計算機輔助制造

第1章CAD/CAM概述第2章計算機輔助設計（CAD）第3章計算機輔助工程分析（CAE）目錄第4章計算機輔助工藝規(guī)程設計（CAPP）第5章計算機輔助制造（CAM）第6章CAD/CAM技術(shù)的集成與發(fā)展計算機輔助制造（CAM）第5章5.1CAM基本知識計算機輔助制造（ComputerAidedManufacture，CAM）指的是將計算機技術(shù)應用于產(chǎn)品生產(chǎn)制造相關(guān)過程的統(tǒng)稱。它以計算機軟件系統(tǒng)為基礎，將計算機與加工設備直接或者間接的聯(lián)系起來，實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃設計、加工管理、操作和質(zhì)量控制等按照數(shù)字化的作業(yè)流程進行生產(chǎn)制造活動。廣義的CAM主要指由計算機輔助完成從毛坯到制成產(chǎn)品的全部過程的所有相關(guān)活動，包括物料計劃制訂、排產(chǎn)計劃制訂、物流控制、質(zhì)量控制、NC程序設計、工時定額等。狹義的CAM主要指的是數(shù)控加工程序的設計，主要包括刀路軌跡的設計、刀位文件定義、加工路徑的仿真以及生成NC加工程序等。5.1.1CAM的基本概念圖5.1.1廣義CAM與狹義CAM的關(guān)系圖5.1.2CAM的功能與結(jié)構(gòu)CAM系統(tǒng)是隨著計算機技術(shù)發(fā)展起來的，它建立在計算機硬件的基礎上，以系統(tǒng)軟件為支撐，應用軟件為核心，旨在處理制造過程中的相關(guān)信息的系統(tǒng)。圖5.1.2CAM系統(tǒng)的主要功能根據(jù)硬件和軟件實現(xiàn)的功能，又可將CAM系統(tǒng)分為硬件部分、支撐環(huán)境、系統(tǒng)管理和應用軟件四部分。5.1.2CAM的功能與結(jié)構(gòu)圖5.1.3CAM系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)5.1.3CAM的發(fā)展概況自20世紀50年代出現(xiàn)CAM技術(shù)以來，根據(jù)CAM編程原理的不同，可將其分為數(shù)控語言編程、圖形語言編程和CAD/CAM集成數(shù)控編程三個階段。1）數(shù)控語言編程1950年代，美國MIT學院設計開發(fā)出了零件數(shù)控編程語言——APT，它是一種對零件、刀具的形狀以及刀具相對于零件運動等進行定義時所使用的一種類似于英文單詞的程序語言。圖5.1.4APT語言編程流程圖2）圖形語言編程1970年代，隨著微處理計算機技術(shù)開始實際應用，相關(guān)的工程制圖軟件開始使用，零件設計信息轉(zhuǎn)換為交互式界面上的直觀圖形，人機交互方式的數(shù)控程序設計成為主要的數(shù)控程序設計方式。5.1.2CAM的發(fā)展概況圖5.1.5圖形語言編程流程圖3）CAD/CAM集成數(shù)控編程1980年代，各種CAD/CAM集成式數(shù)控編程軟件開始快速發(fā)展起來，由CAD構(gòu)建的零件設計模型保存為一定數(shù)據(jù)格式文件進行中轉(zhuǎn)，CAM可識別中轉(zhuǎn)文件，直接讀取相關(guān)的零件幾何信息，生成刀位軌跡和NC代碼。5.1.2CAM的發(fā)展概況圖5.1.6CAD/CAM集成數(shù)控編程流程圖5.1.4數(shù)控編程的基本概念數(shù)控編程是指用編程語言描述零件數(shù)控加工成型過程中的工藝參數(shù)、刀具相對于工件的運動軌跡等信息，并進行仿真加工校核的全過程。數(shù)控編程的主要內(nèi)容包括零件圖樣分析、工藝規(guī)劃、刀位軌跡計算、后處理生成數(shù)控程序、數(shù)控程序的校核和首件試切等內(nèi)容。圖5.1.7數(shù)控編程的主要步驟5.1.5數(shù)控程序的基本結(jié)構(gòu)與格式一個完整的程序必須包括程序開始部分、程序內(nèi)容部分和程序結(jié)束部分，如圖5.1.8所示。%//開始符O1002//程序名N10G00G54X20Y20M03S8000N20G00X88Y10F150T01M08N30G01X120Y6Z10N40X90//程序主體…N300M30//結(jié)束符圖5.1.8數(shù)控加工程序的結(jié)構(gòu)5.1.5數(shù)控程序的基本結(jié)構(gòu)與格式每一個數(shù)控程序又由多個程序段組成，每個程序段由程序序號、若干功能字、尺寸字和程序結(jié)束符組成，格式如圖5.1.9所示。圖5.1.9程序段格式功能字主要包括準備功能字（G代碼）、進給功能字（F代碼）、主軸功能字（S代碼）、刀具功能字（T代碼）、輔助功能字（M代碼）。數(shù)控系統(tǒng)中，準備功能字用地址符G表示，由G和兩位數(shù)字組成，是控制數(shù)控機床做好某種準備工作的指令。表5.1.1列出了數(shù)控銑床常用G代碼指令及其功能。G代碼功

