《機床數(shù)控技術(shù)基礎》課件-第4章

第4章自動編程技術(shù)4.1自動編程的概念和分類4.2自動編程的基本過程、特點和發(fā)展情況4.3APT語言自動編程系統(tǒng)4.4圖形交互編程系統(tǒng)知識拓展本章小結(jié)

(1)自動編程的概念、分類、工作過程和特點;

(2)APT語言自動編程系統(tǒng)的組成和工作原理;

(3)圖形交互編程系統(tǒng)的特點和編程工作流程;

(4)典型CAD/CAM軟件介紹;

(5)數(shù)控加工程序檢驗與仿真方法。

利用典型CAD/CAM軟件———MasterCAM,調(diào)取曲面綜合加工零件(見圖4-1)的模型源文件,合理規(guī)劃曲面綜合加工刀具路徑。圖4-1曲面綜合加工零件圖

4.1自動編程的概念和分類4.1.1自動編程的概念

程序編制是數(shù)控加工的重要組成部分。簡單平面零件可以根據(jù)圖紙用手工直接編寫數(shù)控加工程序。復雜平面零件,特別是三維以上零件加工程序的編制,需要大量復雜的計算工作,程序段的數(shù)量也非常多,不但繁瑣、枯燥,而且在許多情況下用手工編程幾乎是不可能的,因此發(fā)展了計算機自動編程方法。采用通用計算機代替手工編程稱為計算機自動編程,簡稱自動編程。

4.1.2自動編程的分類

自動編程主要包括語言編程、圖形編程和實物編程三種方法。

1.語言編程

語言編程是編程人員用接近日常工藝詞匯的一套編程語言,把加工零件的有關(guān)信息,如零件的幾何形狀、工藝要求、切削參數(shù)及輔助信息等用數(shù)控語言編成零件加工源程序,然后把該程序輸入到計算機中,由計算機自動處理,最后得到并輸出數(shù)控機床加工所需的程序,其中最具有代表性的就是APT語言。

2.圖形編程

圖形編程是指將零件的圖形信息直接輸入計算機,通過自動編程軟件的處理,得到數(shù)控加工程序。圖形編程是目前使用最廣泛的自動編程方式。

3.實物編程

實物編程是指由平面輪廓零件或?qū)嵨锬Ｐ屯ㄟ^測頭測量直接得到數(shù)控加工所需的數(shù)據(jù),計算機根據(jù)此數(shù)據(jù)編制加工程序。

除了上述的自動編程方法外,還有語音自動編程和會話式自動編程。語音自動編程可以通過語音識別器,將編程人員發(fā)出的加工指令聲音轉(zhuǎn)變成加工程序。

4.2自動編程的基本過程、特點和發(fā)展情況

4.2.1自動編程的基本過程為了使計算機能夠識別和處理由相應的數(shù)控語言編寫的零件源程序,事先必須針對一定的加工對象,將編好的一套編譯程序存放在計算機內(nèi),這個程序通常稱為數(shù)控程序系統(tǒng)或數(shù)控軟件。數(shù)控軟件分兩步對零件源程序進行處理:第一步是計算刀具中心相對于零件運動的軌跡。由于這部分處理不涉及具體NC機床的指令格式和輔助功能,因此具有通用性。

第二步是針對具體NC機床的功能產(chǎn)生控制指令的后置處理程序,后置處理程序是不通用的。由此可見,經(jīng)過數(shù)控程序系統(tǒng)處理后輸出的程序才是控制NC機床的零件加工程序。整個NC自動編程的過程如圖4-2所示。

圖4-2自動編程的基本過程

4.2.2自動編程的特點

自動編程具有編程速度快、周期短、質(zhì)量高、使用方便等一系列優(yōu)點。與手工編程相比,可提高編程效率數(shù)倍至數(shù)十倍。零件越復雜,其技術(shù)經(jīng)濟效果越顯著,特別是能編制手工編程無法完成的程序。

