第 6 章自动编程

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第第 66 章自动编程章自动编程

（时间： 3 次课， 6 学时）


第第 66 章自动编程章自动编程教学目标：自动编程是从零件的设计模型 ( 或几何图样 ) 获得数控加工程序的全部

过程。其主要任务是编程人员在对加工对象和工艺要求进行仔细分析的基础上，借助 CAD/CAM 系统的交互式编程功能，对零件进行几何造型，确定工艺步骤，输入加工参数，系统自动生成刀具运动轨迹，并经后置处理输出零件加工程序。同时，由于在计算机上能够自动进行走刀轨迹的模拟，所以能够及时检查程序是否有错并进行修改。

通过本章的学习，要求读者了解自动编程的发展过程，掌握自动编程的方法和步骤，熟练应用 CAXA-ME 软件系统进行自动编程，完成数控加工。


第第 66 章自动编程章自动编程

教学重点和难点：零件的加工造型。刀具轨迹的生成方法。


第第 66 章自动编程章自动编程 6.1 自动编程的发展 6.2 自动编程系统简介 6.3 CAXA-ME的基本概念 6.4 加工模型的创建 6.5 平面轮廓与平面区域加工 6.6 曲面加工 6.7 粗加工 6.8 轨迹仿真 6.9 后置处理 6.10 机床通信 6.11 实训 6.12 习题


6.1 6.1 自动编程的发展自动编程的发展通常，自动编程是指用计算机和编程软件进行编程。目前，交互式图形编程是普遍采用的自动编程方

法。数控编程经历了手工编程、 APT 语言编程和交互式图形编程 3 个发展阶段。手工编程是利用一般的计算工具，通过各种数学方法，人工进行刀具轨迹的运算，并编制指令。这种

方式比较简单，很容易掌握，适应性较强。可用于复杂程度低，计算量不大的零件编程，是最早发展的编程方法，也是其他编程方法的基础。

自动编程技术源于 20 世纪 50 年代，美国麻省理工学院研制出 APT( 自动编程工具 ) 自动编程系统。该系统是世界上开发最早、功能齐全并在当时使用普遍的自动编程系统。由于受当时计算机技术的限制，无法在计算机上生成零件图形来进行自动编程。因此使用 APT 系统前，需要用一种专用数控编程语言来描述零件的加工过程，即编制一个零件加工源程序。该程序不同于手工编制的加工程序，它不能直接控制机床，必须经过计算机编译程序的处理，才能生成加工程序。零件加工的源程序所使用的数控语言又称为 APT 语言。使用 APT 语言编程方法直观性差，编程过程繁琐而复杂。

近年来，随着 CAD/CAM 一体化技术的发展和推广，极大地提高了产品设计和自动编程的效率与质量。CAD/CAM 软件已成为数控加工自动编程系统的主流。这些软件具有生动的图形显示功能，友好的人机界面，智能化的操作命令，可以用人机交互方式对零件的几何模型进行绘制、编辑和修改，从而得到零件的几何模型。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，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。通常软件还具有加工轨迹的仿真功能，以用于验证走刀轨迹和加工程序的正确性。使用这类软件通过交互式图形生成的方法把零件几何信息、拓扑信息、工艺信息输入计算机，对加工程序的生成和修改都非常方便，大大提高了编程效率。另一方面，由于交互式图形输入的直观性和易操作性，可以使编程操作中的失误大幅度地减少。


6.2 6.2 自动编程系统简介自动编程系统简介

6.2.1 自动编程的方法与过程 6.2.2 常见的几种 CAD/CAM 软件介绍


6.2 6.2 自动编程系统简介自动编程系统简介自动编程是借助计算机和 CAD/CAM 自动编程系统软件进行数控加工编

程的方法。自动编程时，大部分编程工作由计算机来完成，这样不但提高了编程效率，还解决了手工编程无法解决的复杂零件的加工编程问题。自动编程系统的功能对编程的质量和效率是至关重要的。自动编程系统技术水平的提高是数控技术发展的重要方面。


6.2.1 6.2.1 自动编程的方法与过程自动编程的方法与过程

1． CAD/CAM 系统的基本功能一个典型的 CAD/CAM集成系统，一般应具备以下几大功能模块。 (1) 造型设计功能。包括二维草图设计、曲面设计、实体和特征设

计、曲线曲面的编辑。对于型腔模具 CAD/CAM集成数控编程系统来说，型腔和型芯的自动生成具有十分重要的意义。

(2) 在三维几何造型设计的基础上，自动生成二维工程图的功能。对于单一功能的数控编程系统，二维工程图功能不一定是必须的。

(3) 数控加工编程、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀具轨迹验证和通用后置处理等。

刀具轨迹生成模块直接采用几何模型中的几何信息，根据所选用的刀具及加工方式进行刀位计算，生成数控加工刀具轨迹。


6.2.1 6.2.1 自动编程的方法与过程自动编程的方法与过程 2．自动编程的步骤目前，国内外图形交互式自动编程软件的种类很多，但其编程的基本原理和过程大体相同。编程人员

应遵循一定的步骤进行编程工作，自动编程的主要步骤和工作内容如下。 (1) 分析加工零件。 ① 根据被加工零件的图样和数控加工工艺要求，分析待加工表面及约束面，确定所需的机床

设备、零件的加工方法、装夹方法及工夹量具。 ② 确定编程原点及编程坐标系。一般根据零件的基准的位置以及待加工表面的几何形态，在

零件毛坯上选择一个合适的编程原点及编程坐标系 ( 也称为工件坐标系 ) 。设置加工零件毛坯尺寸，确定对刀点和刀具原点位置。

(2) 几何造型。利用 CAD/CAM 软件的曲线、曲面造型、实体造型等功能绘制零件加工图形 (2D 或 3D 图形 ) ，与此同时，在计算机内自动生成零件的图形文件，作为下一步刀具轨迹设计的依据。

