2.5轴数控加工自动编程与手工编程应用对比研究

2.5轴数控加工自动编程与手工编程应用对比研究

摘要

自1952年数控机床诞生以来，先后研究生产出2轴、2.5轴、3轴与多轴控制的机床。程序编制也随着机床的发展，先后经历了手工编程、APT语言编程和交互式图形编程。程序编制是人与数控机床交流互动的介质，它在实现加工自动化、提高加工质量和加工精度、缩短产品研制周期等方面发挥着重要的作用。研究2.5轴数控加工自动编程与手工编程应用，对于合理选择编程方法，理解编程知识，掌握编程方法，领悟数控编程思想具有重要意义。

本设计首先介绍了数控机床产生与发展及我国数控机床发展状况，阐述了设计研究的背景与意义。然后介绍了有关数控加工、数控编程等相关知识。其次对给定零件凹模进行数控工艺分析（机床选择、毛坯工艺、刀具与切削用量、走刀路线、工序划分等）与程序编制。最后对凹模程序编制过程进行对比研究，总结手工编程与自动编程特点与应用流程图，总结二者应用在工艺要求、程序结构、应用后期处理等方面的区别；在工艺分析、应用范围、协调发展等方面的联系；总结自动编程与手工编程应用的适用性。

关键词： 2.5轴数控加工；手工编程；自动编程

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The comparative study of manual and automatic programming about

2.5-axis CNC machining

Abstract

CNC machine tools has graduate output 2-axis, 2.5-axis, 3 axis and multi-axis control machine tools since its inception in 1952. Programming along with the development of machine tools, has gone through the manual programming, APT programming and interactive graphics programming. Programming CNC machine tools of human interaction with the media, it is in the realization of process automation to improve processing quality and precision, shorten the product development cycle has played an important role. 2.5 axis CNC processing research automatic programming and manual programming application, for reasonable selection programming method, and understand programming knowledge, master programming method, and understand CNC programming thought to have the important meaning.

This design introduces the emergence and development of CNC machine tools and the development of CNC machine tools in China, explained the background and significance of design research. Then, introduced the NC machining, CNC programming and other related knowledge. Secondly, for a given part of the die for NC process (machine selection, rough process, tool and cutting parameters, feed path, process division, etc.) and compiled. Finally, the process of die preparation of a comparative study program, summarized characteristics of manual programming and automatic programming and application flow, summed up the two applications in process requirements, program structure, application of different post-processing, etc.; in the process analysis, application, coordination Development of ties; summary of automatic programming and manual programming application applicability. Key words: 2.5-axis NC machining; manual programming; automatic programming

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目录

第一章 绪论 ............................................................. 1

第一节 数控机床产生与发展 ............................................. 1 第二节 我国数控机床发展概况 ........................................... 2 第三节 论文研究内容及意义 ............................................. 3 第四节 本章小结 ....................................................... 4 第二章 2.5轴数控加工与编程技术 .......................................... 5

第一节 概述 ........................................................... 5 第二节 数控机床组成及工作原理 ......................................... 6 第三节 数控机床编程技术 ............................................... 8 第四节 本章小结 ...................................................... 10 第三章 凹模零件数控加工工艺分析 ........................................ 11

第一节 零件图及加工要求 .............................................. 11 第二节 识图与毛坯工艺分析 ............................................ 11 第三节 凹模零件数控工艺分析 .......................................... 12 第四节 工序划分与工艺编制 ............................................ 16 第五节 本章小结 ...................................................... 17 第四章 凹模零件手工编程 ................................................ 18

第一节 数控工艺分析 .................................................. 18 第二节 基点数值计算 .................................................. 19 第三节 程序编制检查 .................................................. 20 第四节 本章小结 ...................................................... 26 第五章 凹模零件自动编程 ................................................ 27

第一节 CAXA制造工程师2006基础知识 .................................. 27

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第二节 加工工艺分析 .................................................. 28 第三节 零件几何建模 .................................................. 29 第四节 凹模数控加工 .................................................. 31 第五节 生成G代码 .................................................... 39 第六节 本章小结........................................................ 41 第六章 2.5轴数控加工编程应用对比 ....................................... 42

第一节 手工编程应用特点 .............................................. 42 第二节 自动编程应用特点 .............................................. 43 第三节 自动编程与手工编程区别联系 .................................... 46

一 自动编程与手工编程区别 ........................................ 46 二 自动编程与手工编程联系 ........................................ 48 第四节 自动编程与手工编程应用总结 .................................... 49 第五节 本章小结 ...................................................... 50 结论 .................................................................... 51 致谢 .................................................................... 52 参考文献 ................................................................ 53

