《计算机辅助设计与制造》课件第11章

第11章计算机辅助数控加工11.1计算机辅助数控编程11.2加工过程仿真11.3数控加工中的群控(DNC)技术

11.1计算机辅助数控编程

1.数控语言自动编程

数控语言自动编程包括20世纪50年代美国麻省理工学院设计的APT(AutomaticallyProgrammedTool)语言，60年代的APTⅡ、APTⅢ，70年代的APT-Ⅳ、APT-AC

(AdvancedContouring)和APT-Ⅳ/SS(SculpturedSurface)，以及后来发展的APT衍生语言(如美国的ADAPT，德国的EXAPT，日本的HAPT、FAPT，英国的IFAPT，意大利的MODAPT和我国的SCK-1、SCK-2、SCK-3、HZAPT等)。

2.图形交互自动编程

20世纪70年代微处理机问世以后，图形交互自动编程进入实用阶段，这种编程技术将编程语言中的大量信息变成了显示屏幕上的直观图形，成为人机对话式的程序编制工作。

3. CAD/CAM集成数控编程

20世纪80年代以后，各种不同的CAD/CAM集成数控编程系统如雨后春笋般发展起来，如Euclid、MasterCAM、SurfCAM、Pro/E、Cimatron等，90年代中期以后更是向着集成化、智能化、网络化、并行化和虚拟化方向发展。11.1.1数控加工的特点

数控机床是数字控制机床的简称。数控机床的运动参数和各种动作是由机床配置的数控系统以数字量的形式进行控制的。这些动作和运动参数是由零件的加工程序详细规定好的。11.1.2数控语言自动编程

1.数控语言自动编程的一般原理

数控语言自动编程的过程如图11-1所示。它可以分为源程序编制和目标程序编制两个阶段。图11-1数控语言自动编程的过程

1)源程序编制阶段

零件加工源程序是由编程人员根据所要加工的零件图样及其工艺过程，用专门的数控语言(如APT、FAPT、EXAPT及FAPT等)人工编写的，用以描述零件的几何形状、尺寸大小、工艺路线、工艺参数及刀具相对零件的运动轨迹等内容。

2)目标程序编制阶段

零件源程序并不能被数控系统所识别，因此不能直接控制机床，只是加工程序预处理的计算机输入程序。

2.数控语言编程系统的信息处理过程

1)前置处理

前置处理的工作有以下两部分：

(1)输入翻译阶段，即语言处理阶段，它是为计算刀具运动轨迹阶段准备的。

(2)轨迹计算阶段，其作用是处理连续运动语句，产生刀具运动的一系列有序的坐标数据。

2)后置处理

后置处理用于产生所用具体数控机床的数控程序。按照轨迹计算阶段得到的刀位数据，通过后置处理完成增量计算、脉冲当量转换等即可生成符合具体数控机床要求的零件加工程序，从而将计算阶段目标程序给出的数据、工艺参数及其他有关信息转变成具体数控机床所要求的指令和程序格式，形成零件的数控加工程序。后置处理程序与具体的数控机床和数控系统有关，数控系统不同，代码也不同。11.1.3图形交互自动编程

1.图形交互自动编程的原理和组成

近年来，计算机技术发展十分迅速，计算机的图形处理能力有了很大的增强。因而，一种可以直接将零件的几何图形信息自动转化为数控加工程序的全新的计算机辅助编程技术——“图形交互自动编程”便应运而生，并在20世纪70年代以后得到迅速的发展和推广应用。

1)图形交互自动编程的原理

“图形交互自动编程”是一种计算机辅助编程技术。

2)图形交互自动编程系统的组成

图形交互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部分组成，如图11-2所示。图11-2图形交互自动编程系统的组成

2.图形交互自动编程的基本步骤

现对这几个部分分述如下：

(1)零件图样及加工工艺分析是数控编程的基础，目前该项工作仍主要靠人工进行，用于分析零件的加工部位，确定有关工件的装夹位置、工件坐标系、刀具尺寸、加工路线及加工工艺参数等。

(2)几何造型利用图形交互自动编程软件的图形构建、编辑修改、曲线曲面造型等有关指令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。

(3)刀位轨迹计算及生成是面向屏幕上的图形交互进行的。

(4)后置处理的目的是形成数控加工文件。

(5)程序输出用于输出编程后的刀位轨迹文件和数控指令文件。图11-3为一图形交互式自动编程流程图。该例中，零件几何信息是从设计阶段图形数据文件中读取的，对此文件进行一定的转换即可产生所要加工零件的图形，并在屏幕上显示。工艺信息由编程员以交互式通过用户界面输入。图11-3图形交互式自动编程流程

