机械CADCAM技术第八章计算机辅助数控加工编程

第八章计算机辅助数控加工编程8.1数控加工编程技术基础8.2数控编程方法及其实现8.3数控编程中的刀位计算8.4CAD/CAM系统数控编程作业过程8.5数控编程举例8.1数控加工编程技术基础1、数控机床坐标系统2、数控程序格式及其相关的代码指令3、常用切削刀具4、刀具运动控制面1、数控机床坐标系统数控机床坐标系统命名:ISO841标准规定,数控机床采用笛卡儿右手直角坐标系。直线运动坐标轴：X、Y、Z回转运动坐标轴：A、B、C数控机床坐标定义前提:假设工件不动，刀具相对工件运动Z轴：与主轴平行，工件尺寸增大方向为正方向；多主轴时，使用最多的为Z轴；无主轴时，垂直于工件装夹面坐标轴为Z轴。X轴：与工件装夹面平行，水平且与Z轴垂直车床－沿工件径向，离开工件轴线方向为正向铣床－立式：由主轴向立柱看，右手方向为正向卧式：由主轴向工件看，右手方向为X轴正向卧式铣床+Z+X+Z双立柱龙门机床：从刀具向左立柱看，右手方向为X轴正方向。+XYY轴：已知Z、X轴，根据右手法则确定Y坐标正方向。A、B、C轴：分别绕X、Y、Z轴右螺旋前进方向WILLEMIN公司主轴可摆动的五轴加工中心机床坐标系MCS（MachineCoordinateSystem)：坐标原点：由机床厂商设定的固有坐标点，通常是以机床上固定基准线/基准面或与之距离确定。如立式数控铣床原点设定于主轴中心线与工作台交点，其位置由至工作台两个侧面给定距离设定。工件坐标系WCS(WorkpieceCoordinateSystem)：为编程方便，可通过G代码设定，可设置多个工件坐标系。数控加工中的刀具运动轨迹一般是以工件坐标系WCS进行计算的。X轴Z轴偏置量Y轴Y轴偏置量X轴偏置量机床原点工件原点立式数控机床的坐标系Z轴2、数控程序格式及其相关的代码指令数控程序格式目前最普遍采用是字地址格式形式：N6G2X±5.3Y±5.3Z±5.3F±4.3S4T4M2其中：N－程序顺序号字；G－准备功能字；X（Y，Z）－坐标尺寸；F－进给速度功能字；S－主轴转速功能字；T－刀具功能字；M－辅助功能字。准备功能代码指令为数控机床建立工作方式，为数控系统的插补运算、刀补运算、固定循环等做好准备。ISO1056标准规定的准备功能G指令代码功能代码功能代码功能G00点定位G41左侧刀具补偿G80取消固定循环G01直线插补G42右侧刀具补偿G81钻孔循环G02顺时针圆弧插G43左刀具偏置G82钻或扩孔循环G03逆时针圆弧插补G44右刀具偏置G83钻深孔循环G04暂停G45~G52用于刀具补偿G84攻丝循环G05不指定G53取消直线偏移G85镗孔循环1G06抛物线插补G54X轴直线偏移G86镗孔循环2ISO1056标准规定的辅助功能M指令代码功能代码功能代码功能M00程序停止M15正向快速移动M49速度修正失效M01计划结束M16反向快速移动M503号冷却液开M02程序结束M17-M18不指定M514号冷却液开M03主轴顺时针转动M19主轴定向停止M52-M54不指定M04主轴逆时针转动M20-M29永不指定M55直线位移到位置1M05主轴停止M30纸带结束M56直线位移到位置2M06换刀M31互锁机构失效M57-M59不指定辅助功能代码指令：是为数控加工、机床操作而设定的工艺性指令和辅助功能，是数控编程必不可少的功能代码。3、常用切削刀具球头铣刀圆角铣刀平底铣刀刀触点：在加工过程中刀具与工件的实际接触点(A)。刀位点：数控编程中用以表示刀具位置的坐标点(O)，球头刀设于球心，圆角铣刀和平底铣刀位于端面中心，但UG编程系统刀位点全部在端面中心。a)5参数b)7参数c)10参数刀具参数定义4、刀具运动控制面零件面：零件上已加工生成的表面，用以控制切削深度；导动面：控引导刀具运动的面，用以控制刀具运动方向；检查面：确定走刀的终止位置，检查切削过程的干涉。