能G代碼功

能G00快速移動G00X_Y_G40取消刀具補償G01直線插補G01X_Y_F_G41左刀補G02順時針圓弧插補G42右刀補G03逆時針圓弧插補G43刀具長度正補償G04暫停G44刀具長度負補償G17選擇XY平面G52設置局部坐標系G18選擇ZX平面G53設置機床坐標系G19選擇YZ平面G54~G59設置第1~6零件坐標系G27返回參考點檢查G65宏程序調(diào)用G28返回參考點G80取消固定循環(huán)G30返回第二參考點G98返回起始點G31跳步功能G99返回R點表5.1.1數(shù)控銑床部分主要G代碼指令1）準備功能字（G代碼）在數(shù)控系統(tǒng)中，進給功能字用地址符F表示，由F和數(shù)字組成，用于指定刀具進給速度，如F150，表示刀具進給速率為150mm/min。2）進給功能字（F代碼）在數(shù)控系統(tǒng)中，主軸功能字用地址符S表示，由S和數(shù)字組成，用于指定主軸轉(zhuǎn)速，如S800，表示主軸轉(zhuǎn)速為800R/min。3）主軸功能字（S代碼）在數(shù)控系統(tǒng)中，刀具功能字用地址符T表示，由T和數(shù)字組成，用于指定零件加工時的刀具編號，如T02，表示選用刀具編號為02的刀具進行加工。4）刀具功能字（T代碼）在數(shù)控系統(tǒng)中，輔助功能字用地址符M表示，由M和兩位數(shù)字組成，是控制數(shù)控機床輔助裝置做好某種工作的操作指令。表5.1.2列出了數(shù)控銑床常用M代碼指令及其功能。表5.1.2數(shù)控銑床部分主要G代碼指令5）輔助功能字（M代碼）M代碼功

