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数控机床的自动编程是怎么实现的?
来源:888真人平台   发布时间:2018-09-03 17:48   浏览次数:

 

  CAM (computer Aided Manufacturing,计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控),是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床,包括称为“加工中心”的多功能机床,能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置,能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序,这些都是通过程序指令控制运作的,只要改变程序指令就可改变加工过程,数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。加工程序的编制不但需要相当多的人工,而且容易出错,最早的CAM便是计算机辅助加工零件编程工作。麻省理工学院于1950年研究开发数控机床的加工零件编程语言APT,它是类似FORTRAN的高级语言。增强了几何定义、刀具运动等语句,应用APT使编写程序变得简单。这种计算机辅助编程是批处理的。

  CAM系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能。CAM所涉及的范围,包括计算机数控,计算机辅助过程设计。

  数控除了在机床应用以外,还广泛地用于其它各种设备的控制,如冲压机、火焰或等离子弧切割、激光束加工、自动绘图仪、焊接机、装配机、检查机、自动编织机、电脑绣花和服装裁剪等,成为各个相应行业CAM的基矗

  计算机辅助制造系统是通过计算机分级结构控制和管理制造过程的多方面工作,它的目标是开发一个集成的信息网络来监测一个广阔的相互关联的制造作业范围,并根据一个总体的管理策略控制每项作业。

  从自动化的角度看,数控机床加工是一个工序自动化的加工过程,加工中心是实现零件部分或全部机械加工过程自动化,计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族零件或不同族零件的自动化加工过程,而计算机辅助制造是计算机进入制造过程这样一个总的概念。

  一个大规模的计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构的网络,它由两级或三级计算机组成,中央计算机控制全局,提供经过处理的信息,主计算机管理某一方面的工作,并对下属的计算机工作站或微型计算机发布指令和进行监控,计算机工作站或微型计算机承担单一的工艺控制过程或管理工作。

  计算机辅助制造系统的组成可以分为硬件和软件两方面:硬件方面有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等,软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。

  到目前为止,计算机辅助制造(CAM,Computer Aided Manufacturing)有狭义和广义的两个概念。CAM的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动,它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等。这是最初CAM系统的狭义概念。到今天,CAM的狭义概念甚至更进一步缩小为NC编程的同义词。CAPP已被作为一个专门的子系统,而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRPⅡ/ERP系统来完成。CAM的广义概念包括的内容则多得多,除了上述CAM狭义定义所包含的所有内容外,它还包括制造活动中与物流有关的所有过程(加工、装配、检验、存贮、输送)的监视、控制和管理。

  数控系统是机床的控制部分,它根据输入的零件图纸信息、工艺过程和工艺参数,按照人机交互的方式生成数控加工程序,然后通过电脉冲数,再经伺服驱动系统带动机床部件作相应的运动。图3-4-2为数控系统的功能示意图。

  传统的数控机床(NC)上,零件的加工信息是存储在数控纸带上的,通过光电阅读机读取数控纸带上的信息,实现机床的加工控制。后来发展到计算机数控(CNC),功能得到很大的提高,可以将一次加工的所有信息一次性读入计算机内存,从而避免了频繁的启动阅读机。更先进的CNC机床甚至可以去掉光电阅读机,直接在计算机上编程,或者直接接收来自CAPP的信息,实现自动编程。后一种CNC机床是计算机集成制造系统的基础设备。现代CNC系统常具有以下功能:

  (1) 多坐标轴联动控制; (2) 刀具位置补偿; (3) 系统故障诊断; (4) 在线) 加工、编程并行作业; (6) 加工仿线) 刀具管理和监控; (8) 在线检测。

  所谓数控编程是根据来自CAD的零件几何信息和来自CAPP的零件工艺信息自动或在人工干预下生成数控代码的过程。常用的数控代码有ISO(国际标准化组织)和EIA(美国电子工业协会)两种系统。其中ISO代码是七位补偶代码,即第8位为补偶位;而EIA代码是六位补奇码,即第5列为补奇位。补偶和补奇的目的是为了便于检验纸带阅读机的读错信息。一般的数控程序是由程序字组成,而程序字则是由用英文字母代表的地址码和地址码后的数字和符号组成。每个程序都代表着一个特殊功能,如G00表示点位控制,G33表示等螺距螺纹切削,M05表示主轴停转等。一般情况下,一条数控加工指令是若干个程序字组成的,如N012G00G49X070Y055T21中的N012表示第12条指令,G00表示点位控制,G49表示刀补准备功能,X070和Y055表示X和Y的坐标值,T21表示刀具编号指令。整个指令的意义是:快速运动到点(70,55),一号刀取2号拨盘上刀补值。

