第二章CADCAM基础知识.ppt

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1、第二章CADCAM基础知识第一节 CAD基础 第二节 CAM基础 第三节 产品数据交换技术 本章主要内容第一节 CAD基础第一节 CAD基础一、CAD系统的技术的构成 CAD系统一般是由许多功能模块构成，各功能模块相互独立工作，又相互传递信息，形成一个相互协调有序的系统。这些功能模块一般有：第一节 CAD基础一、CAD系统的技术的构成1.图形处理模块：此模块专供用户进行零件的二维图形的设计、绘制、编辑以及零部件装配图的绘制、编辑。第一节 CAD基础一、CAD系统的技术的构成2.三维几何造型模块：此模块为用户提供一个完整、准确地描述和显示三维几何形状的方法和工具，它具有消隐、着色、浓淡处理、实体

2、参数计算、质量特性计算等功能。第一节 CAD基础一、CAD系统的技术的构成3.装配模块：装配模块可以完成从零件到部件或产品总成的三维装配，并可以建立产品结构的完整信息模型和产品的明细表，同时还可通过装配进行干涉检查（静态干涉检查）。第一节 CAD基础一、CAD系统的技术的构成4.计算机辅助工程模块：此模块包含许多各自独立的子模块，有有限元分析模块、优化方法模块等。利用有限元分析模块可以进行结构件的力学、动力学和温度场分析，流体的流动特性分析等；而优化方法模块是将优化技术用于工程设计，综合多种优化计算方法，求解设计模型。第一节 CAD基础一、CAD系统的技术的构成5.机构动态仿真模块：此模块可根

3、据机构的装配结构，求出各构件的重心、质量、惯性矩等物理特性，并可设定各构件的运动规律和参数，进行各类机构运动的仿真计算，并用三维真实感图形显示机构运动状态和运动干涉检查。第一节 CAD基础一、CAD系统的技术的构成6.数据库模块：此模块执行对CAD系统进行数据处理与管理的功能。在利用CAD系统进行产品设计的过程中，会产生大量的数据，也需对这些数据进行一些计算处理。这些数据中有静态的数据，如标准设计数据，标准图形文件等；也有动态的数据，如设计过程中的数据。对这些数据如何描述，如何管理，就是此模块的范畴。第一节 CAD基础一、CAD系统的技术的构成7.用户编程模块：用户编程模块：它包括用户编程语言

4、和图形库等。可以利用系统的此模块对CAD系统进行二次开发，提高CAD系统的用户化程度，充分发挥系统的性能和提高使用效率。第一节 CAD基础一、CAD系统的技术的构成 这里要指出的是，对不同的用户，所使用模块的侧重点不同，比如，对于使 用CAD 系统进行产品设计人员而言，他们的任务是如何利用CAD将产品快速合理设计出来，则其关心的重点是前五项功能模块的使用；而对于CAD系统的开发人员他们的关心重点是后两个功能模块的开发使用，即进行CAD系统的二次开发。第一节 CAD基础二、几何造型 几何造型也称几何建模。它是通过计算机表示、控制分析和输几何造型也称几何建模。它是通过计算机表示、控制分析和输出几何

5、实体的一种技术。出几何实体的一种技术。具体地讲，它是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的具体地讲，它是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义及数学描述，再以一定的数据结构形式在计算机内部构造这种定义及数学描述，再以一定的数据结构形式在计算机内部构造这种描述，用以建立该实体的模型。描述，用以建立该实体的模型。第一节 CAD基础二、几何造型 产品的设计与制造涉及到产品的几何形状的描述、结构的分析、产品的设计与制造涉及到产品的几何形状的描述、结构的分析、工艺设计、加工仿真等方面的技术，其中几何形状的定义与描述是工艺设计、加工仿真等方面的技术，其中几何形状的定义与描述是其它部分的基础，为诸如

6、结构分析、工艺设计及加工提供基本数据。其它部分的基础，为诸如结构分析、工艺设计及加工提供基本数据。几何建模的方法是将对实体的描述和表达建立在对几何信息、拓几何建模的方法是将对实体的描述和表达建立在对几何信息、拓扑信息和特征信息处理的基础上。扑信息和特征信息处理的基础上。n几何信息是实体在空间的形状、尺寸及位置的描述；几何信息是实体在空间的形状、尺寸及位置的描述；n拓扑信息是描述实体各分量的数目及相互之间的关系；拓扑信息是描述实体各分量的数目及相互之间的关系；n特征信息包括实体的精度信息、材料信息等与加工有关的信息。特征信息包括实体的精度信息、材料信息等与加工有关的信息。第一节 CAD基础二、几

