《模具CAD/CAM/CAE》课程授课教案（讲义）第7章 模具CAM

第7章模具CAM章节教学学生领会CAM技术在模具领域内应用的重要性，掌握模具CAM的目的般过程，了解模具CAM应用软件。重点：数控编程对于模具制造的重要作用以及模具CAM的一般过程。重点难点：数控编程技术。难点教学内容：教学1.模具制造与数控加工内容2.数控编程技术基础3.数控编程软件SurfCAM介绍教学4.SurfCAM在模具制造中的应用方法教学方法：教学讲授时采用多媒体教学手段，在模具制造与数控加工知识内容方面采用师生互动的教学方法归纳总结。手段学时教学手段：课堂讲授和上机。分配学时分配：8学时1.分析注射模CAM的意义。2.章思考题模具CAM的一般流程。3.如何进行注射模CAM？[1]任秉银．模具CAD/CAE/CAM.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006.主要参考[2］李名尧．模具CAD/CAM.北京：机械工业出版社．2004.[3］童秉枢.现代CAD技术：北京：清华大学出版社，2000资料

章节 第 7 章 模具 CAM 教学 目的 学生领会 CAM 技术在模具领域内应用的重要性，掌握模具 CAM 的一 般过程，了解模具 CAM 应用软件。 重点 难点 重点：数控编程对于模具制造的重要作用以及模具 CAM 的一般过程。 难点：数控编程技术。 教学 内容 教学 方法 教学 手段 学时 分配 教学内容： 1.模具制造与数控加工 2.数控编程技术基础 3.数控编程软件 SurfCAM 介绍 4.SurfCAM 在模具制造中的应用 教学方法： 讲授时采用多媒体教学手段，在模具制造与数控加工知识内容方面采用 师生互动的教学方法归纳总结。 教学手段：课堂讲授和上机。 学时分配：8 学时 章思考题 1. 分析注射模 CAM 的意义。 2. 模具 CAM 的一般流程。 3. 如何进行注射模 CAM？ 主要 参考 资料 [1] 任秉银. 模具 CAD/CAE/CAM. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2006. [2] 李名尧. 模具 CAD/CAM. 北京：机械工业出版社. 2004. [3] 童秉枢. 现代 CAD 技术 . 北京：清华大学出版社，2000. 1

第7章模具CAM技术7.1模具制造与数控加工一、模具制造的基本要求和特点1.模具制造的基本要求为了保证产品的质量，除了设计合理的模具结构外，还必须采用先进的模具制造技术制造模具。在制造模具时，应满足以下几个基本要求：（1）制造精度高为了能生产出合格的产品和发挥模具的效能，所设计、制造的模具必须具有较高的精度。模具的精度主要是由制品精度和模具结构要求决定的，为了保证制品精度，模具的工作部分精度通常要比制品精度高2～4级，因此模具的零部件必须有足够高的制造精度。否则，将不可能生产出合格的制品。（2）使用寿命长模具是比较昂贵的工艺装备，目前模具的制造费用约占产品成本的10%~30%，其使用寿命长短将直接影响产品的成本高低。因此，除了小批量生产和新产品试制等外，一般都要求模具具有较长的使用寿命，在大批量生产中，模具的使用寿命更加重要。（3）制造周期短模具制造周期的长短主要决定于制模技术和生产管理水平的高低。为了满足生产的需要，提高产品的竞争能力，必须在保证质量的前提下，尽量缩短模具制造周期。（4）模具成本低模具成本与模具结构、模具材料、制造精度要求和加工方法等有关。模具技术人员必须根据制品的要求合理设计和制订其加工工艺。在设计和制造模具时，应根据实际情况作全面考虑，在保证制品质量的前提下，选择合适模具结构和制造方法，使模具的成本降到最低。2.模具制造的基本特点模具制造难度较大，与一般机械加工相比，具有许多特殊性。（1）制造质量高模具制造不仅要求加工精度高，而且还要求加工表面质量好。一般来说，模具工作部分的制造公差都应控制在土0.01mm以内；模具加工后的表面不仅不允许有任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度Ra都要求小于0.8？。（2）形状复杂模具的工作部分一般都是二维或三维复杂曲面，而一般机械加工的是简单几何体。（3）材料硬度高模具的硬度较高，采用了萍火工具钢或硬质合金等材料。（4）单件生产模具制造一般都是单件生产，设计和制造周期都比较长。2