4.2.3自動編程的發(fā)展情況

現(xiàn)在國際上流行的數(shù)控自動編程語言有上百種,其中流傳最廣、影響最深、最具有代表性的是美國MIT研制的APT系統(tǒng)(AutomaticallyProgrammedTools)。APT是1955年推出的,1958年MIT又推出了APTⅡ,適用于曲線自動編程。1961年推出了APTⅢ,適用于3~5坐標立體曲面自動編程。20世紀70年代又推出了APTⅣ,適用于自由曲面自動編程。由于APT系統(tǒng)語言詞匯豐富,定義的幾何元素類型多,并配有多種后置處理程序,通用性好,因此在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛應用。

在APT的基礎上,世界有些國家也各自發(fā)展了各具特色的數(shù)控語言系統(tǒng),如德國的EXAPT、日本的FAPT和HAPT、法國的IFAPT、意大利的MODAPT以及我國的SKC、ZCX等。我國機械工業(yè)部1982年發(fā)布的NC機床自動編程語言標準(JB3112-1982)采用APT的詞匯語法;1985年國際標準化組織ISO發(fā)布的NC機床自動編程語言(ISO4342-1985)也以APT語言為基礎。

4.3APT語言自動編程系統(tǒng)

4.3.1APT語言自動編程系統(tǒng)的組成APT語言自動編程系統(tǒng)的組成如圖4-3所示,分為APT語言編寫的零件源程序、通用計算機以及編譯程序(系統(tǒng)軟件)三個組成部分。零件源程序不同于我們在手工編程時用NC指令代碼寫出的加工程序,它不能直接控制數(shù)控機床,只是加工程序計算機預處理的輸入程序。零件源程序經(jīng)過計算機進行輸入翻譯、數(shù)值計算和后置處理后,成為NC加工程序。圖4-3APT語言自動編程系統(tǒng)信息處理過程

編譯程序的作用是使計算機具有處理零件源程序和自動輸出具體機床加工程序的能力。因為用數(shù)控語言編寫的零件源程序,計算機是不能直接識別和處理的,必須根據(jù)具體的數(shù)控語言、計算機語言(高級語言或匯編語言)以及具體機床的指令,事先給計算機編好一套能處理零件源程序的編譯程序(又稱為數(shù)控編程軟件),將這種數(shù)控編程軟件存入計算機中,計算機才能對輸入的零件源程序進行翻譯、計算并執(zhí)行根據(jù)具體數(shù)控機床的控制系統(tǒng)所編寫的后置處理程序,最終形成加工程序。

4.3.2計算機處理零件源程序三個階段的內(nèi)容

1.翻譯階段

翻譯階段即語言處理階段。它按源程序的順序,一個符號接著一個符號地依次閱讀并進行處理。如圖4-4所示,首先分析語句的類型,當遇到幾何定義語句時,則轉(zhuǎn)入幾何定義處理程序。根據(jù)幾何特征關(guān)鍵字,判斷是哪種類型的幾何定義方式,然后再處理成標準的形式,并按其數(shù)值信息求出標準參數(shù)。例如,點的標準參數(shù)為X、Y、Z三個坐標值;對于直線AX+BY=C,標準參數(shù)為A、B、C;對于圓(X-X0)2+(Y-Y0)2=R2,標準參數(shù)為X0、Y0、R。圖4-4-翻譯階段的信息處理過程

2.數(shù)值計算階段

如圖4-5所示,數(shù)值計算階段的工作類似于手工編程時的基點和節(jié)點坐標數(shù)據(jù)的計算,主要的任務是處理連續(xù)運動語句。根據(jù)導動面和檢查面(圖4-6)等信息(如方向指示詞、交點區(qū)分詞等)計算基點坐標和節(jié)點坐標,從而求出刀具位置數(shù)據(jù)(CutterLocationData,CLDATA)并以刀具位置文件的形式加以存儲。其它的語句也要以規(guī)定的形式處理并存儲。圖4-5計算機階段的信息處理圖4-6刀具空間位置的控制面

