《計算機輔助設計與制造》課件第11章

第11章計算機輔助數(shù)控加工11.1計算機輔助數(shù)控編程11.2加工過程仿真11.3數(shù)控加工中的群控(DNC)技術

11.1計算機輔助數(shù)控編程

1.數(shù)控語言自動編程

數(shù)控語言自動編程包括20世紀50年代美國麻省理工學院設計的APT(AutomaticallyProgrammedTool)語言，60年代的APTⅡ、APTⅢ，70年代的APT-Ⅳ、APT-AC

(AdvancedContouring)和APT-Ⅳ/SS(SculpturedSurface)，以及后來發(fā)展的APT衍生語言(如美國的ADAPT，德國的EXAPT，日本的HAPT、FAPT，英國的IFAPT，意大利的MODAPT和我國的SCK-1、SCK-2、SCK-3、HZAPT等)。

2.圖形交互自動編程

20世紀70年代微處理機問世以后，圖形交互自動編程進入實用階段，這種編程技術將編程語言中的大量信息變成了顯示屏幕上的直觀圖形，成為人機對話式的程序編制工作。

3.?CAD/CAM集成數(shù)控編程

20世紀80年代以后，各種不同的CAD/CAM集成數(shù)控編程系統(tǒng)如雨后春筍般發(fā)展起來，如Euclid、MasterCAM、SurfCAM、Pro/E、Cimatron等，90年代中期以后更是向著集成化、智能化、網(wǎng)絡化、并行化和虛擬化方向發(fā)展。11.1.1數(shù)控加工的特點

數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱。數(shù)控機床的運動參數(shù)和各種動作是由機床配置的數(shù)控系統(tǒng)以數(shù)字量的形式進行控制的。這些動作和運動參數(shù)是由零件的加工程序詳細規(guī)定好的。11.1.2數(shù)控語言自動編程

1.數(shù)控語言自動編程的一般原理

數(shù)控語言自動編程的過程如圖11-1所示。它可以分為源程序編制和目標程序編制兩個階段。圖11-1數(shù)控語言自動編程的過程

1)源程序編制階段

零件加工源程序是由編程人員根據(jù)所要加工的零件圖樣及其工藝過程，用專門的數(shù)控語言(如APT、FAPT、EXAPT及FAPT等)人工編寫的，用以描述零件的幾何形狀、尺寸大小、工藝路線、工藝參數(shù)及刀具相對零件的運動軌跡等內(nèi)容。

2)目標程序編制階段

零件源程序并不能被數(shù)控系統(tǒng)所識別，因此不能直接控制機床，只是加工程序預處理的計算機輸入程序。

2.數(shù)控語言編程系統(tǒng)的信息處理過程

1)前置處理

前置處理的工作有以下兩部分：

(1)輸入翻譯階段，即語言處理階段，它是為計算刀具運動軌跡階段準備的。

(2)軌跡計算階段，其作用是處理連續(xù)運動語句，產(chǎn)生刀具運動的一系列有序的坐標數(shù)據(jù)。

2)后置處理

后置處理用于產(chǎn)生所用具體數(shù)控機床的數(shù)控程序。按照軌跡計算階段得到的刀位數(shù)據(jù)，通過后置處理完成增量計算、脈沖當量轉換等即可生成符合具體數(shù)控機床要求的零件加工程序，從而將計算階段目標程序給出的數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)及其他有關信息轉變成具體數(shù)控機床所要求的指令和程序格式，形成零件的數(shù)控加工程序。后置處理程序與具體的數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)有關，數(shù)控系統(tǒng)不同，代碼也不同。11.1.3圖形交互自動編程

1.圖形交互自動編程的原理和組成

近年來，計算機技術發(fā)展十分迅速，計算機的圖形處理能力有了很大的增強。因而，一種可以直接將零件的幾何圖形信息自動轉化為數(shù)控加工程序的全新的計算機輔助編程技術——“圖形交互自動編程”便應運而生，并在20世紀70年代以后得到迅速的發(fā)展和推廣應用。

