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1、摘要数控编程是目前C A D C A M 系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加：i：精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。随着计算机应用技术的发展，数控编程目前基本上是采用基于C A D C A M 软件的图形编程技术，即数控图形编程。本文主要介绍针对数控车床的图形编程系统开发。此系统是基于M F C 类库，利用V C+进行开发的，是一个C A D C A M 集成一体化的数控车床图形编程系统，它主要由两大功能模块构成：图形绘制(C A D)和辅助加工(C A M)。系统根据数控车床加工零件的特征，建立了零件的特征模型。用户通过系统的人机交互界面，完
2、成零件轮廓的特征输入，经过数据处理，建立轮廓的参数化模型。通过系统提供的图形编辑工具，最终确定零件轮廓图形。用户根据已绘制的图形，交互选择加工方式、加工路线，并进行加工参数的设置，然后由系统根据用户的初始设置计算出刀位轨迹，并进行轨迹动态仿真，最终输出数控车床的加工代码。此系统通过人机交互完成数控车床加工零件的设计和辅助加工，极大的方便了设计师和操作人员，提高了生产效率，降低了生产成本。关键字：C A D C A M：数控图形编程；特征模型；参数化模型北京工业大学工学硕士学位论文A b s t r a c tN CP r o g r a n k m i n gi so n eo fl o o
3、p sw h i c hb e n e f i tm o s t l yo fC A D C A Ms y s t e m，i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nd e s i g na n dm a n u f a c t u r ea u t o m a t i o n s，m a c h i n i n gp r e c i s i o na n dq u a f i t y a n ds h o r t e n i n gp r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e W i t ht h ed
4、e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y,N CP r o g r a m m i n gn o wb a s i c a l l ya d o p t sG r a p h i cP r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yb a s e do nC A D C A M，S Oi tn o wi sc a l l e dN CG r a p h i cP r o g r a m m i n g T h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e s
5、d e v e l o p m e n to fG r a p h i cP r o g r a m m i n gS y s t e ma i m e da tt h eN CL a t h e T h eN CG r a p h i cP r o g r a m m i n gs y s t e mf o rL a t h ei sd e v e l o p p e dw i t hV C+b a s e do nM F Cl i b r a r y,a n di st h ei n t e g r a t i o no fC A Da n dC A M T h es y s t e mi
6、 sc o m p o s e do f t w of u n c t i o nm o d u l e s：C A Da n dC A M T h es y s t e ms e t su pf e a t u r es y s t e mf r a m e w o r ka c c o r d i n gt of e a t u r eo f p a r t sc u t t e d0 1 1t h eL a t h e T h e nu s e r si n t e r a c tw i t hs y s t e mt h r o u g hm a n m a c h i n ei n