第 7 章 模具 CAM 技术 7.1 模具制造与数控加工 一、模具制造的基本要求和特点 1. 模具制造的基本要求 为了保证产品的质量，除了设计合理的模具结构外，还必须采用先进的模具制造技术 制造模具。在制造模具时，应满足以下几个基本要求： （1）制造精度高 为了能生产出合格的产品和发挥模具的效能，所设计、制造的模具必须具有较高的精 度。模具的精度主要是由制品精度和模具结构要求决定的，为了保证制品精度，模具的工 作部分精度通常要比制品精度高 2 ~ 4 级，因此模具的零部件必须有足够高的制造精度。 否则，将不可能生产出合格的制品。 （2）使用寿命长 模具是比较昂贵的工艺装备，目前模具的制造费用约占产品成本的 10% ~ 30% ，其使 用寿命长短将直接影响产品的成本高低。因此，除了小批量生产和新产品试制等外，一般 都要求模具具有较长的使用寿命，在大批量生产中，模具的使用寿命更加重要。 （3）制造周期短 模具制造周期的长短主要决定于制模技术和生产管理水平的高低。为了满足生产的需 要，提高产品的竞争能力，必须在保证质量的前提下，尽量缩短模具制造周期。 （4）模具成本低 模具成本与模具结构、模具材料、制造精度要求和加工方法等有关。模具技术人员必 须根据制品的要求合理设计和制订其加工工艺。在设计和制造模具时，应根据实际情况作 全面考虑，在保证制品质量的前提下，选择合适模具结构和制造方法，使模具的成本降到 最低。 2. 模具制造的基本特点 模具制造难度较大，与一般机械加工相比，具有许多特殊性。 （1） 制造质量高 模具制造不仅要求加工精度高，而且还要求加工表面质量好。一般来 说，模具工作部分的制造公差都应控制在±0.01mm 以内；模具加工后的表面不仅不允许有 任何缺陷，而且工作部分的表面粗糙度 Ra 都要求小于 0.8?m。 （2） 形状复杂 模具的工作部分一般都是二维或三维复杂曲面，而一般机械加工的是简 单几何体。 （3） 材料硬度高 模具的硬度较高，采用了淬火工具钢或硬质合金等材料。 （4） 单件生产 模具制造一般都是单件生产，设计和制造周期都比较长。 2

二、模具制造的主要加工方法1.机械加工机械加工（即传统的切削与磨削加工）是模具制造不可缺少的一种重要的加工方法机械加工的特点是加工精度高、生产效率高。但加工复杂的形状时，加工速度慢，硬材料也难加工，材料利用率不高。2.特种加工特种加工也被称为电加工，从广义上说，特种加工是指直接利用电能、化学能、声能、光能等来去除工件上多余的材料，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中包括电火花成形加工、线切割加工、电解加工、电化学抛光、电铸、化学刻蚀、超声波加工、激光加工等。特种加工与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚，并可加工各种复杂形状的零件。特种加工在模具制造中得到了越来越广泛的应用。3.塑性加工塑性加工主要指冷挤压制模法，即将淬火过的成形模强力压入未进行硬化处理的模坏中，使成形模的形状复印在被压的模坏上，制成所需要的模具。这种成形方法不需要型面精加工，制模速度快，可以制成各种复杂型面的模具。4.铸造加工对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，可以采用简单方便的铸造法快速成形。例如：锌基合金模具，用低熔点材料锌基合金铸造模具，也称快速制模法，其制模速度快，容易制成形状复杂的模具。但模具材质较软，耐热性差，所以模具寿命短，多用于试制和小批量生产的场合。5.焊接加工焊接法制模是将加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。这种方法与整体加工相比，加工简单、尺寸大小不受限制，但精度难于保证，易残留热应变及内部应力，主要用于精度要求不高的大型模具的制造。6.数控加工数控加工是利用数控机床和数控技术完成模具零件的加工，根据零件图样及工艺要求等原始条件编制数控加工程序，输入数控系统，然后控制数控机床中刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。数控机床范围很广，在机械加工中有数控车加工、数控铣加工、数控钻加工、数控磨加工、加工中心加工：在塑性加工中有数控冲床加工、弯管机加工等：在特种成形中则有数控电火花加工、数控线切割加工、数控激光加工等。三、数控加工的特点及应用1.数控加工的特点（1）加工精度高、加工质量稳定3