  (1) 手工编程; (2) 数控语言编程; (3) CAD/CAM系统编程; (4) 自动编程。

  (CAD/CAM)技术是近年来工程技术领域中发展最迅速、最引人注目的一项高级技术,它已成为工业生产现代化的重要标志。它对加速工程和产品的开发、缩短产品设计制造周期、提高产品质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。它的应用及发展正引起一场产品工程设计与制造深刻的技术革命,并对产品结构、产业结构、企业结构、管理结构、生产方式以及人才知识结构方面带来巨大影响。作为CAD/CAM技术的主要载体,CAD/CAM方面的应用软件就显得越来越重要,面对市场上的各种各样的CAD/CAM软件,很多企业及应用人员经常会感到很困惑,因为每一个人的精力都是有限的,不可能把每一种应用软件都学会、用好,那末如何购买及使用一种或几种应用软件,并且所选用的软件是符合自己需求的,或者说花最少的钱、买到最好的软件、起到最好的利用价值,这就是笔者想在这里探讨的问题。

  在国内,一提及CAD软件绝大多数的人都会想到AutoCAD,AutoCAD系列软件是Autodesk公司的产品,也是最早进入国内市场的CAD软件之一,从最早的2.0版到以后的R13、R14、2000直到如今的2002版,AutoCAD的产品在国内的市场上走过了十几年的历程了,从最早期的DOS操作命令到现在的Windows窗口式的操作界面,是大家所最熟悉的CAD软件。AutoCAD软件最早是针对二维设计绘图而开发的,随着其产品的日益成熟,在二维绘图领域该软件已经比较的完善,而且随着产品设计的发展需要,越来越多的产品设计已经不在停留在二维的设计领域,正在越来越多的朝着三维的产品设计发展,因此在AutoCADR12,R13的版本中已经加入了三维设计的部分,而且随着版本的不断更新三维设计的部分也在越来越多的发展,由于该软件开发中的自身原因,使的该软件存在一些的不足之处,比如,该软件在二维设计中无法做到参数化的全相关的尺寸处理;三维设计中的-实体造型能力不足。但是由于该软件进入国内市场较早,价格较便宜,对使用的微机要求较低,使用比较简单,因此使用者还是比较多,该软件为中国的CAD软件发展还是起到了一定的贡献。总的来说该软件作为一套二维的绘图软件还是非常好用的。

  ParametricTechnologyCrop公司(PTC)的Pro/Engineer以其参数化、基于特征、全相关等概念闻名于CAD界。该软件的应用领域主要是针对产品的三维实体模型建立、三维实体零件的加工、以及设计产品的有限元分析。该公司新推出的Pro/Engineer2000i2是在原Pro/E的产品上新增了柔性工程技术,包括可视化检查(VisualSearch),行为建模技术(BehaviorModeling),形状索引(ShapeIndexing),特征灵活性(FeatureAgility),CDRE渲染(CDRERendering),疲劳预测(FatiguePnediction)。这些针对用户的人性化的设计技术可以使得设计人员把主要的精力集中到优化设计及产品的创新上,从而提高设计效率。该软件的参数化特性造型的功能是它的一个主要功能,它贯穿与整个系统,包括特征、曲面、曲线以及线框模型等。而且系统经过多年的努力,已经把参数化的造型技术应用到工程设计的各个模块,如绘图、工程分析、数控编程、布线设计和概念设计等。但是由于它的系统不是基于Windows操作平台开发的,因此该软件并非窗口式的对话框,这样一来就给学习者带来了一定的麻烦。同时该软件不支持布尔运算以及其它局部造型操作,限制了它的使用。因为该软件的功能十分强大,所以该软件在销售上是先卖给用户基本操作系统,然后用户根据自己的实际需要再去购买该软件的其它功能模块,比如支持数控加工的(CAM)模快,进行工程分析的有限元分析模快,因此该软件的价格相对较高,但由于它的功能很强大,国内的一些大型企业依然是它的主要用户。另外,值得一提的是该软件分为工作站版和微机版,微机版对计算机的性能要求较高,安装的系统必须是Windows2000、WindowsNT、WindowsXP,而且由于它的动态实体造型功能,相对要求的内存及硬盘空间都要较大,比如,内存就要求至少128M。

