刀位轨迹仿真法
实现APT代码刀具轨迹仿真
实现APT格式刀具轨迹仿真本例中用的刀具轨迹文件是"idlerarm.tp"，"idlerarm.tp" 是ASCII APT 格式文件，文件中包含对加工零件所用刀具的描述（"CUTTER"）。
模拟仿真该刀具轨迹需要一个400 x 615 x 100 的毛坯，这个毛坯和夹具是在CAD系统中生成的，并以模型文件的形式从VERICUT 中直接调用。
操作步骤:1. 打开一个新的用户文件，单位采用米制∙打开菜单File > Properties∙选择默认单位类型Default Units=Millimeter, OK, OK∙打开新窗口File > New Session2. 显示模型坐标系Xm, Ym, Zm和刀具轨迹坐标系Xcs, Ycs, Zcs∙打开菜单View > Axes∙选定Model,Coordinate System∙关闭Close3. 调用毛坯模型文件"idlerarm.stk"∙打开菜单Model > Model Definition: Model tab∙选择类型Type=Model File∙浏览Browse∙Shortcut=CGTECH_SAMPLES∙过滤Filter（选择文件格式）=*.stk∙文件名File Name=idlerarm.stk, OK∙确定单位是米制Units=Millimeter∙添加Add∙适度化4. 调用夹具模型文件"idlerarm.fxt"∙选择组件名Active Component=Fixture∙类型Type=Model File∙浏览Browse∙Shortcut=CGTECH_SAMPLES∙文件名File Name=idlerarm.fxt, OK∙单位米制Units=Millimeter∙添加Add∙OK∙适度化5. 指定刀具轨迹文件"idlerarm.tp"∙打开菜单Setup > Toolpath∙添加Add∙Shortcut=CGTECH_SAMPLES∙文件名File Name=idlerarm.tp, OK , OKWhen the initial tool path-to-stock model relationship is not as desired, you can move the tool path coordinate system, as described by the step that follows.6. 确定对刀点的位置为距离毛坯左下角15mm x 50mm x 5mm 的点完成这个设置需要三步:第一步–在图中选定毛坯左下角:∙打开菜单Setup > 坐标系Coord. System > 自定义Define∙命名为Coordinate System Name=pos1∙加亮显示选择区域Position移动箭头光标到毛坯左下角，单击鼠标左键，坐标值应为(-165 -200 0).∙应用Apply (坐标系的原点将移动到毛坯左下角)第二步–定义一个增量位置，距离毛坯左下角15mm x 50mm x 5mm:∙打开移动标签Translate Tab∙起点From=0 0 0∙终点To=15 50 5∙移动Move∙OKTool path oriented to the stock for proper cutting:第三步–定义刀具轨迹与该坐标系的联系∙打开菜单Setup > Toolpath在刀具轨迹原点栏（Toolpath Origin ）,点击打开可选用的坐标系列表∙选择以定义的坐标系名Pos1∙OK7. 设置快速进刀速度"Fast Feed" 1550 MMPM （过高将会是不安全的）∙打开菜单Setup >运动设置Motion∙定义Fast Feed=1550∙OK注意:程序设置的进给速率为1500 MMPM. 如果超出这个速度将会以红色高亮显示的方式报错Error，并在日志文件VERICUT Log file中记录生成的该错误。
自由曲面铁削加工的刀位轨迹生成方法
自由曲面铁削加工的刀位轨迹生成方法1 .与自由曲面刀位轨迹生成方法相关的术语l )切触点(Cutting Contact Point )刀具在加工过程中与被加上零件曲面的理论接触点。
对于曲面加工，不论采用什么刀具，从几何学的角度看，刀具与加工曲面的接触关系均为点接触。
2 )刀位点(Cutter Location Point )用来确定刀具在加工过程中所在的位置点。
一般来说，刀具在工件坐标系中的准确位置可以用刀具中心点和刀具轴矢量来描述，其中刀具中心点可以是刀心点，也可以是刀尖点。
采用刀尖点时刀具长度补偿比较方便，是目前的习惯用法。
由刀位点按一定的顺序连接而成的轨迹就是通常所说的刀位轨迹。
3 )导动面(Drive Surface )与导动点(Drive Point )由于待加工曲面的差别较大，有的曲面片组合相当复杂，如果直接对曲面片进行离散难度很大。
因此，通常采用映射方法来获得组合曲面的刀位轨迹，具体地说，就是先构造一张(组)比较简单的曲面，称为导动曲面，在导动曲面上按给定的加工工艺条件计算出刀位轨迹点，称导动点。
然后根据一定的规则(如沿主轴方向投影)把导动点映射到待加工表面上，经计算修正就可以获得待加工表面上相应的刀位点序列。
4 )干涉检查(Interference Check )对于用映射方法将导动点映射到待加工表面上的做法，不可避免地存在一个导动点对应多个刀位点的情况。
如果要从多个可能的映射点中确定出唯一的结果，就需要提供相应的附加判据：一是不可过切，二是欠切(一般由后续加工完成)最少。
对于直接对曲面进行离散也会碰到类似灼问题，我们把这一判断过程称为干涉检查。
干涉检查是自由曲面刀位轨迹生成算汰的关螃挤术之一。
在工程应用中，由CAM 软件自动判断，不需人工干预。
2 .基于参数空间的刃位饮迹生成方法自由曲面刀位轨迹生成方去可归纳为两类：一是基于参数空间的刀位轨迹生成方法;二是基于笛卡尔空司刀位轨迹生成方法。
青科大第八章
APT语言的基本组成 1. 基本符号 1) 字母：26个大写英文字母，A～Z。 2) 数字：10个阿拉伯数字，0～9。 3) 特殊符号：包括标点符号、算术运算符(＋、 －、*、/、↑)及幂运算符(**或↑)等。
2. 关键词汇 (1) 几何元素词汇，如POINT、LINE (2) 几何关系和位置状况词汇，如TANTO (3) 与计算有关的函数类词汇，如SINF (4) 加工工艺词汇，如BORE (5) 刀具名称词汇，如TURNTL (6) 与刀具运动相关的词汇，如GOFWD
发展过程 早先的数控机床(NC)均为硬件控制，即其 控制功能通过安装在数控机床上的非柔性物理 电子元件来实现。读取设备从穿孔纸带上读出 控制指令，并将其传入控制器，以便控制机床 运动。数控机床不能存储数控程序。
随着集成电路和计算机技术的不断发展， 出现了计算机数控技术(CNC)。这种控制技术 与传统的数控技术相比具有以下优点： 1) 能够方便地储存、编辑数控程序，更快速地 进行重复编程。 2) 柔性更好，能加工不同形状、不同精度的零 件。 3) 具有更高的精度和效率。 4) 具备一定的辅助功能，如刀具补偿等。
数控编程的方法 1. 手工编程 手工编程也称人工编程，上述几方面的工 作，即从分析零件图纸、制定零件工艺规程、 计算刀具运动轨迹坐标值、编写加工程序单、 制备控制介质直至程序校核等都是靠人工来 完成的。
2. 自动编程 1) 以数控编程语言为基础的自动编程方法 在编程时编程人员依据所用数控语言的编 程手册以及零件图样，以数控语言的形式表 达出加工的全部内容，然后再把这些内容全 部输入计算机中进行处理，制作出可以直接 用于数控加工的NC程序。
3. 刀具轨迹计算及生成 1) 点位加工刀位轨迹的生成 2) 平面轮廓加工刀位轨迹的生成 3) 槽腔加工刀位轨迹的生成 4) 曲面加工刀位轨迹的生成 4. 后置处理 5. 程序输出 6. 加工程序动态仿真
CAM技术—制造工程师数控铣程
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幅度：Z字形切入时走刀的宽度。 倾斜角度：Z字形或倾斜线走刀方向与x Oy平面的夹角。 4．刀具参数 在每种加工功能参数选项中，都有刀具参数的设定。“刀具
参数”选项卡如图4 -12所示。 增加刀具：用户可以在刀具库中增加新定义的刀具。 编辑刀具：选中某把刀具后，用户可以对其参数进行编辑。 刀具类型、刀具名称、刀具号、刀具半径R、圆角半径r/a、
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3．扫描线粗加工 扫描线粗加工的加工的方法有以下三种，如图4 - 44所示。 (1)精加工：产生的路径是沿着模型表面进给的精加工轨迹。 (2)顶点路径：其刀具路径是遇到第一个顶点则快速抬刀至
安全高度的加工轨迹。 (3)顶点继续路径：在己完成的加工轨迹中，生成含有最高
加工轨迹。 (1)加工方向
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加工方向共有两种设定，即顺铣和逆铣。具体含义如图4 18所示。
(2)z切入 ①层高：z向每相邻加工层的切削深度。 ②残留高度：系统可以根据其大小来计算z向层高，并且在
对话框内提示 ③最大层间距：是指z向最大的切削深度。 ④最小层间距：输入z向最小的切削深度。 (3) xy切入 在这里xy向切入量有两种设定，如图4-30所示。
此过程以退刀速度垂直向上进给。 (2)下刀的切入方式 如图4 -11所示提供了三种通用的切入方式，基本上适用于
所有的铣削加工方案。
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垂直：刀具沿垂直方向切入，即从上一层沿z轴方向直接切 入下一层。
Z字形：刀具在两个切削层间按Z字形方式切入，直到下一层 的高度上，才开始进行切削。
切削刃长L，在刀具库中会有相应参量的对照显示。
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基于细分曲面数控刀位轨迹的生成
