数控编程及后处理加工

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1、 数控编程及后处理加工 数控编程及后处理加工 数控编程是目前 CAD/CAPP/CAM 系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动 化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在诸如航空工业、汽车工业 等领域有着大量的应用。由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取 得了丰硕成果。下面就对数控编程及其发展作一些介绍。 2.1 数控编程数控编程 1)数控编程的基本概念数控编程的基本概念 数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点 （cutter location point 简称 CL 点）。刀

2、位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给 出刀轴矢量。 2) 数控编程技术的发展概况数控编程技术的发展概况 为了解决数控加工中的程序编制问题，50 年代，MIT 设计了一种专门用于机械零件数控加工程序 编制的语言，称为 APT（Automatically Programmed Tool）。其后，APT 几经发展，形成了诸如 APTII、 APTIII （立体切削用） 、 APT （算法改进， 增加多坐标曲面加工编程功能） 、 APT-AC （Advanced contouring） (增加切削数据库管理系统)和 APT-/SS（Sculptured Surface）(增加雕塑曲面

3、加工编程功能)等先进版。 采用 APT 语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指 令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素.APT 仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以 描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的 验证手段；难以和 CAD 数据库和 CAPP 系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。 针对 APT 语言的缺点，1978 年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC 加工一体化 的系统， 称为为 CATIA。 随后很快出现了象 EUCLID， UGII， INTERGRAPH

4、， Pro/Engineering， MasterCAM 及 NPU/GNCP 等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及 刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了 CAD 和 CAM 向一体化方向发展。到了 80 年代，在 CAD/CAM 一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE） 的概念。目前，为了适应 CIMS 及 CE 发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。 在集成化方面，以开发符合 STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）标

5、准的参数化 特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚 刚开始，还有待我们去努力。 2.2 NC 刀具轨迹生成方法刀具轨迹生成方法 数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。下 面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。 1) 基于点、线、面和体的基于点、线、面和体的 NC 刀轨生成方法刀轨生成方法 CAD 技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特 征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面 区域加工等。这种加工要求操作人员的水

6、平较高，交互复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于 实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体（一般为 CSG 和 B-REP 混合表示的），它由一些基本体 素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切削掉 余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发，是特征加工的基础。 实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法（SLICE），即 用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。 2) 基于特征的基于特征的 NC 刀轨生成方法刀轨生成方法 参数化特征造型已有了一定的发展时期， 但

7、基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。 特征 加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接 对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。 一个基于特征的 NC 代码生成子系统的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件 的形状特征组进行加工的总和。 那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。 而10每一形状特征或形状特征组的 NC 代码可自动生成。 特征加工的基础是实体加工，当然也可认为是更高级的实体加工。但特征加工不同于实体加工，实 体加工有它自身的局限性。特征加工与实体加工主要有以下几点不同：

8、 1从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作习惯，为工程技术人员所 熟知； 实体是低层的几何对象， 是经过一系列布尔运算而得到的一个几何体， 不带有任何功能语义信息； 2实体加工往往是对整个零件（实体）的一次性加工。但实际上一个零件不太可能仅用一把刀一 次加工完，往往要经过粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具 进行加工；有时一个零件既要用到车削，也要用到铣削。因此实体加工主要用于零件的粗加工及半精加 工。而特征加工则从本质上解决了上述问题； 3 特征加工具有更多的智能。 对于特定的特征可规定某几种固定的加工方法， 特别是那些已在 STEP

9、标准规定的特征更是如此。 如果我们对所有的标准特征都制定了特定的加工方法， 那么对那些由标准特 征够成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若 CAPP 系统能提供相应的工艺特征，那么 NCP 系统就 可以大大减少交互输入，具有更多的智能。而这些实体加工是无法实现的； 4特征加工有利于实现从 CAD、CAPP、NCP 及 CNC 系统的全面集成，实现信息的双向流动，为 CIMS 乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。 3) CAM 系统刀轨生成系统刀轨生成 按照传统的 CAD/CAM 系统和 CNC 系统的工作方式，CAM 系统以直接或间接（通过中性文件）的方式 从

