数控加工自动编程系统设计(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:吴竹溪,谢友宝,高延峰,余培红

出版社:航空工业出版社

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数控加工自动编程系统设计

数控加工自动编程系统设计试读:

前言

随着电子元器件、计算机、传感与检测、自动控制及机械制造等技术的不断发展,数字控制技术也得到了迅速的发展和广泛应用。数控机床是典型的机电一体化产品,是现代制造技术的重要组成部分。采用数控机床,提高机械工业的数控化率,是当前机械制造业技术改造、技术革新的必由之路。数控加工技术是柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)等先进制造技术的基础,它代表了整个机械制造业的发展方向,也是衡量一个国家工业化水平和综合实力的重要标志。而数控加工程序的编制又成为制约数控加工技术的发展、提高数控机床使用效率的重要因素,为了解决这一矛盾,需借助于计算机自动编制数控加工程序。

目前,有关数控加工自动编程系统设计方法的书籍非常少,此类专著国内也未曾见到。本书采用面向对象的计算机编程工具,同时也扩充了相关知识及内容,汇集了作者多年来的教学、科研成果以及针对多层次学生教学理论和实践的总结。

本书可作为机械类专业本科生和研究生的教材,也可作为从事数控技术、软件系统设计开发等工程技术人员的参考资料。

本书由南昌航空工业学院吴竹溪、谢友宝、高延峰、崔丽珍合作编写,由吴竹溪和谢友宝任主编,其中第一、四章由谢友宝完成,第二、三章及程序调试由吴竹溪和高延峰完成,崔丽珍在全书编排及插图方面做了大量的工作。

南昌航空工业学院聂秋根教授在本书的整个编写过程中给予了全面的指导,并担任了本书的主审,作者对此表示衷心的感谢。

由于作者水平有限,加之时间仓促,书中难免有不当之处,敬请有关专家和读者批评指正。编者2006年5月

第一章 数控技术基础

第一节 数控机床简介

一、数控机床的产生与发展

数字控制(Numerical Control,简称NC或数控)技术是一种自动控制技术,凡是在生产过程中应用数字信息操纵运行的生产设备,简称为数控设备,用数字信息控制的金属切削机床就叫数控机床。

1952年,美国帕森斯公司(Parsons)和麻省理工学院(MIT)合作研制成功了世界上第一台数控机床,它是一台三坐标数控铣床,用于加工直升机叶片轮廓检查用样板。这台数控铣床的计算与控制装置采用电子管元件组成的专用计算机,即逻辑运算与控制采用硬件连接电路。1955年,该类机床进入实用化阶段,在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。

1958年,我国开始研制数控机床,在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来,由于引进了国外数控系统与伺服系统,使我国的数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。目前,我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心。在数控技术领域,我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距,但这种差距正在逐步缩小。

数字控制机床(Numerical Control Machine Tool,简称NC机床)的产生较好地解决了复杂、精密、小批量零件的加工问题,满足了科学技术与社会生产日益发展的需要。NC机床与普通机床、自动与半自动化机床相比具有突出的优点。它不仅提高了加工精度和生产效率,同时也减轻了劳动强度,改善了劳动条件,更重要的是有利于生产管理和产品的更新换代。

计算机数字控制机床(Computer Numerical Control Machine Tool,简称CNC机床)也称现代数控机床,是20世纪70年代发展起来的一种新颖的数控设备。它是实现柔性自动化的关键设备和柔性自动化生产线的基本单元。现代数控机床是综合应用了计算机、自动控制、电气传动、精密测量、精密机械制造等技术的最新成果而发展起来的,它采用微处理器作为机床的数控装置,通过编制各种系统软件来实现不同的控制功能和加工功能。

自从世界上第一台数控机床诞生以来,经过短短数十年的发展,数控系统无论在内部结构还是在外观上都发生了急剧的变化。已经经历了五代的发展演变过程:第一代采用电子管、继电器,第二代采用晶体管分立元件,第三代采用集成电路,第四代采用小型计算机数控,1974年出现的第一台微处理器数控表明进入了第五代。数控机床的控制部分已从以硬件为主的数控装置,发展成为硬软件相结合的计算机数控系统。目前数控系统的可靠性日益提高,而且无论在国防工业或民用工业,数控技术的应用已相当普遍。

当前数控技术主要向着以下几个方向发展:

·计算机数控(Computer Numerical Control—CNC);

·计算机直接数控(Direct Numerical Control—DNC);

·自适应控制(Adaptive Control—AC);

·柔性制造系统(Flexible Manufacturing System—FMS);

·计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System—CIMS)。二、数控机床的分类

数控机床种类很多,如铣削类、钻铰类、车削类、磨削类、线切割、加工中心等(如图1-1所示)。其分类方法也很多,大致有以下几种。图1-1 常用数控机床1.按控制刀具与工件相对运动轨迹分类(1)点位控制(Point to Point Control)或位置控制(Positioning)数控机床

这类机床只能控制工作台从一个位置精确地移动到另一位置,在移动过程中不进行加工,各个运动轴可以同时移动,也可以依次移动,见图1-2(a),如数控镗床、钻床、冲床,数控点焊机及数控折弯机等均属此类。(2)轮廓控制(Contouring Control)数控机床

