第六章 數(shù)控加工編程基礎(chǔ)

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1、第六章第六章 數(shù)控加工編程基礎(chǔ)數(shù)控加工編程基礎(chǔ)6.1 概述6.2 常見(jiàn)的數(shù)控系統(tǒng)6.3 后置處理及DNC6.4 數(shù)控編程系統(tǒng)概念6.5 刀位計(jì)算基本原理6.6 數(shù)控編程系統(tǒng)應(yīng)用的策略6.1 概述6.1.1 CAM系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程 數(shù)控加工編程是CAD/CAM系統(tǒng)中的重要模塊之一。由CAD系統(tǒng)所生成的產(chǎn)品以及數(shù)字模型與制造工藝有關(guān)的產(chǎn)品信息在CAM系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的應(yīng)用模型，設(shè)計(jì)與制造所用模型的唯一性保證了產(chǎn)品的精確定義與制造；應(yīng)用CAM系統(tǒng)，產(chǎn)品制造工程師可以在 產(chǎn)品的零件模型上完成全部加工過(guò)程的模擬，選擇優(yōu)化的加工方法，并通過(guò)對(duì)刀具軌跡的驗(yàn)證以確認(rèn)加工的正確性、工藝性、以及可靠性，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)

2、品虛擬設(shè)計(jì)與制造的完整過(guò)程；數(shù)控加工編程系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)縮短產(chǎn)品的制造周期，減少生產(chǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間，尤其是對(duì)于批量小、變化快、復(fù)雜程度大和精度要求高的產(chǎn)品具有明顯優(yōu)勢(shì)。 CAM技術(shù)的起源于1950年數(shù)控機(jī)床的研究。起初通過(guò)手工穿孔紙帶進(jìn)行編程加工，用于編程的數(shù)控碼（NC Code）主要是在兩個(gè)二維坐標(biāo)系統(tǒng)上的一些少量控制指令以及主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的控制指令。與計(jì)算機(jī)機(jī)器語(yǔ)言非常相近，將其改進(jìn)為近似匯編語(yǔ)言的數(shù)控語(yǔ)言。 在此領(lǐng)域的初步發(fā)展中，最重要的進(jìn)展是APT語(yǔ)言（AUTOMATiC rogramming Tool）及其處理器與后置處理器（PostProcessor）的研制成果。語(yǔ)言結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其處理器

3、可以完成二維和三維的刀具軌跡計(jì)算和插值運(yùn)算。70年代初期，出現(xiàn)了一系列的CADCAM集成系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)交互系統(tǒng)直觀地、方便地檢查刀具軌跡的生成情況。圖形可以縮放、旋轉(zhuǎn)，刀具軌跡可以修改（Modify）或者修剪（Triming）。6.1.2 CAM系統(tǒng)的基本組成 目前系統(tǒng)的應(yīng)用大致也可以分為幾種類型：(1) CAD/CAM系統(tǒng)完全獨(dú)立；(2) CAD/CAM系統(tǒng)與單個(gè)數(shù)控機(jī)床或若干臺(tái)機(jī)床以一定的控制網(wǎng)絡(luò)相互連接。 通常將這種直接把數(shù)控信息傳送給數(shù)控裝置的方式稱之為 DNC（Direct Numerical Control）。(3) CAD/CAM系統(tǒng)通過(guò)一定的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相互連接。 CAM系

4、統(tǒng)從用途上分類一般有： (1)二軸至二軸半的切削加工，主要是二維加工并階段性沿第三軸擴(kuò)展；(2)三軸以上的切削加工主要是曲面加工，曲面雕刻加工；(3)電火花加工EDN（包括2軸以上）；(4)線切割加工（Wire Cut）；(5)板金加工（FabriCation），包括沖裁（Punch）、排樣優(yōu)化（Nest）以及分段沖裁（Nibbling）； (6)等離子加工（Plasma）以及激光加工（Laser）。 按刀具的運(yùn)動(dòng)方式劃分類型有：(1)點(diǎn)到點(diǎn)加工（Poin To Point），孔加工；(2)線加工，包括直線、平面曲線和空間曲線；(3)曲面加工。 CAM系統(tǒng)還包括一些輔助功能。其中有：(1)加工

5、參考坐標(biāo)系的確定；(2)刀具軌跡的變換（Transformation）；(3)刀具軌跡的修改與編輯（Modify and Edit）；(4)各種庫(kù)文件的管理（Library Management）；(5)后置處理（Post process）；(6)系統(tǒng)內(nèi)部宏定義語(yǔ)言以及宏控制（Macro）。刀具軌跡的修改與編輯一般有2種方式：(1)通過(guò)交互設(shè)備直接從圖形上對(duì)軌跡修改；(2)由刀具軌跡輸人文件CISF進(jìn)行文本修改。CLSF文件由類似APT語(yǔ)言的語(yǔ)句寫(xiě)成。6.2 常見(jiàn)的數(shù)控系統(tǒng)6.2.1 SIEMENS系統(tǒng)簡(jiǎn)介 SINUMERIK802D，其核心部件 - PCU （面板控制單元）將CNC、PLC、

