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1、计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造（第六章）（第六章）机械工程学院研究生专业课机械工程学院研究生专业课重庆大学汽车工程学院重庆大学汽车工程学院郭钢教授郭钢教授/ /博导博导2015年年12月月9日日目录第第2章章新产品开发策划与概念设计新产品开发策划与概念设计第第3章章三维建模与产品设计（三维建模与产品设计（CAD）第第5章章计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAE）第第4章章逆向工程与新产品设计逆向工程与新产品设计第第6章章第第1章章概论概论计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）第第7章章产品数据管理（产品数据管理（PDM）第第8章章协同设计与生命周期管理协同设计与生命周期管理PLM数
2、字化制造（数字化制造（CAM）基本概念基本概念在新产品的开发过程中，为了加快新产品的开发速度，采用数字 化制造手段来制作实物样机或样件，已成为国内外制造业首选的先进 手段。目前，在新产品开发中常用的数字化制造技术是CAM和DM。CAM（Computer Aided Manufacturing）即计算机辅助制造，是 指应用计算机来进行产品制造的统称，有广义和狭义之分。广义CAM 是指利用计算机辅助完成从原材料到成品的全部制造过程，其中包括 直接制造过程和间接制造过程。狭义CAM是指制造过程中某个环节应 用计算机，在计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）中，通常是指计 算机辅助加工，更确切地说，是
3、指数控加工。第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）61 数控机床概述数控机床概述数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使 用号码，或其他符号编码指令规定的程序。程序控制系统即通常所说的数控系 统，现代数控系统一般称为CNC（计算机数字控制）系统。CNC系统可自动阅 读输入载体上事先给定的数字值，并将其译码，驱动机床运动和切削加工。第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）CNC机床的组成及分类机床的组成及分类CNC机床由床体和数控系统两大部分组成。床体是机床的机械部分，包括 床身、导轨、各运动部件和各种工作台等。数控系统是机床的控制装置，是一 个
4、相对独立的组成部分。一种数控系统通常可与不同的多种机床相连配。1）数控机床的床体数控机床的床体与普通机床相比，在结构与外观上无多大差别，所不同的是 各运动部分的制造精度较高。运动部件的传动机构用滚珠丝杠，并有消除游隙 的装置，以保证运动的精度。床身导轨表面通常涂有特殊塑料层，以保证运动 的平稳性，避免产生阶段性的“爬行”现象。2）数控系统数控系统用来控制机床运动部件作运动的是电脉冲数。每个电脉冲伺服系统 驱动机床部件所产生的运动量称为脉冲当量。现代数控机床的脉冲当量大多数 为0.001mm，对于转动或摆动为0.001。第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）CNC系统的构成程序输入
5、设备CNC装置可编程序控 制器 （PC）主轴控制单元速度控制单元输出设备主轴电机机床进给电机位置检测器图6.1 CNC系统框图现代CNC系统是由程序、输入输出设备、计算机数控装置、可编 程序控制器、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成，如图6.1所示第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）CNC机床的分类数控机床的种类、型号繁多，按机床的运动方式进行分类，现代数控机床可分为点位控 制数控机床和轮廓控制数控机床两大类。点位控制数控机床的数控装置只能使刀具从一个位置精确地移动到另一个位置，在移动过 程中不作任何加工。这类机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。轮廓控制数控机床的数控系统能
6、同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续轨迹控制，加工 时不仅要控制刀具运动轨迹的起点和终点，而且要控制整个加工过程中的走刀路线和速度。 轮廓控制数控机床又可进一步分为两坐标联动（两坐标两联动或三坐标两联动）、三坐标联 动、四坐标联动和五坐标联动数控机床。第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）CNC机床的坐标轴及其运动方向1）数控机床的坐标系统数控机床的坐标系统采用右手法则、直角笛卡儿坐标系统。基本坐标轴为XYZ直角坐标，相对于每 个坐标轴的旋转运动坐标为A、B、C。如图6.2所示。2）数控机床的运动方向不论机床的具体结构对工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，为便于数控编程，
7、规定数 控机床的运动是刀具相对于静止的工件坐标系的运动。Z轴作为平行于机床主轴的坐标轴，如果机床有一系列主轴，则选尽可能垂直于工件装夹面的主要 轴为Z轴，其正方向定义为从工件到刀具夹持的方向。如图6.3所示。X轴作为水平的、平行于工件装夹平面的轴，它平行于主要的切削方向，且以此方向为正向。Y轴 的运动方向则根据X轴和Z轴按右手法则确定。旋转坐标轴A、B和C相应地在X、Y、Z坐标轴正方向上，按右旋螺纹前进的方向来确定。+C +C+B+B+A+A+X+X+Z+Z+Y+Y 图6.2 坐标命名XZY图6.3 旋转方向第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）数控机床的刀具补偿为了简化零件的数
8、控编程，使数控程序与刀具形状和刀具尺寸无关，在数控系统中必须具备刀具 补偿功能。在目前流行的数控系统中，刀具补偿一般包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。1）刀具长度补偿在数控编程中，刀具长度一般是无需考虑的。程序运动假定机床主轴轴端相对于工件运动，在加 工之前，采用对刀仪测量刀尖（或刀心）到刀柄与主轴轴端接触基准的长度（即刀具长度L），并将刀 具长度值输入CNC系统的刀具数据寄存器中，当该刀具被采用时，CNC系统自动进行刀具长度补偿， 使刀尖（或刀心）沿程序要求的轨迹运动。2）二维刀具半径补偿在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的刀具半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所需加工零件 的实际轮廓。在进行内
