2.3 数控程序编制的方法介绍
数控机床的程序编制是指由分析零件图样到程序检验、加工样件的全部过程。数控机床程序编制的方法有两种,即手工编程(manual programming)和自动编程(automatically programming)。
(1)手工编程
手工编程是指所有编制加工程序的全过程,即图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序、制作控制介质、程序校验都是由手工来完成的。手工编程比较适合批量较大、形状简单、计算方便、轮廓由直线或圆弧组成的零件的加工。主要用于点位加工(如钻、铰孔)或几何形状简单(如平面、方形槽)零件的加工,计算量小,程序段数有限,编程直观易于实现的情况等。
在实际加工中,复杂的零件占加工零件总量的5%~ 10%,大多数的零件并不复杂,对于点位加工或几何形状不太复杂的零件,程序编制计算比较简单,程序段不多,多采用手工编程方式。普及型数控机床采用开环控制方式,具有数控系统简单、内存容量较小等特点,要求编程人员考虑如何尽量编制较短的加工程序,合理使用编程技巧,提高程序的使用率。
对于具有空间自由曲面、复杂型腔的零件,刀具轨迹数据计算相当烦琐,工作量大,极易出错,且很难校对,有些甚至根本无法完成,就需要自动编程来完成。
(2)自动编程
自动编程是由计算机编制数控加工程序的过程。自动编程是由计算机代替人完成一些计算烦琐、手工编程困难或无法编出的程序,它能够实现形状复杂,具有非圆曲线轮廓、三维曲面等零件的编写加工。采用自动编程方法效率高,可靠性好,程序正确率高。
采用计算机代替手工编制数控加工程序的过程称为“计算机自动编程”,也称为计算机辅助编程,简称“自动编程”。它是利用通用计算机和相应前置、后置处理软件,对工件源程序或CAD图形进行处理,以得到加工程序的一种方法。
目前,CAD/CAM集成系统软件是实现数控自动编程必不可少的应用软件,在国内市场上销售比较成熟的这类软件有十几种,既有国外的也有国内自主开发的,这些软件在功能、价格、适用范围等方面有很大差别。CAD/CAM集成系统自动编程的主要特点如下。
①数学处理能力强 对轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件,特别是空间曲面零件,以及几何要素虽不复杂,但程序量很大的零件,计算工作相当烦琐,采用手工编制程序的方法是难以完成的。例如,对一般二次曲线廓形,手工编程必须采取直线或圆弧逼近的方法,算出各节点的坐标值,其中列算式、解方程虽说能借助计算器进行计算,但工作量之大是难以想象的。而自动编程借助于系统软件强大的数学处理能力,计算机能自动计算出加工该曲线的刀具轨迹,快速而又准确。自动编程系统还能处理手工编程难以胜任的二次曲面和特殊曲面。
②快速、自动生成数控程序 对非圆曲线的轮廓加工,手工编程即使解决了节点坐标的计算,也往往因为节点数过多,程序段很大而使编程工作又慢又容易出错。自动编程的优点之一,就是在完成计算刀具运动轨迹之后,后置处理程序能在极短的时间内自动生成数控加工程序,且该数控加工程序不会出现语法错误。当然自动生成数控加工程序的速度还取决于计算机硬件的档次,档次越高,速度越快。
③后置处理程序灵活多变 由于数控系统的指令形式不尽相同,机床的辅助功能也不一样,伺服系统的特性也有差别。因此,同一个零件在不同的数控机床上加工,数控加工程序也应该是不一样的。但在前置处理过程中,大量的数学处理,轨迹计算却是一致的。这就是说,前置处理可以通用化,只要稍微改变一下后置处理程序,就能自动生成适用于不同数控机床的数控程序来。后置处理相比前置处理,工作量要小得多,程序简单得多,因而它灵活多变。对于不同的数控机床,取用不同的后置处理程序,等于完成了一个新的自动编程系统,极大地扩展了自动编程系统的使用范围。
