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(CAD机械辅助构图)第六章数控加工编程基础6.1概述6.1.1CAM系统的发展过程数控加工编程是CAD/CAM系统中的重要模块之一。由CAD系统所生成的产品以及数字模型与制造工艺有关的产品信息在CAM系统中转换为产品的应用模型，设计与制造所

用模型的唯一性保证了产品的精确定义与制造；应用CAM系统，产品制造工程师可以在产品的零件模型上完成全部加工过程的模拟，选择优化的加工方法，并通过对刀具轨迹的验证以确认加工的正确性、工艺性、以及可靠性，从而实现了产品虚拟设

计与制造的完整过程；数控加工编程系统的应用对缩短产品的制造周期，减少生产的准备时间，尤其是对于批量小、变化快、复杂程度大和精度要求高的产品具有明显优势。•CAM技术的起源于1950年数控机床的研究。起初通过手工穿孔

纸带进行编程加工，用于编程的数控码（NCCode）主要是在两个二维坐标系统上的一些少量控制指令以及主轴转速和进给速度的控制指令。与计算机机器语言非常相近，将其改进为近似汇编语言的数控语言。•在此领域的初

步发展中，最重要的进展是APT语言（AUTOMATiCrogrammingTool）及其处理器与后置处理器（PostProcessor）的研制成果。语言结构简单，其处理器可以完成二维和三维的刀具轨迹计算和插值运算。70年代初期，出现了一系列的CAD／CAM集成系统，用户可以通过交互系

统直观地、方便地检查刀具轨迹的生成情况。图形可以缩放、旋转，刀具轨迹可以修改（Modify）或者修剪（Triming）。•6.1.2CAM系统的基本组成目前系统的应用大致也可以分为几种类型：(1)CAD/CAM系统完全独立；(2)CAD/CAM系统与单个数控机床或若干台机床以一定的控制网络相互连

接。通常将这种直接把数控信息传送给数控装置的方式称之为DNC（DirectNumericalControl）。(3)CAD/CAM系统通过一定的控制系统网络相互连接。•CAM系统从用途上分类一般有：(1)二轴至二轴半的切削加工，主要是二维加工并阶段性沿第三轴扩展；(2)三轴以上的切削加工主要是

曲面加工，曲面雕刻加工；(3)电火花加工EDN（包括2轴以上）；(4)线切割加工（WireCut）；(5)板金加工（FabriCation），包括冲裁（Punch）、排样优化（Nest）以及分段冲裁（Nib－bling）；(6)等离子加工（Plasma）以及激光加

工（Laser）。•按刀具的运动方式划分类型有：(1)点到点加工（PoinToPoint），孔加工；(2)线加工，包括直线、平面曲线和空间曲线；(3)曲面加工。•CAM系统还包括一些辅助功能。其中有：(1)加工参考坐标系的确定；(2)刀具轨迹的变换（Transformation）；(3)刀

具轨迹的修改与编辑（ModifyandEdit）；(4)各种库文件的管理（LibraryManagement）；(5)后置处理（Postprocess）；(6)系统内部宏定义语言以及宏控制（Macro）。•刀具轨迹的修改与编辑一般有2种方式：(1)通过交

互设备直接从图形上对轨迹修改；(2)由刀具轨迹输入文件CISF进行文本修改。CLSF文件由类似APT语言的语句写成。•6.2常见的数控系统6.2.1SIEMENS系统简介•SINUMERIK802D，其核心部件-PCU（面板控制单元）将CNC、PLC、人机界面和

通讯等功能集成于一体。可靠性高、易于安装。•SINUMERIK802D可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴。通过生产现场总线PROFIBUS将驱动器、输入输出模块连接起来。••模块化的驱动装置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具

软件，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化。•SINUMERIK802D集成了内置PLC系统，对机床进行逻辑控制。采用标准的PLC的编程语言Micro/WIN进行控制逻辑设计。并且随机提供标准的PLC子程序库和实例

程序，简化了制造厂设计过程，缩短了设计周期。•功能：•控制车床、钻铣床•可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴•三轴联动，具有直线插补、平面圆弧插补、螺旋线插补、空间圆弧（CIP）插补等控制方式•螺纹加工、变距螺纹加工•旋转轴控制•端面和柱面坐标转换（C轴功能）•前

