数控加工技术概述 2007/04/17 10:06 1 数控机床及其发展
数控机床是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥功效的阶段之一，其 在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、车间产品标签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。由于生产实际的强烈需求，高频都对数控 数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕的成果。下面就对数控编程及其发展作一些介绍。
1.1数控编程的基本概念
数控编程是从 零件图纸到获得数控加工程序的全过程。其主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutterlocationpoint简称CL点）。刀位点一般取为主轴主轴与主轴表面的交点，多轴加工中 还要给出刀轴矢量。
1.2 数控编程技术的发展概况
为了解决数控加工中的程序编制问题，50 年代，MIT 设计了一种专门用于 机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（AutomaticallyProgrammedTool）。其后，APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APTAC等 （Advancedcontouring）（增加切削加工数据库管理系统）和APT/SS（SculpturedSurface）（增加切削曲面加工编程功能）等先进版本。
采用APT语言编制数控程序，具有程序简炼，走刀控制功能 灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“编程语言”级，上升到面向几何元素。APT增长了许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何图形 性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以与CAD数据库和CAPP系统有效连接；顺利做到高度自动化、集成化。
目标 APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为CATIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM 及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效解决了几何造型、零件几何形状的显示、交互设计、修改及桌面表格生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体 到了80年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及零件工程（CE）的概念。目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控 编程系统正向集成化和夫定制发展。
在集成化方面，以开发符合STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）标准的参数化特征造型系统为主，目前工作已进行了大量有成果的， 是巅峰开发的热点；在自动化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。
2数控刀具轨迹生成方法研究发展轨迹
数控机床的核心工作 是生成刀具仪表，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。下面就刀具仪表产生方法作一些介绍。
2.1 基于点、线、面和体的 NC刀轨生成方法
CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直延续至今的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框 阶段，数控加工以点主要、线为驱动对象，如孔加工、平面加工、区域加工等。
加工要求操作人员的水平对抗，遇到复杂性。在这种曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体（一般为CSG和BREP混合表示的），它由 一些基本体素经集合磨损（并、交、差磨损）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，获得大切削刃掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控 编程系统的研究与开发，是特征处理的基础。
本体加工一般有本体本体加工和本体区域加工两种。本体加工的实现方法为层切法（SLICE），即用一 组面去切被加工实体，然后对得到的交线产生作为等距线走刀水平。论文从系统需要角度出发，在ACIS几何建模平台上实现了这种基于点、线、面和实体的数控
2.2基于特征的NC刀轨生成方法
参数化特征造型已有一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始 特征加工使数控编程人员不再对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率
W.R.Mail和A.J.Mcleod在他们的研究中给出了一个基于特征的NC代码生成子系统，这个系统的工作原理是：零件的每个处理过程都可以看成对组成 对零件的形状特征组进行总的加工。然后对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。而每个形状特征或形状特征组的NC代码可自动生成。目前开发的系统 只适用于2.5D零件的加工。
LeeandChang开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具轨迹的系统。该系统的工作原理是：在凸自由曲面内嵌入 一个最小的长块，这样凸自由曲面特征就被转换成一个凹凸特征。最小的长块与最终产品模型的合并就构成了被称为虚拟模型的一种铰产品模型。刀具轨迹的生成方法互换 第三步完成：（1）、切削多面体特征；（2）、切削自由曲面特征；（3）、切削相交特征。
JongYunJung研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题。 把基于特征的加工报表汇总加工和内部区域加工两类，并定义了这两类加工的切削方向，通过减少刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。文章主要针对几种基本特征（孔、 内凹、台阶、槽），讨论了这些基本特征的典型走刀路径、刀具选择和加工顺序等，并通过IP（InterProgramming）技术避免重复走刀，以优化非刀具轨迹。另外，JongYunJong还在 他1991年的博士论文中研究了制造特征提取并基于特征的刀具及刀具路径。
