《计算机辅助制造》上机指导.doc

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1、第五章 计算机辅助数控编程5.1 计算机辅助数控编程概述按照传统的CAD/CAM系统和CNC系统的工作方式，CAM系统以直接或间接（通过中性文件）的方式从CAD系统获得产品的几何模型。CAM系统以三维几何模型中的点、线、面或实体为对象，生成加工刀具轨迹，并以刀位文件的形式经后处理，生成NC代码提供给CNC机床。对于目前流行的CAD/CAM数控编程方式，CAD与CAM之间的集成技术已比较成熟，通过CAD生成的产品的几何模型，可直接被CAM系统采用来实现计算机辅助数控编程。目前比较成熟的主流计算机辅助数控编程软件（CAM）系统主要有一下两种形式。（1）CAD/CAM集成系统，如UG、CATIA及P

2、ro/ENGINEER等。其主要特点是CAM系统以内部统一的数据格式直接从CAD模块中获取产品的几何模型。（2）相对独立的CAM系统，如MasterCAM及Surfcam等。其主要特点是具有简单的几何造型功能，可实现被加工零件的造型，进而完成数控程序的自动生成。由于CAD功能的限制，这类系统在使用时常通过中性文件从其他CAD系统获取产品的几何模型。CAD/CAM数控编程的一般过程如图5.1所示。 图5.1 CAD/CAM编程的一般过程上述的主流CAD/CAM系统一般都由5个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后处理模块。下面对部分优秀软件

3、的CAM功能做简单的介绍。1. UG系统UG是当今制造业中以数控加工功能齐全、完善而著称的最具代表性的CAM系统。其突出特点是功能强大的刀具轨迹生成方法，包括车削、铣削、点位加工、线切割等的加工功能。UG系统提供了多种加工各种复杂零件的粗、精加工类型，在每种加工类型中包含了多个加工模板，应用各种加工模板可快速建立加工操作。UG不但提供了功能强大的默认加工环境，而且允许用户自动定义加工环境。用户在创建加工操作的过程中，可继承加工环境中已定义的参数，不必在每次创建新的操作时重新定义，从而避免了重负劳动，提高了操作效率。在交互操作过程中，用户可在图形方式下交互编辑刀具路径，观察刀具的运动过程，生成刀

4、具位置源文件。同时应用其可视化功能，可以在屏幕上显示刀具轨迹，模拟刀具的真实切削过程，并通过过切检查和残留材料检查来检测相关参数设置的正确性。UG的加工功能模块主要有CAM基础、后处理、车加工、型芯和型腔铣削、固定轴铣削、清根切削、可变轴铣削、顺序铣削、制造资源管理系统、切削仿真、线切割、图形刀轨编辑器、机床仿真、NURBS(B样条)轨迹生成器等子模块。2. Cimatron系统Cimatron、PowerMill等是中端CAD/CAM软件的带表，Cimatron系统以其在CAM方面的优良性能而受到了广泛的应用，在国内比较流行。Cimatron系统提供了智能化25轴数控加工编程功能，支持数控铣

5、削、车削、钻、镗、线切割的加工编程；具有基于残留毛坯、曲面轮廓、等高分层、环绕等距、曲面流线、角落清根等多种刀具轨迹控制方式；同时，还提供了刀具轨迹编辑修改、加工仿真、后置处理等功能。此外，国产的CAXA软件也是一款便于使用和学习的CAD/CAM软件。 5.2 UG CAM数控编程5.2.1 UG CAM数控编程的基本概念 1. UG铣削加工的主要形式 UG加工主要针对铣床或切削中心，具体加工形式有： （1）2.5轴的铣削形式：Planer Mill（平面铣）、Cavity Mill（型腔铣）。 （2）3轴的铣削形式：Fix Axis Surface Contour（固定轴曲面轮廓铣）。 （3

