《机床数控技术基础》课件-第4章

第4章自动编程技术4.1自动编程的概念和分类4.2自动编程的基本过程、特点和发展情况4.3APT语言自动编程系统4.4图形交互编程系统知识拓展本章小结

(1)自动编程的概念、分类、工作过程和特点;

(2)APT语言自动编程系统的组成和工作原理;

(3)图形交互编程系统的特点和编程工作流程;

(4)典型CAD/CAM软件介绍;

(5)数控加工程序检验与仿真方法。

利用典型CAD/CAM软件———MasterCAM,调取曲面综合加工零件(见图4-1)的模型源文件,合理规划曲面综合加工刀具路径。图4-1曲面综合加工零件图

4.1自动编程的概念和分类4.1.1自动编程的概念

程序编制是数控加工的重要组成部分。简单平面零件可以根据图纸用手工直接编写数控加工程序。复杂平面零件,特别是三维以上零件加工程序的编制,需要大量复杂的计算工作,程序段的数量也非常多,不但繁琐、枯燥,而且在许多情况下用手工编程几乎是不可能的,因此发展了计算机自动编程方法。采用通用计算机代替手工编程称为计算机自动编程,简称自动编程。

4.1.2自动编程的分类

自动编程主要包括语言编程、图形编程和实物编程三种方法。

1.语言编程

语言编程是编程人员用接近日常工艺词汇的一套编程语言,把加工零件的有关信息,如零件的几何形状、工艺要求、切削参数及辅助信息等用数控语言编成零件加工源程序,然后把该程序输入到计算机中,由计算机自动处理,最后得到并输出数控机床加工所需的程序,其中最具有代表性的就是APT语言。

2.图形编程

图形编程是指将零件的图形信息直接输入计算机,通过自动编程软件的处理,得到数控加工程序。图形编程是目前使用最广泛的自动编程方式。

3.实物编程

实物编程是指由平面轮廓零件或实物模型通过测头测量直接得到数控加工所需的数据,计算机根据此数据编制加工程序。

除了上述的自动编程方法外,还有语音自动编程和会话式自动编程。语音自动编程可以通过语音识别器,将编程人员发出的加工指令声音转变成加工程序。

4.2自动编程的基本过程、特点和发展情况

4.2.1自动编程的基本过程为了使计算机能够识别和处理由相应的数控语言编写的零件源程序,事先必须针对一定的加工对象,将编好的一套编译程序存放在计算机内,这个程序通常称为数控程序系统或数控软件。数控软件分两步对零件源程序进行处理:第一步是计算刀具中心相对于零件运动的轨迹。由于这部分处理不涉及具体NC机床的指令格式和辅助功能,因此具有通用性。

第二步是针对具体NC机床的功能产生控制指令的后置处理程序,后置处理程序是不通用的。由此可见,经过数控程序系统处理后输出的程序才是控制NC机床的零件加工程序。整个NC自动编程的过程如图4-2所示。

图4-2自动编程的基本过程

4.2.2自动编程的特点

自动编程具有编程速度快、周期短、质量高、使用方便等一系列优点。与手工编程相比,可提高编程效率数倍至数十倍。零件越复杂,其技术经济效果越显著,特别是能编制手工编程无法完成的程序。

4.2.3自动编程的发展情况

现在国际上流行的数控自动编程语言有上百种,其中流传最广、影响最深、最具有代表性的是美国MIT研制的APT系统(AutomaticallyProgrammedTools)。APT是1955年推出的,1958年MIT又推出了APTⅡ,适用于曲线自动编程。1961年推出了APTⅢ,适用于3~5坐标立体曲面自动编程。20世纪70年代又推出了APTⅣ,适用于自由曲面自动编程。由于APT系统语言词汇丰富,定义的几何元素类型多,并配有多种后置处理程序,通用性好,因此在世界范围内获得了广泛应用。

在APT的基础上,世界有些国家也各自发展了各具特色的数控语言系统,如德国的EXAPT、日本的FAPT和HAPT、法国的IFAPT、意大利的MODAPT以及我国的SKC、ZCX等。我国机械工业部1982年发布的NC机床自动编程语言标准(JB3112-1982)采用APT的词汇语法;1985年国际标准化组织ISO发布的NC机床自动编程语言(ISO4342-1985)也以APT语言为基础。

4.3APT语言自动编程系统

4.3.1APT语言自动编程系统的组成APT语言自动编程系统的组成如图4-3所示,分为APT语言编写的零件源程序、通用计算机以及编译程序(系统软件)三个组成部分。零件源程序不同于我们在手工编程时用NC指令代码写出的加工程序,它不能直接控制数控机床,只是加工程序计算机预处理的输入程序。零件源程序经过计算机进行输入翻译、数值计算和后置处理后,成为NC加工程序。图4-3APT语言自动编程系统信息处理过程

