CAM

第2章机械CAD/CAM应用技术2.1CAD/CAM造型技术2.2基于特征的实体造型2.3数控加工工艺基础2.4数控加工自动编程技术2.5数控加工过程检验与仿真2.1.1几何造型几何造型通过对点、线、面、体等几何元素，经过平移、旋转等几何变换和交、并、差等布尔运算，产生实体模型。2.1CAD/CAM造型技术图2.1.1三种几何造型几何信息是指物体在空间的位置和大小，包括点的坐标、曲线和曲面的数学方程等。如图2.1.2所示，图中的五个顶点可以用两种不同方式连接，表达两种不同的理解。图2.1.2只用几何信息表示物体出现的二义性拓扑信息是指几何体顶点、边、面的数目、类型以及相互间的连通关系。两个形状和大小不一样的实体的拓扑信息却可能是等价的，典型的例子是立方体和圆柱体的拓扑信息是等价的，如图2.1.3所示。图2.1.3两个不同几何实体的等价拓扑信息1．线框造型线框造型分为二维线框造型和三维线框造型。二维线框造型以二维平面的基本图形元素(如点、直线、圆弧等)为基础表达二维图形。三维线框模型用三维的基本图形元素来描述和表达物体，同时仅限于点、线和曲线的组成。图2.1.4为立方体的线框模型。图2.1.4立方体的线框模型线框造型所构造的实体模型只有离散的边，而没有边与边的关系，由于信息表达不完整，会对物体形状的判断产生多义性。图2.1.5表示同一线框模型可能产生的几种不同理解。线框造型描述的实体也无法进行消隐、干涉检查和物性计算。图2.1.5线框模型的多义性2．曲面造型曲面造型过程是将很多基本元素(平面或二次曲面)连接成若干个组成面，再将这些面拼接成三维模型的外表面，见图2.1.6。图2.1.7为立方体的曲面模型。图2.1.6曲面造型过程图2.1.7立方体的曲面模型常用的曲面描述的方法有如下几种(见图2.1.8)：(1)平面(Plane)：(2)直纹面(RuledSurface)：(3)回转面(SurfaceofRevolution)：(4)柱状面(TabulatedCylinder)：(5) Bezier曲面(BezierSurface)：(6) B样条曲面(BSplineSurface)：(7)孔斯曲面(CoonsSurface)：(8)圆角面(FilletSurface)：(9)等距离面(OffsetSurface)：图2.1.8常用的几种曲面描述方法3．实体造型实体造型是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及扫描体等通过布尔运算生成复杂形体的一种造型技术。实体造型主要包括两部分内容，即体素的定义与描述以及体素之间的布尔运算(交、并、差)。体素是一些简单的几何形体，它们可以通过少量参数进行描述，例如长方体可以通过长、宽、高定义形状。1)体素体素是现实生活中真实的三维实体。根据体素的定义方式，可分为两大类：一类是基本体素，有长方体、圆柱体、楔、圆环、圆锥、三棱锥等，如图2.1.9所示；另一类是扫描体素，它又可分为平面轮廓扫描体素和三维实体扫描体素两种。图2.1.9常用基本体素2)布尔运算布尔运算是几何造型技术的基础，它是来自布尔代数的一种集合运算。布尔运算包括交(Intersection)、并(Union)、差(Difference)三种运算方式。图2.1.10是以两个三维体素A和B为例显示布尔运算的定义的。(1)交集：(2)并集：(3)差集：图2.1.10布尔运算实例1对两个体素进行布尔运算的另一个实例如图2.1.11所示。图中有两个体素，其中体素A为一个球体，体素B为一个圆柱体；Ca为体素A与体素B的交集；Cb为体素A与体素B的并集；Cc为体素A与体素B的差集(Cc=A－B)；Cd为体素B与体素A的差集(Cd=B－A)。图2.1.11布尔运算实例23)实体造型法实体造型按照物体生成的方法不同可分为体素法和扫描法。图2.1.12所示是采用体素法，从定义基本体素到生成实体模型的全过程，通过定义4个基本体素(A、B、C、D)，经过三次交、并、差的布尔运算(E=A∩B，F=E∪C，G=F－D)，完成三维实体的造型。