馈控制、加速度突变限制•程序预读可达35段••刀具寿命监控•主轴准停，刚性攻丝、恒线速切削•FRAME功能（坐标的平移、旋转、镜象、缩放）•标准G代码编程（DIN66025）和西门子高级语言编程•ISO标准编程•车削、铣削工艺循

环编程•蓝图编程•极坐标编程•程序存储器容量达340K字节•6.2.2FANUC系统简介CNC单元的硬件结构:基本配置有主板、存储器板、I/O板、伺服轴控制板和电源。(1)主板：有主CPU用于系统主控，原来用80386，从1998年起改用80486/D

X2。此外，显示的CRT控制也在该板上。•(2)存储器板：①系统的控制软件ROM(共5片)。②伺服控制软件ROM1片；③PMC-L的ROM芯片2片，用于存储机床的强电控制逻辑程序；④RAM芯片，用于寄存CPU的中间运算数据，根据需要安装。⑤CMOSRAM,用于存储系统和机床参数、零件加工

程序。根据用户要求配置,最大可为128K字节。CMOSRAM与4.5V电池相连，关机时保存信息。•(3)I/O板：是CNC单元与机床强电柜的接口。接收或输出24V直流信号，由PMC实施输入/输出控制。I/O点数可根据机床的复杂程度选择。标准配置

为104个输入点，72个输出点。(4)进给伺服控制板：上有2个CPU(TMS320)，用于伺服的数字控制。每个CPU控制2个轴，一块板可控制4个轴。该板接受主CPU分配的伺服控制指令，输出6个相位各差60°的脉宽调制信号

(每轴)，加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。(5)电源：主要有5V直流电，用于各板的供电。24V直流电，用于单元内各继电器控制。•PMC控制：PMC就是可编程序机床控制器，是专门用于控制机床的PLC。进给伺服驱

动：系统进给轴的驱动使用交流同步电动机，目前为α系列。用于高速加工。主轴驱动：系统可以同时控制2个主轴电动机,可以是2个数字式控制的电机，也可以一个数字式，另一个为模拟式控制电机。主轴控制用单独的CPU控制，处理器为TMS-320。从CNC单元输出的控制指令用

一条光缆送到主轴的控制单元，数据为串行传送，因此可靠性比较高。•系统的功能：①Cs轴轮廓控制。②刚性攻丝。③PMC轴控制。④主轴双刀架。⑤0.1μm分辨率。⑥加工程序的后台编辑。⑦菜单编程。⑧图形会话在线自动编程。⑨用户宏程序。•6.3后置处理及DNC在一般C

AD/CAM系统上生成的刀具加工轨迹文件（CL）送入加工设备可以有两种方式：用穿孔机打出穿孔带再由机床读入；采用计算机直接数控方式（DNC）。计算机数控CNC与直接数控DNC之间主要的区别之一，在于系统中信息流的密度。CNC系统是根据加工的

进程控制信息传输，故可看作是伪静态的；DNC系统同时控制多台机床、多根加工轴，具有足够高的信息传输密度，故可以看作是动态的数据传输。•6.3.1后置处理CAD/CAM系统在后置处理的几种方式：(1)首先将系统内部定义的刀具运动轨迹文件转

换为程序员可阅读的标准APT语言格式文件，若送人机床须再经后置处理转换为机床数控程序。(2)将生成的刀具运动轨迹文件用图形显示方式提供给程序员，程序员可以在屏幕上进行编辑，再经过后置处理系统处理后送人机床。(3)采用以上两种并存

的方式。•后置处理系统与具体的数控机床和数控系统有关，因此，一般的CAD/CAM系统总配置了大量的后置处理程序供用户选择使用。•后置处理系统包括以下几个部分：(1)控制部分（Control）:起主控制作用，包括控制刀位数据文件（CLDATA）的输

人，适时调用辅助功能以及将控制转移到刀具运动计算部分，并在完成某一阶段处理后输出数控指令代码程序（NCCode）。(2)输入部分（Input）:担负刀具运动数据文件（CLDATA）的输入和加工操作参数设置文件（operationParameterSet）的输入，