二、模具制造的主要加工方法 1. 机械加工 机械加工（即传统的切削与磨削加工）是模具制造不可缺少的一种重要的加工方法。 机械加工的特点是加工精度高、生产效率高。但加工复杂的形状时，加工速度慢，硬材料 也难加工，材料利用率不高。 2. 特种加工 特种加工也被称为电加工，从广义上说，特种加工是指直接利用电能、化学能、声能、 光能等来去除工件上多余的材料，以达到一定形状、尺寸和表面粗糙度的加工方法，其中 包括电火花成形加工、线切割加工、电解加工、电化学抛光、电铸、化学刻蚀、超声波加 工、激光加工等。特种加工与工件的硬度无关，可以实现以柔克刚，并可加工各种复杂形 状的零件。特种加工在模具制造中得到了越来越广泛的应用。 3. 塑性加工 塑性加工主要指冷挤压制模法，即将淬火过的成形模强力压入未进行硬化处理的模坯 中，使成形模的形状复印在被压的模坯上，制成所需要的模具。 这种成形方法不需要型 面精加工，制模速度快，可以制成各种复杂型面的模具。 4. 铸造加工 对于一些精度和使用寿命要求不高的模具，可以采用简单方便的铸造法快速成形。例 如：锌基合金模具，用低熔点材料锌基合金铸造模具，也称快速制模法，其制模速度快， 容易制成形状复杂的模具。但模具材质较软，耐热性差，所以模具寿命短，多用于试制和 小批量生产的场合。 5. 焊接加工 焊接法制模是将加工好的模块焊接在一起，形成所需的模具。这种方法与整体加工相 比，加工简单、尺寸大小不受限制，但精度难于保证，易残留热应变及内部应力，主要用 于精度要求不高的大型模具的制造。 6. 数控加工 数控加工是利用数控机床和数控技术完成模具零件的加工，根据零件图样及工艺要求 等原始条件编制数控加工程序，输入数控系统，然后控制数控机床中刀具与工件的相对运 动，以完成零件的加工。数控机床范围很广，在机械加工中有数控车加工、数控铣加工、 数控钻加工、数控磨加工、加工中心加工；在塑性加工中有数控冲床加工、弯管机加工等； 在特种成形中则有数控电火花加工、数控线切割加工、数控激光加工等。 三、数控加工的特点及应用 1. 数控加工的特点 （1） 加工精度高、加工质量稳定 3

数控机床的机械传动系统和结构都有较高的精度、刚度和热稳定性，零件的加工精度和质量由机床保证，完全消除了操作者的人为误差，所以数控机床的加工精度高，加工误差一般能控制在0.0050.1mm以内，而且同一批零件加工尺寸的一致性好，加工质量稳定。（2）加工生产效率高数控机床结构刚性好、功率大、能自动进行切削加工，所以能选择较大的、合理的切削质量，并能自动完成整个切削加工过程，大大缩短机动加工时间。数控机床定位精度高，可省去加工过程中的中间检测，提高生产效率。（3）对零件加工适应性强因数控机床能实现几个坐标联动，加工程序可对加工零件的要求而变换，所以它的适应性和灵活性很强，可以加工普通机床无法加工的形状复杂的零件。（4）有利于生产管理数控机床加工，能准确地计算出零件的加工工时，并有效地简化刀具、夹具、量具和半成品的管理工作。加工程序是用数学信息的标准代码输入，有利于与计算机连接，由计算机来控制和管理生产。2.数控加工的适用范围数控加工的零件一致性好，质量稳定，加工精度高。但是，数控加工设备昂贵，加工准备周期长。因此，数控加工有其适用范围：（1）最适合零件形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件：复杂曲线轮廓或复杂曲面的零件：难测量、难控制进给、难控制尺寸的具有内腔的壳体或盒形零件；必须在一次装卡中合并完成铣、镗、、铰或攻丝等多道工序的零件。（2）较合适类零件在通用机床上加工时极易受人为因素干扰、材料又昂贵的零件：在通用机床上必须有复杂专用工装的零件；需要多次更改设计后才能定型的零件。（3）不适合类零件装卡困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件：加工余量很不稳定的零件。3.数控加工在模具制造中的应用数控加工方式为模具提供了丰富的生产手段，每一类模具都有其最合适的加工方式。一般而言，对于旋转类模具，一般采用数控车加工，如车外圆、车孔、车平面、车锥面等。酒瓶、酒杯、保龄球、方向盘等模具，都可以采用数控车削加工。对于复杂的外形轮廓或带曲面模具，电火花成形加工用电极，一般采用数控铣加工，如注射模、压铸模等，都可以采用数控铣加工。对于微细复杂形状、特殊材料模具、塑料镶拼型腔及嵌件、带异型槽的模具，都可以采用数控电火花线切割加工。4