图2.1.12体素法实例扫描法又分为平面轮廓扫描和三维整体扫描两种方法。平面轮廓扫描法是一种与二维系统密切结合的、常用于棱柱体或回转体生成的一种方法。如图2.1.13所示，封闭的平面轮廓A沿坐标轴Z移动扫描生成工字梁，封闭的平面轮廓A绕坐标轴X旋转扫描生成轮毂。图2.1.13平面轮廓扫描法三维整体扫描法首先定义一个三维实体作为扫描体素，此三维实体扫描体素在空间运动生成另一个三维实体。扫描运动可以是沿某一方向移动，也可以是绕某一轴线转动，或绕某一点摆动。如图2.1.14所示，三维实体扫描体素A沿不同路径移动、转动、摆动后生成3个不同的三维实体。图2.1.14三维整体扫描法2.1.2参数化造型参数化造型是先建立图形与尺寸参数之间的约束关系，然后使用约束来定义和修改几何模型。这些尺寸约束及拓扑约束反映了 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 时要考虑的因素。参数化造型尺寸约束如图2.1.15所示。初始状态见图2.1.15(a)。当改变夹角α1时，如果仍保持该几何图形的封闭性，那么其所有角度和每条边的位置都将发生变化，变为图2.1.15(b)所示的状态。随着夹角的不断变化，该几何图形也不断变化，如图2.1.15(c)所示。参数化造型尺寸约束和拓扑(几何位置)约束如图2.1.16所示，初始状态见图2.1.16(a)，当改变l4时，为满足上述尺寸和拓扑要求，变为图2.1.16(b)所示的状态。依次类推，随着l4的不断变化，该几何图形也不断变化，好像被l4所驱动而发生了变化，如图2.1.16(c)所示。图2.1.15参数化造型尺寸约束示意图(a)初始状态；(b)改变夹角α1；(c)夹角α1不断变化图2.1.16参数化造型尺寸约束和拓扑约束示意图(a)初始状态；(b)改变l4；(c) l4不断变化2.1.3变量化造型变量化造型技术是在参数化造型技术的基础上做了进一步修改后提出的设计思想，变量化造型既保留了参数化造型基于特征、尺寸驱动几何形状修改和全数据相关的优点，又在约束定义方面作了根本性的改变。变量化造型将几何约束中的尺寸约束和拓扑约束分开处理，不苛求全约束，并增加了工程约束。2.1.4特征造型1．特征造型的概念特征造型是一种建立在实体造型的基础上，利用特征的概念面向整个产品设计和生产制造过程进行设计的造型方法。特征造型通常由形状特征模型、精度特征模型、材料特征模型组成，而形状特征模型是特征造型的核心和基础。2．特征造型的功能与特点特征造型的功能包括：预定义特征，建立特征库；特征库的智能化应用，实现基于特征的零件设计；为特征附加注释，并为用户例举参考特征；支持用户定义特征以及管理、操作特征库；特征消隐、移动；零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。3．轴类和箱体类零件的特征造型图2.1.17轴类零件的形状特征图2.1.18典型轴类零件图2.1.19箱体类零件的形状特征图2.1.20典型箱体类零件2.2基于特征的实体造型2.2.1基于特征的实体造型方法基于特征的实体造型过程可以形象地比喻为一个由粗到精的泥塑过程，即在一个初始泥坯(基本特征)的基础上，通过不断增加胶泥材料(增加附加特征)或去除胶泥(减去附加特征)，逐步获得一个精美的雕塑(三维实体模型)。基于特征的实体造型大致遵循下列步骤：(1)造型 方案 气瓶 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规划：(2)创建基本特征：(3)创建其它附加特征：(4)编辑修改特征：(5)生成工程图：1．特征分析(1)特征分解：(2)特征的构造顺序：(3)特征的构造方法：2．特征种类不同的CAD/CAM系统提供不同的特征种类，有代表性的如下：(1)草图特征：(2)放置特征：(3)辅助特征：(4)高级特征：2.2.2草图特征在建立零件的三维模型时，首先要分析或考虑零件的整体结构，确定出若干个简单的形状；然后寻找最简单的形状作为零件的基本特征，其余则作为零件的附加特征；最后确定增加附加特征的顺序。