这类机床能够同时对两个或两个以上坐标轴进行连续控制,具有插补功能,工作台或刀具边移动边加工,见图1-2(b),图1-2(c),如数控铣床、车床、磨床及加工中心等都采用轮廓控制系统。2.按加工方式分类(1)金属切削类:如数控车床、钻床、镗床、铣床、磨床、加工中心等。(2)金属成形类:如数控折弯机、弯管机、四转头压力机等。(3)特殊加工类:如数控线切割、电火花、激光切割机等。(4)其他类:如数控火焰切割机、三坐标测量机等。3.按控制坐标轴数分类(1)两坐标数控机床:两轴联动、用于加工各种曲线轮廓的回转体,如数控车床。图1-2 点位控制及轮廓控制(2)三坐标数控机床:三轴联动,多用于加工曲面零件,如数控铣床、数控磨床。(3)多坐标数控机床:四轴或五轴联动,多用于加工形状复杂的零件。图1-3为两种不同类型的四轴联动数控机床。图1-3 不同类型的四轴联动数控机床4.按驱动系统的控制方式分类(1)开环控制(Open Loop Control)数控机床

开环控制数控机床的工作原理如图1-4所示。图1-4 开环控制数控机床的工作原理

这类机床不带位置检测反馈装置,通常使用功率步进电机或电液脉冲马达作为执行机构,数控装置输出的脉冲通过环形分配器和驱动电路,使步进电机转过相应的步距角,再经过减速齿轮带动丝杠旋转,最后转换为移动部件的直线位移。这类机床反应快,调试方便,比较稳定,维修简单。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正,步进电机的步距误差、齿轮与丝杠等的传动误差都将反映到被加工零件的精度中去,所以精度比较低。此类数控机床多为经济类机床。(2)闭环控制(Closed Loop Control)数控机床

这类机床带有位置检测反馈装置,位置检测装置安装在机床运动部件上,加工中将检测到的实际运行位置反馈到数控装置中,与输入的指令位置相比较,用差值对移动部件进行控制。闭环控制数控机床精度高。从理论上说,闭环系统的控制精度主要取决于检测装置的精度,但这并不意味着可以降低机床的结构与传动链的要求,传动系统的刚性不足及间隙、导轨的爬行等各种因素将增加调试的困难,严重时会使闭环控制系统的品质下降甚至引起振荡。故闭环系统的设计和调整都有较大的难度,此类机床主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精密车床和加工中心等。闭环控制数控机床的工作原理如图1-5所示。图1-5 闭环控制数控机床的工作原理(3)半闭环控制(Semi-Closed Loop Control)数控机床

半闭环控制数控机床与闭环控制不同的是,检测元件安装在电动机的端头或丝杠的端头。该系统不是直接测量工作台的位移量,而是通过检测丝杠或电动机轴上的转角间接地测量工作台的位移量,然后反馈给数控装置。显然,半闭环控制系统的实际控制量是丝杠的转动,而由丝杠转动变换为工作台的移动,不受闭环的控制,这一部分的精度由丝杠螺母(齿轮)副的传动精度来保证。其特点是比较稳定,调试方便,精度介于开环与闭环之间,因此被广泛采用。图1-6 台阶轴三、数控加工的特点1.数控加工过程

与一般加工方法相比,数控加工仅在控制方式上有所不同。例如加工图1-6所示的台阶轴,为了达到指定的工艺要求,需要对机床的动作进行控制,一是控制机床动作的先后次序,二是控制机床各运动部件的位移量。若在普通机床上加工此零件,刀具从起始位置接近工件,对加工面进行切削、快速退回等一系列的开车、停车、走刀、主轴变速等操作都是由人工直接控制的。若在数控车床上加工,首先根据零件图样,按规定的代码,将被加工零件的加工内容、尺寸和加工操作步骤等,即被加工零件的全部工艺过程、工艺参数和位移数据(称为数控加工程序),以数字指令信息形式记录在控制介质上,然后由控制介质将数字信息输入控制机,经过转化处理变成驱动伺服机构的指令信号,最后由伺服机构控制机床的各种动作,自动地加工出该台阶轴。由此可知,数控加工的方法是用控制机和伺服机构代替人的大脑和双手的部分功能,用数控加工程序控制全部加工过程,图1-7是用数控机床加工零件过程的示意图。虚线框中所包含的内容称为数控加工程序编制。图1-7 数控机床加工零件过程2.数控加工的特点

由于数控机床不断地完善和更新以及编程技术的迅速发展,使数控加工方法获得日益广泛的应用。这是因为数控加工方法与传统加工方法相比具有许多特点:(1)自动化程度高。在数控机床上加工零件时,除了手工装卸工件外,全部加工过程都由机床自动完成,这就减轻了操作者的劳动强度,改善了劳动条件。(2)对加工对象的适应性强。在数控机床上实现自动加工的控制信息是由控制介质提供,或以手工方式通过键盘输入控制机。当加工对象改变时,除了相应变换刀具和解决工件装夹方式外,只要重新编制零件的加工程序,便可自动加工出新的零件,不必对机床作任何复杂的调整。这样既省去许多专用工装、样板和标准样件,又缩短了生产准备周期。针对航空、航天产品改型频繁、试制周期短等特点,数控加工方法显现出独特的优越性。(3)加工精度高及加工质量稳定。数控加工的尺寸精度通常在0.005~0.1mm之间,不受零件形状复杂程度的影响。加工中消除了操作者的人为误差,提高了同批零件尺寸的一致性,使产品质量保持稳定。这为提高产品的装配质量和工作效率创造了有利条件,零件废品率大为降低。(4)具有高的生产效率。数控加工方法的效率高,一方面是由于数控机床具有高的自动化程度,另一方面是加工过程中省去了划线、多次装夹定位、检测等工序,有效地提高了生产效率。(5)易于建立计算机通信网络。由于数控机床是使用数字信息,易于与计算机辅助设计(CAD)系统连接,形成计算机辅助设计与制造紧密结合的一体化系统。