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第一章 绪论

第一节 数控机床产生与发展

一 数控机床产生

数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司在完成加工直升机浆叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初步设想。1949年，在美国空军后勤部的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始数控机床的研制。经过3年的研究，世界上第一台数控机床试验样机于1952年试制成功。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制系统铣床，其数控系统全部采用电子管元件，其数控装置体积比机床本体还要大。后经过3年的改进和自动编程研究，该机床于1955年，进入试用阶段。

二 数控机床发展概况

自1952年美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断的更新换代，先后经历了5个发展阶段。

第1代数控机床：1952-1959年，采用电子管元件构成的专用数控装置（Numerical Control，NC）。

第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。

第3代数控机床：从1965年，开始采用小、中规模集成电路的NC系统。 第4代数控机床：从1970年，开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（Computer Numerical Control，CNC）。

第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制系统（Microcomputer Numerical Control ，MNC）。

三 数控技术发展趋势

为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展方向主要体现在以下几个方面。

1.高速、高效、高精度、高可靠性

效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在加工精度方面，近10年来，

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普通级数控机床的加工精度已由10um提高到5um，精密级加工中心则从3～5um，提高到1～5um，并且超精密精度已开始进入纳米级（0.01um）。

2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展

采用五轴联动对三维曲面工件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。当前电主轴的出现，使得实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简单化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小，极大的促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床的发展。

3.模块化、智能化、柔性化和集成化

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控、方便系统的诊断及维修等。

4.开放性

所谓的开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

第二节 我国数控机床发展概况

我国从1958年开始由北京机床研究所和清华大学等单位首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末至70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控铣床加工平面零件自动编程的研究。1972～1979年是数控机床的生产和使用阶段，例如清华大学成功研制了集成电路数控系统。从20世纪80年代开始，随着改革开放的实施，我国先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北极机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5系统产品的制作技术。到“八五”末期，我国数控机床的品种已有200多个，产量已经达到年产10000台的水平，是1980年的500倍。我国数控机床在品种、性能以及控制水平上都有了新的飞跃，数控技术已经进入了一个继往开来的发展阶段。近年来，国家高度重视包括数控机床在内的装备制造业发展，相继出台的一系列措施，进一步确立了数控机床产业的战略地位，为数控行业的发展创造了有利条件。使得我们机床行业发展迅速，在质和量上都取得了飞跃。

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我国虽然是机床生产大国，但不是机床制造强国，国产机床的发展仍然难以支持国民经济和国防军工的需要。

第三节 论文研究内容及意义

一 论文研究的内容

第一章：介绍了数控机床的产生与发展，并简述了我国数控机床的发展情况； 第二章：2.5轴数控加工与编程技术。介绍了2.5轴数控机床组成、原理及编程的一些基础知识；

第三章：凹模零件数控加工工艺分析。分析凹模零件的数控加工工艺（零件图纸分析、定位基准与装夹、刀具与切削用量选择、划分工序、确定走刀路线、编制工艺文件等）；

第四章：凹模零件手工编程。根据FANUC OI系统，对凹模零件进行了手工编程； 第五章：凹模零件自动编程。利用CAXA制造工程师，对凹模零件进行自动编程； 第六章：对比研究凹模零件手工编程与自动编程过程，总结自动编程与手工编程特点、应用流程；总结2.5轴数控加工自动编程与手工编程二者区别与联系。

二 论文研究的意义

在多轴控制的数控机床中，2.5轴数控机床是其他机床的发展基础。数控铣床是数控机床家族中最常见的一类数控机床，它可以进行平面铣削、平面型腔、外形轮廓等铣削，还可以进行钻削、镗削、螺纹切削等孔加工。其中2.5轴数控铣床是最具代表性的一种，广泛应用于平面轮廓和平面区域类零件的钻铣加工。如模具的凹槽，凸轮外轮廓加工，简单形状的凸模等。

目前数控铣削技术从机床、刀具、编程等已自成体系，其核心之一是数控编程。它在实现加工自动化、提高加工质量和加工精度、缩短产品研制周期等方面发挥着重要的作用。

通过对凹模零件进行手工编程与自动编程，研究对比2.5轴数控加工编程过程，总结出自动编程与手工编程应用中编程人员要求、数控工艺分析、程序结构等方面的区别；二者在零件工艺、应用范围、协调发展等方面的联系，进行自动编程与手工编程应用的适用性总结。