1．拉伸特征生成拉伸特征(见图2.2.1)需具备两个基本要素，即封闭的二维轮廓和拉伸厚度，还可以在拉伸的过程中加入一个拉伸角度，以形成一个带锥度的拉伸特征。拉伸的方式多种多样，例如，单向拉伸、双向拉伸、从一个面拉伸到另一个面等。拉伸特征是一种最常用的草图特征。图2.2.1拉伸特征2．旋转特征生成旋转特征(见图2.2.2)必须具备两个基本要素，即封闭的二维轮廓和旋转轴。最常见的旋转方式是360°旋转，但是也可以采取其它旋转方式：小于360°旋转、旋转到某一个指定的平面或曲面、沿双向对称旋转、从一个面旋转到另一个面。旋转特征也是一种最常见的草图特征。图2.2.2旋转特征3．扫描特征根据截面轮廓线(线框)和扫描轨迹线可以生成复杂的扫描特征。截面轮廓线的形状各异。扫描方式有垂直扫描和平行扫描。所谓垂直扫描，是指截面与扫描轨迹线始终垂直；所谓平行扫描，是指截面在扫描过程中始终互相平行。扫描轨迹线可以是复杂的二维曲线或三维螺旋线。这种方法可以生成形状复杂的实体模型，如图2.2.3所示。1—左截面；2—右截面；3—扫描轨迹图2.2.3扫描特征草图特征是参数化特征，改变二维轮廓形状和尺寸，就可以改变特征的形状。2.2.3放置特征放置特征是参数化特征，改变特征的位置尺寸和形状参数，就可以改变特征形状。1.孔特征孔的截面是圆，因此只需给出孔的相关尺寸(如孔的直径和深度)并指定孔所在的位置即可构造孔特征。孔特征有多种类型，如通孔、直孔、阶梯孔等。2．倒圆和倒角特征倒圆和倒角是边过渡特征。倒圆和倒角是将相邻的表面、复杂凸面形状或顶角进行连接。当需要在零件的两个表面之间增加倒圆和倒角时，无须绘制特征的截面轮廓，只需要指定倒圆和倒角的边和几何数据。3．阵列特征阵列是将已有的同类型特征按照一定的规律在空间的不同位置上排布而成的形状，即阵列是一系列相同特征的空间有序排列。阵列分圆形阵列和矩形阵列两种。圆形阵列(见图2.2.4)是将已有的同类型特征周向排列在一个指定的圆周上。图2.2.4圆形阵列图2.2.5矩形阵列2.2.4辅助特征为了造型方便，CAD/CAM系统还设计了一类辅助特征：基准点、基准轴、基准面、基准坐标系和基准曲线(有的系统称为参考点、参考轴和参考面等，有的系统称为工作面、工作轴和工作点等)。这些特征不具备体积，不能直接构成零件的几何结构，它们仅仅是为了构造其它特征方便而专门设计的。实体的几何图形对于定义尺寸关系或拓扑关系通常不充分。可以用辅助特征补充零件的几何图形，使得既容易做各种特征造型又保持相关性。辅助特征中包含了一系列几何约束或尺寸约束，所以这类特征也是参数化的。如果对基准面的有关数据作了修改，则基准面也会随着变化。2.2.5高级特征1．曲面切割特征曲面是面模型，不是实体模型，但是可以利用事先生成的曲面去切割一个实体，得到曲面切割特征，以便实现复杂形状零件的造型。2．加料特征加料特征是给曲面模型加上一层均匀的壁厚或完全填充成实心件，使其成为实体模型。也可使用加料特征增加零件任何所选面的厚度。3．除料特征(或抽壳特征)除料特征(或抽壳特征)用于创建薄壁类零件。除料即在已创建的实心零件基础上，自动挖去中心部位的材料，并保证规定的壁厚。使用除料特征可以创建单个、薄壁的三维实体零件并从零件上偏移指定面。4．零件的布尔运算特征可以在两个独立的零件之间用布尔运算生成一个新的零件，即把一个零件通过布尔运算加到另一个零件上，这个加上去的零件便成为被加入零件的一个组成部分，而不再是单独的一个零件了。这样生成的特征称为布尔运算特征。2.2.6特征树与历程树在特征造型过程中，把特征一一先后加到模型上，后续特征依附于前面的特征，前面特征的变化将影响后续特征的变化。为了正确记录特征造型的历程，采用了“特征树”的概念，特征造型的过程如同一棵树的生长过程，从树根开始(基础特征)，逐步长出树的枝杈(附加特征)。历程树2.2.7数据联动1．