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1、第8章 图形交互式自动编程应用,图形交互式自动编程应用,图形交互式自动编程概述典型零件CAD/CAM实例,8.1 图形交互式自动编程概述,图形交互式自动编程的基本概念CAD/CAM集成数控编程系统的原理与应用,一、图形交互式自动编程的基本概念,计算机辅助数控编程技术主要体现在两个方面，即用APT（Automatically Programmed Tool）语言自动编程和用CAD（计算机辅助设计）/CAM（计算机辅助制造）一体化数控编程语言进行图形交互式自动编程。APT语言是用专用语句书写源程序，将其输入计算机，由APT处理程序经过编译和运算，输出刀具轨迹，然后再经过后置处理，把通用的刀位数据转
2、换成数控机床所要求的数控指令格式。采用APT语言自动编程可将数学处理及编写加工程序的工作交给计算机完成，从而提高了编程的速度和精度，解决某些手工编程无法解决的复杂零件的编程问题。然而，这种方法也有不足之处。由于APT语言是开发得比较早的计算机数控编程语言，而当时计算机的图形处理功能不强，所以必须在APT源程序中用语言的形式去描述本来十分直观的几何图形信息及加工过程，再由计算机处理生成加工程序，致使这种编程方法直观性差，编程过程比较复杂且不易掌握，编制过程中不便于进行阶段性检查。,图形交互式自动编程的基本概念,CAD/CAM集成数控编程普遍采用图形交互自动编程方法，通过专用的计算机软件来实现。这
3、种软件通常以机械计算机辅助设计（CAD）软件为基础，利用CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程模块，采用人机对话的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位，再输入相应的加工参数，计算机就可自动进行必要的数学处理并编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。很显然，这种编程方法与手工编程和用APT语言编程相比，具有速度快、精度高、直观性好、使用简单、便于检查等优点。20世纪90年代中期以后，CAD/CAM集成数控编程系统向集成化、智能化、网络化、并行化和虚拟化方向迅速发展。,二、CAD/CAM集成数控编程系统的原理与应用,1.
4、CAD/CAM集成数控编程系统的原理CAD/CAM集成数控编程是以待加工零件CAD模型为基础的一种集加工工艺规划（Process Planning）及数控编程为一体的自动编程方法。其中零件CAD模型的描述方法很多，适用于数控编程的方法主要有表面模型（Surface Model）和实体模型（Solid Model），其中表面模型在数控编程应用中较为广泛。以表面模型为基础的CAD/CAM集成数控编程系统习惯上称为图像数控编程系统。,CAD/CAM集成数控编程系统的原理,CAD/CAM集成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
5、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、进给轨迹的生成、加工过程的动态图形仿真显示、程序验证直到后置处理等，一般都是在屏幕菜单及命令驱动等图形交互方式下完成的，具有形象、直观和高效等优点。,CAD/CAM集成数控编程系统的原理,与以表面模型为基础的数控编程方法相比，以实体模型为基础的数控编程方法较为复杂。基于表面模型的数控编程系统一般仅用于数控编程，也就是说，其零件的设计功能（或几何造型功能）是专为数控编程服务的，针对性很强，易于使用，典型的软件系统有MasterCAM、SurfCAM等数控编程系统
6、，其编程原理和过程如图8.1（a）所示。而基于实体模型的数控编程系统则不同，其实体模型一般都不是专为数控编程服务的，甚至不是为数控编程而设计的。因此，为了用于数控编程往往需要对实体模型进行可加工性分析，识别加工特征（Machining Feature）（加工表面或加工区域），并对加工特征进行加工工艺规划，最后才能进行数控编程，其中每一步可能都很复杂，需要在人机对话方式下进行，其数控编程的原理与过程如图8.1（b）所示。,CAD/CAM集成数控编程系统的原理,CAD/CAM集成数控编程系统的原理与应用,2.CAD/CAM集成数控编程系统的组成一个集成化的CAD/CAM数控编程系统，一般由几何造型