深刻了解二者各自的特点、应用，理解二者差异性及其原因，对于数控加工中程序编制方法的选择，数控编程的发展具有重要的意义。

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第四节 本章小结

自1952年数控机床诞生以来，先后研究发展出2轴、2.5轴、3轴和多轴控制的机床。程序编制也随着机床的发展，先后经历了手工编程、APT语言编程和图形交互式自动编程两个阶段。我国从1958年开始由北京机床研究所和清华大学等单位首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从20世纪80年代开始，我国先后从日本、德国等国家引进先进的数控技术。目前，我国已成为数控机床生产大国，但还不是数控机床制造强国。

2.5轴数控机床是其他多轴控制机床的基础。研究2.5轴数控加工自动编程与手工编程，对于合理选择编程方法，理解编程知识，掌握编程方法，领悟编程思想具有重要意义。本设计通过对给定零件凹模进行数控加工工艺分析，分别完成自动编程与手工编程。结合凹模零件的程序编制过程，对比研究自动编程与手工编程，总结二者的区别与联系。

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第二章 2.5轴数控加工与编程技术

第一节 概述

数字控制，简称数控（Numerical Control，NC）,就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。具体来说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理、发出相应指令，对机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。

数控机床，就是装备有数控系统的自动化机床。

数控加工，是指在数控机床上进行工件切削加工的一种工艺方法，即根据工件图样和工艺要求等原始条件编制工件数控加工程序输入数控系统，控制机床刀具与工件相对运动，从而实现工件加工。

数控加工技术集传统的机械制造、计算机、现代控制、传感检测、信息处理、光机电等技术于一体，已成为现代机械制造技术的基础。它的广泛应用，给机械制造业的生产方式、产品结构带来了深刻的变化。数控技术的水平和普及程度，已成为一个国家综合国力和工业现代水平的重要标志。加工中心、柔性制造单元等都是在数控铣床的基础上产生和发展起来的。

数控铣床是数控机床家族中最常见的一类数控机床，它可以进行平面铣削、平面型腔铣削、外形轮廓铣削、三维及三维以上复杂型面铣削，还可以进行钻削、镗削、螺纹切削等孔加工。

一般按照数控系统控制的坐标轴数量，又可将数控铣床分为两轴半联动铣床（2.5轴数控铣床）、三轴联动铣床、四轴联动铣床及五轴联动铣床等。

2.5轴数控机床加工，刀具沿XY平面的曲线进行直线插补或圆弧插补，用平面曲线来逼近整个曲面。在数控机床中,机床坐标系的X轴和Y轴可以联动。当X轴和Y轴不进行加工时，Z轴可以有上下的移动。适用于曲率半径变化不大和精度要求不高的曲面的粗、精加工。如图2.1所示。

图2.1 2.5轴数控机床控制轴运动原理

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第二节 数控机床组成及工作原理

一 数控机床的组成

数控机床作为一种典型的机电一体化设备，其组成主要包括控制系统和机床本体两大部分。与普通机床相比，数控机床的主要特征是具有功能强大的、智能化的控制系统，即计算机控制系统。一般标准型数控机床的组成如图2.2所示。

图2.2 数控机床构成

1.控制介质

控制介质是信息的载体，通常也称为输入、输出设备。输入设备的主要功能是将工件加工程序、机床参数及刀补值、间补值等数据输入到机床计算机数控装置，主要有键盘、光电阅读机、磁盘及磁带接口、通信接口等；输出设备主要是将工件加工过程和机床运行状态等打印或显示输出，以便于工作人员操作，主要有CRT显示器、LED显示器、LCD显示器以及各种信号指示灯、报警蜂鸣器等。RS23接口是一种标准串行的输入、输出接口，可实现工件加工程序的打印、数控机床之间或机床和计算机之间的数据通信等。

2.数控装置

数控装置（CNC装置）是数控机床的核心。其主要功能是接收输入设备输入的加工信息，完成数据的存储、计算、逻辑判断、输入输出控制等，并向机床各驱动机构发出运动指令，指挥机床各部件协调、准确地执行工件加工程序。

3.机床本体

机床本体是数控机床的主体，是用来完成各种切削加工的机械部分。数控机床的机械结构，除了主运动系统、进给系统以及液压、气动、冷却和润滑部分等辅助装置外，还有些特殊部件，如刀库、自动换刀装置（ATC）、自动托盘交换装置等。与普通机床的主要差别在于机械传动结构及功能性部件。

4.检测系统

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位置检测装置的作用，主要是对机床的转速及进给实际位置进行检测并反馈回计算机数控装置，进行位置控制与补偿处理。运动部分通过传感器，将角位移或直线位移转换成电信号，输送给计算机数控装置，并与给定位置进行比较，由计算机数控装置通过计算，继续向伺服机构发出运动指令，对产生的误差进行补偿，使机床工作台精确地移动到要求的位置。