6、人機(jī)界面和通訊等功能集成于一體。可靠性高、易于安裝。 SINUMERIK802D可控制4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸。通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS將驅(qū)動(dòng)器、輸入輸出模塊連接起來(lái)。 模塊化的驅(qū)動(dòng)裝置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服電機(jī)，為機(jī)床提供了全數(shù)字化的動(dòng)力。通過(guò)視窗化的調(diào)試工具軟件，可以便捷地設(shè)置驅(qū)動(dòng)參數(shù)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。 SINUMERIK802D集成了內(nèi)置PLC系統(tǒng)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行邏輯控制。采用標(biāo)準(zhǔn)的PLC的編程語(yǔ)言Micro/WIN進(jìn)行控制邏輯設(shè)計(jì)。并且隨機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的PLC子程序庫(kù)和實(shí)例程序，簡(jiǎn)化了制造廠設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短了設(shè)計(jì)周期。 功能：控制車床、鉆

7、銑床 可控制4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸 三軸聯(lián)動(dòng)，具有直線插補(bǔ)、平面圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、空間圓?。–IP）插補(bǔ)等控制方式 螺紋加工、變距螺紋加工 旋轉(zhuǎn)軸控制 端面和柱面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（C軸功能） 前饋控制、加速度突變限制 程序預(yù)讀可達(dá)35段刀具壽命監(jiān)控 主軸準(zhǔn)停，剛性攻絲、恒線速切削 FRAME功能（坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡象、縮放） 標(biāo)準(zhǔn)G代碼編程（DIN66025）和西門(mén)子高級(jí)語(yǔ)言編程 ISO標(biāo)準(zhǔn)編程 車削、銑削工藝循環(huán)編程 藍(lán)圖編程 極坐標(biāo)編程 程序存儲(chǔ)器容量達(dá)340K字節(jié) 6.2.2 FANUC系統(tǒng)簡(jiǎn)介 CNC單元的硬件結(jié)構(gòu)單元的硬件結(jié)構(gòu):基本配置有主板、存儲(chǔ)器板、I/O板、伺服軸控制板和

8、電源。(1)主板：有主CPU用于系統(tǒng)主控，原來(lái)用80386，從1998年起改用80486/DX2。此外，顯示的CRT控制也在該板上。(2)存儲(chǔ)器板：系統(tǒng)的控制軟件ROM(共5片)。伺服控制軟件ROM 1片；PMC-L的ROM芯片2片，用于存儲(chǔ)機(jī)床的強(qiáng)電控制邏輯程序；RAM芯片，用于寄存CPU的中間運(yùn)算數(shù)據(jù)，根據(jù)需要安裝。CMOS RAM,用于存儲(chǔ)系統(tǒng)和機(jī)床參數(shù)、零件加工程序。根據(jù)用戶要求配置,最大可為128K字節(jié)。CMOS RAM與4.5 V電池相連，關(guān)機(jī)時(shí)保存信息。(3)I/O板：是CNC單元與機(jī)床強(qiáng)電柜的接口。接收或輸出24 V直流信號(hào)，由PMC實(shí)施輸入/輸出控制。I/O點(diǎn)數(shù)可根據(jù)機(jī)床的復(fù)

9、雜程度選擇。標(biāo)準(zhǔn)配置為104個(gè)輸入點(diǎn)，72個(gè)輸出點(diǎn)。(4)進(jìn)給伺服控制板：上有2個(gè)CPU(TMS320)，用于伺服的數(shù)字控制。每個(gè)CPU控制2個(gè)軸，一塊板可控制4個(gè)軸。該板接受主CPU分配的伺服控制指令，輸出6個(gè)相位各差60的脈寬調(diào)制信號(hào)(每軸)，加于各軸的伺服驅(qū)動(dòng)的功率放大器上。(5)電源：主要有5 V直流電，用于各板的供電。24 V直流電，用于單元內(nèi)各繼電器控制。PMC控制： PMC就是可編程序機(jī)床控制器，是專門(mén)用于控制機(jī)床的PLC。進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)： 系統(tǒng)進(jìn)給軸的驅(qū)動(dòng)使用交流同步電動(dòng)機(jī)，目前為系列。用于高速加工。主軸驅(qū)動(dòng)：系統(tǒng)可以同時(shí)控制2個(gè)主軸電動(dòng)機(jī),可以是2個(gè)數(shù)字式控制的電機(jī)，也可以一個(gè)