数控机床的机械传动系统和结构都有较高的精度、刚度和热稳定性，零件的加工精度 和质量由机床保证，完全消除了操作者的人为误差，所以数控机床的加工精度高，加工误 差一般能控制在 0.005 ~ 0.1mm 以内，而且同一批零件加工尺寸的一致性好，加工质量稳 定。 （2） 加工生产效率高 数控机床结构刚性好、功率大、能自动进行切削加工，所以 能选择较大的、合理的切削质量，并能自动完成整个切削加工过程，大大缩短机动加工时 间。数控机床定位精度高，可省去加工过程中的中间检测，提高生产效率。 （3） 对零件加工适应性强 因数控机床能实现几个坐标联动，加工程序可对加工零 件的要求而变换，所以它的适应性和灵活性很强，可以加工普通机床无法加工的形状复杂 的零件。 （4） 有利于生产管理 数控机床加工，能准确地计算出零件的加工工时，并有效地 简化刀具、夹具、量具和半成品的管理工作。加工程序是用数字信息的标准代码输入，有 利于与计算机连接，由计算机来控制和管理生产。 2. 数控加工的适用范围 数控加工的零件一致性好，质量稳定，加工精度高。但是，数控加工设备昂贵，加工 准备周期长。因此，数控加工有其适用范围： （1） 最适合零件 形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工 但很难保证产品质量的零件；复杂曲线轮廓或复杂曲面的零件；难测量、难控制进给、难 控制尺寸的具有内腔的壳体或盒形零件；必须在一次装卡中合并完成铣、镗、锪、铰或攻 丝等多道工序的零件。 （2） 较合适类零件 在通用机床上加工时极易受人为因素干扰、材料又昂贵的零件； 在通用机床上必须有复杂专用工装的零件；需要多次更改设计后才能定型的零件。 （3） 不适合类零件 装卡困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量 很不稳定的零件。 3. 数控加工在模具制造中的应用 数控加工方式为模具提供了丰富的生产手段，每一类模具都有其最合适的加工方式。 一般而言，对于旋转类模具，一般采用数控车加工，如车外圆、车孔、车平面、车锥 面等。酒瓶、酒杯、保龄球、方向盘等模具，都可以采用数控车削加工。 对于复杂的外形轮廓或带曲面模具，电火花成形加工用电极，一般采用数控铣加工， 如注射模、压铸模等，都可以采用数控铣加工。 对于微细复杂形状、特殊材料模具、塑料镶拼型腔及嵌件、带异型槽的模具，都可以 采用数控电火花线切割加工。 4

模具的型腔、型孔，可以采用数控电火花成形加工，包括各种塑料模、橡胶模、锻模、压铸模、压延拉伸模等。对精度要求较高的解析几何曲面，可以采用数控磨削加工。总之，各种数控加工方法，为模具加工提供了各种可供选择的手段。随着数控加工技术的发展，越来越多的数控加工方法应用到模具制造中，各种先进制造技术的采用，使模具制造的前景更加广阔。四、数控加工编程技术的发展概况（一）数控加工编程技术的发展为了解决数控加工中的程序编制问题，20世纪50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（AutomaticallyProgrammedTool）。其后：APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APTAC（Advancedcontouring）（增加切削数据库管理系统）和APT/SS（SculpturedSURFace）（增加雕塑曲面加工编程功能)等增强版本。采用APT语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的”汇编语言”级，上升到面向几何元素。APT仍有许多不便之处，例如采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接：不容易作到高度的自动化、集成化。针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为CATIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII，INTERGRAPHPro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件儿何形状的显示、交互设计、修改及力具轨迹生成、走力过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。到了8O年代，在CAD/CAM一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展在集成化方面，以开发符合STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。（二）数控加工NC（NumericalControl）刀具轨迹生成方法研究发展的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。1.基于点、线、面和体的NC刀具轨迹生成方法5

模具的型腔、型孔，可以采用数控电火花成形加工，包括各种塑料模、橡胶模、锻模、 压铸模、压延拉伸模等。 对精度要求较高的解析几何曲面，可以采用数控磨削加工。 总之，各种数控加工方法，为模具加工提供了各种可供选择的手段。随着数控加工技 术的发展，越来越多的数控加工方法应用到模具制造中，各种先进制造技术的采用，使模 具制造的前景更加广阔。 四、数控加工编程技术的发展概况 （一）数控加工编程技术的发展 为了解决数控加工中的程序编制问题，20 世纪 50 年代，MIT 设计了一种专门用于机 械零件数控加工程序编制的语言，称为 APT（Automatically Programmed Tool）。其后， APT 几经发展，形成了诸如 APTII、APTIII（立体切削用）、APTAC（Advanced contouring） (增加切削数据库管理系统)和 APT/SS（Sculptured SURFace）(增加雕塑曲面加工编程功 能)等增强版本。 采用 APT 语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从 面向机床指令的"汇编语言"级，上升到面向几何元素。APT 仍有许多不便之处，例如采用 语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、 刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和 CAD 数据库和 CAPP 系统有 效连接；不容易作到高度的自动化、集成化。 针对 APT 语言的缺点，1978 年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC 加工 一体化的系统，称为 CATIA。随后很快出现了象 EUCLID，UGII，INTERGRAPH， Pro/Engineering，MasterCAM 及 NPU/GNCP 等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、 零件几何形状的显示、交互设计、修改及刀具轨迹生成、走刀过程的仿真显示、验证等问 题，推动了 CAD 和 CAM 向一体化方向发展。到了 80 年代，在 CAD/CAM 一体化概念的基础 上，逐步形成了计算机集成制造系统（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，为了适应 CIMS 及 CE 发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发展。 在集成化方面，以开发符合 STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data） 标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热 点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。 （二）数控加工 NC（Numerical Control）刀具轨迹生成方法研究发展的现状 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。 1. 基于点、线、面和体的 NC 刀具轨迹生成方法 5

