切片法实现数控宏程序刀具路径优化的研究及其应用.doc
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1、-摘要随着我国现代制造技术的发展,数控机床应用的普及、从事数控加工的人员不断增加,数控加工越来越受到人们的重视。数控程序编制的效率和质量在很大程度上决定了产品的加工精度和生产效率,它既是数控技术的重要组成部分,也是数控加工的关键技术之一。在我国,有相当多数控(包括加工中心)应用在模具行业,大部分模具厂都应用CAD/CAM软件,手工编程、宏程序应用的空间日趋缩小,究其原因就是大家对手工编程不重视,对宏程序不熟悉。其实手工编程是自动编程的基础,宏程序是手工编程的高级形式,是手工编程的精髓,也是手工编程的最大亮点和最后堡垒。同时编制简洁合理的数控宏程序,有着非常重大的现实意义,既能锻炼从业人员的编程
2、能力,又能解决自动编程在生产实际工作中存在的不足。关键词:宏程序 刀具路径 加工精度AbstractWith the development of modern manufacturing technology in our country , the wide usage of CNC machine tools and increasing number of workers engaging in this , more and more attention has been put on the NC process . the precision of the process and
3、 production effction largely depend on the effection and quality of the CNC programming procedure , which is the important part of NC technology and one of the key NC process technologies . There are so many NC millings (including machining center ) which have been used in mould industry , and most
4、of the mould industries use the CAD/CAM software , so the manual programming and application of macro-program have less and less space , the reason of this is that workers dont have enough sight on the manual programming and are not familiar enough with the macro-program . In fact , manual programmi
5、ng is the foundation of automatic programming , at the same time , macro-program is the advanced form and essence of manual programming , which is also the highlight and final fortress of it , too.Brief and proper programming of NC macro-program is of significant importance in practise , for it can
6、both improve workers ability of programming who are engaging in this and cover the shortages of automatic programming when its used in field production .Keyword:Macro Tool path Precision目录第一章 绪论11.1课题来源11.2研究目的和意义1第二章 数控系统插补原理42.1插补定义42.2插补算法的种类42.2.1直线插补52.2.2圆弧插补6第三章 数控宏程序车铣零件加工实例83.1 数控车床的宏程序编程83
7、.1.1 数控车床宏程序编程技巧83.1.2 用宏程序和R参数编程实现规格不同的轴加工83.1.3 用宏程序和R参数编程实现螺纹的粗、精加工113.1.4 抛物线类零件用宏程序和R参数编程133.2 数控铣床的宏程序编程163.2.1 数控铣床宏程序编程技巧163.2.2 孔系类零件宏程序编程实例173.2.3 外轮廓侧面铣削宏程序编程实例193.2.4 凹槽类零件侧面铣削宏程序编程实例23第四章 宏指令编程与刀具路径优化274.1椭圆形的半球曲面274.2 加工椭圆宏程序应用284.2.1椭圆宏程序编程方法一284.2.2椭圆宏程序编程方法二294.3 加工球体的宏程序应用304.4误差分析
