第八章 数控编程和仿真
8.1 数控编程方法及其发展
8.2 数控编程系统中基本概念与术语
8.3 数控编程中的刀位计算
8.4 数控编程中的工艺策略
8.5 后置处理及DNC
8.1 数控编程方法及其发展
1、手工编程
2、数控语言自动编程
3、CAD/CAM系统自动编程工艺分析 数值计算
NC
程序编制输入
NC
程序首件试切修改零件图手工编程特点:
不需辅助工具,效率低、出错率高,难以对复杂零件编程。
1、手工编程
2、数控语言自动编程输入编译 数值处理 刀位文件CLDATA 后置处理 机床加工穿孔纸带磁盘零件图样 数控语言 零件源程序程序员计算机原理,应用专用数控语言编制零件源程序,经编译生成刀具运动轨迹,和中性刀位文件(CLData File),经后置处理生成相应机床数控加工程序。
特点,比手工编程效率高,解决复杂曲面编程问题。但专用词汇及语句格式繁多,仍存在编程效率与机床加工速度间的矛盾。
数控语言的产生与发展
1952年MIT 开始研究数控自动编程;
1954年公布APT 自动编程系统;
之后的近40年不断推出新版本,如APTII,APTIII,
APTIV、APTAC,APTSS等;
德国EXAPT,法国 IFAPT;
日本FAPT ;
我国在上世纪70年代推出SKC、ZCX 车铣编程系统。
数控语言APT简介
APT数控语言格式:
命令/ 参数 例,GODLTA/20,20,-5 增量走刀数控语言常用语句:
初始语句:例,PARNO
几何定义语句,例 POINT,LINE,CIRCLE、PLANE 等刀具定义语句,例 CUTTER
刀具运动语句,例 GOLFT,GORGT,GOFWD等切削用量语句,例 FEDRAT,SPEED等容许误差语句,例 OUTTOL、INTOL
后置处理语句,例 MACHINE、SPINDL,COOLNT,END等加工图示零件APT源程序:
PARTNO/TEMPLATE ;初始语句,TEMPLATE为程序名称
MACHINE/FANUC,6M;后置处理程序的调用
CLPRNT ;打印刀具轨迹数据
OUTTOL/0.002 ;外轮廓逼近容差
INTOL/0.002 ;内轮廓逼近容差
CUTTER/10 ;平头立铣刀,直径=10mm
L1=LINE/20,20,20,70 ;定义直线L1 几何定义
L2=LINE/(POINT/20,70)ATANGL,75,L1 ;定义直线L2
L4=LINE/20,20,46,20 ;定义直线L4
L3=LINE/(POINT/46,20),ATANGL,45,L4 ;定义直线L3
C1=CIRCLE/YSMALL,L2,YLARGE,L3,RADIUS,10 ;定义圆弧C1
XYPL=PLANE/0,0,1,0 ;定义平面XYPL
SETPT=POINT/-10,-10,10
FROM/SETPT ;指定起刀点 运动轨迹定义
FEDRAT/2400 ;快速进给
GODLTA/20,20,-5 ;增量走刀
SPINDL/ON ;主轴启动
COOLNT/ON ;冷却液开
FEDRAT/100 ;指定切削速度
GO/TO,L1,TO,XYPL,TO,L4 ;初始运动指定
TLLFT,GOLFT/L1,PAST L2 ;沿直线L1左边切削直至超过直线L2
GORGT/L2,TANTO,C1 ;右转切削L2直至切于圆C1
GOFWD/C1,PAST,L3 ;沿圆C1切削直至超过L3
GOFWD/L3,PAST,L4 ;沿直线L3切削直至超过L4
GORGT/L4,PAST,L1 ;右转切削L4直至超过L1
GODLTA/0,0,10 ;增量走刀
SPINDL/OFF ;主轴停止
FEDRAT/2400 ;快速进给
GOTO/SETPT ;返回起刀点
END ;机床停止
FINI ;零件源程序结束
3、CAD/CAM 系统自动编程
CAD/CAM系统数控编程原理
CAD
造型加工工艺分析加工面选择工艺参数确定刀轨文件生成刀位验证编辑修改 后置处理 加工仿真 机床加工加工参数库刀具库材料库手工编程数控语言自动编程
CAD/CAM系统自动编程无须软件工具效率低,出错率高需记忆数控代码难以完成复杂型面编程能从事复杂型面编程不需记忆具体数控代码编程量大没有图形支持用户不需编源程序有图形支持便于实现系统集成几种数控编程方法的比较
8.2 数控编程系统中的基本概念和术语
1、数控机床坐标系统
2、常用切削刀具
3、刀具运动控制面
4、切削加工中的阶段划分
1、数控机床坐标系统数控机床坐标定义( 假设工件不动,刀具相对工件运动 )
Z轴,与主轴平行,正向-使工件尺寸增大方向