7、t e r f a c e，f i n i s ht h ei n p u to ff e a t u r eo fp a r tp r o f i l e T h e nt h es y s t e ma u t o m a t i c a l l yp r o c e s s e sd a t aa n dc o n s t r u c t sP a r a m e t r i cM o d e lo ft h ep r o f i l e B ye d i tt o o l st h a ts y s t e mp r o v i d e s，U s e r sm a k es u r
8、ep r o f i l eo fp a r t A n dt h e nu s e r st h r o u g hm a n m a c h i n ei n t e r f a c es e l e c t sp r o c e s s i n gr o u t ea n dp r o c e s s i n gm e t h o d，s u c c e s s i o n a l l ys e t u pp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s-A f t e rt h a t，t h es y s t e mc a l c u l a t e st
9、 r a c ko f t o o l sa n dd i s p l a y sh o wt h et o o l sm o v e A tl a s t，i fu s e r sa r es a t i s f i e dw i t ht h ed i s p l a y,u s e r sC a ng e tm a c h i n i n gc o d e st h r o u g h1 Y l a n m a c h i n ei n t e f f a c e T h es y s t e ma c c o m p l i s h e dp a r t sd e s i g na n
10、 dA i d e d m a n u f a c t u r et h r o u g hm a n-m a c h i n ei n t e r f a c e，S Oi ti sc o n v e n i e n c et od e s i g n e r sa n do p e r a t o r s，m o r e o v e ri ti m p r o v e sp r o d u c te f f i c i e n c ya n dr e d u c e sp r o d u c tc o s t K e yw o r d s：C A D C A M；N CG r a p h
11、i cP r o g r a m m i n g；P a r a m e t r i cM o d e l；F e a t u r eM o d e l独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中持别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意签名靼日期鲨堂丛关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论
12、文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文(保密的论文在解密后应遵守此规定)第1 章绪论1 1 课题来源及背景第1 章绪论制造业是我国国民经济的支柱产业，是国民经济发展的先导部门。振兴制造业是启动我国经济新高潮的杠杆，且实践己证明，先进的技术装备与先进的制造技术是振兴制造业的系统工程中重要的组成部分【I】。随着科学技术的飞速发展，社会对产品多样化的要求目益强烈，产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加；同时，随着航空工业、汽车工业和轻工业消费产品生产的高速增长，复杂形状的零件越来越多，精度要求也越来越高；此外，激烈的市场竞争要求产品研