10、數(shù)字式，另一個(gè)為模擬式控制電機(jī)。 主軸控制用單獨(dú)的CPU控制，處理器為T(mén)MS-320。從CNC單元輸出的控制指令用一條光纜送到主軸的控制單元，數(shù)據(jù)為串行傳送，因此可靠性比較高。 系統(tǒng)的功能： Cs軸輪廓控制。 剛性攻絲。 PMC軸控制。 主軸雙刀架。 0.1m分辨率。 加工程序的后臺(tái)編輯。 菜單編程。 圖形會(huì)話在線自動(dòng)編程。 用戶宏程序。6.3 后置處理及DNC 在一般CAD/CAM系統(tǒng)上生成的刀具加工軌跡文件（CL）送入加工設(shè)備可以有兩種方式：用穿孔機(jī)打出穿孔帶再由機(jī)床讀人；采用計(jì)算機(jī)直接數(shù)控方式（DNC）。計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC與直接數(shù)控DNC之間主要的區(qū)別之一，在于系統(tǒng)中信息流的密度。CNC系

11、統(tǒng)是根據(jù)加工的進(jìn)程控制信息傳輸，故可看作是偽靜態(tài)的；DNC系統(tǒng)同時(shí)控制多臺(tái)機(jī)床、多根加工軸，具有足夠高的信息傳輸密度，故可以看作是動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸。6.3.1 后置處理CAD/CAM系統(tǒng)在后置處理的幾種方式：(1)首先將系統(tǒng)內(nèi)部定義的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡文件轉(zhuǎn)換為程序員可閱讀的標(biāo)準(zhǔn)APT語(yǔ)言格式文件，若送人機(jī)床須再經(jīng)后置處理轉(zhuǎn)換為機(jī)床數(shù)控程序。(2)將生成的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡文件用圖形顯示方式提供給程序員，程序員可以在屏幕上進(jìn)行編輯，再經(jīng)過(guò)后置處理系統(tǒng)處理后送人機(jī)床。 (3)采用以上兩種并存的方式。 后置處理系統(tǒng)與具體的數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)有關(guān)，因此，一般的CAD/CAM系統(tǒng)總配置了大量的后置處理程序供用戶選擇

12、使用。后置處理系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分后置處理系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：(1)控制部分（Control）:起主控制作用，包括控制刀位數(shù)據(jù)文件（CL DATA）的輸人，適時(shí)調(diào)用輔助功能以及將控制轉(zhuǎn)移到刀具運(yùn)動(dòng)計(jì)算部分，并在完成某一階段處理后輸出數(shù)控指令代碼程序（NC Code）。(2) 輸入部分（Input）:擔(dān)負(fù)刀具運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)文件（CL DATA）的輸入和加工操作參數(shù)設(shè)置文件（operation Parameter Set）的輸入，在主控部分主導(dǎo)下進(jìn)行。 (3) 輔助部分（AuxiLiary）: 與特定機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)，在主控部分的控制下，對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)的輸出確定功能和指令模式，刀具調(diào)用T和輔助指令M。

13、(4)運(yùn)動(dòng)部分（Motion）:處理零件系統(tǒng)機(jī)床坐標(biāo)系的變換，刀具運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)計(jì)算及轉(zhuǎn)換，包括線性化和插補(bǔ)處理。 (5)輸出部分（Out put）:在主控下接受輔助和運(yùn)動(dòng)部分的指令和數(shù)據(jù)，并按一定機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)要求的格式輸出加工的指令代碼程序。后置處理系統(tǒng)實(shí)質(zhì)后置處理系統(tǒng)實(shí)質(zhì)： 是對(duì)刀位文件CLF，以及加工操作參數(shù)文件OPF進(jìn)行編譯的系統(tǒng)。6.3.2 DNC系統(tǒng) 后置處理器完成的后置處理器完成的NC數(shù)控程序送入機(jī)床有三種方數(shù)控程序送入機(jī)床有三種方式式:：(1)程序經(jīng)穿孔機(jī)打出穿孔帶，再由機(jī)床的紙帶閱讀機(jī)輸入機(jī)床控制系統(tǒng)；(2)將程序存放于磁盤(pán)等其它存儲(chǔ)媒介上，再由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)所帶的驅(qū)動(dòng)器讀入 (3)

14、直接由DNC系統(tǒng)將程序傳輸給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。 最早的DNC系統(tǒng)同時(shí)產(chǎn)生于日本和美國(guó)。DNC系統(tǒng)在構(gòu)造上一般有兩種類型： (1) BTR（Behind the tape）方式: 對(duì)早期帶有紙帶閱讀系統(tǒng)機(jī)床實(shí)現(xiàn)DNC的一種變通，采用DNC計(jì)算機(jī)的通訊電纜替代了紙帶機(jī)（Tape Reader）。(2) MCU（Machine ContrdUnit）專用機(jī)床控制單元方式:通過(guò)專用單元取得較精確圓弧插值，并比 BTR方式有更快的傳遞速度和機(jī)床執(zhí)行速度。由于其功能可以用軟件寫(xiě)入。近年來(lái)DNC系統(tǒng)突出的特征：(1)DNC系統(tǒng)的基本功能已由其原先在DNC中的主導(dǎo)地位退向輔助地位；(2)由于NC加工過(guò)程的在線數(shù)據(jù)