在主控部分主导下进行。•(3)辅助部分（AuxiLiary）:与特定机床的数控系统的相关，在主控部分的控制下，对刀具运动的输出确定功能和指令模式，刀具调用T和辅助指令M。(4)运动部分（Motion）:处理

零件系统机床坐标系的变换，刀具运动坐标计算及转换，包括线性化和插补处理。(5)输出部分（Output）:在主控下接受辅助和运动部分的指令和数据，并按一定机床数控系统要求的格式输出加工的指令代码程序。•后置处

理系统实质：是对刀位文件CLF，以及加工操作参数文件OPF进行编译的系统。•6.3.2DNC系统后置处理器完成的NC数控程序送入机床有三种方式:：(1)程序经穿孔机打出穿孔带，再由机床的纸带阅读机输入机床控制系统；(2)将程序存放于磁盘等其它存储媒介上，再由机床数控系统

所带的驱动器读入(3)直接由DNC系统将程序传输给机床数控系统。最早的DNC系统同时产生于日本和美国。•DNC系统在构造上一般有两种类型：(1)BTR（Behind－the－tape）方式:对早期带有纸带阅读系统机床实现DNC的一种变通，采用DNC计算机的通讯电缆替代了纸带机（TapeRea

der）。(2)MCU（MachineContrdUnit）专用机床控制单元方式:通过专用单元取得较精确圆弧插值，并比BTR方式有更快的传递速度和机床执行速度。由于其功能可以用软件写入。•近年来DNC系统突出的特

征：(1)DNC系统的基本功能已由其原先在DNC中的主导地位退向辅助地位；(2)由于NC加工过程的在线数据输入方式的淘汰，基本功能高于扩展功能的优先权已不复存在；(3)数控代码程序逐步向较通用的表示形式发展；(

4)扩展功能逐步增加并对基本功能产生重大影响；(5)对数据库技术的应用的依赖性大大增加。•DNC系统的进一步发展有三个主要方面：(1)高度集成化CAD/CAM/CAE系统的应用，使信息从设计分析到制造管理高度集成；(2)计算机辅助工艺计划以及制造过程的信

息集成；(3)制造设备、运载设备以及存储设备的高度自动化和柔性化。•6.3.3DNC通讯接口串行传送：在一根传输线上一位一位的传送数据。特点：1、在一根传输线上即传送数据信息，又传送联络控制信息；2、数据格式有固定要求，分异步和同步数据格式，对应的分为异步通讯和同步通讯；3、串行通讯对

信号的逻辑定义与TTL不兼容，需要进行逻辑关系和逻辑电平转换；4、串行通讯的速率需要控制，要求双方约定通信传输的波特率。•并口的特点：1、在多根数据线上以数据字节为单位与I/O设备或被控对象传送信息；2、除少数场合外，一般要求在接口和外设之间至少还要设置两根握手（联络）信号线，以便进行互锁异

步握手方式（即查询方式）的通信；3、在并口中，8位或16位是一起行动的，当交换数据时，即使只用到其中的一位，也是一次输入/输出8位或16位；4、并行传送的信息不要求固定的格式。•一、串口目前一般的数控系统都提供了标准RS232C或RS422或RS423串行接

口RS232C标准是最初拟制的终端设备与调制解调之间的连接规定。RS232C的总线采用十／一12伏电压脉冲进行信息传送，在30米线长内的最大数据传输率达20000b/s。在通讯中要表示接口设备是否准备好的信息必须从接收设备

送回来，这个信息被称为流量控制（flowControl）或握手（handshaking）。•一般有两种握手方式：硬件握手和软件握手。两种握手都要用到从接收设备返回到传送设备的信号。硬件握手：只要接收设备准备好它就沿着专用的握手电路（DR）传送一个正电压给传送设备，当发

送计算机接收到一个负电压时，它就将停止数据的传送。•软件握手：信号是在数据线（2和3）上进行传送，在软件握手上建立了一些标准协议，最通用的是XON/XOFF协议。在XON/XOFF协议下，要想使发送设备停止数据发送，接收设备只需发送一个ASCll字符DC3（十进制的19，十六进制的1