能M代碼功

能M00程序停止M09關(guān)閉切削液M01計劃停止M30程序結(jié)束并返回M02程序結(jié)束M52自動門打開M03主軸順時針旋轉(zhuǎn)M53自動門關(guān)閉M04主軸逆時針旋轉(zhuǎn)M74錯誤檢測功能打開M05主軸停止M75錯誤檢測功能關(guān)閉M06換刀M98子程序調(diào)用M07冷卻液噴霧開M99子程序調(diào)用返回M08打開切削液5.3CNC、DNC系統(tǒng)及其發(fā)展西安文理學院1）CNC系統(tǒng)的定義CNC系統(tǒng)（ComputerNumericalControlSystem）是在NC系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，是一種以計算機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入的加工指令（NC加工程序），翻譯為計算機識別的代碼，進行插補運算，長度補償及半徑補償計算，獲得理想的機床運動軌跡，然后輸出至機床本體加工出符合要求的零件。CNC系統(tǒng)是數(shù)控機床實現(xiàn)零件加工功能的控制和指揮中心。5.3.1CNC系統(tǒng)系統(tǒng)及其發(fā)展CNC系統(tǒng)是數(shù)控機床實現(xiàn)零件加工功能的控制和指揮中心，如圖5.3.1所示，其主要由輸入/輸出（I/O）裝置、計算機數(shù)字控制裝置（CNC裝置）、可編程控制器（PLC）、主軸驅(qū)動裝置、進給伺服系統(tǒng)以及檢測裝置等幾部分組成。圖5.3.1CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2）CNC系統(tǒng)的主要功能CNC系統(tǒng)的主要功能有控制功能、準備功能（G代碼）、輔助功能（M代碼）、進給功能（F代碼）、刀具功能（T代碼）、插補功能、補償功能、顯示功能、自診斷功能、通信功能、人機交互圖形編程等。3）CNC系統(tǒng)的工作過程CNC系統(tǒng)的工作過程如圖5.3.2所示。圖5.3.2CNC系統(tǒng)的工作過程4）常見的CNC系統(tǒng)自計算機技術(shù)應用到機床上以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了近70余年的發(fā)展，出現(xiàn)了多種類、多品牌的數(shù)控系統(tǒng)。國外主要有德國西門子數(shù)控系統(tǒng)（SINUMERIK）、日本發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)（FANUC）、日本三菱公司MELDAS數(shù)控系統(tǒng)、德國海德漢數(shù)控系統(tǒng)（HEIDENHAIN）、法國施耐德公司的NUM數(shù)控系統(tǒng)、西班牙發(fā)格數(shù)控系統(tǒng)（FAGOR）等。國外主要有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、航天數(shù)控等知名數(shù)控系統(tǒng)，也出現(xiàn)了沈陽高精數(shù)控、南京華興數(shù)控、北京時代數(shù)控等新興的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)。5）CNC系統(tǒng)的發(fā)展歷程與趨勢隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、檢測技術(shù)、傳感器技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，特別是柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufactureSystem，F(xiàn)MS）和計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedMakingSystem，CIMS）等機械制造相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，數(shù)控系統(tǒng)的功能也在不斷地擴充，同時更高零件加工質(zhì)量的需求以及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，也對數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展提出了更高的要求。（1）高速、高精度、高可靠性方向；（2）多功能復合化方向；（3）智能化、網(wǎng)絡化方向。5.3.2DNC系統(tǒng)系統(tǒng)及其發(fā)展1）DNC系統(tǒng)的定義20世紀60年代，為了解決因使用紙帶傳輸數(shù)控程序而引起的一系列問題以及數(shù)控加工設備計算成本高等問題，有專家學者提出了最初的DNC概念，即直接數(shù)字控制（DirectNumericalControl），指的是由計算機直接控制數(shù)控加工設備，進行NC程序的傳輸以及管理。隨著計算機技術(shù)數(shù)字化技術(shù)等新技術(shù)的快速發(fā)展，特別是CNC系統(tǒng)的運算速度和內(nèi)存容量的提高，數(shù)控加工設備具備了一定的自我決策加工能力，DNC也拓展成為功能更為全面的分布式數(shù)字控制系統(tǒng)（DistributedNumericalControl）。它不僅具有直接數(shù)字控制的設備集成和NC程序傳輸功能，還開始著眼于車間加工信息的集成、數(shù)控設備運行狀態(tài)的檢測、數(shù)控加工的動態(tài)控制等功能。2）DNC系統(tǒng)的主要功能DNC系統(tǒng)的基本功能主要包括集中車間數(shù)控加工設備、NC加工程序及數(shù)據(jù)的傳輸、NC加工程序的管理等。NC系統(tǒng)的擴展功能主要包括數(shù)控加工設備的遠程監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集、車間數(shù)據(jù)共享、在線加工接收生產(chǎn)計劃信息、按照生產(chǎn)計劃信息進行仿真和優(yōu)化、設備故障遠程診斷、高度自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的刀具和工件管理、加工作業(yè)的集中監(jiān)控和分散控制等。。2）DNC系統(tǒng)的一般工作過程DNC系統(tǒng)的工作可分為四個層級進行概括，具體包括用戶層、服務層、代理層以及設備層。（1）用戶層主要包括NC編程人員和生產(chǎn)調(diào)度人員，用戶層可以通過工作窗口進入服務層合理分配數(shù)控加工任務。（2）服務層提供CNC加工設備相關(guān)的信息，供用戶層及時掌握CNC加工設備的相關(guān)數(shù)據(jù)，此外，服務層還需要及時響應代理層的反饋信息。（3）代理層實現(xiàn)CNC加工設備的數(shù)據(jù)通訊，獲取服務層的加工信息，傳輸給設備層，獲取設備層的加工信息，傳輸給服務層，即實現(xiàn)CNC加工設備與外界數(shù)據(jù)間的交換。（4）設備層即接入局域網(wǎng)絡的CNC加工設備。圖5.3.3DNC系統(tǒng)的一般工作過程4）常見的DNC系統(tǒng)自DNC系統(tǒng)的概念提出以來，一直是各個國家研究的重點。經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，各國開發(fā)出了多種DNC系統(tǒng)，并廣泛應用于各大制造企業(yè)。國外主要有美國AutomationIntelligence公司開發(fā)的SHOPNETDNC系統(tǒng)、美國CRYSTAC公司的DNC系統(tǒng)、美國CIMCO公司的DNC-MAX、ASCENDANTTECHNOLOGIES公司的eXtremeDNC等。國外主要有北京機床研究所的JCSDNC以及CAXA(數(shù)碼大方)的CAXA網(wǎng)絡DNC、成都飛機公司的FDNC1系統(tǒng)等。5）DNC系統(tǒng)的發(fā)展歷程和趨勢隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、檢測技術(shù)、傳感器技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，DNC系統(tǒng)的功能已經(jīng)非常豐富了，但隨著數(shù)字化的產(chǎn)品研發(fā)和網(wǎng)絡化制造技術(shù)的應用以及網(wǎng)絡技術(shù)、CNC技術(shù)的發(fā)展，對DNC系統(tǒng)提出了新的要求。（1）高兼容性；