1)圖形交互自動編程的原理

“圖形交互自動編程”是一種計算機輔助編程技術。

2)圖形交互自動編程系統(tǒng)的組成

圖形交互自動編程系統(tǒng)一般由幾何造型、刀具軌跡生成、刀具軌跡編輯、刀位驗證、后置處理(相對獨立)、圖形顯示、數(shù)據(jù)庫、運行控制及用戶界面等部分組成，如圖11-2所示。圖11-2圖形交互自動編程系統(tǒng)的組成

2.圖形交互自動編程的基本步驟

現(xiàn)對這幾個部分分述如下：

(1)零件圖樣及加工工藝分析是數(shù)控編程的基礎，目前該項工作仍主要靠人工進行，用于分析零件的加工部位，確定有關工件的裝夾位置、工件坐標系、刀具尺寸、加工路線及加工工藝參數(shù)等。

(2)幾何造型利用圖形交互自動編程軟件的圖形構建、編輯修改、曲線曲面造型等有關指令將零件被加工部位的幾何圖形準確地繪制在計算機屏幕上。

(3)刀位軌跡計算及生成是面向屏幕上的圖形交互進行的。

(4)后置處理的目的是形成數(shù)控加工文件。

(5)程序輸出用于輸出編程后的刀位軌跡文件和數(shù)控指令文件。圖11-3為一圖形交互式自動編程流程圖。該例中，零件幾何信息是從設計階段圖形數(shù)據(jù)文件中讀取的，對此文件進行一定的轉換即可產(chǎn)生所要加工零件的圖形，并在屏幕上顯示。工藝信息由編程員以交互式通過用戶界面輸入。圖11-3圖形交互式自動編程流程

3.圖形交互自動編程的特點

圖形交互自動編程是一種全新的編程方法，與APT語言編程比較，主要有以下幾個特點：

(1)將加工零件的幾何造型、刀位計算、圖形顯示和后置處理等結合在一起，有效地解決了編程數(shù)據(jù)來源、幾何顯示、走刀模擬、交互修改等問題，彌補了單一利用數(shù)控編程語言進行編程的不足。

(2)不需要編制零件加工源程序，用戶界面友好，使用簡便、直觀，準確性高，便于檢查。因為編程過程是在計算機上直接面向零件的幾何圖形以光標指示、菜單選擇及交互對話的方式進行的，其編程的結果也以圖形的方式顯示在計算機上。

(3)編程方法簡單易學，使用方便。整個編程過程是交互進行的，有多級功能“菜單”引導用戶進行交互操作。

(4)有利于實現(xiàn)與其他功能的結合，可以把產(chǎn)品設計與零件編程結合起來，也可以與工藝過程設計、刀具設計等過程結合起來。11.1.4CAD/CAM集成數(shù)控編程

1.零件信息模型

由于CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)是獨立發(fā)展起來的，它們的數(shù)據(jù)模型彼此不相容。

2.工藝設計的自動化

工藝設計自動化的目的就是根據(jù)CAD的設計結果，用CAPP系統(tǒng)軟件自動進行工藝規(guī)劃。

3.數(shù)控加工程序的生成

數(shù)控加工程序的生成是以CAPP的工藝設計結果和CAD的零件信息為依據(jù)，自動生成具有標準格式的APT程序，即刀位文件。

4.?CAD/CAM集成數(shù)控編程系統(tǒng)設計

圖11-4為在并行工程環(huán)境下集成化數(shù)控編程系統(tǒng)的應用實例。從圖中可以看出，在集成化數(shù)控編程系統(tǒng)中，數(shù)控編程系統(tǒng)直接讀入CAD系統(tǒng)提供的零件圖形信息和工藝要求及CAPP系統(tǒng)的工藝設計結果，進行加工程序的自動編制。同時，CAM系統(tǒng)與CAD、DFM、CAPP、CAFD及MPS系統(tǒng)的關系極為密切，各子系統(tǒng)之間不但要實現(xiàn)信息集成，更重要的是要實現(xiàn)功能上的集成。圖11-4CE環(huán)境下數(shù)控自動編程系統(tǒng)