3.后置處理階段

后置處理的信息流程如圖4-7所示。按照計算階段的信息,通過后置處理即可生成符合具體數(shù)控機床要求的零件加工程序。該加工程序可以通過打印成加工程序單,也可通過穿孔機自動穿出數(shù)控紙帶作為數(shù)控機床的輸入,還可以通過計算機通信接口將后置處理的結(jié)果直接傳送至CNC系統(tǒng)予以調(diào)用。經(jīng)計算機處理的數(shù)據(jù)也可以通過屏幕進行圖形顯示或由繪圖機繪出圖形,用自動繪出的刀具運動軌跡圖形,可以檢查數(shù)據(jù)輸入的正確性,以便加工程序編制人員分析錯誤的性質(zhì)并予以修改。圖4-7后置處理階段的信息處理

4.3.3APT語言編程示例

例4-1銑削如圖4-8所示的零件,銑刀直徑為10mm,SPAR為刀具的起點(位于坐標原點上),加工順序按L1→C1→L2→C2→L3→L4→L5進行,刀具最后回到起始點。表4-1為加工該零件的APT語言程序。圖4-8APT語言例圖

4.4

圖形交互編程系統(tǒng)

4.4.1圖形交互編程系統(tǒng)的特點APT語言編程具有許多優(yōu)點,如程序簡練,走刀控制靈活。但它開發(fā)得比較早,受當時條件的限制,雖然經(jīng)過多次改進,仍有許多不便之處,如采用語言定義零件幾何形狀不易描述復雜的幾何圖形,缺乏直觀性;缺乏對零件形狀、刀具運動軌跡的直觀顯示;難以和CAD數(shù)據(jù)庫及CAPP系統(tǒng)有效地連接;不易做到高度的自動化和集成化。

圖形交互式自動編程建立在CAD和CAM的基礎上。這種編程方法具有速度快、精度高、直觀性好、使用方便和便于檢查等優(yōu)點。因此,圖形交互式自動編程是復雜零件普遍采用的數(shù)控編程方法。

4.4.2圖形交互編程系統(tǒng)的編程步驟

1.幾何造型幾何造型就是利用CAD軟件的圖形編輯功能交互自動地進行圖形構(gòu)建、編輯修改、曲線曲面造型等工作,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,與此同時在計算機內(nèi)自動形成零件圖形數(shù)據(jù)庫。這就相當于APT語言編程中,用幾何定義語句定義零件幾何圖形的過程。其不同點就在于它不是用語言,而是用計算機交互繪圖的方法,將零件的圖形數(shù)據(jù)輸入到計算機中。這些圖形數(shù)據(jù)是下一步刀具軌跡計算的依據(jù)。在自動編程過程中,軟件將根據(jù)加工要求提取這些數(shù)據(jù),進行分析判斷和必要的數(shù)學處理,以形成加工的刀具位置數(shù)據(jù)。

2.刀具走刀路徑的產(chǎn)生

在圖形交互自動編程中,刀具軌跡的生成是面向屏幕上的圖形交互進行的。首先調(diào)用刀具路徑生成功能,然后根據(jù)屏幕提示用光標選擇相應的圖形目標,點取相應的坐標點,輸入所需的各種參數(shù)。軟件將自動從圖形中提取編程所需的信息,進行分析判斷,計算節(jié)點數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)換為刀具位置數(shù)據(jù),存入指定的刀位文件中或直接進行后置處理并生成數(shù)控加工程序,同時在屏幕上模擬顯示出零件圖形和刀具運動軌跡。