  UnigraphicsSolutions公司的UG本身起源于航空、汽车企业(美国麦道航空公司),它的应用范围基本和Pro/E相似,它以Parasolid几何造型核心为基础,采用基于约束的特征建模技术和传统的几何建模为一体的复合建模技术。在三维实体造型时,由于几何和尺寸约束在造型的过程中被捕捉,生成的几何体总是完全约束的,约束类型是3D的,而且可用于控制参数曲面。在基于约束的造型环境中支持各种传统的造型方法,如布尔运算、扫描、曲面缝合等。该软件的主要缺点是不允许在零件之间定义约束。但UG具有统一的数据库,实现了CAD、CAE、CAM之间无数据交换的自由转换,实现了22.5轴,35轴联动的复杂曲面加工和镗铣加工,该软件的功能也非常的强大,一般认为UG是业界最好、最具有代表性的数控软件,它提供了功能强大的刀具轨迹生成方法。包括车、铣、线切割等完善的加工方法。它的销售也和Pro/E相似,采用分模块销售的办法,目前我国很多的航空企业都在使用这种软件,比如江西洪都航空集团公司,陕西飞机制造公司等。该软件目前的最高版本为UG18。同样UG软件的安装对微机的要求较高:CPU需要奔III566;内存需要256MB;显卡需要16MB显存,具有3D加速功能;鼠标要求三键鼠标。它的安装环境与上文提到的Pro/E的安装环境基本一致,UG使用起来比较复杂,软件相对较难掌握。

  由法国DassaultSystems(达索)公司开发,后被美国IBM公司收购的CATIA是一个全面的CAD/CAM/CAE/PDM应用系统,CATIA具有一个独特的装配草图生成工具,支持欠约束的装配草图绘制以及装配图中各零件之间的连接定义,可以进行快速得概念设计。它支持参数化造型和布尔操作等造型手段,支持绘图与数控加工的双向数据关联。CATIA的外形设计和风格设计为零件设计提供了集成工具,而且该软件具有很强的曲面造型功能,集成开发环境也别具一格,同样,CATIA也可进行有限元分析,特别的是,一般的三维造型软件都是在三维空间内观察零件,但是CATIA能够进行四维空间的观察,也就是说该软件能够模拟观察者的视野进入到零件的内部去观察零件,并且它还能够模拟真人进行装配,比如使用者只要输入人的性别、身高等特征,就会出现一个虚拟装配的工人。但遗憾的是这套软件的价格也不便宜,目前笔者见过的最高的工作站版的CATIA应用软件是CATIAV5,该软件的微机版对微机的性能要求不太高,CPU选用P41GHz以上的,内存要求较大,另外还需要一块专业显卡。目前哈尔滨飞机制造公司的飞机、汽车等产品就是应用CATIA软件开发设计的。

  SDRC公司的IDeasMasterSeries是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测量直置数控加工的产品研发全过程,附加的CAM部分IDeasCamand可以方便地仿真刀具及机床的运动,可以从简单的2轴,2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件,并可以对数控加工过程进行自动控制和优化:采用VGX(VaiationalGeometryExtended,即超变量化几何)技术,VGX技术扩展了变量化产品结构,允许用户对一个完整的三维数字产品从几何造型、设计过程、特征到设计约束,都可以实时直接设计和修改,在全约束和非全约束的情况下均可顺利地完成造型,它把直接几何描述和历史树描述结合起来,从而提供了易学易用的特性。模型修改允许形状几拓扑关系变化,操作简便,并非象参数化技术那样仅仅是尺寸驱动,所有操作均为“拖放”方式,它还支持动态导航、登陆、核对等功能。工程分析是它的特长,并具有多种解算器功能,解算器是IDeas集成软件的一个重要组成部分。IDeasMasterSeries在技术上是先进的,它的出现引起了人们的重视。据笔者了解国外很多大型的制造企业都是使用两种设计软件,一种是IDeasMasterSeries,用它来完成产品的设计,另一种是UG,用它来完成设计产品的制造。

  Solidwoks公司的Solidwoks系列软件是一套功能相当强大的三维造型软件,三维造型是该软件的主要优势,该软件从最早的Solidwoks98版开始,就提出了功能强大、易学易用、技术创新这三大特点,就笔者的经验,该软件完全采用Windows的窗口界面,操作非常简单,支持各种运算功能,可以进行实时的全相关性的参数化尺寸驱动,比如,当设计人员修改了任意一个零件尺寸,就会使得装配图、工程图中的尺寸均随之变动。另外该软件的界面友好,使用全中文的窗口式菜单操作,这样一来就给使用者提供了学习便利,该软件的最新版本是新近推出的Solidwoks2001Plus,它秉承了Solidwoks原有特征,如碰撞检查、智能装配等,又新增了如动态运动模拟、直观的干涉检查、照片级的产品处理效果、符合GB的二维图纸等功能,使得该软件的功能日益强大。另外由于很多的使用者不满足与单纯的产品设计而要求CAD与CAM的结合,Solidwoks2001又开发了CAM模块——CAMWORKS,使用该模块能够很快的将设计好的产品转换为能够进行数控加工的G代码、M指令,使得CAD能和CAM有机的结合,该软件的另外一大优势是价格便宜,因此使用的单位及个人较多,比如国内的相当多的中小型企业都在使用Solidwoks软件。总的来说,Solidwoks系列产品作为三维的造型、设计软件还是相当的方便灵活好用的。