15、輸人方式的淘汰，基本功能高于擴(kuò)展功能的優(yōu)先權(quán)已不復(fù)存在；(3)數(shù)控代碼程序逐步向較通用的表示形式發(fā)展；(4)擴(kuò)展功能逐步增加并對(duì)基本功能產(chǎn)生重大影響；(5)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用的依賴性大大增加。DNC系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展有三個(gè)主要方面：(1)高度集成化CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的應(yīng)用，使信息從設(shè)計(jì)分析到制造管理高度集成； (2)計(jì)算機(jī)輔助工藝計(jì)劃以及制造過(guò)程的信息集成； (3)制造設(shè)備、運(yùn)載設(shè)備以及存儲(chǔ)設(shè)備的高度自動(dòng)化和柔性化。6.3.3 DNC通訊接口 串行傳送串行傳送：在一根傳輸線上一位一位的傳送數(shù)據(jù)在一根傳輸線上一位一位的傳送數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：1、在一根傳輸線上即傳送數(shù)據(jù)信息，又傳送聯(lián)絡(luò)控制信息；2

16、、數(shù)據(jù)格式有固定要求，分異步和同步數(shù)據(jù)格式，對(duì)應(yīng)的分為異步通訊和同步通訊；3、串行通訊對(duì)信號(hào)的邏輯定義與TTL不兼容，需要進(jìn)行邏輯關(guān)系和邏輯電平轉(zhuǎn)換；4、串行通訊的速率需要控制，要求雙方約定通信傳輸?shù)牟ㄌ芈省２⒖诘奶攸c(diǎn)：1、在多根數(shù)據(jù)線上以數(shù)據(jù)字節(jié)為單位與I/O設(shè)備或被控對(duì)象傳送信息；2、除少數(shù)場(chǎng)合外，一般要求在接口和外設(shè)之間至少還要設(shè)置兩根握手（聯(lián)絡(luò)）信號(hào)線，以便進(jìn)行互鎖異步握手方式（即查詢方式）的通信；3、在并口中，8位或16位是一起行動(dòng)的，當(dāng)交換數(shù)據(jù)時(shí)，即使只用到其中的一位，也是一次輸入/輸出8位或16位；4、并行傳送的信息不要求固定的格式。 一、串口目前一般的數(shù)控系統(tǒng)都提供了標(biāo)準(zhǔn)RS2

17、32C或RS422或RS423串行接口RS232C標(biāo)準(zhǔn)是最初擬制的終端設(shè)備與調(diào)制解調(diào)之間的連接規(guī)定。RS232C的總線采用十一12伏電壓脈沖進(jìn)行信息傳送，在30水線長(zhǎng)內(nèi)的最大數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)20000b/s。在通訊中要表示接口設(shè)備是否準(zhǔn)備好的信息必須從接收設(shè)備送回來(lái)，這個(gè)信息被稱為流量控制（flow Control）或握手（handshaking）。 一般有兩種握手方式：硬件握手和軟件握手。兩種握手都要用到從接收設(shè)備返回到傳送設(shè)備的信號(hào)。硬件握手：只要接收設(shè)備準(zhǔn)備好它就沿著專用的握手電路（DR）傳送一個(gè)正電壓給傳送設(shè)備，當(dāng)發(fā)送計(jì)算機(jī)接收到一個(gè)負(fù)電壓時(shí)，它就將停止數(shù)據(jù)的傳送。 軟件握手：信號(hào)是在數(shù)據(jù)

18、線（2和3）上進(jìn)行傳送，在軟件握手上建立了一些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，最通用的是XON/XOFF協(xié)議。在XON/XOFF協(xié)議下，要想使發(fā)送設(shè)備停止數(shù)據(jù)發(fā)送，接收設(shè)備只需發(fā)送一個(gè)ASCll字符DC3（十進(jìn)制的19，十六進(jìn)制的13）給發(fā)送設(shè)備，如果要想恢復(fù)發(fā)送設(shè)備繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則接收設(shè)備需發(fā)送一個(gè)DC1（十進(jìn)制17，十六進(jìn)制的11）。RS232C的缺點(diǎn)在于速度較低以及在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)容易受到干擾。二、并口二、并口并行的通訊系統(tǒng)下，數(shù)臺(tái)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)并行工作，在8位總線系統(tǒng)下幾臺(tái)計(jì)算機(jī)的并行傳輸速率可以達(dá)1MB/S。在微機(jī)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的是IEEM88總線標(biāo)準(zhǔn)，僅適合于較短距離的通訊，工作中對(duì)干擾極為敏感。三、

