NCMILL)系统具有菜单接口和刀具轨迹验证能力，其主要编程功能除了常用的多坐标点位加工编程、表面区域加工编程、轮廓加工编程、型腔加工编程外，还有以下特点。(1)在型腔加工编程功能上，采用扫描原理对带岛屿的型腔进行行切法编程；对不带岛屿的任意边界型腔(即不限于凸边界)进行环切法编程。(2)在雕塑曲面区域加工编程功能上，可以连续对多个零件面编程，生成刀具轨迹的功能。目前CATIA系统已发展成从产品设计、产品分析、加工、装配和检验，到过程管理、虚拟运作等众多功能的大型CAD/CAM/CAE软件。常见的几种CAD/CAM软件介绍4．MastercamMastercam是美国CNCSoftware公司所研制开发的CAD/CAM系统。该软件侧重于数控加工，它具有很强的加工功能，尤其在对复杂曲面自动生成加工代码方面，具有独到的优势。Mastercam软件的操作功能简便实用，其CAM主要功能有：二维外形铣削挖槽和钻孔，二维挖槽残料加工，实体刀具模拟；二至五轴单一曲面粗加工、沿面加工、投影加工；二至五轴直纹曲面、扫描曲面、旋转曲面加工；三维曲线、曲面粗精加工；三维固定Z轴插削加工；三维沿面夹角清角加工；刀具轨迹编辑、干涉处理、验证和仿真。Mastercam还提供多种图形文件接口。因此该软件被认为是一个图形交互式CAM数控编程系统。常见的几种CAD/CAM软件介绍5．CimatronCimatron软件是以色列Cimatron公司以航天科技研发技术为基础发展而来，是面向