基于细分曲面数控刀位轨迹的生成张文;范敏【摘要】阐述了基于细分曲面数控加工刀具轨迹的生成方法,主要包括求交点的算法和对交点进行优化处理的算法,该方法具有一定的可行性和实用性.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2011(000)001【总页数】3页(P31-33)【关键词】三角网格查询;截交线;刀位点处理【作者】张文;范敏【作者单位】襄樊学院,机械与汽车工程学院,湖北,襄阳,441053;襄樊职业技术学院汽车工程学院,湖北,囊阳,441000【正文语种】中文【中图分类】TG6591 引言数控加工刀具轨迹的生成是进行逆向工程工作的最终目的之一，是逆向工程研究的一项重要内容。
目前，对数控加工中刀轨自动生成的研究己经较为深入，但这些研究大多数基于参数曲面模型，由于要在刀轨自动生成之前进行曲面重构，其过程繁琐费时，而且需要设计师有丰富的实践经验。
所以要将细分曲面应用于工程生产当中，研究基于细分曲面的数控加工技术就成为关键，也逐渐成为研究的热点，但取得的成果比较有限。
2 刀具轨迹的生成2．1 加工网格曲面时的刀轨生成方法生成三维曲面刀位轨迹的常用方法有两种［1］:等参数线法和平行平面截交线法。
在组合曲面数控加工中通常采用平行平面截交线法求解刀具轨迹，笔者也采用了截平面法生成刀具轨迹数据。
在利用截平面法求刀具轨迹的过程中，可以通过控制三角网格的数量来控制三角网格逼近被近似的自由曲面的精度，满足不同加工要求对精度的需要。
这样，生成刀轨时的运算便转化为平面与平面的求交运算，其算法简单，运算速度较快。
截平面法加工有两种［2］:基于原曲面的截平面法和基于等距面的截平面法。
(1)基于原曲面的截平面法该方法的刀具运动只适合三轴联动方式。
刀具沿此类轨迹走刀时，由于刀具作空间运动，容易产生抖动，零件表面质量难以得到保证，因此其加工工艺性差。
(2)基于等距面的截平面法采用基于等距面的截平面法，其明显的优点是刀具规划和走向便于控制，同时可以采用两轴联动的走刀方式。
CAXA制造工程师练习试题
基础知识部分CAXA制造工程师综合练习题（一）一、填空题。
1.CAXA 制造工程师采用精确的特征实体造型技术，可将设计信息用特征来描述，简便而准确。
2.CAXA 制造工程师的“轨迹再生成”功能可实现轨迹编辑。
用户只需要选中已有的数控加工轨迹，修改原定义的加工参数表，即可重新生成加工轨迹。
3.CAXA制造工程师常用的命令以图标的方式显示在绘图区的上方。
4.CAXA制造工程师可自动按照加工的先后顺序产生。
5.曲线过渡是指对指定的两条曲线进行圆弧过渡、尖角过渡或对两条直线倒角。
6.尖角过渡用于在给定的两根曲线之间进行过渡，过渡后在两曲线的交点处呈。
7. 平移是对拾取到的曲线相对原址进行移动或拷贝。
8.等距线的生成方式有等距和变距两种。
9.CAXA 制造工程师生成旋转曲面时，需要在立即菜单中输入两个相关参数：① 起始角：生成曲面的起始位置与母线和旋转轴构成平面的夹角；② 终止角：生成曲面的终止位置与母线和旋转轴构成平面的夹角。
10. 在 CAXA制造工程师中，扫描曲面实际上是直纹面的一种，它是一条空间曲线沿指定方向从给定的起始位置开始以一定的锥度扫描生成曲面。
二、选择题。
1.计算机辅助工艺规划的英文缩写是（ B ）。
A.CADB.CAMC.CAED.CAPP2.在 CAXA制造工程师导动特征功能中，截面线与导动线保持固接关系，该方式称为（ D ）。
A. 单向导动B.双向导动C.平行导动D.固接导动3.CAXA制造工程师等高线粗加工属于（B）轴加工。
A.2B.2.5C.3D.44. 清根加工属于（）加工。
A. 半精加工B精加工 C.补加工 D.其他5.修剪是用拾取一条曲线或多条曲线作为（ B ），对一系列被裁剪曲线进行裁剪。
A. 裁减点B.剪刀线C.裁减面D.裁减体三、判断题。
1.安全高度是指保证在此高度以上可以快速走刀而不发生过切的高度。
（错）2.慢速下刀距离是指由快进(G01) 转为工进 (G00) 时的位置长度。
五轴数控加工的刀具路径规划与动力学仿真
2010年 第55卷 第25期：2510 ~ 2519 英文版见: Ding H, Bi Q Z, Zhu L M, et al. Tool path generation and simulation of dynamic cutting process for five-axis NC machining. Chinese Sci Bull, 2010, 55,doi: 10.1007/s11434-010-3247-8评 述《中国科学》杂志社SCIENCE CHINA PRESS五轴数控加工的刀具路径规划与动力学仿真丁汉①, 毕庆贞②, 朱利民②, 熊有伦①① 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室, 武汉 430074; ② 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海 200030 E-mail: dinghan@ 2009-10-09收稿, 2009-12-29接受国家重点基础研究发展计划(2005CB724103)和国家自然科学基金重点项目(50835004)资助摘要 五轴数控加工是航空、航天、能源和国防等领域中高效加工复杂零件的有效手段, 是提升我国制造水平的技术突破口. 从五轴数控加工的优势出发, 描述在刀具路径规划、几何-力学集成仿真和动力学仿真三个方面的关键问题, 重点介绍基于可达性的刀轴方向优化、三阶点接触和线接触成形刀位规划、刀具包络面解析法求解和加工过程稳定性分析等方面的最近研究进展, 分析存在的问题, 并展望未来的发展趋势.关键词五轴数控 刀具路径几何-力学集成仿真 动力学仿真传统的三轴数控加工通过控制刀具平动来完成零件的加工, 五轴数控机床是由三轴机床增加两个旋转自由度构成, 利用这两个旋转轴, 五轴数控机床可以使刀具处于工作空间内的任意方向. 五轴数控加工的优势主要通过控制刀轴方向实现, 具体体现在: (1) 改变刀轴方向可以避免刀具和零件干涉, 实现整体叶轮和螺旋桨等复杂曲面零件的加工; (2) 通过调整刀轴方向能够更好地匹配刀具几何与工件曲面, 增加有效切宽, 实现大型敞口类曲面零件的高效加工; (3) 控制刀轴方向可以改善加工条件, 如在加工叶轮根部等曲率较大的区域时, 只能用刚度较低的小半径刀具, 选择合理的刀轴方向, 可以缩短刀具悬伸量, 控制刀轴方向还可以控制刀具参与切削的区域, 降低切削力和减少刀具磨损, 提高加工表面质量.五轴数控加工具有上述优势的同时也带来了新的挑战, 由于旋转运动的引入, 刀轴姿态更加灵活, 在机床坐标系下难以直观想象出刀具相对于工件的运动, 增加了刀具路径规划的难度, 而且刀具上各点的进给速度并不相同, 加工条件瞬时变化, 使切削力预测和动力学问题更加复杂. 目前的研究工作主要体现在3个方面[1]: 刀具路径规划、加工过程的几何-力学集成仿真和动力学仿真, 如图1所示. 刀具路径规划是根据零件模型、加工方案和误差要求生成刀具相对于工件运动轨迹的过程, 生成的刀具路径对加工质量和加工效率有决定性的作用, 是加工过程几何-力学集成仿真的基础. 几何-力学集成仿真中的几何是指材料去除过程中刀具与工件之间的切削几何,集成仿真是指集成切削几何和切削力模型来预测加工过程中的动态切削力, 是基于切削力规划进给率、预测和补偿刀具与工件变形等工作的基础, 也可以为动力学仿真提供力学信息. 动力学仿真是在切削力、机床-刀具-工件系统动力学特性基础上预测加工过程稳定性和工件表面形貌的过程, 是根据加工过程的动态特性优化工艺参数和刀具路径的基础.图1 五轴数控加工工艺的关键问题国内外对五轴数控加工进行了大量的理论和应用研究, 目前已有通用CAM软件(如UG和Catia)、专用CAM软件(如加工叶轮的Max和加工叶片的TurboSoft)和动力学仿真软件(如CutterPro). 欧盟在2001年开展了“Flamingo (flank milling optimization)”项目, 联合了SNECMA, Rolls Royce, Dassault Systè- mes等著名公司和高校研究了高效侧铣加工方法. 美国联合技术公司、普惠(Pratt & Whitney)公司和Concepts NREC公司一直在研究五轴高效精密加工技术. 国内也开发了如开目、5BDM和DynaCut等软件, 但在理论研究和应用方面尚处于起步阶段.目前的商业软件在刀具路径规划和仿真方面提供了丰富的策略, 但在智能性、工艺性和计算效率等方面还不完善, 如刀轴方向控制策略主要依靠编程人员的输入, 难以做到自动优化刀轴方向来同时满足干涉避免、宽行加工、刀具路径整体光顺和缩短刀具长度等需求; 在动力学仿真方面主要针对三轴数控加工, 亟需针对五轴高速加工的切削力和切削过程动力学建模与仿真.1 刀具路径规划刀具路径规划是数控编程的核心技术, 在复杂曲面五轴高效加工的刀具路径规划中, 最大的难点是除满足几何约束外, 还需要考虑加工过程中的动态特性和物理因素, 尤其对于难加工材料的工件, 动态特性和物理因素很大程度上决定了加工效率和加工质量, 是在刀具路径规划阶段必须考虑的. 规划刀具路径时, 需要在保证无干涉前提下, 通过调整刀轴方向来扩大刀具有效切削面积、改善工艺条件.1.1 干涉避免干涉避免是加工复杂曲面零件时需要首先考虑的几何约束, 目前的无干涉刀位规划方法可以分为先生成后检测的规划方法和基于可达性的规划方法. 先生成后检测是指先生成刀具路径然后检测干涉, 通过调整刀轴方向来避免干涉, 如图2所示; 而基于可达性的刀具路径规划方法是直接在可达空间中生成无干涉刀具路径, 如图3所示.先生成后检测方法的工作集中在干涉检查和刀轴方向调整两方面. 数控程序中刀位点一般有几万行甚至十几万行, 干涉检查往往花费大量的计算时间和资源,因此研究重点在提高全局干涉检查的效图2 先生成后调整的干涉避免方法[2](a) 干涉发生; (b)调整刀轴方向图3 基于可达性的干涉避免方法(a) 可达方向锥; (b) 无干涉刀具路径率方面[2,3]. 