8、31心得体会33参考文献34致 谢35第一章 绪论1.1课题来源宏程序逻辑紧密,结构紧凑,功能强大,可以实现模块化,参数化,智能化编程。数控系统通常提供用户的基本加工指令只有直线与圆弧插补,对于非圆二次曲线的加工程序编制,往往需要宏指令来实现。宏程序实现非圆二次曲线轮廓加工的基本方式是以直线或圆弧逼近曲线,而逼近的精度直接影响到零件的加工精度,因此宏程序中刀具路径算法优化具有非常重要的实际意义和应用价值。本课题从工厂生产实际出发,结合具体零件特征,采用切片法实现数控宏程序刀具路径优化,提高零件加工精度、表面质量及加工效率。切片法采用等间距切片(X层切片、Y层切片、Z层切片)和参数切片,在实际加
9、工中具有很强的实用性。数控加工的工艺设计决定了实际生产加工的质量和效率。而加工时刀具走刀路径的规划对工艺规程的编写和数控代码的生成都有重要影响,进而实际影响零件的加工精度、表面粗糙度和加工速度。设计时,设计人员常常只考虑到工艺路线的选择,而没有考虑或疏忽了刀具路径的最优化,这对数控加工的质量控制和效率提高都很不利。以非圆二次曲面加工为例,同样的一个曲面,安排走刀路径不同,选择不同的走刀方式,数控加工的精度是很不一样的,如果在生成数控代码的过程中,对曲面加工的点位进行优化,就能提高加工精度。因此,数控加工时如何通过设计数控工艺,选择合理的加工路径,去减少对加工质量的不好影响进而提高生产质量是值得
10、研究的。1.2研究目的和意义数控作为数控加工的关键技术之一,其程序的编制效率和质量在很大程度上决定了产品的加工精度和生产率。尤其是随着数控加工不断朝高速、精密方向的发展,提高数控程序的编制质量和效率对于提高制造企业的竞争力有着重要的意义。随着CAD/CAM软件的不断普及应用,数控编程的模式逐渐由自动编程取代手工编程。但CAM软件编程和手工编程有着各自的特长,且现有的CAM软件不能满足所有数控系统的特殊功能。因此,充分结合这两种编程模式,对于提高编程的效率和质量有着重要的意义。目前,国内企业使用的数控机床大多是普通数控机床和少量的高精密数控机床。对于传统的普通数控机床,存在着内存容量有限,无法实
11、现高速切削加工等缺陷;因此,最大限度地发挥普通数控机床的加工效率,编制简洁合理的小容量数控程序,使加工程序变得简洁,对现实加工来说,有着很重要的实际意义。在手工编制数控机床程序中,经常把能完成某一功能的一系列指令像子程序那样存入存储器,用一个总指令来代表它们,使用时只需给出这个总指令就能执行其。所存入的一系列指令称作用户宏功能主体,这个总指令称作用户宏功能指令。在编程时,不必记住用户宏功能主体所含的具体指令,中要记住用户宏功能指令即可。用户宏功能的最大特点是在用户宏功能主体中能够使用变量;变量之间还能够进行运算; 用户宏功能指令可以把值设定为变量,使用户宏功能更具通用性。可见,用户宏功能是提高
12、数控机床性能的一种特殊功能。宏功能主体既可由机床生产厂提供,也可由机床用户自己编制。宏程序功能和子程序功能。这两项要用到程序中,则可大大简化CAD/CAM生成的程序。从事数控行业的人都知道加工一个二维的非圆曲线,如:椭圆抛物线。是以直线逼近法来加工的,也就是要取很多的点,这样才能确保加工的精度(点越多则加工精度越高)。在则若用CAD/CAM的生成的程序,程序段很长,多的可达万段(三维更多)。而宏程序以变量的不断变化对次进行编程,则生成的程序就非常的简单。而且在加工形状相同而尺寸不同的产品时,只要改变其中的的变量就可以了,而不需要改变整个程序。另外还有一种程序是子程序,子程序也可以简化编程,如同
13、一形状的分层铣削中用此功能就很大作用。运用宏指令实现数控宏程序的编程,解决能用数学模型描述的二维曲线曲面轮廓的数控加工,分析宏程序编程方法及其加工精度对比分析。提出宏程序刀具运动轨迹不同算法,分析不同算法的加工精度,采用切片法优化刀具路径,提高加工精度。用直线逼近等弦长法编程加工大中型曲线轮廓零件,可在满足精度的前提下,明显缩短加工时间;且加工时由于每次曲线走刀步长相等,能使曲线加工点处进给速度基本恒定,有利于零件表面质量的均匀一致。该算法避免了非线性联立方程组的求解,在实时控制系统中易于实现。对于曲率半径起伏较大、变化很不均匀的曲线,为获得更好的拟合效果,可在上述用等长弦线分割曲线的基础上,
14、用圆弧逼近各小曲线段。为此,准确地求取逼近圆弧的半径是解决问题的关键。另外,由于宏程序基本上包含了所有的加工信息(如所使用刀具的几何尺寸信息等),而且非常简明、直观,通过简单地存储和调用,就可以很方便地查看当时的加工状态,给周期性的生产特别是不定期的间隔式生产带来了极大的便利。通过上述说明应用宏程序编程具有编程简单、易于开发编制、通用性强、方便灵活等特点。实际生产中,结合零件的具体情况,灵活运用宏程序,能有效地提高编程效率。这样不仅可以大大减轻工人的劳动,还能提高生产效率和产品加工质量,也有利于实现数控加工程序的标准化、模块化和柔化,对于扩展系统功能,提高机床程序利用率有十分重要的作用。第二章
15、 数控系统插补原理2.1插补定义数控系统在处理轨迹控制信息时,一般情况,用户编程时给出了轨迹的起点和终点,摇臂钻床以及轨迹的类型(即是直线、圆弧或是其他曲线),并规定其走向(如圆弧是顺时针还是逆时针),然后由数控系统在控制过程中计算出运动轨迹的各个中间点,这个过程称之为插补,即“插入”、“补上”轨迹运动的中间点。插补结果输出运动轨迹的中间点的坐标值,机床伺服系统根据此坐标值控制各坐标轴协调运动,走出预定轨迹。 对插补计算的要求: 1)对插补所需要的数据最少; 2)插补理论误差要满足精度要求; 3)沿插补路线或称插补矢摇臂钻床量的合成进给速度要满足轮廓表面粗糙度一致性的工艺要求,加工中心也就是进
