cadcam技术从入门到精通三

CAD/CAM技术从入门到精通（三）

第6章CAM技术基础

6.1数控加工基础

6.1.1数控加工概述

在我国乃至全球信息化制造产业中，采用数控加工来改变零件产品的制造方式，如回转

类零件的数控车削加工、带三维曲面模具零件的数控铳削加工等数控机床的应用如雨后春

笋般势不可挡。

数控加工就是将加工数据和工艺参数输入到机床中，由机床的控制系统对输入信息进

行运算与控制，并不断地向直接指挥机床运动的机电功能转换部件-----机床的伺服机构发

送脉冲信号，伺服机构对脉冲信号进行转换与放大处理，然后由传动机构驱动机床来加工零

件。由于数控机床用软件（零件程序）替代了普通机床中大量的凸轮、挡块、限位开关等硬

件，所以数控加工一般有以下主要优点：

被加工零件的一致性好，质量稳定。因为数控机床的定位精度和重复定位精度都很高，

很容易保证零件的加工精度，并且大大减少了人为因素的干扰。

数控机床可加工任何复杂的产品，且加工精度不受零件复杂程度的影响。

有效降低工人的体力劳动强度，从而节省出时间进行其他创造性工作。

1.数控机床简介数控机床分为普通数控（NC）机床和计算机数控（CNC）机床。现

在数控机床大多是CNC机床，如图6-1所示。数捽机床的基本组成如图6-2所示，数控机

床的基本生产流程如图6-3所示。

数控机床的加工特点：

（1）自动化程度与生产效率高；

（2）加工精度高且质量稳定；

（3）广泛的适应性和较大的柔性加工；

（4）减轻工作强度，改善工作环境；

（5）非常有利于现代化的生产管理。

图6T现代数控机床图6-2数控机床的基本组成

图6-3数控机床的基本生产流程

2.数控机床的控制

（1）控制系统

数控机床的控制系统一般由控制系统软件和计算机组成。早期的控制系统采用专用芯

片，现在大多采用计算机芯片，如Intel386/486/586等。

控制系统的组成包括固定的控制软件、计算机主机、显示器、NC面板、通信接口等。

现代数控系统都具备一定的编程能力，甚至还有加工图形的仿真功能。

控制系统接收零件的加工程序，经过系列的运算、处理后控制机床动作。控制动作包

括主轴的开停、转向、转速的选择、进给坐标运动、切削方式（直线、圆弧等）、进给速度、

刀具及刀具补偿、辅助操作等。

（2）控制系统的运动方式

根据数控机床的功能与结构，一般按控制系统的

功能特点分为下列几类：

①点位运动控制

点位运动控制的特点是只要求控制机床运动部

件，实现点到点的准确定位运动，而对移动轨迹没有

严格要求，并且在移动和定位过程中不进行任何加工,

如图6-4所示。数控钻床、数控链床和数控冲床等的

运动控制方式就属点位运动控制。

②直线运动控制图6-4数控钻床的点位运动控制

直线运动控制也称为平行控制，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制

两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹）。在移动的过程中大多是刀具沿与坐标轴平行的

方向按给定的进给速度做切削运动，一般只能加工矩形、台阶状零件。这类运动控制方式主

要用于数控车床、铳床和数控磨床等。图6-5为直线运动控制加工路线图。

®车削加工（1））钱削加工

图6-5直线运动控制加工路线图

②④⑦⑨⑪一运动与X轴平行；⑥⑧Q一运动与Y轴平行；①③⑤⑩一运动与Z轴平行

③轮廓控制

轮廓控制亦称连续运动控制，这类机床能同时

对两个或两个以上坐标运动的瞬间位置和速度进行

连续控制，如图6-6所示。用于加工空间曲线和曲

面的数控车床、数控铳床及加工中心等的控制系统

都应具备轮廓控制的功能。能进行轮廓控制的数控

机床一般也能进行点位运动控制和直线运动控

制。