零件的二维数据与三维数据之间的数据联动由系统自动生成的零件的二维模型与零件的三维模型是智能的双向尺寸联动：当修改三维模型时，对应的二维模型会自动更新；反之，修改二维模型时，三维模型也会自动更新。这无疑为设计带来了极大的方便，同时为模型的管理提供了良好的基础。2．零件模型与装配模型之间的数据联动当修改零件模型时，采用了该零件的装配模型也会自动调整，并获得新的装配；反之，也可以直接在装配模型中修改零件模型。这样，在修改零件时就不必担心是否要重新进行装配；同样，在修改装配体中的零件时也不必再单独修改零件模型。3．内部数据和外部文件之间的数据联动有些零件模型被用在许多个不同的设计中，例如 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件或通用件，当在某文件中修改了零件模型时，允许其它采用了该零件的设计作自动的数据联动修改。这种文件之间的数据联动可以大大减少设计工作量。2.3数控加工工艺基础2.3.1数控机床的选择不同类型的零件应在不同的数控机床上加工。数控车床加工数控铣床、数控立式镗铣床和立式加工中心卧式镗铣床和卧式加工中心多坐标联动的卧式加工中心1．刀具集中分序法刀具集中分序法是按所用刀具划分工序，用同一把刀加工完零件上所有可以完成的部位，再用第二、第三把刀完成它们可以完成的其它部位。这样可以减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差。2.3.2加工工序的划分2．粗、精加工分序法对单个零件要先进行粗加工和半精加工，然后进行精加工。对于一批零件，先全部进行粗加工和半精加工，最后再进行精加工。粗、精加工之间，最好隔一段时间，以使粗加工后零件的变形得到充分恢复，再进行精加工，以提高零件的加工精度。3．按加工部位分序法一般先加工平面和定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，再加工精度较高的部位。2.3.3工件的装夹方式零件的定位、夹紧方式要注意以下4个方面：(1)应尽量采用组合夹具，但当工件批量较大、精度要求较高时，可以设计专用夹具。(2)零件定位、夹紧的部位应不妨碍各部位的加工、刀具的更换以及重要部位的测量，尤其应避免刀具与工件、刀具与夹具相撞的现象。(3)夹紧力应力求靠近主要支承点或在支承点所组成的三角形内；应力求靠近切削部位，并在刚性较好的地方；尽量不要在被加工孔径的上方，以减少零件变形。(4)零件的装夹、定位要考虑重复安装的一致性，以减少对刀时间，提高同一批零件加工的一致性；一般同一批零件采用同一定位基准和同一装夹方式。2.3.4对刀点与换刀点的确定对刀点是数控加工中刀具相对于工件运动的起点，是刀具在工件坐标系中的位置。确定对刀点的原则是：对刀时应使对刀点与刀位点重合。刀位点对于立铣刀、端铣刀为刀头底面的中心，对于球头铣刀为球头中心，对于车刀、镗刀为刀尖，对于钻头为钻尖。换刀点应根据工序内容确定。为了防止换刀时刀具碰伤工件，换刀点应设在零件或夹具的外部。2.3.5选择走刀路线走刀路线是数控加工过程中刀具相对于被加工工件的运动轨迹和方向。每道工序加工路线的确定是非常重要的，因为它与零件的加工精度和表面质量密切相关。确定走刀路线的一般原则是：保证零件的加工精度和表面粗糙度；缩短走刀路线，减少进退刀时间和其它辅助时间。在选择走刀路线时，下述情况应充分注意：(1)铣切外圆与内圆。(2)铣削轮廓。(3)内槽加工。2.3.6刀具选择数控机床用刀具应具有较高的耐用度和刚度，刀具材料抗脆性好，有良好的断屑性能和可调、易更换等特点。在数控机床上进行铣削加工，选择刀具时要注意以下两点：(1)平面铣削应选用不重磨硬质合金端铣刀或立铣刀。(2)立铣刀和镶硬质合金刀片的端铣刀主要用于加工凸台、凹槽和箱口面。铣削平面零件的周边轮廓，一般采用立铣刀。刀具的结构参数：刀具半径R应小于零件内轮廓的最小曲率半径ρ，一般取R=(0.8～0.9)ρ；零件的加工高度H≤(1/4～1/6)R，以保证刀具有足够的刚度。2.3.7切削用量的确定数控编程人员必须确定每道工序的切削用量，包括主轴转速、进给速度、切削深度和切削宽度等。