刀具与导动面的关系刀具与检查面的关系8.2数控编程方法及其实现1、手工编程2、数控语言自动编程3、CAD/CAM系统自动编程数控编程重要性：o数控设备闲置原因大约20-30%是编程不及时造成的；o数控程序编制费用可以与数控机床成本相提并论；o高质快速的编程方法一直与数控机床本身并行发展。数控编程技术的发展：o手工编程；o数控语言自动编程；o图形交互编程；oCAD/CAM集成系统编程；应用CAD/CAM系统进行数控编程成为主流：CAM系统可完成形面定义、刀具选择、加工参数设定、刀轨计算、后置处理、加工模拟等数控编程的整个过程。工艺分析数值计算NC程序编辑NC程序输入首件试切修改零件图手工编程特点：不需辅助工具，效率低、出错率高，难以对复杂零件编程。1、手工编程数控语言的产生与发展•1953年MIT开始研究数控自动编程；•1955年公布APT自动编程系统；•之后的近40年不断推出新版本，如APTII、APTIII、APTIV、APTAC、APTSS等；•德国EXAPT、法国IFAPT；•日本FAPT；•我国在上世纪70年代推出SKC、ZCX车铣编程系统。2、数控语言自动编程数控语言APT简介APT数控语言格式：命令/参数例：GODLTA/20,20,-5增量走刀数控语言常用语句：初始语句：例PARTNO几何定义语句：例POINT、LINE、CIRCLE、PLANE等刀具定义语句：例CUTTER刀具运动语句：例GOLFT、GORGT、GOFWD等切削用量语句：例FEDRAT、SPEED等容许误差语句：例OUTTOL、INTOL后置处理语句：例MACHINE、SPINDL、COOLNT、END等数控语言自动编程原理：应用专用数控语言编制零件源程序，经编译生成刀具运动轨迹（刀位文件CLDataFile)，经后置处理生成相应机床数控加工程序。特点：比手工编程效率高，解决复杂曲面编程问题。但专用词汇及语句格式繁多，仍存在编程效率与机床加工速度间的矛盾。输入编译数值处理刀位文件CLDATA后置处理机床加工穿孔纸带磁盘RS232C零件图样数控语言零件源程序程序员计算机加工图示零件APT源程序：PARTNO/TEMPLATE；初始语句，TEMPLATE为程序名称MACHINE/FANUC,6M；后置处理程序的调用CLPRNT；打印刀具轨迹数据OUTTOL/0.002；外轮廓逼近容差INTOL/0.002；内轮廓逼近容差CUTTER/10；平底立铣刀，直径=10mmL1=LINE/20,20,20,70；定义直线L1几何定义L2=LINE/(POINT/20,70)ATANGL,75,L1；直线L2L4=LINE/20,20,46,20；直线L4L3=LINE/(POINT/46,20),ATANGL,45,L4；直线L3C1=CIRCLE/YSMALL,L2,YLARGE,L3,RADIUS,10；圆弧C1SETPT=POINT/-10,-10,10FROM/SETPT；指定起刀点运动轨迹定义FEDRAT/2400；快速进给GODLTA/20,20,-5；增量走刀SPINDL/ON；主轴启动COOLNT/ON；冷却液开FEDRAT/100；指定切削速度GO/TO,L1,TO,L4；初始运动指定TLLFT,GOLFT/L1,PASTL2；沿直线L1左边切削直至超过直线L2GORGT/L2,TANTO,C1；右转切削L2直至切于圆C1GOFWD/C1,PAST,L3；沿圆C1切削直至超过L3GOFWD/L3,PAST,L4；沿直线L3切削超过L4GORGT/L4,PAST,L1；右转切削L4直至超过L1GODLTA/0,0,10；增量走刀SPINDL/OFF；主轴停止FEDRAT/2400；快速进给GOTO/SETPT；返回起刀点END；机床停止FINI；零件源程序结束CAM模块3、CAD/CAM系统自动编程CAD/CAM系统数控编程原理CAD造型加工工艺分析加工面选择工艺参数确定刀轨文件生成刀位验证编辑修改后置处理加工仿真机床加工加工参数库刀具库材料库手工