3.后置處理

后置處理的目的是形成各個機床所需的數(shù)控加工程序文件。由于各種機床使用的控制系統(tǒng)不同,其數(shù)控加工程序指令代碼及格式也有所不同。為解決這個問題,軟件通常為各種數(shù)控系統(tǒng)設置一個后置處理用的數(shù)控指令對照表文件。在進行后置處理前,編程人員應根據(jù)具體數(shù)控機床指令代碼及程序的格式事先編輯好這個文件,然后后置處理軟件利用這個文件,經(jīng)過處理,輸出符合數(shù)控加工格式要求的NC加工文件。

4.4.3MasterCAM軟件

1.軟件簡介

MasterCAM是美國CNCSoftware公司推出的基于PC平臺的、集設計和制造于一體的CAD/CAM軟件。目前,MasterCAM以優(yōu)良的性價比、常規(guī)的硬件要求、靈活的操作方式、穩(wěn)定的運行效果及易學易用的操作方法等特點,成為世界上應用最廣泛、最優(yōu)秀的軟件之一,也是我國應用最廣泛、最有代表性的CAD/CAM軟件之一。它主要應用于機械、電子、汽車和航空等行業(yè)的模具制造。

2.應用舉例

例4-2外形銑削,零件如圖4-9所示,試編寫所需代碼。

圖4-9零件的外形輪廓

1)創(chuàng)建CAD模型

用MasterCAM軟件的繪圖功能繪制零件外形輪廓,如圖4-9所示。

2)保存模型

選擇命令,彈出另存為對話框,在輸入框中輸入“外形輪廓_CAD”,單擊保存按鈕,即可進行保存。

3)根據(jù)零件特點選擇加工方法

(1)選擇缺省銑床命令。

(2)選擇命令。

4)生成刀具路徑

這一步首先要選擇刀具,然后設置加工參數(shù),最后生成刀具路徑。

(1)打開串連對話框,系統(tǒng)提示選擇串連外形,如圖4-10所示。用鼠標捕獲輪廓線(P1處),使串連方向為順時針方向,單擊串連選擇對話框中的確定按鈕,結(jié)束串連外形選擇。圖4-10選擇串連外形

(2)系統(tǒng)彈出外形銑削對話框,在刀具欄空白區(qū)內(nèi)單擊鼠標右鍵,在彈出的菜單中選命令,系統(tǒng)彈出刀具庫對話框,選擇?12平銑刀,單擊加入按鈕,然后單擊確定按鈕,結(jié)束刀具選擇。輸入?yún)?shù)如圖4-11所示。

(3)設置外形銑削參數(shù),單擊選項卡,系統(tǒng)將顯示銑削參數(shù)對話框,相關(guān)參數(shù)設置如圖4-12所示。

(4)選擇選項,粗切1次,間距為5mm;精修1次,間距0.5mm。

(5)選擇選項,最大粗切步進量為2mm,選擇

和選項。

(6)選擇選項,設置如圖4-13所示。

(7)單擊外形銑削參數(shù)對話框中的確定按鈕,系統(tǒng)立即在圖上生成刀具路徑,如圖4-14所示。圖4-12外形銑削參數(shù)對話框圖4-13進/退刀向量設置對話框圖4-14-生成刀具路徑

5)實體切削驗證

(1)選擇加工操作管理器中的命令,設置工件參數(shù):X300、Y240、Z10,單擊確定按鈕。

(2)單擊頂部工具欄中的等角視圖按鈕,單擊操作管理器中的實體加工模擬按鈕,系統(tǒng)彈出實體加工模擬對話框,單擊執(zhí)行按鈕,模擬加工結(jié)果如圖4-15所示。單擊確定按鈕,結(jié)束模擬操作。圖4-15

6)后置處理

(1)選擇后處理器。在操作管理器中單擊打開后處理對話框,選擇輸出NC文件,即可生成NC數(shù)控加工程序,如圖4-16所示。圖4-16后置生成數(shù)控加工程序