7、、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀具轨迹验证、后置处理、图形显示、几何模型内核、运行控制及用户界面等组成，如图8.2所示。整个系统的核心是几何模型内核。,CAD/CAM集成数控编程系统的组成,在几何造型模块中，常用的几何模型包括表面模型（Surface Model）、实体模型（Solid Model）和加工特征单元模型（Machined Feature Model）在集成化的CAD/CAM系统中，应用最为广泛的几何模型表示方法是边界表示法（B-Rep：Boundary Representation）和结构化实体几何法（CSC：Constructive Solid Geometry）。在现代CAD
8、/CAM系统中，最常用的几何模型内核主要有两种，Parasolid和ACIS。,CAD/CAM集成数控编程系统的组成,多轴刀具轨迹生成模块直接采用几何模型中加工（特征）单元的边界表示模式，根据所选用的刀具及加工方式进行刀位计算，生成数控加工刀具轨迹。刀具轨迹编辑根据加工单元的约束条件对刀具轨迹进行裁剪、编辑和修改。刀具轨迹验证一方面检验刀具轨迹是否正确，另一方面检验刀具是否与加工单元的约束面发生干涉和碰撞，其次是检验刀具是否啃切加工表面。图形显示贯穿整个设计与加工编程过程的始终。用户界面提供给用户一个良好的操作环境。运行控制模块支持用户界面所有的输入方式到各功能模块之间的接口。,CAD/CAM
9、集成数控编程系统的组成,CAD/CAM集成数控编程系统的原理与应用,3.CAD/CAM集成数控编程系统的应用（1）熟悉系统的功能与使用方法全面了解系统的功能和使用方法有助于正确运用该系统进行零件数控加工程序编制。1）了解系统的功能框架 首先，应了解CAD/CAM集成数控编程系统的总体功能框架，包括造型设计、二维工程绘图、装配、模具设计、制造等功能模块，以及每一个功能模块所包含的内容，特别应关注造型设计中的草图设计、曲面设计、实体造型以及特征造型的功能，因为这些是数控编程的基础。,CAD/CAM集成数控编程系统的应用,2）了解系统的数控加工编程能力 一个系统的数控编程能力主要体现在以下几个方面：
10、适用范围：车削、铣削、线切割等。可编程的坐标数：点位、二坐标、三坐标、四坐标及五坐标。可编程的对象：多坐标点位加工编程、表面区域加工编程（是否具备多曲面曲域的加工编程）、轮廓加工编程、曲面交线及过渡区域加工编程、型腔加工编程、曲面通道加工编程等。有无刀具轨迹的编辑功能，有哪些编辑手段，如刀具轨迹变换、裁剪、修正、删除、转置、匀化（刀位点加密、浓缩和筛选）、分割及连接等。有无刀具轨迹验证功能，有哪些验证手段，如刀具轨迹仿真、刀具运动过程仿真、加工过程模拟和截面法验证等。,CAD/CAM集成数控编程系统的应用,3）熟悉系统的界面和使用方法 通过系统提供的手册示例或教程，熟悉系统的操作界面和风格，掌
11、握系统的使用方法。4）了解系统的文件管理方式 零件的数控加工程序是以文件形式存在的。在实际编程时，往往还要构造一些中间文件，如零件模型（或加工单元）文件、工作过程文件（日志文件）、几何元素（曲线、曲面）的数据文件、刀具文件、刀位原文件、机床数据文件等。在使用之前应熟悉系统对这些文件的管理方式以及它们之间的关系。,CAD/CAM集成数控编程系统的应用,（2）零件图及加工工艺分析1）分析待加工表面 一般来说，在一次加工中，只需对加工零件的部分表面进行加工，主要内容有：确定待加工表面及其约束面，并对其几何定义进行分析，必要时需对原始数据进行一定的预处理，要求所有几何元素的定义具有惟一性。2）确定加工
12、方法 根据零件毛坯形状及其约束面的几何形态，并根据现有机床设备条件，确定零件的加工方法及所需的机床设备和工夹量具。,CAD/CAM集成数控编程系统的应用,3）选择合适的刀具 可根据加工方法和加工表面及其约束面的几何形态选择合适的刀具类型及刀具尺寸。但对于某些复杂曲面零件，则需要对加工表面及其约束面的几何形态进行数值计算，根据计算结果才能确定刀具类型和刀具尺寸，这是因为，对于一些复杂曲面零件的加工，希望所选择的刀具加工效率高，同时又希望所选择的刀具符合加工表面的要求，且不与非加工表面发生干涉或碰撞。不过，在某些情况下，加工表面及其约束面的几何形态数值计算很困难，只能根据经验和直觉选择刀具，这时，