编译程序的作用是使计算机具有处理零件源程序和自动输出具体机床加工程序的能力。因为用数控语言编写的零件源程序,计算机是不能直接识别和处理的,必须根据具体的数控语言、计算机语言(高级语言或汇编语言)以及具体机床的指令,事先给计算机编好一套能处理零件源程序的编译程序(又称为数控编程软件),将这种数控编程软件存入计算机中,计算机才能对输入的零件源程序进行翻译、计算并执行根据具体数控机床的控制系统所编写的后置处理程序,最终形成加工程序。

4.3.2计算机处理零件源程序三个阶段的内容

1.翻译阶段

翻译阶段即语言处理阶段。它按源程序的顺序,一个符号接着一个符号地依次阅读并进行处理。如图4-4所示,首先分析语句的类型,当遇到几何定义语句时,则转入几何定义处理程序。根据几何特征关键字,判断是哪种类型的几何定义方式,然后再处理成标准的形式,并按其数值信息求出标准参数。例如,点的标准参数为X、Y、Z三个坐标值;对于直线AX+BY=C,标准参数为A、B、C;对于圆(X-X0)2+(Y-Y0)2=R2,标准参数为X0、Y0、R。图4-4-翻译阶段的信息处理过程

2.数值计算阶段

如图4-5所示,数值计算阶段的工作类似于手工编程时的基点和节点坐标数据的计算,主要的任务是处理连续运动语句。根据导动面和检查面(图4-6)等信息(如方向指示词、交点区分词等)计算基点坐标和节点坐标,从而求出刀具位置数据(CutterLocationData,CLDATA)并以刀具位置文件的形式加以存储。其它的语句也要以规定的形式处理并存储。图4-5计算机阶段的信息处理图4-6刀具空间位置的控制面

3.后置处理阶段

后置处理的信息流程如图4-7所示。按照计算阶段的信息,通过后置处理即可生成符合具体数控机床要求的零件加工程序。该加工程序可以通过打印成加工程序单,也可通过穿孔机自动穿出数控纸带作为数控机床的输入,还可以通过计算机通信接口将后置处理的结果直接传送至CNC系统予以调用。经计算机处理的数据也可以通过屏幕进行图形显示或由绘图机绘出图形,用自动绘出的刀具运动轨迹图形,可以检查数据输入的正确性,以便加工程序编制人员分析错误的性质并予以修改。图4-7后置处理阶段的信息处理

4.3.3APT语言编程示例

例4-1铣削如图4-8所示的零件,铣刀直径为10mm,SPAR为刀具的起点(位于坐标原点上),加工顺序按L1→C1→L2→C2→L3→L4→L5进行,刀具最后回到起始点。表4-1为加工该零件的APT语言程序。图4-8APT语言例图

4.4

图形交互编程系统

4.4.1图形交互编程系统的特点APT语言编程具有许多优点,如程序简练,走刀控制灵活。但它开发得比较早,受当时条件的限制,虽然经过多次改进,仍有许多不便之处,如采用语言定义零件几何形状不易描述复杂的几何图形,缺乏直观性;缺乏对零件形状、刀具运动轨迹的直观显示;难以和CAD数据库及CAPP系统有效地连接;不易做到高度的自动化和集成化。

图形交互式自动编程建立在CAD和CAM的基础上。这种编程方法具有速度快、精度高、直观性好、使用方便和便于检查等优点。因此,图形交互式自动编程是复杂零件普遍采用的数控编程方法。

4.4.2图形交互编程系统的编程步骤

1.几何造型几何造型就是利用CAD软件的图形编辑功能交互自动地进行图形构建、编辑修改、曲线曲面造型等工作,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图形数据库。这就相当于APT语言编程中,用几何定义语句定义零件几何图形的过程。其不同点就在于它不是用语言,而是用计算机交互绘图的方法,将零件的图形数据输入到计算机中。这些图形数据是下一步刀具轨迹计算的依据。在自动编程过程中,软件将根据加工要求提取这些数据,进行分析判断和必要的数学处理,以形成加工的刀具位置数据。

2.刀具走刀路径的产生

在图形交互自动编程中,刀具轨迹的生成是面向屏幕上的图形交互进行的。首先调用刀具路径生成功能,然后根据屏幕提示用光标选择相应的图形目标,点取相应的坐标点,输入所需的各种参数。软件将自动从图形中提取编程所需的信息,进行分析判断,计算节点数据,并将其转换为刀具位置数据,存入指定的刀位文件中或直接进行后置处理并生成数控加工程序,同时在屏幕上模拟显示出零件图形和刀具运动轨迹。