10、CAD 系统获取产品的几何数据模型。CAM 系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象， 生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以 NC 代码的形式提供给 CNC 机床。在 CAM 系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息（直线和圆弧的几何定位信息），以及少量的过 程控制信息 （如进给率、 主轴转速、 换刀等） 。 因此， 下游的 CNC 系统既无法获取更高层的设计要求 （如 公差、表面光洁度等），也无法得到与生成刀具轨迹有关的加工工艺参数。 1.3 数控仿真技术数控仿真技术 1) 计算机仿真的概念及应用计算机仿真的概念及应用 从工程的角度来看， 仿真就是通过对系

11、统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。 分析复杂 的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周期，并节约投资。计算机仿 真就是借助计算机， 利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。 它随着计算机技术的发展而迅速地 发展， 在仿真中占有越来越重要的地位。 计算机仿真的过程可通过图 1 所示的要素间的三个基本活动来 描述： 建模活动是通过对实际系统的观测或检测， 在忽略次要因素及不可检测变量的基础上， 用物理或数 学的方法进行描述， 从而获得实际系统的简化近似模型。 这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具 有相似性和对应性。 仿真模型是对系统的数学模型（简化模型）进

12、行一定的算法处理，使其成为合适的形式（如将数值 积分变为迭代运算模型）之后，成为能被计算机接受的“可计算模型”。仿真模型对实际系统来讲是一 个二次简化的模型。 仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。 仿真是通过实验来研究实际系统的一种技 术，通过仿真技术可以弄清系统内在结构变量和环境条件的影响。 数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程， 是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的 有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。 2)数控仿真技术数控仿真技术 数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。 为确保数控程序的正确性， 防止加工过程中干涉 和碰撞的发生，在实际生产中，常采用

13、试切的方法进行检验。但这种方法费工费料，代价昂贵，使生产11成本上升，增加了产品加工时间和生产周期。后来又采用轨迹显示法，即以划针或笔代替刀具，以着色 板或纸代替工件来仿真刀具运动轨迹的二维图形 （也可以显示二维半的加工轨迹） ， 有相当大的局限性。 对于工件的三维和多维加工，也有用易切削的材料代替工件（如，石蜡、木料、改性树脂和塑料等）来 检验加工的切削轨迹。但是，试切要占用数控机床和加工现场。为此，人们一直在研究能逐步代替试切 的计算机仿真方法，并在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向 提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。 从试

14、切环境的模型特点来看，目前 NC 切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真不 考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具-工件几何体的运动，以验证 NC 程序的正确 性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可 以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真 切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化切削过程的目的。 几何仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的， 包括定性图形显示和定量干涉验证两方 面。目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间

15、的方法和离散矢量求交法。直接实体造型法是指 工件体与刀具运动所形成的包络体进行实体布尔差运算，工件体的三维模型随着切削过程被不断更新， 实现三维仿真显示和分析。 2.2 2.2 CAMWorks 功能简介功能简介 1) 概述概述 CAMWorks 是一个集成于 Solidworks CAD 软件中的 CAM 软件产品。 以往提到 SolidWorks 只能把 它同优秀的 CAD 软件联系起来，因为 Solidworks 以前在 CAM 这方面比较薄弱，往往需要借助于其它 的CAM软件如DeskProto等， CAMWorks的产生使得SolidWorks摆脱了CAM上面的束缚。 CAMWork

16、s 将传统 CAD/CAM 软件中的计算机辅助加工编程方法与先进的人工智能技术完美集合，成为当今国际 上为数不多的优秀计算机辅助制造软件之一， 其中的技术思想正代表了现代计算机辅助制造软件开发研 究的主流发展方向。 CAMWorks 最为显著的贡献可以归纳为： 1. CAD 信息与 CAM 的完美集成，这不仅是图形意义上的信息传递，更重要的是在产品数据及特 征信息的继承。同时保留了 CAD 系统在操作界面上的一致性。 2. 应用特征识别技术大幅度提升 CAM 应用中的自动化和智能化。其中自动特征识别和人机交互 特征识别两种方式并存， 为用户在使用上提供了最快捷的工具和最灵活的应用空间。 这无疑对将企业效 益放在首位的制造业带来巨大收获。 3. 智能化的加工计划或加工顺序计算机辅助设计技术不仅将传统 CAM 编程的时间大大縮短，而 且将企业在制造工艺上的知识经验与 CAD/CAM 技术应用浑然一体。对缺乏应用经验和将时间看作金 钱的企业无疑将从中找到解决的途径。 4. 基于数据库