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，人机交互较复杂。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，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。2.基于特征的NC刀具轨迹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再对那些低层次的儿何信息（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。特征加工有利于实现从CAD、CAPP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。7.2数控编程技术基础一、数控编程一般步骤1）分析零件图样和工艺处理包括以下内容：A）确定加工方案B）工夹具的选择C）选择编程原点和编程坐标系D）选择合理的走刀路线E）合理选择刀具F）确定合理的切削用量2）数学处理：根据零件的几何尺寸和加工路线，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。3）编写零件加工程序单6

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，人机交互较复 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，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。 2. 基于特征的 NC 刀具轨迹生成方法 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再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。 特征加工有利于实现从 CAD、CAPP 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。 7.2 数控编程技术基础 一、数控编程一般步骤 1) 分析零件图样和工艺处理包括以下内容： A) 确定加工方案 B) 工夹具的选择 C) 选择编程原点和编程坐标系 D) 选择合理的走刀路线 E) 合理选择刀具 F) 确定合理的切削用量 2) 数学处理：根据零件的几何尺寸和加工路线，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数 据。 3) 编写零件加工程序单 6

4）制备控制介质，把编制好的程序单上内容记录在控制介质上作为数控装置的输入信息输入到数控系统。控制介质的种类如下：①穿孔纸带：目前常用8单位和5单位穿孔纸带：②数据磁带：③软磁盘。也有数控机床与计算机通过RS-232标准串行接口或网络接口连接起来，则不再采用控制介质传递信息。有的时候，利用数控机床操作面板上的键盘采用手动数据输入，将缩编好的程序直接输入到数控系统中。5）程序检验与首件试切。二、数控编程常用方法数控编程常用方法有两种方法：手工编程和自动编程。手工编程：编制零件数控加工程序的各个步骤均由人工完成。自动编程：利用计算机来完成数控加工程序的编制。按照操作方式的不同，自动编程方法分为APT语言编程和图像编程。1）APT语言编程：编程人员利用该语言书写零件程序，将其输入计算机，经计算机APT编程系统编译，产生数控加工程序（.nc）。2）图像编程：以图形要素为输入方式，不需要数控语言。零件几何形状的输入、刀具相对于工件的运动方式的定义、加工过程的动态仿真显示、刀位验证、数控加工程序的生成等均在图形交互方式下进行。目前在我国应用较多的集成化图像数控编程系统有：CADAM、CATIA、EUKLID、UGII、Mastercam、Pro/Engineering、SurfCAM及NPU/GNCP（西北工业大学开发研制）等。图像数控编程系统实质上是一个集成化的CAD\CAM系统，一般由几何造型、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀位验证、后置处理、计算机图形显示、数据库管理、运行控制及用户界面等部分组成。例如SurfCAM是由美国SOFTWARE公司所研制的专门在微机上运行的一个图像数控编程系统，其编程能力包括：多坐标点位加工编程；表面区域加工编程；轮廓加工编程；型槽加工编程。整个系统不同模块之间采用文件传输数据，具有IGES标准接口。特别适用于具有复杂外形及各种空间曲面的模具类零件的自动编程。三、数控编程加工基本原理1.插补运算在数控机床上加工直线或圆弧，实质上是数控装置根据有关的信息指令进行”数据密化的工作。例如要加工一段圆弧，已知条件仅是该圆弧的起点、终点和圆心的坐标及半径值，要想把圆弧段光滑地描述出来，就必须把圆弧段起点到终点之间各点坐标值计算出来，并将它们填补到起点和终点之间。通常把这种填补空白的“数据密化”工作称为插补，把计算插点的运算称为插补运算，把实现插补运算的装置叫做插补器。7