6、）35轴的铣削形式：Variable Axis Surface Contour（可变轴曲面轮廓铣）、Sequential Mill（顺序铣）等。 UG加工模块中的各种铣削形式如按照加工精度分类，各分为粗加工和精加工两类。其中：粗加工的刀具轨迹以区域形式为特征，精加工的刀具轨迹以线性形式为特征。比如铣削的主要类型为： （1）粗铣：Planer Mill（平面铣）、Cavity Mill（型腔铣）。（2）半精铣：Planar Mill-Profile（环状的平面铣削）、Cavity Mill-Profile（型腔环状铣削）、Surface Contour（曲面铣）及Sequential Mill（

7、顺序铣）等。图5.2所示为UG常用的3轴铣加工方式。2. 加工几何体加工几何体指的是设置某一加工操作时，必须使用的几何体（Geometry）数据，如零件（Part）、毛坯（Blank）、检查（Check）、边界（Boundary）、切削区域（Cut Area）及修剪（Trim）几何体等。（1）零件几何体：即CAD所完成的3D模型，但当使用的加工功能不同时，需从此3D模型选取的数据也不完全相同，如型腔铣加工通常选取实体（Body）或曲面（Surface）数据，而固定轴曲面轮廓加工（Fixed-Contour）则可能选取模型上的曲线（Curve）、表面（Face）或实体（Body）数据。 图5.2

8、 UG的三轴铣加工方式（2）毛坯几何体：毛坯是欲加工成3D模型形状所用的材料，一般为大于3D模型的矩形体，如图5.3所示。（3）检查几何体：其功能是为了防止刀具过切某形体或曲面，而设定此形体或曲面为检查几何体（如工件的夹具等），若刀具有接触或穿透检查几何体时，系统会做出警告、提刀或避开等动作，如图5.4所示。图5.3 零件几何与毛坯几何 图5.4 检查几何体 （4）边界几何体：用于定义切削移动的区域。这些区域可以是单一边界，也可以是一个组合边界。图5.5所示为零件边界、毛坯边界以及驱动几何边界。 （5）切削区域几何体：指刀具轨迹产生在此选取的表面区域上，而非整个零件（Part）表面，通常用于零

9、件上某个局部区域的切削加工。 3. 加工坐标系 加工坐标系（MCS）是编程操作的基础，所有刀具位置的坐标值都是以加工坐标系为基准产生的。因此，加工坐标系是非常重要的概念，它对NC程序的结果影响重大。在UG的加工模块中，加工坐标系的默认值设为绝对做白哦西。当改变加工坐标系时，并不会影响零件模型中的参数设定。用户在创建新的操作前，应检查加工坐标系是否与NC机床所加工工件的给定位置相吻合。 图5.5 边界 4. 父节点组 UG CAM采用面向对象的原理管理操作过程中的各类对象。对象的关系呈树状结构（详见操作导航器），对象包括父节点组和各类操作。父节点组是指包含其他对象的对象节点组，在父节点组中定义的

10、参数可以被子节点组继承，对于需要建立多个程序来完成加工的工件来说，使用父节点组方式可以减少重复性的工作。例如，一个零件的同一组表面要求进行粗加工、半精加工和精加工时，需要产生3个操作，如果将要加工的表面定义成一个几何体父节点组，则在3个操作中只需引用这一父节点组即可，而不必在建立3个操作时分别对加工几何体进行重复定义。同样，在刀具父节点组中定义了一把刀具后，个操作可通过引用刀具父节点组中的这把刀具进行加工，而不必在每一个操作中分别定义刀具参数。UG的父节点有4个，如表5.1所示。表5.1 UG的父节点组及其含义父节点组包含的数据内容刀具（Tool）刀具尺寸方法（Method）加工方法，如进给速

11、度、主轴转速和公差等几何体（Geometry）加工对象几何体数据，如零件、毛坯、MCS、安全平面等程序组（Program）决定输出操作的顺序在UG中，父节点组的设定不是必须的，也就是说，父节点组可以为空。在不设置父节点组的情况下，可以直接在建立操作时通过“创建操作”对话框中的组设置来进行定义。一般而言，对于较为分散的操作，常采用不事先设定父节点组，而在建立每一操作时再指定所需的几何体对象、刀具、进给速度、主轴转速等参数，这样显得较为直观。5. 后处理在产生刀具轨迹后，需要通过后置处理将产生的刀具轨迹转换成数控加工程序。UG提供的后置处理可以直接选取含有刀具轨迹的操作，将其编译为NC程序。在操作