在确定切削用量时要根据机床 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 的规定和要求，以及刀具的耐用度去选择和计算，也可以结合实践经验，采用类比法确定。主轴转速n要根据允许的切削速度v来选择：式中：n——主轴转速(r/min)；D——刀具直径(mm)；v——切削速度(m/min)，受刀具耐用度的限制。进给速度(mm/min)或进给量(mm/r)是切削用量的主要参数，一定要根据零件加工精度和表面粗糙度的要求，以及刀具和工件材料选取。此外，在轮廓加工中当零件有突然的拐角时，刀具容易产生“超程”，应在接近拐角前适当降低进给速度，过拐角后再逐渐增速。2.3.8确定坐标系1．机床坐标系数控机床通过各个移动件的运动产生刀具与工件之间的相对运动来实现切削加工。为表示各移动件的移动方位和方向(机床坐标轴)，在ISO标准中统一规定采用右手直角笛卡儿坐标系对机床的坐标系进行命名，在这个坐标系下定义刀具位置及其运动的轨迹。图2.3.1机床坐标的命名方法通常在坐标轴命名或编程时，不论在加工中是刀具移动，还是被加工工件移动，都一律假定工件相对静止不动而刀具在移动，并同时规定刀具远离工件的方向作为坐标轴的正方向。在坐标轴命名时，如果把刀具看做相对静止不动，工件移动，那么，在坐标轴的符号上应加注标记(＇)，如X＇、Y＇、Z＇等。确定机床坐标轴，一般是先确定Z轴，再确定X轴和Y轴。(1)确定Z轴。对于有主轴的机床，如车床、铣床等，将机床主轴轴线方向作为Z轴方向。对于没有主轴的机床，如刨床，则将与装卡工件的工作台相垂直的直线作为Z轴方向。如果机床有几个主轴，则选择其中一个与机床工作台面相垂直的主轴作为主要主轴，并以它来确定Z轴方向。(2)确定X轴。X轴一般位于与工件安装面相平行的水平面内。对于机床主轴带动工件旋转的机床，如车床、磨床等，则在水平面内选定垂直于工件旋转轴线的方向为X轴，且刀具远离主轴轴线方向为X轴的正方向。对于机床主轴带动刀具旋转的机床，当主轴水平时，如卧式铣床、卧式镗床等，则规定人面对主轴，选定主轴左侧方向为X轴正方向；当主轴竖直时，如立式铣床、立式钻床等，则规定人面对主轴，选定主轴右侧方向为X轴正方向(见图2.3.2)。对于无主轴的机床，如刨床，则选定切削方向为X轴正方向。图2.3.2数控机床坐标系(3)确定Y轴。Y轴方向可以根据已选定的Z、X轴方向，按右手直角坐标系来确定。(4)确定坐标运动。如果机床除有X、Y、Z方向上的主要直线运动之外，还有平行于它们的坐标运动，则应分别命名为U、V、W。如果还有第三组运动，则应分别命名为P、Q、R。如在第一组回转运动A、B、C的同时，还有第二组回转运动，则可命名为D或E等。(5)确定机床参考点。机床坐标系的原点也称机床原点或机床零点，这个原点在机床设计、制造、调整后便被确定下来，它是固定的点。为了正确地建立机床坐标系，通常还要设置一个机床参考点。机床参考点可以与机床零点重合，也可以不重合，而通过机床参数指定该参考点与机床零点的距离。机床工作时，先进行回参考点动作，就可在机床的控制系统中建立机床坐标系。2．工件坐标系在选择工件零点的位置时应注意下列5点：(1)工件零点应选在零件图的尺寸基础上，这样便于坐标值的计算，并减少错误；(2)工件零点应尽量选在精度较高的工件表面上，以提高被加工零件的加工精度；(3)对于对称的零件，工件零点应设在对称中心上；(4)对于一般零件，工件零点应设在零件外轮廓的某一角上；(5) Z轴方向上的工件零点，一般设在零件表面上。2.3.9数控铣削加工工艺决策1．加工阶段的划分1)粗加工阶段粗加工一般称为区域清除。在此加工阶段中，应该在公差允许范围内尽可能多地切除材料。比较典型的区域清除方式是等高切面，即在毛坯上沿着高度方向等距离划分出数个切削层，每次切削一个层面的毛坯余量，如图2.3.3所示。图2.3.3等高切面图2.3.4行切方式2)精加工阶段精加工阶段的主要任务是满足加工精度和表面粗糙度要求，而加工余量是非常小的。