3.后置处理

后置处理的目的是形成各个机床所需的数控加工程序文件。由于各种机床使用的控制系统不同,其数控加工程序指令代码及格式也有所不同。为解决这个问题,软件通常为各种数控系统设置一个后置处理用的数控指令对照表文件。在进行后置处理前,编程人员应根据具体数控机床指令代码及程序的格式事先编辑好这个文件,然后后置处理软件利用这个文件,经过处理,输出符合数控加工格式要求的NC加工文件。

4.4.3MasterCAM软件

1.软件简介

MasterCAM是美国CNCSoftware公司推出的基于PC平台的、集设计和制造于一体的CAD/CAM软件。目前,MasterCAM以优良的性价比、常规的硬件要求、灵活的操作方式、稳定的运行效果及易学易用的操作方法等特点,成为世界上应用最广泛、最优秀的软件之一,也是我国应用最广泛、最有代表性的CAD/CAM软件之一。它主要应用于机械、电子、汽车和航空等行业的模具制造。

2.应用举例

例4-2外形铣削,零件如图4-9所示,试编写所需代码。

图4-9零件的外形轮廓

1)创建CAD模型

用MasterCAM软件的绘图功能绘制零件外形轮廓,如图4-9所示。

2)保存模型

选择命令,弹出另存为对话框,在输入框中输入“外形轮廓_CAD”,单击保存按钮,即可进行保存。

3)根据零件特点选择加工方法

(1)选择缺省铣床命令。

(2)选择命令。

4)生成刀具路径

这一步首先要选择刀具,然后设置加工参数,最后生成刀具路径。

(1)打开串连对话框,系统提示选择串连外形,如图4-10所示。用鼠标捕获轮廓线(P1处),使串连方向为顺时针方向,单击串连选择对话框中的确定按钮,结束串连外形选择。图4-10选择串连外形

(2)系统弹出外形铣削对话框,在刀具栏空白区内单击鼠标右键,在弹出的菜单中选命令,系统弹出刀具库对话框,选择ϕ12平铣刀,单击加入按钮,然后单击确定按钮,结束刀具选择。输入参数如图4-11所示。

(3)设置外形铣削参数,单击选项卡,系统将显示铣削参数对话框,相关参数设置如图4-12所示。

(4)选择选项,粗切1次,间距为5mm;精修1次,间距0.5mm。

(5)选择选项,最大粗切步进量为2mm,选择

和选项。

(6)选择选项,设置如图4-13所示。

(7)单击外形铣削参数对话框中的确定按钮,系统立即在图上生成刀具路径,如图4-14所示。图4-12外形铣削参数对话框图4-13进/退刀向量设置对话框图4-14-生成刀具路径

5)实体切削验证

(1)选择加工操作管理器中的命令,设置工件参数:X300、Y240、Z10,单击确定按钮。

(2)单击顶部工具栏中的等角视图按钮,单击操作管理器中的实体加工模拟按钮,系统弹出实体加工模拟对话框,单击执行按钮,模拟加工结果如图4-15所示。单击确定按钮,结束模拟操作。图4-15

6)后置处理

(1)选择后处理器。在操作管理器中单击打开后处理对话框,选择输出NC文件,即可生成NC数控加工程序,如图4-16所示。图4-16后置生成数控加工程序

7)编辑(修改)代码

需要修改的地方有:将“%”修改为%123;将“O0000”段去掉;将含有“G28”的段去掉;括号里面的内容是注释,可以删掉,也可以保留。特别要注意检查程序中是否已经含G54,如果没有,一定要加上。

8)传入机床加工

将修改后的代码传入数控机床,进行模拟加工后,确认没有错误,进行正式加工。

知识拓展1.数控程序检验与仿真的基本涵义随着科学技术及生产技术的发展,产生了许多新的制造技术和制造系统,如柔性制造系统、计算机集成制造系统、智能制造系统等。这些系统在生产工程中的应用,不仅可以降低生产成本,而且可以提高生产率。但是,从设计到系统的正式建立,需要大量的人力和物力,并且在设计时不能把设计系统的各部分与实际情况很好地结合起来,因此具有较大的风险。