应当指出,数控加工技术的应用也有不利的因素,这就是数控机床价格昂贵、技术复杂、对机床维护与编程技术要求较高。为了提高数控机床的利用率,保持良好的经济效益,需要切实解决好加工程序编制、刀具供应、编程与操作维护人员的培训、机床附件和数控装置备件的订货等问题。

第二节 数控加工程序编制基础

普通机床的加工是由操作人员手动操作的,而数控机床的动作指令是由数控程序来控制的。数控程序的编制通常有三种途径:①手工编程;②用数控语言进行辅助编程;③用CAD/CAM软件进行计算机自动编程。要熟悉一个数控机床的控制系统,掌握手工编程方法是最为有效的途径。因为不论是用数控语言进行计算机辅助编程或是利用CAD/CAM软件进行计算机自动编程,输出的源程序或刀位文件都必须经过后置处理系统转换成机床控制系统规定的加工指令程序格式。所以,掌握手工编写加工指令程序的方法是数控编程人员的基本功。本节主要介绍手工编程的基础知识。对配备不同数控系统的机床,加工指令程序的格式可能会有所不同,但基本方法和步骤是相同的。一、数控加工程序编制步骤

数控机床是按事先编好的加工程序进行零件加工的,程序编制的好坏将直接影响零件的加工质量、生产效率和刀具寿命等。

所谓程序编制,就是程序员根据加工零件的图样和加工工艺,将零件加工的工艺过程、工艺参数、加工路线及加工中需要的辅助动作,如换刀、冷却、夹紧、主轴正反转等,按照加工顺序和数控机床规定的指令代码及程序格式编成加工程序单。这种把零件图样和加工工艺转换成加工指令并输入到数控装置的过程称为数控加工的程序编制。

程序编制一般包括五个步骤:1.分析零件图样,确定加工工艺

了解零件的几何形状尺寸、尺寸精度、形位公差、表面粗糙度以及热处理等技术要求,了解零件的材料、毛坯种类、加工性能、零件数量等。通过分析,确定零件的加工工艺。

加工工艺就是零件加工的方法和步骤。内容包括:确定加工方法,排列加工工序(包括毛坯制造、热处理和检验工序),确定定位装夹方法及进退刀位置、走刀路线和切削用量等。2.刀具运动轨迹的计算

数控机床对零件的加工是按照零件的几何图形分段进行的。编程前,需要对零件的几何图形进行分段,并根据所确定的工件坐标系,对几何元素之间的交点、切点及插补节点、圆心坐标等进行数值计算,以供编程时使用。3.编写加工程序单

按照已经确定的加工顺序、走刀路线、所用刀具、切削用量及辅助动作,按照所用数控机床的功能指令代码及程序段格式,逐段编写加工程序单。对于加工过程比较复杂的工件还应附上必要的加工示意图、刀具卡片和刀具布置图、机床调整卡、工序卡及必要的说明。4.程序输入

比较简单的或较短的程序可以用手工直接输入。比较复杂、比较长的程序需先脱机输入,检查无误后存入控制介质(磁盘、磁带或纸带)中,通过自动传输的方式,输入到数控装置中。5.程序校验和首件试切

输入的程序必须进行校验,校验的方法有:(1)起动数控机床,按照输入的程序进行空运转,即在机床上用笔代替刀具(主轴不转),坐标纸代替工件,进行空运转画图,检查机床运动轨迹的正确性。(2)在具有CRT屏幕图形显示功能的数控机床上,进行工件的模拟加工,检查工件图形的正确性。(3)用易加工材料(如塑料、木材、石蜡等)代替零件材料进行试切削。

对程序校验中发现的程序、坐标值、几何图形错误等必须进行修改,修改之后,必须进行首件试切。即用实际的零件毛坯、实际的刀具及切削用量进行实际切削检查。它不仅可以查出程序单和控制介质的错误,还可以知道加工精度、表面粗糙度是否符合要求。当发现尺寸超差时应分析原因,或修改程序、或改换调整刀具、或改变装夹方式、或进行尺寸补偿。首件试切成功后,才可以进行正式的切削加工。二、数控加工程序的结构与格式

一个完整的数控加工程序是由若干程序段组成,每个程序段是按照一定顺序排列、能使数控机床完成某特定动作的一组指令,每个指令都是由地址字符和数字组成,如G01表示直线插补指令,M03表示主轴顺时针旋转指令,X20.0表示X向的位移,F100表示刀具进给速度等。依靠这些指令,使刀具按直线或圆弧运动,控制主轴的旋转、起动,冷却液的开关,自动换刀装置和工作台交换装置的动作等。例如,某一加工程序:

%

O020

N001 G01 X80 Z-30 F0.2 S300 T0101 M03 LF

N002 X120 Z-60            LF

……

N125 GOO X500 Z200       M02 LF

这表示一个完整的加工程序,它由125个程序段按操作顺序排列而成。整个程序以%开始,以M02(或M30)作为程序的结束。每个程序段以序号N开头,用LF结束。具体说明如下:1.程序段格式

简单地说,程序段是由地址、符号、数字等组成。其中地址是由具有特定意义的字母表示(具体含义在后面说明);符号为数字前面的正负号±,+号可以省略。

在常用的控制系统中,程序段格式一般如下:

N_G_X_Y_Z_(或U_V_W_)I_J_K_(或R_)T_H_(或D_)S_M_F_LF2.程序格式

一个完整的程序必须由三部分组成,即:准备程序段、加工程序段和结束程序段。(1)准备程序段

准备程序段是程序的准备部分,必须位于加工程序段的前面,其内容包括:

①程序号:001~099或%,有的数控系统可以没有程序号;

②确定坐标值的输入方式:G90或G91;

③建立工件坐标系:G92或G54~G59中的任一个;

④刀具选取:T_或T_ _;

⑤主轴转速与旋转方向:S_、M03或M04;

⑥冷却液打开:M08;

⑦刀具快速定位:G00X_Y_;

G00Z_;(2)加工程序段

加工程序段是根据具体加工零件的加工工艺,按刀具轨迹编写的。(3)结束程序段

结束程序段一般包括以下内容:

①刀具快速回退到程序起点;

②主轴停转M05;

③冷却液关闭M09;

④取消刀具补偿G40或G49;

⑤程序结束代码M02或M30。

注意:

①当程序是以%开始时,程序的最后一行一般也应以%为结束标志。

②程序段的结束符号(LF、“;”、“*”、“$”、CR等)在一个程序中应保持统一。三、主要数控加工功能指令1.程序段序号

由字母N和其后几位数字组成,用来表示程序执行的顺序,用作程序段的显示和检索。2.准备功能字

准备功能字(也称G指令)由字母G和其后两位数字组成。G指令是与机床运动有关的一些指令,包括坐标系设定、坐标平面选择、坐标尺寸表示方法、插补、刀补、固定循环等方面的指令。ISO及我国有关标准中规定的G指令可参考ISO—1975以及JB 3208—1983。G代码有G00~G99共100种,下面列出一部分常用的G指令:

·插补类指令:G00(快速直线)、G01(直线)、G02(顺圆)、G03(逆圆)等;

·平面选择类指令:G17(XY平面)、G18(ZX平面)、G19(YZ平面);

·刀补类指令:G40(取消刀补)、G41(左刀补)、G42(右刀补);

·坐标方式指令:G90(绝对坐标)、G91(相对坐标);

·固定循环类指令:G80(取消固定循环)、G81~G89(各种循环)。3.坐标功能字

坐标功能字由坐标的地址代码、正负号、绝对坐标值或增量坐标值表示的数值等三部分组成,用来指定机床各坐标轴的位移量和方向。坐标的地址代码为:X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、I、J、K、A、B、C、D、E等。坐标的数量由插补指令决定,数值的位数由数控系统规定。4.进给功能字

进给功能字由字母F和其后的几位数字组成,表示刀具相对于工件的运动速度。进给速度常用的指定方法有直接指定法和时间倒数指定法。

直接指定法:在F后面按照规定的单位直接写出要求的进给速度,单位为mm/min。在加工螺纹时,进给速度为主轴每转的走刀量,单位为mm/r。

时间倒数指定法:这种指定法给出F后面的数字是刀具以一定的-1进给速度走完编程轨迹所用时间的倒数,单位为min。5.主轴转速功能字

主轴转速功能字由字母S和其后的几位数字组成,用以设定主轴速度。一般采用直接指定法,即在S后面直接写上要求的主轴速度,单位为r/min。6.刀具功能字

刀具功能字由字母T和其后的几位数字组成,用来指定刀具号和刀具长度补偿。不同的数控系统有不同的指定方法和含义,例如T10,表示可选择10号刀具,刀具长度补偿按10号数字拨盘所设定的数字进行补偿;又如T1012,表示选择10号刀具,按存储在内存中的12号补偿值进行长度补偿。7.辅助功能字

辅助功能字(也称M代码)由字母M和其后的两位数字组成,主要用于数控机床开关量的控制。如主轴的正、反转,冷却液通、断,程序结束等。ISO国际标准中,M代码有M00~M99共计100种,常用的M指令有:

·程序结束类:M00(程序暂停)、M01(计划停止)、M02(程序结束)等;

·主轴控制类:M03(主轴顺转)、M04(主轴逆转)、M05(主轴停止);

·冷却液控制类:M08(冷却液打开)、M09(冷却液关闭);

·程序调用:M98(调用子程序)、M99(子程序结束、返回主程序)。8.程序段结束符

程序段的末尾必须有一个程序段结束符号,ISO标准中为LF,EIA标准中为CR。

第三节 数控加工自动编程

由于手工编程效率低、精度低、周期长,特别是对于较复杂零件的数控加工,诸如非圆曲线与曲面等零件的加工,手工编程已无法胜任;而利用计算机进行自动编程则可以解决这些问题,即使一般简单零件的数控加工,若采用自动编程,也可大大提高编程效率与编程精度,因此自动编程在数控加工中占有越来越重要的位置。