7、何造型几何造型的类型：几何造型的类型：根据对几何信息、拓扑信息和工艺信息处理方法的不同，根据对几何信息、拓扑信息和工艺信息处理方法的不同，几何造型可分为：几何造型可分为：n线框造型；线框造型；n曲面造型；曲面造型；n实体造型；实体造型；n特征造型。特征造型。第一节 CAD基础二、几何造型（一）、线框造型（一）、线框造型1.线框造型的原理线框造型的原理 线框造型是利用基本线素（点、线）来定义、描述实体上的点、线框造型是利用基本线素（点、线）来定义、描述实体上的点、轮廓、交线及棱线部分而形成的立体框架图。用这种方法生成的实体轮廓、交线及棱线部分而形成的立体框架图。用这种方法生成的实体模型仅描述产品

8、的轮廓外形，在计算机内部生成的三维信息仅包含了模型仅描述产品的轮廓外形，在计算机内部生成的三维信息仅包含了点的坐标值以及线与点的拓扑关系（即线是由哪几点构成的）。点的坐标值以及线与点的拓扑关系（即线是由哪几点构成的）。第一节 CAD基础 如下图的实体，用线框造型来定义，就形成了如下表的如下图的实体，用线框造型来定义，就形成了如下表的几何信息与拓扑信息几何信息与拓扑信息 。第一节 CAD基础（一）、线框造型（一）、线框造型2.线框造型的特点线框造型的特点线框造型的优点：线框造型的优点：构成实体数据是三维的，故可以产生任何方向视图及轴测图，构成实体数据是三维的，故可以产生任何方向视图及轴测图，其视

9、图间能保持正确的投影关系其视图间能保持正确的投影关系 ；描述实体的信息量少，数据运算简单描述实体的信息量少，数据运算简单，占用存贮空间较小，故，占用存贮空间较小，故处理时间较短，造型迅速处理时间较短，造型迅速；使用方便，就像人工绘图一样自然简单使用方便，就像人工绘图一样自然简单。线框造型的缺点：线框造型的缺点：由于造型采用描述顶点及线（边）的信息，这对于由平面构成的实体来由于造型采用描述顶点及线（边）的信息，这对于由平面构成的实体来说，轮廓线与棱线一致，较能清晰反映实体的真实形状，但对于曲面体，说，轮廓线与棱线一致，较能清晰反映实体的真实形状，但对于曲面体，要有棱边表示形体就不准确了，就须加用

10、轮廓线表示，如园柱体仅用上要有棱边表示形体就不准确了，就须加用轮廓线表示，如园柱体仅用上下面的圆棱边表示实体就不能完整描述它，须加轮廓母线边来描述才能下面的圆棱边表示实体就不能完整描述它，须加轮廓母线边来描述才能完整描述园柱体完整描述园柱体；由于造型时描述实体的信息仅有点的几何信息与线与点的拓扑关系，而由于造型时描述实体的信息仅有点的几何信息与线与点的拓扑关系，而没有描述面与线间的拓扑关系（即面是由哪些线构成的），故而对它所没有描述面与线间的拓扑关系（即面是由哪些线构成的），故而对它所产生实体的理解不是唯一的。产生实体的理解不是唯一的。例如下图，计算机内部描述这些边时没有描述边是可见边与不可见

11、边的性例如下图，计算机内部描述这些边时没有描述边是可见边与不可见边的性质，故而造成这样的一个线框模型可以理解成如下几种空间实体，这对我们后质，故而造成这样的一个线框模型可以理解成如下几种空间实体，这对我们后续工作带来了困难。续工作带来了困难。第一节 CAD基础（一）、线框造型（一）、线框造型（二）、曲面造型（二）、曲面造型1.曲面造型的原理曲面造型的原理 曲面造型是通过在线框模型基础上定义实体的各个表面或曲面的曲面造型是通过在线框模型基础上定义实体的各个表面或曲面的方法来建立的模型。在计算机内部由三个表描述实体，一个是点的几方法来建立的模型。在计算机内部由三个表描述实体，一个是点的几何信息表，

12、二是线与点的拓扑关系信息表（即线由哪几点构成的），何信息表，二是线与点的拓扑关系信息表（即线由哪几点构成的），三是面与线的拓扑关系信息表（即面由哪些线构成的）。三是面与线的拓扑关系信息表（即面由哪些线构成的）。第一节 CAD基础 例例如如，对对于于前前面面的的实实体体例例子子，用用曲曲面面造造型型，除除了了有有表表1、2的的信信息息外外，还还有有面面信信息息表表（见见表表3），表表中中记记录录了了面面号号，组组成成面面的的线线数数及及线号。线号。第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型 在CAD系统中对于曲线的描述一般不用多元函数方程直接描述，而用参数方程的形式来表示。用参数方程来表