在加工复杂零件时, 先产生后检测方法往往需要反复的检查干涉和调整刀轴方向, 在这个过程中主要考虑几何约束, 难以根据工艺需求优化刀轴方向.基于可达性的规划方法首先在离散的刀触点处计算出刀具的可达方向锥, 然后在可达方向中规划刀具路径, 这种方法的优点是可以直接判断零件的可加工性, 减少甚至可以避免对刀具路径进行反复的调整和检测, 因此能够在刀具无干涉空间中优化刀具路径, 例如可以根据机床运动学性能优化刀轴方向, 克服在优化刀轴方向时难以避免全局干涉的难题. 但在加工复杂零件时, 障碍物模型往往由十几万甚至几十万个多边形组成, 计算可达刀轴方向往往需要庞大的计算资源和时间, 所以研究的重点集中在如何快速计算刀具可达方向锥方面, 主要有C(configuration space)空间法[4,5]和可视锥法[6~10]. C-空间法的关键是如何将障碍物表面快速映射到C-空间, 计算效率是该类算法的主要问题. Wang等人[5]的计算结果表明, 当障碍物模型包含10000个三角形时,即使不考虑刀柄的干涉检查, 计算可达方向锥的时25112010年9月 第55卷 第25期2512间会达到1190.33 min. 为了提高计算效率, 先忽略刀具半径, 把刀具抽象为一根从刀位点出发的射线, 可达性问题就转化为可视性问题. 本文作者[6~8]用C-空间方法描述了刀具的可视锥, 利用图形学中的消隐算法提出了3种提高可视锥计算速度的策略, 并提出了基于可视锥的曲面可制造性分析方法. 但可视性没有考虑刀具和刀柄的半径, 仅仅是刀具无干涉的必要条件, 因此需要耗时的后处理来进行精确的干涉检查[9]. 如果将加工曲面和干涉检查面做等距偏置, 球头刀的可达性问题可以等效为可视性问题[10], 但是引出的等距面计算是一项复杂的任务, 而且该方法仍然无法准确考虑刀柄的半径, 只适用于球头刀, 因此很难有通用性. 本文作者[11,12]推广了传统可视锥的概念, 提出了高效计算刀具全局可达方向锥的方法, 具有近似线性的时间复杂度. 对于工业中常用的平底铣刀和圆环铣刀, 根据刀触点、曲面外法线方向和刀轴方向一般能够确定唯一的刀位点, 当沿刀轴方向的反方向观察刀位点时, 刀具的全局可达问题可以等价为一组圆盘面和圆锥面的完全可视问题, 利用图形显卡(GPU)中的遮挡查询功能可以快速检测该圆盘和圆锥面的完全可视性, 进而判断刀具的完全可达性. 表1对比了3种算法的计算时间, 可以发现, 当输入障碍物模型的三角形数和刀轴方向数都是文献[9]中的10多倍时, 基于GPU 算法的计算时间仅为文献[9]中算法的2%, 单个刀位的平均计算时间小于文献[9]中算法的2‰. 即使输入三角形个数大于文献[3]的10倍, 基于GPU 算法的单个刀位平均检测时间小于文献[3]中算法的3%.1.2 加工效率五轴数控加工至今仍广泛采用球头刀, 球头刀加工刀位规划简单, 但效率比较低, 而非球头刀通过调整其位置和姿态, 可以使刀触点轨迹线附近带状区域内的刀具包络曲面充分逼近理论设计曲面, 从而显著提高给定精度下的加工带宽, 在加工平坦、敞口类曲面时能充分发挥五轴联动机床的潜力, 成为近些年来研究的热点. 研究工作主要集中在平底刀和圆环刀的端铣加工, 以及圆柱刀和圆锥刀的侧铣加工. 端铣加工中依靠点接触成形, 通过增大刀具的有效切削面积可以获得高材料去除率, 提高加工效率, 而侧铣加工中使用线接触成形, 直接实现宽行加工.五轴数控加工的成形原理为单参数面族包络原理, 真实的加工误差为刀具包络面相对于工件曲面的法向误差. 由于只有在所有刀位都确定之后才能计算刀具包络面[13,14], 因此如何在单个刀位规划的时候考虑刀具包络面与工件曲面之间的偏差是个非常关键的问题, 它直接关系到刀位计算的精度. 由于操作上的难度及复杂性, 多数文献都采用了近似的简化处理[15], 将刀位规划转化为单个刀位下, 刀具曲面与工件曲面间的优化逼近问题, 给出的各种刀位优化模型并不能真实地反映实际加工过程, 并且现有的方法仅仅适合某种曲面或某种刀具的刀位计算, 在通用性、可操作性、稳定性或加工精度方面还有许多需要改进的地方.针对端铣加工, 王小椿等人[15~17]相继从刀具包络面与设计曲面在刀触点处高阶切触的角度研究了刀位规划问题. 王小椿等人[15]提出了中凹盘形铣刀的密切曲率法, 在垂直于进给方向的法截面中, 由刀尖轨迹圆形成的包络面与理论曲面的法截线具有相同的1~3阶导数, 从而在保持精度的情况下, 加大了每次走刀的加工带宽. Rao 等人[16]通过讨论设计曲面与刀具包络面的曲率匹配, 给出了消除平底刀五轴加工自由曲面的局部干涉的方法. 上述两种方法均是基于刀具包络面的局部近似模型进行刀位优化, 但仅适用于盘形铣刀或平头刀, 而不能扩展到其他类型的刀具. Gong 等人[17]建立了描述刀具曲面、刀具包络面和设计曲面之间关系的模型, 提出了带状密切意义下刀具包络面逼近设计曲面的原理与方法. 该方法适用于一般的回转刀具, 但它是建立在刀具包络面的二阶局部重建的基础上的, 仅能做到刀具包络面与工件曲面的二阶切触. 对于五轴加工而言, 理表1 可达空间计算时间的对比输入模型 方法计算平台三角形刀位点 刀轴方向计算时间单个刀位的平均计算时间 Sarma 等人[9]SGI 工作站, Dual CPU 250M 10665 1500 80 51.63 min 2.58×10−2 s Elber 等人[3] CPU 2.4G, RAM 512M12600 50000 1 61.61 s 1.23×10−3 s 本文作者的方法[12]CPU2.4G, RAM 512M 1397542000 1026 60.53 s 2.95×10−5 s论上可以实现两者的三阶切触, 因此二阶模型未能充分发挥五轴联动加工的潜力. 这些方法的理论模型也互不兼容, 并且均是将切触条件转化为等式方程, 然后严格计算出满足切触条件的刀位. 但在实际应用中, 由于刀具和设计曲面的复杂性, 以及无干涉约束、机床工作空间约束以及刀具路径光顺性约束的存在, 往往无法实现精确的高阶切触加工. 本文作者[18,19]研究了两线接触曲面间的几何学特性, 刀具包络面的基本条件是沿特征线和刀触点轨迹线分别与刀具曲面和设计曲面线接触, 提出了回转刀具扫掠包络面的局部重建原理. 建立了由单个刀位重建刀具包络面局部三阶近似曲面的数学模型, 刻画了刀具曲面、刀具包络面与设计曲面在刀触点邻域内的三阶微分关系, 在此基础上提出了非球头刀宽行五轴数控加工自由曲面的刀位规划新方法——三阶切触法. 该方法通过优化刀具的前倾角和侧倾角使得在刀触点处刀具包络曲面与设计曲面达到三阶切触, 适用于任意回转面刀具、任意设计曲面及各种加工方式, 并且可以自然地处理各种几何学和运动学约束. 采用环心圆半径为10 mm, 母圆半径为2.5 mm的圆环刀加工某螺旋面, 在某一刀触点处限定加工误差δ为0.005, 0.01 mm时, 3种刀位(球头刀一阶切触、圆环刀二阶、三阶切触)的加工带宽如表2所示, 可以看出三阶切触加工实现了刀具包络曲面与设计曲面的局部最佳逼近, 即使与二阶切触加工相比也显著提高了加工效率.针对侧铣加工, Lartigue等人[20]首次从控制整体误差入手研究了刀位优化问题, 通过调整轴迹面使得刀具包络面在最小二乘意义下逼近设计曲面, 但他们所采用的误差度量经过了一定的简化. 针对柱刀加工, Gong等人[21]应用等距包容原理将该问题转化为轴迹面向设计曲面的等距面的最小二乘逼近问题. 这种方法不拘泥于局部误差的大小, 而是着眼于控制刀具面族包络在整体上向设计曲面的逼近误差, 因此被称为整体优化方法. 虽然最小二乘曲面拟合可以直接沿用曲面反求的有关理论和方法, 从计算的角度来说更容易实现, 但是不符合ISO和ANSI标准推荐的轮廓度误差评定准则, 而且这两种方法不能处理无过切约束, 不适用于半精加工规划. 此外, 包络面与设计曲面间的法向误差的解析描述以及轴迹面形状改变对法向误差的影响等基础问题也没有很好地解决. 本文作者[22,23]将柱刀侧铣加工刀具路表2 加工带宽比较加工误差δ/mm球头刀(R=5.5 mm)环刀二阶密切环刀三阶密切0.005 0.69 2.48 5.280.01 0.98 3.12 6.14径整体优化问题归结为刀具包络面向设计曲面的最佳一致逼近问题, 定义了点-轴迹面法向误差函数,并推导出其关于轴迹面形状控制参数的一阶梯度和二阶海色矩阵表达式, 在此基础上构造了高效的离散点云轴迹面逼近算法, 应用于非可展直纹面的侧铣加工, 几何精度比国际上现有的方法提高了30%以上, 并且可以自然地处理无过切约束, 对比结果如表3所示. 这一方法利用了柱刀包络面与其轴迹面互为等距面这一几何性质, 因此无法推广应用于锥刀的情形. 在某些应用场合下, 锥刀可在保证刚性的前提下实现端部的小半径切削, 从而避免刀具端部与工件的干涉以及小半径柱刀刚性不足的困难, 因此关于锥刀侧铣加工的刀位优化方法近年来引起重视.本文作者[24,25]基于刀具包络面的双参数球族包络表示, 提出了无须构造包络面而直接计算其与设计曲面间法向误差的方法, 并推导出法向误差关于刀轴轨迹面形状控制参数的一阶梯度表达式, 揭示了刀位微小调整对设计曲面和刀具包络面间整体逼近误差的影响规律, 在此基础上构造了基于导数信息的刀具包络面向设计曲面的离散点云的最佳一致逼近算法, 实现了圆锥刀五轴侧铣加工刀具路径的整体优化. 有关理论和方法同样也适用于一般回转刀具的侧铣加工规划. 以圆锥刀侧铣加工某叶轮叶片为例, 叶片直纹面的两条边界曲线均为3次B样条曲线,圆锥刀的底面圆半径为6.25 mm, 高度为30 mm, 半锥角为10°. 在待加工直纹面上均匀选取50×100个离散点. 由Chiou的方法[26]生成初始轴迹面, 此时刀具包络面与设计曲面间的最大过切量为0.0896 mm, 最大欠切量为0.0239 mm, 对轴迹面进行优化后, 最大过切量和欠切量分别减小到0.0062和0.0061 mm, 可以看出刀具路径整体优化显著提高了零件的几何精度.