(3) 确定刀具和加工参数。确定所需刀具数量、刀具种类，设置刀具参数和走刀路线。设置不同加工种类的特性参数。

(4) 生成刀具轨迹并作适当编辑与修改。根据所选择的刀具和加工参数，系统自动生成刀具轨迹，对于刀具轨迹不合适的地方，要用人工交互方式进行编辑和修改。刀具轨迹计算的结果存放在刀位源文件之中。

(5) 刀具轨迹模拟与验证。利用 CAD/CAM 软件的刀具轨迹验证功能，可以对可能过切、干涉与碰撞的刀位点进行检验。

(6) 后置处理。运行数控编程系统提供的后置处理程序，生成加工程序单 (G代码 ) 。 (7) 根据不同的数控系统对 G代码作适当修改。 (8) 将正确的 G代码传送到数控系统。


6.2.2 6.2.2 常见的几种常见的几种 CAD/CAMCAD/CAM 软件介绍软件介绍 1. UGⅡ与 UG NX 软件系统 UGⅡ由美国 UGS(Unigraphics Solutions)公司开发的 CAD/CAM/CAE 一体化软件，它的功能覆盖

了整个产品的开发过程，即覆盖了从概念设计、功能工程、工程分析、加工制造到产品发布的全过程，广泛应用在航空、汽车、机械、电器电子等工业领域。

UGⅡ有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，无论装配图还是零件图设计，都是从三维实体造型开始的，可视化程度很高，三维实体生成后，可自动生成二维视图。其三维 CAD有参数化修改功能，一个零件的尺寸修改可致使相关零件的变化。在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。

UGⅡ系统具有丰富的数控加工编程能力，可用建立的三维模型直接生成数控代码用于产品的加工，是目前市场上数控加工编程能力最强的 CAD/CAM集成系统，其加工编程功能包括：车削加工、型芯和型腔铣削、平面铣削、定轴铣削、自动清根、可变轴铣削、顺序铣削、线切割、刀具轨迹编辑、验证、仿真、后置处理等等。 UGⅡ软件经营与开发经历了数次变迁与合并，其最新版本为UG NX 。 UG NX提供了一种面向产品生命周期管理的有效解决方案，包括实体造型、有限元分析和 CN编程等方面的工作都有过人之处。

UG NX提出以下几点创新。 (1) 知识驱动自动化。可以从复杂产品中找出可复用的工程信息。 (2) 集成化协同环境。可以很好地把设计团队的理念表达出来。 (3) 开放设计系统。实现整个供应链中的无缝信息通信。 (4) 各种生产过程验证手段。把面向制造扩展到面向整个工程生命周期，从概念设计到最终产品均集中在一个集成化数字环境中完成建模、仿真、优化、归档、组装及测试工作。


6.2.2 6.2.2 常见的几种常见的几种 CAD/CAMCAD/CAM 软件介绍软件介绍

2． Pro/ENGINEER Pro/ENGINEER是美国 PTC公司开发的世界著名的 3D CAD/CAM/CAE 软件。

Pro/ENGINEER是高度集成的面向产品设计的大型软件，它开创了三维 CAD/CAM 参数化的先河，其全参数化思想关联了产品开发的每一个环节。该软件集成了零件设计、装配、模具生成、 NC 加工、造型设计、逆向工程、工程仿真与分析、产品数据库管理等众多功能于一身，并具有较好的二次开发环境和数据交换能力。

Pro/ENGINEER系统的核心技术具有以下特点。 (1) 基于特征。将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸作为可变参数，进而形成实体，以此为基础进行更为复杂的几何形体的构建。

(2) 全尺寸约束。将形状和尺寸结合起来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制。

(3) 尺寸驱动设计修改。通过编辑尺寸数值可以改变几何形状。 (4) 全数据相关。尺寸参数的修改导致其他模块中的相关尺寸得以更新。如果要修改零件的形状，只需修改一下零件上的相关尺寸。


6.2.2 6.2.2 常见的几种常见的几种 CAD/CAMCAD/CAM 软件介绍软件介绍 3． CATIA CATIA 是法国达索飞机公司开发的 CAD/CAM 软件。 CATIA 软件因有较强大的曲面设计功

能而在飞机、汽车、轮船等设计领域享有较广泛的应用。 CATIA 采用特征造型和参数化造型技术，允许自动指定或由用户指定参数化设计、几何或功能化约束的变量式设计。 CATIA 的曲面造型功能提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。例如其特有的高次 Bezier曲线曲面功能，次数能达到 15 ，能满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。

CATIA(NC MILL) 系统具有菜单接口和刀具轨迹验证能力，其主要编程功能除了常用的多坐标点位加工编程、表面区域加工编程、轮廓加工编程、型腔加工编程外，还有以下特点。