13、示二维曲线时，其形式是参数u的两个函数集合。x=X(u)，y=Y(u)在曲线上任一点可用其位置矢量P来表示，即 P=X(u)，Y(u)。2.曲面造型中曲线及曲面的参数方程表示法第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型常用的自由参数曲线：（1）Bzier曲线 其中：Pi（i=0,1,n）称为曲线特征点或控制点，Bi,n(u)称为bernstein基函数，其表达式为：式中：依次连接n个特征点，就形成了被称为特征多边形的空间折线。第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型 Bzier曲线有以下特点：A.该曲线过特征点的首末两个端点，并在首末两个端点与其特征多边形相切；B.该曲线完全

14、被包容在由特征多边形所形成的凸包内；C.该曲线的形状仅取决于特征多边形的顶点Pi而与坐标系的选取无关，即它具有几何不变性；D.该曲线具有可分割性，即可将一段Bzier曲线在中间某一点处分割成两段，则每一段仍为一个新的Bzier曲线；F.全局性，即曲线的形状受所有控制点的控制，也就是说当其中一个控制点发生变化时，整个曲线的形状就会发生改变。Bzier曲线在实际中很具有应用价值，其应用主要体现在两个方面：一是描述空间光滑的曲线，这些曲线并不通过给定的点，而是受这些点的控制。二是将两个Bzier曲线拼接成一个实际的光滑曲线。第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型 （2）B样条曲线：对已知

15、的n+1个控制点Pi(i=0,1,n)，k阶(k-1次)B样条曲线的表达式为：其中Bi,k(u)称为基函数，其表达式为：式中u i是节点值，非递减的参数u序列U=u 0，u 1，u n+k 称为节点矢量。第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型 B样条曲线的特点：B样条曲线除了具有Bzier曲线的凸包性、几何不变性、可分割性的特点外，还具有局部性，即k阶B样条曲线上的一点，只被相邻的k个控制顶点所控制，与其它控制顶点无关，也就是说当移动一个控制顶点时B样条曲线某一段的形状会发生变化，而曲线其它部分的形状没有变化。这点与Bzier曲线不同。由于B样条曲线的连续性容易实现，且局部修改不影

16、响其整体形状，因而被广泛应用于实际工程设计中。第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型 （3）NURBS曲线：其全称为非均匀有理B样条曲线，该曲线为一个分段的矢值有理多项式函数，其表达式为：式中Pi为控制顶点；Wi为加权因子；Bi,k(u)为k次B样条基函数，它与B样条曲线中的B样条基函数相同；u i(i=0,1,m)是节点,由其构成节点矢量集U=u 0，u 1，u n+k。当节点数为（m+1），幂次为k，控制顶点数为(n+1)时，m、k和n三者之间的关系为m=n+k+1。第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型 NURBS曲线具有B样条曲线的所有特点，它另外还具有用一个统

17、一的表达式同时精确表示标准的解析几何函数曲线（如圆锥曲线、抛物线等）和自由曲线；如果需要修改该曲线的形状，既可借助调整控制顶点，又可利用修改加权因子，具有较大的灵活性。基于NURBS曲线的特点，近几年来其应用日益广泛与普及，其研究也越来越深入，各种CAD系统也提供了NURBS曲线的功能。第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型 常用的曲面描述的方法有如下几种：(1)平面(Plane)：(2)直纹面(Ruled Surface)：(3)回转面(Surface of Revolution)：(4)柱状面(Tabulated Cylinder)：(5)Bezier曲面(Bezier Sur

18、face)：(6)B样条曲面(B Spline Surface)：(7)孔斯曲面(Coons Surface)：(8)圆角面(Fillet Surface)：(9)等距离面(Offset Surface)：第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型 需要指出的是，同样的实体模型可以用不同的曲面造型方法来构成。用哪一种方法产生的模型更好，一般用两个标准来衡量：一是要看哪种方法更能够准确体现设计者的设计思想、设计原则；二是要看用哪种方法产生的模型能够准确、快速、方便地产生数控刀具轨迹，即为更好地CAM、CAE服务。第一节 CAD基础（二）、

19、曲面造型（二）、曲面造型曲面造型有以下优点：A.在描述三维实体信息方面比线框造型较完整、严密，能够构造出复杂的曲面。如汽车车身、飞机表面、模具外型等。B.可以对实体表面进行消隐、着色显示，也能够计算表面积。C.可以利用造型中的基本数据，进行有限元网格划分，以便进行有限元分析，或利用有限元网划分的数据进行表面造型。D.可以利用表面造型生成的实体数据产生数控刀具轨迹。曲面造型有以下缺点：A.曲面造型理论严谨复杂，故造型系统使用较复杂，并需一定的曲面造型的数学理论及应用方面的知识。B.造型虽然有了面的信息，但缺乏实体内部信息，故有时产生对实体二义性的理解。例如：对一个圆柱曲面，它是一个实体轴的面呢，