二 数控机床工作过程

（一） 数控机床的基本工作过程

数控机床的基本工作过程如图2.3所示。

1.操作人员根据工件加工图样的要求确定工件加工的工艺过程、工艺参数和刀具位移数据。

2.按编程手册的有关规定编写工件加工程序。

3.通过键盘、穿孔纸带、计算机联机通信或MDI(Manul Date Input),即手动数据输入等方式，将加工工件程序输入到计算机数控装置。

4.在数控系统内部的控制软件支持下，经过处理与计算后，发出相应的运动指令。 5.伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动机床进给机构严格按指令的要求进行位移，以进行工件的自动切削加工。

图2.3 数控机床工作过程

（二） 数控机床的工作原理

数控机床的工作原理如图2.4所示。

按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。

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图2.4 数控机床工作原理图

第三节 数控机床编程技术

数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动地对被加工工件进行加工。从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序或数控程序，它是机床数控系统的应用软件。

数控编程技术包含了数控加工与编程、金属加工工艺、CAD/CAM软件操作等多方面知识与经验，其主要任务之一是计算加工走刀中的刀位点。数控系统的种类繁多，使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同。

一 数控程序编制的内容、步骤

数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部过程。在编制数控加工程序前，首先应了解数控程序编制的主要工作内容、程序编制的工作步骤、每一步应遵循的工作原则，然后才能编制出满足要求的数控加工程序。图2.5表示了数控程序编制的内容及步骤。

图2.5 数控程序编制的内容及步骤

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1.分析零件图样和制定工艺方案。这项工作实际上是根据图样要求制定出零件的数控加工工艺方案，主要内容包括：对零件图样进行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案；选择合适的数控机床；选择或设计刀具、夹具；确定合理的走刀路线；选择合理的切削用量等。

2.数学处理。确定工艺方案后，根据零件的几何尺寸、加工路线等，需要计算出刀具中心的运动轨迹，以获得刀位数据，可通过手工计算实现或使用计算机辅助制造（CAM）软件自动实现。

手工计算一般用于加工圆弧和直线组成的较简单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何要素的交点或切点的坐标值，得出各几何要素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。当零件的几何形状复杂，采用CNC系统的基本插补功能不能实现时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅助计算，否则难以完成。

3.编写零件加工程序。完成上述两步步骤之后，即可编写零件加工程序。此时编程人员应按照相应数控系统的编程手册所规定的程序指令和程序格式，逐段编写加工程序。

4.程序检验。程序检验是正式加工前采用机床空运转或用铝件、塑料、石蜡等易切材料进行试切来检查机床动作和运动轨迹的正确性。在具有图形模拟显示功能的数控机床上或具有轨迹仿真的CAM软件中，也可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程。当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿措施。

二 数控程序编制的方法

编制数控加工程序的方法主要有两种：手工编制程序和自动编制程序。 1.手工编程。手工编程是指由人工来完成数控编程中各个阶段的工作，要求编程人员应对具体的数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，否则难以编写出正确的加工程序。一般情况下，对几何形状不太复杂、所需的加工程序不长、计算较简单的零件，用手工编程比较合适。

2.计算机自动编程。自动编程是指在编程过程中，编程人员只需分析零件图样和制定工艺方案，其余各步工作（数学处理、编写程序、程序校验）均由计算机辅助完成。

采用计算机自动编程时，计算机可自动绘制出刀具中心的运动轨迹，编程人员可及时检查程序正确性，并根据需要及时进行修改，以获得正确的程序。用计算机自动编程代替编程人员完成繁琐的数值计算，可提高编程效率几十倍乃至上百倍。计算机自动编

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程也解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。

第四节 本章小结

数控（数字控制），用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制，其集传统的机械制造、计算机、现代控制、传感检测、信息处理、光机电等技术于一体，已成为现代机械制造技术的基础。

2.5轴数控机床广泛被应用在平面区域和平面轮廓加工。2.5数控机床一般由控制介质、数控装置、机床本体、检测系统四部分组成。其工作流程为分析零件图样、程序设计与编制、指令输入送进到数控装置、指令传到伺服系统，驱动机床主体加工制成零件。在数控加工中，程序的编制是数控技术的核心环节之一，主要的编程方法有手工编程与自动编程。程序编制的主要内容有零件图样分析、制定工艺方案、数学处理、编写程序、程序校验等。

