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1、第1章 数控加工技术概述1.1 数控加工的特点数控加工，也称之为NC（Numerical Contorl）加工，是以数值与符号构成的信息，控制机床实现自动运转。数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度；二是加工质量的重复性，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。也就是说加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的。数控加工具有如下优点：（1） 提高生产效率；（2） 不需熟练的机床操作人员；（3） 提高加工精度并且保持加工质量；（4） 可以减少工装卡具；（
2、5） 可以减少各工序间的周转，原来需要用多道工序完成的工件，用数控加工可以一次装卡完成，缩短加工周期，提高生产效率。（6） 容易进行加工过程管理；（7） 可以减少检查工作量；（8） 可以降低废、次品率；（9） 便于设计变更，加工设定柔性；（19） 容易实现操作过程的自动化，一个人可以操作多台机床；（11） 操作容易，极大减轻体力劳动强度随着制造设备的数控化率不断提高，数控加工技术在我国得到日益广泛的使用，在模具行业，掌握数控技术与否及加工过程中的数控化率的高低已成为企业是否具有竞争力的象征。数控加工技术应用的关键在于计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统的质量。如何进行数控加工程序的编制是
3、影响数控加工效率及质量的关键，传统的手工编程方法复杂、烦琐，易于出错，难于检查，难以充分发挥数控机床的功能。在模具加工中，经常遇到形状复杂的零件，其形状用自由曲面来描述，采用手式编程方法基本上无法编制数控加工程序。近年来，由于计算机技术的迅速发展，计算机的图形处理功能有了很大增强，基于CAD/CAM技术进行图形交互的自动编程方法日趋成熟，这种方法速度快、精度高、直观、使用简便和便于检查。CAD/CAM技术在工业发达国家已得到广泛使用。近年来在国内的应用也越来越普及，成为实现制造业技术进步的一种必然趋势。1.2 数控机床20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院（MI
4、T）伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于是1957年投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究的发展。我国于是1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，目前的数控机床已经在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。数控机床种类繁多，一般将数控机床分为16大类：l 数控车床（含有铣削功能的车削中心）l 数
5、控铣床（含铣削中心）l 数控镗床l 以铣镗削为主的加工中心l 数控磨床（含磨削中心）l 数控钻床（含钻削中心）l 数控拉床l 数控刨床l 数控切断机床l 数控齿轮加工机床l 数控激光加工机床l 数控电火花切割机床（含电加工中心）l 数控板材成型加工机床l 数控管料成型加工机床l 其他数控机床模具制造常用数控加工机床有：数控铣床、数控电火花成型机床、数控电火花线切割机床、数控磨床和数控车床。数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其它辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系统的指令驱
6、动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件（工作台、转台、滑板等）的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如：固定循环（能进行重复加工）、自动换刀（可交换指定的刀具）、传动间隙补偿（补偿机械传动系统产生的间隙误差）等等。在数控加工中，数控铣削加工最为复杂，需解决的问题也最多。除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点，本书将重点介绍对数控加工程序编制具有指导意义的数控铣削加工的数控编
7、程。1.3 数控加工数控加工是将待加工零件进行数字化表达，数控机床按数字量控制刀具 和零件的运动，从而实现零件加工的过程。被加工零件采用线架、曲面、实体等几何体来表示，CAM系统在零件几何体基础上生成刀具轨迹，经过后置处理生成加工代码，将加工代码通过传输介质传给数控机床，数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。其过程如下图所示：【零件信息】【CAD系统造型】【CAM系统生成加工代码】【数控机床】【零件】（1）零件数据准备：系统自设计和造型功能或通过数据接口传入CAD数据，如STEP，IGES，SAT，DXF，X-T等；在实际的数控加工中，零件数据不仅仅来自图纸，特别在广泛采用Interne
8、t网的今天，零件数据往往通过测量或通过标准数据接口传输等方式得到。（2）确定粗加工、半精加工和精加工方案。（3）生成各加工步骤的刀具轨迹。（4）刀具轨迹仿真。（5）后置输出加工代码。（6）输出数控加工工艺技术文件。（7）传给机床实现加工。1.4 数控编程系统数控加工机床与编程技术两者的发展是紧密相关的。数控加工机床的性能提升推动了编程技术的发展，而编程手段的提高也促进了数控加工机床的发展，二者相互依赖。现代数控技术下在向高精度、高效率、高柔性和智能化方向发展，而编程方式也越来越丰富。数控编程可分为机内编程和机外编程。机内编程指利用数控机床本身提供的交互功能进行编程，机外编程则是脱离数控机床本身