表3 几种不同方法结果的比较a)RRD[27]MBM[28]Gong等人[21]本文作者的方法[22]最大欠切量/mm 0.220 0.264 0.093(0.228) 0.068(0.228)最大过切量/mm 0.220 0.211 0.119(0.172) 0.067(0.172)a) 括号中的为优化前的结果25132010年9月 第55卷 第25期25141.3 工艺条件改善高速加工对刀具轨迹的光顺性和加工系统的整体刚度提出了更高的要求. 刀轴方向光顺性和刀具长度影响五轴数控加工过程的动态特性; 不同刀轴方向也会改变有效切削速度等切削参数, 影响切削力等物理因素. 在刀具路径规划中需要综合这些因素, 改善工艺条件.(ⅰ) 刀轴方向光顺. 刀轴方向的光顺性对运动学非线性误差、加工效率、进给运动平稳性和切削条件[29,30]都有直接的影响, 因此刀轴方向的光顺性是评价刀具路径的一个重要指标. 刀轴方向光顺性的度量可以在机床坐标系中、工件坐标系中或者进给坐标系中定义, 分别对应机床旋转轴的运动、刀轴方向相对于工件的变化和切削条件的变化.现有研究中大多考虑机床坐标系下的度量, Ker- sting 等人[31]研究了在自由C-空间中根据机床坐标系下的度量光顺刀轴方向的方法. Castagnetti 等人[29]以旋转轴进给运动的平稳性和加工效率为目标定义了机床坐标系下的度量, 证明优化刀轴方向后可以明显缩短加工时间. 本文作者[11,12]研究了在刀轴可行空间中整体光顺刀轴方向的算法, 该算法考虑了相邻刀位之间的角速度约束, 把刀轴方向整体光顺问题定义为离散域的约束最优化问题, 用有向图的最短路径算法求解该优化问题获得了整体光顺的刀具路径.根据工件坐标系下的度量光顺刀轴方向的方法主要集中在NURBS 刀具路径规划方面, Dassault 公司[32]研究了用双样条曲线描述五轴加工刀具路径的方式, 通过插值获得光滑的刀轴方向. Siemens 的840D 数控系统推出了支持等距双NURBS 刀具路径的接口, 刀轴方向为球面上的有理样条曲线, 保证了刀轴方向的光滑. 本文作者1)[33]提出了生成等距双NURBS 刀具路径的方法, 基于“点-线”运动学, 引入对偶四元数超平面描述刀具位形空间, 将“离散刀位→ 连续刀具路径”生成问题转化为对偶四元数空间中的平面插值型曲线设计问题, 采用B 样条曲线设计出有理运动表达形式的刀具路径, 可方便地转化为固定间距双NURBS 曲线的表达形式.进给坐标系下的度量反映了切削条件的变化, 根据进给坐标系下的度量光顺刀轴方向有助于实现切削力平滑. Ozturk 等人[34]针对球头铣刀加工分析了刀轴方向与切削力的关系, 证明刀轴方向对球头铣刀的加工质量有明显影响. 本文作者[30,35]提出了在刀触点网格上整体光顺刀轴方向的算法, 该算法综合考虑了工件坐标系下、机床坐标系下和进给坐标系下的三种度量, 可以同时保证沿进给方向和相邻行方向上刀轴方向的整体光顺性, 而且只需要计算刀触点网格上的刀具可达方向锥, 具有较高的计算效率, 仿真表明, 整体优化刀轴方向可以提高加工效率, 使机床进给运动更加平稳, 有利于实现加工过程中切削力的平滑.(ⅱ) 缩短刀具长度. 可以用更短的刀具加工复杂零件是五轴数控加工的一个重要优势, 缩短刀具悬伸长度可以提高整个加工系统的刚度. 刀具最短安全长度一般在数控程序仿真阶段计算, 如数控仿真软件Vericut 在6.2版本中提供了计算安全最短刀具长度的功能. 在仿真过程中计算安全最短刀具长度需要首先规划出刀具路径, 只能针对已有刀具路径计算安全的刀具悬伸量, 然而在加工复杂零件时,安全最短的刀具长度往往由刀轴方向决定, 因此应该在刀具路径规划阶段考虑刀具的安全最短长度.如何在规划五轴数控加工刀具路径时考虑安全最短刀具长度, 在现有研究中考虑较少. Morimoto 等人[10]针对球头铣刀的固定角度加工提出了调整刀轴方向来缩短刀具长度的算法, 该方法需要首先求被加工曲面和干涉检查曲面的等距偏置面, 而且在计算安全刀具长度时过于保守. 本文作者[36]在基于GPU 检测刀具可达性的基础上, 提出了计算可达方向上安全最短刀具长度的方法, 为3+2数控加工提供了高效的刀具安全长度规划方法. 在此基础上, 进一步探索了以刀具长度最短为目标的五轴联动数控加工刀具路径规划算法[37,38], 以刀具路径的无干涉和相邻刀位之间刀轴方向的光顺性作为约束, 把刀具长度优化问题转化为约束组合优化问题, 并给出了有效的求解方法.2 几何-力学集成仿真动态切削力仿真是物理仿真的基础, 在进给速1) Zhang X M, Zhu L M, Ding H, et al. Kinematic generation of ruled surface based on rational motion of line and point-line. Comput Aided Geom D, (Submitted)度、主轴转速等切削参数优化, 切削颤振预报, 加工过程自适应控制, 刀具磨损和破损监测, 加工表面形貌预测, 加工误差分析与补偿中有着广泛的应用. 几何-力学集成仿真是根据材料去除过程中的瞬时切削条件来预测动态切削力, 包含切削力系数和瞬时切削几何两方面的工作, 其中切削力系数一般采用实验标定的方法求得[39,40], 因此主要工作为刀具扫描体和刀具-工件切削几何建模.2.1 几何仿真与切削力预测的集成刀具扫掠体建模的关键是求解其包络面. 对于五轴运动下的刀具扫掠体包络面的建模, 目前常用的方法是数值法[41], 包括Jacobian秩亏损方法、扫掠微分方程方法、隐式建模方法及Minkowski和方法, 这些方法需要数值求解高阶常微分方程或超越方程, 计算量很大. Chiou等人[42]推导了环刀和由上、下锥面和中间环面组成的APT刀具在五轴线性插补运动下的瞬时特征线的求解公式. Du和Ye等人[43,44]通过引入瞬时标架和刚体速度表示简化了Chiou的结果. 之后, Chiou等[45]通过引入刀触点处的瞬时标架得到了APT刀具在一般空间刚体运动下的瞬时特征线的求解公式. 上述方法需要逐点计算包络面上的点, 解的判别过程比较复杂. 本文作者[13,14]提出了两种回转刀具切削刃扫描面的解析表达方法: (1) 将锥刀、鼓刀和环刀的切削刃回转面表示为单参数可变半径球族的包络面, 利用双参数球族包络理论推导出了这3种刀具在一般空间运动下的扫掠体包络面及其单位外法矢的解析表达式; (2) 应用包络条件和刚体运动的速度表示方法推导出任意回转刀具在一般空间运动下扫掠包络面特征线的解析表达式, 在方法上具有无须引入附加瞬时标架、公式简洁明了的优点.刀具-工件的切削几何是五轴加工铣削力仿真的基础. 目前常用的切削几何建模方法主要分为实体建模法、解析模型法和离散几何建模法3类: (1) 实体建模法, Altintas等人[46]采用ACIS实体建模工具确定五轴侧铣加工圆锥铣刀与工件的瞬时啮合状态和切厚; (2) 解析模型法, Elbestaw等人[47,48]将刀刃曲线表示为NURBS曲线, 通过计算该曲线与工件几何的相交确定瞬时参与切削的刀刃微元与瞬时切厚; (3) 离散几何建模法, Jerard等[40]使用扩展的Z-buffer方法表示工件几何, 通过刀具扫描体与Z-buffer单元的相交关系计算瞬时啮合区域与瞬时切厚. 2.2 切削力约束下的进给率规划在五轴铣削过程几何-力学集成仿真的基础上,可以根据切削力优化进给率. 目前商用CAM软件的进给率优化算法均基于体积分析(也称为材料去除率). 在这种传统的方法中, 通常把进给率设置为反比于瞬时材料去除率或者与材料去除率成指数函数关系. 该方法的两个主要缺点是: (1) 瞬时材料去除率虽然从一定程度上可以反映切削力的大小, 但不能反映切削力的方向, 故基于材料去除率的进给率优化不能反映切削力的本质; (2) 由这种方法规划出的进给率所产生的切削力的大小难以保持恒定. 针对基于材料去除率规划进给率的缺点, Bailey等人[47,48]提出了基于切削力模型的五轴加工进给率规划方法.Erdim等人[49]对基于切削力模型的与基于材料去除率模型的两种进给率优化策略做了详细比较研究.本文作者[50]提出了切削力约束的五轴数控侧铣加工进给率离线规划方法: 基于机床各轴立方样条多项式插补格式, 建立以各轴相邻位置点之间的时间序列为设计变量, 以各轴相邻位置点之间的运行时间序列之和极小为目标函数, 以各轴的速度、加速度、跃度极限为约束, 同时以刀具切削过程中的最大切削力小于阀域值为约束的优化模型, 并以全局最优算法求解获取最优进给率. 该方法适用于自由曲面粗加工及直纹面或类直纹面曲面半精加工.3 加工过程动力学仿真五轴铣削过程动力学仿真是为加工过程工艺优化提供过程状态变量的时间历程数据, 核心工作包括动力学建模、加工过程稳定性分析和工艺参数优化.3.1 动力学建模刀具-工件系统结构动力学模型分为: (1) 刀具-工件耦合振动模型, 对于薄板类零件加工, Ratchev的研究小组[51]提出了基于FEM的薄板-刀具耦合振动模型; Kovecses等人[52]提出了基于解析法建模的薄板类零件铣削振动模型. 然而, 对于薄壳类零件铣削加工,工件振动模型、刀具-工件耦合振动模型极少见诸国际期刊. (2) 工件-夹具接触动力学建模, Hu等人[53]在柔性多体动力学框架下, 使用集总参数模型分析了夹具的动态稳定性; Kapoor等人[54]研究了夹具-工件动态摩擦接触模型, 并分析了该动态效应对加工性能的影响; Rong等人[55]在FEM的框架下, 建立了夹具-工2515。
AutoCAD复习资料
一、单项选择题1.数据元素之间存储顺序与逻辑顺序一致的数据结构为A、线性表B、树C、二叉树D、图答案： A2.决策表又叫判定表，其中不包括（）A、分类B、结构C、性能D、决策答案： D3.(*20(－6 2))的运行结果为（）。
A、12B、24C、32D、80答案： D4.在对话框构件中，滚动条构件为（）。
A、buttonB、toggleC、imageD、slider答案： B5.下述哪一条是顺序存储结构的优点？A、存储密度大B、插入运算方便C、删除运算方便D、可方便地用于各种逻辑结构的存储表示答案： B6.把CAD和CAM的信息连接起来，实现CAD/CAM一体化的关键性中间环节是A、CADB、CAMC、CAPPD、CAE答案： B7.AutoCAD绘图软件的菜单中常用的两种菜单是（）。