4) 制备控制介质，把编制好的程序单上内容记录在控制介质上作为数控装置的输入信息 输入到数控系统。控制介质的种类如下：①穿孔纸带：目前常用 8 单位和 5 单位穿孔 纸带；②数据磁带；③软磁盘。 也有数控机床与计算机通过 RS-232 标准串行接口或网络接口连接起来，则不再采用 控制介质传递信息。有的时候，利用数控机床操作面板上的键盘采用手动数据输入，将编 好的程序直接输入到数控系统中。 5) 程序检验与首件试切。 二、数控编程常用方法 数控编程常用方法有两种方法：手工编程和自动编程。 手工编程：编制零件数控加工程序的各个步骤均由人工完成。 自动编程：利用计算机来完成数控加工程序的编制。按照操作方式的不同，自动编程 方法分为 APT 语言编程和图像编程。 1） APT 语言编程： 编程人员利用该语言书写零件程序，将其输入计算机，经计算机 APT 编程系统编译， 产生数控加工程序（.nc）。 2） 图像编程： 以图形要素为输入方式，不需要数控语言。零件几何形状的输入、刀具相对于工件的 运动方式的定义、加工过程的动态仿真显示、刀位验证、数控加工程序的生成等均在图形 交互方式下进行。目前在我国应用较多的集成化图像数控编程系统有：CADAM、CATIA、 EUKLID、UGII、Mastercam、Pro/Engineering、SurfCAM 及 NPU/GNCP（西北工业大学开发 研制）等。 图像数控编程系统实质上是一个集成化的 CAD\CAM 系统，一般由几何造型、 刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀位验证、后置处理、计算机图形显示、数据库管理、运 行控制及用户界面等部分组成。例如 SurfCAM 是由美国 SOFTWARE 公司所研制的专门在微 机上运行的一个图像数控编程系统，其编程能力包括：多坐标点位加工编程；表面区域加 工编程；轮廓加工编程；型槽加工编程。整个系统不同模块之间采用文件传输数据，具有 IGES 标准接口。特别适用于具有复杂外形及各种空间曲面的模具类零件的自动编程。 三、数控编程加工基本原理 1． 插补运算 在数控机床上加工直线或圆弧，实质上是数控装置根据有关的信息指令进行"数据密 化"的工作。例如要加工一段圆弧，已知条件仅是该圆弧的起点、终点和圆心的坐标及半 径值，要想把圆弧段光滑地描述出来，就必须把圆弧段起点到终点之间各点坐标值计算出 来，并将它们填补到起点和终点之间。通常把这种填补空白的"数据密化"工作称为插补， 把计算插点的运算称为插补运算，把实现插补运算的装置叫做插补器。 7

由于数控装置具有插补运算的功能，所以控制介质上只要记录有限的信息指令，如加工直线只需记录直线的起点和终点的坐标信息；加工圆弧只需记录圆弧的半径、起点、终点坐标，顺转、逆转等信息，数控装置就能利用这些有限的信息指令进行插补运算，将直线和圆弧的各点数值算出并发送相应的脉冲信号，通过伺服机构控制机床加工出直线和圆弧形状。插补方法有许多，例如逐点比较法、数字积分法、比较积分法、时差法、失量判别法、最小偏差法、直接函数运算法等等。2.平面轮廓的加工一个零件的轮廓往往由许多不同的几何元素所组成，如直线、圆弧、二次曲线、螺旋线等。各几何元素之间的连接点称为基点。目前一般的数控机床均具有直线和圆弧插补功能。因此，可以将组成零件轮廓的曲线，按数控系统插补功能，在满足允许的编程误差的条件下进行分割，即用若干直线段或圆弧段来逼近给定的曲线，逼近线段的交点称为节点。3.曲面轮廓的加工立体曲面可以根据编程允差，将曲面分割成不同的加工截面。各加工截面一般采用二轴半、三轴、四轴、五轴等插补联动加工。四、数控系统简介数控系统是数控机床和数控编程的核心部分。用户在编写数控加工程序之前，必须清楚地了解机床数控系统的功能，只有这样才能编写出正确的加工程序来。常见的数控系统类型有许多种，比如FUNUC、SIEMENS等。1：FUNUC-6M、6T数控系统FUNUC公司创建于1956年。FUNUC-6M数控系统于1979年研制成功，适用于数控铣床和加工中心，FUNUC-6T数控系统适用于数控车床。FUNUC-6M数控系统的主要功能：1）控制轴：X、Y、Z三轴和A、B、C三个辅助轴中的一个，可控制4轴，实现三轴联动。2）加工功能（G代码）参见表6-1。3）辅助功能（M代码）参见表6-2。4)最小设定单位：公制为0.001mm，英制为0.0001in，角度为0.001°。5）外部设备：8单位纸带阅读机，采用RS-232C接口功能后可以实现打印输出具有力具长度补偿和刀具平径补偿功能，可以实现直线、圆弧插补和一些固定加工功能。2.SIEMENS数控系统8