轮廓控制按所捽制的联动坐标轴数，又可分为以图6-6轮廓控制

下几种方式：

・两轴联动加工。主要用于数控车床加工曲线旋转面或数控铳床等加工平面、曲线

柱面等，如图6-7(a)所示。

・两轴半联动加工。主要用于有三个以上控制轴的机床，其中两轴联动，而另一轴

做周期进给。如图6-7(b)所示，在数控铳床上用球头铳刀采用行切法加工三维空间曲面

就是采用两轴半联动加工的。

•三轴联动加工。大致分为两类，一类是X、Y、Z三直线坐标轴联动，比较多地

应用于数控铳床、加工中心等，如用球头铳刀铳切三维空间曲面，如图6-7(c)所示。另

一类除了控

制X、Y、Z中两直线坐标轴联动之外，同时还控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转

坐标轴。如车削加工中心，它除了Z轴、X轴两直线坐标轴联动之外，还需控制围绕Z

轴旋转的主轴(C轴)联动。

图6-7不同型面铳削的联动轴数

•四轴联动加工。即同时控制X、Y、Z三直线坐标轴与某一旋转坐标轴的联动加

工，图6-8所示为同时控制X、Y、Z三直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机构。

•五轴联动加工。除同时控制X、Y、Z三直线坐标轴联动外，同时还控制围绕这

些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标轴，即同时控制五轴联动。这些刀具可

以被定位在空间的任意方向，如图6-9所示。

图6-8四轴联动图6-9五轴联动

3.数控机床坐标系

数控机床坐标系包含机床坐标和工件坐标。

(1)标准的机床坐标系

机床坐标是数捽加工系统中的绝对坐标。标准的机床坐标系是一个右手笛卡儿直角坐

标系，如图6-10所示。机床原点是工件坐标系、编程坐标系、机床参考点的基准点。不同

的控制系统其机床坐标原点不同，请参阅相关教材;机床坐标在加工过程中作为其他坐标的

参照坐标。数控机床在停机后，山于温度、振动等原因，机床导轨会发生稍许位移。所以数

控机床重新启动后，应先矫正机床的坐标原点，以保证坐标正确。

图670右手笛卡儿直角坐标系

（2）工件坐标

与机床坐标不同，工件坐标是编程人员根据情况设置在被加工零件上的坐标系即工件

坐标系，它建立在机床坐标系之中，可以由编程人员任意设定，数控系统通常可允许设定六

个或更多的工件坐标系。

工件坐标系中的原点称为程序原点（或编程零点）。其设定原则应遵循：

①选在零件图的尺寸基准上；

②选在零件结构的对称中心上，不对称结构零件的某一角点上；

③选在精度较高的工件表面上。

常见数控车床、数控铳床的编程零点位置设置请参阅相关教材\

4.数控加工编程基础

数控加工是按照事先编译好的程序运行的。组成这些程序的代码格式目前有两种:ISO

格式和EIA格式。大多数系统使用国际通用的ISO格式。数控机床的控制系统大多提供了

一定的编程能力，如具有循环调用、函数、条件判断功能。这些功能有些是直接使用国际通

用的G代码编程，有些则需要使用系统提供的专用语言编程。

国际通用的G代码具体包括G指令和M指令等。不同控制系统的指令含义略有出入，

但是基本的“直线”、“圆弧”、“转速”、“进给”等常见指令是通用的。

（1）常用加工指令代码

①G指令代码（表6T）

表6-1常用G指令代码

指令功能指令代码指令功能指令代码指令功能指令代码

快速移动G00返回参考点G28长度补偿G43

直线插补G01半径补偿关G40坐标设定G54

Kl

顺圆插补G02半径左补偿G41绝对指令G90

逆圆插补G03半径右补偿G42相对指令G91

②M指令代码（表6-2）

表6-2常用M指令代码

指令功能指令代码指令功能指令代码指令功能指令代码

主轴正转M03主轴停止M05冷却液开M08(M07)