19、協(xié)議三、協(xié)議在串行異步通訊情況下，為保證數(shù)據(jù)傳送的正確性，計(jì)算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)之間必須有一個(gè)一致的協(xié)議（Protocols）。一個(gè)數(shù)據(jù)字符所使用的位數(shù)根據(jù)不同協(xié)議而不同，通常不是8位就是7位，每發(fā)送一個(gè)字符，就得傳送一個(gè)組。奇偶校驗(yàn)：是檢驗(yàn)正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確被接收的一種方法。發(fā)送設(shè)備將根據(jù)數(shù)據(jù)位的內(nèi)容附加一個(gè)0或1，接收設(shè)備檢查此奇偶位是否還保持與其它位的正確關(guān)系，如果不保持正確關(guān)系，那么在傳輸過(guò)程中可能產(chǎn)生了錯(cuò)誤。奇偶校驗(yàn)種類：(1)Even parity偶校驗(yàn)，指數(shù)據(jù)位中1的個(gè)數(shù)加上奇偶校驗(yàn)位使1的總數(shù)為偶數(shù)。例如字母A的二進(jìn)制是01000001，其中1的個(gè)數(shù)為2是偶數(shù)，則奇偶校驗(yàn)位應(yīng)為0

20、，使總的1的個(gè)數(shù)保持偶數(shù)。(2)Odd parity奇校驗(yàn)，指數(shù)據(jù)位中 1的個(gè)數(shù)加上奇偶校驗(yàn)位總數(shù)位奇數(shù)。(3)NO parity無(wú)校驗(yàn)，指沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位。(4)Space校驗(yàn)（或零校驗(yàn)），有一位奇偶校驗(yàn)位，但總是 0。 (5)Mark校驗(yàn)，其方法與Space校驗(yàn)的方法相同，只是校驗(yàn)位總是1。每個(gè)幀的尾部總要發(fā)送一個(gè)停止位（每個(gè)幀的尾部總要發(fā)送一個(gè)停止位（Stop Bit）波特率波特率（Baud Rate）：在 1秒鐘內(nèi)的離散信號(hào)數(shù)。對(duì)于二進(jìn)制通訊來(lái)說(shuō)，就是指每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)（bits per secondbps）。一般典型使用的 bps有110、150、300、600，1200、4800

21、、9600和 19200。6.4 數(shù)控編程系統(tǒng)概念6.4.1 數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系統(tǒng) 在數(shù)控機(jī)床上的坐標(biāo)軸和運(yùn)動(dòng)方向的定義國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已有標(biāo)準(zhǔn)制定。1)機(jī)床的直線運(yùn)動(dòng)采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，其坐標(biāo)為X、Y、Z并用右手定律判定方向。Z軸：與機(jī)床的傳遞主功率的主軸軸線一致。如果在機(jī)床上存在多根加工軸，則使用最多的那根軸線可定為Z軸。對(duì)沒(méi)有主軸的機(jī)床，Z軸垂直于工作臺(tái)面。Z軸的正向規(guī)定為增大工件和刀具距離的方向。 X軸：水平，且與工件的裝夾面平行，與Z軸垂直。對(duì)于工件旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，X軸沿工件的徑向，刀具離開(kāi)工件旋轉(zhuǎn)中心的方向是X軸的正向。對(duì)于刀具旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，工作臺(tái)的左右移動(dòng)為X軸線，且正向?yàn)橛曳健?

22、Y軸：與Z、X軸垂直，且方向按右手直角坐標(biāo)系確定。 2)對(duì)于繞坐標(biāo) X、Y和Z軸的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，定義為 A、B、C軸。其方向按右旋螺紋前進(jìn)的方向確定。 3)與X、Y、Z主要方向平行的直線運(yùn)動(dòng)，可稱為U、V、W坐標(biāo)軸，也有稱之為第二坐標(biāo)系。 4)為編程方便，一律按刀具相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)來(lái)確定坐標(biāo)系。 機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱MCS（Machine Coordinate System）。這個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)所取得的位置，即為加工的基準(zhǔn)。此外，有些系統(tǒng)中還允許用戶選擇參考坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱RCS（Ref-erenceCoordinate System）。往往是在這樣的情況下使用參考坐標(biāo)系：當(dāng)用戶從工件的某個(gè)部分加工完畢

23、后，移動(dòng)刀具到另一部分加工，如果不必重新設(shè)置一些加工參數(shù)，則可以使用RCS解決。數(shù)控多軸加工實(shí)例五軸聯(lián)動(dòng)1五軸聯(lián)動(dòng)2五軸聯(lián)動(dòng)3五軸聯(lián)動(dòng)4五軸聯(lián)動(dòng)5五軸聯(lián)動(dòng)66.4.2 切削刀具的參數(shù)定義切削刀具的參數(shù)定義數(shù)控銑床在切削加工中，最常采用的刀具類型主要有三種，即平瑞銑刀（END MILL）、帶圓角的銑刀（BULL NOSE CUTTER）以及球頭銑刀（BALL NOSE CUTTER）。(1)平端銑刀（END MILL）主要參數(shù)是銑刀直徑D，刀刃數(shù)（Flutes）以及刀具的有效切削長(zhǎng)度 L，端銑刀端角半徑（Comer Radius）為零。一般在數(shù)控程序中以端面中心點(diǎn)為刀位輸出點(diǎn)（Outpat po