A、下拉菜单和图标菜单B、下拉菜单和图形输入板菜单C、屏幕菜单和图形输入板菜单D、按钮菜单和图标菜单答案： B8.决策树又叫判定树，它不包括（）。
A、根B、干C、分枝D、节点答案： A9.表面建模在计算机内部采用的数据结构是（）结构。
A、表B、数组C、树D、网答案： D10.以下不属于人机交互任务的是A、定位技术B、图形生成C、定量技术D、选择技术答案： B11.弹出表（Popup_list）包括五个属性，下列不属于它的属性是（）。
A、labelB、valueC、listD、allow答案： C12.在AutoLISP中，(car(list x y z))的运算结果为( )。
A、XB、yC、zD、(y z)答案： D13.世界上第一台电子计算机出现在（）年A、1954B、1974C、1964D、1946答案： D14.在单链表里，每个结点的存贮单元分为两部分，一是存放结点的数据，另一部分存放指向后继结点的A、关系B、单位C、指针D、数据答案： B15.二叉树的遍历方式中，先左后右的方式不包括是（）。
A、DLRB、LDRC、RLDD、LRD答案： D16.下列哪种设备不是图形输入设备A、扫描仪B、图形输入板C、绘图仪D、鼠标答案： C17.语句(max－2.1 3.4 －5 12.6)的执行结果是（）。
基于数控仿真的刀具干涉验证算法研究
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随着 工业产 品结 构 形 状 复 杂度 的 日益增 加 ， 控 数
加 工 自动 编程 的难度 也相应 加 大 ， 出错 率也 随之增 加 ，
保证 零件 的］ Ｊ Ｔ质量 。 Ｕ
关 键词 ： 干涉
数控 仿真
扫 掠体
仿真 针
中图分 类号 ： Ｐ ９ ． Ｔ ３ １Ｉ
文 献标识 码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｏ ｌ ｎｅ ｆ ｒ ｎ ｅ Ｖｅ ｉｃ ｔ ｎ Ａｌｏ ｉ ｍ ｓ ｄ ｏ ｍｕａ ｉｎ ｓ ａ ｃ ｎ Ｔ ｏ ｔ ｒ ｅ ｃ ｒ ｉａ ｉ ｇ ｒ ｈ Ｂａ ｅ ｎ ＮＣ Ｓｉ ｌｔ Ｉ ｅ ｆ ｏ ｔ ｏ
数控加工刀位轨迹生成的算法分析
数控加工刀位轨迹生成的算法分析袁国伟【摘要】自由曲面数控加工刀位轨迹的自动生成,是CAM技术的关键问题.针对自由曲面零件刀具口路径生成的几种算法,进行了较为详细的分析,并指出了这几种算法各自的加工特点.%The key technical problems of surface NC machining fool path generation are related to CAM. This paper analyzes the tool path generation algorithm of the freeform surface parts in detail and points out the processing characteristics of each of these types of algorithms.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2012(041)006【总页数】3页(P50-52)【关键词】数控加工;映射;进给曲面【作者】袁国伟【作者单位】辽宁机电职业技术学院,辽宁丹东市118009【正文语种】中文【中图分类】TG6590 前言数控加工刀具轨迹计算和曲面造型是数控编程操作的基础和关键，一种较好的刀具轨迹生成方法，不仅要求计算速度快、占用计算机内存少，而且还要使切削行间距分布均匀、加工误差小、走刀步长分布合理、加工效率高等。
随着CAD/CAM技术的快速发展，出现了多种自由曲面造型理论和数控加工刀具轨迹的算法，其中比较常用的方法有:等参数法、笛卡儿法和APT法。
本文着重谈这三种加工方法的算法分析。
基于刀触点的刀具路径生成方法首先在被加工曲面上采样一系列刀触点，然后再将刀触点转化为刀位点，进而生成刀具路径。
如图1所示，路径规划主要有三种娄型:参数线、导向平面、驱动曲面，分别对应于三种刀具路径生成方法:等参数法、笛卡儿法和APT法。
图1 基于刀触点的刀具路径生成1 等参数法图2等参数法采用环底刀加工凸曲面，其基本参数见表1。
基于MATLAB与V-REP的机器人加工轨迹生成与运动仿真
基于MATLAB与V-REP的机器人加工轨迹生成与运动仿真刘宇;张世超;龚集响【摘要】提出了联合MATLAB和V-REP进行机器人加工轨迹生成和运动仿真的方法 .该方法首先在MATLAB中,计算机器人操作空间中刀具的轨迹,并通过逆运动学计算获得刀具轨迹对应的关节参数 .然后在V-REP中,采用基于关节和连杆统一坐标系的建模方法,建立与刀轨文件一致的机器人及其加工环境的三维模型 .最后通过MATLAB中的外部控制程序和V-REP中的控制脚本、MATLAB和V-REP之间的通信接口,使V-REP中的机器人模型响应外部控制程序进行运动仿真和碰撞检测 .采用所提出的方法对密胺脂餐具盘的机器人铣边过程进行了仿真,仿真结果表明该方法能够生成无干涉加工轨迹和正确的机器人关节运动参数 .【期刊名称】《厦门大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(057)005【总页数】7页(P715-721)【关键词】MATLAB;V-REP;联合仿真;机器人建模;刀具轨迹生成;机器人运动仿真【作者】刘宇;张世超;龚集响【作者单位】厦门大学航空航天学院,福建厦门 361102;厦门大学航空航天学院,福建厦门 361102;厦门大学航空航天学院,福建厦门 361102【正文语种】中文【中图分类】TP242机器人建模和仿真是当前开展机器人任务规划和实际应用的必要手段．目前国内外对机器人的建模和仿真主要是基于通用计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)软件、MATLAB、OpenGL图形库、专用软件(如RobotStudio、RoboGuide等)[1-2]．UG、PRO/E等CAD/CAM软件适用于产品设计与分析，可通过仿真进行虚拟加工和制造，但其功能的扩展性和开放性较差[3-4]．MATLAB凭借其丰富的数学计算工具在机器人领域应用较为广泛[5]．但是MATLAB不擅长三维图形显示，难以有效进行机器人及其工作环境的三维仿真．OpenGL图形库功能强大，用于机器人建模和仿真时需大量软件开发工作，对操作人员的编程能力和机器人相关知识的要求较高[6-7]．而专用软件适用于特定品牌的机器人，难以进行扩展开发．本研究提出了机器人建模和仿真的集成方法．该方法结合CAD软件在三维建模、MATLAB在数值计算、V-REP在运动仿真方面的优势，解决了不同系统集成时机器人约束模型的建立、从工件模型生成机器人刀具轨迹(简称刀轨)、MATLAB和V-REP联合仿真等问题，实现了机器人加工轨迹生成和运动仿真．其中V-REP作为三维运动仿真平台，具有开源性和包含丰富的应用程序编程接口(API)等优点[8-9]．MATLAB则作为外部控制程序进行轨迹计算和提供通信接口．本研究所提出的机器人建模和仿真方法主要包含以下步骤：首先在三维软件中生成工件坐标系下的加工刀具位置(简称刀位)文件；接着在MATLAB中计算机器人操作空间中末端刀具的轨迹，并通过逆运动学计算获得刀具轨迹对应的关节参数[10-11]；然后在V-REP中建立与刀轨文件一致的机器人及其加工环境的三维模型；最后通过MATLAB中的外部控制程序和V-REP中的控制脚本、MATLAB和V-REP 之间的通信接口，使V-REP中的机器人模型响应外部控制程序进行运动仿真和碰撞检测．下文将详细介绍上述步骤中涉及到的机器人建模方法、机器人刀具轨迹生成方法、MATLAB和V-REP之间的任务分工及通信控制方法．1 基于关节和连杆统一坐标系的机器人建模方法关节和连杆的统一坐标系是指关节i的坐标系与连杆i的坐标系始终保持一致重合，而关节和连杆的运动由对应的坐标系的运动表示，故关节i的运动与连杆i的运动相同．1.1 关节和连杆的建模工业机器人常用的关节有旋转、移动和球关节，分别用圆柱、长方体和球来表示3种关节的三维模型.其中旋转关节有1个绕圆柱的轴线转动的自由度，移动关节有1个沿与长方体长边平行的中心轴移动的自由度，球关节有3个绕球心转动的自由度．为了描述关节的位姿，在每个关节上定义关节坐标系,各关节坐标系的原点均为其几何中心.旋转关节坐标系的z轴是其旋转轴，x轴和y轴是在与z轴垂直的平面内互相正交的任意两个方向．移动关节坐标系的z轴是其移动轴，x轴和y轴是在与z轴垂直的平面内互相正交的任意两个方向．球关节坐标系的x轴、y轴和z轴是任意3个组成右手正交坐标系的方向．连杆采用文献[12]中的定义．如图1所示，轴i-1和轴i分别是关节i-1和关节i的轴线，连杆i-1的连杆坐标系为xi-1yi-1zi-1，连杆i的连杆坐标系为xiyizi．连杆i-1由连杆长度ai-1、连杆扭角αi-1、关节i处的关节角θi和偏置距离di来描述．图1 连杆坐标系的定义Fig.1 Definitions of the link-pole coordinate systems 根据连杆长度和扭角是否为零可将连杆形式分成4类；再根据关节偏置或者关节角是否为零，连杆形式进一步各被分成8种类型．当关节i是旋转关节时，根据关节偏置di=0和di≠0的2种情况，连杆i-1有8种可能的形式，表1给出了表示这8种L1～L8的连杆形式,此时关节变量为关节角θi.当关节i是移动关节时，根据关节角θi=0和θi≠0的2种情况，连杆i-1也有8种形式，其关节变量为关节偏置di．表1 旋转关节对应的8种连杆形式Tab.1 8 types of link-poles corresponding to rotational joints连杆参数L1L2L3L4L5L6L7L8ai-1≠00≠00≠00≠00αi-1≠0≠000≠0≠000di0000≠0≠0≠0≠0根据连杆的不同形式来建立连杆的简化三维模型．