X轴,与工件装夹面平行,水平,与Z轴垂直车床:沿工件径向,离开工件轴线方向为正向铣床 卧式:由主轴向工件看,右手方向为正向立式:由主轴向立柱看,右手方向为正向
Y轴,与Z,X轴垂直,符合右手定律
A,B,C轴,分别绕X,Y,Z轴右旋前进方向
WILLEMIN公司( 瑞士威力铭 )主轴可摆动的五轴加工中心机床坐标系MCS (Machine Coordinate System):
有固定的坐标原点,是机床厂商通过回零开关由硬件设定。
参考坐标系RCS (Reference Coordinate System),
是用户为了编程方便,通过G代码由软件设定,坐标原点不固定。
2、常用切削刀具球头铣刀 圆角铣刀 平底铣刀
刀触点:在加工过程中刀具与工件的实际接触点(A)。
刀位点:
数控编程中用以表示刀具位置的坐标点(O)。
球头刀设于球心,圆角铣刀和平底铣刀位于端面中心刀位点计算:
– 计算接触点处法向量
– 沿法向量从A点偏移圆角半径r
– 沿刀具径向偏移(R-r) (R-刀具半径)
– 沿刀具轴线向刀具端部移动r
a)5参数 b)7参数 c)10参数刀具参数定义
3、刀具运动控制面零件面,零件上已加工生成的表面,用以控制切削深度;
导动面,控引导刀具运动的面,
用以控制刀具运动方向;
检查面,确定走刀的终止位置,
检查切削过程的干涉。
刀具与导动面的关系刀具与检查面的关系
4、切削加工中的阶段划分
① 起始运动阶段 ② 接近运动阶段 ③ 切入运动阶段
④ 切削加工阶段 ⑤ 退出切削阶段 ⑥ 返回阶段
8.3 数控编程中的刀位计算
1、非圆曲线刀位点计算
2、球头铣刀行距的确定
3、平面型腔加工刀位点的计算
4、转角过渡处理
5、曲面加工中的刀位计算
6、刀具干涉检验
1、非圆曲线刀位点计算直线段逼近各直线逼近方法比较等间距法 等弦长法 等误差法计算简单,
合理间距选取是关键以最小曲率半径处加工精度确定弦长分割线段多,求解最小曲率半径是关键计算过程复杂,
分割的程序段少双圆弧段逼近直线元素 内切双圆弧 外切双圆弧
P1,p2,p3,p4 P1,p4在p2p3 P1,p4 在p2p3
接近一直线 连线同侧 连线两侧
(α-β <0.05°)
2、球头铣刀行距的确定


H2(2?= rHs
平面 曲面残留高度H < 粗糙度要求Ra
)/(2(2 RrRHrHs +=
刀刀

3、平面型腔加工刀位点的计算行切走刀路线
a)往返走刀 b)单向走刀包含岛屿平面型腔简图型腔加工方法:有行切法和环切法行切法,刀具按平行于某坐标轴方向或一组平行线方向走刀。位计算简单,遇到岛屿抬刀越过岛屿,或沿岛屿边界绕过去。
刀位计算步骤:
型腔轮廓边界定义;
确定走刀偏置量;
计算内外偏置环;
干涉检查,去除无效环,形成新内外边界环;
重复循环,新环不断生成、
分裂、退化直至消失。
环切法,是环绕型腔边界进行切削加工方法。
a)外轮廓偏置环自相交判别自相交后每个新生封闭环,保留顺时针走向封闭环,去除逆时针封闭环。
b) 外偏置环与内偏置环互交将收缩偏置环与扩张偏置环合成一个新边界环,扩张环的岛屿将自然消失。
c) 多个内偏置环互交将相交的多个内轮廓偏置环合成为一个新的内轮廓封闭环,所包含的岛屿合并为一个大岛屿。
偏置环干涉处理方法外偏置环自交:
保留顺时针走向环,
去除逆时针走向环岛屿偏置环自交:
保留逆时针走向环去除顺时针走向环
4、转角过渡处理
a)圆弧过渡,
添加一段附加圆弧B
1
B
2
b)尖角过渡,(夹角 > 90)
延长两轨迹B
1
D、DB
2
构成形成尖角
c)方角过度,(夹角 < 90)
在两附加轨迹段之间插入过渡直线D
1
D
2
,使B
1
D
1
=B
2
D
2
=BB
1
d)三角过度,应用较少 。
5、曲面加工中的刀位计算
),( vuPP =
21
21
vvv
uuu
≤≤
≤≤
参数曲面参数域等参数曲线法:
刀具沿参数曲面向或 向等参数线进行切削加工,计算速度快。
u
v
u
任意切片法:
刀具沿参数曲面与一组平行平面截交线进行切削加工,这种方法刀位计算消耗时间较长。
等高线法,
刀具由高到低沿参数曲面与一组水平平面截交线进行切削加工,这种方法刀位计算时间最长。
6、刀具干涉检验数控加工过程中,
加工表面曲率半径小于刀具半径时的过切现象。
刀具运动方向的干涉检查运动方向上存在的干涉可排除非运动方向上的干涉不能排除全方位干涉检查 通过计算刀具中心到离散小曲面片距离检查。
曲面曲率变化大测点多曲面平坦,检测点少
8.4 数控编程中的工艺策略
1、粗精加工的工艺选择
2、刀具的切入和切出引导
3、加工路线的确定及优化刀具的选用