24、int)多用在平面加工中，在曲面加工中根據(jù)工件形狀也可采用這類刀具。(2)圓角銑刀端部帶有圓角（D/2r），有整體式和鑲刀片式。其NC輸出點(diǎn)為端部圓的中心點(diǎn)。 (3)球頭銑刀在帶有復(fù)雜曲面的工件加工中廣泛應(yīng)用，其參數(shù) D/2=R。NC程序的輸出點(diǎn)可以是球的中心也可以是球頭最下一點(diǎn)。6.4.3 切削加工中的階段劃分切削加工中的階段一般有八個(gè)切削加工中的階段一般有八個(gè)：1、刀具由機(jī)床原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到加工的起點(diǎn)（Start Point），是快速運(yùn)動(dòng)階段（Rapid MOVE）；（快移）2、由起點(diǎn)到切入開(kāi)始點(diǎn)（Engage Point）為刀具接近運(yùn)動(dòng)階段（Approach）。這一階段刀具的進(jìn)給速度也可以是快

25、速運(yùn)動(dòng)（Engage）。（接近）3、以切入的行程控制刀具的開(kāi)始切入點(diǎn)階段，其進(jìn)給速度應(yīng)略低于正常切削進(jìn)給量，以保證安全。（進(jìn)刀） 4、刀具切入后第一條加工軌跡（First Cut）階段，可以由用戶自行定義其加工進(jìn)給量；（第一刀）5、切削；刀具每條切削軌跡（Cut Path）之間的移動(dòng)量，稱之為每步切人量（Step over）或行距。6、刀具完成切削后退出切削行程（Retract）階段，一般取切削進(jìn)給速度；（退刀）7、返回加工起點(diǎn)階段（Return），刀具運(yùn)動(dòng)速度可取快速。（返回）8、由加工起點(diǎn)返回機(jī)床原點(diǎn)階段；（快移）6.5 刀位計(jì)算基本原理6.5.1 二維數(shù)控編程的基本原理 在數(shù)控加工中，數(shù)

26、控機(jī)床根據(jù)加工過(guò)程中同時(shí)控制的軸數(shù)可分為二坐標(biāo)，三坐標(biāo)、四坐標(biāo)以及五坐標(biāo)等。如：X、Z軸采用數(shù)控，則稱為二坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床中兩坐標(biāo)連動(dòng)是指機(jī)床的三個(gè)主坐標(biāo)X、Y、Z中同時(shí)只能控制兩個(gè)坐標(biāo)動(dòng)作，而第三個(gè)坐標(biāo)只是階段性運(yùn)動(dòng)。 三坐標(biāo)連動(dòng)是指機(jī)床的三個(gè)坐標(biāo)軸可同時(shí)控制。用來(lái)加工帶有簡(jiǎn)單曲面外形的零件。在三坐標(biāo)連動(dòng)基礎(chǔ)上加工刀具擺動(dòng)為A軸或轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)為C軸，稱為四坐標(biāo)加工或五坐標(biāo)加工。1）數(shù)控程序數(shù)控程序是由多個(gè)程序段組成（BLOCK），而程序段一般用文字地址格式表示。例如N120 G01 X150 Y300 F450；其中N120是程序段的序號(hào)，G01代表直線描補(bǔ)的功能，X150和Y300是X

27、、Y軸的移動(dòng)坐標(biāo)或距離，F(xiàn)450是當(dāng)前的進(jìn)給速度，“；”表示段的結(jié)束。NC代碼主要可分為以下幾個(gè)部分：O碼碼位于NC碼的最前端的碼。由地址0和4位數(shù)字所組成，用于表示程序號(hào)。N碼碼位于NC碼中各功能塊的前端。由地址N和三位數(shù)字所組成，用來(lái)表示段（BIDCK）程序的序號(hào)。G碼碼表示動(dòng)作方式（MODE）的碼。由地址G和H位數(shù)字所構(gòu)成，用來(lái)表示不同的動(dòng)作方式F碼碼代表刀具的進(jìn)給量。由地址F和數(shù)值組成，進(jìn)給量大J、由數(shù)值確定。S碼碼表示機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速。由地址S和轉(zhuǎn)速大小的數(shù)值組成。T碼碼刀具選擇代碼。由地址T和H位刀具號(hào)組成。M碼碼表示一些輔助功能（如機(jī)床主軸起動(dòng)、停止，冷卻液的開(kāi)、關(guān)等）的代碼，由地