如果是曲面铣削，一般选取球头铣刀。除了刀具角度外，球头铣刀的主要刀具参数就是球头直径参数。精加工阶段可以采用行切方式(见图2.3.4)，也可以采用环切方式(见图2.3.5)。图2.3.5环切方式2．铣削加工类型(1)点位加工。在点位加工中，刀具从一点到另一点运动时不切削。(2)平面轮廓加工。平面轮廓加工一般采用环切方式，即刀具沿着某一固定的转向围绕着工件轮廓作环形运动，最终一环刀具的运动轨迹是工件轮廓的等距曲线，即将加工轮廓线按实际情况左偏或右偏一个刀具半径。(3)型腔加工。二维型腔是指以平面封闭轮廓为边界的平底直壁凹坑。(4)曲面加工。曲面加工比较复杂，根据加工精度、表面粗糙度要求，曲面加工需要经历粗加工、半精加工、精加工等加工阶段，每个阶段的切削方式是不同的。根据曲面形状的差异，切削方式也是不一样的。粗加工阶段采取分层行切(也可以是环切)加工方式，刀具一般采用圆柱立铣刀。在半精加工或精加工阶段，需要采用球形铣刀进行加工，切削方式可以是行切或环切方式。3．数控铣削工艺特点(1)工序集中法加工。(2)分层切削。(3)多点工件夹持。(4)加工路线优化。(5)切削用量合适。2.4数控加工自动编程技术2.4.1数控加工编程的类型数控编程过程如图2.4.1所示。图2.4.1数控编程过程1．手工编程手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图纸分析、工艺决策、确定加工路线和工艺参数、计算刀位轨迹坐标数据、编写零件的数控加工程序单直至程序的检验，均由人工来完成。2．自动编程自动编程是采用计算机辅助数控编程技术实现的，现代数控编程软件主要分为以批处理命令方式为主的各种类型的语言编程系统和交互式CAD/CAM编程系统。APT是一种自动编程工具(AutomaticallyProgrammedTool)的简称，是对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动等进行定义时所用的一种接近于英语的符号语言。在编程时，编程人员依据零件图样以APT语言的形式表达出加工的全部内容，再把用APT语言书写的零件加工程序输入计算机，经APT语言编程系统编译产生刀位文件，通过后置处理后，生成数控系统能接受的零件数控加工程序的过程，称为APT语言自动编程。交互式CAD/CAM系统自动编程是现代CAD/CAM系统中常用的方法，在编程时编程人员首先利用软件本身(CAD部分)的零件造型功能，构建出零件几何形状，然后对零件进行工艺分析，确定加工方案，其后还需利用软件的计算机辅助制造功能(CAM部分)，完成工艺方案的制定、切削用量的选择、刀具及其参数的设定，自动计算并生成刀位轨迹文件，利用后置处理功能生成指定数控系统用的加工程序。因此，这种自动编程方法被称为图形交互式自动编程。2.4.2数控自动编程的过程数控自动编程的一般过程如图2.4.2所示。图2.4.2数控自动编程的过程1．加工工艺决策(1)确定加工方案。(2)夹具的设计和选择。(3)选择合理的走刀路线。(4)选择合理的刀具。(5)确定合理的切削用量。2．刀位轨迹计算编写NC程序时，根据零件形状尺寸、加工工艺路线的要求和定义的走刀路径，在适当的工件坐标系上计算零件与刀具相对运动的轨迹的坐标值，以获得刀位数据，诸如几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、几何元素的交点或切点等坐标值，有时还需要根据这些数据计算刀具中心轨迹的坐标值，并按数控系统最小设定单位(如0.001 mm)将上述坐标值转换成相应的数字量，作为编程的参数。3．编制或生成加工程序清单根据制定的加工路线、刀具运动轨迹、切削用量、刀具号码、刀具补偿要求及辅助动作，按照机床数控系统使用的指令代码及程序格式要求，编写或生成零件加工程序清单。需要对以上内容进行初步的人工检查，并进行反复修改。4．