主轴反转M04程序结束M30冷却液关M09

③其他指令代码（表6-3）

表6-3其他指令代码

指令功能指令代码指令功能指令代码

进给速度F主轴转速S

刀具调用T换刀指令M06

（2）一个程序应具备的指令

在正常走刀加工之前，需要定义某些辅助项。首先要确定是按绝对坐标编程还是按相

对坐标编程。在机床的控制系统允许的情况下，手工编程经常使用混合编程方式。

①绝对坐标与相对坐标编程指令（G90、G91）

②设定坐标系指令（G54、G55、G56、G57等）

对■于大多数机床可以设置多个工件坐标系。

③刀具调用指令

对于加工中心来说，机床具有刀库。在程序中可以指定使用刀库中的第几号刀具。-一般

用T指令作为刀具调用指令。如：“T03”代表调用刀库中的第3号刀具。有些机床在刀具调

用前还必须让主轴运行到某•特定换刀位置上，然后才可以调用刀具。有些机床的T指令

则包含了前面的功能，主轴可以在任意位置执行T指令。

5.数控加工工艺基础

（1）数控铳削加工

数控铳削加工是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一，它涵盖所有的普通铳

削加工并大大扩展了诸如曲面、钻孔、钱孔、铳孔等加工。根据数控机床的特点，从铳削加

工的角度来考虑，适合数控铳削加工的主要加工对象有三类。

①平面类零件

目前在数控铳床上加工的绝大多数零件属于平面类零件，平面类零件的特点是各个加工

面是平面，或可以展开成平面，如图6T1所示。平面类零件是数控铳削加工对象中最简单

的一类零件，一般只需用三坐标数控铳床的两轴联动（或两轴半联动）就可以加工出来。

图6-11平面类零件

②变斜角类零件

加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件称为变斜角类零件。如图6-12所示是飞机上

的一种变斜角梁缘条。变斜角类零件的变斜角加工面不能展开为平面，但在加工中，加工面

与铳刀圆周接触的瞬间为一条线。这类零件最好采用四坐标或五坐标数控铳床摆角加工，在

没有上述机床时，可采用三坐标数控铳床，进行两轴半联动近似加工。

3°10'⑤2°32,©1°20'©0°

图6T2变斜角梁缘条

③曲面类零件

加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件，如模具、叶片、螺旋桨等。曲面类零件的加

工面不能展开为平面，加工过程中加工面与铳刀始终为点接触。加工曲面类零件一般采用三

坐标数控铳床。当曲面较复杂、通道较狭窄、会伤及毗邻表面及需要刀具摆动时，要采用四

坐标或五坐标数控铳床。

(2)顺铳与逆铳

在选用铳削加工方式时，必须注意其各自的特点和加工的具体条件。在周铳时，工件进

给方向与铳刀一致的称为顺铳，方向相反的称为逆铳，如图6T3所示。按其切削过程的特

点，逆铳时刀齿的切削厚度是由薄到厚，而顺铳时是由厚到薄;而对于切削力方向的影响来

说，顺铳时作用于工件上的垂直切削分力向下，将工件压向工作分，对工件的压紧有利。逆

铳时则该分力向上，有把工件从工作台上挑起的趋势，影响工件的夹紧。

图6-13圆柱铳刀的顺铳和逆铳

在实际加工中，由于数控铳床的丝杠与螺母间消除了间隙，为提高加工质量，增加切削

稳定性，数控加工中多采用顺铳。顺铳时其加工平稳，加工参数比逆铳时提高很多。尤其在

材质较硬、加工量大时优势明显。而逆铳切削不平稳，加工面比较粗糙。

数控铳床顺、逆铳削的简易判断法:由于主轴(刀具)旋向为顺时针旋转，故凸型顺时

针走刀方向为顺铳;凹型逆时针走刀方向为顺铳。

(3)数控铳削工艺特点

数控铳削加工一个实际的零件，其加工过程同样要运用工艺设计知识，设计合理的加工

工艺，选择优化的加工参数和加工设备。而设计个零件的工艺路线，要根据该零件的成品

轮廓、技术要求和工艺装备(如加工设备、所用刀具、夹具、量具、检具)来决定，同时还

要考虑零件材料的特性、制造成本和市场竞争环境等因素。一般地，数控铳削加工的工艺特

点可从定位基准，对刀点的确定，工艺参数等几个方面来考虑。

①分析和审查定位基准

由于数控机床具有高效率、高精度和高度自动化等特点，故数控加工尤其强调定位加

工，零件的加工定位基准必须准确可靠。与普通机床加工•样，定位基准应力求与设计基准

重合。需要进行数控加工的零件，如果没有准确的定位基准，最好先在普通机床上加工好定

位基准;如果定位基准不可靠，应设法给定辅助基准使定位可靠;若所设的辅助基准对零件

的装配或使用有影响，则可在完成定位后去掉。例如，为了在加工如图6T4所示的凸轮外

轮廓时使定位准确可靠，特意增设了一个6H7的辅助定位工艺孔;如图6T5所示的轮架，则

增设了四个工艺凸台（使定位稳定可靠）和两个辅助定位孔8（使定位准确）。

②对刀点的确定

选择对刀点的原则：

•对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准匕

•简化加工程序，便于零件轮廓坐标值的计算。

・机床上容易找正，加工过程中容易观察。

•尽量使加工程序中引入刀具的路径短，以方便换刀。

•在装夹较为复杂的情况下，对刀点可考虑设在工件的某一要素或其延长线上，也

可设定在与工件定位基准有一定坐标关系的夹具上。

图6T4凸轮零件图6T5轮架

③加工工艺参数

数控铳削加工的工艺参数主要包括主轴转速、背吃刀量、进给速度等切削用量。其选

择原则是:保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用

度并充分发挥机床的性能，最大限度地提高生产效率，降低成本。

・主轴转速的确定。主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）的直径来选

择。其计算公式为

n=1000v/JtD（6-1）

式中v-----切削速度，m/min,由刀具的耐用度决定；

n--------主轴转速，r/min;

D-------工件直径或刀具直径，mm。

实际的主轴转速要根据机床说明书选取与计算的主轴转速一致或较接近的转速。

・进给速度的确定。进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件

的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度

和进给系统的性能限制。在轮廓加工中，在接近拐角处应适当降低进给速度，以克服由于

惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成“超程”或“欠程”现象。确定进给速度的原则：

当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在

100〜200mm/min范围内选取。

在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，•般20〜50mm/min

范围内选取。

当加工精度及表面粗糙度要求高时，应选择较低的进给速度，一般在20〜50mm/min范

围内选取。

当刀具空行程，特别是远距离“回零”时，可以选择该机床数控系统给定的最高进给速

度。

背吃刀量的确定。背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的

条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产率。

为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般留0.2〜0.5min。

总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确

定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。

(4)切削刀具

正确选择刀具是数控加工工艺中的重要内容，通常考虑机床的加工能力、工件的材料、

加工面类型、机床的切削用量、刀具的耐用度、刚度等。数控机床加工刀具有高速、高效的

特点，所以要严格选择。一般情况下应首选质量好、耐用度高的;首选已标准化、系列化的。

如图6T6所示为几种常用的铳削刀具类型，图6T6(a)所示的立铳刀类，主要用于加工

平面和沟槽的侧面;图676(b)所示的球形铳刀适用于加工空间曲面和平面间的转角圆弧;