20、还是一个空心孔面呢，就无法区别了。曲面造型的特点：第一节 CAD基础（二）、曲面造型（二）、曲面造型（三）、实体造型（三）、实体造型 实体造型是利用实体生成方法（体素法及扫描法）产生实体的初始模型，然后通过几何体的逻辑运算（布尔运算）最终形成复杂实体模型的一种造型技术。它主要包括两个部分：一是基本实体生成的方法；二是基本体之间的逻辑运算。1.实体造型原理第一节 CAD基础 （1）基本实体造型的方法 基本实体造型是定义和描述基本的实体模型，其方法有两种：体素法和扫描法。A.体素法：它是应用在CAD系统内部构造的基本体素的实体信息，如长方体、球、圆柱、圆环等，直接产生相应实体模型的方法。这种基本体

21、素的实体信息包括基本体素的几何参数（长宽高或半径等）及体素的基准点。B.扫描法：是将平面内的封闭曲线进行“扫描”（平移、旋转、放样等）形成实体模型的方法。用这种方法可形成较为复杂的实体模型。第一节 CAD基础（三）、实体造型（三）、实体造型体素法 扫描法。第一节 CAD基础（三）、实体造型（三）、实体造型（2）布尔运算法由以上方法产生的两个以上的初始实体模型进行布尔运算（交、并、差）后形成实体的方法。它犹如将两个实体焊接在一起(并运算)或在一个实体上钻一个孔（差运算）。第一节 CAD基础（三）、实体造型（三）、实体造型 对于实体造型的信息与线框造型、曲面造型的信息不同，在计算机内部不再只是点、

22、线、面的信息，还要纪录实体的体信息。计算机内部表示三维实体模型的方法有实体几何构造法、边界表示法、混合表示等。2.实体造型的计算机内部表示法第一节 CAD基础（三）、实体造型（三）、实体造型 BRep法将实体模型看作是由多个边界表面所围成的实体，每个边界表面又是由各边描述，每个边是由各点组成，点是由三个坐标值来描述。BRep法在计算机内部的数据结构呈现网状结构，以体现实体模型的实体、面、边（线）、点的描述格式。（1）边界表示法（BRep法）采用BRep法所描述的实体包含有实体的面、边、点的几何信息及拓扑信息，其信息量大，有利于生成模型的线框图、投影图、与工程图，但有信息冗余。第一节 CAD基础

23、（三）、实体造型（三）、实体造型 CSG 法它是由基本体素进行拼合而组成复杂实体的一种定义方法，拼合是由布尔运算来实现的。CSG法在计算机内部的数据结构呈现二叉树结构，即最终的实体模型可分解成两个实体体素，而这两个实体体素又可各自分别分解为更小的两个实体体素，以此类推，直至分解为基本体素。它与BRep法相比实体构成简单，信息量很小。（2）实体几何构造法（CSG法）采用CSG 法的CAD系统需构造有基本体素库，常用的基本体素有长方体、球、圆柱、圆环等；并且也可由用户自己设计用户的基本体素库。第一节 CAD基础（三）、实体造型（三）、实体造型 混合表示法是建立在边界表示法与实体几何构造法的基础之上

24、，在同一CAD系统中将两者结合起来所形成的实体定义描述法。具体地讲，就是在原来CSG的二叉树的基础上，在每个节点上加入边界法的数据结构。在表现形式上为：CSG法为系统外部模型，作用户窗口，便于用户输入数据、定义实体体素；Brep法为内部模型，它将用户输入的模型数据转化为Brep的数据模型以便在计算机内部存贮实体模型更为详细的信息。（3）混合表示法 第一节 CAD基础（三）、实体造型（三）、实体造型 实体造型的出现，可实现在计算机内部对实际物体的形体完整描述。这种描述对于机械设备的结构设计、结构体的工程分析（即CAE）起着至关重要的作用。但这种造型方法还缺乏实体制造加工的信息，如零件的公差信息、

25、材料信息、技术要求等信息，使得CAD系统向CAM系统传递的实体信息是不完整的。3.实体造型的特点 第一节 CAD基础（三）、实体造型（三）、实体造型（四）、特征造型（四）、特征造型 特征造型是建立在实体造型的基础之上，加入了包含实体的精度信息、材料信息、技术要求和其它有关信息；另外还可包含一些动态信息，如零件加工过程中工序图的生成、工序尺寸的确立等信息，以完整地表达实体信息。1.特征造型的概念 具有特征造型的CAD系统的构成体系，通常是以实体造型为基础，建立各种特征库。设计产品时，从各种特征库中提取特征来描述产品，构造产品的信息数据库以形成产品实体。造型的步骤分为形状特征模型、精度特征模型、材

