第五章数字化制造

第一节数控加工编程技术基础 第二节数字化制造技术及应用第三节数字化制造管理第五章数字化制造

数字化制造数控加工编程技术基础 一、数控机床坐标系统 1.数控机床坐标系统命名: ISO841标准规定,数控机床采用笛卡儿右手直角坐标系。直线运动坐标轴：X、Y、Z 回转运动坐标轴：A、B、C

数字化制造数控加工编程技术基础 数控机床坐标定义前提: 假设工件不动，刀具相对工件运动 Z轴：与主轴平行，工件尺寸增大方向为正方向；多主轴时，使用最多的为Z轴；无主轴时，垂直于工件装夹面坐标轴为Z轴。 X轴：与工件装夹面平行，水平且与Z轴垂直车床－沿工件径向，离开工件轴线方向为正向铣床－立式：由主轴向立柱看，右手方向为正向卧式：由主轴向工件看，右手方向为X轴正向

数字化制造数控加工编程技术基础 +Z +X 卧式铣床

数字化制造数控加工编程技术基础 +Z Y 双立柱龙门机床：从刀具向左立柱看，右手方向为X轴正方向。 +X

数字化制造数控加工编程技术基础 Y轴：已知Z、X轴，根据右手法则确定Y坐标正方向。 A、B、C轴：分别绕X、Y、Z轴右螺旋前进方向 WILLEMIN公司主轴可摆动的五轴加工中心

2.机床坐标系MCS 坐标原点：由机床厂商设定的固有坐标点，通常是以机床上固定基准线/基准面或与之距离确定。如立式数控铣床原点设定于主轴中心线与工作台交点，其位置由至工作台两个侧面给定距离设定。 3.工件坐标系WCS 为编程方便，可通过G代码设定，可设置多个工件坐标系。数控加工中的刀具运动轨迹一般是以工件坐标系WCS进行计算的。数字化制造数控加工编程技术基础

数字化制造数控加工编程技术基础 Z轴 Y轴 X轴 Z 轴偏置量机床原点 Y轴偏置量 X轴偏置量工件原点立式数控机床的坐标系

数字化制造数控加工编程技术基础 二、数控程序格式及其相关的代码 1.数控程序格式目前最普遍采用是字地址格式形式： N6 G2 X±5.3 Y±5.3 Z±5.3 F±4.3 S4 T4 M2 其中：N－程序顺序号字； G－准备功能字； X（Y，Z）－坐标尺寸； F－进给速度功能字； S－主轴转速功能字； T－刀具功能字； M－辅助功能字。

ISO1056标准规定的准备功能G指令 数字化制造数控加工编程技术基础代码功能代码功能代码功能 G00 点定位 G41 左侧刀具补偿 G80 取消固定循环 G01 直线插补 G42 右侧刀具补偿 G81 钻孔循环 G02 顺时针圆弧插 G43 左刀具偏置 G82 钻或扩孔循环 G03 逆时针圆弧插补 G44 右刀具偏置 G83 钻深孔循环 G04 暂停 G45~G52 用于刀具补偿 G84 攻丝循环 G05 不指定 G53 取消直线偏移 G85 镗孔循环1 G06 抛物线插补 G54 X轴直线偏移 G86 镗孔循环2

ISO1056标准规定的辅助功能M指令 代码功能代码功能代码功能数字化制造数控加工编程技术基础 M00 程序停止 M15 正向快速移动 M49 速度修正失效 M01 计划结束 M16 反向快速移动 M50 3号冷却液开 M02 程序结束 M17-M18 不指定 M51 4号冷却液开 M03 主轴顺时针转动 M19 主轴定向停止 M52-M54 不指定 M04 主轴逆时针转动 M20-M29 永不指定 M55 直线位移到位置1 M05 主轴停止 M30 纸带结束 M56 直线位移到位置2 M06 换刀 M31 互锁机构失效 M57-M59 不指定