  Cimatron公司的Cimatron是基于CAD/CAM/PDM的产品,这套软件的针对性较强,被更多的应用到模具开发设计中,该软件能够给应用者提供一套全面的标准模架库,方便于使用者进行模具设计中的分型面、抽芯等工作,而且在操作过程中都能进行动态的检查,可以说该软件在模具设计领域是非常出色的,国内南方的一些模具企业都在使用这套软件,但由于它针对的专业性强,因此Cimatron更多的被应用于模具的生产制造业,而其他行业的使用者较少,另外该软件的价格相对较贵。

  以上介绍的主要都是一些进口的、国外的软件,国内的CAD/CAM系统是进几年才起步的,主要依靠于高等院校的开发研制,这一类的软件种类较多,比如具有自主版权的清华大学开发的GHGEMSCAD(高华CAD);具有三维功能并与有限元分析、数控加工集成的浙江大学开发的GS——CAD;具有参数化功能和装配设计功能的华中理工大学开发的开目CAD,该软件也是CAD/CAM/CAPP结合的软件,目前在国内的市场中使用也较多;北航海尔的CAXA系统是基于STEP的CAD/CAM集成制造系统,具有拖放式的实体造型并结合智能捕捉与三维球定位技术,在国内市场中出现较早,其功能也相对比较强大,在国内的应用也较为广泛。以上种种国内的应用软件大都符合中国人的绘图习惯,符合中国的制图、制造标准,而且是全中文的界面,符合中国人的使用习惯,因此进几年国产软件也慢慢的得到了应用者的广泛注意。而且国产软件的价格也是起与洋软件竞争的一个有利武器,国产软件的价格一般都在几千至万元左右,比起国外的动辄几十万,甚至上百万的软件实在是便宜的多。但凭心而论,国外软件的功能与技术仍是国产软件所不能达到的。

  以上简单介绍了种种CAD/CAM软件,但是应该如何选择合适自己的软件呢?根据笔者的经验一般应考虑以下几个因素:

  目前,市场上支持CAD/CAM系统的系统软件和支撑软件很多,且大多采用了模块化结构和即插即用的连接与安装方式。不同的功能通过不同的软件模块实现,通过组装不同模块的软件构成不同规模和功能的系统。因此,要根据系统的功能要求确定系统所需要的软件模块和规模。

  与硬件系统一样,目前CAD/CAM软件的生产厂家和供货商很多,同样功能的软件,不同厂家生产的在性能价格方面有较大的差异,不同供货渠道,价格上也有一定的差异,因此,选定软件产品时,也要进行系统的调研与比较,选择满足要求、运行稳定可靠、容错性好、人机界面友好、具有良好性能价格比的产品。同时,要注意欲购软件的版本号,该版本推出的日期及与以前一版本比较的功能改进等方面。

  不同的软件往往要求不同的硬件环境支持。如果软、硬件都需配置,则要先选软件,再选硬件,软件决定着CAD/CAM系统的功能。如果已有硬件,只配软件,则要考虑硬件能力,配备相应档次的软件。大多数软件分工作站版和微机版,有的是跨平台的,如AutoCAD,IDEAS,PROE,UG等分别有工作站版和微机版。

  为高质、高效地充分发挥CAD/CAM软件作用,通常都需要进行二次开发,要了解所选软件是否具备二次开发的可能性,开放性程度,所提供的二次开发工具,进行二次开发所需要的环境和编程语言。有的支撑软件提供专用的二次开发语言,有的采用通用的汇编语言进行二次开发,前者的专业性强,学习和培训量大,但使用中效率较高,而后者则相反。

  所选软件应与CAD/CAM系统中的设备、其它软件和通用数据库具有良好的接口、数据格式转换和集成能力,具备驱动绘图机及打印机等设备的接口,具备升级能力,便于系统的应用和扩展。

  除此之外,与硬件系统设计一样,也要考虑供应商的发展变换趋势、信誉、经营状况和售后服务能力,是否具有维护服务机构、手段、维护服务响应效率,能否提供有效的技术支持、培训、故障检修和技术文档资料,产品的市场占有率和已有用户的反映情况等。

  所选软件应在遇到一些极限处理情况和某些误操作时,能进行相应处理而不产生系统死机和系统崩溃。

  以上介绍的种种软件都是笔者个人认为比较成熟的、比较可靠的软件,当然由于篇幅限制,很多的软件不能一一详细的介绍到,请读者见谅,而且由于种种原因以上介绍的软件还有些不尽完备之处,请读者批评指正。

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