图6-16(c)所示的鼓形铳刀则主要用于加工变斜率的空间曲面。图6-17所示是数控车削

加工中常用的刀具类型。

(5)数控加工工艺过程设计数控加工工序一般都穿插在零件的整个工艺过程中间，

因此在进行数控加工工艺过程设计时，一定要通盘考虑,不但要考虑数控加工工序的划分、

加工顺序安排和彼此间的协调，还要考虑数控加工工序与其他工序之间的配合、协调。

图6-16常用的铳削刀具类型图6-17数控车削加工中常用的刀具类型

①数控加工工序的划分

数控机床加工零件的工序比较集中，•般可以参考下列方式进行划分：

•以一次安装作为一道工序。即零件在一次装夹中所完成的那部分工序。此方法适

合于加工内容不多的工件。

・按加工部位划分工序。当零件要加工的内容很多时，可以将其分成儿部分。每部

分的加工内容作为一个工序，如内腔、外形、曲面或平面等。

•按粗、精加工划分工序。容易发生加工变形的工件，根据加工精度要求按“先粗

加工，后精加工”划分工序。粗、精分开可以提高加工效率。

■以同一把刀具所能加工的内容来划分工序。

②加工顺序的安排

・先粗后精。当加工零件精度要求较高时都要经过粗加工、半精加工、精加工阶段,

有的甚至还要进行光整加工阶段。

•基准面先行原则。用做精基准的表面应先加工。任何零件的加工总是先对定位基

准进行粗、精加工，例如轴类零件总是先加工中心孔，再以其为精基准加工外圆和端面;箱

体类零件总是先加工定位用的平面及两个定位孔，再以平面和定位孔为精基准加工孔系和其

他平面。

•先面后孔。对于箱体、支架等零件，平面尺寸轮廓较大，用平面定位比较稳定，

而且孔的深度尺寸又是以平面为基准的，故应先加工平面，然后再加工孔。

•先主后次。即先加工主要表面，再加工次要表面。此外还应考虑：

•同一定位装夹方式或用同一把刀的工序，最好相邻连接完成，这样可避免因重复

定位而造成误差和减少装夹、换刀等辅助时间。

•如一次装夹进行多道加工工序时，则应考虑把对工件刚度削弱较小的工序安排在

先，以减少加工变形。

・上道工序应不影响下道工序的定位与装夹。

•先内型腔加工工序，后外形加工工序。

③走刀路线的选择

走刀路线是指在加工过程中，刀具刀位点相对于工件的运动轨迹和方向。它不但包括

了工步内容，还反映出工步顺序。走刀路线对加工质量及效率影响较大，合理的走刀路线应

满足:保证零件的加工精度和走面粗糙度要求;加工路线最短，减少走刀时间，提高加工效

率;编程时数值计算简单.，减少编程工作量。合理确定走刀路线的原则如下：

・刀具应避免沿零件轮廓的法向切入，而应沿着外轮廓曲线延长线的切向切入，以

免在切入处产生刀具痕迹。切除工件时也要避免在工件的外轮廓处直接抬刀，要沿着零件轮

廓曲线延长线的切线逐渐切离工件，如图6-18所示。

・要加工如图6-19所示的均匀分布在两个圆周上的孔时，欲使走刀路线最短，必须

保证各定位点间路线的总长最短，如图6T9(b)所示的走刀路线与如图679(a)所示的

相比，可节省刀具定位时间一倍左右。

(a)(b)