粗加工,是切除绝大部分多余材料,切削用量较大,
刀具负荷重,一般选用 平底铣刀,刀具的直径尽可能选大。
精加工,是保证加工面精度要求,切削用量较小,刀具负荷轻,根据加工表面形状可选择平底刀、球头刀或圆角铣刀。 应优先选用平底刀,应尽量选择圆角铣刀,而少用球头刀。
在刀具直径选择上,先用大直径刀具完成大部分的曲面加工,再用小直径刀具进行清角或局部加工。
1、粗精加工的工艺选择加工路径的选择粗加工:加工路径一般选择单向切削,可保证切削过程稳定,可避免顺逆铣工作状态的变化。
精加工:切削力较小,对顺逆铣反映不敏感,加工路径可采用双向切削,以减少空行程,提高切削效率。
进刀方式的选择粗加工,主要考虑刀具切削刃强度;
精加工:主要考虑被加工表面质量。
铣刀端面刃切削能力差,对于型腔加工可采用斜角切入。
粗加工一般采用分层切削
2、刀具的切入和切出引导二维圆弧切入 /切出引导二维圆弧切入 /切出引导应用实例二维垂直切入 /切出引导应用实例二维平行切入 /切出引导应用实例潜入式 水平式 法向式 切向式三维切削刀具切入切出引导
3、加工路线的确定及优化加工路线确定原则:
获得良好的加工精度和表面质量
走刀路线短空程少
数据计算工作量小
a)沿直纹母线走刀好
b)沿横截面线走刀不好加工路线确定实例
a)行切法 b)环切法 c)综合法计算简单 表面质量好 两者综合型腔加工路线确定
a)水平走刀 b)沿最长路径角度走刀好不好走刀角度的选择孔加工相邻距离最近优化法孔加工例图 通常加工序列 优化加工序列可节省近一半定位时间孔加工配对优化法使用不同刀具时的优化不好 好
8.5 后置处理及DNC
后置处理,刀位计算后,CAM系统将生成一个刀位文件,该文件不能直接送给数控机床使用,尚需其转换为机床控制代码。
10 TOOL PATH/P2,TOOL,T2
20 TLDATA/MILL,0.3750,0.0000,1.0000,0.0000,0.0000
30 MSYS/0.0000000,0.0000000,0.0000000,1.0000000
0.0000000,0.0000000,0.0000000,1.0000000,0.0000000
40 PAINT/PATH
50 PAINT/SPEED,5
60 PAINT/TOOL,FULL,1
70 PAINT/COLOR,1
80 RAPID
90 GOTO/-0.2875,3.2861,0.5000
100 PAINT/COLOR,3
110 FEDRAT/IPM,10.0000
120 GOTO/0.0000,3.2861,0.5000
130 GOTO/6.0000,3.2861,0.5000
140 PAINT/COLOR,1
150 RAPID
160 GOTO/6.0000,3.3361,0.5500
170 PAINT/SPEED,10
180 PAINT/TOOL,NOMORE
190 END-OF-PATH
典型的刀位文件CLS
专用后置处理模块工作原理刀位文件
CLS
Fanuc后置处理模块
Fagor后置处理模块
Siemens后置处理模块
Fanuc系统 NC代码
Fagor系统 NC代码
Siemens系统NC 代码通用后置处理模块工作原理(如UG )
机床数据文件生成器
MDFG
通用后置处理模块机床
NC代码刀位文件
CLS
机床数据文件MDF
DNC含义,
a)BTR
(Behind Taper Reader)
b)MCU
(Machine Control Unit )
目前DNC 两种不同注释:
DNC,Direct Numeric Control
DNC,Distributed Numerical Control
DNC通信接口,25针RS232C串行接口
DNC通信协议,
字符位数,EIA标准 7位,ISO标准 8位奇偶校验位,奇数位校验(Odd) 偶数位校验(Even)
停止位,1位或2位传输速率,1200,2400,4800,9600,19200
Fanuc系统的DNC通讯界面
8.6 数控编程应用举例操作步骤:
1、毛坯设置被加工零件毛坯设置
2、进入编程模块,初始化编程环境:
选择菜单 Application→→ Manufacturing,mill_contour
3、建立几何体、刀具组、方法组和程序组建立几何体对话框 建立刀具组对话框建立方法组对话框 建立程序组对话框
4、确定粗精加工作业
5、设定工艺参数切削层设置结果设置切削层参数设置工艺参数
6、生成刀位文件
7、数控加工过程仿真
8、后置处理选择待后置处理程序选择后置处理机床类型