26、料特征模型、管理特征模型等。第一节 CAD基础 特征造型的功能包括：预定义特征，建立特征库；特征库的智能化应用，实现基于特征的零件设计；为特征附加注释，并为用户例举参考特征；支持用户定义特征以及管理、操作特征库；特征消隐、移动；零件设计中，跟踪和提取有关几何属性。2.特征造型的功能第一节 CAD基础（四）、特征造型（四）、特征造型 3.特征造型的实例 第一节 CAD基础（四）、特征造型（四）、特征造型（五）、参数化造型（五）、参数化造型 参数化设计是指在构造产品模型时，模型结构在保持模型拓扑关系不变的前提下，可随尺寸参数或工程参数的具体数值变化而自动改变，形成新的产品模型。参数化造型的概念第一

27、节 CAD基础 实例：初始状态见图(a)。当改变夹角1时，如果仍保持该几何图形的封闭性，那么其所有角度和每条边的位置都将发生变化，变为图(b)所示的状态。随着夹角的不断变化，该几何图形也不断变化，如图(c)所示。第一节 CAD基础（五）、参数化造型（五）、参数化造型（六）、变量化造型（六）、变量化造型 变量化造型技术是在参数化造型技术的基础上做了进一步修改后提出的设计思想，它是在设计过程中考虑所有的约束包括尺寸约束、拓扑约束和工程约束，在确定产品参数时，需要含有约束方程的方程组联立求解。系统内部构造了几何参数模型、力学参数模型等包含各种约束的模型，设计产品模型时，同时要定义产品模型参数的主约束

28、类型，在设计模型其它参数或更改参数时，系统将动态实时地求解约束方程组，以求解参数值与判定是否满足约束方程。变量化造型的概念第一节 CAD基础 变量化设计可以应用于公差分析、运动机构分析、优化设计、方案设计与选型等更广泛的工程设计领域。目前在一些专用的CAD/CAM系统设计、开发中常用此方法。第一节 CAD基础（六）、变量化造型（六）、变量化造型第二节 CAM基础第二节 CAM基础一、概述 CAM（Computer Aided Manufacturing）计算机辅助制造是指以计算机为主要技术手段，处理与制造有关的信息，从而控制制造的全过程。1.CAM系统的概念：从CAM的内涵上可分广义和狭义两方

29、面来理解。第二节 CAM基础一、概述 广义CAM是指应用计算机进行制造信息处理的全过程，包括计算机辅助工艺装备规划、工艺过程规划、数控加工程序编制、质量检测等。1.CAM系统的概念：狭义CAM是指计算机辅助编制数控机床加工零件的指令。本书的CAM是指狭义CAM。计算机辅助数控加工编程是指利用CAM系统对由CAD系统产生的产品数字模型，选择确定加工工艺参数，生成、编辑、仿真刀具的运动轨迹，以实现产品的虚拟加工，并产生实际数控机床加工零件的数控程序。第二节 CAM基础一、概述 数控机床是一种利用数控技术，准确地按照已确定的工艺流程，实现规定加工动作的金属切削机床。数控加工是指在数控机床上执行根据零

30、件图及工艺要求编制的数控加工指令（程序），从而控制数控机床中的刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。2.数控机床及加工：（1）数控机床及加工定义：第二节 CAM基础一、概述 数控机床坐标系是为了确定工件及刀具在机床中的位置及运动范围等而建立的几何坐标系。数控加工是指在数控机床上执行根据零件图及工艺要求编制的数控加工指令（程序），从而控制数控机床中的刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。2.数控机床及加工：（2）数控机床坐标系统：数控机床通过各个移动件的运动产生刀具与工件之间的相对运动来实现切削加工。为表示各移动件的移动方位和方向(机床坐标轴)，在ISO标准中统一规定采用右手直角笛卡儿坐标系

31、对机床的坐标系进行命名，在这个坐标系下定义刀具位置及其运动的轨迹。第二节 CAM基础机床坐标的命名方法 第二节 CAM基础 通常在坐标轴命名或编程时，不论在加工中是刀具移动，还是被加工工件移动，都一律假定工件相对静止不动而刀具在移动，并同时规定刀具远离工件的方向作为坐标轴的正方向。在坐标轴命名时，如果把刀具看做相对静止不动，工件移动，那么，在坐标轴的符号上应加注标记()，如X、Y、Z等。第二节 CAM基础 确定机床坐标轴，一般是先确定Z轴，再确定X轴和Y轴。(1)确定Z轴。对于有主轴的机床，如车床、铣床等，将机床主轴轴线方向作为Z轴方向。对于没有主轴的机床，如刨床，则将与装卡工件的工作台相垂直