程序输入近年来，许多数控机床都采用磁盘、计算机通信技术等各种与计算机通用的程序输入方式，实现加工程序的输入，因此，只需要在普通计算机上输入编辑好加工程序，就可以直接传送到数控机床的数控系统中。当程序较简单时，也可以通过键盘人工直接输入到数控系统中。5．数控加工程序正确性校验通常所编制的加工程序必须经过进一步的校验和试切削才能用于正式加工。当发现错误时，应分析错误的性质及其产生的原因，或修改程序单，或调整刀具补偿尺寸，直到符合图纸规定的精度要求为止。2.4.3图形交互式自动编程系统图形交互式自动编程系统一般由几何造型、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀位验证、后置处理(相对独立)、图形显示、数据库、运行控制及用户界面等功能部分组成，如图2.4.3所示。图2.4.3图形交互自动编程系统的组成2.4.4图形交互式自动编程的基本步骤1．零件造型零件造型就是利用CAD/CAM系统的三维造型功能把要加工的工件的三维几何模型构造出来，并将零件被加工部位的几何图形准确地绘制在计算机屏幕上。与此同时，在计算机内自动形成零件三维几何模型数据库。2．加工工艺决策选择合理的加工方案以及工艺参数是准确、高效加工工件的前提条件。加工工艺决策内容包括设定毛坯尺寸、边界、刀具尺寸、刀具基准点、进给率、快进路径以及切削加工方式。首先按模型形状及尺寸大小设置毛坯的尺寸形状，然后定义边界和加工区域，选择合适的刀具类型及其参数，并设置刀具基准点。CAD/CAM系统中有不同的切削加工方式供编程中选择，可为粗加工、半精加工、精加工各个阶段选择相应的切削加工方式。3．刀具轨迹计算及生成图形交互式自动编程系统刀位轨迹的生成是面向屏幕上的零件模型交互进行的。首先在刀位轨迹生成菜单中选择所需的菜单项；然后根据屏幕提示，用光标选择相应的图形目标，指定相应的坐标点，输入所需的各种参数；图形交互式自动编程系统将自动从图形文件中提取编程所需的信息，进行分析判断，计算出节点数据，并将其转换成刀位数据，存入指定的刀位文件中或直接进行后置处理生成数控加工程序，同时，在屏幕上显示出刀位轨迹图形。4．后置处理由于各种机床使用的控制系统不同，所用的数控指令文件的代码及格式也有所不同。为解决这个问 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，图形交互式自动编程系统通常设置一个后置处理文件。另外，由于某些CAD/CAM软件采用固定的模块化结构，其功能模块和数控系统是一一对应的，后置处理过程已固化在模块中，因此，在生成刀位轨迹的同时便自动进行后置处理，生成数控指令文件，而无须再进行单独后置处理。5．程序输出图形交互式自动编程系统在计算机内自动生成刀位轨迹图形文件和数控程序文件，可采用打印机打印数控加工程序单，也可在绘图机上绘制出刀位轨迹图，使机床操作者更加直观地了解加工的走刀过程。对于有标准通信接口的机床数控系统可以和计算机直接联机，由计算机将加工程序直接送给机床控制系统。图2.4.4为一图形交互式自动编程系统流程图。该实例中，零件几何信息是从CAD阶段图形数据文件中读取的，对此文件进行一定的转换便会产生所要加工零件的图形，并在屏幕上显示；工艺信息是由编程人员以交互方式通过用户界面输入的。图2.4.4图形交互式自动编程系统流程图2.4.5图形交互式自动编程的特点(1)图形交互式自动编程既不像手工编程那样需要用复杂的数学手工计算算出各节点的坐标数据，也不需要像APT语言编程那样用数控编程语言去编写描绘零件几何形状加工走刀过程及后置处理的源程序，而是在计算机上直接面向零件的几何图形以光标指点、菜单选择及交互对话的方式进行编程，其编程结果也以图形的方式显示在计算机上。因此，该方法具有简便、直观、便于检查修改的优点。(2)图形交互式自动编程将加工零件的几何造型、刀位计算、图形显示和后置处理等结合在一起，有效地解决了编程数据来源、几何显示、走刀模拟、交互修改等问题，弥补了单一利用数控语言进行编程的不足。(3)图形交互式自动编程过程中，图形数据的提取、节点数据的计算、程序的编制及输出都是由计算机自动进行的。