9、轮廓加工时，刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值。在进行外轮廓 加工时，刀具中心又偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移习惯上称为刀具半径补偿。在实际轮廓加工过程中，刀具半径补偿执行过程一般分为三步：刀具补偿建立、刀具补偿进行、 刀具补偿撤消。第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）数控机床的进给速度数控机床的进给速度对于点位、二坐标和三坐标加工，编程所给的进给速度，是以每分 钟进给距离的形式指定刀具切削进给速度，它是各坐标的合成运动速度， 用F字母和它后续的数值指定。各运动坐标方向的分速度是根据进给速度 与各运动坐标分量来计算的。设进给速度为F，相邻两刀位点之间的距离
10、 为L，L的各运动坐标分量分别为LX、LY和LZ。则各运动方向的坐标速度 为：Fx=Lx/Fx，Fy=Ly/Fy，Fz=Lz/Fz。假定编程所给定的进给速度恒定，即刀具相对于工件的切削进给 速度恒定，从上式可以看出，各运动坐标方向的分速度一般来说是变化 的第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）数控机床的指令格式数控机床的指令格式数控系统指令格式至今并没有完全统一。虽然一些常用的指令及 其所代表的功能已形成国际惯例，但新生产的数控系统又在不断改进和 创新。此外，即使是同一种功能，不同系统采用的指令格式也有差异。 因此在编制加工程序之前，必须详细了解该机床所配置的数控系统的编 程说明
11、书中的具体规定。零件加工程序是由若干个程序段集合在一起组成的。在一个程序 段内，若干英文字母后面附有数字。这个英文字母称为地址，这种格式 称为字地址格式，是目前广泛应用的格式。在程序段中字地址指令的编 排顺序如下：NGXYZIJ KPQRA BFSTMCR第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）数控机床的指令格式数控机床的指令格式其中，表示一个十进制数字。上述各字地址的含义是：N程序段的顺序号，为了便于检索；G准备功能指令，在G字后紧跟两位整数表示，用来确定数控机床的动作类型， 如G01表示直线插补，G02表示顺时针圆弧插补等，表6.1列出了常用的G指令代码及其 功能；X，Y，Z，
12、A，B位移信息，前三者是沿着坐标轴平移，后两者表示相应轴转动；I，J，K常用来表示圆弧的圆心坐标或圆心相对圆弧起点的坐标增量值；P，Q，R刀具半径偏置向量沿X，Y，Z坐标轴方向的校正量；F进给功能指令，规定走刀进给速度；S速度功能指令，规定所选择的主轴转速；T刀具功能指令，规定选用的刀具号和它对应的半径与长度补偿器号；M辅助功能指令，用来控制机床执行某种特定动作，如M08表示打开冷却液装置， 输送冷却液，M00表示程序结束并停机等，M功能参见表6.2第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）CAM技术中的技术中的G代码和代码和M代码代码代码功能 G00点位控制 G01直线插补 G02
13、顺时针方向圆弧 插补G03逆时针方向圆弧 插补G17XY平面选择 G18ZX平面选择 G19YZ平面选择 G33螺纹切削，等螺 距G34螺纹切削，增螺 距G35螺纹切削，减螺 距G36G 39保留作控制用 G40取消刀具偏移 G41刀具左偏 G42刀具右偏 G60G 79保留用于点位系 统G80取消固定循环 G81G 89固定循环#1固 定循环#G90绝对值编程 G91相对值编程功能 M00程序停机 M01选择停机 M02程序结束 M03主轴顺时针方向旋 转M04主轴逆时针方向旋 转M05主轴停转 M06换刀 M07开2号冷却液 M08开1号冷却液 M09关闭冷却液 M10夹紧 M11松开 M
14、13主轴顺转并开冷却 液M14主轴逆转并开冷却 液M15正向（+）运动 M16负向（-）运动 M30纸带终了 M31旁路互锁 M32 M35恒切削速度代码数控机床的指令格式实例（铣销加工）O 0011 N1 G92 X10.0 Y5.0 Z50.0 N2 S200 T01 M03 N3 G90 G00 Z10.0 G01 Z-5.0 F100 M08 G91 G41 Y5.0 D01 G01 Y8.0 X10.0 Y-8.0 X-10.0 G40 Y-5.0 M09 G90Z50.0 M30主程序番号 建立工件坐标系 选刀，让主轴正转 快速下刀到上表面附近 工进下刀，同时开切削液 切入，同时加
15、刀补 铣短边 铣长边 铣短边 铣长边 切出，取消刀补，关切削液 提刀 停机结束,复位XYZ第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）62 数控编程及数控编程及CAM技术技术要进行数控加工，首先必须根据零件图纸及工艺要求等原始条件编 制数控加工程序，输入数控系统，控制数控机床中刀具与工件的相对运 动，以完成零件的加工。编制数控加工程序就成为数控加工中一个极为 重要的环节。从零件图纸或数据模型获得数控加工程序的全过程，称为数控编程。手工编程手工编程：编程工作均由人工完成的过程称为手工编程：编程工作均由人工完成的过程称为手工编程。适用于几何适用于几何 形状不太复杂形状不太复杂、编程计算较简
16、单编程计算较简单、程序量不大的零件程序量不大的零件。自动编程自动编程：编程工作的大部分或全部由计算机完成的过程称自动编程：编程工作的大部分或全部由计算机完成的过程称自动编程。 它使得一些计算它使得一些计算繁琐繁琐、手工编程困难或无法编出的程序能够实现手工编程困难或无法编出的程序能够实现。第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）数控加工手工编程实例60刀具中心轨迹100404030走刀方向对刀点图6.4零件轮廓外形第第6章章 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）数控程序手工编程的实现过程数控程序手工编程的实现过程1、分析零件图纸，确定加工路线、工艺参数，进行工艺处理2数学处理对于由直线和圆弧组成的平面轮廓零件只需求出零件图形中各几何元素相交的交点或相