编程数控语言自动编程CAD/CAM系统自动编程无须软件工具效率低，出错率高需记忆数控代码难以完成复杂型面编程能从事复杂型面编程不需记忆具体数控代码编程量大没有图形支持面向零件几何图形的交互过程用户不需编源程序便于实现系统集成几种数控编程方法的比较8.3数控编程中的刀位计算1、非圆曲线刀位点计算2、球头铣刀行距和步长的确定3、曲面加工中的刀位计算4、平面型腔零件加工刀位点的计算5、刀具的干涉检验1、非圆曲线刀位点计算直线段逼近:有等间距法、等弦长法和等误差法a)等间距法—以相等的某自变量步长计算离散点。关键问题：如何根据允许误差δ确定步长Δxδb)等弦长法--所有逼近线段的弦长相等关键问题：以轮廓曲线最小曲率半径处的逼近误差最大δmax确定弦长，保证δmaxδ允。)(/))(1(232xfxfRδ允c)等误差法—每个直线段的逼近误差相等求取方法：以曲线起点为圆心，以允许误差δ允为半径作圆，求取该圆与曲线的公切线，过圆心作公切线的平行线交曲线于b点，则b点即为所求节点。各直线逼近方法比较等间距法等弦长法等误差法计算简单，合理间距Δx选取是关键分割线段多，求解最小曲率半径R是关键计算过程复杂，而分割的程序段较少双圆弧段逼近：直线段、内切双圆弧、外切双圆弧方法：在轮廓曲线上按一定方法连续取4个节点，根据该4节点分布确定中间2节点之间用什么曲线逼近。直线元素内切双圆弧外切双圆弧P1,p2,p3,p4P1,p4在p2p3P1,p4在p2p3接近一直线连线同侧连线两侧a)直线元素若4节点分布接近一直线,即：|sin(α-β)|≤0.00085|sin(α-γ)|≤0.00085则P2、P3可用直线逼近。b)内切圆弧P1和P4在P2、P3连线的同侧作图方法：过P2作∠P1P2P3角平分线P2l2，过P2作P2l2垂线P2M；过P3作∠P2P3P4角平分线P3l3，过P3作P3l3垂线P3M；过P2、P3作∠P3P2M、∠P2P3M角平分线P2N、P3N交于N点；过N点作P2P3垂线PN，与P2l2、P3l3相交于O2、O3；以O2、O3为圆心，以P2O2、P3O3为半径作圆弧C1、C2，即为所求的内切圆弧。c)外切圆弧点P1和P4在P2、P3点连线的两侧作图方法：•过P2点作∠P1P2P3的角平分线P2L2；•过P3点作∠P2P3P4的角平分线P3L3；•求解圆心O2与O3，条件①O2、O3分别在P2L2、P3L3上②O2O3=O2P2+O3P3，相切于P点。2、球头铣刀行距和步长的确定）（刀刀刀H2(2)222rHHrrs平面加工H（残留高度）Ra（粗糙度）曲面加工)/(2(2RrRHrHs刀刀）R-曲面曲率半径；r刀-刀头半径；H-残留高度。刀r3、曲面加工中的刀位计算),(vuPP2121vvvuuu参数曲面参数域截面线：参数曲面P(u,v)的任意平面截面线为平面曲线。等参数曲线：固定某参数不变所得到的曲线，如P(u,v0)、P(u0,v)。等参数曲线法：刀具沿u向或v向等参数线切削加工方法，特点处理速度快。u曲面加工方法任意切片法：刀具沿一组平行平面截交线切削加工方法，特点处理计算耗时长。等高线法：刀具由高到低沿一组水平平面截交线切削加工方法，特点耗时最长。4、平面型腔零件加工刀位点的计算行切走刀路线a)往返走刀b)单向走刀平面型腔简图型腔加工方法：有行切法和环切法行切法：刀具按平行于某坐标轴方向或一组平行线方向走刀。刀位计算简单，遇到岛屿抬刀越过岛屿，或沿岛屿边界绕过去。往返走刀：空行程少，加工效率高，交替出现顺逆铣，影响加工质量。单向走刀：可保持刀具相同切削状态，但空行程较多，加工效率低。刀位计算步骤：•型腔轮廓边界定义，外环顺时针走向，内环逆时针走向；•确定走刀偏置量；•计算内外偏置环；•干涉检查，去除无效环，形成新内外边界环；•重复循环，新环不断生成、分裂、退化直至消失。环切法:是环绕型腔边界进行切削加工方法。a)外轮廓偏置环自相交判别自相交后每个新生封闭环，保留顺时针走向