3）给发送设备，如果要想恢复发送设备继续发送数据，则接收设备需发送一个DC1（十进制17，十六进制的11）。RS232C的缺点在于速度较低以及在长距离传输时容易受到干扰。•二、并口并行的通讯系统下，数台计算机可以同时并行工作，在8位总线系统下几台计算机的并行传输速率可以达1MB/S。

在微机系统中得到广泛应用的是IEEM88总线标准，仅适合于较短距离的通讯，工作中对干扰极为敏感。•三、协议在串行异步通讯情况下，为保证数据传送的正确性，计算机与数控系统之间必须有一个一致的协议（Protocols）。一个数据字符所使用的位数根据不同协议而不同，通常不是8位就是7位，每发送一个字符，

就得传送一个组。奇偶校验：是检验正在传输的数据是否正确被接收的一种方法。发送设备将根据数据位的内容附加一个0或1，接收设备检查此奇偶位是否还保持与其它位的正确关系，如果不保持正确关系，那么在传输过程中可能产生了错误。•奇偶校验种类：(1)Evenpar

ity偶校验，指数据位中1的个数加上奇偶校验位使1的总数为偶数。例如字母A的二进制是01000001，其中1的个数为2是偶数，则奇偶校验位应为0，使总的1的个数保持偶数。(2)Oddparity奇校验，指数据位中1的个数加上奇偶校验位总数位奇数。(3

)NOparity无校验，指没有奇偶校验位。(4)Space校验（或零校验），有一位奇偶校验位，但总是0。(5)Mark校验，其方法与Space校验的方法相同，只是校验位总是1。•每个帧的尾部总要发送一个停止位（StopBit）波特率（BaudRate）：在1秒

钟内的离散信号数。对于二进制通讯来说，就是指每秒传输的二进制位数（bitspersecondbps）。一般典型使用的bps有110、150、300、600，1200、、4800、9600和19200。••6.4数控编程系统概念6.4.1数

控机床的坐标系统在数控机床上的坐标轴和运动方向的定义国际标准化组织ISO已有标准制定。1)机床的直线运动采用笛卡尔直角坐标系，其坐标为X、Y、Z并用右手定律判定方向。Z轴：与机床的传递主功率的主轴轴线一致。如果在机床上存在多根加工轴，则使用最多的那根轴线可定为Z轴。对

没有主轴的机床，Z轴垂直于工作台面。Z轴的正向规定为增大工件和刀具距离的方向。•X轴：水平，且与工件的装夹面平行，与Z轴垂直。对于工件旋转的机床，X轴沿工件的径向，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正向。对于刀具旋转的机床，工作台的左右移动为X轴线，且正向为右方

。Y轴：与Z、X轴垂直，且方向按右手直角坐标系确定。•2)对于绕坐标X、Y和Z轴的旋转与摆动运动，定义为A、B、C轴。其方向按右旋螺纹前进的方向确定。3)与X、Y、Z主要方向平行的直线运动，可称为U、V、W坐标轴，也有称之为第二坐标系。4)为编程方便，一律按刀具相对于工件运动来确定坐标系。•机床

坐标系统简称MCS（MachineCoordinateSystem）。这个坐标系的原点所取得的位置，即为加工的基准。此外，有些系统中还允许用户选择参考坐标系，简称RCS（Ref-erenceCoordinateSys－tem）。往往是在这样的情况下使用参考坐标系：当用户从工件的某个部分加工完毕后，

移动刀具到另一部分加工，如果不必重新设置一些加工参数，则可以使用RCS解决。•数控多轴加工实例五轴联动1五轴联动2五轴联动3五轴联动4五轴联动5五轴联动6•6.4.2切削刀具的参数定义数控铣床在切削加工中，最常采用的刀具类型主要有三种，即:平瑞铣刀（ENDMILL）、圆角的铣刀（BULLNOSEC

UTTER）球头铣刀（BALLNOSECUTTER）。•(1)平端铣刀（ENDMILL）主要参数是铣刀直径D，刀刃数（Flutes）以及刀具的有效切削长度L，端铣刀端角半径（ComerRadius）为零。一般在数控程序中以端面中心点