在这种情况下,虚拟制造技术(VirtualManufacturingTechnology)应用而生。它可以对从设计到制造的整个过程进行统一建模,在产品的设计阶段,实时并行模拟出产品制造的全过程及其对产品设计的影响。可以看出,计算机支持的模拟仿真技术是虚拟制造技术的前提,也是设计先进制造系统的一种手段。模拟仿真技术是一种建立真实系统的计算机模型技术,通过模型可以分析系统的行为而不需要建立它的实际系统。利用模拟仿真技术,在产品设计时就可以实时地、并行地模拟产品生产的全过程,用以预测产品的性能、产品的制造技术和产品的可制造性。

数控程序的编制过程和工艺过程与以上的设计相似,都具有经验性和动态性,在程序编制过程中出错是经常发生的。为此,必须认真检查和校核数控加工程序,通常还要进行首件试切加工。这种试切过程往往要冒一定的风险,稍有不慎,就会发生事故,或者损坏刀具,甚至撞坏机床。

采用动态模拟有许多优点,它不仅考虑系统中的确定性事件,而且也可考虑系统中的随机事件。此外,动态仿真可以作为支持系统管理的一种有效工具,它将产品的设计、工艺和制造等各部分的信息集成于产品数据模型中,以满足并行工程的要求。采用动态模拟方法检验数控程序能减少程序调试时间,缩短数控程序从编制到投入使用的周期;能代替实际的试切过程,避免机床和刀具的损坏;减轻调试人员的劳动强度,保证零件的加工质量、减少制造费用。

2.数控程序检验与仿真的基本方法

1)刀位轨迹仿真法

刀位轨迹仿真法是最早采用的图形仿真检验方法,一般在后置处理之前进行。通过读取刀位数据文件,可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。这种仿真一般可以采用动画显示的方法,效果逼真。由于该法是在后置处理之前进行刀位轨迹仿真的,因此可以脱离具体的数控系统环境进行。刀位轨迹仿真法是目前比较成熟有效的仿真方法,应用比较普遍。前述PowerMILL软件中的刀位轨迹仿真就是这种方法。

2)虚拟加工法

虚拟加工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中、实际加工环境、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。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。

虚拟加工法与刀位轨迹仿真方法不同。最新的技术表明,虚拟加工法已经能够利用多媒体技术实现虚拟加工,不仅只解决刀具与工件之间的相对运动仿真,而且更重视对整个工艺系统的仿真。虚拟仿真法软件一般直接读取数控程序,模仿数控系统逐段翻译,并模拟执行,利用OpenGL等三维真实感图形显示技术模拟整个工艺系统的状态,并且还可以在一定程度上模拟加工过程中的声音等。

据有关资料介绍,一些专家学者正在研究开发考虑工艺系统刚度情况下的虚拟加工法,这种想法一旦成功,数控加工仿真技术将发生质的飞跃。

先导案例解决方案

1.确定毛坯和对刀点

(1)在刀具路径管理器对话框中选择

选项下的(工件设置),打开工件设置对话框。

(2)选择工件形状为立方体,单击按钮,弹出对话框(见图4-17),单击确定按钮,工件设置如图4-18所示。图4-17边界盒选项图4-18工件设置选项卡

2.规划刀具路径

1)平行铣削粗加工

(1)选择→→命令。

(2)弹出对话框,如图4-19所示,选择。

(3)在图形区中出现提示,提示选择图形,选择所有曲面后回车,弹出对话框,单击确定按钮。图4-19图形选择

(4)弹出对话框,选择ϕ10mm的平底铣刀,刀具参数设置如图4-20所示。图4-20刀具参数选项卡

(5)曲面参数设置如图4-21所示。图4-21曲面参数选项卡

(6)粗加工平行铣削参数设置如图4-22所示。图4-22粗加工平行铣削参数选项卡

(7)单击,参数设置如图4-23所示。图4-23切削深度参数选项卡

(8)单击对话框中的确定按钮,系统返回绘图区并根据所设置的参数生成加工刀具路径,如图4-24所示。图4-24-刀具路径

(9)在操作管理器中单击进行仿真加工,效果如图4-25所示。图4-25仿真加工结果图4-26刀具参数选项卡

(5)曲面参数设置如图4-27所示。图4-27曲面参数选项卡

(6)精加工平行铣削参数设置如图4-28所示。图4-28精加工平行铣削参数选项卡

(7)单击,在弹出的对话框中,选取过滤的比率为2∶1,整体的误差为0.02,则过滤误差和切削方向误差被自动修改。过滤误差用以除去在设定的误差内刀具相邻路径接近同一条线的点,并插入圆弧,以缩小加工程序长度。过滤误差值应至少设置为切削方向误差值的两倍,它们的比率可以由选取过滤比率值来确定。选中产生XY平面的圆弧,设置如图4-29所示。图4-29整体误差设置

(8)单击对话框中的确定按钮,系统返