图6-19最短走刀路线设计

•对于位置精度要求较高的孔系加工，如图6-20所示,要特别注意走刀路线的选择。

考虑到数控机床的反向间隙误差，图6-20(c)的加工路线是合理的，而图6-20(b)的加

工路线会将Y向的反向间隙误差带入，影响5、6孔与其他孔的位置精度。

•铳削曲面时，常用球头刀采用行切法进行加工。如图6-21所示为发动机叶片形状,

采用如图6-21(a)所示的加工方案时，每次沿直线加工，刀位点计算简单且程序少，加工

过程符合直纹面的形成，可以准确保证母线的直线度。采用如图6-21(b)所示的加工方案,

便于加工后检验，叶形的准确度高，但程序较多。由于曲面零件的边界是敞开的，没有其他

表面限制，故曲面边界可以延伸，球头刀应由边界外开始加工。

图6-21铳削曲面的两种走刀路线

・优选走刀路线时应首先保证工件轮廓表面的加工精度及满足表面粗糙度要求，为

此，最后安排一次连续加工轮廓表面的精加工走刀路线是必要的。

如图6-22所示为铳削凹槽的三种走刀路线，图6-22(a)所示的走刀路线最短，但凹

槽内壁表面的粗糙度最差;图6-22(b)、图6-22(c)所示可以满足凹槽内壁表面的加工

精度和粗糙度的要求，而图6-22(c)所示的走刀路线总长度比图6-22(b)所示的短，所

以比较之下将图6-22(c)所示的走刀路线确定为最佳加工路线。

图6-22铳削凹槽的三种走刀路线

・合理地将对刀点和起刀点分离，合理利用“回零”指令，都能缩短走刀路线。由

于本书篇幅的限制，本节仅对数控加工的基础知识简要介绍，读者在后续章节完成零件的数

控自动编程时，如需了解有关数控加工工艺更详细的内容，请参阅本系列丛书的其他相关教

材。

6.2图形交互式自动编程技术

6.2.1图形交互式自动编程系统概述

随着计算机技术的迅猛发展，计算机的图形处理能力不断增强。种可以直接将零件

的几何图形信息，自动转化为数控加工程序的全新的计算机辅助编程技术------“图形交互

式自动编程”应运而生，并在20世纪70年代以后得到迅速发展和推广应用。

图形交互式自动编程系统就是应用计算机图形交互技术开发出来的数控加工程序自动

编程系统，使用者利用计算机键盘、鼠标等输入设备以及屏幕显示设备通过交互操作，建立、

编辑零件轮廓的几何模型，然后调用数控编程模块，采用人机交互方式，在计算机屏幕上指

定零件的被加工部位，选择加工工艺策略，再输入相应的加工参数，计算机便可自动进行必

要的数学处理并生成刀具运动轨迹，同时可以在计算机屏幕上动态模拟显示数控加工过程，

最后生成数控加工程序。现代图形交互式自动编程是建立在CAD和CAM系统的基础上

的，典型的图形交互式自动编程系统都采用CAD/CAM集成数控编程系统模式。图形交互

式自动编程系统通常有两种类型的结构，一种是CAM系统中内嵌三维造型功能;另一种是

独立的CAD系统与独立的CAM系统以集成方式构成数控编程系统。这种编程方法与应用

编程语言自动编程相比，具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优点。

1.图形交互式自动编程系统的构成

图形交互式自动编程系统的构成包括硬件和软件。

(1)硬件

根据所选用的CAD/CAM软件，配置相应的计算机及其外围硬件设备。计算机主要由

中央处理器(CPU)、存储器和接口电路组成。外围硬件设备包括输入/输出设备、外存储器

和其他设备。与语言自动编程系统相比，增加了图形输入器件，如鼠标、键盘、数字化仪、

功能键等。

(2)软件

软件是指程序、文档和使用说明书的集合。习惯上也将程序简称为软件，包括系统软件

和应用软件。

①系统软件:是直接与计算机硬件发生关系的软件，负责管理系统和减轻应用软件负担。

②应用软件:是直接形成和处理数控程序的软件，需要通过系统软件才能与计算机硬件

发生关系，包括各类CAD/CAM软件。其他工具软件和用于控制数控机床的数控加工程序

也属于应用软件。

2.图形交互式自动编程软件

当前国内外先进的CAD/CAM软件普遍采用图形交互式自动编程方法。如本书介绍的

我国北航海尔软件公司的CAXA系列加工软件CAXA制造工程师、CAXA数控车及美国

CNC公司的MasterCAM、PTC公司的Pro/E、EDC公司的UG、以色列的Cimatron系统等。

这些CAD/CAM集成软件均可以采用人机交互方式对零件的几何模型进行绘制、编辑和修

改，产生零件的数据模型。然后对机床和刀具进行定义和选择，确定刀具相对于零件表面的

运动方式、切削加工参数，便能生成刀具轨迹。最后经过后置处理，即按照特定机床规定的

文件格式生成加工程序。甚至利用加工轨迹的仿真功能对生产加工过程进行动态图像模拟,

以检验走刀轨迹和加工程序的正确性。

3.图形交互式自动编程的基本步骤

应用CAD/CAM集成软件完成零件的数控加工自动编程，其实现过程概括如下：

(1)在后置处理中配置好机床，这是正确输出代码的关键；

(2)利用CAD技术进行零件的设计、分析和造型；

(3)通过CAM技术对CAD模型数据产生刀具轨迹；

(4)经过后置处理自动生成NC代码，再经程序校验和修改形成加工程序，并通过接

口传给CNC机床。整个过程直观方便，所有的运算由计算机完成，可保证程序的编制快速

而准确。该方法适用于制造业中的CAD/CAM集成系统。

4.图形交互式自动编程的特点

图形交互式自动编程是一种全新的编程方法，它具有以下特点：

(1)将加工零件的儿何造型、刀位计算、NC加工程序、图形显示和后置处理等结合在

一起，有效地解决了编程数据来源、几何显示、走刀模拟、交互修改等问题，弥补了单一利

用数控编程语言进行编程的不足；

(2)不需要编制零件加工源程序，用户界面友好，使用简便、直观、准确，便于检查。

编程过程是在计算机上直接面向零件的几何图形以光标指点、菜单选择及交互对话的方式进

行的，其编程的结果也以图形的方式显示在计算机上；

(3)编程方法简单易学，使用方便。整个编程过程是交互进行的，有多级功能“菜单”