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第三章 凹模零件数控加工工艺分析

第一节 零件图及加工要求

如图3.1所示凹模工件零件图，毛坯外形尺寸为90mm×90mm×25mm，材料为45钢，生产10件。

图3.1 凹模零件图

第二节 识图与毛坯工艺分析

制订零件的数控铣削加工工艺时，首先要对零件图进行工艺分析，即针对零件图纸分析零件的加工要素、结构工艺性、基准与装夹、机床工具选择。

一 凹模零件识图

零件图纸直接反应零件结构，而零件的结构设计会影响或决定工艺性好坏。根据铣削加工特点，可以从以下几个方面来考虑结构工艺性特点。

1.零件图样尺寸的正确标注 2.保证获得要求的加工精度

3.尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸 4.保证基准统一

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通过零件结构分析发现凹模工件复杂程度一般，但各被加工部分的尺寸、形位、表面粗糙度值等要求较高，其中凹模零件的表面、外轮廓、孔的加工表面粗糙度精度要求为Ra=1.6um，孔的尺寸精度要求Ø15±0.015mm，外凹槽尺寸精度要求为10±0.036mm，内凹槽的尺寸精度要求为6±0.045mm，凹模外轮廓对称度要求为0.025。

对于凹模工件，其外凹槽外轮廓圆弧过渡半径为R=12mm，内轮廓圆弧过渡半径为R=6mm，为此采用直径为Ø8mm的立铣刀。

数控加工中，采用保证基准统一定位。对于凹模零件，其毛坯形状规则，以工件上表面为刀具长度补偿后的Z向坐标原点，工件中间位置孔Ø15mm为XOY的零点。 二 毛坯工艺分析

在数控铣削加工零件时，加工过程是自动的，毛坯余量的大小、如何装夹等问题在选择毛坯时就要仔细考虑好，否则，一旦毛坯不适合数控铣削，加工将很难进行下去。根据经验，确定毛坯的余量和装夹应注意以下两点。

1.毛坯加工余量应充足并尽量均匀 2.分析毛坯的装夹适应性

通过零件结构分析发现凹模零件的毛坯形状规则，直接选用机械或液压平口钳装夹工件如图3.2所示。毛坯材料为45钢，中碳钢，含碳量是0.42％-0.5％，广泛用于机械制造，这种钢的机械性能良好。为此粗加工余量不应过大，留有0.2mm的余量即可。

图3.2 机械平口钳与液压平口钳

第三节 凹模零件数控工艺分析

一 数控机床的选择

不同类型的零件在不同的数控机床上加工。数控车床适用于加工形状比较复杂的轴

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类零件和由复杂曲线回转形成的模具内型腔。数控立式镗铣床和立式加工中心适合于加工箱体、箱盖等。卧式镗铣床和卧式加工中心适合于加工复杂的箱体类零件、泵体、壳体等。多坐标联动的卧式加工中心还可以用于加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮、模具等。

凹模零件包括的加工要素分别有平面、外轮廓、凹槽、孔，其中平面、外轮廓的尺寸精度均达到Ra=1.6mm，中间位置孔的要求为Ø15±0.015mm。为此采用2.5轴数控铣床即可满足加工工艺要求。

二 选择加工刀具

刀具选择的原则：一是根据加工表面特点及尺寸选择刀具类型；二是根据工件材料及加工要求选择刀片材料及尺寸；三是根据加工条件选取刀柄。

刀具材料对切削性能的影响也非常重要。常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷材料和超硬材料，前两者为常用材料，且硬质合金材料在车刀中应用最普遍。高速钢刀具不适合于高速刀削，耐热温度低，而硬质合金比高速钢硬、耐磨、耐热。表3.1列出了各种刀具材料的特征和用途。

表3.1 刀具材料的特征和用途

材 料 高速钢 主 要 特 性 比工具钢硬 用 途 低速或不连续切削 可粗切或精切几乎任何材料，包括铁钢、不锈钢、高温合金、非铁和非金属材料 切削钢、高温合金、不锈钢、铝、碳钢及合金钢和其他不易加工的材料 可锻铸铁、碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金的精加工 高速粗加工，铸铁和钢的精加工，也适合加工有色金属和非金属材料。不适合加工铝、镁、钛及其合金 硬度大于450 HBW材料的高速切削 粗切和精切铝等有色金属和非金属材料 13

优 点 刀具寿命长，加工的表面较平滑 切削速度比高速钢高，强度和韧性较粉末冶金高速钢好 切削速度比高性能高速钢高15％ 寿命比一般工具钢高10～20倍 强韧、抗边缘磨高性能高速钢 损性强 粉末冶金高速钢 硬质合金 良好的抗热性和抗碎片磨损 耐磨损、耐热 陶瓷 高硬度、耐热冲击性好 超强硬度、耐磨性好 超强硬度、耐磨性好 可用于高速加工 立方氮化硼(CBN) 聚晶金刚石（PCD）