所谓自动编程,就是借助于电子计算机及外围设备(如打印机、穿孔机、绘图仪等)完成数控加工程序的编制,并传送到数控装置或存入存储介质。下面分别介绍几种自动编程方法。一、语言式自动编程

采用语言式自动编程,编程人员根据图样要求,用一种书写比较简单直观的数控加工自动编程语言(简称数控语言),描述被加工零件加工部位的几何图形和加工过程的程序(称为零件的源程序),把它作为计算机的输入,其他工作如刀具中心轨迹的计算,数控加工程序的编制以及存储等均由计算机及外围设备自动完成,且可通过绘图仪或屏幕显示器绘制刀具中心轨迹图形,模仿机床加工以检查数控加工程序的正确性。所以自动编程既可以减轻劳动强度,缩短编程时间,又可提高编程精度,减少差错。图1-8所示是采用“数控语言程序”实现自动编程的过程。图1-8 采用“数控语言程序”实现自动编程的过程

书写零件源程序的数控语言是一套规定的基本符号以及用这些符号来描述零件几何形状和加工过程的规则,这些符号和规则接近于生产中使用的工艺术语和工艺规程。因此,用这种数控语言编写的零件源程序简单直观,易于为编程人员所掌握,编程速度也较快。国际上最流行的数控语言主要有美国的APT(Automatically Programmed Tools)语言。

用数控语言编写的零件源程序输入计算机之前,必须事先配备一套解释程序或编译程序(即数控软件),计算机才能对输入的源程序进行识别,并翻译成计算机能够计算、处理的可执行程序。这套数控软件是根据具体数控语言的要求,结合具体的计算机和数控机床,由人工编制的一套较宏大的计算机处理程序。有了这套程序,计算机才能把零件源程序处理成数控加工程序。

对自动编程系统的研制最早始于美国,1954年推出了APT Ⅰ系统;1958年推出了APT Ⅱ;1962年推出了APT Ⅲ;1970年推出了APT Ⅳ且一直沿用到现在。该系统对于各种类型的数控机床都能实现自动编程,但因其编译系统(数控软件)庞大,故只能在大型计算机上才能运行。随着小型机和微机的发展,各国相继发展了一些较为灵活、针对性较强的小型自动编程系统。如美国的ADAPT系统、日本的FAPT系统、德国的EXAPT系统、法国的IFAPT系统以及我国某高校研制的MPAPT系统。这些系统主要适用于2~21/2坐标的数控机床进行点位加工或轮廓加工的自动编程。

为了使大家对自动编程概念的理解更为完整与深入,下面以MPAPT系统为例,简单介绍其基本结构及其数控软件的工作流程。

该系统主要适用于对平面类零件轮廓的数控加工进行自动编程。系统以微机作为自动编程的主机,由MPAPT数控软件支持,其外部设备包括打印机、CRT终端显示器、绘图机、纸带穿孔机、纸带阅读机和数控机床控制装置。其结构如图1-9所示。图1-9 MPAPT系统结构

系统软件主要包含前置处理程序、图形显示程序、后置处理程序和机床仿真加工程序。数控加工程序编制人员根据待加工零件图样,用MPAPT语言编写出零件源程序,然后通过键盘输入计算机。输入的源程序由前置处理程序进行解释、处理,在解释与处理过程中发现错误,屏幕上会立即显示出错语句和错误类型,根据错误类型,对源程序进行修改,直到所有的源语句解释、处理完毕,即可得到刀位(Cutter Location—CL)文件。此后,编程员借助人机对话,可确定是否转入图形显示程序,经屏幕绘图,以验证刀具中心轨迹是否正确;亦可直接转入后置处理程序进行处理,以输出特定的数控机床加工时所需要的数控加工程序。数控加工程序生成后,可进一步转入机床仿真加工程序,以图形方式来验证数控加工程序的正确性,然后将数控加工程序存盘或启动穿孔机穿制数控加工纸带或通过专用接口直接传输给数控机床的控制装置。手工编制简单零件的数控加工程序或穿制的纸带也可通过键盘或纸带阅读机输入计算机进行仿真加工,以验证手工编制的加工程序或制作的纸带是否正确,再进行修改(若有错)、存盘、穿孔制带或直接传输给机床控制装置进行加工。

由上面可知,自动编程系统数控软件的处理过程是:先将数控软件调入计算机,然后将用数控语言书写的零件源程序输入计算机,计算机才能对源程序的语句依次进行处理,直到获得所要求的数控加工程序为止。从零件源程序到数控加工程序的具体处理过程主要分为两个阶段,即前置处理和后置处理。前置处理主要完成对源程序进行翻译和计算刀具中心轨迹,它与具体的数控机床无关,其输出内容为刀位文件,文件内容包括刀具中心轨迹数据和有关的加工参数(如进给量、主轴转速等)。但这些内容还不能作为数控机床的控制指令,因此,必须把它们转换成符合特定数控机床指令要求的加工程序或控制纸带。这部分工作是由后置处理来完成的。所以前置处理程序一般是通用的,而后置处理程序是专用的,针对不同的数控机床,其处理方法因指令或指令格式的不同而不同。