32、的直线作为Z轴方向。如果机床有几个主轴，则选择其中一个与机床工作台面相垂直的主轴作为主要主轴，并以它来确定Z轴方向。第二节 CAM基础 (2)确定X轴。X轴一般位于与工件安装面相平行的水平面内。对于机床主轴带动工件旋转的机床，如车床、磨床等，则在水平面内选定垂直于工件旋转轴线的方向为X轴，且刀具远离主轴轴线方向为X轴的正方向。对于机床主轴带动刀具旋转的机床，当主轴水平时，如卧式铣床、卧式镗床等，则规定人面对主轴，选定主轴左侧方向为X轴正方向；当主轴竖直时，如立式铣床、立式钻床等，则规定人面对主轴，选定主轴右侧方向为X轴正方向。对于无主轴的机床，如刨床，则选定切削方向为X轴正方向。第二节 CAM

33、基础 数控机床坐标系 第二节 CAM基础 (3)确定Y轴。Y轴方向可以根据已选定的Z、X轴方向，按右手直角坐标系来确定。(4)确定坐标运动。如果机床除有X、Y、Z方向上的主要直线运动之外，还有平行于它们的坐标运动，则应分别命名为U、V、W。如果还有第三组运动，则应分别命名为P、Q、R。如在第一组回转运动A、B、C的同时，还有第二组回转运动，则可命名为D或E等。第二节 CAM基础 (5)确定机床参考点。机床坐标系的原点也称机床原点或机床零点，这个原点在机床设计、制造、调整后便被确定下来，它是固定的点。为了正确地建立机床坐标系，通常还要设置一个机床参考点。机床参考点可以与机床零点重合，也可以不重合

34、，而通过机床参数指定该参考点与机床零点的距离。机床工作时，先进行回参考点动作，就可在机床的控制系统中建立机床坐标系。第二节 CAM基础 2工件坐标系 在选择工件零点的位置时应注意下列5点：(1)工件零点应选在零件图的尺寸基础上，这样便于坐标值的计算，并减少错误；(2)工件零点应尽量选在精度较高的工件表面上，以提高被加工零件的加工精度；(3)对于对称的零件，工件零点应设在对称中心上；(4)对于一般零件，工件零点应设在零件外轮廓的某一角上；(5)Z轴方向上的工件零点，一般设在零件表面上。第二节 CAM基础第二节 CAM基础一、概述3.数控编程方式：（1）手工编程：手工编程是指编制零件数控加工程序的

35、各个步骤，即从零件图纸分析、工艺决策、确定加工路线和工艺参数、计算刀位轨迹坐标数据、编写零件的数控加工程序单直至程序的检验，均由人工来完成。第二节 CAM基础一、概述3.数控编程方式：（2）自动编程：自动编程是采用计算机辅助数控编程技术实现的，现代数控编程软件主要分为以批处理命令方式为主的各种类型的语言编程系统和交互式CAD/CAM编程系统。第二节 CAM基础一、概述3.数控编程方式：（2）自动编程：APT是一种自动编程工具(Automatically Programmed Tool)的简称，是对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动等进行定义时所用的一种接近于英语的符号语言。在编程时，编

36、程人员依据零件图样以APT语言的形式表达出加工的全部内容，再把用APT语言书写的零件加工程序输入计算机，经APT语言编程系统编译产生刀位文件，通过后置处理后，生成数控系统能接受的零件数控加工程序的过程，称为APT语言自动编程。第二节 CAM基础一、概述3.数控编程方式：（2）自动编程：交互式CAD/CAM系统自动编程是现代CAD/CAM系统中常用的方法，在编程时编程人员首先利用软件本身(CAD部分)的零件造型功能，构建出零件几何形状，然后对零件进行工艺分析，确定加工方案，其后还需利用软件的计算机辅助制造功能(CAM部分)，完成工艺方案的制定、切削用量的选择、刀具及其参数的设定，自动计算并生成刀

37、位轨迹文件，利用后置处理功能生成指定数控系统用的加工程序。因此，这种自动编程方法被称为图形交互式自动编程。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理1.数控机床的选择：不同类型的零件应在不同的数控机床上加工。数控车床加工 数控铣床、数控立式镗铣床和立式加工中心 卧式镗铣床和卧式加工中心 多坐标联动的卧式加工中心第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理2.加工工序的划分：(1)刀具集中分序法 刀具集中分序法是按所用刀具划分工序，用同一把刀加工完零件上所有可以完成的部位，再用第二、第三把刀完成它们可以完成的其它部位。这样可以减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差。(2)粗、精加工分序法