为刀位输出点（Outpatpoint)。多用在平面加工中，在曲面加工中根据工件形状也可采用这类刀具。•(2)圆角铣刀端部带有圆角（D/2＞r），有整体式和镶刀片式。其NC输出点为端部圆的中心点。可用作曲

面粗加工。•(3)球头铣刀在带有复杂曲面的工件加工中广泛应用，其参数D/2=R。NC程序的输出点可以是球的中心也可以是球头最下一点。•6.4.3切削加工中的阶段划分切削加工中的阶段一般有八个：1、刀具由机床原点

运动到加工的起点（StartPoint），是快速运动阶段（RapidMOVE）；（快移）2、由起点到切入开始点（EngagePoint）为刀具接近运动阶段（Approach）。这一阶段刀具的进给速度也可以是快速运动（Engage）。（接近）3、以切入的行程控制刀具的开始切入点

阶段，其进给速度应略低于正常切削进给量，以保证安全。（进刀）•4、刀具切入后第一条加工轨迹（FirstCut）阶段，可以由用户自行定义其加工进给量；（第一刀）5、切削：刀具每条切削轨迹（CutPath）之间的移动量，称之为每步切入量（Stepove

r）或行距。6、刀具完成切削后退出切削行程（Retract）阶段，一般取切削进给速度；（退刀）7、返回加工起点阶段（Return），刀具运动速度可取快速。（返回）8、由加工起点返回机床原点阶段。（快移）•6.5刀位计算基本

原理6.5.1二维数控编程的基本原理在数控加工中，数控机床根据加工过程中控制的轴数可分为二坐标，三坐标、四坐标以及五坐标等。如：X、Z轴采用数控，则称为二坐标数控机床。数控机床中两坐标联动是指机床的三个主坐标X、Y、Z中同时只能控制两个坐标动作，而第三个坐标只是阶段

性运动（两轴半）。三坐标连动是指机床的三个坐标轴可同时控制。用来加工带有简单曲面外形的零件。如可同时控制三个直线坐标轴及A、B、C三个旋转坐标轴中的任意两个，称为五坐标联动。•数控加工程序的结构1.程序的组成一个完整的数控加工程序由程序名、程序体

和程序结束三部分组成。%O0001；程序名N01G92X50.0Y20.0；N02………………；N03………………；程序体N04………………；N05…………………;M02；程序结束%2、NC代码主要可分为以下几个部分：O码位于NC码的最前端的码。由地址O和4位数字所组成，用于表示程序名。N码程

序段序号。由地址N和三至四位数字所组成，用来表示程序段的序号。G码表示动作方式的码。由地址G和H位数字所构成，用来表示不同的动作方式。•F码代表刀具的进给量。由地址F和数值组成，进给量大小由数值确定。S码表示机床主轴的转速。由地址S和转速大小的数值组成。T码

刀具选择代码。由地址T和2位刀具号组成。M码表示一些辅助功能（如机床主轴起动、停止，冷却液的开、关等）的代码，由地址M和两位数字组成。•在CAM必须考虑CAM所特有的制造工艺和在工程意义上的一定规则与要求。它主要有以下几方面：1.刀具形状以及直径用于

计算刀具的偏移补偿刀具半径和刀具长度补偿2.容许误差的指定最大容许误差主要有两方面的内容：即内接容差和外接容差。内接容差是指定向着零件内侧的最大偏差量。外接容差是指定向着刀具的零件外侧的最大偏移量。•3.刀具运动控制面

的定义一般轮廓控制运动由导动面、零件面、和检查面、这样三个控制面确定其运动。下面说明这三个面的定义。①导动面——是在进行指定的切削运动的过程中，引导刀具保持在指定公差范围内运动的面。②零件面——刀具加工完成的表面，刀具沿导动面运动时控制刀具高度（Z）的面。③检查面——指定刀具在保持

导动面与零件面的给定关系情况下的运动停止位置的面，用来确定刀具每次进给的终止位置。•4.导动面和刀具的关系导动面和刀具存在三种相对关系，即刀具在导动曲线的右侧、刀具在导动曲线的左侧以及刀具在导动曲线之上运动。5.检查面和刀具的关系即刀具前缘切于检

