西华大材料成型CAD与CAM基础课件03计算机辅助制造（CAM）技术基础

第三章计算机辅助制造（CAM）技术基础工业化国家经济总产值的50%（日本）至68%（美国）是由制造业创造的，制造业对发展国家经济有决定性的影响，而发展机床业是发展制造业的根本。

数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。

2002年，我国机床市场消费额达59亿美元，成为世界第一。我国数控机床总量供给能力不凡，产品品种无重要缺门空白，数控机床进入成熟期。但与先进国家相比尚有30-50年的差距。

机床数控化率<10%，数控机床应用水平较低。3.1数控加工及数控技术基础知识（一）数控加工的基本概念（1）数控（NC）的含义数控：是数字控制（Numericalcontrol）的简称，通常称为NC，是用数字信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。数控系统中的译码、处理、计算公式和控制的步骤一般都是通过预先设计好的，是专门用于数控的专用微型计算机来实现的，所以NC也称为硬件控制，反之采用小型通用计算机或微型计算机来实现控制的称为软件控制，简称为CNC(ComputerNumericalControl)要求

高效、稳定、可靠、开放

类型

电子管

晶体管

集成电路

小型计算机

微处理器

工控PC机硬件连接数控系统（NC系统）软件数控系统（CNC系统）（2）数控系统要求、类型及性能评价指标

（3）数控技术发展1949195519591960麻省理工学院开始研制，1952研制成功美国空军，两年后数控机床商品化晶体管元器件，APT德国，日本开始研究1965小规模集成电路NC机床1970美国INTEL公司开发和使用了微处理器数控加工的优点：加工精度高，质量稳定可靠；自动化生产，效率高，周期短；可直接从CAD系统中提取数据，保证数据处理的一致性；减轻劳动强度改善劳动条件有利于生产管理（4）数控加工的含义一种在数控机床上加工零件的工艺方法。

实质：用数控装置（系统）代替人操作机床进行零件加工的一种自动化加工方法。1.批量小而又多次重复生产的零件；

2.几何形状复杂的零件；

3.贵重零件加工；

4.需要全部检验的零件；

5.试制件。

（5）数控加工的适用范围

（6）数控加工工作流程（P204）零件图的加工工艺设计数控程序编制数控系统处理信息伺服系统转换放大信号执行部件动作位置检测提取加工信息将程序读入系统脉冲指令驱动工作台实际位移量的信息反馈（1）组成输入装置数控系统伺服系统机床执行部件指令驱动位置、速度反馈温度反馈2数控机床的组成与分类输入介质控制介质数控加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称为控制介质。在控制介质上保存着加工零件所必需的全部操作信息和刀具及工件移动的信息，它记载着零件的加工程序。控制介质有：穿孔纸带、磁带或磁盘数控装置伺服系统机床主机主机是数控机床的主体，包括车身、箱体、导轨、主轴、进给机构等机械部件人造大理石床身（混凝土聚合物）天然大理石床身数控机床应有更小的热变形

控制热变形的措施：对机床热源进行强制冷却，采用热对称结构。对机床热源进行强制冷却对机床热源进行强制冷却热对称结构立柱机床排屑系统数控机床运动件之间的摩擦要小，要消除传动系统的间隙，达到低速时无爬行，高速时快速响应。MOV2进给运动.wmv数控机床应有更好的宜人性（人机关系及环保）便于操作的机床结构（2）分类 点位控制数控机床按加工功能 直线控制数控机床 轮廓控制数控机床

按工艺用途分类

数控铣床加工中心线切割机床点火花机床立式数控车床卧式数控车床立式数控铣床卧式数控铣床快走丝电火花线切割机床工作台移动式电火花机床工作台固定式电火花机床固定立柱立式加工中心滑枕立式加工中心O形整体床身立式加工中心MOV3五坐标高速加工中心3数控机床工作过程加工准备阶段机床调整阶段程序调试阶段试切加工阶段正式加工阶段检测4工件轮廓生成法工件的真实轮廓由机床执行部件的运动轨迹插补生成。yx0yx0插补类型（按脉冲当量的分配形式）： 直线插补－－沿直线分配脉冲。 圆弧插补－－沿圆弧分配脉冲。 其它插补类型（如，抛物线插补、高次曲线插补，等等）插补运算－－求解逼近轨迹上各点(x,y)坐标的数学运算。脉冲当量－－机床执行部件单位位移量，用于控制插补精度。通常，脉冲当量值由数控机床的加工精度决定。自动插补运算 直线插补：只输入执行的起点和终点坐标。 圆弧插补：输入圆弧起点、终点和圆心坐标（或半径值）由事先规定的圆弧角正负值来确定半径位于弧的哪一边常见数控系统