下面以旋转关节对应的8种形式的连杆的建模为例进行说明．首先定义连杆坐标系xi-1yi-1zi-1和xiyizi．注意xi-1轴应同时与zi-1轴和zi轴垂直．然后以连杆坐标系的原点为球心生成三维球体，分别构造长度为ai-1(ai-1≠0)、轴线方向为xi-1的圆柱连杆i-1和长度为di(di≠0)、轴线方向为zi的圆柱连杆i将球体连接起来．最后组合连杆坐标系、球体和圆柱体得到如图2所示的连杆i-1的简化三维模型．注意连杆坐标系xi-1yi-1zi-1相对连杆i-1是固定的．坐标系xiyizi相对连杆i-1的位姿是随关节变量θi的值变化的．1.2 机器人的建模图2 旋转关节对应的8种连杆的简化三维模型Fig.2 Simplified 3D model of the 8 types of link-poles corresponding to rotational joints图3 相邻两连杆的简化模型及其模型树Fig.3 Simplified model of two adjacent link-poles and corresponding model tree常见的工业机器人是由一系列连杆通过关节交替连接而成的开式链．文献[12]中已经给出不同连杆坐标系之间的坐标变换关系．基于关节和连杆的统一坐标系按如下步骤进行机器人的建模：1) 根据机器人的尺寸和规格，建立机器人的连杆坐标系，获得机器人的连杆参数．2) 根据关节坐标系与连杆坐标系重合计算各关节在世界坐标系中的位姿，并在同一场景中建立所有关节的三维模型．3) 确定关节的相互运动关系．从与基座相连的关节1开始，依次令前一关节为后一关节的父节点，而后一关节为前一关节的子节点．父关节的运动将叠加在子关节的运动上．4) 依次建立连杆的三维模型，并通过连杆坐标系与关节坐标系重合的约束依次将连杆依附到对应的关节上，使连杆的运动等于对应关节的运动，从而完成机器人的建模．基座没有对应的关节．在建立基座的三维模型，确定基座相对世界坐标系的位姿后，基座就作为根节点成为其他所有关节和连杆的父节点．图3所示为在V-REP中进行机器人建模时连接起来的2个连杆的简化模型及其模型树．上述机器人的建模方法不仅适用于从连杆的简化模型快速建立机器人的简化模型，也适用于从连杆的精确模型建立机器人的精确模型．但V-REP的三维建模能力较弱，难以建立连杆的精确模型．可以在UG、PRO/E等三维建模软件中建立机器人的精确模型，然后由V-REP提供的接口(V-REP支持导入的格式为obj、stl、dxf、3ds等)将精确模型导入到V-REP中．但导入的过程中会丢失各个连杆模型的坐标系的信息．V-REP会根据每个导入模型的最小包围盒重新定义其坐标系．在基于关节和连杆的统一坐标系的机器人建模方法中，连杆的运动由关节的运动决定，因而V-REP的导入模型的坐标系的设定不会影响机器人模型的运动．但连杆模型相对关节模型的位姿需与实际机器人一致，才能准确进行机器人的运动仿真和碰撞检测等．V-REP会通过使导入模型的世界坐标系与V-REP的世界坐标系重合来确定导入模型在V-REP场景中的位置．在三维建模软件中建立机器人的精确模型时，需保证精确模型与对应的连杆坐标系之间的正确位姿，且调整精确模型的连杆坐标系相对世界坐标系的位姿，使之与V-REP中所建立的连杆坐标系之间的位姿一致．这样就能根据导入到V-REP的模型来建立准确的机器人模型．2 基于工件三维模型的机器人加工轨迹生成机器人末端刀具轨迹的生成过程分为2个步骤：1) 基于工件三维模型生成轨迹的APT文件；2) 将APT轨迹文件转换为机器人的轨迹文件．以密胺脂餐盘的去毛边和打磨操作为例，密胺脂餐盘的生产采用热压成型，成型后需打磨去除餐盘外边缘和把手孔边缘处形成的毛边，以保证边缘的光滑．目前去毛边和打磨操作均由工人手工操作，工作效率不高，且产生的粉尘危害工人健康．若机器人配备圆柱铣刀或立铣刀沿餐盘边缘铣削，则可在去除毛边的同时，获得较好的加工表面光滑度，提高生产效率，改善工人工作环境．首先在CAD/CAM软件中生成刀轨及其APT文件．以图4餐盘为例，图4(a)中餐盘边缘的粗线条为CAD/CAM软件中生成的刀位轨迹，线条的宽度等于所采用的刀具的直径．图4(b)为刀轨所对应的APT文件．在APT文件中，刀轨由线段和弧线段组成．其次，为了使刀具沿给定的轨迹运动，需将APT轨迹文件转换为机器人的轨迹文件使机器人可以控制刀具的位置和姿态(主要是刀轴矢量)．而文件转换的关键在于将表示刀具的位置和姿态的刀具坐标系{T}与表示刀具运动到目标点的位置与姿态的目标坐标系{G}重合.刀具坐标系的z轴与刀轴矢量共线，而x轴和y轴在与刀轴矢量垂直的平面内选取，一般取与机器人末端连杆的连杆坐标系的坐标轴平行的方向矢量．刀具轨迹点处的目标坐标系{G}一般根据加工要求来确定．如图4(a)所示的密胺脂餐盘在热压成型中的分模面与工件坐标系的z轴是垂直的，因而选择与工件坐标系的z轴平行的刀轴方向能够获得较好的铣边效果．对图4(a)所示的密胺脂餐盘，目标坐标系{G}的x轴和y轴的方向矢量可设置为常矢量．这样在整个铣边过程中，刀具除了绕刀轴旋转外，只需做平移运动．图4(a)中所示的工件坐标系与CAD/CAM软件的世界坐标系重合，因而APT文件中给出的刀具轨迹是定义在工件坐标系中的．刀轨点处的目标坐标系{G}也是相对工件坐标系来描述的，即用齐次变换矩阵来描述，其中左上标P表示工件坐标系{P}．如图5(a)所示，将APT轨迹文件转换为机器人的轨迹文件还需知道工件坐标系{P}、目标坐标系{G}、机器人基坐标系{B}、机器人末端连杆坐标系{6}、刀具坐标系{T}之间的变换关系．这些坐标系之间的位姿关系形成了图5(b)所示的封闭环，即(1)从式(1)可得机器人末端刀具沿给定轨迹运动时，机器人的运动学方程：(2)图4 通过CAD/CAM软件获取的刀轨和APT文件Fig.4 Tool paths and APT files obtained through CAD/CAM softwares图5 机器人和工件的相互位姿关系Fig.5 The pose relationship between a robot and a workpiece其中，为单位矩阵，和为常数矩阵，沿轨迹变化，为机器人末端连杆6相对其基座的位姿矩阵．图6 FANUC-M10I机器人的连杆坐标系Fig.6 Link-pole coordinate systems of FANUC-M10I robot位姿矩阵还可通过机器人的连杆变换获得，即(3)在每个轨迹点处由式(2)求得然后根据式(3)求机器人的运动学反解[12]，从而给出刀具到达轨迹上某一点时机器人的关节变量的取值．求得的运动学反解往往不唯一，须根据机器人的各项参数和工作环境选择最合适的解．首先每组解对应关节角度值应该符合机器人手册里面规定的关节角的取值范围．其次从满足关节角运动范围的解集中选择关节角绝对值之和最小的解作为最合适的解．3 MATLAB与V-REP联合仿真结合MATLAB和V-REP的优势进行机器人的运动仿真和碰撞检测．MATLAB读取APT轨迹文件，进行轨迹插值和采样，计算不同坐标系之间的位姿变换矩阵，求取机器人运动学的正解和反解．另外，在MATLAB中编写控制程序，通过MATLAB和V-REP之间的通信连接，使得V-REP中模型能够响应MATLAB中编写的控制程序进行运动仿真．V-REP则用来建立机器人加工的三维场景，根据MATLAB提供的关节参数等的控制值进行机器人运动仿真和碰撞检测．在V-REP中创建的机器人控制模型包括机器人及其加工环境的三维模型、机器人的控制代码和通信接口．在V-REP的控制脚本中为机器人编写控制代码和连接通信接口．V-REP的控制脚本分为线程脚本和非线程脚本2种．线程脚本在运动模拟时能够从通信接口不断接受外部指令进行运动．因此选择线程脚本，以便V-REP能不断接受MATLAB控制程序发出的控制指令．V-REP中的机器人控制模型和MATLAB控制程序之间需要可靠地数据通信服务．通信体系选择常见的客户端-服务器模式，以V-REP为客户端，MATLAB控制程序为服务器端，具体的过程可以参考V-REP中的帮助文件．仿真开始时，先点击V-REP中的仿真按键，然后在MATLAB中运行控制程序，V-REP中的机器人就会按照MATLAB控制程序生成的控制值进行运动．4 仿真实验以FANUC-M10I机器人对密胺脂餐盘进行铣边加工为例，对机器人加工过程进行运动仿真和碰撞检测．4.1 FANUC-M10I机器人建模根据机器人尺寸规格等相关技术资料获得表2所示的FANUC-M10I型机器人的连杆参数，建立图6所示的连杆坐标系．根据表2中关节变量的取值和连杆参数定义连杆坐标系在世界坐标系中的位置，并采用前文所述关节和连杆统一坐标系的建模方法在V-REP中建立关节模型、连杆模型、机器人模型．表2 FANUC-M10I型机器人的连杆参数Tab.2 Link-pole parameters of FANUC-M10I robotiai-1/mmαi-1/(°)di/mmθi/(°)关节变量范围/(°)1 0 0 0 0-180～1802150-900-90-90～160 360018000-180～264.54200-90-6400-190～190509000-140～14060-9000-270～2707018010000考虑实际加工的需要，选择铣刀的型号为UTEB9014，其刃径为4 mm，切削长度为20 mm，总长为60 mm．根据铣刀的参数，在V-REP中建立末端刀具和工作台的简化模型，并通过V-REP导入餐盘三维模型．最终建立了图5(a)所示的机器人及其加工环境的三维模型．在建模过程中，确定了工件坐标系和机器人基坐标系之间、刀具坐标系和机器人末端连杆坐标系之间的位姿关系．4.2 运动仿真和碰撞检测图7 FANUC-M10I机器人铣边过程的运动仿真Fig.7 Motion simulation of milling process of FANUC-M10I robot借助CAD/CAM软件生成密胺脂餐盘的刀轨迹及其APT文件．然后在MATLAB中读取APT文件，重新计算轨迹点，定义轨迹点处的目标坐标系，由式(2)和式(3)计算刀具沿轨迹运动时机器人的关节变量的取值．