查面（TO）、刀具运动停止在检查面上（ON）、刀具后缘切于检查面上（PAST）、刀具切于导动面和检查面的切点上（TANTO）。•6.提刀安全平面的确定①避免刀具与零件凸台、夹具或压板冲撞；②为操作人员提供观察加工情况的空间；③尽量节省刀具空行程的长度。•8.刀具的进刀

和退刀加工中考虑刀具的进刀和退刀的意义在于：使刀具比较安全的接近被加工的工件；使加工表面过渡光滑，不留有接刀痕；提供加工中刀具补偿功能的过渡段。进刀和退刀从方式上分类主要有：•沿Z轴方向进刀和退刀；•沿加工路径的切线方向进刀或退刀；•沿与加工路径相切的圆弧进刀或退刀；•沿空间某

一方向线进刀或退刀；•对于曲面的精加工，刀具的进刀和退刀方式对加工影响不大，但困难的是粗加工的进刀。粗加工选择进刀的一般原则是：(1)对具有凸台形状的零件加工，（如模具的凸模加工），刀具应由工件的外部向里进刀

。(2)对具有凹腔形状的零件加工，（如模具的凹模加工），应事先预估工艺孔以便刀具落至合适的高度后再进给加工。(3)对于半精加工，刀具应以一定的斜角切入工件或者按粗加工的进刀方法进刀。•尽量采用切向切入/出，不用径向切入/出，以避免由

于切入/出路线的不当降低零件的表面加工质量。切向切入径向切入6.5.2曲面加工中的零件表面质量控制曲面加工中控制加工精度主要有两个指标：1.加工步距；2.加工残留刀痕高度。•在应用CAM系统时应注意几个方面以便优化加工：(1)精加工如用球头刀，则选用的原则应当是先用大半径球刀，再用小半径

球刀。(2)对于具有凸形曲面的零件精加工，应当尽可能采用大半径球刀加工，以便在获得相同零件加工表面质量下减少加工的行数。•6.5.3刀具干涉检验刀位计算中如果仅考虑刀触点则在加工中有可能产生刀具过切的现象。刀具中心轨迹编程轨迹机床不停止会产生过切报警停止刀具中心轨迹编程轨迹①加工半径小

于刀具半径的内圆弧•②被铣削槽底宽小于刀具直径如图所示，如果刀具半径补偿使刀具中心向编程路径反方向运动，将会导致过切。在这种情况下，机床的数控系统报警并停止在该程序段的起始点上。刀具中心轨迹报警停止编程轨迹机床不停止会产生过切被铣削槽底宽小于刀具直径•6.6数控编程系统应用的

策略6.6.1应用CAM系统的加工策略正确的应用CAM系统是非常重要的，这不仅要求CAM系统有灵活的方法选择和精确的刀路计算而且还需要程序员有一定的生产加工经验。•CAM系统在粗、精加工的刀路选择上的方法：

（1）粗加工刀路一般应选择单向切削，刀具在一条轨迹上完成后应提拉至安全平面，再快速运动到下一个行距的起始点落下。（2）精加工刀路一般可以采用双向切削，这样刀路比较节省，效率较高，但对一些比较陡峭的曲面，推荐选用单向切削，并且刀具切削由上往下运动。考虑这些原则的根据是，粗加工切削量较大

，因此切削状态与用户选择的顺铣与逆铣方式有较大关系，故单向切削可保持状态不变。精加工切削量小，采用双向切削刀具不用提刀，故可节省空程，提高效率。•（3）刀具的选择：•CAM系统的应用中一般在粗加工中应选择尽可能大直径的刀具；•精加工中，如果曲面属于直纹

曲面或无凹形，应尽量选择圆角铣刀而不用球头铁刀；•加工中，刀具的选择应是由大到小逐步过渡，即先用大直径刀具完成曲面的大部分加工，再用小直径刀具清角或局部加工。•6.6.2加工刀路的优化加工刀路的优化（optimization）主要用于加工中各子程序的程序优化（order）以便取得较

短的刀具运动路线。仅考虑刀具运动轨迹最短这样的目标，则可能引起加工中多次换刀；而仅考虑刀具分类优化，则在优化中没有考虑起点与终点，故同样引起不优化的结果。•感谢聆听