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发信人: minho (蓝石头】), 信区: CAD
标 题: 数控加工技术概述(2)
发信站: 荔园晨风BBS站 (Mon Apr 1 19:19:37 2002), 转信
2 NC刀具轨迹生成方法研究发展现状
数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数
控加工程序。下面就刀具轨迹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，一直到现
在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动
对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平较高
，交互复杂。在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B-REP混合表示的），它由一些基本体素经集合运
算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面
积切削掉余量，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
，是特征加工的基础。
实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法
（SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为
走刀轨迹。本文从系统需要角度出发，在ACIS几何造型平台上实现了这种基于点、
线、面和实体的数控加工。
2.2 基于特征的NC刀轨生成方法
参数化特征造型已有了一定的发展时期，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在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：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征
组进行加工的总和。那么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。而每一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。
Lee and Chang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。这个系统的工作原理是：在凸自由曲面内嵌入一个最小的长方块，这样凸自
由曲面特征就被转换成一个凹特征。最小的长方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间接产品模型。刀具轨迹的生成方法分成三步完成：（1）
、切削多面体特征；（2）、切削自由曲面特征；（3）、切削相交特征。
Jong-Yun Jung研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题。文章把基于特征的加
工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两类，并定义了这两类加工的切削方向，通过减
少切削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（Inter Programming）技术避免重复走刀，以优化非切削刀具轨迹。
另外，Jong-Yun Jong还在他1991年的博士论文中研究了制造特征提取和基于特征
的刀具及刀具路径。
特征加工的基础是实体加工，当然也可认为是更高级的实体加工。但特征加工不同
于实体加工，实体加工有它自身的局限性。特征加工与实体加工主要有以下几点不
同：
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；实体是低层的几何对象，是经过一系列布尔运算而得到的一个几
何体，不带有任何功能语义信息；实体加工往往是对整个零件（实体）的一次性加
工。但实际上一个零件不太可能仅用一把刀一次加工完，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要用不同的刀具进行加工；有时
一个零件既要用到车削，也要用到铣削。因此实体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；特征加工具有更多的智能。对于
特定的特征可规定某几种固定的加工方法，特别是那些已在STEP标准规定的特征更
是如此。如果我们对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
特征够成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若CAPP系统能提供相应的工艺特
征，那么NCP系统就可以大大减少交互输入，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，实现信息的双向流
动，为CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的
。
2.3 现役几个主要CAD/CAM系统中的NC刀轨生成方法分析
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）。前者以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几
何模型，而后者主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。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、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态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是业界中最好，最具代表性的数控软件。其最具特点的是其功能强大
的刀具轨迹生成方法。包括车削、铣削、线切割等完善的加工方法。其中铣削主要
有以下功能：
、Point to Point：完成各种孔加工；
、Panar Mill：平面铣削。包括单向行切，双向行切，环切以及轮廓加工等；
、Fixed Contour：固定多轴投影加工。用投影方法控制刀具在单张曲面上或多张
曲面上的移动，控制刀具移动的可以是已生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线；
、Variable Contour：可变轴投影加工；
、Parameter line：等参数线加工。可对单张曲面或多张曲面连续加工；
、Zig-Zag Surface：裁剪面加工；
、Rough to Depth：粗加工。将毛坯粗加工到指定深度；
、Cavity Mill：多级深度型腔加工。特别适用于凸模和凹模的粗加工；
、Sequential Surface：曲面交加工。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。
EDS Unigraphics还包括大量的其它方面的功能，这里就不一一列举了。
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。
它为用户提供两种编程开发环境，即NC命令语言接口和NC操作C++类库。它可支持
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刀具
轨迹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加工
方法包括：
Profile Toolpath：轮廓加工；
AreaClear Toolpath：平面区域加工；
SolidProfile Toolpath：实体轮廓加工；
SolidAreaClear Toolpath：实体平面区域加工；
SolidFace ToolPath：实体表面加工；
SolidSlice ToolPath：实体截平面加工；
Language-based Toolpath：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。
2.4 现役CAM系统刀轨生成方法的主要问题
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，通过图形交互来完成。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
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、主轴转速、换刀等）。因此，
下游的CNC系统既无法获取更高层的设计要求（如公差、表面光洁度等），也无法
得到与生成刀具轨迹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
记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干涉
与碰撞，而不记录与其发生干涉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
不能充分理解和利用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系统产生的加工数据信息。这就给并行工程的实施带
来了困难。
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那块石头在阳光下闪过几丝神秘的蓝光
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