SIEMENSFANUC立式数控铣床（一）

数控加工程序编制的内容与步骤编制程序的目的： 用程序去实现数控加工的全部工艺规范。内容与步骤分析零件几何形状、尺寸和精度要求分析零件图选择工夹具、确定装夹方式、加工路线和切削用量等确定工艺过程根据零件图和加工路线计算基点和节点等数控关键数据数值计算按数控系统要求的格式编写程序编写程序单制备信息载体校对检查信息载体试加工修改3.2数控（铣床）编程方法（二）

编程方法手工编程

熟悉数控代码及编程规则对编程人员的要求具备机械加工工艺知识（一切CAM人员必备！）

具备数值计算能力自动编程（2种模式）（1）以自动编程语言为基础编程人员依据所用数控语言的编程手册和零件图样，以语言的形式表达出加工的全部内容（加工原始数据和加工指令），输入计算机中进行处理，得到可以直接用于数控机床的NC代码。（2）以计算机绘图为基础在对话方式下，完成零件图定义、走刀路线的确定、加工参数的选择。P236

自动编程的信息处理过程（1）语言式自动编程（P237）借助数控“高级语言”编程（例如：APT等）。（2）图形交互式自动编程（238）

在几何造型的基础上，给出加工参数，由编程软件自动生成相应的加工轨迹和加工指令。常与CAD系统集成。（a）几何造型（b）刀具路径的产生（c）后置处理（三）几个重要术语数控机床的坐标轴及运动方向规定：“工件不动”，刀具相对工件运动；直角坐标系满足右手定则和右旋定则；

机床坐标轴和运动方向；数控机床的坐标轴数与联动轴数坐标轴数－－可以用数字控制的执行部件进给运动数。联动轴数－－能够同时控制的坐标轴数。机床坐标系与工件坐标系机床坐标系－－机床固有坐标系。机床坐标系原点的确定方法。工件坐标系－－建立在工件上的坐标系。

工件坐标系原点的确定由编程人员按加工工艺要求自定。工件原点偏置：工件原点偏离机床原点的距离。工件上各点坐标的表示绝对坐标表示相对（增量）坐标表示绝对尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于坐标原点给出,如图所示。

增量尺寸指机床运动部件的坐标尺寸值相对于前一位置给出

绝对尺寸增量尺寸

数控机床坐标系的确定方法

1.假定刀具相对于固定的

工件运动

2.采用右手笛卡儿坐标系

直线坐标XYZ旋转坐标ABC附加坐标UVW

3确定顺序：Z-X-Y

（P216—P218）

4增大工件和刀具之间距离的方向为运动的正方向

数控机床坐标系原点

在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处，见左图。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X、Z坐标的正方向极限位置上。数控铣床的原点在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上，见右图车床的机床原点铣床的机床原点1、程序格式（编程规则）以人工编程G代码为例程序组成程序－－若干程序段（行）的集合；程序段（行）－－完成某个或某些特定动作的指令（代码字）集合；指令（代码字）－－由操作（地址）符和操作内容（数据）构成。例如：N001G91G00X2700X3000Z15000M03LFN002………………N017X-5000Y-4000Z14800M02LF（四）编程方法程序行内指令（代码字）的顺序及其含义模态（续）代码与一次性代码代码功能代码功能G00G01G02G03G04G06G08G09G17G18G19G33G34点位控制直线插补顺时针圆弧插补逆时针圆弧插补暂停抛物线插补加速减速XY平面选择ZX平面选择YZ平面选择螺纹切削(等螺距)螺纹切削(增螺距)G35G36~39G40G41G42G43G44G60G65~79G80G81~89G90G91螺纹切削(减螺距)内部保留取消刀具补偿刀具径向左补偿刀具径向右补偿刀具轴向正补偿刀具轴向负补偿准确定位保留用于点位控制取消固定循环固定循环#1~#9绝对坐标编程增量坐标编程常用G功能代码摘要代码功能代码功能M00M01M02M03M04M05M06M07M08M09M10M11M13程序停机任选停机程序结束主轴顺时针方向旋转主轴逆时针方向旋转主轴停转换刀开2号切削液开1号切削液关闭切削液夹紧松开主轴顺转并开切削液M14M15M16M19M30M31M32~35M40~45M50M51M60M68M69主轴逆转并开切削液正向(＋)运动反向(－)运动主轴定向停止纸带结束旁路互锁固定切削速度保留开3号切削液开4号切削液换工件工件夹紧工件松开常用M功能代码摘要加工程序的一般格式举例：%//开始符