7)編輯(修改)代碼

需要修改的地方有:將“%”修改為%123;將“O0000”段去掉;將含有“G28”的段去掉;括號里面的內(nèi)容是注釋,可以刪掉,也可以保留。特別要注意檢查程序中是否已經(jīng)含G54,如果沒有,一定要加上。

8)傳入機床加工

將修改后的代碼傳入數(shù)控機床,進行模擬加工后,確認沒有錯誤,進行正式加工。

知識拓展1.數(shù)控程序檢驗與仿真的基本涵義隨著科學技術(shù)及生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,產(chǎn)生了許多新的制造技術(shù)和制造系統(tǒng),如柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)在生產(chǎn)工程中的應用,不僅可以降低生產(chǎn)成本,而且可以提高生產(chǎn)率。但是,從設計到系統(tǒng)的正式建立,需要大量的人力和物力,并且在設計時不能把設計系統(tǒng)的各部分與實際情況很好地結(jié)合起來,因此具有較大的風險。

在這種情況下,虛擬制造技術(shù)(VirtualManufacturingTechnology)應用而生。它可以對從設計到制造的整個過程進行統(tǒng)一建模,在產(chǎn)品的設計階段,實時并行模擬出產(chǎn)品制造的全過程及其對產(chǎn)品設計的影響?？梢钥闯?計算機支持的模擬仿真技術(shù)是虛擬制造技術(shù)的前提,也是設計先進制造系統(tǒng)的一種手段。模擬仿真技術(shù)是一種建立真實系統(tǒng)的計算機模型技術(shù),通過模型可以分析系統(tǒng)的行為而不需要建立它的實際系統(tǒng)。利用模擬仿真技術(shù),在產(chǎn)品設計時就可以實時地、并行地模擬產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程,用以預測產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品的制造技術(shù)和產(chǎn)品的可制造性。

數(shù)控程序的編制過程和工藝過程與以上的設計相似,都具有經(jīng)驗性和動態(tài)性,在程序編制過程中出錯是經(jīng)常發(fā)生的。為此,必須認真檢查和校核數(shù)控加工程序,通常還要進行首件試切加工。這種試切過程往往要冒一定的風險,稍有不慎,就會發(fā)生事故,或者損壞刀具,甚至撞壞機床。

采用動態(tài)模擬有許多優(yōu)點,它不僅考慮系統(tǒng)中的確定性事件,而且也可考慮系統(tǒng)中的隨機事件。此外,動態(tài)仿真可以作為支持系統(tǒng)管理的一種有效工具,它將產(chǎn)品的設計、工藝和制造等各部分的信息集成于產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型中,以滿足并行工程的要求。采用動態(tài)模擬方法檢驗數(shù)控程序能減少程序調(diào)試時間,縮短數(shù)控程序從編制到投入使用的周期;能代替實際的試切過程,避免機床和刀具的損壞;減輕調(diào)試人員的勞動強度,保證零件的加工質(zhì)量、減少制造費用。

2.數(shù)控程序檢驗與仿真的基本方法

1)刀位軌跡仿真法

刀位軌跡仿真法是最早采用的圖形仿真檢驗方法,一般在后置處理之前進行。通過讀取刀位數(shù)據(jù)文件,可檢查刀具位置計算是否正確,加工過程中是否發(fā)生過切,所選刀具、走刀路線、進退刀方式是否合理,刀位軌跡是否正確,刀具與約束面是否發(fā)生干涉與碰撞。這種仿真一般可以采用動畫顯示的方法,效果逼真。由于該法是在后置處理之前進行刀位軌跡仿真的,因此可以脫離具體的數(shù)控系統(tǒng)環(huán)境進行。刀位軌跡仿真法是目前比較成熟有效的仿真方法,應用比較普遍。前述PowerMILL軟件中的刀位軌跡仿真就是這種方法。

