第六章 数控加工编程基础

第六章数控加工编程基础6.1概述6.2常见的数控系统6.3后置处理及DNC6.4数控编程系统概念6.5刀位计算基本原理6.6数控编程系统应用的策略6.1概述6.1.1CAM系统的发展过程数控加工编程是CAD/CAM系统中的重要模块之一。由CAD系统所生成的产品以及数字模型与制造工艺有关的产品信息在CAM系统中转换为产品的应用模型，设计与制造所用模型的唯一性保证了产品的精确定义与制造；应用CAM系统，产品制造工程师可以在产品的零件模型上完成全部加工过程的模拟，选择优化的加工方法，并通过对刀具轨迹的验证以确认加工的正确性、工艺性、以及可靠性，从而实现了产品虚拟设计与制造的完整过程；数控加工编程系统的应用对缩短产品的制造周期，减少生产的准备时间，尤其是对于批量小、变化快、复杂程度大和精度要求高的产品具有明显优势。CAM技术的起源于1950年数控机床的研究。起初通过手工穿孔纸带进行编程加工，用于编程的数控码（NCCode）主要是在两个二维坐标系统上的一些少量控制指令以及主轴转速和进给速度的控制指令。与计算机机器语言非常相近，将其改进为近似汇编语言的数控语言。在此领域的初步发展中，最重要的进展是APT语言（AUTOMATiCrogrammingTool）及其处理器与后置处理器（PostProcessor）的研制成果。语言结构简单，其处理器可以完成二维和三维的刀具轨迹计算和插值运算。70年代初期，出现了一系列的CAD／CAM集成系统，用户可以通过交互系统直观地、方便地检查刀具轨迹的生成情况。图形可以缩放、旋转，刀具轨迹可以修改（Modify）或者修剪（Triming）。6.1.2CAM系统的基本组成目前系统的应用大致也可以分为几种类型：(1)CAD/CAM系统完全独立；(2)CAD/CAM系统与单个数控机床或若干台机床以一定的控制网络相互连接。通常将这种直接把数控信息传送给数控装置的方式称之为DNC（DirectNumericalControl）。(3)CAD/CAM系统通过一定的控制系统网络相互连接。CAM系统从用途上分类一般有：(1)二轴至二轴半的切削加工，主要是二维加工并阶段性沿第三轴扩展；(2)三轴以上的切削加工主要是曲面加工，曲面雕刻加工；(3)电火花加工EDN（包括2轴以上）；(4)线切割加工（WireCut）；(5)板金加工（FabriCation），包括冲裁（Punch）、排样优化（Nest）以及分段冲裁（Nib－bling）；(6)等离子加工（Plasma）以及激光加工（Laser）。按刀具的运动方式划分类型有：(1)点到点加工（PoinToPoint），孔加工；(2)线加工，包括直线、平面曲线和空间曲线；(3)曲面加工。CAM系统还包括一些辅助功能。其中有：(1)加工参考坐标系的确定；(2)刀具轨迹的变换（Transformation）；(3)刀具轨迹的修改与编辑（ModifyandEdit）；(4)各种库文件的管理（LibraryManagement）；(5)后置处理（Postprocess）；(6)系统内部宏定义语言以及宏控制（Macro）。刀具轨迹的修改与编辑一般有2种方式：(1)通过交互设备直接从图形上对轨迹修改；(2)由刀具轨迹输人文件CISF进行文本修改。CLSF文件由类似APT语言的语句写成。6.2常见的数控系统6.2.1SIEMENS系统简介•SINUMERIK802D，其核心部件-PCU（面板控制单元）将CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体。可靠性高、易于安装。•SINUMERIK802D可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴。通过生产现场总线PROFIBUS将驱动器、输入输出模块连接起来。•模块化的驱动装置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具软件，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化。