28、址M和兩位數(shù)字組成。 2）二維半加工軌跡生成基本原理 1.建立被加工的邊界輪廓曲線；2.從邊界表中取出元素，并決定其偏置的距離和方向；3.生成新的圖素表，直到舊的邊界表為空。 在CAM系統(tǒng)中不僅僅考慮圖形處理技術(shù)，而且還必須考慮CAM所特有的制造工藝和在工程意義上的一定規(guī)則與要求。它主要有以下幾方面：1.刀具形狀以及直徑用于計(jì)算刀具的偏移補(bǔ)償（Cutter Compensation）2. 容許誤差的指定最大容許誤差主要有兩方面的內(nèi)容：即IntTol和Out Tol.IntTol是指定向著零件內(nèi)側(cè)的最大偏差量。Out Tol是指定向著刀具的零件外側(cè)的最大偏移量。3）刀具運(yùn)動(dòng)控制面的定義 一般輪廓

29、控制運(yùn)動(dòng)由導(dǎo)動(dòng)面（Drive Surface）、零件面（Part surface）和檢查面（Check Surface）這樣三個(gè)控制面確定其運(yùn)動(dòng)。 下面說(shuō)明這三個(gè)面的定義。 導(dǎo)動(dòng)面是在進(jìn)行指定的切削運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，引導(dǎo)刀具保持在指定公差范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的面。零件面主要在刀具沿導(dǎo)動(dòng)面運(yùn)動(dòng)時(shí)控制刀具高度（Z）的面。檢查面指定刀具在保持導(dǎo)動(dòng)面與零件面的給定關(guān)系情況下的運(yùn)動(dòng)停止位置的面。 4）導(dǎo)動(dòng)面和刀具的關(guān)系 導(dǎo)動(dòng)面和刀具存在三種相對(duì)關(guān)系，即刀具在導(dǎo)動(dòng)曲線的右手、刀具在導(dǎo)動(dòng)曲線的左手以及刀具在導(dǎo)動(dòng)曲線之上運(yùn)動(dòng)。5）檢查面和刀具的關(guān)系即刀具前緣切于檢查面（TO）、刀具運(yùn)動(dòng)停止在檢查面上（ON）、刀具后緣切于檢

30、查面上（PAST）、刀具切于導(dǎo)動(dòng)面和檢查面的切點(diǎn)上（TANTO）。6）棱角過(guò)渡的處理直線連接過(guò)渡、圓弧連接過(guò)渡或圓弧切線過(guò)渡方法。7）提刀安全平面（Clearance Plan）的確定避免刀具與零件函臺(tái)、夾具或壓板沖撞；為操作人員提供觀察加工情況的空間；盡量節(jié)省刀具空行程的長(zhǎng)度。8）刀具的進(jìn)刀和退刀（Leadin&Leadout）加工中考慮刀具的進(jìn)刀和退刀的意義在于：使刀具比較安全的接近被加工的工件；使加工表面過(guò)渡光滑，不留有接刀痕；提供加工中刀具補(bǔ)償功能的過(guò)渡段。進(jìn)刀和退刀從方式上分類主要有：沿Z軸方向進(jìn)刀和退刀；沿加工路徑的切線方向進(jìn)刀或退刀；沿與加工路徑相切的圓弧進(jìn)刀或退刀；沿空間某一方

31、向線進(jìn)刀或退刀；沿加工路徑的法線方向進(jìn)刀或退刀。6.5.2 三維數(shù)控編程的基本原理三維CAM系統(tǒng)的任務(wù)是完成含有曲面形體零件的加工模擬。用參數(shù)表示的曲面方程P=P（u，v） 曲面的范圍通常用兩個(gè)參數(shù)的變化區(qū)間所描述的 UV參數(shù)平面給出。 CAM系統(tǒng)計(jì)算刀具軌跡的方法主要有: (1)采用解析的方法求刀位點(diǎn)； (2)采用數(shù)值計(jì)算的方法求刀位點(diǎn)；(3)將曲面分成小片的三角形面進(jìn)行刀位計(jì)算；思路是：按一定規(guī)律連接相鄰的三個(gè)型值點(diǎn)生成小三角片，每個(gè)三角片的形心為刀觸點(diǎn)。通過(guò)三點(diǎn)確定該小平面的法向，即可計(jì)算刀位點(diǎn)。順序連接各個(gè)刀位點(diǎn)，就可以形成走刀軌跡。優(yōu)點(diǎn)是：不論原始曲面如何復(fù)雜，在算法上均有統(tǒng)一性；計(jì)