38、 对单个零件要先进行粗加工和半精加工，然后进行精加工。对于一批零件，先全部进行粗加工和半精加工，最后再进行精加工。粗、精加工之间，最好隔一段时间，以使粗加工后零件的变形得到充分恢复，再进行精加工，以提高零件的加工精度。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理 (3)按加工部位分序法 一般先加工平面和定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，再加工精度较高的部位。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理3 工件的装夹方式工件的装夹方式 零件的定位、夹紧方式要注意以下4个方面：(1)应尽量采用组合夹具，但当工件批量较大、精度要求较高时，可以设计专用夹具

39、。(2)零件定位、夹紧的部位应不妨碍各部位的加工、刀具的更换以及重要部位的测量，尤其应避免刀具与工件、刀具与夹具相撞的现象。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理 (3)夹紧力应力求靠近主要支承点或在支承点所组成的三角形内；应力求靠近切削部位，并在刚性较好的地方；尽量不要在被加工孔径的上方，以减少零件变形。(4)零件的装夹、定位要考虑重复安装的一致性，以减少对刀时间，提高同一批零件加工的一致性；一般同一批零件采用同一定位基准和同一装夹方式。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理4 对刀点与换刀点的确定对刀点与换刀点的确定 对刀点是数控加工中刀具相对于工件运动的起点，是刀具在工件坐标系中

40、的位置。确定对刀点的原则是：第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理 对刀时应使对刀点与刀位点重合。刀位点对于立铣刀、端铣刀为刀头底面的中心，对于球头铣刀为球头中心，对于车刀、镗刀为刀尖，对于钻头为钻尖。换刀点应根据工序内容确定。为了防止换刀时刀具碰伤工件，换刀点应设在零件或夹具的外部。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理5 选择走刀路线选择走刀路线 走刀路线是数控加工过程中刀具相对于被加工工件的运动轨迹和方向。每道工序加工路线的确定是非常重要的，因为它与零件的加工精度和表面质量密切相关。确定走刀路线的一般原则是：保证零件的加工精度和表面粗糙度；缩短走刀路线，减少进退刀时间和其它辅助时

41、间。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理 在选择走刀路线时，下述情况应充分注意：(1)铣切外圆与内圆。(2)铣削轮廓。(3)内槽加工。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理6 刀具选择刀具选择 数控机床用刀具应具有较高的耐用度和刚度，刀具材料抗脆性好，有良好的断屑性能和可调、易更换等特点。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理 在数控机床上进行铣削加工，选择刀具时要注意以下两点：(1)平面铣削应选用不重磨硬质合金端铣刀或立铣刀。(2)立铣刀和镶硬质合金刀片的端铣刀主要用于加工凸台、凹槽和箱口面。铣削平面零件的周边轮廓，一般采用立铣刀。刀具的结构参数：刀具半径R应小于零件内轮廓的最

42、小曲率半径，一般取R=(0.80.9)；零件的加工高度H(1/41/6)R，以保证刀具有足够的刚度。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理7 切削用量的确定切削用量的确定 数控编程人员必须确定每道工序的切削用量，包括主轴转速、进给速度、切削深度和切削宽度等。在确定切削用量时要根据机床说明书的规定和要求，以及刀具的耐用度去选择和计算，也可以结合实践经验，采用类比法确定。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处理主轴转速n要根据允许的切削速度v来选择：式中：n 主轴转速(r/min)；D 刀具直径(mm)；v 切削速度(m/min)，受刀具耐用度的限制。第二节 CAM基础二、数控加工中的工艺处

43、理1 数控加工程序的检验数控加工程序的检验 随着NC编程的复杂化，NC代码的错误率也越来越高。因此，零件的数控加工程序在投入实际的加工之前，如何有效地检验和验证其正确性、确保投入实际应用的数控加工程序正确，是数控加工编程中的重要环节。目前数控程序检验方法主要有试切、刀具轨迹仿真、三维动态切削仿真和虚拟加工仿真等方法。第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 2 刀位轨迹仿真刀位轨迹仿真 刀位轨迹仿真一般在后置处理之前进行。通过读取刀位数据文件检查刀具位置计算是否正确，加工过程中是否发生过切，所选刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，刀位轨迹是否正确，刀具与约束面是否发生干涉与碰撞。该方法主要

44、有刀具轨迹显示验证、刀具轨迹截面法验证和刀具轨迹数值验证三种方式。第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 （1）刀具轨迹显示验证 刀具轨迹显示验证的基本方法是：当待加工零件的刀具轨迹计算完成以后，将刀具轨迹在图形显示器上显示出来，从而判断刀具轨迹是否连续，检查刀位计算是否正确。图是采用球形棒铣刀五坐标侧铣图加工透平压缩机叶轮叶片型面的显示验证图，从图中可看出刀具轨迹与叶片型面的相对位置是合理的。第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 图 刀具轨迹显示验证 第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 （2）刀具轨迹截面法验证 截面法验证是先构造一个截面，然后求该截面与待验证的刀位点