13、制生产周期越来越短，传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。因此，近几十年来，能有效解决复杂、精密、小批多变零件加工问题的数控加工技术得到了迅速的发展和广泛的应用，使制造技术发生了根本性的变化。努力发展数控加工技术，并向更高层次的自动化、柔性化、敏捷化、网络化和数字化制造方向推进，是当前机械制造业发展的方向。数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化9 n 3-_，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件，
14、有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计(C A D)、和计算机辅助制造(C A M)的一体化成为现实，使机械加工的柔性自动化水平不断的提高【2】。自1 9 5 2 年第一台数控机床问世至今，数控系统经历了两个阶段，发展到第六代产品了。第一个阶段是N C(数控)阶段，其主要包括电子管、晶体管小规模集成电路系统；第二个阶段是C N C(计算机数控)阶段，其主要包括小型计算机，微处理器和P C 机系统。现今的数控系统，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统正朝黄以通
15、用微机(个人计算机P C)为基础、体系结构开放和智能化的方向发展。机床计算机数控技术是本世纪7 0 年代发展起来的机床控制新技术(简称北京工业大学工学硕士学位论文C N C)，集成了计算机技术、自动控制技术、测量技术、机械制造方面的最新成就，机械加工的效率和质量得到突飞猛进的提高【”。八十年代，C A D C A M 技术的发展使得以数控机床为基础的现代制造技术(M C、F M S、C I M S)应用前景更为广阔，给制造业带来了翻天覆地的变化，促进了自工业革命以来生产率又一次的飞跃。随着计算机应用技术的发展，机械行业面I 商着严峻的考验，同时也面临着新的曙光和发展机遇。利用计算机控制数控机床
16、进行加工使得零件的加工变得十分的方便，很大程度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是在自动编程系统出现之前都是采用人工编制的方法进行编制数控机床程序，不但准确性不高，而且大大制约了生产率的提高，不利于自动化程度的提高。这就给我们带来了一个新的问题，即如何更加准确、更加高效的编制数控机床程序。这使数控机床自动编程系统的出现成为必然。因此自动编程系统的开发成为众多专业技术人员研究的方向之一。1 1 1 数控编程基本概念所谓数控编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程，简而言之，也是从零件
17、图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点(c u a e rl o c a t i o np o i n t 简称C L 点)，刀位点一般取刀具轴线与刀具表面的交点。这样编制的程序还必须通过数据转换接口或制备控制介质，变成数控系统能读取的信息，再送入数控系统。数控编程是目前C A D C A M 系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用【4】。由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。1 1 2 课题来源
18、及意义近二十年来，随着计算机技术的发展，计算机辅助设计(C A D)与制造(C A M)逐渐走向成熟。目前以C A D C A M 一体化集成形式的软件己成为数控加工自动编程系统的主流n 这些软件可以采用人机交互方式对零件的几何模型进行绘制、编辑、第1 荦绪论和修改，从而得到零件的几何模型。然后对机床和刀具进行定义和选择，确定刀具相对于零件表面的运动方式、切削加工参数，以便能生成刀具轨迹。最后经过后置处理，即按照特定机床规定的文件格式生成加工程序【”。某些软件还具有m Y-轨迹的仿真功能，己用于验证走刀轨迹和加工程序的正确性。使用这类软件对加工程序的生成和修改都非常方便，大大提高了编程效率”。
19、因此，运用装备C A D C M 一体化集成形式的软件的数控图形编程系统，编程人员基本上是将零件图“照搬”给计算机，无需再对图形信息进行转换，可以最大限度地减少人为错误，最大限度地提高了编程效率和质量，更重要的是，由于图形编程系统是从被加工零件的工序图来生成N C 加工指令单，由于C A D 的结果是图形，故可利用C A D 系统进行工件的设计，然后经过C A M 生成用于数控机床加工的程序代码。因此，图形编程是C A D C A M 集成化的必然要求，是自动编程系统的发展方向【8】【9 1。本课题是根据北京凯奇数控设备成套有限公司的要求而形成的，它的主要内容就是开发一个针对数控车床的C A