9、在其他设备上进行编程。机内编程的方式随机床的不同而异，可以“手工”方式逐行输入控制代码（手工编程）、交互方式输入控制代码（会话编程）、图形方式输入控制代码（图形编程），甚至可以语音方式输入控制代码（语音编程）或通过高级语言方式输入控制代码（高级语言编程）。但机内编程一般来说只适用于简单形体，而且效率较低。机外编程也可以分成手工编程、计算机辅助APT编程和CAD/CAM编程等方式。机外编程由于其可以脱离数控机床进行数控编程，相对机内编程来说效率较高，是普遍采用的方式。随着编程技术的发展，机外编程处理能力不断样强，已可以进行十分复杂形体的灵敏控加工编程。在20世纪50年代中期，MIT伺服机构实验室
10、实现了自动编程，并公布了其研究成果，即APT系统。60年代初，APT系统得到发展，可以解决三维物体的连续加工编程，以后经过不断的发展，具有了雕塑曲面的编程功能。APT系统所用的基本概念和基本思想，对于自动编程技术的发展具有深远的意义，即使目前，大多数自动编程系统也在沿用其中的一些模式。如编程中的三个控制面：零件面（PS）、导动面（DS）、检查面（CS）的概念：刀具与检查面的ON、TO、PAST关系等等。随着微电子技术和CAD技术的发展，自动编程系统也逐渐过渡到以图形交互为基础的与CAD集成的CAD/CAM系统为主的编程方法。与以前的语言型自动编程系统相比，CAD/CAM集成系统可以提供单一准确
11、的产品几何模型，几何模型的产生和处理手段灵活、多样、方便，可以实现设计、制造一体化。虽然数控编程的方式多种多样，毋庸置疑，目前占主导地位的是采用CAD/CAM数控编程系统进行编程。1.5 CAD/CAM系统20世纪90年代以前，市场是销售的CAD/CAM软件基本上为国外的软件系统。90年代以后国内在CAD/CAM技术研究和软件开发方面进行了卓有成效的工作，尤其是在以PC机动性平台的软件系统。其功能已能与国外同类软件相当，并在操作性、本地化服务方面具有优势。一个好的数控编程系统，已经不是一种仅仅是绘图，做轨迹，出加工代码，他还是一种先进的加工工艺的综合，先进加工经验的记录，继承，和发展。北航海尔
12、软件公司经过多年来的不懈努力，推出了CAXA制造工程师数控编程系统。这套系统集CAD、CAM于一体，功能强大、易学易用、工艺性好、代码质量高，现在已经在全国上千家企业的使用，并受到好评，不但降低了投入成本，而且提高了经济效益。CAXA制造工程师数编程系统，现正在一个更高的起点上腾飞。1.6 利用CAXA制造工程师CAD/CAM系统进行自动编程的基本步骤CAM系统的编程基本步骤如下：l 理解二维图纸或其它的模型数据l 建立加工模型或通过数据接口读入l 确定加工工艺（装卡、刀具等）l 生成刀具轨迹l 加工仿真l 产生后置代码l 输出加工代码现在分别予以说明。1加工工艺的确定加工工艺的确定目前主要依
13、靠人工进行，其主要内容有：l 核准加工零件的尺寸、公差和精度要求l 确定装卡位置l 选择刀具l 确定加工路线l 选定工艺参数2加工模型建立利用CAM系统提供的图形生成和编辑功能将零件的被加工部位绘制计算机屏幕上。作为计算机自动生成刀具轨迹的依据。加工模型的建立是通过人机交互方式进行的。被加工零件一般用工程图的形式表达在图纸上，用户可根据图纸建立三维加工模型。针对这种需求，CAM系统应提供强大几何建模功能，不仅应能生成常用的直线和圆弧，还应提供复杂的样条曲线、组合曲线、各种规则的和不规则的曲面等的造型方法，并提供种过渡、裁剪、几何变换等编辑手段。被加工零件数据也可能由其他CAD/CAM系统传入，
14、因此CAM系统针对此类需求应提供标准的数据接口，如DXF、IGES、STEP等。由于分工越来越细，企业之间的协作越来越频繁，这种形式目前越来越普遍。被加工零件的外形不可能是由测量机测量得到，针对此类的需求，CAM系统应提供读入测量数据的功能，按一定的格式给出的数据，系统自动生成零件的外形曲面。3刀具轨迹生成建立了加工模型后，即可利用CAXA制造工程师系统提供的多种形式的刀具轨迹生成功能进行数控编程。CAXA制造工程师中提供了十余种加工轨迹生成的方法。用户可以根据所要加工工件的形状特点、不同的工艺要求和精度要求，灵活的选用系统中提供的各种加工方式和加工参数等，方便快速地生成所需要的刀具轨迹即刀具
15、的切削路径。CAXA制造工程师在研制过程中深入工厂车间并有自己的实验基地，它不仅集成了北航多年科研方面的成果，也集成了工厂中的加工工艺经验，它是二者的完美结合。在CAXA制造工程师中做刀具轨迹，已经不是一种单纯的数值计算，而是工厂中数控加工经验的生动体现，也是你个人加工经验的积累，它人加工经验的继承，为满足特殊的工艺需要，CAXA制造工程师能够对已生成的刀具轨迹进行编辑。CAXA制造工程师还可通过模拟仿真检验生成的刀具轨迹的正确性和是否有过切产生。并可通过代码较核，用图形方法检验加工代码的正确性。4后置代码生成在屏幕上用图形形式显示的刀具轨迹要变成可以控制机床的代码，需进行所谓后置处理。后置处
16、理的目的是形成数控指令文件，也就是平我们经常说的G代码程序或NC程序。CAXA制造工程师提供的后置处理功能是非常灵活的，它可以通过用户自己修改某些设置而适用各自的机床要求。用户按机床规定的格式进行定制，即可方便地生成和特定机床相匹配的加工代码。5加工代码输出生成数控指令之后，可通过计算机的标准接口与机床直接连通。CAXA制造工程师可以提供我们自己开发的通信软件，完成通过计算机的串口或并口与机床连接，将数控加工代码传输到数控机床，控制机床各坐标的伺服系统，驱动机床。随着我们国家加工制造业的迅猛发展，数控加工技术得到空前广泛的应用，CAXA的CAD/CAM软件得到了日益广泛的普及和应用。我们相信当你认识了CAXA制造工程师以后