32、算結(jié)果可靠，算法穩(wěn)定性好。(4)用線架表示曲面進(jìn)行刀位計(jì)算。即實(shí)際加工的零件外形是由刀具的曲線運(yùn)動(dòng)軌跡的復(fù)合生成的。 6.5.3 曲面加工中的零件表面質(zhì)量控制曲面加工中控制加工精度主要有兩個(gè)指標(biāo)：1. 加工步距（Stepover）；2. 加工殘留刀痕高度（ Scallop）。在應(yīng)用在應(yīng)用CAM系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意幾個(gè)方面以便優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意幾個(gè)方面以便優(yōu)化加工加工：(1) 精加工如用球頭刀，則選用的原則應(yīng)當(dāng)是先用大半徑球刀，再用小半徑球刀。(2) 對(duì)于具有凸形曲面的零件精加工，應(yīng)當(dāng)盡可能采用大半徑球刀加工，以便在獲得相同零件加工表面質(zhì)量下減少加工的行數(shù)。(3) 對(duì)于平端銑刀和圓角銑刀，在精加工中刀路方

33、向應(yīng)確定沿刀具等效半徑最大方向。(4) 加工的步距是指刀具沿一路徑移動(dòng)每步的大小.6.5.4 刀具干涉檢驗(yàn)刀位計(jì)算中如果僅考慮刀觸點(diǎn)則在加工中有可能產(chǎn)生刀具過(guò)切的現(xiàn)象。主要有：主要有：(1)無(wú)干涉檢驗(yàn)（NO Gouge Avoidance）；(2)刀具運(yùn)動(dòng)方向干涉檢驗(yàn)（In line Gouge Avoidance）；(3)全方位刀具干涉檢驗(yàn)（Full Gouge Avoidance）；(4)多曲面刀具干涉檢驗(yàn)（Cube Gong Avoidane）。6.6 數(shù)控編程系統(tǒng)應(yīng)用的策略6.6.1 應(yīng)用CAM系統(tǒng)的加工策略正確的應(yīng)用CAM系統(tǒng)是非常重要的，這不僅要求CAM系統(tǒng)有靈活的方法選擇和精確的

34、刀路計(jì)算而且還需要程序員有一定的生產(chǎn)加工經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于曲面的精加工，刀具的進(jìn)刀和退刀方式對(duì)加工影響不大，但困難的是粗加工的進(jìn)刀與刀。 粗加工選擇進(jìn)刀的一般原則是粗加工選擇進(jìn)刀的一般原則是：(1)對(duì)具有凸臺(tái)形狀的零件加工，（如模具的凸模加工），刀具應(yīng)由工件的外部向里進(jìn)刀。 (2)對(duì)具有凹腔形狀的零件加工，（如模具的凹模加工），應(yīng)事先預(yù)估工藝孔以便刀具落至合適的高度后再進(jìn)給加工。 (3)對(duì)于半精加工，刀具應(yīng)以一定的斜角切人工件或者按粗加工的進(jìn)刀方法進(jìn)刀。CAM系統(tǒng)在粗、精加工的刀路選擇上的方法：系統(tǒng)在粗、精加工的刀路選擇上的方法：(1)粗加工刀路一般應(yīng)選擇單向切削，刀具在一條軌跡上完成后應(yīng)提拉至安全平

35、面，再快速運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)行距的起始點(diǎn)落下。 (2)精加工刀路一般可以采用雙向切削，這樣刀路比較節(jié)省，效率較高，但對(duì)一些比較陡峭的曲面，推薦選用單向切削，并且刀具切削由上往下運(yùn)動(dòng)。 考慮這些原則的根據(jù)是，粗加工切削量較大，因此切削狀態(tài)與用戶選擇的順銑與逆銑方式有較大關(guān)系，故單向切削可保持狀態(tài)不變。 精加工切削量小，采用雙向切削刀具不用提精加工切削量小，采用雙向切削刀具不用提拉，故可節(jié)省空程拉，故可節(jié)省空程。CAM系統(tǒng)的應(yīng)用中一般在粗加工中應(yīng)選擇盡可能大直徑的刀具；精加工中，如果曲面屬于直紋曲面或無(wú)凹形，應(yīng)盡量選擇圓角銑刀而不用球頭鐵刀。加工中，刀具的選擇應(yīng)是由大到小逐步渡，即先用大直徑刀具完成曲面的大部分加工，再用小直徑刀具清角或局部加工。6.6.2 加工刀路的優(yōu)化加工刀路的優(yōu)化（optimization）主要用于加工中各子程序的程序優(yōu)化（order）以便取得較短的刀具運(yùn)動(dòng)路線。僅考慮刀具運(yùn)動(dòng)軌跡最短這樣的目標(biāo)，則可能引起加工中多次換刀；而僅考慮刀具分類優(yōu)化，則在優(yōu)化中沒(méi)有考慮起點(diǎn)與終點(diǎn)，故同樣引起不優(yōu)化的結(jié)果。6.6.3 編程系統(tǒng)應(yīng)用的圖表管理集成的CAD/CAM系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)無(wú)圖作業(yè)，但CAM實(shí)際應(yīng)用中仍有一圖一表，圖是指工件裝夾圖（Setup Sheet），表則是指加工工藝方案記錄表。