引导用户进行交互操作；

（4）有利于实现与其他功能的结合。可以把产品设计与零件编程结合起来，也可以与工

艺过程设计、刀具设计等过程结合起来。

6.2.2CAXA制造工程师2006--------CAM基础

CAXA制造工程师是我国自主开发的CAD/CAM--体化的数控加工编程软件。其技术

集成了几何建模、工艺设计、刀具轨迹生成与编辑、加工仿真、NC生成及丰富的数据接口

等一整套面向回转类零件和复杂模具零件的自动编程功能。本书的第1章已经简述了CAXA

制造工程师2006的基本功能。除此之外，CAXA制造工程师还提供了智能化的知识加工模

板。即针对复杂曲面的三维造型，智能加工库大量运用高级工程师的加工经验，为用户提供

了一种整体加工思路，如图6-23所示。

图6-23基于留量的加工

用户应用CAXA制造工程师2006软件进行数控编程时，只需通过必要的参数设置，便

自动生成一系列数控加工刀具轨迹，即可完成从支持层间切削的高效粗加工、基于留量的半

精加工到精加工的整个典型零件的加工过程。高效而优化的加工不仅继承和发展了企业长

期实践中积累的宝贵经验和知识，同时还可以对数控加工流程进行标准化、规范化方面的管

理，以求和世界一流的先进制造技术接轨。本节重点介绍数控加工模块的相关基础知识。

1.基本概念

（1）刀具轨迹和刀位点

刀具轨迹是系统按给定工艺要求生成的对给定加工图形进行切削时刀具行进的路线，

如图6-24所示。刀具轨迹由一系列有序的刀位点和连接这些刀位点的直线（直线插补）或

圆弧（圆弧插补）组成。刀位点就是刀具沿编程轨迹运动的点，如球头刀的刀位点为球头的

球心，立铳刀的刀位点为刀具端面的中心。

（2）轮廓、区域和岛

轮廓是一系列首尾相接的曲线的集合，如图6-25所示。在进行数控编程，通过人机交

互指定待加工图形时，常需要指定图形的轮廓，用来界定被加工的区域或被加工的图形本身。

如果轮廓是用来界定被加工区域的，则要求指定的轮廓是闭合的;倘若加工的是轮廓本身，

则轮廓也可以不闭合。由于CAXA制造工程师2006将指定的轮廓投影到当前坐标系的当前

平面上，故组成轮廓的曲线可以是空间曲线。但要求指定的轮廓不应有自交点。

「O0

、、进刀点开轮廓闭轮廓有自交点的轮廓

图6-24刀具轨迹和刀位点图6-25数控加工轮廓

区域是指由一个闭合轮廓围成的内部空间，其内部可以有“岛”。岛也是由闭合轮廓来

界定的。区域是指外轮廓和岛之间的部分。由外轮廓和岛共同指定待加工的区域,外轮廓用

来界定加工区域的外部边界，岛用来屏蔽其内部不需加工或需保护的部分，如图6-26所

不。

（3）高度

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干涉的高度。安全高度应

高于零件的最大高度。

②起止高度。是指进、退刀时刀具的初始高度。起止高度应大于安全高度，如图6

27所示。

③慢速下刀高度。是指由快进（G00）转为工进（G01）时的位置高度。

（4）加工余量

车、铳加工均是去除余量的过程，即从毛坯开始逐步去除多余的材料，以得到需要的

零件。此过程一般由粗加工到精加工，必要时还需进行半精加工，即经过多道工序的加工。

那么在前一道工序中，往往要给下一道工序留下一定的加工余量。实际加工模型是指指定

加工模型按给定的加工余量进行等距的结果，如图6-28所示。

（5）加工误差和步长

刀具轨迹和实际加工模型之间的偏差就是加工误差。用户可以通过控制加工误差来提

高加工精度。

用户给出的加工误差是刀具轨迹同加工模型之间的最大允差，系统保证其两者之间的偏

离不大于加工误差。

在创建刀具轨迹时,应根据实际工艺要求给定加工误差。如进行粗加工时误差可以大些,

以防加工效率的降低，但加工误差不要大于加工余量，否则可能造成过切;在进行精加工时

则应根据表面精度要求等设置加工误差。

在两轴联动加工中，对于直线和圆弧的加工不存在误差，加工误差是指对样条线进行加

工时用折线段逼近样条线时的误差。切记加工精度越高，折线段越短，加工代码就越长。

在三轴联动加工中，可以按给定步长的方式控制加工误差•步长用来控制刀具步进方向

上每两个刀位点之间的距离，系统按用户给定的步长计算刀具轨迹。与此同时，系统对生成

的刀具轨迹进行优化处理，删除同一直线上的刀位点，在保证加工精度的前提下提高加工效

率。因此用户给定的是加工最小步长，实际生成的刀具轨迹中的步长可能大于用户给定的步

长，如图6-29所示。

图6-28加工余量图6-29加工误差与步长

（6）干涉

在切削被加工表面时，倘若刀具切到了不应该切的部分，则称做出现干涉现象，或者称为过

切。

在CAXA制造工程师2006系统中，干涉分为两种情况：

①自身干涉。是指被加工表面中存在刀具切削不到的部分时存在的过切现象，如6-30

所示。

②面间干涉。是指在加工一个或系列表面时，可能对其他表面产生的过切现象，如图

6-31所不。

图6-30自身干涉图6-31面间干涉

CAXA数控车中的干涉：

在数控车正向车削弧面造型时，如果刀具的后角较大则必将发生干涉。如图6-32所

示，即为正向车削，刀具干涉后角为10°的精加工轨迹。

（7）模型

模型是指系统存在的所有曲面和实体的总和（包括隐藏的曲面或实体）。一般的三维

造型的曲面是光滑连续（法矢连续）的，像球面就是一个理想的光滑连续的面。这样理想的

模型，被称为几何模型。然而完成这样一个理想的几何模型的加工却是不可能的。因此我们

会把一张曲面离散成一系列的三角片，那么以此构筑的模型被称为加工模型。加工模型与几

何模型之间的误差称做几何精度，如图6-33所示。

图6-32车削干涉图6-33模型与几何精度

实际上加工精度是按刀具轨迹加工出来的零件与加工模型之间的误差，当加工精度趋