对于密胺脂餐盘，除去进刀退刀的轨迹点，共获得了均匀分布的4 570个轨迹点，轨迹点之间的间距约为0.4 mm，其中外边缘有3 590个轨迹点，左右把手的孔边缘各有501个和479个轨迹点．最后结合MATLAB和V-REP对铣边过程进行运动仿真．图7是运动过程中4个时刻的截图．V-REP可在运动仿真中实时计算刀具与工件之间的最短距离，进行碰撞检测．如果发生碰撞，则改变工件的颜色．在整个仿真过程中，均未出现工件改变颜色的情况，因而刀具沿所生成的轨迹运动时没有与工件发生干涉．为了对碰撞情况进行定量分析，获取刀具在每个轨迹点时与工件的最短距离d．对于外边缘轨迹，d的均值为0.05 mm，均方差为0.03 mm，d的最大值为0.15 mm．对于其中一个把手的孔边缘轨迹，d的均值为0.08 mm，均方差为0.03 mm，d的最大值为0.18 mm．对于另一个把手的孔边缘轨迹，d的均值为0.07 mm，均方差为0.03 mm，d的最大值为0.12 mm．由此可见刀具沿给定轨迹运动时，刀具到工件的最短距离并没有达到理想的零值．这是因为工件模型是以网格模型导入到V-REP中的，存在模型近似和导入误差．另外轨迹的提取和计算、坐标系的建立和变换等还存在舍入误差．这些误差的积累导致刀具到工件的最短距离不为零．通过前述定量分析得到刀具到工件的最短距离保持在0.06 mm左右，均方差约为0.03 mm，满足餐具盘铣边加工的精度要求.5 结论本文中提出了联合MATLAB和V-REP进行机器人加工轨迹生成和运动仿真的方法．在MATLAB中计算刀具轨迹和机器人运动学的正解和反解；在V-REP中建立机器人及其加工环境的三维模型；通过MATLAB中的外部控制程序和V-REP中的控制脚本、MATLAB和V-REP之间的通信接口，使V-REP中的机器人模型响应外部控制程序进行运动仿真和碰撞检测．在机器人建模方面，定义了不同关节和连杆的简化模型，提出了基于关节和连杆统一坐标系的建模方法，给出了机器人简化模型和精确模型的2种建模方式；在机器人轨迹生成方面，给出了从工件三维模型生成机器人刀具轨迹的方法，包括刀轨的APT文件获取方式和APT文件到机器人轨迹的转换方法．采用本文中的方法对密胺脂餐盘的机器人铣边过程进行了仿真．建立了机器人及餐盘铣边加工环境的三维模型，获取了餐盘外轮廓和把手孔的铣边轨迹，对铣边过程进行了运动仿真和干涉检查．仿真结果表明所提出的方法能够生成无干涉加工轨迹和正确的机器人关节运动参数．下一步的工作包括对其他工件的加工过程进行仿真，开展机器人加工实验等．【相关文献】[1] XIAO X,LI Y,TANG H.Kinematics and interactive simulation system modeling for robot manipulators[C]∥IEEE International Conference on Information andAutomation.Yinchuan:IEEE,2014:1177-1182.[2] SOSA-MÉNDEZ D,LUGO-GONZLEZ E,ARIAS-MONTIEL M,et al.ADAMS-MATLAB co-simulation for kinematics,dynamics,and control of the 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数控加工中刀具轨迹位置如何验证
数控加工中，对于过切、所选刀具、走到路线、进退刀方式是否合理，都很难预测到。
这对自动变成的这一不足，工程技术人员需要利用计算机图形显示器吧讲过过程中的零件模型、加工过程等内容显示出来，用这种方法来检查到位计算的合理性，这种方法在生产中我们叫做刀位验证法。
下面我们就来具体介绍一下数控加工中刀具轨迹位置如何验证。
对于显示验证这种刀具轨迹位置验证方法，其基本思想主要是：从曲面造型结果中取出所有加工表面及相关型面，从刀位计算结果（到位文件）中取出到位轨迹信息，然后将它们组合起来进行显示，或者在所选择的刀位点上放上“真实”的刀具模型，再将整个加工零件与刀具一起进行三维组合消隐，从而判断走刀轨迹上的刀心位置、刀轴矢量、刀具与加工表面的相对位置以及进退刀方式是否合理。
一、刀位轨迹显示验证刀位轨迹显示验证的基本方法是：当零件的数控加工程序或刀位数据计算完成以后，将刀位轨迹在图形显示器上显示出来，从而判断刀位轨迹是否连续，检查到位计算是否正确。
到位轨迹显示验证的判断原则为：1、刀位轨迹是否光滑连续。
2、刀位轨迹是否交叉。
3、刀轴矢量是否有突变现象。
4、凹凸点处的刀位轨迹连接是否合理。
5、组合曲面加工时到位轨迹的凭借是否合理。
6、走刀方向是否符合曲面的造型原则，这一点主要针对的是直纹面。
二、加工表面与刀位轨迹的组合显示验证组合显示验证的基本方法是：将刀位轨迹与加工表面的线架图一起显示在图形显示器上，从而判断刀位轨迹是否正确，走刀路线、进退刀方式是否合理。
组合显示验证方法的判断原则为：1、刀位轨迹与加工表面的相对位置是否合理。
2、刀位轨迹的偏置方向是否符合实际要求。
3、分析刀具与加工表面是否有干涉。
4、分析进退刀位置及方式是否合理。
三、组合模拟现实验证组合模拟现实验证的基本方法是：再待验证的刀位点上显示出刀具表面，然后将加工表面及其约束面组合在一起进行消隐，从而判断刀位轨迹是否正确。
计算机辅助编程
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7-2-4 计算机辅助数控编程
计算机辅助编程方法概述
图形交互编程 ( 20世纪70年代)
图形交互编程是在数控语言自动编程的基础上，增加图形 功能实现的。
编程人员可以依据零件图，将与数控加工相关的几何信息 输入计算机，然后以人机对话的方式就零件图形的定义、 刀具的选择、起刀点的确定、走刀路线的安排以及加工参 数的选择等内容，
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7-2-2 数控编程概述
数控机床的坐标系定义
2.确定Ｘ轴
✓ 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：
当主轴是水平的，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； 当主轴是竖直时，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。
⑴ 根据零件图样对零件进行工艺分析，确定加工 路线和工艺参数。 ⑵ 根据零件的几何形状尺寸计算数控机床运动所 需数据。 ⑶ 根据计算结果及确定的加工路线，按规定的格 式和代码编写零件加工程序单。 ⑷ 输入数控系统，对所编程序进行仿真。
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7-2-3 手工编程
手动编程的特点
⑴ 只适于简单零件和简单路径； ⑵ 出错率高； ⑶ 效率低，一般编程时间与加工时间之 比为30:1； ⑷ 计算精度低。
7-1 CAM技术概述
▪ 机械制造系统及其组成 ▪ 计算机辅助制造系统的层次结构 ▪ 机械制造自动化的发展与变化 ▪ 计算机辅助制造的范畴及应用
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7-1-1 机械制造系统及其组成
刀位轨迹仿真法
刀位轨迹仿真法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。
这种仿真一般可以采用动画显示的方法，效果逼真。
由于该方法是在后置处理之前进行刀位轨迹仿真，可以脱离具体的数控系统环境进行。
刀位轨迹仿真法是目前比较成熟有效的仿真方法，应用比较普遍。
主要有刀具轨迹显示验证、截面法验证和数值验证三种方式。
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。
下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型的相对位置是合理的。
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。
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。
下图是采用二坐标端铣加工型腔及二坐标侧铣加工轮廓时的横截面验证图。
纵截面验证不仅可以得到一张反映刀杆与加工表面、刀尖与导动面的接触情况的定性验证图，还可以得到一个定量的干涉分析结果表。
如图所示，在用球形刀加工自由曲面时，若选择的刀具半径大于曲面的最小曲率半径，则可能出现过切干涉或加工不到位。
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。
mastercam实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除mastercam实验报告篇一：mastercAm实验报告范例二维刀具路径设计学号：姓名：班级：机电0802一．实验模块及器材：铣削平面；微机1台和mAsTeRcAm 软件二．实验目的：①学会使用二维刀具路径设计②学会使用加工方法三．实验设计思路：①草图二维绘制②毛坯设置③选择加工方法④模拟加工过程⑤后期处理四．实验操作步骤：1.绘制二维图形，绘制一个宽为30，高25，中心在原点的矩形设置倒圆角半径为6，结果如下图所示：2．机床类型设置，选择菜单命令[机床类型]/[铣床]/[系统默认]。
3.毛坯设置，选择毛坯尺寸及工作原点依次单击，单击续单击两次，对话框，按钮，系统弹出按钮，弹出按钮。
对话框，完成参数设置后连4.平面铣削刀具路径。
①刀具设置，选择菜单命令统提示按钮。
、单击单击系②设置刀具参数，进入对话框中的选项卡，在其列表处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择选项。
5．系统弹出6.系统弹出对话框，选择。
按钮确认。
选项对话框，设置其参数，单击对话框中的①平面铣削参数设置，进入卡，完成参数设定。