数字化制造数控加工编程技术基础 工艺分析数值计算 NC程序编辑 NC程序输入首件试切零件图修改三、数控编程方法及其实现 1.手工编程手工编程特点：不需辅助工具，效率低、出错率高，难以对复杂零件编程。

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 PARTNO 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等数字化制造数控加工编程技术基础 2.数控语言自动编程

数字化制造数控加工编程技术基础 数控语言零件源程序零件图样程序员输入编译数值处理刀位文件 CLDATA 后置处理穿孔纸带磁盘 RS232C 机床加工计算机特点：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。

CAD/CAM系统数控编程原理 数字化制造数控加工编程技术基础 3.CAD/CAM系统自动编程 CAM模块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 CAD造型加工参数库刀具库材料库

数字化制造数控加工编程技术基础 几种数控编程方法的比较

数字化制造数控加工编程技术基础 δ 三、数控编程中的刀位计算 1.非圆曲线刀位点计算 • 直线段逼近: 有等间距法、等弦长法和等误差法 • (1) 等间距法—以相等的某自变量步长计算离散点。 • 关键问题：如何根据允许误差δ确定步长Δx

数字化制造数控加工编程技术基础 (2)等弦长法--所有逼近线段的弦长相等关键问题：以轮廓曲线最小曲率半径处的逼近误差最大δmax确定弦长，保证δmax < δ允。 δ允

数字化制造数控加工编程技术基础 (3)等误差法—每个直线段的逼近误差相等求取方法：以曲线起点为圆心，以允许误差δ允为半径作圆，求取该圆与曲线的公切线，过圆心作公切线的平行线交曲线于b点，则b点即为所求节点。

各直线逼近方法比较 数字化制造数控加工编程技术基础

数字化制造数控加工编程技术基础 2.球头铣刀行距和步长的确定平面加工 H（残留高度）< Ra（粗糙度）

数字化制造数控加工编程技术基础 曲面加工 R-曲面曲率半径；r刀-刀头半径；H-残留高度。

数字化制造数控加工编程技术基础 3.曲面加工中的刀位计算参数曲面参数域截面线：参数曲面P(u,v)的任意平面截面线为平面曲线。等参数曲线：固定某参数不变所得到的曲线，如P(u,v0)、P(u0,v) 。

数字化制造数控加工编程技术基础 曲面加工方法等参数曲线法：刀具沿u向或v向等参数线切削加工方法，特点处理速度快。

数字化制造数控加工编程技术基础 任意切片法：刀具沿一组平行平面截交线切削加工方法，特点处理计算耗时长。

数字化制造数控加工编程技术基础 等高线法：刀具由高到低沿一组水平平面截交线切削加工方法，特点耗时最长。

数字化制造数控加工编程技术基础 4.平面型腔零件加工刀位点的计算型腔加工方法：有行切法和环切法行切走刀路线 a)往返走刀 b)单向走刀平面型腔简图

数字化制造数控加工编程技术基础 环切法:是环绕型腔边界进行切削加工方法。 • 刀位计算步骤： • 型腔轮廓边界定义，外环顺时针走向，内环逆时针走向； • 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。

数字化制造数控加工编程技术基础 偏置环干涉处理方法 a)外轮廓偏置环自相交 b) 外偏置环与内偏置环互交 c) 多个内偏置环互交

数字化制造数控加工编程技术基础 外偏置环自交岛屿偏置环自交保留顺时针走向环去除逆时针走向环

数字化制造数控加工编程技术基础 5.刀具干涉检验数控加工两带直角平面的过切现象。加工水平面时，应将垂直面作为检查面；加工垂直面时，应将水平面作为检查面。否则将可能造成过切现象。

数字化制造数控加工编程技术基础 刀具运动方向的干涉检查在刀具运动方向上，系统比较曲率半径和刀具半径大小，若后者大，则修改刀具轨迹可避免过切。该方法不检查非运动方向上的干涉。

数字化制造数控加工编程技术基础 全方位干涉检查将零件表面离散成一个个小曲面片(Patch)，验算刀具中心到小曲面片距离，进行干涉检查。曲面平坦，检测点少曲面曲率变化大测点多