由于数控装置具有插补运算的功能，所以控制介质上只要记录有限的信息指令，如加 工直线只需记录直线的起点和终点的坐标信息；加工圆弧只需记录圆弧的半径、起点、终 点坐标，顺转、逆转等信息，数控装置就能利用这些有限的信息指令进行插补运算，将直 线和圆弧的各点数值算出并发送相应的脉冲信号，通过伺服机构控制机床加工出直线和圆 弧形状。 插补方法有许多，例如逐点比较法、数字积分法、比较积分法、时差法、矢量判别法、最 小偏差法、直接函数运算法等等。 2．平面轮廓的加工 一个零件的轮廓往往由许多不同的几何元素所组成，如直线、圆弧、二次曲线、螺旋 线等。各几何元素之间的连接点称为基点。 目前一般的数控机床均具有直线和圆弧插补 功能。因此，可以将组成零件轮廓的曲线，按数控系统插补功能，在满足允许的编程误差 的条件下进行分割，即用若干直线段或圆弧段来逼近给定的曲线，逼近线段的交点称为节 点。 3．曲面轮廓的加工 立体曲面可以根据编程允差，将曲面分割成不同的加工截面。各加工截面一般采用二 轴半、三轴、四轴、五轴等插补联动加工。 四、数控系统简介 数控系统是数控机床和数控编程的核心部分。用户在编写数控加工程序之前，必须清 楚地了解机床数控系统的功能，只有这样才能编写出正确的加工程序来。常见的数控系统 类型有许多种，比如 FUNUC、SIEMENS 等。 1． FUNUC-6M、6T 数控系统 FUNUC 公司创建于 1956 年。FUNUC-6M 数控系统于 1979 年研制成功，适用于数控铣床 和加工中心，FUNUC-6T 数控系统适用于数控车床。 FUNUC-6M 数控系统的主要功能： 1） 控制轴：X、Y、Z 三轴和 A、B、C 三个辅助轴中的一个，可控制 4 轴，实现三轴联动。 2） 加工功能（G 代码）参见表 6-1。 3） 辅助功能（M 代码）参见表 6-2。 4） 最小设定单位：公制为 0.001mm,英制为 0.0001in,角度为 0.001°。 5） 外部设备：8 单位纸带阅读机，采用 RS-232C 接口功能后可以实现打印输出。 具有刀具长度补偿和刀具半径补偿功能，可以实现直线、圆弧插补和一些固定加工功 能。 2． SIEMENS 数控系统 8

SIEMENS数控系统是SIEMENS公司研制开发的数控系统，7O年代推出SINUMERIK-6T、6M、7T、7M数控系统；80年代推出SINUMERIK-8T、8M、8MC、850T、850M数控系统。例如SINUMERIK-8M数控系统适用于车、铣、镗和其他各种工艺，最多可扩展到12轴，可实现多坐标轴联动。五、数控编程基本概念1.机床坐标系、坐标轴方向机床坐标系（标准坐标系）：机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的。为了确定机床的运动方向、移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系叫做机床坐标系（标准坐标系）。数控机床上的坐标系采用的是右手直角笛卡儿坐标系。机床坐标系方向的确定：Z方向：乙轴平行于主轴轴线。其正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。X方向：X轴水平，当从刀具主轴向立柱看时，X运动的正方向指向右。Y方向：Y轴根据右手直角笛卡儿坐标系判断。2.工件坐标系工件坐标系：工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系工件坐标系的原点即为工件零点。工件零点的位置是任意的，它由编程人员根据零件的特点而定。在机床上可以任意设置若干个工件坐标系。当工件坐标系设定后，如果在程序中写成：G90G54X30.0Y40.0时，机床就会向预先设定的G54工件坐标系中的A点（30.0，40.0）处移动。同样，如果在程序中写成：G90G59X30.0Y40.0时，机床就会向预先设定的G59工件坐标系中的B点（30.0，40.0）处移动。3.编程方式编程有两种方式：1）绝对编程方式：终点的位置是由所设定的坐标系的坐标值所给定的，指令代码为G90。2）相对编程方式：终点的位置是相对前一位置的增量值及移动方向所给定的，指令代码为 G91。4.数控程序的构成数控程序是为使机床运转而给数控装置的一系列指令的集合所构成的。程序由程序段构成，每个程序段由字和”：”构成。而字由地址符（由英文字母AZ构成）和数值构成。例：00001程序号，由0字母加4位数值表示NO1G92X-25.0Y10.0Z40.0；以下为程序段N02G90G0OZ16.0S30OM03;9