因此，编程的速度快、效率高、准确性好。(4)图形交互式自动编程有利于实现与CAD/CAM其它功能的结合。既可以把产品设计与零件编程结合起来，也可以与工艺过程设计、刀具设计等过程结合起来。2.5数控加工过程检验与仿真2.5.1数控加工程序的检验随着NC编程的复杂化，NC代码的错误率也越来越高。因此，零件的数控加工程序在投入实际的加工之前，如何有效地检验和验证其正确性、确保投入实际应用的数控加工程序正确，是数控加工编程中的重要环节。目前数控程序检验方法主要有试切、刀具轨迹仿真、三维动态切削仿真和虚拟加工仿真等方法。2.5.2刀位轨迹仿真刀位轨迹仿真一般在后置处理之前进行。通过读取刀位数据文件检查刀具位置计算是否正确，加工过程中是否发生过切，所选刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，刀位轨迹是否正确，刀具与约束面是否发生干涉与碰撞。该方法主要有刀具轨迹显示验证、刀具轨迹截面法验证和刀具轨迹数值验证三种方式。1．刀具轨迹显示验证刀具轨迹显示验证的基本方法是：当待加工零件的刀具轨迹计算完成以后，将刀具轨迹在图形显示器上显示出来，从而判断刀具轨迹是否连续，检查刀位计算是否正确。图2.5.1是采用球形棒铣刀五坐标侧铣图加工透平压缩机叶轮叶片型面的显示验证图，从图中可看出刀具轨迹与叶片型面的相对位置是合理的。图2.5.1刀具轨迹显示验证2．刀具轨迹截面法验证截面法验证是先构造一个截面，然后求该截面与待验证的刀位点上的刀具外形表面、加工表面及其约束面的交线，构成一幅截面图显示在屏幕上，从而判断所选择的刀具是否合理，检查刀具与约束面是否发生干涉与碰撞，加工过程中是否存在过切。截面法验证主要应用于侧铣加工、型腔加工及通道加工的刀具轨迹验证。截面形式有横截面、纵截面及曲截面等三种方法。采用横截面方式时，构造一个与走刀路线上刀具的刀轴方向大致垂直的平面，然后用该平面去剖截待验证的刀位点上的刀具表面、加工表面及其约束面，从而得到一张所选刀位点上刀具与加工表面及其约束面的截面图。该截面图能反映出加工过程中刀杆与加工表面及其约束面的接触情况。图2.5.2是采用二坐标侧铣加工轮廓及二坐标端铣加工型腔时的横截面验证图。图2.5.2刀具轨迹横截面验证图2.5.3刀具轨迹纵截面验证3．刀具轨迹数值验证刀具轨迹数值验证也称为距离验证，是一种刀具轨迹的定量验证方法。它通过计算各刀位点上刀具表面与加工表面之间的距离进行判断，若此距离为正，表示刀具离开加工表面一个距离；若距离为负，表示刀具与加工表面过切。如图2.5.4所示，选取加工过程中某刀位点上的刀心，然后计算刀心到所加工表面的距离，则刀具表面到加工表面的距离为刀心到加工表面的距离减去球形刀刀具半径。设C表示加工刀具的刀心，d是刀心到加工表面的距离，R表示刀具半径，则刀具表面到加工表面的距离为δ=d-R。图2.5.4数值验证2.5.3三维动态切削仿真三维动态切削仿真主要用来解决加工过程中、实际加工环境内、工艺系统间的干涉碰撞问题和运动关系。三维动态切削仿真在后置处理以后，已有工艺系统实体模型和数控加工程序(根据具体加工零件编好的)的情况下才能进行。一个完整的三维动态切削仿真过程包括：(1) NC指令的翻译和检查。将NC代码翻译为刀具的运动数据，即仿真驱动文件，并对代码中的语法错误进行检查。(2)毛坯及零件图形的输入和显示。(3)机床、刀具、夹具的定义和图形显示。(4)刀具运动及毛坯被切削的动态图形显示。(5)刀具碰撞及干涉检查。(6)仿真结果报告，包括具体干涉位置和干涉量。图2.5.5三维动态切削仿真2.5.4虚拟加工仿真虚拟加工方法是应用虚拟现实技术实现加工过程的仿真技术。虚拟加工法主要解决加工过程和实际加工环境中，工艺系统间的干涉碰撞问题和运动关系。由于加工过程是一个动态的过程，刀具与工件、夹具、机床之间的相对位置是变化的，工件从毛坯开始经过若干道工序的加工，在形状和尺寸上均在不断变化，因此虚拟加工法是在各组成环节确定的工艺系统上进行动态仿真的。