刀具寿命长，可实现超精表面加工 刀具寿命长，可实现超精表面加工 兰州交通大学毕业设计（论文）

三 对刀点与换刀点确定

在编程时，应正确选择对刀点和换刀点的位置。对刀点就是在数控机床上加工零件时，刀具对于工件运动的起点。由于程序段从该点开始执行，所以对刀点又称为程序起点或起刀点。

对刀点的选择原则：一是便于用数字处理和简化程序编制；二是在机床上找正容易，加工中便于检查；三是引起的加工误差小。

加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转位换刀时的位置。数控机床在加工过程中如果要换刀，则需要预先设置换刀点并编入程序中，选择换刀点的位置应根据工序内容确定，要保证换刀时刀具及刀架不与工件、机床部件及工装夹具相碰。常用机床参考点作为换刀点。

凹模零件设定对刀点如图3.3所示的对刀点，对刀点尽量与基准重合。换刀点如图3.4所示。

图3.3 对刀点的设定 图 3.4 换刀点的设定

四 走刀路线确定

在数控加工过程中，每道工序的走刀路线直接影响零件的加工精度与表面粗糙度。刀具相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线或走刀路线，包括切削加工的路径和刀具切入、切出等空行程。在普通机床加工中，走刀路线由操作者靠工作经验直接把握，工序设计时则无需考虑。确定加工路线的一般原则是：首先必须保证被加工零件的精度要求和表面粗糙度要求；其次考虑数值计算简单，缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间，效率较高等。

对于凹模零件，端铣刀铣削凹模毛坯上下表面；立铣刀先粗加工后精加工毛坯外轮廓、外凹槽、内凹槽；麻花钻钻中间位置孔，镗刀精镗中间位置孔。

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五 切削用量确定

数控铣削用量即铣削参数包括主轴转速（切削速度）、铣削深度与宽度、进给量、行距、残留高度、层高等。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并写入程序单内。

数控加工中，切削用量主要包括以下几个主要因素：

1.主轴转速：主轴转速应低于机床主轴的最大转速，可用机床控制面板上的主轴转速修调开关调整主轴转速。

2.切削速度：切削速度的选择主要取决于刀具耐用度和被加工工件材料。切削速度增大，刀具耐用度急剧下降。

3.轴向切削深度：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，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般留0.2mm～0.5mm。

4.径向切削深度：与刀具直径成正比，与轴向切削深度成反比。取值范围ae=（0.6～0.9）De，通常取ae=0.75De。

常用切削参数术语如表3.2所示。

表3.2 切削参数常用计算公式 切削速度/ （m/min） Vc=ПDcn/1000 Vc：刀具切削刃作圆周运动时的线速度 Dc：刀具切削位置直径 端铣飞刀、端铣刀参数计算 主轴转速/ (r/min) n=1000Vc/ПDc ap：轴向切削深度 ae：径向切削深度 fz：每齿进给量 Zn：刀具齿数 Vf：进给速度 进给速度/ （mm/min） Vf=fz×n×Zn 综合第三章中凹模零件数控加工工艺分析，毛坯材料为45钢，中碳钢，含碳量是0.42％-0.5％，含Si含量为0.17~0.37%，Mn含量0.50~0.80%，Cr含量<=0.25%，Ni含量<=0.30%。广泛用于机械制造，这种钢的机械性能良好。

为此采用Ø150盘形硬质合金端铣刀，Ø8硬质合金的立铣刀，Ø14.5高速钢麻花钻，Ø15硬质合金镗刀。

硬质合金铣刀切削参数推荐值如表3.3所示。

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表3.3 硬质合金铣刀切削参数推荐值

工件材料 低碳钢 中碳钢 硬质钢 切削速度 （m/min） 60～153 30～75 7～37 进刀量fz （mm/齿） Dc≤6mm Dc≤12mm Dc≤25mm 备注 Dc：刀具切削位置直径 0.010～0.038 0.038～0.076 0.076～0.178 0.005～0.025 0.025～0.05 0.05～0.125 0.005～0.013 0.013～0.025 0.025～0.076 我们可以得出，数控加工过程中，凹模工件的切削速度30～75m/min，根据主轴转速公式：

Vc=ПDcn/1000 式(1)

可计算出主轴转速n=1900～4777r/min。

径向切削深度ae与刀具直径成正比，ae=（0.6～0.9）DC ,通常ae=0.75DC。即可得到ae=6mm。

轴向切削深度ap=刀具直径的0.5～1倍，即ap=4～8mm。

第四节 工序划分与工艺编制

一 工序划分

数控机床加工零件的工序划分方法如下：

1.刀具集中划分工序。用同一把刀加工完零件上所有可以完成的部位，再用第二把、第三把刀完成它们可以完成的其他部位。这样可以减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差。