12、导航器窗口中，选取要编译成NC程序的操作或程序（Program），同时选择UG后处理（UG/Post Process）即可进行后置处理，如图5.6所示。UG的后处理采用通用的后置处理方式。在后置处理之前，用户需先根据后置处理格式的规则，进行后置处理格式设定，一伙的适合自己使用的NC机床的后置处理机床数据文件。UG CAM后置处理的设定由UG Command prompt窗口内的mdfg.exe程序来完成。这是一个多层式菜单的人机交互程序，用户可以根据系统菜单提示，按自己的需求来逐步设定机床控制器的各种特性。由于其界面不太友好，已逐渐被UG后处理构造器-UG/Post Builder所代替，后者

13、可以图形界面的方式创建从2轴到5轴的后处理程序。 图5.6 UG后置处理 图5.7 机床数据文件生成器（MDFG）5.2.2 UG CAM环境 1. 加工环境初始化进入UG加工模块的方法是：在主菜单中选择【起始】-【加工】命令，系统将弹出CAM加工环境初始化对话框，如图5.8所示。在【加工环境】对话框中，先在【CAM会话配置】列表中选择一种CAM配置，然后在【要创建的CAM设置】列表中选择一个CAM设置，指定零件的加工制造方式，比如：车加工（Lathe）,车-铣式加工（Lathe Mill），三轴铣加工（Mill-Contour），多轴铣加工（Mill-Multi-Axis）等。选择合适的加工

14、环境后，单击 “确定”按钮，系统就会开始加工环境的初始化。UG CAM加工环境的不同配置提供了不同的加工设定默认值和加工环境的选项模板文件。 图5.8“加工环境”对话框 2. UG加工模块界面UG加工模块的基本操作界面如图5.9所示。如同CAD模块一样，CAM的相关功能图标（Icon）被分门别类地放置在各个工具栏（Tool Bar）里。 图5.9 UG加工模块的基本操作界面3. UG CAM的工具栏工具栏的图标与菜单项是相互对应的，在界面中直接单击工具栏图标则更方便、更实用。用户可以通过定制自己的工具栏来重新组合操作界面，在工具栏所在位置单击鼠标右键，在弹出的下拉菜单中选择“定制.”（Cust

15、omize）选项来定义界面的工具栏。UG CAM的工具栏主要有以下几种：“操作”（Operation）工具条：包括对导轨进行操作、输出文件以及后处理等工具，如图5.11所示。“插入”（Insert）工具条：用于创建操作和加工节点，如图5.12所示。 图5.10 操作（Operation）工具条 图5.11 插入（Insert）工具条“动作”（Action）工具条：包括对操作对象进行编辑和剪切复制，如图5.12所示。“导航器”（Navigator）工具条：用于控制操作导航工具的内容显示方式，如图5.13所示。 图5.12 动作（Action）工具条 图5.13 导航器（Navigator）工具条

16、4. 操作导航器操作导航器（Operation Navigator）是加工操作中最常用的工具，如图5.14所示。用户可以很方便地通过操作导航器进行操作、程序、加工方法、几何体以及刀具的显示、创建和管理等工作。在操作导航器中，用户只需指定一次父节点组，其所属的子节点就会继承同样的节点参数，从而省去了重复性的劳动。在操作导航器中单击鼠标右键可以弹出操作菜单，如图5.15所示。相对于工具栏图标，弹出菜单使用起来更加方便，更有利于提高工作效率。UG CAM包括程序（Program）、刀具（Tools）、几何体（Geometry）以及加工方法（Method）等4种父节点组。在操作导航器中，可以显示它们各