20、D C A M 一体化集成软件。因为此软件要求安装在数控系统中，它对操作系统资源的占用率提出了较高的要求，而现有的C A D C 肘讧一体化集成软件，虽然功能强大，但它们占用系统的资源比较多，不适合直接移植到数控系统中。1 2C A D I C A M 技术的发展概况在机械制造领域中，随着市场经济的发展，用户对各类产品的质量，产品更新换代的速度，以及产品从设计、制造到投放市场的周期都提出了越来越高的要求。在当今高效益、高效率、高技术竞争的时代，要适应瞬息万变的市场要求，提高产品质量，缩短生产周期，就必须采用先进的制造技术。计算机技术与机械制造技术相互结合与渗透，产生了计算机辅助设计与辅助制造这
21、样一门综合性的应用技术，简称C A D C A M。它具有高智力、知识密集、综合性强、效益高等特点，是当今世界上科技领域的前沿课题1 1。C A D C A M 技术的发展，不仅改变了人们设计、制造各种产品的常规方式，有利于发挥设计人员的创造性，还将提高企业的管理水平和市场竞争能力。北京工业大学工学硕：仁学位论文1 2 1C A D C A M 的基本概念C A D 和C A M 是机械工程专业在自动化和计算机应用方面迅速发展起来的一门学科，它是对过去传统的机械设计、机械制造工艺过程及控制方法的一个挑战。1、C A D 的概念C A D 是指以计算机为辅导手段来完成整个产品的设计过程。产品设计
22、过程是指从接受产品的功能定义开始，到设计完成产品的材料信息、结构形状、精度要求和技术要求等，并且最终以零件图、装配图的形式作为可见媒体表现出来的过程。广义的C A D 包括设计和分析两个方面。设计是指构造零件的集合形状、选择零件的材料，以及为保证整个设计的统一性而对零件提出的功能要求和技术要求等。分析是指运用数学建模技术，如有限元、优化设计技术等，从理论上对产品的性能进行模拟、分析和测试，以保证产品设计的可靠性。2、C A M 的概念计算机辅助制造是指利用计算机系统，通过计算机与生产设备直接的或间接的联系，如进行规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。关于C A M 的概念有两种理解：一种狭
23、义的C A M，指数控编程，与数控机床数控装置的软件接口。另一种是广义的C A M，除自动编程以外，还包括工艺过程的设计(C A P P)、制造过程仿真(M P S)、自动化装配(F A)、车间生产计划、制造过程检测和故障诊断、产品装配与检测等。3、C A D C A M 集成的概念】随着C A D、C A M 软件技术的逐步应用，人们很快发现，C A D 产生的信息(特别是二维绘图信息)不能够被C A M 所利用，如果要搞数控加工，或者零件的制造工艺，还需人工将C A D 的图样转化为C A M 所需要的数据格式。这样不仅影响工作效率，而且，人工输入难免出错。如果能将C A D 产生的图样直
24、接被C A M 以及以后的C I M S 所利用，将极大地提高生产效率，这就是C A D C A M 集成。C A D C A M 系统集成就是把C A D、C A M、C A E(计算机辅助工程1、C A P P、N C(数控编程)以及P P C(生产计划与控制)等各种功能不同的软件有机地组合起来，用统一的执行机制来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内的信息的畅通。也就是说，它是将产品设计、生产管理、质量控制等有机地集成在起，通过生产数据采集和信息流形成一个闭环系统”】。C A D C A M 集成是机械制造迈向4C I M S(计算机集成制造系统)的基础。1 2 2C A D
25、 C A M 功能与任务C A D C A M 系统的基本功能主要分为四部分：图形显示功能，输入输出功能，存储功能，交互功能(即人机接口)1 13 。1、图形显示功能C A D C A M 是一个人机交互的过程，从产品的造型、构思、方案的确定，结构分析到加工过程的仿真，没有图形显示功能，系统无法保证用户能够观察、修改中间结果，进行实时编辑处理。用户的每一次操作，都能从显示器上及时得到反馈，直到取得最佳的设计结果。图形显示功能不仅能够对二维平面图形进行显示功能，而且用户可以很直观地从屏幕上进行修改，得到所需要的信息。2、输入输出功能在C A D C A M 系统运行中，用户需要不断地将有关设计的