特征加工的基础是实体加工，当然也可以认为是更高级的实体加工。但特征加工 特征加工与实体加工主要有以下不同点：
从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员 的操作习惯，为工程技术人员所熟知；实体是低层的几何物体，是经过一系列布尔破坏而得到的一个几何体，不带有任何功能标记信息；实体加工往往是对整个零件（实体）的一次 但实际上一个零件不太可能只用一把刀一次加工完成，往往要经过粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般用不同的刀具进行加工 ；有时一个零件既要用到车削，也不用铣削。实质上加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工则从本质上解决了上述问题；特征加工更加具有智能性 对于特定的特征可规定某种固定的加工方法，特别是那些已在STEP标准规定的特征更是如此。
如果工艺对我们所有的标准特征都制定了特定的加工方法，那么对那些由标准特征够成的部分的加工其方便性就可想而知了。如果CAPP系统能够提供相应的特征，那么NCP系统 就可以大量减少交互输入，具有更多的智能。而这些实体加工是无法实现的；
特征加工有利于实现从CAD、CAPP、NCP及CNC系统的全面集成，实现信息的 实体流动，为CIMS真是太棒了工程（CE）奠定了良好的基础；而实体加工对这些是无休止力的。
2.3现役几个主要CAD/CAM系统中的NC刀轨生成方法分析< /p>
现役CAM的构成及主要功能
目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统集成：一体化的CAD/CAM系统（如：UGII、 Euclid、Pro/ENGINEER等）和相对独立的CAM系统（如：Mastercam、Surfcam等）。先以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型，而晚期主要通过中性文件从其他CAD系统获取 然而，无论是哪种形式的CAM系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具动态编辑模块、三维加工仿真模块和后置处理模块。 下面仅就一些著名的CAD/CAM系统的NC加工方法进行讨论。
UGII加工方法分析
一般认为UGII是工件中最好、最核心的数控 软件。其最大特点是其功能强大的刀具铣削生成方法。包括车削、铣削、线切削等完善的加工方法。其中铣削有以下功能：
、PointtoPoint：完成各种 孔加工；
、PanarMill：平面铣削。包括单向行切，立体行切，环切以及仿真加工等；
、FixedContour：固定多轴投影加工。用 投影方法控制刀具在单张曲面上表格曲面上的移动，已控制刀具移动的可以是生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线；
、VariableContour：可变轴 投影加工；
、Parameterline：等参数线加工。可对单张曲面曲面连续加工；
、ZigZagSurface：修剪面加工；
、RoughtoDepth：粗加工。将毛坯粗加工到指定深度；
、CavityMill：多级深度型腔加工。特别适用于凸模和凹模的粗加工；
、SequentialSurface：曲面交处理。按照零件面、导动面和检查面的思路对刀具的移动提供最大程度的控制。
EDSUnigraphics还包括大量的其他方面的功能，这里就不多说了 一一列举了。
STRATA加工方法分析
STRATA是一个数控编程系统开发环境，它是建立在ACIS几何建模平台上的。
为用户提供两种编程开发环境，即NC命令语言接口和NCC++操作类库。可支持三轴铣削、车削和线切割NC加工，并可支持线框、曲面和实体几何建模。 其NC清单生成方法是基于实体模型。
STRATA基于实体的NC刀具轨迹生成类库提供的处理方法包括：
ProfileToolpath：仿真处理；
AreaClearToolpath：平面区域处理；
SolidProfileToolpath： 实体曲面加工；
SolidAreaClearToolpath：实体实体区域加工；
SolidFaceToolPath：实体曲面加工；
SolidSliceToolPath：实体实体手工加工；
< p> LanguagebasedToolpath：基于语言的刀具轨迹生成。其它的CAD/CAM软件，如Euclid,Cimitron,CV,CATIA等的NC功能各有千秋，但其基本内容大同小异，没有本质区别。< /p>
2.4现役CAM系统刀轨生成方法的主要问题
根据传统的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系统获取产品的几何数据模型。CAM系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以 NC代码的形式提供给CNC机床，在整个CAD/CAM及CNC系统的运行过程中存在以下几方面的问题：
CAM系统只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法 自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。因此，整个CAM过程必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交换来。如：制造工程师必须选择加工对象（点、线） 、面或实体）、约束条件（装夹、干涉和碰撞等）、刀具、加工参数（切削方向、切削深、进给量、进给速度等）。整个系统的自动化程度较低。
在CAM系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息（直线和圆弧的几何定位信息），以及少量的过程控制信息（如进给率、铣削、换刀等） ）。因此，下游的CNC系统既无法获得更高层的设计要求（如公差、表面光洁度等），也无法获得与生成刀具刀具有关的加工工艺参数。
CAM系统各个模块之 间的产品数据不统一，各模块相对独立。例如刀具定位文件只记录刀具轨迹记录而不是相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的碰撞与碰撞，记录而不是发生碰撞和碰撞的 加工对象及相关的加工工艺参数。
CAM系统是一个独立的系统。CAD系统与CAM系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成CAD/CAM系统中 ，信息的***共享也只是单向的和单一的。CAM系统无法充分理解和利用CAD系统有关产品的全部信息，尤其是与加工有关的特征信息，同样CAD系统也无法获取CAM系统产生的 处理数据信息。这给数控工程的实施带来了困难。