(1) 在型腔加工编程功能上，采用扫描原理对带岛屿的型腔进行行切法编程；对不带岛屿的任意边界型腔 (即不限于凸边界 ) 进行环切法编程。

(2) 在雕塑曲面区域加工编程功能上，可以连续对多个零件面编程，生成刀具轨迹的功能。

目前 CATIA 系统已发展成从产品设计、产品分析、加工、装配和检验，到过程管理、虚拟运作等众多功能的大型 CAD/CAM/CAE 软件。



4．Mastercam Mastercam 是美国 CNC Software公司所研制开发的 CAD/CAM 系统。

该软件侧重于数控加工，它具有很强的加工功能，尤其在对复杂曲面自动生成加工代码方面，具有独到的优势。 Mastercam 软件的操作功能简便实用，其 CAM 主要功能有：二维外形铣削挖槽和钻孔，二维挖槽残料加工，实体刀具模拟；二至五轴单一曲面粗加工、沿面加工、投影加工；二至五轴直纹曲面、扫描曲面、旋转曲面加工；三维曲线、曲面粗精加工；三维固定 Z轴插削加工；三维沿面夹角清角加工；刀具轨迹编辑、干涉处理、验证和仿真。 Mastercam还提供多种图形文件接口。因此该软件被认为是一个图形交互式 CAM 数控编程系统。



5． Cimatron Cimatron 软件是以色列 Cimatron公司以航天科技研发技术为基础发

展而来，是面向工模具行业提供的完全整合的 CAD/CAM 系统软件，实现从数据输入到模型输出的全自动化的操作过程。它的 CAD 部分支持复杂曲线和复杂曲面造型及结合实体功能的混合造型。它的 NC 模块具有智能化，能对工件上符合一定几何或技术规则的区域进行加工，并指示系统如何进行切削，还能够对实体和曲面的混合模型进行加工。该软件还具有各种通用和专用的数据接口及产品数据管理 (PDM)等功能。



6． CAXA 制造工程师 (CAXA-ME) CAXA-ME 是由北京北航海尔软件有限公司研制开发面向数控铣床和加

工中心的三维 CAD/CAM 软件，采用原创Windows菜单和交互方式，全中文功能界面。 CAXA-ME 不仅具有丰富造型的设计功能，能快速地创建复杂的三维模型，还具有优质高效的数控加工功能，可快速生成二至五轴的刀具轨迹和加工代码，可加工具有复杂三维曲面的零件。另外该软件支持高速加工，能对刀具轨迹进行参数化轨迹编辑和批处理，可通过仿真检验数控代码的正确性，其后置处理功能适用于各种数控系统，并提供了强大的数据接口。该软件还有易学易用的特点，价格较低。因此，在国内被众多企业和研究院所应用。


6.3 CAXA-ME6.3 CAXA-ME 的基本概念的基本概念

6.3.1 CAXA-ME 的工作界面 6.3.2 CAXA-ME 基本操作


6.3 CAXA-ME6.3 CAXA-ME 的基本概念的基本概念

正如前面所介绍的， CAXA-ME 由于功能强、易学易用等特点已在国内众多企业、院校以及研究机构得到广泛应用。本章以 CAXA-ME软件介绍零件的自动编程。


6.3.1 CAXA-ME6.3.1 CAXA-ME 的工作界面的工作界面

如图 6.2 所示是 CAXA-ME 的工作界面。该软件用户界面采用了友好的Windows风格，各种应用功能通过菜单和工具栏驱动；状态栏指导用户进行操作并提示当前状态和所处位置；状态树记录了操作过程和相互关系；功能区显示各种功能操作的结果。同时，功能区和状态树为用户实现功能而提供数据的交互。


6.3.1 CAXA-ME6.3.1 CAXA-ME 的工作界面的工作界面

特征树

主菜单标准工具栏特征工具栏

显示工具栏

绘图区

状态栏曲面生成工具栏线面编辑工具栏几何变换工具栏

曲线工具栏

图 6.2 CAXA-ME 工作界面


6.3.1 CAXA-ME6.3.1 CAXA-ME 的工作界面的工作界面 1. 绘图区 2. 主菜单 3. 立即菜单 4. 快捷菜单 5. 对话框 6. 工具栏 7. 点工具菜单 8. 矢量工具 9. 拾取工具


6.3.2 CAXA-ME6.3.2 CAXA-ME 基本操作基本操作双击 CAXA-ME 图标后即可进入系统，此时会出现用户工作界面。 1. 操作指令的输入进入工作界面后，可以通过两种方式进行操作： ① 通过下拉菜单选取操作命令； ② 用鼠标左键单击图标进行操作。 2. 鼠标、键盘和功能热键 ① 鼠标：单击鼠标左键可以激活菜单、确定位置点、拾取元素等。单击鼠标右键用来确认拾取、结束操作、终止命令、弹出快捷菜单。

② 回车键 (Enter键 ) 和数值键：在系统要求输入点或半径时，回车键和数值键可以激活一个坐标和数值输入框，在输入框中可以输入坐标值或半径数值。

③ 空格键 (Space键 )：在系统要求输入点时，按空格键可以弹出点工具菜单。 ④ 功能热键。 F5键：将界面切换至 XOY面，同时将显示屏幕置为 XOY面。 F6键：将界面切换至 YOZ面，同时将显示屏幕置为 YOZ面。 F7键：将界面切换至 XOZ面，同时将显示屏幕置为 XOZ面。 F8键：显示轴侧图，以轴侧图方式显示图形。 F9键：切换当前面。将当前面在 XOY、 YOZ、 XOZ之间进行切换，但不改变显示平面。 ⑤ Shift+方向键或 Shift+ 鼠标左键：显示旋转。 ⑥ 方向键：显示平移。 ⑦ Page UP 、 Page Down 或 Ctrl+方向键或 Shift+ 鼠标右键：显示放大、缩小。