2)數(shù)控加工編程模塊的功能

一個典型的CAD/CAM集成數(shù)控編程系統(tǒng)，其數(shù)控加工編程模塊一般應具備以下功能。

(1)編程功能：包括①點位加工編程；②二位輪廓加工編程；③平面區(qū)域加工編程；④平面型腔加工編程；⑤曲面區(qū)域加工編程；⑥多曲面加工編程；⑦曲面交線加工編程；⑧若干曲面特征的自動編程；⑨約束面(線)控制加工編程。

(2)刀具軌跡計算方法：包括①參數(shù)線法；②截平面法；③投影法。

(3)刀具軌跡編輯功能：包括①刀具軌跡的快速圖形顯示；②刀具軌跡文本顯示與修改；③刀具軌跡的刪除；④刀具軌跡的拷貝；⑤刀具軌跡的粘貼；⑥刀具軌跡的插入；⑦刀具軌跡的恢復；⑧刀具軌跡的移動；⑨刀具軌跡的延伸；⑩刀具軌跡的修剪；刀具軌跡的轉置；刀具軌跡的反向；刀具軌跡的幾何變換；刀具軌跡上到位點的均化；刀具軌跡的編排；刀具軌跡的加載和存儲。

(4)刀具軌跡驗證功能：包括①刀具軌跡的快速圖形顯示；②截面法驗證；③動態(tài)圖形顯示驗證(高級功能)。

11.2加工過程仿真

11.2.1加工過程仿真概述

目前在計算機輔助設計、工藝規(guī)劃和刀具軌跡生成技術等方面已取得很大進展，但由于零件形狀的復雜多變以及加工環(huán)境的復雜性，要確保所生成的加工程序不存在任何問題仍然是十分困難的，其中最主要的問題如加工過程中的過切與欠切、機床各部件之間的干涉碰撞等。圖11-5表示了在計算機集成制造(CIM)環(huán)境中圖形仿真校驗與CAD、CAPP、數(shù)控編程等過程的關系。圖11-5集成編程系統(tǒng)

1.刀位軌跡仿真

刀位軌跡仿真是最早采用的圖形仿真檢驗方法，是對刀位文件進行的模擬仿真，一般在前置處理之后進行。

2.加工過程動態(tài)仿真

加工過程動態(tài)仿真是對數(shù)控代碼進行仿真，主要用來解決加工過程及實際加工環(huán)境中工藝系統(tǒng)間的干涉、碰撞問題和運動關系。工藝系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，由刀具、機床、工件和夾具組成，在加工中心上加工，還有轉刀和轉位等運動。由于實體可以用來表達加工半成品，從而可以建立起有效真實的加工模擬和NC程序的驗證模型。圖11-6表達了實體圖形仿真的概貌。圖11-6實體仿真模型示意圖11.2.2加工過程動態(tài)仿真舉例

圖11-7是一加工過程仿真系統(tǒng)的總體結構圖。該仿真系統(tǒng)運行于集成制造環(huán)境，包括三個部分：

(1)實體建模模塊。

(2)加工過程仿真器模塊。

(3)仿真報告輸出及三維動畫顯示模塊。圖11-7加工過程仿真總體結構

11.3數(shù)控加工中的群控(DNC)技術

11.3.1DNC概述

無論何種方式編寫的數(shù)控程序都要經(jīng)過數(shù)控設備的數(shù)控裝置加以變換、運算，形成控制數(shù)控機床運動的信息，并以脈沖的形式發(fā)送給數(shù)控機床的伺服驅動裝置，以控制數(shù)控機床的各個運動部件按給定要求動作，如各坐標運動位置及運動速度，主軸的啟動、停止及變速，冷卻液通斷，刀具更換，工件夾緊，排屑等。圖11-8直接式DNC和分布式DNC

90年代中期，由于Internet/Intranet與Web技術在制造業(yè)快速普及