26、要求、步骤所需要的具体数据等输入计算机内，通过计算机的处理，能够输出系统处理得的结果。没有输出的系统是毫无意义的。在C A D C A M 系统中，输入输出的信息既可以是数值的，以可以是非数值的(例如图形数据、文本、字符等)。3、存储功能由于C A D C A M 系统运行时数据量很大，往往有很多算法生成大量的中间数据。尤其是对图形的操作以及交互式的设计、结构分析中网格的划分等。为了保证系统能够正常的运行，C A D C A M 系统必须配置较大的存储设备，以支持数据在各设备模块运行时的正确流通。另外，工程数据库系统的运行也必须有存储空间作为保障。4、交互功能(即人机接口)在C A D C A
27、 M 中，人机接口是用户与系统连接的桥梁。友好的用户界面，是保证用户直接而有效地完成复杂设计任务的必要条件。除软件中界面设计外，还必须有交互设备以实现人与计算机之间的不断通信。以上介绍的是C A D C A M 系统的基本功能。C A D C A M 系统需要对产品设计、制造全过程的信息进行处理，包括设计、制造中的数值计算、设计分析、绘图、工程数据库的管理、工艺设计、加工仿真等各个方面【1 5】。因此，C A D C A M 系统必须完成以下主要任务：北京工业大学I 学硕士学位论文1、几何造型在产品设计构思阶段，系统能够描述基本几何实体及实体间的关系；能够提供基本体素，以便为用户提供所设计产品
28、的几何形状、大小，进行零件中的结构设计以及零部件的装配。利用几何建模的功能，用户不仅能构造各种产品的几何模型，还能够随时观察、修改模型，或检验零部件装配的结果。几何建模技术是C A D C A M系统的核心，它为产品的设计、制造提供基本数据，同时也为其他模块提供原始的信息。例如，几何建模所定义的几何模型的信息可供有限元分析、绘图、仿真、加工等模块调用。2、计算分析C A D C A M 系统构造了产品的形状模型之后，需要在结构分析中进行应力、温度、位移等计算；图形处理中变化矩阵的运算；体素之间的交、并、差计算等；在工艺规程设计中有工艺参数的计算。因此。要求C A D C A M 系统对各类计算
29、分析的算法不仅要求正确、全面、数据计算量大，而且还要求有较高的计算精度。3、工程绘图产品设计的结果往往是机械图的形式，C A D C A M 中的某些中间结果也是通过图形表达的。C A D C A M 系统一方面应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功能，另一方面还需有处理二维图形的能力，包括基本图元的生成、图形的编辑(比例变换、平移、图形拷贝、图形删除等)以及显示控制等功能，保证生成既合乎生产实际要求，又合乎国家标准规定的机械图要求。4、N C 自动编程在分析零件图和制定出零件的数控加工方案之后，采用专门的数控加工语言(例如A P T 语言)或自动编程软件制成控制介质或通过网络传输方
30、式输入计算机。其基本步骤通常包括：(1)手工编程或计算机辅助编程，生成源程序。(2)前置处理。将源程序翻译成可执行的计算机指令。经计算，求出刀位文件。(3)后置处理。将刀位文件转换成零件的数控加工程序，最后输出数控加工纸带，或者直接输入到数控机床。5、模拟仿真在C A D C A M 系统内部，建立一个：程设计的实际系统模型，例如，机构、机第1 章绪论械手、机器人等。通过运行仿真软件，代替、模拟真实系统的运行，用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性，用户可以在未加工之前，看到未来加工时的状况。如数控加工仿真系统，从软件上实现零件试切的加工模拟，避免了现场调试带来的人力、物力的投入以
31、及加工设备损坏的风险，减少了制造费用，缩短了产品设计的周期。6、工程数据管理由于C A D C A M 系统中数据量大、种类繁多，既有几何图形数据，又有属性语义数据；既有产品定义数据，又有生产控制数据；既有静态标准数据，又有动态过程数据，结构还相当复杂，因此，C A D C A M 系统应能提供有效的管理手段，支持工程设计与制造全过程的信息流动与交换。通常，C A D C A M 系统采用工程数据库系统作为统一的数据环境，实现各种工程数据的管理。1 2 3 我国C A D C A M 的发展状况我国的C A D C A M 技术发展较晚，发展速度较快。在“七五”期间国家花了大量的资金开展了C