6.3.2 CAXA-ME6.3.2 CAXA-ME 基本操作基本操作 3. 坐标系和当前面 (1) 工作坐标系：用户建立模型时的参考坐标系。系统默认的坐标系叫做绝

对坐标系，用户自定义的坐标系叫做工作坐标系或用户坐标系。用户可以任意设定当前工作坐标系。

(2) 当前工作坐标系：用户正在使用的坐标系，所有的输入均针对当前工作的坐标系而言。区别于其他的坐标系，当前工作的坐标系用红色表示。用户可以通过激活坐标系命令在各坐标系间切换。

(3) 当前面：当前工作坐标系的三个坐标面 XOY、 YOZ、 XOZ中的一个用来作为当前操作所依赖的平面，例如用“圆心＋半径”生成圆时，需要定义一个平面。当前面在当前工作坐标系中用红色斜线标识。用户可以在当前工作坐标系下任意设置当前面。

(4) 显示平面： CAXA-ME 是一个三维系统，有时需要在给定的平面上观察图形的状态，即将图形投影到指平面上进行显示，该平面称为显示平面。显示平面可以与当前面相同，如用功能键 F5 、 F6 、 F7切换时，当前面与显示面同时变化。显示平面与当前面也可以不同，如用功能键 F9切换当前面时，显示平面不发生变化。


6.3.2 CAXA-ME6.3.2 CAXA-ME 基本操作基本操作 4. 坐标系点的输入用户定义的用户坐标系是当前工作坐标系，在当前坐标系下输入的坐标为绝对坐标。点的绝对坐标的输入的格式为： X ， Y， Z，可直接通过键盘输入。如果省略Z坐标，输入格式为： X ， Y，系统认为 Z坐标值为 0,0 。如果输入格式为：@X ， Y， Z则为点的相对坐标。


6.4 6.4 加工模型的创建加工模型的创建

6.4.1 线框模型 6.4.2 曲面模型 6.4.3 实体模型6.6.4 导动加工


6.4 6.4 加工模型的创建加工模型的创建

零件模型的创建分为设计造型和加工造型。零件设计造型的目的是通过造型构建组成零件的几何要素。零件的加工造型则是通过造型构建加工表面的几何模型，来加工零件的表面，作为 CAM 的程序编制的对象。


6.4.1 6.4.1 线框模型线框模型

线框模型用空间的线条构成物体的立体图，它由许多线型元素互连而成，组成线型框架。线框模型仅定义出产品的基本轮廓，不表示产品的表面和内部形体。线框的定义过程简单，符合人们的设计习惯。很多复杂的产品设计中往往是先用线条勾画出基本轮廓，然后逐步细化。可以说，方便灵活的线框功能是进一步创建曲面模型和实体模型的基础，有时还可以由线框模型直接生成刀具路径。生成线框模型是先绘制曲线，再对曲线进行编辑和修改，以及进行空间几何变换，从而完成加工造型。



1. 曲线的绘制 CAXA-ME中，提供的曲线绘制方法包括：绘制直线、圆弧、圆、椭圆、

样条线、点、文字、公式曲线、多边形、二次曲线、等距线、草图曲线、曲线投影和相关线等。对曲线进行编辑则包括：曲线裁剪、曲线拉伸、曲线组合、曲线打断和曲线过渡五种功能。

草图曲线、曲线投影、相关线是与曲面造型、实体造型有关的功能。草图曲线是为特征造型准备的一个平面封闭图形，是特征造型的一个步骤。

曲线投影是空间曲线沿某一方向向一个作实体的基准面投影，是草图状态下的一项功能。相关线包括曲面或实体的交线、参数线、法线、投影线和边界线。具体操作请参看 6.4.3节“实体模型”的实例。



2. 几何变换几何变换包括平移、平面旋转、旋转、平面镜像、镜像、阵列和缩放七种功能。几何变换仅用于对曲线、曲面进行编辑，对实体造型无效。


6.4.2 6.4.2 曲面模型曲面模型曲面模型着重于描述具有一定光滑程度的曲面外形。把线框

模型中的某些棱边包围的部分定义为面，达到创建曲面模型的目的。这种方法能较精确地定义产品的外部几何形状，使产品的三维表示具有一定的严密性和完整性。

CAXA-ME提供了 10 种曲面造型手段即：直纹面、旋转面、扫描画、边界面、放样面、网格面、导动面、等距面、平面和实体表面。构造完决定曲面形状的关键线框后，就可以在线框基础上，选用各种曲面的生成和编辑方法，在线框上构造所需定义的曲面来描述零件的外表面。


6.4.2 6.4.2 曲面模型曲面模型 1. 曲面模型的创建 1) 扫描面生成扫描面的方法是按照给定的起始位置和扫描距离将曲线沿指定方向扫描生成曲面，如图 6.13(b) 所示。


6.4.2 6.4.2 曲面模型曲面模型

图 6.13 生成扫描面



2. 曲面的编辑 CAXA-ME 系统中提供了五种曲面编辑功能，即：曲面裁剪、曲面过渡、曲面缝合、曲面拼接和曲面延伸，是该软件的重要功能。


6.4.2 6.4.2 曲面模型曲面模型 3. 曲面模型操作实例操作实例 6-10：根据如图 6.29 所示的线框模型，创建曲面模型，作图

步骤如下。 (1) 作出四个矩形平面。单击曲面生成工具栏的【边界面】图标，选择【四边面】，依次拾取每个矩形面的四条轮廓线，结果如图 6.30所示。

(2) 作出四个三角形平面。单击曲面生成工具栏上的【直纹面】按钮 ( 图标 ) ，拾取【第一条直线】，再拾取【第二条直线】，依次作出四个三角形面，如图 6.31 所示。

