《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造》課件第11章

第11章計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工11.1計(jì)算機(jī)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(shù)

11.1計(jì)算機(jī)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(jì)50年代美國麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)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(jì)70年代微處理機(jī)問世以后，圖形交互自動編程進(jìn)入實(shí)用階段，這種編程技術(shù)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(jī)對話式的程序編制工作。

3.?CAD/CAM集成數(shù)控編程

20世紀(jì)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(luò)化、并行化和虛擬化方向發(fā)展。11.1.1數(shù)控加工的特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡稱。數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動參數(shù)和各種動作是由機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)以數(shù)字量的形式進(jìn)行控制的。這些動作和運(yùn)動參數(shù)是由零件的加工程序詳細(xì)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(biāo)程序編制兩個(gè)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(yùn)動軌跡等內(nèi)容。

2)目標(biāo)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(jī)床，只是加工程序預(yù)處理的計(jì)算機(jī)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(jì)算刀具運(yùn)動軌跡階段準(zhǔn)備的。

(2)軌跡計(jì)算階段，其作用是處理連續(xù)運(yùn)動語句，產(chǎn)生刀具運(yùn)動的一系列有序的坐標(biāo)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(jī)床的數(shù)控程序。按照軌跡計(jì)算階段得到的刀位數(shù)據(jù)，通過后置處理完成增量計(jì)算、脈沖當(dāng)量轉(zhuǎn)換等即可生成符合具體數(shù)控機(jī)床要求的零件加工程序，從而將計(jì)算階段目標(biāo)程序給出的數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)及其他有關(guān)信息轉(zhuǎn)變成具體數(shù)控機(jī)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(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)有關(guān)，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(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅速，計(jì)算機(jī)的圖形處理能力有了很大的增強(qiáng)。因而，一種可以直接將零件的幾何圖形信息自動轉(zhuǎn)化為數(shù)控加工程序的全新的計(jì)算機(jī)輔助編程技術(shù)——“圖形交互自動編程”便應(yīng)運(yùn)而生，并在20世紀(jì)70年代以后得到迅速的發(fā)展和推廣應(yīng)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(jì)算機(jī)輔助編程技術(shù)。

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(yàn)證、后置處理(相對獨(dú)立)、圖形顯示、數(shù)據(jù)庫、運(yùn)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(gè)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(chǔ)，目前該項(xiàng)工作仍主要靠人工進(jìn)行，用于分析零件的加工部位，確定有關(guān)工件的裝夾位置、工件坐標(biāo)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(gòu)建、編輯修改、曲線曲面造型等有關(guān)指令將零件被加工部位的幾何圖形準(zhǔn)確地繪制在計(jì)算機(jī)屏幕上。

(3)刀位軌跡計(jì)算及生成是面向屏幕上的圖形交互進(jìn)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(shè)計(jì)階段圖形數(shù)據(jù)文件中讀取的，對此文件進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)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(diǎn)

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(gè)特點(diǎn)：

(1)將加工零件的幾何造型、刀位計(jì)算、圖形顯示和后置處理等結(jié)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(bǔ)了單一利用數(shù)控編程語言進(jìn)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(zhǔn)確性高，便于檢查。因?yàn)榫幊踢^程是在計(jì)算機(jī)上直接面向零件的幾何圖形以光標(biāo)指示、菜單選擇及交互對話的方式進(jìn)行的，其編程的結(jié)果也以圖形的方式顯示在計(jì)算機(jī)上。

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

(4)有利于實(shí)現(xiàn)與其他功能的結(jié)合，可以把產(chǎn)品設(shè)計(jì)與零件編程結(jié)合起來，也可以與工藝過程設(shè)計(jì)、刀具設(shè)計(jì)等過程結(jié)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(dú)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(shè)計(jì)的自動化

工藝設(shè)計(jì)自動化的目的就是根據(jù)CAD的設(shè)計(jì)結(jié)果，用CAPP系統(tǒng)軟件自動進(jìn)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(shè)計(jì)結(jié)果和CAD的零件信息為依據(jù)，自動生成具有標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)

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(yīng)用實(shí)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(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行加工程序的自動編制。同時(shí)，CAM系統(tǒng)與CAD、DFM、CAPP、CAFD及MPS系統(tǒng)的關(guān)系極為密切，各子系統(tǒng)之間不但要實(shí)現(xiàn)信息集成，更重要的是要實(shí)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(gè)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(yīng)具備以下功能。

(1)編程功能：包括①點(diǎn)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(jì)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(fù)；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(zhuǎn)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(diǎn)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(yàn)證功能：包括①刀具軌跡的快速圖形顯示；②截面法驗(yàn)證；③動態(tài)圖形顯示驗(yàn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和刀具軌跡生成技術(shù)等方面已取得很大進(jìn)展，但由于零件形狀的復(fù)雜多變以及加工環(huán)境的復(fù)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(jī)床各部件之間的干涉碰撞等。圖11-5表示了在計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)環(huán)境中圖形仿真校驗(yàn)與CAD、CAPP、數(shù)控編程等過程的關(guān)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(yàn)方法，是對刀位文件進(jìn)行的模擬仿真，一般在前置處理之后進(jìn)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(jìn)行仿真，主要用來解決加工過程及實(shí)際加工環(huán)境中工藝系統(tǒng)間的干涉、碰撞問題和運(yùn)動關(guān)系。工藝系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由刀具、機(jī)床、工件和夾具組成，在加工中心上加工，還有轉(zhuǎn)刀和轉(zhuǎn)位等運(yùn)動。由于實(shí)體可以用來表達(dá)加工半成品，從而可以建立起有效真實(shí)的加工模擬和NC程序的驗(yàn)證模型。圖11-6表達(dá)了實(shí)體圖形仿真的概貌。圖11-6實(shí)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(jié)構(gòu)圖。該仿真系統(tǒng)運(yùn)行于集成制造環(huán)境，包括三個(gè)部分：

(1)實(shí)體建模模塊。

(2)加工過程仿真器模塊。

(3)仿真報(bào)告輸出及三維動畫顯示模塊。圖11-7加工過程仿真總體結(jié)構(gòu)

11.3數(shù)控加工中的群控(DNC)技術(shù)

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(shè)備的數(shù)控裝置加以變換、運(yùn)算，形成控制數(shù)控機(jī)床運(yùn)動的信息，并以脈沖的形式發(fā)送給數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動裝置，以控制數(shù)控機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動部件按給定要求動作，如各坐標(biāo)運(yùn)動位置及運(yùn)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(shù)在制造業(yè)快速普及