综上所述,前置处理程序的处理对象是用数控语言书写的源程序,输出的结果是刀位文件;而后置处理程序的处理对象是前置处理程序输出的刀位文件,输出的结果则是特定数控机床的加工程序。后置处理程序不仅可以前接某一前置处理系统的输出,也可前接其他方式计算后得到的刀具中心轨迹数据,如图1-10所示。图1-10 前接其他方式输出的后置处理过程

后置处理当然也可以与前置处理合在一起,但由于前置处理内容多,研制工作量大,如果它的应用只局限于某一种数控机床,经济上不合算。因此,把前、后置处理分开,即前置处理不针对具体的数控机床,只输出具有通用性的刀具中心轨迹数据和有关的加工工艺参数信息,而由后置处理把这些信息转换成具体的数控机床的加工程序或纸带。

前、后置处理程序本身也可以用某一计算机的机器指令来编写,但事先必须掌握该计算机的指令系统和基本结构。随着计算机高级程序语言的应用与推广,特别是由拥有数控机床的单位自己来配置后置处理程序,一般习惯采用高级语言来编写。一个较大的自动编程系统(如APT IV)可由上千个后置处理程序与它配合,因此,整个系统随着数控装置和机床的配置改变时,只需要更换后置处理程序,即可适用于不同数控机床的自动编程。

虽然后置处理程序的复杂程度远不如前置处理程序,但由于机床控制系统的品种繁多,而指令又不统一,因此往往需要针对不同的机床控制装置配置不同的后置处理程序,但具体的处理方法均大同小异。二、图形交互式自动编程

20世纪90年代以后,出现了CAD/CAM集成数控编程系统,该系统向集成化、智能化、网络化、并行化和虚拟化方向迅速发展。CAD/CAM集成系统数控编程,是以待加工零件的CAD模型为基础的集加工工艺规划与数控编程为一体的自动编程方法。适用于数控编程的零件CAD模型的描述方法主要有表面模型和实体模型。其中以表面模型在数控编程中应用较广。以表面模型为基础的CAD/CAM集成数控编程系统又称为图像数控编程系统。

CAD/CAM集成系统数控编程的主要特点是:零件的几何形状可在零件设计阶段采用CAD/CAM集成系统的几何设计模块在图形交互方式下进行定义、显示和修改,最终得到零件的几何模型。数控编程的一般过程包括刀具的定义或选择、刀具相对于零件表面的运动方式的定义、切削加工参数的确定、刀具轨迹的生成、加工过程的动态图形仿真、程序验证、后置处理等,一般都是在屏幕菜单即命令驱动图形交互方式下完成的,具有形象、直观和高效等优点。1.CAD/CAM集成系统自动编程的特点

CAD/CAM集成系统数控编程是一种全新的编程方法,与手工编程及APT语言编程比较,具有以下特点:(1)这种编程方法既不像手工编程那样需要用复杂的数学计算来算出各节点的坐标数据,也不需要像APT语言编程那样,用数控编程语言去编写描绘零件几何形状、加工走刀过程及后置处理的源程序,而是在计算机上直接面向零件的几何图形以光标指点、菜单选择、交互对话的方式进行编程,其编程结果也以图形的方式显示在计算机上。因此,该方法具有简单、直观、准确、便于检查等优点。(2)CAD/CAM集成系统自动编程软件常常是和相应的CAD软件有机地联在一起的一体化软件系统,该系统既可用来进行计算机辅助设计,又可以直接用设计好的零件图进行交互编程,对实现CAD/CAM一体化极为有利。(3)系统整个编程过程是交互进行的,这种交互方式的编程方法简单易学,在编程过程中可以随时发现问题并进行修改。(4)编程过程中图形数据的提取、节点数据的计算、程序的编制及输出都是由计算机自动进行的,因此编程的速度快、效率高、准确性好。(5)这些软件都是在通用计算机上运行的,不需要专用的编程机,因此便于普遍推广。2.CAD/CAM集成系统编程的基本步骤

迄今为止,图形交互方式自动编程软件的种类较多,软件功能以及面向用户的接口方式也各有不同,但从总体上看,编程的基本步骤大体一致,归纳起来分为五步:零件图样及加工工艺分析、几何造型、刀位轨迹的计算及生成、后置处理、程序输出。(1)零件图样及加工工艺分析

零件图样及加工工艺分析是数控编程的基础。CAD/CAM集成系统自动编程同手工编程、APT语言编程一样也首先进行这项工作。由于国内计算机辅助工艺过程设计(CAPP)技术还没有达到普及应用阶段,该项工作还不能完全由计算机承担。(2)几何造型

几何造型就是利用CAD/CAM集成系统自动编程软件的图形编辑功能,交互式地进行图形建构、编辑修改、曲线曲面造型等工作,将零件被加工部位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。这就相当于在APT语言编程中,用几何定义语句定义零件几何图形的过程。不同点在于它不是用语言,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。这些图形数据将作为下一步刀位轨迹计算的依据。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。(3)刀具轨迹的计算及生成

图形交互式自动编程系统的刀具轨迹的生成是面向屏幕的图形交互进行的。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。(4)后置处理

后置处理的目的是形成不同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。为了解决该问题,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。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,后置处理利用该文件处理输出符合数控加工格式要求的数控加工程序文件。(5)程序输出