(3) 作出四个连接曲面。单击曲面生成工具栏上的【边界面】，选择【三边面】，依次拾取连接曲面的三条边界线，完成曲面造型，如图6.32 所示。



图 6.29 　线框模型



图 6.30 　作出四个矩形平面



图 6.31 作出四个三角形面



图 6.32 作出四个连接曲面


6.4.3 6.4.3 实体模型实体模型

三维实体造型是通过造型方法直接生成实体模型。 CAXA-ME提供了多种实体造型的方法，如：拉伸增料、拉伸除料、旋转增料、旋转除料、放样增料、放样除料、导动增料、导动除料、曲面加厚增料、曲面加厚除料、曲面剪裁等。也可以对已存在的实体进行编辑操作进行特征处理。如：过渡、倒角、打孔、拔模、抽壳、筋板、阵列特征、布尔运算等，生成更复杂的实体。实体造型的一般过程如下。


6.4.3 6.4.3 实体模型实体模型

1. 创建草图 2. 创建特征 3. 特征处理 4．实体模型操作实例


6.5 6.5 平面轮廓与平面区域加工平面轮廓与平面区域加工

6.5.1 平面轮廓加工 6.5.2 平面区域加工 6.5.3 平面区域加工操作实例


6.5 6.5 平面轮廓与平面区域加工平面轮廓与平面区域加工

平面轮廓加工用于加工封闭和不封闭的轮廓；平面区域加工用于加工某一范围的平面区域，在介绍这两种加工方法之前，首先介绍几个概念。


6.5.1 6.5.1 平面轮廓加工平面轮廓加工

平面轮廓加工即刀具沿着平面轮廓运动进行切削加工。这种加工方式还可以指定拔模斜度用以加工拔模面。


6.5.2 6.5.2 平面区域加工平面区域加工平面区域加工即刀具对封闭轮廓内的平面区域进行切削

加工，其内部可以包含多个岛屿。一般情况下外轮廓和岛屿必须是封闭的，主要用于平底型腔加工。

操作实例 6-28：如图 6.83 所示为已完成的实体和操作步骤。选择【应用】 |【轨迹生成】 |【平面区域加工】命令，弹出【平面区域加工参数表】对话框，后续步骤如图 6.83 所示。


6.5.3 6.5.3 平面区域加工操作实例平面区域加工操作实例

操作实例 6-29：工件如图 6.87 所示，图 6.87(a)为二维尺寸图，图 6.87(b)为真实感外形图。工件的材质为锻造铝合金。在立式数控铣床或立式加工中心铣削型腔和钻孔。粗糙度要求 Ra1.6 ，尺寸精度 0.01mm 。坯料为外形已精加工的块料，外形尺寸 65mm× 46mm×10mm 。


6.5.3 6.5.3 平面区域加工操作实例平面区域加工操作实例

图 6.87 方形壳体工件图


6.6 6.6 曲面加工曲面加工

6.6.1 曲面轮廓加工 6.6.2 曲面区域加工 6.6.3 等高精加工 6.6.4 导动加工


6.6 6.6 曲面加工曲面加工

曲面加工用来生成加工曲面、实体表面的刀具轨迹。大多数曲面要经粗加工、半精加工和精加工才能完成。曲面加工有多种加工方式。曲面轮廓加工、曲面区域加工是生成三轴刀位轨迹的基本加工方式。等高精加工、导动加工则是加工特定表面的适用方法，属两轴半轨迹。有些零件的特殊曲面或特殊位置表面需要多轴加工才可能完成。


6.6.1 6.6.1 曲面轮廓加工曲面轮廓加工曲面轮廓加工目的在于生成沿一个轮廓线加工曲面的刀具轨迹。操作实例 6-30：曲面轮廓加工的操作过程为：单击下拉菜单【应用】 |【轨迹生成】 |【曲面轮廓加工】，弹出【曲面轮廓加工参数表】对话框，输入曲面轮廓加工参数，如图 6.93 所示，单击【确定】按钮后按提示拾取加工曲面、拾取干涉曲面、拾取轮廓和加工方向，单击需要加工的曲面轮廓线，轮廓线封闭后选择区域加工方向 (箭头方向，向曲面轮廓线的外面还是里面 ) ，最后生成加工轨迹，如图 6.94 所示。

参数说明如下。【曲面轮廓加工参数表】对话框 (如图 6.93 所示 )包括：【曲面轮廓加工参数】、【切削

用量】、【进退刀方式】和【铣刀参数】四个选项卡。 ① 【加工余量】是指对曲面的预留量。 ② 【干涉余量】是指对干涉面的预留量，可正可负。 ③ 【轮廓余量】是指对曲面轮廓的预留量。 ④ 【轮廓精度】是指拾取的轮廓有样条时的离散精度。 ⑤ 【加工精度】指刀具轨迹对曲面的加工误差。 ⑥ 【刀次】、【行距】分别为生成刀具轨迹的行数和每行刀位之间的距离。在其他

的加工方式里，刀次和行距是单选的，最后生成的刀具轨迹只使用其中的一个参数，而在曲面轮廓加工里刀次和行距是关联的，生成的刀具轨迹由刀次和行距两个参数决定，曲面轮廓加工轨迹如图 6.94 所示，此图刀次为 3 ，行距为 2mm 。