2.粗、精加工分序法。单个零件要先粗加工、半精加工，而后精加工；或者一批零件，先全部进行粗加工、半精加工，最后进行精加工。粗、精加工之间，最好隔一段时间，以使粗加工后的零件得以充分的时效，再进行精加工，以提高零件的加工精度。

3.加工部位分序法。一般先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度要求较低的部位，再加工精度要求较高的部位。

总之，在数控机床上加工零件，其加工工序的划分要视加工零件的具体情况具体分析。

根据加工工序划分中刀具集中、加工部位分序原则，凹模零件在数控加工过程中，可划分为三个工序。大致过程如下：

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1.端铣刀，加工凹模毛坯的上表面、下表面，精加工凹模毛坯的上表面； 2.立铣刀，先粗加工后精加工加工凹模毛坯的轮廓、外凹槽、内凹槽； 3.中间位置孔的钻与镗。

二 工艺编制

综合上述凹模零件数控工艺分析，安排的加工工步、加工内容、刀具规格、切削参数如表3.4所示。D、H用于刀具半径补偿与刀具长度补偿，根据实际情况输入：D2=4.5，D3=4;粗加工余量为0.2。

表3.4 凹模零件工艺卡

加工步骤 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 工步内容 刀具规格 类型 刀具与切削参数 主轴转速 进给速度 /(r/min) /(mm/min) 3000 4000 3000 2500 2500 4000 3500 3500 3500 3000 180 150 160 120 100 50 45 40 80 35 粗加工毛坯上表面 Ø150盘形端粗加工毛坯下表面 铣刀 精加工毛坯表面 粗加工毛坯侧面 粗加工深6mm的外凹槽 粗加工深10mm的内凹槽 Ø8立铣刀 精加工毛坯侧面 精加工深6mm的外凹槽 精加工深10mm的内凹槽 钻中间位置孔 Ø14.5麻花钻 精镗中间位置孔 Ø15镗刀 刀具补偿 长度 半径 H1/T1 D1 H2/T2 D2 H5/T5 H6/T6 D5 D6 第五节 本章小结

数控加工工艺与普通机床的加工工艺有许多相同之处，但数控工艺规程要复杂的多。数控加工是严格按照加工程序，自动地对被加工工件进行加工，所以必须将数控机床的运动过程、零件的加工工艺过程、刀具的几何形状、切削用量及走刀路线等等都编入加工程序，这就要求程序设计人员必须具有多方面的知识基础和一定的工作经验。

根据数控加工工艺分析内容、凹模零件加工要求，采用2.5轴数控铣床，机械平口钳或液压平口钳装夹；根据凹模结构分析，采用Ø8立铣刀、Ø14.5麻花钻等硬质合金刀具；根据数控加工中基准统一原则，确定对刀点与换刀点；根据刀具集中、加工部位分序原则，确定走刀路线；根据毛坯材料和刀具，确定切削用量。编制凹模零件加工工艺卡，完成凹模数控工艺分析。

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第四章 凹模零件手工编程 第一节 数控工艺分析

一 工艺分析

通过零件结构分析发现工件的毛坯形状规则，直接选用机械或者液压平口钳装夹工件。

工件的复杂程度一般，但各被加工部分的尺寸、形位、表面粗糙度值等要求较高。 工件中心孔ø15非常重要，它的精度关系到诸多要素的加工精度，编程时以工件上表面为刀具长度补偿后的Z向坐标零点，工件上表面中间ø15孔的中心位置为XOY零点（如下图4.1所示）。

图4.1 凹模工件对刀点

加工要保证工件X、Y轴零点找正，平口钳一定要夹紧工件，刀具长度补偿利用Z轴定位器设定，利用刀具半径补偿来区分粗、精加工，并利用系统的子程序、固定循环功能简化编程。

二 刀具选择

根据第三章凹模零件数控加工工艺分析，加工过程中采用的刀具有ø150mm盘形硬质合金端铣刀，ø8mm硬质合金立铣刀，ø14.5mm高速钢麻花钻，ø15mm硬质合金镗刀。

三 切削用量

根据第三章凹模零件数控加工工艺分析，采用主轴转速n为1900～4777r/min，轴向切削深度为4～8mm，切削速度为30～75m/min，径向切削深度为6mm。

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四 走刀路线

结合第三章凹模零件数控工艺分析中走刀路线确定，对于凹模零件，端铣刀铣削凹模毛坯上下表面；立铣刀先粗加工后精加工毛坯外轮廓、外凹槽、内凹槽；麻花钻钻中间位置孔，镗刀精镗中间位置孔。