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数字化制造数字化制造技术及应用 一、CAD/CAM系统数控编程作业过程 1.数控加工工艺方案设计包括：毛坯设计、刀具选用、走刀路线、初始点、起刀点以及安全平面的确定等内容。

数字化制造数字化制造技术及应用 （1)毛坯的设计可定义最小包容矩形块；加工型面等距面；调用已有三维几何实体。矩形方块毛坯

（2）刀具的选用 粗加工：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，刀具直径尽可能选大。精加工：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，尽量选择圆角铣刀，而少用球头刀。刀具直径选择：先用大直径刀具完成大部分余量的加工，再用小直径刀具进行清角或局部加工。数字化制造数字化制造技术及应用

数字化制造数字化制造技术及应用 （3）走刀路径的确定走刀路线确定原则：－获得良好的加工精度和表面加工质量；－较短的走刀路线，较少的空程时间，以提高加工效率；－刀位点计算容易，减少计算工作量，以提高编程效率。直母线走刀-好沿横截面线走刀-不好加工路线确定实例

数字化制造数字化制造技术及应用 型腔零件加工路线 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

数字化制造数字化制造技术及应用 走刀角度 a)水平走刀-不好 b)沿最长路径角度走刀-好

数字化制造数字化制造技术及应用 走刀路线粗精加工时的考虑粗加工：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。单向切削双向切削

数字化制造数字化制造技术及应用 （4）初始点、起刀点和安全平面的确定刀具运动过程

（5）进退刀方式 粗加工：主要考虑刀具切削刃强度和机床功率；精加工：主要考虑被加工表面质量,不留进刀痕。数字化制造数字化制造技术及应用 • 一般原则： • 轮廓粗铣－起刀点放在工件外； • 型腔铣－可预钻工艺孔； • 斜角切入加工型腔加工时斜角切入

数字化制造数字化制造技术及应用 粗加工分层切削：第1层切深小一些，后续各层以相等参数切削。

数字化制造数字化制造技术及应用 精加工：采用附加圆弧段或与加工轮廓平行的进退刀方式，避免在加工件表面留下进退刀痕

数字化制造数字化制造技术及应用 附加圆弧进退刀方式应用实例平行进退刀方式应用实例

数字化制造数字化制造技术及应用 • 2.数控加工刀具轨迹的生成 • 刀具轨迹：由一个个刀具运动刀位点组成，是数控编程的核心任务。 • 刀具轨迹生成：CAD/CAM系统自动完成，需交互完成几何体、刀具、加工 • 方法及操作参数设置和创建。 • 创建加工几何体定义待加工工件加工区域和毛坯形状。 • 创建刀具可选用已有刀具，或根据工艺要求进行创建。

数字化制造数字化制造技术及应用 • 创建加工方法指定加工余量、内外轮廓公差、切削步距和进给量等 • 参数，控制加工面残留高度。 • 创建程序组用于管理各个加工操作的次序，合理组织各个加工操作。 • 通过创建以定义各个数控加工作业，产生各个作业的数控加工刀具轨迹。某汽轮机叶片铣削加工刀位点轨迹

数字化制造数字化制造技术及应用 • 3.刀具轨迹的编辑修改 • 由于造型时所生成的实体表面不光顺，刀具轨迹中某些刀位点成为奇异点，需要对这些点进行修改、均化处理等。 • CAD/CAM系统具有的刀具轨迹编辑功能： • 快速显示被编辑的刀具轨迹； • 将刀具在所选择的刀位点上显示出来； • 可对刀具轨迹进行列表显示和编辑修改； • 对指定刀具轨迹按给定的方式进行延伸、修剪或反向； • 对刀具轨迹实施平移、旋转及镜像等几何变换； • 通过加入适当刀位点实现对刀位点的匀化。

数字化制造数字化制造技术及应用 刀具轨迹的延伸

第五章 数字化制造