13、便不能保证所选择的刀具是合适的，在刀具轨迹生成之后，需要进行一定的刀具轨迹验证。4）确定编程原点及编程坐标系 一般根据零件的基准面（或孔）的位置以及待加工表面及其约束面的几何形态，在零件毛坯上选择一个合适的编程原点及编程坐标系（也称工件坐标系）。5）确定加工路线并选择合理的工艺参数。,CAD/CAM集成数控编程系统的应用,（3）几何造型对待加工表面及其约束面进行造型是数控加工编程的第一步。对于CAD/CAM集成数控编程系统来说，一般可根据几何元素的定义方式，在前述零件分析的基础上，对加工表面及其约束面进行几何造型。几何造型就是利用计算机辅助编程软件的图形绘制、编辑修改、曲线曲面造型等有关指令将
14、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的图形数据文件，作为下一步刀位轨迹计算的依据。,CAD/CAM集成数控编程系统的应用,（4）刀具轨迹生成计算机辅助编程的刀具轨迹生成是面向屏幕上的图形交互进行的。一般可在所定义的加工表面（或加工单元）上确定其外法向矢量方向，并选择一种进给方式，根据所选择的刀具（或定义的刀具）和加工参数，系统将自动生成所需的刀具轨迹。所要求的加工参数包括：安全平面、主轴转速、进给速度、线性逼近误差、刀具轨迹间的残留高度、切削深度、加工余量、进刀/退刀方式等。当然，对于某一加工方式来说，可能只要求其中的部分加工参数。刀具轨迹生成后，
15、若系统具备刀具轨迹显示及交互编辑功能，则可以将刀具轨迹显示出来，如果有不妥之处，可在人机交互方式下对刀具轨迹进行适当的编辑与修改。刀具轨迹计算的结果存放在刀位原文件中（.cls）。,CAD/CAM集成数控编程系统的应用,（5）刀具轨迹验证如果系统具有刀具轨迹验证功能，对于可能过切、干涉与碰撞的刀位点，采用系统提供的刀具轨迹验证手段进行检验。需要说明的是，对于非动态图形仿真验证，由于刀具轨迹验证需要大量应用曲面求交算法，计算时间较长，最好是在批处理方式下进行，检验结果存放在刀具轨迹验证文件中，供分析和图形显示用。（6）后置处理后置处理的目的是形成数控指令文件。由于各种机床使用的控制系统不同，所以
16、所用的数控指令文件的代码及格式也有所不同。为解决这个问题，软件通常设置一个后置处理文件。在进行后置处理时，应根据所选用的数控系统，调用其机床数据文件，运行数控编程系统提供的后置处理程序，将刀位原文件转换成适应该数控系统的加工程序。,8.2 典型零件CAD/CAM实例,本节通过实例，介绍如何应用MasterCAM X2系统进行计算机辅助设计与制造。1.加工的一般流程MasterCAM系统加工的一般流程是：利用CAD模块设计产品的3D模型，利用CAM模块产生NCI文件，通过POST后处理产生NC文件（数控设备可以执行的代码）。2.加工的工作原理下面通过一个加工实例来向用户阐述MasterCAM X
17、2系统加工的工作原理，主要包括如何产生合理的刀具路径，选择合适的POST后处理器产生NC程序，以及分析NC程序所代表的意义，以便用户可以快速掌握和使用系统的加工命令。,典型零件CAD/CAM实例,根据图8.3所示为加工的几何图形对象，具体操作步骤如下：（1）执行菜单栏中的FileOpen命令，打开文件“LI.MCX”，如图8.3所示。,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,（6）在如图8.8所示的刀具栏中选择8平铣刀，在设置刀号Tool#为1，长度补偿号Len.为1，半径补偿号Dia.为1，平
18、面进给率Feed rate为300，进刀速率Plunge为100，转速Spindle为2000，退刀速率Retract为1500。,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,典型零件CAD/CAM实例,程序补充说明：1）程序中A0表示X轴无旋转，绕X轴旋转时，指令为A1；绕Y轴旋转时，指令为B1；绕Z轴旋转时，指令为C1。2）程序初始化，包括系统自动选择XY平面为加工平面（G17），取消刀具半径补偿（G40），取消刀具长度补偿（G49），取消指令循环（G80）。3）指令G0为快速点定位，G1为直线插补指令，G2为顺圆弧插补指令，G3为逆圆弧插补指令，G43为刀具长度补偿指令，H1为长度补偿寄存器号，G90为绝对坐标指令，G91为相对坐标指令，G28为返回参考点指令，M6为换刀指令，M3为主轴正转，M5为主轴停止指令，M30为程序结束指令。（12）关闭NC程序编辑器。,