2)虛擬加工法

虛擬加工法是應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)加工過程的仿真技術(shù)。虛擬加工法主要解決加工過程中、實際加工環(huán)境、工藝系統(tǒng)間的干涉碰撞問題和運動關(guān)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。由于加工過程是一個動態(tài)的過程,刀具與工件、夾具、機床之間的相對位置是變化的,工件從毛坯開始經(jīng)過若干道工序的加工,在形狀和尺寸上均在不斷變化,因此虛擬加工法是在各組成環(huán)節(jié)確定的工藝系統(tǒng)上進行動態(tài)仿真。

虛擬加工法與刀位軌跡仿真方法不同。最新的技術(shù)表明,虛擬加工法已經(jīng)能夠利用多媒體技術(shù)實現(xiàn)虛擬加工,不僅只解決刀具與工件之間的相對運動仿真,而且更重視對整個工藝系統(tǒng)的仿真。虛擬仿真法軟件一般直接讀取數(shù)控程序,模仿數(shù)控系統(tǒng)逐段翻譯,并模擬執(zhí)行,利用OpenGL等三維真實感圖形顯示技術(shù)模擬整個工藝系統(tǒng)的狀態(tài),并且還可以在一定程度上模擬加工過程中的聲音等。

據(jù)有關(guān)資料介紹,一些專家學者正在研究開發(fā)考慮工藝系統(tǒng)剛度情況下的虛擬加工法,這種想法一旦成功,數(shù)控加工仿真技術(shù)將發(fā)生質(zhì)的飛躍。

先導案例解決方案

1.確定毛坯和對刀點

(1)在刀具路徑管理器對話框中選擇

選項下的(工件設置),打開工件設置對話框。

(2)選擇工件形狀為立方體,單擊按鈕,彈出對話框(見圖4-17),單擊確定按鈕,工件設置如圖4-18所示。圖4-17邊界盒選項圖4-18工件設置選項卡

2.規(guī)劃刀具路徑

1)平行銑削粗加工

(1)選擇→→命令。

(2)彈出對話框,如圖4-19所示,選擇。

(3)在圖形區(qū)中出現(xiàn)提示,提示選擇圖形,選擇所有曲面后回車,彈出對話框,單擊確定按鈕。圖4-19圖形選擇

(4)彈出對話框,選擇?10mm的平底銑刀,刀具參數(shù)設置如圖4-20所示。圖4-20刀具參數(shù)選項卡

(5)曲面參數(shù)設置如圖4-21所示。圖4-21曲面參數(shù)選項卡

(6)粗加工平行銑削參數(shù)設置如圖4-22所示。圖4-22粗加工平行銑削參數(shù)選項卡

(7)單擊,參數(shù)設置如圖4-23所示。圖4-23切削深度參數(shù)選項卡

(8)單擊對話框中的確定按鈕,系統(tǒng)返回繪圖區(qū)并根據(jù)所設置的參數(shù)生成加工刀具路徑,如圖4-24所示。圖4-24-刀具路徑

(9)在操作管理器中單擊進行仿真加工,效果如圖4-25所示。圖4-25仿真加工結(jié)果圖4-26刀具參數(shù)選項卡

(5)曲面參數(shù)設置如圖4-27所示。圖4-27曲面參數(shù)選項卡

(6)精加工平行銑削參數(shù)設置如圖4-28所示。圖4-28精加工平行銑削參數(shù)選項卡

(7)單擊,在彈出的對話框中,選取過濾的比率為2∶1,整體的誤差為0.02,則過濾誤差和切削方向誤差被自動修改。過濾誤差用以除去在設定的誤差內(nèi)刀具相鄰路徑接近同一條線的點,并插入圓弧,以縮小加工程序長度。過濾誤差值應至少設置為切削方向誤差值的兩倍,它們的比率可以由選取過濾比率值來確定。選中產(chǎn)生XY平面的圓弧,設置如圖4-29所示。圖4-29整體誤差設置

(8)單擊對話框中的確定按鈕,系統(tǒng)返