④程序自检、纠错能力强 复杂零件的数控加工程序往往很长,要一次编程成功,不出一点错误是不现实的。手工编程时,可能出现书写有错误,算式有问题,也可能程序格式出错,靠人工检查一个个的错误是困难的,费时又费力。采用自动编程,程序有错主要是原始数据不正确而导致刀具运动轨迹有误,或刀具与工件干涉,或刀具与机床相撞等。自动编程能够通过系统先进的、完善的诊断功能,在计算机屏幕上对数控加工程序进行动态模拟,连续、逼真地显示刀具加工轨迹和零件加工轮廓,发现问题能及时对数控加工程序中产生错误的位置及类型进行修改,快速又方便。现在,往往在前置处理阶段计算出刀具运动轨迹以后立即进行动态模拟检查,确定无误以后再进入后置处理阶段,生成正确的数控加工程序来。
⑤便于实现与数控系统的通信 自动编程系统可以利用计算机和数控系统的通信接口,实现自动编程系统和数控系统间的通信。自动编程系统生成的数控加工程序,可直接输入数控系统,控制数控机床进行加工。如果数控程序很长,而数控系统的程序存储器容量有限,不足以一次容纳整个数控加工程序,编程系统可以做到边输入,边加工。自动编程系统的通信功能进一步提高了编程效率,缩短了生产周期。
(3)CAD/CAM集成系统软件
下面列举一些常用的CAD/CAM集成系统软件。
①UG系统 UG系统是美国UGS(Unigraphics Solutions)公司推出的一套集CAD、CAM、CAE 功能于一体的三维参数化软件软件。它最早由美国麦道航空公司研制开发,从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来。经过多年发展,该系统本身以复杂曲面造型和数控加工功能见长,还具有管理复杂产品装配,进行多种设计方案的对比分析和优化等功能。其庞大的模块群为企业提供了从产品设计、产品分析、加工装配、检验,到过程管理、虚拟运作等全系列的技术支持。目前,该软件在国际CAD/CAM/CAE市场上占有较大的份额,是当今最先进的计算机辅助设计、分析和制造的高端软件,用于航空、航天、汽车、轮船、通用机械和电子等工业领域。
②Pro/Engineer 系统 Pro/Engineer是美国PTC公司研制和开发的软件,它开创了三维CAD/CAM参数化的先河。该软件具有基于特征、全参数、全相关和单一数据库的特点,可用于设计和加工复杂零件。另外,它还具有零件装配、机构仿真、有限元分析、逆向工程、同步工程等功能。Pro/Engineer广泛应用于模具、工业设计、汽车、航天、玩具等行业,并在国际CAD/CAM/CAE市场上占有较大的份额。
③CATIA系统 CATIA系统是法国达索(Dassault)公司推出的产品,是最早实现曲面造型的软件,它开创了三维设计的新时代。它的出现,首次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息,使CAM技术的开发有了现实的基础。目前,CATIA系统已发展成从产品设计、产品分析、加工、装配和检验,到过程管理、虚拟运作等众多功能的大型CAD/CAM/CAE软件。该系统主要编程功能与APT-IV/SS相同,并在很多方面突破了APT-IV/SS的限制,有了较大的改进。法制幻影系列战斗机、波音737及777的开发设计均采用CATIA。
④CIMATRON 系统 CIMATRON系统是以色列Cimatron公司提供的CAD/CAM软件,是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM的全功能系统。它具有三维造型、生成工程图、数控加工等功能,具有各种通用和专用的数据接口及产品数据管理(PDM)功能。该软件较早在我国得到全面汉化,已积累了一定的应用经验。
⑤MasterCAM MasterCAM是由美国CNC Software公司推出的基于PC平台上的CAD/CAM软件,它具有很强的加工功能,尤其在对复杂曲面自动生成加工代码方面,具有独到的优势。由于MasterCAM主要针对数控加工,零件设计造型功能不强,但对计算机硬件的要求不高,且操作灵活、易学易用、价格较低,受到中小企业的欢迎。
⑥CAXA制造工程师 CAXA制造工程师是由我国北航海尔软件有限公司自主研制开发的基于微机平台,面向机械制造业的全中文三维CAD/CAM软件。作为中国制造业信息化领域自主知识产权软件优秀代表和知名品牌,CAXA已经成为中国CAD/CAM/PLM业界的领导者和主要供应商。它采用原创Windows菜单和交互方式,全中文界面,便于轻松地学习和操作。它既具有线框造型、曲面造型和实体造型的设计功能,较强的三维曲面拟合能力,又具有生成2~5轴的加工代码的数控加工功能,可用于加工具有复杂三维曲面的零件。其特点是易学易用,价格较低,已在国内众多企业和大专院校得到广泛的应用。该软件性能优越,价格适中,在国内市场颇受欢迎。