17、自的树形结构，但每次只能显示一种节点树，通过单击操作导航器可以进行节点组树形结构的切换，如图5.16所示。 图5.14 操作导航器 图5.15 操作导航器右键弹出菜单 图5.16 节点组树形结构的切换5.2.3 UG CAM数控编程的一般过程 在零件加工过程中，零件个表面的形成是通过若干个按一定次序排列的操作来完成的。在定义每个操作时，需要选择加工几何对象、指定切削刀具、定义加工参数和安排加工顺序，然后选择合适的加工模板来产生相应的操作。在UG的加工环境中，所有的这些工作都是通过【创建操作】对话框（如图5.17所示）来完成的。UG CAM的基本操作过程的流程图如图5.18所示。如图所示，在UG

18、的加工应用中，完成一个程序的生成需要经过以下步骤：图5.17“创建操作”对话框创建零件主模型制定工艺规划指定加工环境分析/创建辅助几何体创建/编辑父级参数组程序顺序加工刀具加工几何加工方法创建/编辑操作刀轨检查、切削模拟生成刀轨后置处理NC程序生成车间工艺文件数控机床 图5.18 数控程序生成的操作步骤 1. 初始化设置进入加工环境后，首先要进行初始化设置，包括选择模板文件，建立父节点组。2. 创建操作在【创建操作】对话框中指定该操作的类型、程序、使用几何体、使用刀具和使用方法等父节点组，并指定操作的名称。3.指定操作参数在【创建操作】对话框中选定了不同的加工操作类型，则会弹出不同的操作对话框

19、。在这些对话框中需进行一系列加工几何对象、切削参数、控制选项等操作参数的设置，并且很多选项需通过二级对话框弹出并进行设置。操作参数的设定是UG CAM编程中最主要的工作内容，具体包括：（1）加工对象的定义：选择加工几何体、检查几何体、毛坯几何体、边界几何体、区域几何体、底面几何体等。（2）加工参数的设置：包括走刀方式的设定、切削行距、切深的设置、加工余量的设置、进退刀方式的设置等。（3）工艺参数设置：包括切削参数设置、避让控制、机床控制、进给率设定等。不同的操作类型，其操作对话框显示的选项不尽相同。UG编程操作时，操作对话框中的参数设置非常关键，会直接影响所编制的加工程序的正确性与合理性。但是

20、，不少参数也可使用系统提供的默认值。4. 生成刀轨设置了所有必需的操作参数后，即可以通过“刀轨生成”图标来生成刀轨。5. 刀轨检验与仿真对创建的操作和刀轨可通过对屏幕视角的旋转、平移、缩放等操作来调整观察角度，检查刀轨的正确性，并采用UG的切削仿真功能进一步检查刀轨。6. 后置处理对生成的刀轨进行后置处理，生成符合机床标准格式的数控程序。5.2.4 UG CAM的主要铣加工方式 1. 平面铣 平面铣常用于直壁的、有岛屿顶面或槽腔地面的零件加工。它是一种2.5轴的加工方式，在加工过程中产生在水平方向的XY两轴联动，而Z轴方向只在完成一层加工后进入下一层时才做单独的动作。平面铣通过建立平面边界来定

21、义零件几何体的切削区域，并且一直切削到指定的底平面。 通过设置不同的切削方法，平面铣可以完成挖槽或者是轮廓外形的加工。一般情况下，对于直壁的、水平底面为平面的零件，优先选用平面铣操作进行粗加工和精加工。平面铣的子类型如图5.19所示。 图5.19 平面铣操作的子类型 由图可见，平面铣的子类型有13种，其含义说明如表5.2所示。其中16项为粗加工方法，79项为精加工方法，最常用的是平面铣（Planar-Milling）和表面铣（Face Milling）。 平面铣：用于对所选的平底凹槽做多层等高铣削加工，即所谓的多层平面铣削。此加工功能几乎涵盖所有其他的平面铣加工。 表面铣削：用于只针对所选取的

22、平面做加工，即所谓的单层平面铣削。注意，此方式的下刀点会先落在加工边界之外，然后再切入加工边界内。 表5.2 平面铣各子类型说明项图标名称说明1【面铣削区域】FACE-MILLING-AREA适用于在实体模型上使用【切削区域】（Cut Area）、【壁几何体】（Wall Geometry）等几何体类型进行半精加工和精加工。2【面铣削】FACE-MILLING适用于在实体模型上使用【面边界】（Face Boundaries）等几何体类型进行半精加工和精加工。3【手工面铣削】FACE-MILLING-MANUAL适用于在实体模型上使用【切削区域】（Cut Area）、【壁几何体】（Wall Geo