SIEMENS 数控系统是 SIEMENS 公司研制开发的数控系统，70 年代推出 SINUMERIK-6T、 6M、7T、7M 数控系统；80 年代推出 SINUMERIK-8T、8M、8MC、850T、850M 数控系统。例 如 SINUMERIK-8M 数控系统适用于车、铣、镗和其他各种工艺，最多可扩展到 12 轴，可实 现多坐标轴联动。 五、数控编程基本概念 1．机床坐标系、坐标轴方向 机床坐标系（标准坐标系）：机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的。为了确 定机床的运动方向、移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系叫做机床坐标 系（标准坐标系）。数控机床上的坐标系采用的是右手直角笛卡儿坐标系。机床坐标系方 向的确定： Z 方向：Z 轴平行于主轴轴线。其正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。 X 方向：X 轴水平，当从刀具主轴向立柱看时，X 运动的正方向指向右。 Y 方向：Y 轴根据右手直角笛卡儿坐标系判断。 2．工件坐标系 工件坐标系：工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系， 工件坐标系的原点即为工件零点。工件零点的位置是任意的，它由编程人员根据零件的特 点而定。在机床上可以任意设置若干个工件坐标系。 当工件坐标系设定后，如果在程序中写成：G90G54X30.0Y40.0 时，机床就会向预先设定的 G54 工件坐标系中的 A 点（30.0，40.0）处移动。同样，如果在程序中写成：G90G59X30.0Y40.0 时，机床就会向预先设定的 G59 工件坐标系中的 B 点（30.0，40.0）处移动。 3．编程方式 编程有两种方式： 1） 绝对编程方式：终点的位置是由所设定的坐标系的坐标值所给定的，指令代码为 G90。 2） 相对编程方式：终点的位置是相对前一位置的增量值及移动方向所给定的，指令代码 为 G91。 4．数控程序的构成 数控程序是为使机床运转而给数控装置的一系列指令的集合所构成的。程序由程序段 构成，每个程序段由字和";"构成。而字由地址符（由英文字母 A~Z 构成）和数值构成。 例： O0001 程序号,由 O 字母加 4 位数值表示 N01 G92 X-25.0 Y10.0 Z40.0; 以下为程序段 N02 G90 G00 Z16.0 S300 M03; 9

1N12 G00 G40 X-25.0 Y10.0 Z40.0M09;N13M30:5.刀具轨迹与刀位点刀具轨迹：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，系统以图形方式显示。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：指车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、端铣刀刀头底面的中心；球头铣刀的球头中心。6.刀具长度补偿与半径补偿在目前CNC系统中，一般都具有刀具长度补偿与半径补偿功能。（1）刀具长度补偿在数控系统中，刀具长度一般都无须考虑。程序运动假设机床主轴轴端相对于工件运动。在加工前，采用对刀仪测量刀尖（或刀心）到刀柄与主轴轴端基础基准的长度（即刀具长度），并将刀具长度值输入CNC系统的刀具寄存器中，当该刀具被采用时，CNC系统自动进行刀具长度补偿，使刀尖（或刀心）沿程序要求的轨迹移动。(2）刀具半径补偿在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓。在进行内轮廓加工时，刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移习惯上称为刀具半径补偿。刀具半径补偿通常不是程序编制人员完成的，程序编制人员只是按零件的加工轮廓编制程序，同时使用G41、G42、G40告诉CNC系统刀具是沿零件内轮廓运动还是沿零件外轮廓运动。实际的刀具半径补偿是在CNC系统内部由计算机自动完成的。刀具半径值是通过刀具号H来指定的。刀具半径补偿不仅能自动完成刀具中心轨迹的偏置，而且能自动完成直线与直线的转接、圆弧与圆弧转接和直线与圆弧转接等尖角过度功能。右刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向右边时称为右刀具补偿，用G42表示。左刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向左边时称为左刀具补偿，用G41表示。对于多坐标数控加工，一般的CNC系统还没有刀具半径补偿功能，需要编程人员编程时考虑刀具半径。10

┇ N12 G00 G40 X-25.0 Y10.0 Z40.0 M09; N13 M30; 5. 刀具轨迹与刀位点 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，系统以图形方式显示。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：指车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、端铣刀刀头底面的中心；球头 铣刀的球头中心。 6. 刀具长度补偿与半径补偿 在目前 CNC 系统中，一般都具有刀具长度补偿与半径补偿功能。 (1) 刀具长度补偿 在数控系统中，刀具长度一般都无须考虑。程序运动假设机床主轴轴端相对于工件运 动。在加工前，采用对刀仪测量刀尖（或刀心）到刀柄与主轴轴端基础基准的长度（即刀 具长度），并将刀具长度值输入 CNC 系统的刀具寄存器中，当该刀具被采用时，CNC 系统 自动进行刀具长度补偿，使刀尖（或刀心）沿程序要求的轨迹移动。 (2) 刀具半径补偿 在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所需加 工零件的实际轮廓。在进行内轮廓加工时，刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径 值。在进行外轮廓加工时，刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移习 惯上称为刀具半径补偿。 刀具半径补偿通常不是程序编制人员完成的，程序编制人员只是按零件的加工轮廓编 制程序，同时使用 G41、G42、G40 告诉 CNC 系统刀具是沿零件内轮廓运动还是沿零件外轮 廓运动。实际的刀具半径补偿是在 CNC 系统内部由计算机自动完成的。刀具半径值是通过 刀具号 H 来指定的。刀具半径补偿不仅能自动完成刀具中心轨迹的偏置，而且能自动完成 直线与直线的转接、圆弧与圆弧转接和直线与圆弧转接等尖角过度功能。 右刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向右边时称为右刀具补偿，用 G42 表 示。 左刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向左边时称为左刀具补偿，用 G41 表 示。 对于多坐标数控加工，一般的 CNC 系统还没有刀具半径补偿功能，需要编程人员编程 时考虑刀具半径。 10