6.6.1 6.6.1 曲面轮廓加工曲面轮廓加工

图 6.93 【曲面轮廓加工参数表】对话框


6.6.1 6.6.1 曲面轮廓加工曲面轮廓加工

图 6.94 区面轮廓加工轨迹

图 6.94 区面轮廓加工轨迹


6.6.2 6.6.2 曲面区域加工曲面区域加工曲面区域加工的目的在于生成加工曲面上的封闭区域的刀具

轨迹。操作实例 6-31：曲面轮廓加工的操作过程为：选择【应

用】 |【轨迹生成】 |【曲面区域加工】命令，弹出【曲面区域加工参数表】对话框，如图 6.95 所示，在对话框中输入曲面区域加工参数，单击【确定】按钮后按提示拾取加工曲面、拾取干涉曲面、拾取轮廓，单击需要加工的曲面轮廓线，轮廓线封闭后【拾取岛屿】，若没有岛屿则单击鼠标右键，最后生成曲面区域加工轨迹，如图 6.96 所示。


6.6.3 6.6.3 等高精加工等高精加工

属于两轴半加工轨迹类型，按等高距离下降一层层地做整体等高线加工，适用于曲面和实体较陡的面的加工，并可对等高加工不到的部分 ( 较平坦的部分 )做补加工。本功能可对零件做精加工和半精加工。目前只提供整体等高线加工，不提供局部等高线加工。


6.6.4 6.6.4 导动加工导动加工导动加工是用截面线沿轮廓线导动生成轨迹的方法。与生成导动面的方

法类似，只不过生成的不是曲面而是轨迹。其截面轮廓可以是开放的也可以是封闭的，截面线必须是开放的。该轨迹属二轴半轨迹。如图 6.98所示。导动加工是二维加工的扩展，因此，有一些独特的优点，也有使用的局限性。其特点如下。

(1) 简化造型。只作截面线和平面轮廓线的线框，不必曲面造型。 (2) 充分利用机床的圆弧插补功能。导动加工的轨迹是以二维的方

法来生成的，圆弧生成的 G代码就是 G02 或 G03 ，而不是折线段逼近的 G代码。因此，生成的代码最短，并且加工效果最好。特别是轮廓线包含较多圆弧时，程序简化非常明显，而且生成轨迹的速度非常快。例如半球，用导动加工生成的代码长度是用其他方式生成代码的几十分之一到上百分之一。

(3) 沿截面线由上往下加工或由下往上加工可以自由选择，由上往下加工可以避免扎刀。


6.7 6.7 粗加工粗加工

6.7.1 等高粗加工 6.7.2 局部粗加工 6.7.3 粗加工、曲面加工操作实例


6.7 6.7 粗加工粗加工

粗加工目的是从零件毛坯上高效地切除材料，使毛坯尽快接近零件的形状并保留合理的半精加工余量。粗加工必须考虑毛坯的几何形状和刀具的切削能力，避免崩刀。


6.7.1 6.7.1 等高粗加工等高粗加工

等高粗加工的目的是生成分层的等高粗加工轨迹。操作实例 6-34：等高粗加工的操作过程为：选择【应用】 |【轨迹生

成】 |【等高粗加工】命令，弹出【等高粗加工参数表】对话框，在对话框中输入等高粗加工参数。单击【确定】按钮后，按提示拾取轮廓、单击毛坯轮廓线，如图 6.100(a) 所示，拾取加工曲面，确定后生成加工轨迹，如图 6.100(b) 所示。

操作说明： (1) 选择环切，在粗加工凸模时，最好选【从外向里】选项；在加

工凹模时，最好选【从里向外】选项；若不能确定是凸模还是凹模，选【从外向里】选项。这样能保证刀具从材料外进刀。

(2) 粗加工最好用端刀。若用球刀，第一刀的吃刀量很大，不利于切削。


6.7.1 6.7.1 等高粗加工等高粗加工

图 6.100 等高粗加工


6.7.2 6.7.2 局部粗加工局部粗加工

局部粗加工是根据零件毛坯的情况和零件的形状特点划分毛坯轮廓为几个部分，分别进行等高粗加工。需要画出局部轮廓，并确定局部的顶层高度和底层高度。


6.7.3 6.7.3 粗加工、曲面加工操作实例粗加工、曲面加工操作实例操作实例 6-35：盖模样如图 6.101 所示，如图 6.101(a) 所示为盖模样的实体模型真实感外形图，如图 6.101(b) 所示的线框是毛坯的外形轮廓。工件的材质为 45#钢，正火状态。在立式数控铣床上进行盖模样外形的粗加工和精加工，粗糙度 Ra3.2 ，尺寸精度 0.01mm 。

1. 工件特点分析工件的加工表面为多个曲面组成的复杂表面。依据数控铣削的特点，整个表面可分为两个

部分：顶面部分为较平坦的曲面；周边部分为陡峭的曲面，其拔模斜度为 3°。表面最小凹部的曲面为R3 。工件底面中心处有圆形凸台，铣削前已加工成，铣削时利用此凸台定位夹紧。夹具可选择通用自定心三爪卡盘。工件坐标原点选在工件底面形心。这样，建模、编程、装夹具有同一基准。

2. 加工过程分析 (1) 粗铣全部表面，留余量 0.5mm 。为了有效切除材料，选用平端立铣刀，毛坯外

部切入。刀具直径的选择要综合考虑加工效率和残留材料两个方面。 (2) 精铣顶面区域。顶面区域的轮廓线如图 6.101 所示，这条曲线是顶面平坦曲面

与周边陡峭曲面圆角过渡的分界线，是空间曲线。这种划分有利于球面刀具对工件进行切削。

(3) 精铣周边面。周边面为拔模斜度 3°的陡峭曲面，可以用斜度为 3°的锥铣刀沿底面轮廓线一次环绕切削完成，这样可以获得较高的加工效率和较好的表面质量。另一种方法是用圆柱平端立铣刀，等高线轨迹环绕逐层切削完成。这种切削方法在加工表面质量和加工效率方面都不如前者，但对刀具的要求相对简单。