45、上的刀具外形表面、加工表面及其约束面的交线，构成一幅截面图显示在屏幕上，从而判断所选择的刀具是否合理，检查刀具与约束面是否发生干涉与碰撞，加工过程中是否存在过切。截面法验证主要应用于侧铣加工、型腔加工及通道加工的刀具轨迹验证。截面形式有横截面、纵截面及曲截面等三种方法。第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 采用横截面方式时，构造一个与走刀路线上刀具的刀轴方向大致垂直的平面，然后用该平面去剖截待验证的刀位点上的刀具表面、加工表面及其约束面，从而得到一张所选刀位点上刀具与加工表面及其约束面的截面图。该截面图能反映出加工过程中刀杆与加工表面及其约束面的接触情况。图是采用二坐标侧铣加工轮廓及二

46、坐标端铣加工型腔时的横截面验证图。第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 图 刀具轨迹横截面验证 第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 图 刀具轨迹纵截面验证 第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 （3）刀具轨迹数值验证 刀具轨迹数值验证也称为距离验证，是一种刀具轨迹的定量验证方法。它通过计算各刀位点上刀具表面与加工表面之间的距离进行判断，若此距离为正，表示刀具离开加工表面一个距离；若距离为负，表示刀具与加工表面过切。如图所示，选取加工过程中某刀位点上的刀心，然后计算刀心到所加工表面的距离，则刀具表面到加工表面的距离为刀心到加工表面的距离减去球形刀刀具半径。设C表示加工刀

47、具的刀心，d是刀心到加工表面的距离，R表示刀具半径，则刀具表面到加工表面的距离为=d-R。第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 图 数值验证 第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 3 三维动态切削仿真三维动态切削仿真 三维动态切削仿真主要用来解决加工过程中、实际加工环境内、工艺系统间的干涉碰撞问题和运动关系。三维动态切削仿真在后置处理以后，已有工艺系统实体模型和数控加工程序(根据具体加工零件编好的)的情况下才能进行。第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 一个完整的三维动态切削仿真过程包括：(1)NC指令的翻译和检查。将NC代码翻译为刀具的运动数据，即仿真驱动文件，并对代

48、码中的语法错误进行检查。(2)毛坯及零件图形的输入和显示。(3)机床、刀具、夹具的定义和图形显示。(4)刀具运动及毛坯被切削的动态图形显示。(5)刀具碰撞及干涉检查。(6)仿真结果报告，包括具体干涉位置和干涉量。第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 图 三维动态切削仿真 第二节 CAM基础四、数控加工过程检验与仿真 第三节 产品数据交换技术第三节 产品数据交换技术 产品数据是指产品从设计到制造的生命周期内全过程中对产品的全部描述，并在计算机中以可以识别的形式来表示和存储的信息。这种信息在产品的设计、制造、服务过程中通过数据采集、传递和加工处理的过程而形成和完善的，并在这个过程中需频繁进

49、行数据交换。例如：CAD、CAE、CAM各系统之间，不同CADCAM系统之间，CAM系统与数控机床之间，外部程序与CAD系统之间的数据信息的交换以及产品设计部门之间的数据信息交换等。但是，由于各个CADCAM系统以及同一CADCAM系统中各子系统，基本上是在各自的模型数据结构上独立研制和发展起来的，它们之间存在着较大差异。这就给数据的交换带来困难，也给数据交换带来了多样性。下面就不同的数据交换作以论述。第三节 产品数据交换技术一、图形系统与外部程序交换信息 在应用CAD系统设计零件时，有时需要的数据信息来自外部程序的计算结果，有时也需将已设计的图形数据传递给外部程序处理。这样就需要规定统一的格

50、式来进行数据的传输。也就是将CAD系统中生成的图形以某种文件格式表示，并从中提取数据传递给外部程序，或者将外部程序的数据生成CAD系统可以读取的格式的文件，并转化成图形。第三节 产品数据交换技术一、图形系统与外部程序交换信息1.DXF文件：DXF（Drawing eXchange File）文件也称图形交换文件，是AutoCAD软件系统所支持的中间文件格式。由于AutoCAD软件系统的流行性和市场占有率，DXF文件格式虽未经国际标准组织认可，但却自然地被许多CAD软件商所接受，并在其CADCAM系统中有DXF接口，以实现与AutoCAD系统进行图形数据的交换。DXF文件是具有专门格式的ASCI