3.图形交互自动编程的特点

图形交互自动编程是一种全新的编程方法，与APT语言编程比较，主要有以下几个特点：

(1)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编程语言进行编程的不足。

(2)不需要编制零件加工源程序，用户界面友好，使用简便、直观，准确性高，便于检查。因为编程过程是在计算机上直接面向零件的几何图形以光标指示、菜单选择及交互对话的方式进行的，其编程的结果也以图形的方式显示在计算机上。

(3)编程方法简单易学，使用方便。整个编程过程是交互进行的，有多级功能“菜单”引导用户进行交互操作。

(4)有利于实现与其他功能的结合，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。11.1.4CAD/CAM集成数控编程

1.零件信息模型

由于CAD、CAPP、CAM系统是独立发展起来的，它们的数据模型彼此不相容。

2.工艺设计的自动化

工艺设计自动化的目的就是根据CAD的设计结果，用CAPP系统软件自动进行工艺规划。

3.数控加工程序的生成

数控加工程序的生成是以CAPP的工艺设计结果和CAD的零件信息为依据，自动生成具有标准格式的APT程序，即刀位文件。

4. CAD/CAM集成数控编程系统设计

图11-4为在并行工程环境下集成化数控编程系统的应用实例。从图中可以看出，在集成化数控编程系统中，数控编程系统直接读入CAD系统提供的零件图形信息和工艺要求及CAPP系统的工艺设计结果，进行加工程序的自动编制。同时，CAM系统与CAD、DFM、CAPP、CAFD及MPS系统的关系极为密切，各子系统之间不但要实现信息集成，更重要的是要实现功能上的集成。图11-4CE环境下数控自动编程系统

2)数控加工编程模块的功能

一个典型的CAD/CAM集成数控编程系统，其数控加工编程模块一般应具备以下功能。

(1)编程功能：包括①点位加工编程；②二位轮廓加工编程；③平面区域加工编程；④平面型腔加工编程；⑤曲面区域加工编程；⑥多曲面加工编程；⑦曲面交线加工编程；⑧若干曲面特征的自动编程；⑨约束面(线)控制加工编程。

(2)刀具轨迹计算方法：包括①参数线法；②截平面法；③投影法。

(3)刀具轨迹编辑功能：包括①刀具轨迹的快速图形显示；②刀具轨迹文本显示与修改；③刀具轨迹的删除；④刀具轨迹的拷贝；⑤刀具轨迹的粘贴；⑥刀具轨迹的插入；⑦刀具轨迹的恢复；⑧刀具轨迹的移动；⑨刀具轨迹的延伸；⑩刀具轨迹的修剪；刀具轨迹的转置；刀具轨迹的反向；刀具轨迹的几何变换；刀具轨迹上到位点的均化；刀具轨迹的编排；刀具轨迹的加载和存储。

(4)刀具轨迹验证功能：包括①刀具轨迹的快速图形显示；②截面法验证；③动态图形显示验证(高级功能)。

11.2加工过程仿真

11.2.1加工过程仿真概述

目前在计算机辅助设计、工艺规划和刀具轨迹生成技术等方面已取得很大进展，但由于零件形状的复杂多变以及加工环境的复杂性，要确保所生成的加工程序不存在任何问题仍然是十分困难的，其中最主要的问题如加工过程中的过切与欠切、机床各部件之间的干涉碰撞等。图11-5表示了在计算机集成制造(CIM)环境中图形仿真校验与CAD、CAPP、数控编程等过程的关系。图11-5集成编程系统

1.刀位轨迹仿真

刀位轨迹仿真是最早采用的图形仿真检验方法，是对刀位文件进行的模拟仿真，一般在前置处理之后进行。

2.加工过程动态仿真

加工过程动态仿真是对数控代码进行仿真，主要用来解决加工过程及实际加工环境中工艺系统间的干涉、碰撞问题和运动关系。工艺系统是一个复杂的系统，由刀具、机床、工件和夹具组成，在加工中心上加工，还有转刀和转位等运动。由于实体可以用来表达加工半成品，从而可以建立起有效真实的加工模拟和NC程序的验证模型。图11-6表达了实体图形仿真的概貌。图11-6实体仿真模型示意图11.2.2加工过程动态仿真举例

图11-7是一加工过程仿真系统的总体结构图。该仿真系统运行于集成制造环境，包括三个部分：

(1)实体建模模块。

(2)加工过程仿真器模块。

(3)仿真报告输出及三维动画显示模块。图11-7加工过程仿真总体结构

11.3数控加工中的群控(DNC)技术

11.3.1DNC概述

无论何种方式编写的数控程序都要经过数控设备的数控装置加以变换、运算，形成控制数控机床运动的信息，并以脉冲的形式发送给数控机床的伺服驱动装置，以控制数控机床的各个运动部件按给定要求动作，如各坐标运动位置及运动速度，主轴的启动、停止及变速，冷却液通断，刀具更换，工件夹紧，排屑等。图11-8直接式DNC和分布式DNC

90年代中期，由于Internet/Intranet与Web技术在制造业快速普及