O1000//程序名

N10G00G54X50Y30M03S3000N20G01X88.1Y30.2F500T02M08N30X90……N300M30//结束符%//程序主体2、点位、直线控制系统的程序编制以点位控制系统为例编程原则：定位准确，进给路径短。刀具到达孔位后的钻孔行程计算Z=0ZoZrZs

ZaZd

Zb例如右图其中：

注意：对于点位加工，孔径的精度由刀具自己保证（如，刀径、刀与主轴的同轴度、直线度、刚度、耐磨性等）；孔距和孔位精度由机床控制系统、机械系统和编程保证。点位加工举例：N005G91G00X2700Y3000Z15000M03;N010Z-14800;N015G01Z-1700F200;N020G00Z1700;N025X1300Y2000;N030G01Z-1700;N035G00Z1700;N040X2000;N045G01Z-1700;N050G00Z1700;N055X100Y-1500;N060G01Z-1700;N065G00Z1700;N070X-7000Y-3500Z14800M02;3·轮廓控制系统的程序编制（以铣削平面为例）（1）基点和节点计算基点－－构成零件轮廓各相邻几何元素的交点和切点。节点－－逼近线段的交点，用于处理非标准曲线或曲面（对于标准圆弧、直线和二次曲面，节点的计算可以省去）。交点切点节点节点由于刀具中心轨迹是零件轮廓的等距线，所以，只要在基点或节点计算的基础上，参照刀具半径和加工余量，便可计算出中心轨迹的全部坐标值。工件轮廓加工余量刀位点移动轨迹（2）刀具中心轨迹（即刀位点移动轨迹）计算（3）辅助程序段计算主要对刀点到切入点、切出点到刀具停止点的路径计算。（4）增量坐标计算（选项）增量相当于平移变换中的平移量。规定： 插补类型 计算对象 直线插补 终点相对起点的增量 圆弧插补 ①以起点为参考点，计算圆心相对起点的增量；

②以圆心为参考点，计算起点相对圆心的增量；注意：无论是增量编程或是绝对编程，圆弧插补均应采用增量方式。（5）脉冲数计算（选项）

要求分别计算X方向和Y方向上的脉冲数。程序段举例：

绝对坐标编程

N001G00G17G90X30Y0;N002G02X30Y0I-30F100;N003G00X0Y0M02;

增量坐标编程

N001G00G17G91X30Y0;N002G02X0Y0I-30F100;N003G00X-30Y0M02;YXA0R30（6）刀具补偿径向补偿（刀具偏置）

•含义－－刀位点径向偏离工件轮廓。补偿值

D=R+△

式中：R－－刀具半径

△－－加工余量工件轮廓加工余量刀位点移动轨迹径向补偿指令：右补偿（刀具右偏）G42－－顺着刀具前进方向看，刀具在轮廓右侧左补偿（刀具左偏）G41－－顺着刀具前进方向看，刀具在轮廓左侧。取消径向补偿G40右补偿左补偿右补偿左补偿采用刀具径向补偿编程的优越性：不考虑刀具半径，直接按工件轮廓尺寸编程；适当改变半径补偿量，以实现同一刀具，同一程序完成轮廓从粗到精的全部加工。长度补偿含义－－在Z轴方向上实现对刀具移动距离的补偿。a－工件坐标系的Z轴设定值，b－刀尖到刀柄校准面的距离，c－指令动作，d－实际移动量，e－补偿量注：事先将测定的a，b值存入刀补表中。Z轴机械原点工件坐标系的Z轴零点abcde+Z-Z长度补偿指令：G43－正补偿（如前图，e=c-d）G44－负补偿（如右图，e=d-c）G49－取消长度补偿dce采用刀具长度补偿的优越性：可实现在一次加工中使用多把长度不同的刀具，特别适合于加工中心的自动换刀系统。