⑦FeatureCAM 美国DELCAM公司开发的基于特征的全功能CAM软件,全新的特征概念,超强的特征识别,基于工艺知识库 FeatureCAM的材料库、刀具库,图标导航的基于工艺卡片的编程模式。全模块的软件,从2~5轴铣削,到车铣复合加工,从曲面加工到线切割加工,为车间编程提供全面解决方案。DELCAM软件后编辑功能相对来说是比较好的。
⑧EdgeCAM 英国Pathtrace公司出品的具有智能化的专业数控编程软件,可应用于 EdgeCAM车、铣、线切割等数控机床的编程。针对当前复杂三维曲面加工特点,EdgeCAM设计出更加便捷可靠的加工方法,目前流行于欧美制造业。英国路径公司正在进行中国市场的开发和运作,为国内的制造业的客户提供更多的选择。
⑨VERICUT 美国CGTECH公司出品的一种先进的专用数控加工仿真软件。VERICUT 采用了先进的三维显示及虚拟现实技术,对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度。不仅能用彩色的三维图像显示出刀具切削毛坯形成零件的 VERICUT全过程,还能显示出刀柄、夹具,甚至机床的运行过程和虚拟的工厂环境也能被模拟出来,其效果就如同是在屏幕上观看数控机床加工零件时的录像。编程人员将各种编程软上生成的数控加工程序导入VERICUTVERICUT中,由该软件进行校验,可检测原软件编程中产生的计算错误,降低加工中由于程序错误导致的加工事故率。目前国内许多实力较强的企业,已开始引进该软件来充实现有的数控编程系统,取得了良好的效果。
⑩PowerMILL PowerMILL是英国Delcam Plc公司出品的功能强大、加工策略丰富的数控加工编程软件系统。采用全新的中文WINDOWS用户界面,提供完善的加工策略。帮助用户产生最佳的加工方案,从而提高加工效率,减少手工修整,快速产生粗、精加工路径,并且任何方案的修改和重新计算几乎在瞬间完成,缩短85%的刀具路径计算时间,对2~5轴的数控加工包括刀柄、刀夹进行完整的干涉检查与排除。具有集成的加工实体仿真,方便用户在加工前了解整个加工过程及加工结果,节省加工时间。
PowerMILL具备完整的加工方案,对预备加工模型不需人为干预,对操作者无经验要求,编程人员能轻轻松松完成工作,更专注其他重要事情。同时也是CAM软件技术具有代表性的,增长率较快的加工软件。
PowerMILL可以接受不同软件系统所产生的三维电脑模型,让使用众多不同CAD系统的厂商,不用重复投资。PowerMILL是独立运行的、智能化程度最高的三维复杂形体加工CAM系统。CAM系统与CAD分离,在网络下实现一体化集成,更能适应工程化的要求,代表着CAM技术最新的发展方向。与当今大多数的曲面CAM系统相比有无可比拟的优越性。
实际生产过程中设计(CAD)与制造(CAM)地点不同,侧重点也不相同。当今大多数曲面CAM系统在功能上及结构上属于混合型CAD/CAM系统,无法满足设计与制造相分离的结构要求。PowerMILL实现了CAD系统分离,并在网络下实现系统集成,更符合生产过程的自然要求。
PowerMILL系统操作过程完全符合数控加工的工程概念。实体模型全自动处理,实现了粗、精、清根加工编程的自动化。编程操作的难易程度与零件的复杂程度无关。CAM操作人员只要具备加工工艺知识,只需两三天的专业技术培训,可对非常复杂的模具进行数控编程。
CAD/CAM技术是科技领域中的前沿课题之一,也是当今的尖端技术——集成化制造系统核心技术的基础。它具有高智能、高效益、知识密集、更新速度快、综合性强等特点。近几年来,上述CAD/CAM系统的版本升级速度非常快,CAD/CAM技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技和工业现代水平的重要标志之一。
知识应用与拓展
数控编程的方法和常用软件有哪些?