23、metry）等几何体类型进行半精加工和精加工。并且可独立指定各个切削区域的切削模式。4【平面铣】PLANAR-MILL该子类型是平面加工的基本操作，适用于使用各种切削模式进行平面类工件的粗加工和精加工。5【平面轮廓】PLANAR-PROFILE该子类型在默认情况下适用于无需指定毛坯几何体、仅使用【轮廓】（Profile）切削模式进行侧壁轮廓的精加工。6【跟随轮廓粗加工】ROUGH-FOLLOW该子类型在默认情况下使用【跟随部件】（Follow Part）切削模式进行区域的粗加工。7【往复粗加工】ROUGH-ZIGZAG该子类型在默认情况下使用【往复】（ZIGZAG）切削模式进行区域的粗加工。8

24、【单向粗加工】ROUGH-ZIG该子类型在默认情况下使用【单向轮廓】（Zig with Contour）切削模式进行区域的粗加工。9【清理拐角】CLEANUP-CORNERS该子类型在默认情况下使用【跟随部件】（Follow Part）切削模式清除以前操作在拐角留下的残留材料。10【精加工壁】FINISH-WALLS该子类型在默认情况下使用【轮廓】（Profile）切削模式精加工侧壁轮廓，系统将自动在底平面设定余量。11【精加工底部面】FINISH-FLOOR该子类型在默认情况下使用【跟随部件】（Follow Part）切削模式精加工平面，系统将自动在侧壁设定余量。12【螺纹铣削】THREAD

25、-MILLING该子类型适用于在底孔上铣螺纹。13【平面文本】PLANAAR-TEXT该子类型适用于在平面上雕刻文字。14【机床控制】MILL-CONTROL创建机床控制事件，添加后处理命令15【自定义方式】MILL-USER自定义参数建立操作 2. 型腔铣型腔铣适用于非直壁的、岛屿的顶面和型腔的底面为平面或曲面零件的加工。型腔铣的一个突出优点是使用等高加工方式，可以保持刀具切削负荷的稳定性。因此，型腔铣在数控加工中的应用最为广泛，大部分粗加工可用该方式，在数控加工应用中要占到超过一半的比例。型腔铣的子类型如图5.20中的框1所示，其子类型选项如表5.3所示，它们都是以型腔铣（CAVITY M

26、ILL）为基础，通过设置切削方式来创建不同的刀具轨迹。 图5.20 型腔铣的子类型 表5.3 型腔铣操作各子类型说明图标名称说明【型腔铣】（CAVITY-MILL）该子类型为型腔加工的基本操作，可以使用所有切削模式来切除由毛坯几何体、IPW和部件几何体所构成的材料量，通常用于工件的粗加工。【插铣】（PLUNGE-MILLING）该子类型适用于使用插铣方式进行粗加工。【轮廓粗加工】（CORNER-ROUGH）该子类型适用于使用【跟随部件】（Follow Part）切削模式清除以前刀具在拐角或过渡圆角部位无法加工而留下的残留材料。【剩余铣】（REST-MILLING）该子类型适用于加工以前刀具切削

27、后残留的材料。【深度加工轮廓】（ZLEVEL-PROFILE）该子类型适用于使用【轮廓】（Profile）切削模式精加工工件的外型。【深度加工拐角】（ZLEVEL-CORNER）该子类型适用于【轮廓】（Profile）切削模式精加工以前刀具在拐角或过渡圆角部位无法加工的区域。型腔铣与平面铣都是产生平面层切削刀具轨迹，以切除多余的材料，通常用于完成精加工前的粗加工操作。但型腔铣与平面铣在定义零件材料的方式上有所不同： 平面铣使用外形边界来定义零件。 型腔铣使用实体、表面、曲线及边界来定义零件。因此，平面铣适于加工外形为直立（没有倾斜）面的工件，而型腔铣则没有限制，外形为直立、倾斜或曲面的工件皆可