近于0时，刀具轨迹对应的被加工工件的形状就是加工模型了（不计残留量）。

此外，由于系统中所有曲面及实体（隐藏或显示）的总和为模型，故增删曲面或实体时

务必要小心。因为这些都意味着对模型的修改，也就意味着先前的刀具轨迹可能不再适用

于新的模型了，甚至会导致过切，此时应重置所有刀具轨迹。

2.通用参数设置

(1)定义毛坯

单击主菜单的“加工”->“定义毛坯”，弹出“定义毛坯”对话框，如图6-34所示。

图6-34“定义毛坯”对话框

【相关参数】

①锁定:使用户不能重设毛坯的基准点、毛坯大小及类型等，用以防止设定好的毛坯

数据轻易被修改。

②毛坯定义:有以下三种方式：

・两点方式:通过拾取毛坯空间的两个角点来定义毛坯。

•三点方式:通过拾取基准点，拾取毛坯大小的两个角点来定义毛坯。

•参照模型:系统自动计算并显示模型的包围盒，即作为毛坏。

③基准点:定义毛坯在默认世界坐标系中的左下角点。

④大小:长度、宽度、高度是毛坯大小在X、Y、Z三个方向上的尺寸。

⑤毛坯类型:系统提供了诸如铸件、锻件、精铸(锻)件、棒料、冷作件、标准件、外

购件、外协件及其他毛坯类型，以满足工艺清单之需。

⑥毛坯精度设定:给定毛坯的网格间距，主要是仿真加工时需要。

⑦显示毛坏:设定毛坏是否在工作区中显示。

(2)起始点

CAXA制造工程师2006系统计算刀具轨迹时默认全局刀具轨迹起始点作为刀具初始

点，双击“加工管理”下拉列表中的“起始点”按钮，便可以对刀具轨迹初始点进行修改，

如图6-35所示。

从弹出的“刀具起始点”对话框中得知起始点所在的加工坐标系，可以通过输入或者单

击“拾取点”按钮设定刀具起始点，如图6-6所示。

份加工

卷模型

哲毛坯

中国

鱼机床后置:fanuc

由号刀具库：fanuc

口刀具轨迹：共。条

卷面不管就10属3J

图6-35起始点图6-36“刀具起始点”对话框

(3)刀具库为方便用户调用刀具库中的有关信息，并对其进一步管理，可以双击“加

工管理”中的“刀具库”，对使用的刀具及其相关数据进行定义，如图6-37所示。在弹出

的“刀具库管理”对话框中可以看到当前的刀具情况，如图6-38所示。

◎加工

⑥模型

,13毛坯

伞起始点

乙机床后置：fanuc

a刀具库：fanuc

口工具轨迹：共。条

族加工管理|同属

图6-37刀具库图6-38“刀具库管理”对话框

刀具库有两种类型:系统刀库和机床刀库。

①系统刀库。与机床无关，用户可以把所有要用到的刀具参数全部建立在系统刀库中，

然后利用这些刀具对各种机床进行编程。

②机床刀库。与各种机床的控制系统相关联的刀具库。不同控制系统的机床均有自己

的刀具库(自定义的机床亦然)。还可以针对每一种机床建立该机床自己的刀具库。在软件

系统中若改变机床，则相应的刀具库也会自动切换到与该机床相对应的刀具库位置。故这种

刀具库可以同时对多个加工中心编程。

(4)刀具参数

在每种加工方式的功能表中，都要进行刀具参数的设置，如图6-39所示。另外，CAXA

制造工程师2006系统的任一加工方式下的刀具库都存放有为用户定义的各种刀具，并且在

各种加工方式对话框中，都可以对刀具参数进行修改和预览。例如，参数线加工方式下包括

钻头、球头铳刀、牛鼻刀、端铳刀等系列刀具，用户可以很方便地从中选取所需刀具。有关

刀具各参数的意义及设置操作可参见预览刀具。如图6-40所示为等高线粗加工方式下刀

具参数的设定。

刀具定义至

刀反嬖数I刀英只磬敢I

类型

刀具名

刀具号

刀JU卜博号

刀具*泾B

刀角半径r

刀柄半径b

刀尖角度•

刀刻长度1

刀柄长度h

刀具全长L

・定|厥谕

图6-39“刀具定义”对话框

(5)加工参数设定

CAXA制造工程师2006提供了多种粗、精加工及其他加工方式，均可通过“加工”下拉中

的“刀具参数”选项卡菜单选择，还可以通过双击“加工工具栏”工具条中相应的图标，随

后弹出各种加工方式对话框。如图6-41所示为区域式粗加工方式下加工参数选项卡，图6-

42为“加工工具栏”工具条。有关各种加工方式的加工参数的设定详见笫7章。

等《线田加工区炼式俎加工凶

加工叁数1|加工参数2|切入切出|下力方式Imi参数|切入切出।下力方式|切削用量虹边界|刀具多教|

切•闻量|加工边界刀及算数

mi方向

用加刀及|*1187111]修蟾「逆帙

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刀角半径r行间隹接方式

刀柄半径b管直线，融rs»

刀尖角度拐京事&

刀更长度rrIM模》mx

rH：H「丁

刀柄长度

刀具至长

加工坐标系IE起嫡点IxfoTfZ[loo-

[一定]|*|明|

图6-40”等高线粗加工”对话框中图6-41”区域式粗加工”对话框中

的“刀具参数”选项卡的“加工参数”选项卡

图6-42"加工工具栏”工具条

6.3数控加工过程仿真

所谓数控加工过程仿真就是利用软件系统模拟实际生产中的每一道加工过程，将刀具

加工时的运行轨迹显示出来，并对加工轨迹进行动态图像模拟。实现刀具对毛坯切削的临

摹显示，从而验证NC程序及加工轨迹的正确性。

6.3.1数控加工过程仿真的目的与意义

采用图形交互式自动编程技术生成的数控加工程序，在加工过程中是否发生过切、少

切，所选择的刀具、走刀路线、进退刀方式是否合理，零件与刀具、刀具与夹具、刀具与工

作台之间是否发生干涉或碰撞等情况是编程人员事先无法预料的。如果发生上述构件之间的

干涉或碰撞，其结果可能导致工件形状不符合要求、出现废品，有时还会损坏机床、刀具及

夹具等。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，如何有效地进行数控加工过程仿真，以检验和验证数控加工程序