•SINUMERIK802D集成了内置PLC系统，对机床进行逻辑控制。采用标准的PLC的编程语言Micro/WIN进行控制逻辑设计。并且随机提供标准的PLC子程序库和实例程序，简化了制造厂设计过程，缩短了设计周期。功能：•控制车床、钻铣床•可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴•三轴联动，具有直线插补、平面圆弧插补、螺旋线插补、空间圆弧（CIP）插补等控制方式•螺纹加工、变距螺纹加工•旋转轴控制•端面和柱面坐标转换（C轴功能）•前馈控制、加速度突变限制•程序预读可达35段•刀具寿命监控•主轴准停，刚性攻丝、恒线速切削•FRAME功能（坐标的平移、旋转、镜象、缩放）•标准G代码编程（DIN66025）和西门子高级语言编程•ISO标准编程•车削、铣削工艺循环编程•蓝图编程•极坐标编程•程序存储器容量达340K字节6.2.2FANUC系统简介CNC单元的硬件结构:基本配置有主板、存储器板、I/O板、伺服轴控制板和电源。(1)主板：有主CPU用于系统主控，原来用80386，从1998年起改用80486/DX2。此外，显示的CRT控制也在该板上。(2)存储器板：①系统的控制软件ROM(共5片)。②伺服控制软件ROM1片；③PMC-L的ROM芯片2片，用于存储机床的强电控制逻辑程序；④RAM芯片，用于寄存CPU的中间运算数据，根据需要安装。⑤CMOSRAM,用于存储系统和机床参数、零件加工程序。根据用户要求配置,最大可为128K字节。CMOSRAM与4.5V电池相连，关机时保存信息。(3)I/O板：是CNC单元与机床强电柜的接口。接收或输出24V直流信号，由PMC实施输入/输出控制。I/O点数可根据机床的复杂程度选择。标准配置为104个输入点，72个输出点。(4)进给伺服控制板：上有2个CPU(TMS320)，用于伺服的数字控制。每个CPU控制2个轴，一块板可控制4个轴。该板接受主CPU分配的伺服控制指令，输出6个相位各差60°的脉宽调制信号(每轴)，加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。(5)电源：主要有5V直流电，用于各板的供电。24V直流电，用于单元内各继电器控制。PMC控制：PMC就是可编程序机床控制器，是专门用于控制机床的PLC。进给伺服驱动：系统进给轴的驱动使用交流同步电动机，目前为α系列。用于高速加工。主轴驱动：系统可以同时控制2个主轴电动机,可以是2个数字式控制的电机，也可以一个数字式，另一个为模拟式控制电机。主轴控制用单独的CPU控制，处理器为TMS-320。从CNC单元输出的控制指令用一条光缆送到主轴的控制单元，数据为串行传送，因此可靠性比较高。系统的功能：①Cs轴轮廓控制。②刚性攻丝。③PMC轴控制。④主轴双刀架。⑤0.1μm分辨率。⑥加工程序的后台编辑。⑦菜单编程。⑧图形会话在线自动编程。⑨用户宏程序。6.3后置处理及DNC在一般CAD/CAM系统上生成的刀具加工轨迹文件（CL）送入加工设备可以有两种方式：用穿孔机打出穿孔带再由机床读人；采用计算机直接数控方式（DNC）。计算机数控CNC与直接数控DNC之间主要的区别之一，在于系统中信息流的密度。CNC系统是根据加工的进程控制信息传输，故可看作是伪静态的；DNC系统同时控制多台机床、多根加工轴，具有足够高的信息传输密度，故可以看作是动态的数据传输。6.3.1后置处理CAD/CAM系统在后置处理的几种方式：(1)首先将系统内部定义的刀具运动轨迹文件转换为程序员可阅读的标准APT语言格式文件，若送人机床须再经后置处理转换为机床数控程序。(2)将生成的刀具运动轨迹文件用图形显示方式提供给程序员，程序员可以在屏幕上进行编辑，再经过后置处理系统处理后送人机床。(3)采用以上两种并存的方式。后置处理系统与具体的数控机床和数控系统有关，因此，一般的CAD/CAM系统总配置了大量的后置处理程序供用户选择使用。