②分成铣深设置，勾选并单击按钮，在弹出按钮确认。
对话框中设置参数，单击7．单击上步按钮，系统自动生成平面铣削刀路，如下图所示：8．模拟加工过程，单击左边的下的按钮，系统弹出[实体验证]对话框，按图所示设置参数单击模拟。
9.后处理，单击左边的按钮开始加工按钮，打开[后处理程式]对话框，在[后处理程式]对话框中依次选择[nc文件][编辑]和[覆盖前询问]选项，单击成数控加工程序。
五．实验总结：①通过本实例初步掌握数控加工的基本步骤。
②掌握主要设计的用途和设置方法。
③掌握获得nc程序的方法。
六．实验体会：本次上机实验让我见识真正的数控加工，其中参数设置是一个难点，简单设置让我们这些初学者，大至的了解些基本知识，我觉得应该自己动手实际操作多学习，上课认真听，下课多动手，不过还是要多看书，多看实例和视屏，这样有利于我们快速的接触，不管我们以后是不是做这行但我要多了解点，说不定以后有用了。
基于VB的数控车削加工轨迹仿真
其 中口代表一位十进制数字 。 上述结 构是按一个程序段 最 多可能会有 ３ Ｇ指令 ， 条 Ｍ指令考虑的 。 条 ２ 对于上 面的这种格式 的指令 ， 逐段用 Ｖ 如果 Ｂ程序描述 出
的尺寸 ， 以图像的形式显示 出来。 并
（） ３数控程序编写、 录入模块 ： 该模块 主要是提供一个输 入
和编辑数控程序 的环境。 录入 的数控程序用 于仿真加工 中刀具 轨迹 的计算和机床状态的控 制。 （） ４ 数控程序 的分析 、 真模块 ： 录入 的数控程序进行格 仿 对
收稿 日期 ：０ ７ １ — ３ ２ ０ — ２ ２ 作者简介 ： 王姣菊 （９ ２ ）女 ， １８ 一 ， 湖北荆 门人 ， 在读硕士研究生 ， 主要研究方 向为机 电一体化 。 图 ２ 车削仿真图形显示界面
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Ｅ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ３， ０ ８ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆ ｃ ｒ ｇ Ｖ Ｂ的数控 车削加 工轨迹仿真
王姣菊 。 曾虎彪
（ 三峡大学机械与材料学 院， 湖北 宜 昌 ４ ３ ０ ） ４ ０ ２
床在 走 刀 错 误 时 造 成 的设 备 损 坏 ； 高 消耗 、 成 本 的工 艺 试 与 高
２ 车 削仿真 Ｊ ｒ ｍ－ 环境
数控车床／ ｍＴ环境主要是 由夹具 、 刀具 、 刀架 、 工件 四个部
切法 相比 ， 很大 的优势。 也有
１ 仿 真 系统 结构 设计
系统 总体结构框 图见图 １ 。
来， 不但 繁琐而且 当加 工程序更换 以后 ， 必须重 编 Ｖ Ｂ程序 ， 因 此使用起来极其不方便 。在本 系统 中 ， 数控零件加工程序 的调 入 方式采用 ， 直接通过 文本框输入 ， 然后逐行保存 ， 或把 已经编 写好 的数控加 工程序 以纯文本 的形式 （ Ｘ ３在文本框 中逐行 ． ａ Ｔ 打开。 这样 ， 就使得数控代码 的调入这 个环节简 化了许 多。 打开
artcam产生刀轨迹教程
第一步新建模型，设置模型基面尺寸，基面尺寸最小要等于要加工模型的尺寸，同时可以更改坐标系的位置，当导入要加工模型时，模型的坐标系将会与该坐标系重合，因此在三维建模的时候要建好基座标系。
第二步输入要加工的三维模型（格式为ASCII码的stl格式）第三步，导入模型后，出现下图提示，这些参数尽量不要更改，点击粘贴，应用然后关闭，如果效果和你预想的效果不一致，可能是你三维模型的坐标建得有点问题。
第四步，如果第三步没有问题，就可以产生刀轨迹了。
参见下图，加工浮雕一般用于精加工，Z轴层粗加工一般为粗加工，具体根据自己需求选择。
第五步，以加工浮雕为例，首先根据自己模型尺寸设置好安全高度，然后点击刀具的选取按键进入刀具的选取和创建的界面。
粗加工还需要设置材料即设置毛坯大小。
第六步，选择和创建刀具，一般建议自己创建刀具，点击增加刀具进入刀具创建界面。
创建刀具主要是设置刀具描述（不可为空），选择刀具类型，刀具直径，以及行距（可理解为进给量），其余参数参见图中设置即可，没有太大影响。
参数设置完毕后，点击确认按钮，然后刀具描述是否有误，有误进入编辑进行修改，无误点击选取即可。
第七步，刀具选取无误后，点击现在按钮开始计算刀具路径，计算完成后，再次刀具路径，选择仿真刀具路径的仿真按钮，进行仿真。
第八步，仿真无误后，便可以输出刀具路径，参见下图所示进入保存刀具路径界面之后，建议依次选择刀具路径进行保存，不建议选择所有刀具路径进行一次性保存，文件的输出格式建议使用图中的格式。
设置完毕后，点击保存按钮即可。
第九步，保存后的刀具路径文件如下图所示，其中XYZ后面的值即为刀轨迹点的坐标值，如何提取这些坐标，需要同学们自己自行探索解决。
至此刀轨迹点已经生成。
加工过程仿真
在产品开发过程中，利用计算机仿真技术对产 品整个生命周期进行仿真和评估，从而以最优 质量、最低成本和最快速度将产品推向市场。
加工过程仿真种类很多, 这里主要针对的是切 削过程仿真
经过CAD/CAM处理后的数控加工程序，在正式 加工之前，一般要经过刀具轨迹检验和试切。 试切的过程也就是对CAD/CAM/NC系统生成的 NC程序的检验过程。
1．1拟加工过程
虚拟加工过程是在NC指令驱动下，由机床刀具模 型的运动过程和工件模型的变形过程构成。
刀具在虚拟空间扫过一定的体积，可以把刀具运 动过程中包络的空间形状称为“虚形体”（Swept Volume Solid）。
图1－4（a）中A为立铣刀，当铣刀沿AB方向移 动时，形成如图1－4（b）所示的虚形体。
将三维检测转化为平面内的 碰撞检测，降低了检测的复 杂程度。
图1－6 机床最大加工范围空间分层模型
1．3．4法矢检测法
1．2．1安装仿真建模
夹具、毛坯或工件在工作台上的安装定位可通 过将夹具或产品坐标系原点与图形坐标系原点 重合。实际安装位置可通过对安装件坐标系的 平移与旋转变换实现。
在构建有装配关系的部件时，在部件上设定原 点和安装点。原点是部件的安装基准点，安装 点是部件上安装其他零部件时的安装点。
如图1－3所示为德国VF120－RW加工系统模型。
传统的试切是采用塑模、腊模或木模在专用设备 上进行的。
几何仿真:从纯几何角度出发，仿 真刀具切削工件的过程。
力学仿真:是从力学角度出发，对 数控加工过程中的动态力学行为 进行仿真。
刀具路径仿真:即建立工件、刀具、机床的实体 模型，刀具沿着由工艺确定的轨迹切削，以发 现一些不适当的刀具轨迹。
基于三角网格曲面模型的刀位轨迹计算方法
件 都 是 无 序 的 空 间 三 角 形 面 片集 合 ，但 保 证 三 角 形 的 顶 点 按 逆 时针 排 列 ， 即满 足 右 手 定 则 ，法 矢 指 向
外 侧 （ Ｓ Ｌ文 件 格 式） 因 此 为 提 高计 算 效 率 ，必 如 Ｔ 。 须 首 先 进 行 三 角 网格 间的 拓 扑 重 建 ，这 可 在 读 入 数 据 文 件 的 过 程 中 自动 完 成 ，具 体 的 数 据 结 构 可 采 用 点表 、 三 角 形 邻 接 表 形 式 。 为 提 高 计 算 效 率 和 节 省 空 间 ，点 表 主 要 存 储 网 格 节 点 坐 标 、法 矢 和 主 曲率 值 及 以该 点 为 顶 点 的三 角 形 号 。其 中节 点 坐 标 在 读 入 过 程 中 自动 加 入 ，法 矢 和 主 曲率 值 需 计算 后 给 出 ，共 享 该 点 的三 角 形 号 只 需 给 出一 个 ； 网格 邻 接 表 主 要 记 录 网格 节 点 号和
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第３卷 ０ ８ 第１期
２ ０ ０ ２年 １ ０月
机 械 工 程 学 报
ＣＨＩ ＥＳ Ｊ Ｎ Ｅ ＯＵ ＲＮＡＬ ＯＦ ＥＣＨＡＮＩ Ｍ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＥＥＲＩ Ｎ ＮＧ
Ｖ１８ ｏ ｏ３ ． Ｎ ． １ ０
Ｏｃ． ｔ ２００２
入 ，但 采 用 参 数 曲面 模 型 的 方 法 相 对 较 多 ， 基 于 离
散三角 网格模型 的方法 少【 。而且 ，因采用 离散 网 格 计 算 刀位 时存 在 精 度 问题 ，在 精 加 工 中 并 不 被 优 先 选 用 。近 年 来 ，随 着 反 求 工 程 技 术 【的 飞 跃 发 】
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刀位轨迹仿真法
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。
这种仿真一般可以采用动画显示的方法，效果逼真。
由于该方法是在后置处理之前进行刀位轨迹仿真，可以脱离具体的数控系统环境进行。
刀位轨迹仿真法是目前比较成熟有效的仿真方法，应用比较普遍。
主要有刀具轨迹显示验证、截面法验证和数值验证三种方式。
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。
下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型的相对位置是合理的。
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。
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。
下图是采用二坐标端铣加工型腔及二坐标侧铣加工轮廓时的横截面验证图。
纵截面验证不仅可以得到一张反映刀杆与加工表面、刀尖与导动面的接触情况的定性验证图，还可以得到一个定量的干涉分析结果表。
如图所示，在用球形刀加工自由曲面时，若选择的刀具半径大于曲面的最小曲率半径，则可能出现过切干涉或加工不到位。
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：δ=d-R。