由于CAD/CAM集成系统自动编程软件在编程过程中,可在计算机内自动生成刀位轨迹图形文件和数控指令文件,因此程序的输出可以通过计算机的各种外部设备进行。如使用打印机打印出数控加工程序单,并可在程序单上用绘图机绘制出刀具轨迹图。有标准通信接口的机床控制系统可以和计算机直接联机,由计算机将加工程序直接送至机床控制系统。三、实物编程

这种方法是利用待加工零件的样件或实物模型,通过数控机床的仿形测量装置或三坐标测量机测出其轮廓的几何尺寸,再由数控系统或通用计算机根据测量头的测量路线进行数据处理,然后由数控系统自动生成数控加工程序或由通用计算机输出数控加工程序,其工作流程见图1-11。图1-11 实物编程系统的工作流程

数控系统或通用计算机之所以能把测量的数据自动生成数控加工程序,是因为其内部配置了一套完成上述工作的转换程序,即实物自动编程系统软件。

在编程开始之前,测量装置的球头探棒相对样件或模型的初始位置与刀具加工零件的初始位置一致。若模型是实际尺寸,为了避免刀具中心轨迹的换算,所选用的探棒球头形状和尺寸应与实际加工中所使用的球头铣刀完全相同,探棒球头在样件或模型上移动的路线与加工零件时的走刀路线一致,测量装置测得的原始数据就是探棒球头的中心位置数据,经数控系统或通用计算机处理后便可获得数控加工程序。球头铣刀加工出来的零件外形与被测样件或模型的外形一模一样,当然测量装置的精度直接影响零件的加工精度。

用这种方法测量立体型面时,不需要计算曲面的法线,因球头铣刀的中心位置是由探棒球头的中心位置决定的。

有时待加工零件的模型不是实际尺寸,只需选用探棒球头半径与球头铣刀半径的比值等于模型与被加工零件半径的比值即可。例如模型是1:4的,选用半径为16mm的球头铣刀,那么选用的探棒球头的半径应为4mm,数控系统或通用计算机在处理所测数据时,将所有坐标值按4倍比例增大。

对于型面较大、精度要求较高的零件,测量的步距与行距则要求密集,故采集的数据相当多,自动生成的数控加工程序也相当长,若数控系统的内存有限,则应考虑分段处理。如果零件的曲面上有沟槽或凹陷,由于探棒不能深入,故使用这种方法也受到一定的限制。

第二章 数控加工自动编程语言及应用

利用数控语言实现自动编程的系统具有编制数控加工程序时间短、可靠性高、灵活性强等特点,编程时只需采用数控语言编写出零件源程序,由前置处理程序处理后,接上不同的后置处理程序就可以编制出各种特定数控机床的加工程序。数控语言书写简单、直观,特别是某些功能较强的语言编程系统,如APT Ⅳ能描述自由曲面的形状和方便地算出连续切削的刀具中心轨迹,而且当机床直角坐标轴X、Y、Z和旋转轴A、B、C联动时,也总能保持刀具轴线始终垂直于曲面的表面。

数控语言种类繁多,但流传最广且最有代表性的语言要算APT语言,而APT语言本身的版本很多,内容也十分丰富,其专用词汇就有400多个,并且在不断地进行修改和扩充。所以这里只能介绍APT语言基本语句的结构和使用方法,对于编制诸如多轴加工曲面的APT语言程序,可参见有关的APT系统随机资料。下面介绍的MPAPT语言,是从APT语言中精选了某些语句,以够用为度,组成了一个APT语言子集。其语句的书写方法是以APT语言为基础,结合了微型计算机和加工对象的特点,并设置了少量针对性较强的循环加工语句。且语句的书写形式增加了一种符号方式,即源程序不仅可按APT语句原词汇方式书写,而且又可按简化的符号方式书写,或两者交叉使用。因而使源程序书写更为方便,更适合我国一般编程人员(特别是对英语词汇不甚了解的编程员)的习惯。

第一节 MPAPT语言

为了对使用MPAPT语言书写零件源程序建立一个感性认识,下面给出了一个简单零件的源程序引例。图2-1是被加工零件的简图(厚12mm),源程序清单见表2-1。图2-1 被加工零件简图表2-1 源程序清单(引例)

从表2-1引例可以看出,用MPAPT语言书写零件源程序所包含的主要内容、书写顺序和各组成部分的概略情况;并可知道该零件的源程序主要由三部分内容所组成,即定义零件几何图形的几何定义语句,描述刀具运动轨迹的刀具运动语句和指定机床加工工艺参数的工艺参数及辅助语句等。实际上无论哪一种零件的源程序主要是由上述几部分内容所构成,其中最重要的是几何定义语句和刀具运动语句。一、几何定义语句

几何定义语句是用于描述被加工零件部位的几何形状。用MPAPT语言编程时,首先必须定义工件被加工部位的几何形状,然后描述刀具沿着已由几何定义语句所定义的工件表面运动,故几何定义语句必须写在运动语句之前。一个几何元素往往可以用多种方式来定义,所以在编写源程序时,编程人员应根据零件图样给出的数据,选择最方便的定义方式来描述几何元素。

APT语言中定义的几何元素类型有10多种,有的系统还能定义复杂的自由曲面。而MPAPT语言主要是针对由点、线、圆或列表曲线组成的平面类零件的轮廓加工。下面主要介绍常用的点、线、圆和列表曲线这四种类型的几何元素的定义。几何定义语句的一般形式为〈几何元素名(标识符)〉=〈几何元素类型〉/〈定义方式〉