28、适用。一般情况下，在既可以用平面铣又可以用型腔铣的情况下，优先考虑使用平面铣加工。而在使用MILL CONTOUR模板进行编程时，则直接应用型腔铣操作相对方便一些。3. 固定轴曲面轮廓铣固定轴曲面轮廓铣属于3轴铣削加工，可在复杂曲面上产生精确的刀具轨迹。如图5.21所示，固定轴曲面轮廓铣的刀具轨迹的生成是应用投影法原理，将驱动几何体上的一系列驱动点沿着指定投影矢量投影到零件表面而产生的。其主要控制要素为驱动几何体和投影矢量。 图5.21 固定轴轮廓加工的刀轨产生原理 创建固定轴曲面轮廓铣刀具轨迹的过程可以分为两个阶段：先从指定的驱动几何体生成驱动点，再将驱动点沿着一个指定的够硬矢量方向投影到零

29、件几何体上，形成投影点。因此，通过灵活应用驱动几何体形状和投影矢量，可获得满意的刀具轨迹。针对不同的加工曲面形状特征，可以选择不同的导向方式，可以获得不同的导轨形式，相当于其他CAM软件的沿面切削、外形投影、口袋投影、沿面投影及清角等操作，功能非常强大。 固定轴曲面轮廓铣主要用于各种曲面的精加工以及清角加工，对于大部分的曲面特别是相对较为平缓的曲面模型，其精加工完全可通过固定轴曲面轮廓铣完成。固定轴曲面轮廓铣的子类型如图5.20中框2所示。各子类型的含义如表5.4所示。 表5.4 固定轴轮廓加工的操作子类型图标名称说明【固定轮廓铣】FIXED-CONTOUR该子类型为固定轴轮廓加工的基础操作，

30、提供各种驱动方法和切削参数，可用于工件整体或区域的加工。【轮廓区域】CONTOUR-AREA该子类型默认设置驱动方法为区域铣削，适用于仅加工某些指定的面。【轮廓表面积】CONTOUR-SURFACE-AREA该子类型默认设置驱动方法为表面积，适用于仅加工某些有规律排列的面。【流线】STREAMLINE该子类型默认设置驱动方法为流线，适用于由曲线、边缘定义刀具移动方向。【轮廓区域非陡峭】CONTOUR-AREA-ON-STEEP该子类型默认设置驱动方法为区域铣削，适用于加工小于指定陡峭度的非陡峭区域面。【轮廓区域方向陡峭】CONTOUR-AREA-DIR-STEEP该子类型默认设置驱动方法为区域

31、铣削，适用于加工大于指定陡峭度的陡峭区域面。【单刀路清根】FLOWCUT-SINGLE该子类型默认设置驱动方法为清根，适用于使用单条刀路进行清根的场合。【多刀路清根】FLOWCUT-MULTIPLE该子类型默认设置驱动方法为清根，适用于使用多条偏置刀路进行清根的场合。【清根参考刀具】FLOWCUT-REF-TOOL该子类型默认设置驱动方法为清根，适用于使用多条刀路对以前刀具切削后的残留材料进行清根的场合。【清根光顺】FLOWCUT-SMOOTH该子类型与【清根参考刀具】操作相比，只增加了清根类型的下拉列表，其他的功能都完全相同（NX8.0已经取消该项）。【实体轮廓3D】SOLID-PROFILE-3D该子类型为3D轮廓加工操作，适用于由实体【轮廓3D】PROFILE-3D该子类型为特殊的3D轮廓加工操作，适用于由指定曲线或边缘偏置一定距离确定加工深度的场合。【轮廓文本】CONTOUR-TEXT该子类型适用于在曲面上应用投影方法进行制图文本的雕刻。所选择的文本必须是注释。 除了上述几种基本的铣加工类型外，UG/CAM还具有多种其它铣加工的类型，比如功能更加强大的可变轴曲面轮廓铣（Variable Axis Surface Contour）、顺序铣（Sequential Mill）等。由于篇幅所限，在此不作介绍，读者可参考相关资料。