32、A D C A M 的研究，许多大厂、研究所、高校引进了不少C A D C A M系统，在引进的基础上，通过消化吸收，开发了不同的界接口软件和前后置处理程序等。随后结合各行业的不同需要二次开发了一些典型零件、典型产品的软件，并且应用到了生产实际。随后许多高校和研究所在消化的基础上，开始开发自主版权的软件。比如华中科大的开目C A D、凯图C A D，北京航空航天大学的C A X A 软件、P A N D A 软件，清华大学和华中理工大学共同研制的C A D M I S 系统实现了参数化特征造型、曲面造型、数控加工、有限元分析的集成。在数控方面，南京航空航天大学的超人C A D C A M 和华
33、中理工大学的G H N C 均实现了复杂曲面的造型和数控代码的自动生成。工程数据库方面有华中科技大学的G H E D B M S 和浙江大学的O S C A R。1 3 课题主要研究内容C A D C A M 技术的发展，极大的促进了数控J n*技术的发展。一般我们需要加工某一零件，先是通过C A D C A M 软件进行设计，分析，优化，仿真检查等，然后再把C A D C A M 软件生成的加工代码，通过纸带介质，或通过网络传输等方式传递北京工业大学工学硕士学位论文给数控机床进行加工。对于新产品的数控加工，这一形式是非常有必要的，可是对于小批多变零件的数控加工，如果也使用相同的方式，著不能对
34、生产效率有多大的提高，不能体现数控系统的柔性化。针对这一情况，我们认为在数控系统上开发一个小型的C A D C A M 系统将有效的解决这一问题。随着计算机技术的不断的发展，嵌入式数控系统也得到了很大的发展，例如使用W i n C E 操作系统的数控机床。W i n C E 操作系统是微软公司开发的一种嵌入式操作系统，它和视窗操作系统一样，开发人员能很方便地开发应用程序。利用此系统，用户可以使用人机交互设备(键盘、鼠标器、数字化仪等)，通过人机对话(功能菜单、文字命令等形式)方式将待加工零件的几何尺寸等数据输入计算机，并在显示屏幕上显示出图形。然后，用户可指点出走刀路线或走刀方式，在屏幕上即可
35、显示出走刀轨迹。再输入切削参数、辅助功能等工艺信息，经计算机处理，输出零件加工程序控制介质。也可将加工程序直接由计算机通过接口送入数控系统。此方式不需要编制零件加工的源程序，用户界面友好，使用更加方便、直观、易学易掌握。而且现代的N C 图形编程大都是与C A D 集成的。C A D 生成的信息可直接传送给编程系统，实现C A D C A M 集成，它是C M S 系统的重要组成部分1 6 。本课题的主要目的就是开发一个针对数控车床的图形编程系统。此系统利用V C+6 0 在视窗系统上进行开发，它主要功能分为两大部分：C A D 和C A M。图1 1是系统的结构模型。零件图形接口零件图形绘制
36、零件倒形编辑工艺路线确定一加工仿真一兰获取一一愀成C A DC A M图卜1 系统结构模型下面将简要介绍各个模块：读取图形接口：此模块可以读取D X F 文档，显示零件图形。D X F 文档是A u t o C A D与其他软件进行图形交换的方式。用户可以在A u t o C A D 中进行零件的绘制，通过此模块，把零件图形显示在当前视图内。零件图形绘制：用户可以在当前视图内，进行零件图形的绘制。此模块包含基本图素(直线，圆和圆弧)的绘制。零件图形的编辑：用户可以对零件图形或图素进行编辑，包括修改尺寸，平移，旋转等等操作。工艺路线确定：用户拾取当前加工的工艺路线，并根据当前加工操作来确定工艺路
37、线。工艺参数获取：用户通过交互界面，输入当前加工操作所需的工艺参数。工艺数据处理：根据用户输入的工艺参数和拾取的工艺路线，计算出加工的实际轨迹路线。代码生成：根据工艺数据处理模块的结果，自动生成数控加工代码。加工仿真：根据自动生成的数控加工代码计算出刀具轨迹并进行模拟加工，以检验加工代码是否F 确合理。第2 章数控车床编程2 1 数控车床 j n-r 零件特征分析在计算机集成制造环境里，人一机之间良好的交互界面应使设计者能够完成全局产品信息建模，更确切地说，设计阶段产生的数据应能驱动后面的一系列活动，如编制工艺规程、数控加工、有限元分析等等。实体模型仅能在计算机中提供产品的几何形状信息，而不能
38、提供表面粗糙度、材料性能、加工要求等重要的产品信息。因此，实体模型与产品模型还有很大的差距，为了克服上述不足，出现了特征造型和基于特征的设计。2 1 1 特征建模概述特征是具有工程含义的几何实体，特征模型之所以比实体模型更高一层，是因为它表达的产品模型兼含语义和形状两方面的信息，而特征语义包含着设计和加工信息，设计人员不必关注组成特征的几何细节，而是用熟悉的工程术语阐述设计意图 。这为基于特征的设计提供了方便的设计环境，成为C A D C A M 之间联系的纽带。与传统的几何造型方法相比，特征造型具有如下特点：(1)特征造型着眼于更好地表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息服