几何元素名以标识符形式给出,一般由编程员自己确定。但习惯上对点、线、圆和列表曲线的标识符通常分别用字母P、L、C和T打头,后跟1~2个字母或数字表示。

几何元素类型与标识符相对应,即POINT、LINE、CIRCLE和TABCYL(APT语言专用词),或采用该专用词的头一个字母P、L、C和T表示。

定义方式是指给出几何元素的方式,定义方式必须准确、完整和唯一地确定几何元素。定义方式多种多样,可以是定量的位置数据,也可以是前面已定义的几何元素名以及其他的APT词汇。

下面分别介绍MPAPT语言上述四种类型的几何定义语句以及语句中最常用的几种定义方式。(一)点的定义

所定义的点是表示平面内某一点的位置,常用的几种定义方式如下。

1.用已知直角坐标值定义点,如图2-2所示,其格式为:

    Symbol=POINT/x;y

或简写为:Symbol=P/x;y例:PT=POINT/10;5

2.用已知两相交直线定义点,如图2-3所示,其格式为:

    Symbol=POINT/INTOF;Line1;Line2

或简写为:Symbol=P/I;Line1;Line2图2-2 直接给出点坐标图2-3 直线与直线相交

例:P1=POINT/INTOF;L1;L2

  P2=POINT/INTOF;L2;L3

  P3=POINT/INTOF;L1;L3

3.用已知直线与已知圆相交定义点,如图2-4所示,其格式为:

或简写为:;I;Line;Circle

其中大括号中的修饰词根据两交点情况选择其中之一。

例:P1=POINT/XSMALL;INTOF;L1;C1

  P2=P0INT/XLARGE;INTOF;L1;C1

  P3=POINT/YSMALL;INTOF;L2;C1

  P4=POINT/YLARGE;INTOF;L2;Cl

4.用已知两相交圆定义点,如图2-5所示,其格式为:图2-4 直线与圆相交图2-5 圆与圆相交

或简写为:;I;Circle1;Circle2

例:P1=POINT/YSMALL;INTOF;C1;C2

  P2=POINT/YLARGE;INTOF;C1;C2

  P3=POINT/XSMALL;INTOF;C1;C3

  P4=POINT/YSMALL;INTOF;C1;C3

  P5=POINT/XSMALL;INTOF;C2;C3

  P6=POINT/XLARGE;INTOF;C2;C3

5.用已知圆的圆心定义点,如图2-6所示,其格式为:

或简写为:Symbol=P/C;Circle

  CENTER——圆心。

例:P1=POINT/CENTER;C1

6.用已知该点极坐标定义点,如图2-7所示,其格式为:图2-6 给出已知圆图2-7 给出极坐标

  Symbol=POINT/RTHETA;D;θ

或简写为:Symbol=P/R;D;θ

  RTHETA——向径;

  D—模;

  θ—表示与X轴的夹角,逆时针方向为正,顺时针为负,按“°”计量。

例:P2=POINT/RTHETA;40;30(二)直线的定义

所定义的直线被认为是平面内一条无限长的直线,常用的几种定义方式如下。

1.用已知两点定义直线,如图2-8所示,其格式为:Symbol=LINE/x1;y1;x2;y2

与   Symbol=LINE/Point1;Point2

或简写为:Symbol=L/x1;y1;x2;y2

     Symbol=L/Point1;Point2

例:L1=LINE/2;3;7;1

  L2=LINE/P1;P2

2.用过已知点且与X轴成某一角度定义直线,如图2-9所示,其格式为:图2-8 直接给出两点坐标或两已知点图2-9 已知线上一点及其斜率Symbol=LINE/Point;ATANGL;θ

或简写为:Symbol=L/Point;A;θ

  ATANGL——夹角。

例:L1=LINE/P1;ATANGL;130 或 L1=LINE/P1;ATANGL;-50

  L2=LINE/P2;ATANGL;40 或 L2=LINE/P2;ATANGL;-140

3.用过已知点且与已知直线成某一角度定义直线,如图2-10所示,其格式为:

     Symbol=LINE/Point;ATANGL;θ;Line

或简写为:Symbol=L/Point;A;θ;Line

例:L1=LINE/P1;ATANGL;-60;LIN

  L2=LINE/P2;ATANGL;40;L1

4.用与已知直线平行并相距某一距离定义直线,如图2-11所示,其格式为:图2-10 已知线上一点及与某直线夹角图2-11 与某直线平行并相距给定的距离

或简写为:Symbol=L/P;Line;;d

   PARLEL——平行。

例:L1=LINE/PARLEL;LIN;XSMALL;2

  L2=LINE/PARLEL;LIN;YLARGE;1

5.用过已知点且与已知圆相切定义直线,如图2-12所示,其格式为:

或简写为:Symbol=L/Point;;T;Circle

  RIGHT/LEFTTANTO——右/左切的意思,以点到圆心的方向为准来确定RIGHT或LEFT。

例:L1=LINE/P1;LEFT;TANTO;C1

  L2=LINE/P1;RIGHT;TANTO;C1

  L3=LINE/P2;RIGHT;TANTO;C1

  L4=LINE/P2;LEFT;TANTO;C1

6.用与已知两圆相切定义直线,如图2-13所示,其格式为:

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