16、给速度变化要在许可范围内; 4)控制联动坐标轴数的能力强,也就是易实现多坐标轴的联动控制; 5)插补算法简单可靠。2.2插补算法的种类插补工作可用硬件(插补器)或软件来完成,也可由软硬件结合一起来完成。早期的数控系统(NC)中,插补器是一个由专门的硬件接成的数字电路装置,这种插补称之为硬件插补,它把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统,驱动工作台运动。每插补运算一次,便发出一个脉冲,工作台就移动一个基本长度单位,即脉冲当量。它的柔性较小,计算能力较弱,但其计算速度快,它采用电压脉冲作为插补坐标增量输出,加工中心称之为基准脉冲插补法(也称脉冲增量插补法),它包括逐点比较插补法、数字积分插补法
17、等;随着计算机数控系统(CNC)的发展,摇臂钻床因软件插补法柔性好,计算能力强,可以进行复杂轮廓的插补,所以应用得越来越广。软件插补法可分成基准脉冲插补法和数据采样插补法(Sampleddata)(也称数字增量插补法)两类。基准脉冲软件插补法是模拟硬件插补的原理,其插补输出仍是脉冲;数字增量插补法,在每个插补周期内进行一次插补运算,根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段,然后计算出动点坐标,经过若干个插补周期即可完成一个程序段的插补。插补结果输出的是二进制数据,依靠二进制数据控制进给系统运动。现在大多数数控系统将软件插补法与硬件插补法结合起来,软件插补完成粗插补,加工中心硬件完成精插补,既
18、可获得高的插补速度又能完成较高的插补精度。逐点比较插补法是插补时每走一步都要与给定轨迹上的坐标值进行比较,看实际加工点在给定轨迹的什么位置,上方还是下方(直线),外面还是里面(曲线),从而决定下一步的进给方向。其进给方向摇臂钻床总是向着给定轨迹的方向逼近,如果实际加工点在给定轨迹的上方,下一步进给就向给定轨迹的下方逼近;加工中心如果实际加工点在给定轨迹的里面,下一步进给就向给定轨迹的外面逼近。一般地,逐点比较法插补过程有四个处理节拍,()偏差判别。判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏差状况;()坐标进给。根据偏差状况,控制相应坐标轴进给一步,使加工点向被加工轮廓靠拢;()重新计算偏差。刀具进给一
19、步后,坐标点位置发生了变化,应按偏差计算公式计算新位置的偏差值;()终点判别。若已经插补到终点,则返回监控,否则重复以上过程。2.2.1直线插补图4-2为第一象限直线,其终点坐标为(,),现分析其插补规律。刀尖点位置不外乎种情况:轮廓线上方(点A),轮廓线上(B点),轮廓线下方(点C)。显然,在点处,为使刀尖点向轮廓直线靠拢,应X向走一步;C点处,应Y向走一步;至于B点,看来两个方向均可以,但考虑汇编编程时的方便,现规定往X向走一步。A(X,Y)点处有:, B(X,Y)点处有:, C(X,Y)点处有: , F为原始的偏差计算公式(X,Y为当前插补点动态坐标),F称为偏差,每走一步到达新位置点,
20、就要计算相应这个F值。显然,F0时,须X向走一步;F0时,须Y向走一步。为方便汇编编程和提高计算速度,现对偏差F的计算公式加以简化:插补点位于A、B点时,走完下一步(X):动态坐标变为(XX,Y),新偏差变为F。这个公式比F计算要方便。2.2.2圆弧插补图4-4为第一象限逆圆,现分析其插补规律。刀尖点位置不外乎种情况:轮廓线外面(点A),轮廓线上(B点),轮廓线里面(点C)。显然,在点A处,为使刀尖点向轮廓圆弧靠拢,应X向走一步;C点处,应Y向走一步;至于B点,看来两个方向均可以,但考虑汇编编程时的方便,现规定往X向走一步。A(X,Y)点处有:, B(X,Y)点处有:, C(X,Y)点处有:,
21、 原始的偏差计算公式为:F(X,Y为当前插补点动态坐标)。显然,F0时,须Y向走一步;F0时,须X向走一步。为方便汇编编程和提高计算速度,对偏差的计算公式加以简化:插补点位于A、B点时,走完下一步(X):动态坐标变为(XX,YY),新偏差变为.它比公式F计算要方便很多。插补点位于C点时,走完下一步(Y):动态坐标变为(XX,YY1),新偏差变为。走完X后:偏差计算公式为,动态坐标修正为;走完Y后:偏差计算公式为,动态坐标修正为。 第三章 数控宏程序车铣零件加工实例3.1 数控车床的宏程序编程3.1.1 数控车床宏程序编程技巧用户宏程序功能是数控加工技术的重要发展,将变量、演算式和参数方程引入加
22、工程序,并允许在加工程序中使用逻辑判断语句。用了变量和演算式的子程序称为用户宏程序(本体),在主程序或上一层用户宏程序中呼出用户宏程序的语句(程序段)叫做宏程序语句。3.1.2 用宏程序和R参数编程实现规格不同的轴加工编程实例:如图3-1所示轴。试编写其数控车的通用加工程序。图3-1 1.零件图的工艺分析加工图3-11所示的同族轴时,由于轴各级外圆的加工余量不同,有的外圆余量比较大,有的外圆余量比较小,因此需根据实际情况分级分层粗车去余量,最后再统一进行精车削加工。2. 编写程序西门子802S数控系统对实现规格不同的轴加工的用户R参数程序R参数含义: R1=A ;A直径D1(毛坯外径) R2=
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