后置处理系统包括以下几个部分：(1)控制部分（Control）:起主控制作用，包括控制刀位数据文件（CLDATA）的输人，适时调用辅助功能以及将控制转移到刀具运动计算部分，并在完成某一阶段处理后输出数控指令代码程序（NCCode）。(2)输入部分（Input）:担负刀具运动数据文件（CLDATA）的输入和加工操作参数设置文件（operationParameterSet）的输入，在主控部分主导下进行。(3)辅助部分（AuxiLiary）:与特定机床的数控系统的相关，在主控部分的控制下，对刀具运动的输出确定功能和指令模式，刀具调用T和辅助指令M。(4)运动部分（Motion）:处理零件系统机床坐标系的变换，刀具运动坐标计算及转换，包括线性化和插补处理。(5)输出部分（Output）:在主控下接受辅助和运动部分的指令和数据，并按一定机床数控系统要求的格式输出加工的指令代码程序。后置处理系统实质：是对刀位文件CLF，以及加工操作参数文件OPF进行编译的系统。6.3.2DNC系统后置处理器完成的NC数控程序送入机床有三种方式:：(1)程序经穿孔机打出穿孔带，再由机床的纸带阅读机输入机床控制系统；(2)将程序存放于磁盘等其它存储媒介上，再由机床数控系统所带的驱动器读入(3)直接由DNC系统将程序传输给机床数控系统。最早的DNC系统同时产生于日本和美国。DNC系统在构造上一般有两种类型：(1)BTR（Behind－the－tape）方式:对早期带有纸带阅读系统机床实现DNC的一种变通，采用DNC计算机的通讯电缆替代了纸带机（TapeReader）。(2)MCU（MachineContrdUnit）专用机床控制单元方式:通过专用单元取得较精确圆弧插值，并比BTR方式有更快的传递速度和机床执行速度。由于其功能可以用软件写入。近年来DNC系统突出的特征：(1)DNC系统的基本功能已由其原先在DNC中的主导地位退向辅助地位；(2)由于NC加工过程的在线数据输人方式的淘汰，基本功能高于扩展功能的优先权已不复存在；(3)数控代码程序逐步向较通用的表示形式发展；(4)扩展功能逐步增加并对基本功能产生重大影响；(5)对数据库技术的应用的依赖性大大增加。DNC系统的进一步发展有三个主要方面：(1)高度集成化CAD/CAM/CAE系统的应用，使信息从设计分析到制造管理高度集成；(2)计算机辅助工艺计划以及制造过程的信息集成；(3)制造设备、运载设备以及存储设备的高度自动化和柔性化。6.3.3DNC通讯接口串行传送：在一根传输线上一位一位的传送数据。特点：1、在一根传输线上即传送数据信息，又传送联络控制信息；2、数据格式有固定要求，分异步和同步数据格式，对应的分为异步通讯和同步通讯；3、串行通讯对信号的逻辑定义与TTL不兼容，需要进行逻辑关系和逻辑电平转换；4、串行通讯的速率需要控制，要求双方约定通信传输的波特率。并口的特点：1、在多根数据线上以数据字节为单位与I/O设备或被控对象传送信息；2、除少数场合外，一般要求在接口和外设之间至少还要设置两根握手（联络）信号线，以便进行互锁异步握手方式（即查询方式）的通信；3、在并口中，8位或16位是一起行动的，当交换数据时，即使只用到其中的一位，也是一次输入/输出8位或16位；4、并行传送的信息不要求固定的格式。一、串口目前一般的数控系统都提供了标准RS232C或RS422或RS423串行接口RS232C标准是最初拟制的终端设备与调制解调之间的连接规定。RS232C的总线采用十／一12伏电压脉冲进行信息传送，在30水线长内的最大数据传输率达20000b/s。在通讯中要表示接口设备是否准备好的信息必须从接收设备送回来，这个信息被称为流量控制（flowControl）或握手（handshaking）。一般有两种握手方式：硬件握手和软件握手。两种握手都要用到从接收设备返回到传送设备的信号。硬件握手：只要接收设备准备好它就沿着专用的握手电路（DR）传送一个正电压给传送设备，当发送计算机接收到一个负电压时，它就将停止数据的传送。软件握手：信号是在数据线（2和3）上进行传送，在软件握手上建立了一些标准协议，最通用的是XON/XOFF协议。在XON/XOFF协议下，要想使发