N005G90G17G00G42X10Y10;//绝对坐标编程，快速移动到1点，右补偿N010G01X30F100;//直线插补到2点，主轴转速为100/mmN015G03X40Y20I0J10;//逆时针圆弧插补N020G02X30Y30I0J10;//顺时针圆弧插补N025G01X10Y20;//直线插补N030Y10;N035G00G40X0Y0M02;//点位控制到o点，取消刀具偏移，程序结束（7）轮廓加工举例先计算各点的坐标。3.3数控编程的工艺处理

1·工序、工步的划分与顺序安排（P224）

基本原则：先粗后精，先面后孔；尽量减少换刀次数和空刀路程。特殊情况：对同轴度要求很高的孔系，应一次定位，顺序换刀，依次完成该孔系的全部孔加工。2·零件装夹方法的确定和夹具选择装夹原则：

尽量减少装夹次数和时间工件坐标系与机床坐标系之间应有确定的关系

夹具的选择：尽量采用组合夹具。

3·对刀点、刀位点和换刀点对刀点－－刀具相对于工件的运动起点。刀位点－－刀具运动轨迹的基准点。

平头立铣刀球头铣刀车刀钻头线切割电极丝例如（图中红色表示基准点）：

换刀点－－换刀位置。原则：换刀时不得碰伤工件、夹具和机床。4·走刀路线

刀具相对于工件的运动轨迹（走刀路线）。路径选择原则：

（1）保证良好的加工精度和表面质量；（2）数值计算简单；（3）进给路径尽可能短。其它应考虑的问题：辅助路径（引入距离）

切入点和切出点

主要指铣削轮廓时的进刀和出刀（切向或圆弧进出刀,

）

>=d铣刀工件轮廓加工时尽量避免进给停顿；

为提高表面质量、降低粗糙度，采用多次小余量进给；加工孔系时，安排镗孔的路线应注意各孔的定位方向一致，避免反向间隙的产生。5·刀具选择

选择原则：刀具精度高，刚性好；尺寸稳定，耐磨性好；调整方便。目的：提高生产率，降低台时费用。6·切削用量的确定 切削深度a

切削用量 进给量f

切削速度vafs

图中：S为主轴转速（r/min），由切削深度

a、进给量

f和刀具耐用度计算公式或查手册得到的切削速度v或主轴转速n。

此外，选择进给量

f时，还应注意工件轮廓拐角处的“超程”和“欠程”问题。7·编程误差及其控制数控加工的误差来源：逼近误差插补误差尺寸园整误差其它：机床控制和伺服系统误差、零件定位误差、对刀误差、刀具磨损误差、刀具或工件受力（受热）变形误差，等等。编程误差控制：逼近误差（选择合适的数学近似方程）插补误差（增加插补点，合理分配插补点）

尺寸园整误差（采用合理的数据处理方法）原则：编程误差应控制在零件公差的10～20%之内。8·数控加工工艺文件（P232）3.4数控线切割编程1·编程中的工艺处理（1）偏移量f f－－切割丝半径（r）与单边放电间隙（z）之和。

（2）取件位置、切割路线和起点 引丝孔不好好最好（3）切割轨迹直接加工：切割丝轨迹通过公差带中心切割孔钼丝切割轨迹Da=D+T/2－f孔的公称尺寸DD＋T/2钼丝切割轨迹da=d－t/2＋f件的公称尺寸dd－t/2落料

为延长模具寿命 冲孔凸模－－轨迹偏向工件（孔）的正差，即凸模直径略大； 落料凹模－－轨迹偏向工件（轴）的负差，即凹模直径略小。工件工件孔D[+T]钼丝凸模轴D+(0.75~1)T切割轨迹dA=D+(0.75~1)T+f工件d[-T]凹模孔

d－(0.75~1)T切割轨迹Da=d－(0.75~1)T－f钼丝

非一次性切割：