39、务。它的目的是用计算机可以理解和处理的统一的产品模型替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备的各个环节可以并行展开。(2)它使产品设计工作在更高层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，像螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用体现了设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样容易修改。设计人员可以将更多的精力用在创造性构思上。(3)它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各个部门问的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，为玎发新一代基于统一产品信息模型C
40、A D C A M 集成系统创造前提。第2 章数控车床编程传统的线框造型、曲面造型和实体造型方法只给出了构成几何体的数据，从中无法得知其特征信息，但可以从造型中提取有关的特征。目前有两种提取方法：一种是直接使用特征进行设计：另一种是从现有的几何模型提供的数据中提取特征。特征模型一方面包括了实体造型系统的全部信息，另一方面能识别和处理所设计零件的特征。从用户操作和图形显示上，往往感觉不到特征模型与实体模型的不同，其主要区别表现在内部数据表示上。通过定义特征，可以避免计算机内部实体模型数据与外部数据的不一致性和冗余，可以方便地对特征进行编辑操作，使用户界面更友好。特征建模可大致归纳为交互式特征定义
41、(特征识别)和基于特征设计两个方面。下面分别叙述：1、交互式特征定义利用现有的造型系统建立产品的几何模型，由用户直接通过图形交互式拾取，然后进行特征识别，得出特征所需要的几何要素。以上识别的主要是加工特征。然而，提取产品的特征信息是非常困难的。特征识别的算法有很多种1 8 1 1 1 9 1，如特征匹配法、C S G 树识别法、体积积分法、实体生成法等，但结果并未令人满意。特征识别往往只对简单形状有效，而且C A P P 所需要的公差、材料等属性仍然缺乏。针对特征识别中存在的困难和问题，W i l s o n P R 等提出直接采用特征建立产品模型，而不是事后去识别特征的观点，这正好反映了基于
42、特征设计的基本思想。2、基于特征的设计用户直接用特征来定义零件几何体，即将特征库中预定义的特征实例化后，以实例特征为基本单元建立特征模型，从而完成产品的定义和设计。2 1 2 回转体零件特征模型基于对机械工业部颁布的J L M B 零件分类编码系统和西德阿亨大学O P I T Z 零件分类编码系统的分析和研究，归纳出大多数零件所具备的共同属性共性，将它们的描述和处理方法进行抽象，可以得出回转体零件具有以下几何特征【2 0】：回转体零件的主轮廓都是由线段、圆弧、曲线绕某一直线回转而成的，其主轮廓可以由直线、圆弧、曲线来描述。其他的几何元素或形体都是建立在主轮廓表面之上的。如：倒角、键槽、螺纹等，
43、它们必须依附于某一个轮廓面，不能独立存在。北京工业大学T 学硕士学位论文因此，对于回转体零件的建模系统，根据以上分析，将回转体零件的形状特性抽象为特征。可以将回转体零件的特征分为两大类，具体如下：主特征或基本特征，包括：1)直线回转表面特征；直线回转表面包括：端面、柱面、锥面三种，具有共同的数据特点，即用两点就可以确定表面的形状和位置信息。因此确定其数据区的数据为二维点2)圆弧回转表面特征；圆弧回转面特征的表示方法很多，这里采用起点、圆心、中点来表示一个圆弧回转表面。数据区数据为二维点3)曲线回转表面特征。曲线在计算机中的表达没有统一的标准，因此对曲线回转表面特征的数据结构处理方法也不同。对于
44、计算机图形系统对曲线的处理都是采用参数曲线未拟合，如：B 样条曲线、N U B S 曲线，然而数控机床大多数没有曲线插补功能：对曲线的处理是将它们离散成一系列的直线或圆弧。局部特征或辅助特征，这类特征依附于主特征而存在，建立在某个主特征上，如：倒角、圆角、键槽、螺纹等。辅助特征一般都是回转体零件实现设计功能的关键，在几何形状和数据结构上都是各不相同的，因此辅助特征之间缺少共同的属性，对于这些特征的数据结构的定义也是各不相同的。这样，便构成了回转体零件设计系统的组成元素基本框架，即主特征加上局部特征，如此便可以系统地进行零件的设计。因此，在描述回转体零件时可通过特征来描述。先描述零件的主特征，再