6.7.3 6.7.3 粗加工、曲面加工操作实例粗加工、曲面加工操作实例

图 6.101 盖模样的实体模型与加工中的轮廓线


6.7.3 6.7.3 粗加工、曲面加工操作实例粗加工、曲面加工操作实例 3. 编程 (1) 生成粗加工轨迹。采用直径 20mm 机夹刀片式硬质合金平端立铣刀。选择“等高粗加工”，逆铣毛坯外

切入。通过对话框输入各参数如下。粗加工轨迹如下。刀具： D20 ，刀具半径 = 10.000 ，刀角半径 = 0.000 主轴转速 = 1500.000 ，接近速度 = 300.000 切削速度 = 600.000 ，退刀速度 = 2000.000 下刀速度 = 300.000 ，行间连接速度 = 300.000 起止高度 = 80.000 ，安全高度 = 50.000 慢速下刀相对高度 = 10.000 进刀方式：垂直退刀方式：垂直走刀方式：环切加工 ( 从外向里 ) 顶层高度 = 30.000 ，底层高度 = 0.000 ，每层下降高度 = 2.000 加工行距 = 15.000 加工精度 = 0.100 加工余量 = 0.500 毛坯类型：拾取曲面下刀方式：垂直下刀点的位置：斜线的端点或螺旋线的切点切入毛坯：毛坯外切入生成的轨迹和真实感仿真结果如图 6.102 所示。


6.7.3 6.7.3 粗加工、曲面加工操作实例粗加工、曲面加工操作实例

图 6.102 粗加工轨迹与轨迹仿真


6.8 6.8 轨迹仿真轨迹仿真

轨迹仿真是模拟刀具的运动，切削毛坯、去除材料的过程。通过观察模拟过程和结果来判断所生成的刀具轨迹的正确性。 CAXA 制造工程师的轨迹仿真采用三维真实感显示技术，具有生动、直观的表现效果，是轨迹检查的有效手段。


6.9 6.9 后置处理后置处理

系统的后置处理功能是把刀具轨迹转化成机床能够识别的 G代码指令。值得注意的是不同的机床适用的 G代码指令尚未完全统一。考虑到生成程序的通用性， CAXA-ME 软件针对不同的机床，可以设置不同的机床参数和特定的数控代码程序格式。这样，生成的 G指令可以直接输入数控机床用于加工。


6.10 6.10 机床通信机床通信近年来，数控机床发展非常迅速。机床的数控系统已发展为 CNC(Com

puter Numerical Control) 计算机数控系统，通信功能是数控系统的基本功能，一般都支持 RS-232C 通信功能，即通过系统配置的 RS-232C接口接收或发送加工程序。通信在机床的数控系统 ( 机床侧 ) 和普通计算机 (微机侧 )之间进行。

有两种基本的传输形式。一种是机床侧一边接收微机侧传来的程序一边进行切削加工，这就是所谓的 DNC(Direct Numerical Control) 。另一种是先接收全部的加工程序并全部存储在数控系统内存里，而不同时切削加工，这种传输形式称为块传输。 DNC 对加工程序的大小没有限制。但是，微机侧必须在线。块传输时，加工程序的大小受数控系统存储能力的限制，而微机侧可以离线。块传输还可用于机床侧向微机侧发送数据或加工程序。


6.10 6.10 机床通信机床通信 1. RS-232C串行通信为实现串行通信并保证数据的正确传输，要求通信双方遵循某种约定的规程。目前在 PC 及数控系统中最简单最常用的规程是异步通信控制规程，或异步通信协议，其特点是通信双方以一帧作为数据传输的单位。每一帧从起始位开始后跟数据位 (位长度可选 ) ，奇偶校验位，最后以停止位结束。

RS-232C接口是应用于异步通信线路的一种通用标准接口，也称 EIA标准。 RS-232C接口的正规名称是数据终端设备与数据通信设备之间串行二进制数据交换接口。 RS-232C接口是一个 25条引线的 D 型连接器。它定义了 20条可同外界通信设备连接的信号线，另有 1条为保护接地，4条没有意义，并对传输信号电平作了明确规定。在通信电缆连接上通常采用软件握手连接和硬件握手连接两种方法。


6.10 6.10 机床通信机床通信 2. 串口通信过程 (1) 通信前准备工作。了解机床是否提供RS-232C串行口通信方式；察看机床串口

参数设置；检查串口线连接是否正确。 (2) 通信参数调整。机床参数调整，要参照用户手册进行，一般机床参数设置有专门

的菜单，依据说明逐项调整； PC端通信软件的通信参数调整，是将通信软件的参数调整为与机床的通信参数一致。

(3) 进行微机侧接收测试。先把通信软件进入等待接收文件状态。机床输出文件。检查计算机是否正确接受。

如果发现机床端口无信号，检查机床操作是否正确；如果发现计算机端口无信号，检查串口线是否正确。如果发现接收代码为乱码，检查 PC 及机床通信参数，通信握手协议等是否一致。

(4) 进行微机侧输出测试。先把机床调整到文件读入方式。在微机侧，进入通信软件输出文件。观察传输过程并检查结果。

(5) 机床在线加工。选用 XON/XOFF协议通信。启动机床侧在线加工功能；启动微机侧传输软件，输入加工程序的文件名，输入传输开始命令；这时，机床开始逐段执行加工程序，传输与机床动作同步协调进行。除非有人工干预，这一过程直至完成全部加工程序。


6.11 6.11 实训实训 1. 实训目的： (1) 掌握零件的加工造型方法。 (2) 正确选择刀具类型、刀具参数及工艺参数。 (3) 正确选择零件的加工方法，生成正确的刀具路径、加工程序和