的正确性、确保投入实际应用的数控加工程序正确，是数控加工编程及操作中的重要环节。

数控加工程序的检验方法主要有试切法和数控加工过程仿真。试切法是NC程序检验

的有效方法。传统的试切是采用塑模、蜡模或木模在专用设备上进行的，通过塑模、蜡模或

木模零件尺寸的正确性来判断数捽加工程序是否正确。但试切过程不仅占用了加工设备的

工作时间，需要操作人员在整个加工周期内进行监控，而且加工过程中的各种危险同样难以

避免。用计算机仿真模拟系统，从软件上实现零件的试切过程，将数控加工程序的执行过程

在计算机屏幕上显示出来，是数控加工程序检验的有效方法。在动态模拟时，刀具可以实时

地在屏幕上移动，刀具与工件接触之处，工件的形状就会按刀具移动的轨迹发生相应的变

化。观察者可在屏幕上看到连续的、逼真的加工过程。利用这种视觉检验装置，就可以很容

易地发现刀具和工件之间的碰撞及其他错误的程序指令。目前，数控加工过程仿真的方法

主要有:刀具轨迹仿真、三维动态切削仿真和虚拟加工仿真等。

6.3.2数控加工过程仿真分类

1.刀具轨迹仿真

一般在后置处理之前进行刀具轨迹仿真。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，刀具轨迹

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方法，效果

十分逼真。该方法是在后置处理之前进行刀具轨迹仿真，可以在脱离具体的数控系统环境下

进行。刀具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。刀具轨迹仿真主要

有显示验证、截面法验证和数值验证三种方式。

(1)显示验证

显示验证是指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的方法。

(2)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。

(3)数值验证

数值验证也称为距离验证，是•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段距

离;若此距离为负，表示刀具与加工表面过切。

2.三维动态切削仿真

三维动态切削仿真是采用实体造型技术建立加工零件毛坯、机床、夹具及刀具在加工过

程中的实体几何模型，然后将加工零件毛坏及刀具的几何模型进行快速布尔运算(一般为

减运算)，最后采用三维真实感图形显示技术，把加工过程中的零件模型、机床模型、夹具

模型及刀具模型在显示器上动态地显示出来，模拟零件的实际加工过程。三维动态切削仿真

过程的真实感较强，基本上具有试切加工的验证效果。

现代数控加工过程的三维动态切削仿真验证的典型方法有两种:一种是只显示刀具模型

和零件模型的加工过程动态仿真。当前市场匕流行的大多数高端CAD/CAM集成系统都采

用这种方法，如CATIA、UG、PRO/E、Solidwok,以及国产软件CAXA制造工程师2006

等。另一种是同时动态显示刀具模型、零件模型、夹具模型和机床模型的机床仿真系统。

如美国的Vericut软件。近年来，国内许多高校和软件公司也在积极开发此类软件，如图6-

43所示为天津工程师范学院开发的数控加工仿真系统。从仿真检验的内容看，既可以仿真

刀位文件，也可以仿真NC代码。

图6-43数控加工仿真系统

3.虚拟加工仿真

虚拟加工仿真是应用虚拟现实技术实现加工过程的仿真技术。虚拟加工仿真主要要解

决在加工过程和实际加工环境中，工艺系统间的干涉碰撞问题和运动关系。由于加工过程是

一个动态过程，刀具与工件、夹具、机床之间的相对位置是变化的，工件从毛坯开始经过若

干道工序的加工，形状和尺寸均在不断变化，因此虚拟加工仿真是在各组成环节确定的工艺

系统中进行动态仿真。

虚拟加工仿真与刀具轨迹仿真方法不同，虚拟加工仿真能够利用多媒体技术实现虚拟加

工，不只是解决刀具与工件之间的相对运动仿真，它更重视对整个工艺系统的仿真。虚拟加

工软件一般直接读取数控程序，模仿数控系统逐段翻译，并模拟执行，利用三维真实感图形

显示技术，模拟整个工艺系统的状态，还可以在一定程度上模拟加工过程中的声音等，提供

更加逼真的加工环境效果。

目前，一些专家学者正在研究开发考虑加工系统物理学和力学特性情况下的虚拟加工，

一旦成功，数控加工仿真技术将发生质的飞跃。

6.3.3CAXA制造工程师2006加工仿真

利用CAXA制造工程师2006软件实现加工过程仿真时，模拟刀具沿轨迹走刀，实现对

毛坯的切削的动态图像显示。这个仿真过程是通过轨迹仿真器来实现的，具体有关轨迹仿

真器的使用方法，请参考CAXA制造工程师2006软件中轨迹仿真器的“帮助”文件。操作

者通过此处的轨迹仿真命令拾取到相关的轨迹后，单击鼠标右键确认后即可调入轨迹仿真

器进行仿真。

CAXA制造工程师2006通过轨迹仿真可以直观、精确地对加工过程进行模拟仿真。不

仅如此，在仿真实施过程中还可以实现如下功能：

(1)调节仿真加工的速度，可以随意放大、缩小、旋转，以便于观察细节内容。

(2)显示多道加工轨迹的状态结果。

(3)可以检查刀柄干涉、快速移动过程中的干涉、刀具无切削刃部分的干涉情况。

(4)可以将切削残留量用不同颜色区分表示，并把切削仿真结果与零件理论形状进行

比较等。

CAXA制造工程师2006仿真加工提供了丰富的粗、精加工及其他加工方式。其中粗加

工方式有:平面区域粗加工、区域式粗加工、等高线粗加工、等高线粗加工2、摆线式粗加工

等8种方式;精加工方式有:平面轮廓精加工、参数线精加工、扫描线精加工、轮廓线精加工

等12种方式。在进行轨迹仿真运行之前，需要对采取的加工方式设置一些工艺参数。如刀

具参数、机床参数、切入切出参数、下刀方式、加工边界等，每种加工方式下刀具轨迹的生

成都会涉及相关的参数。

用户可以单击“加工”下拉菜单中任意一种加工方式，例如单击主菜单中的“加工”一

“粗加工”f“区域式粗加工”，此时弹出如图6-41所示的对话框。在设定各种参数时，结

合6.1节的数控加工基础知识完成，具体的操作过程在第7章中再详细介绍。对话框中各项

内容设定后，单击“确定”按钮完成设置便开始随后的交互过程;单击“取消”按钮取消当

前的命令操作;单击“悬挂”按钮表示加工轨迹并不立即生成，交互结束后并不计算加工轨

迹，而是在执行轨迹生成批处理命令时才开始计算。这样就可以将很多计算复杂、耗时较长

的轨迹生成任务准备好，等到空闲的时间再开始计算，大大提高了工作效率。如图6-44所

示为U盘模型的粗、精加工刀具轨迹生成及仿真加工的结果。

图6-44U盘模型的粗、精加工刀具轨迹生成及仿真加工的结果

思考与练习

6-1什么是顺铳?什么是逆铳?数控机床的顺铳和逆铳有何特点？

6-2适合数控铳削加工的主要加工对象有哪些？

6-3根据控制系统的功能特点，数控系统的运动方式分为哪几类？

6-4何谓数控编程中的刀具轨迹和刀位点？

6-5何谓加工过程仿真?数控加工过程仿真的目的是什么？

6-6CAXA制造工程师200