45、描述零件的局部特征，局部特征依附在主特征之上。在加工过程中，先加工零件的主特征，再加工零件的辅助特征。2，2 数控车床编程特点数控车床编程有以下几个特点：(1)数控车床以径向为X 坐标轴，纵向为z 轴方向，指向尾架方向为+z，而指向主轴位簧为一z 轴方向，指向操作者的位置为+x 方向。按右手直角坐标系法则规定，Y 轴的正方向指向地面。第2 苹数控车床塥程在按绝对坐标指令编程时，使用代码x 及z 表示x 及z 坐标轴指令，而用增量坐标指令编程时，用u 及W 表示。切削圆弧时，使用I 和K 表示圆弧的起点相对其圆心的坐标值，I 对应于x 轴，K 对应于z 轴，在一个程序段中，可以按绝对坐标编程或按
46、增量坐标编程，也可用绝对坐标值和增量坐标值混合编程。在数控车床的编程中，x 及U 输入的是直径值。即按z 绝对坐标编程时，x 输入的是直径的数值，按增量坐标编程时，u 为径向实际位移值的二倍，并附加上方向符号(正向省略)。这是因为图纸上标注的尺寸及测量时使用的径向尺寸都是使用的直径值。编程人员可直接利用图上尺寸编程，也便于核对操作人员数据。(2)车削加工毛坯常用棒料或铸、锻件，加工一般为大余量多次切削过程，常常需要多次重复几种固定的动作，因此在数控车床系统中具备各种不同形式的车削固定循环指令功能。例如，内、外圆柱面加工循环指令，内、外锥面固定循环，端面固定循环，切槽循环，内、外螺纹固定循环及组
47、合面切削循环等指令。使用这些固定循环指令可以简化程序编制。(3)对于实心回转体端面的车削，由于现代数控车床都有恒速切削功能，为提高表面质量和刀尖寿命，应采用恒切速程序。(4)车削加工时，为提高刀具寿命和表面加工质量，车刀刀尖常磨成半径不大的圆弧，具有G 4 1，G 4 2 自动补偿功能的机床，可直接按零件轮廓尺寸编程。这对不具备刀具半径自动补偿功能的编程，需计算假想刀尖的偏置数据进行补偿。2 3 本章小结数控车床加工的零件一般都是回转件，本章建立回转件的特征模型，划分回转件的主特征和辅助特征。同时，本章还简单介绍了车床的数控编程的基本特点。第3 章系统总体设计目前C A D C A M 系统的
48、功能已趋集成化。编程人员可以利用各种交互手段，通过图形系统，以人机“对话”的方式在计算机内逐步生成工件几何图形数据和走刀轨迹数据，劳在图形显示屏幕上显示图形，可以对图形的内容、格式、大小或色彩等实行控制。在产生图形和走刀过程中，能直观地表示出每一次走刀的运动过程和运动顺序，对实际加工过程进行模拟。C A M 中处理的数据是以C A D 的零件信息和通过前置处理模块获得的刀位数据文件。经过适当的后置处理，自动生成N C 加工程序，该N C 加工程序是针对不同的数控机床和不同的数控系统的，然后通过仿真加工模块对生成的N C 代码进行检验。如果正确则可用于加工，否则返回前置处理模块重新进行处理。3
49、1 软件功能概况图形编程的步骤如下：1、在屏幕上画出(或调出)零件图。用户根据工件图样的要求，通过人机对话的方式，将零件的几何尺寸送入计算机，在屏幕上画出零件图形。如果待加工的零件图形已存在计算机中，调出显示在屏幕上即可。零件图形也可由其他的C A D 系统传送到编程系统中。2、指出对刀点。用光标指点或用命令输入该点的坐标值。3、确定走刀路线。按走刀顺序，用光标指定所要m I 的部位。计算机重新排序，并显示走刀路线。4、设置刀偏值及方向。通过人机对话的方式，输入刀偏值及方向，计算机计算出刀具中心的运动轨迹，并显示出来。5、输入各种辅助功能M 指令、及F、S、T 等指令。6、加工过程仿真及走刀轨
50、迹编辑修改。对加工过程仿真，检查走刀路线是否合理，有否碰撞干涉情况，进一步编辑、优化处理得到正确的走刀轨迹。7、得到零件加工程序单一卜述步骤完成后，调用后置处理命令，即可得到零件的加工程序。因此，图形编程软件的丰要功能如卜所示：弗3 苹糸瓠思伴杖计1、绘图功能：包括各种基本图元的绘制方法(例如直线、圆弧和圆)。为了方便绘图，系统提供捕捉功能。通过调用基本图元的绘制方法，完成零件图的绘制。2、显示功能：包括各种图元素的显示、N C 加工特征单元的显示、刀位点数据的显示、刀具轨迹的显示、D N T 过程动态仿真的显示等。该系统提供了重画、放缩、浏览、视点变换等功能。3、定义几何实体功能：为用户提供