加工工序单。 (4) 掌握加工程序的传送方法。 (5) 正确安装工件。 (6) 掌握在机床上确定工件坐标的方法。 (7) 熟练操作数控铣床，完成零件加工。 (8) 选择适当的量具测量工件，验证制造过程的正确性。


6.11 6.11 实训实训 2. 实训内容：实训 1：完成如图 6.108 所示的零件上部凸台、凹槽的所有表面的铣削

加工，表面粗糙度 Ra3.2 。零件材质锻造铝。毛坯尺寸 120mm×100mm×35mm 。

要求： (1) 根据如图 6.108 所示用 CAXA-ME 软件进行零件的实体造型。 (2) 零件数控铣削加工工艺分析，包括零件图分析、装夹方案、加

工方法及顺序、刀具选择及切削用量等工艺参数的确定。编制工序单表、刀具表和程序单。

(3) 选择平面区域加工、平面轮廓加工，生成刀具路径并作仿真验证。

(4) 后置处理生成加工程序 (G代码 ) 、加工工序单。 (5) 利用通信或其他方式将正确的 G代码输入机床数控系统。 (6) 正确安装工件、刀具，完成零件加工。 (7) 测量工件，报告实测尺寸。


6.11 6.11 实训实训

图 6.108 实训零件 1


6.11 6.11 实训实训 3. 实训总结：通过综合实训，学生应该掌握 CAXA-ME 软件的加工造型、

自动编程、程序的传输。应用所编程序在数控机床加工出实际零件。并对所加工零件进行质量检查。就以下主要问题进行总结。

(1) 制造过程中遇到的问题。 (2) 所选工艺流程的合理性。 (3) 自动编程所给定的参数的合理性。 (4) 总结工艺过程和数控加工程序的优化方案。


6.12 6.12 习题习题填空题 (1) CAXA-ME 零件的加工造型的三个基本类型是、和。 (2) 草图是为特征造型准备的一个图形。 (3) 平面轮廓加工即刀具沿着 ________运动进行切削加工。平面区域加工即刀具对封闭轮廓内 _________进行的切削加工。

(4) 轮廓补偿有三种选择方式即：选择 _________刀心线与轮廓重合。选择 _________刀心线末到轮廓一个刀具半径的距离。选择 _________刀心线超过轮廓一个刀具半径的距离。 (5) 平面区域加工的走刀方式分为 ________和 ________。 (6) 在进行曲面轮廓加工之前，要提取 ________。 (7) 导动加工是用 ________线沿 ________线导动生成轨迹的方法。 (8) 等高粗加工的目的是生成 ________轨迹。


6.12 6.12 习题习题选择题 (1) CAXA 制造工程中，导动增料是轮廓线沿一轨迹线运动产生一特征实体，其轮廓线应为 ( ) 。 A. 不封闭的草图轮廓 B. 封闭的草图轮廓 C. 封闭的非草图轮廓 D. 不封闭的非草图轮廓 (2) 选择“ TO”方式加工零件外轮廓，刀具轨迹与加工轮廓的关系为 ( ) 。 A. 与零件轮廓重合 B. 零件轮廓大于零件轨迹 C. 刀具轨迹大于零件轮廓 D. 不确定 (3) 在 CAXA-ME 设计环境中如果需要对设计对象剖切生成剖视图，此设计对象必须是 ( ) 模型。 A. 实体模型 B. 线架模型 C. 曲面模型 D. 混合模型 (4) 下列说法不正确的是 ( ) 。 A. 为了提高工作效率，加工造型有时不需要完整表达零件的几何形状和尺寸 B. 线架造型和曲面造型属于加工造型，实体造型属于设计造型 C. 加工造型为插补运算提供几何模型 D. 加工造型和设计造型的形状尺寸可以不一致 (5) 在数控编程中，轮廓用于定义刀具的切削区域或切削轮廓本身，它控制刀具的 ( ) 。 A. 走刀方向 B. 进给速度 C. 进刀方式 D. 运动范围和轨迹 (6) 等高加工是 ( ) 。 A. 二轴加工 B. 二轴半加工 C. 三轴加工 D. 曲面加工


6.12 6.12 习题习题判断题 (1) CAD/CAM 技术先进，我们可以完全依赖这个工具解决编程问题。 ( ) (2) 生成扫描面时、扫描方向不同的选择可以产生不同的扫描面效果。 ( ) (3) CAXA-ME 在绘制草图前必须先选择一个基准面。 ( ) (4) 平面加工常用立铣刀或键槽铣刀，曲面加工常用球头铣刀。 ( ) (5) 线框模型不能直接生成刀具路径。 ( ) (6) 在进行旋转增料的操作时，旋转轴线是草图曲线。 ( ) (7) 在数控编程中，轮廓用于定义刀具的切削区域或切削轮廓本身，它控制刀具的运动范围和

轨迹，可以闭合也可以不闭合。 ( ) (8) 自动编程中，使用后置处理的目的是将刀具位置数据文件处理成机床可以接受的数据程序。

( )


6.12 6.12 习题习题

简答题 (1) 常用的 CAD/CAM 软件有哪些？ (2) 简述图形交互式自动编程的步骤。 (3) 零件的设计造型与加工造型的区别是什么？ (4) 简述草图绘制的基本步骤。零件特征生成的主要功能

是什么？ (5) 刀位轨迹生成的主要方法有哪些？ (6) 后置处理包括哪些内容？


Q & A?Q & A?

Thanks!Thanks!

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第 6 章 自动编程

第 6 章自动编程