五 加工工步

综合第三章凹模零件数控工艺分析，凹模零件的加工工步安排如下： 1.铣削毛坯上平面，选用ø150盘形端铣刀；

2.翻转装夹毛坯，铣削下平面，选用ø150盘形端铣刀； 3.粗加工毛坯侧面，选用ø8立铣刀； 4.粗加工深6mm的外凹槽，选用ø8立铣刀； 5.粗加工深10mm的内凹槽，选用ø8立铣刀； 6.精加工毛坯侧面，选用ø8立铣刀； 7.精加工深6mm的外凹槽，选用ø8立铣刀； 8.精加工深10mm的内凹槽，选用ø8立铣刀； 9.钻中间位置孔，选用ø14.5麻花钻； 10.精镗ø15中间位置孔，选用ø15镗刀。

第二节 基点数值计算

手工编程中，需要根据零件图的几何尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系，计算零件粗、精加工运动的轨迹，得到刀位数据。对于形状比较简单的零件（如由直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值，如果数控装置无刀具补偿功能，还要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。对于形状比较复杂的零件（如由非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段或圆弧段逼近，根据加工精度的要求计算出节点坐标值，这种数值计算一般要用计算机来完成。

结合第三章凹模零件数控工艺分析中建立以工件上表面为刀具长度补偿后的Z向坐标零点，工件上表面中间ø15孔的中心位置为XOY零点的坐标系。凹模外凹槽、孔加工的基点坐标都比较简单，可由凹模零件图直接算出。内凹槽用圆弧过渡，其关键点坐标计算可利用计算机辅助计算。

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第三节 程序编制检查

一 程序编制

日本FANUC公司自50年代末期生产数控系统以来，已开发出40多种系统的数控系统，特别是70年代中期开发出FS5、FS7系统以后，所生产的系统都是CNC系统。从此，FANUC公司的CNC系统大量进入中国市场，在中国CNC市场上处于举足轻重的地位。

FANUC公司目前生产的数控装置有F0、F10/F11/F12、F15、F16、F18系列。 FANUC 0I系列：0I—MA用于加工中心、铣床；0I—TA用于车床，可控制4轴。 FANUC数控系统的特点：

1.系统在设计中大量采用模块化结构； 2.具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力； 3.有较完善的保护措施；

4.FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能； 5.提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令； 6.具有很强的DNC功能；

7.提供丰富的维修报警和诊断功能。

综合第三章凹模零件数控加工工艺分析中，刀具集中、加工部位分序原则和刀具的选择，先采用ø150盘形端铣刀铣削凹模零件的上表面，再次装夹零件，铣削凹模零件的下表面；采用ø8立铣刀加工凹模轮廓、外凹槽、内凹槽，由于外凹槽与内凹槽比较深，刀具进给量比较小，可编制子程序，简化主程序结构。采用麻花钻和镗刀进行钻孔和精镗孔。

在程序编制中，刀具长度补充根据刀具实际长度输入；刀具半径补偿：D2=4.2，D3=4;粗加工余量为0.2。

采用FANUC系统编程，编制程序如表4.1。

表4.1 FANUC 0I系统加工程序 FANUC 0I系统加工程序 程序内容 O0001 N01. G54G90G49G00X0Y0 N02. M03S3000F180 N03. G00Z100

注释 主程序 程序初始化；建立工件坐标系；绝对编程 采用ø150mm端铣刀粗加工凹模表面 20

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N04. N05. N06. N07. N08. N09. N10. O0002 N01. N02. N03. N04. N05. N06. N07. N08. N09. N10. N11. N12. N13. N14. N15. N16. N17. N18. N19. N20. N21. N22. N23. N24. N25. N26. N27. N28. N29. N30. N31. N32. N33. N34.

G00X-120Y0 G00G43Z10H1 G01Z-0.1 G01X120Y0 G00G49Z100H1 G00X0Y0 M30 G54G90G49G00X0Y0 M03S3000F180 G00Z100 G00X-120 G00G43Z10H1G00X-120 G01Z-0.1 G00Z100 S4000F150 G00Z10 G01Z-0.2 Z10 G00G49Z100H1 S3000F160T2 G41G00X-43Y43D2 G00G43Z10H2 G01 Z-3.5 X43 Y-43 X-43 Y43 G01Z-6.5 X43 Y-43 X-43 Y43 G01Z-9.5 X43 Y-43 X-43 Y43 G01Z-12.5 X43 Y-43 X-43 程序停止 主程序 程序初始化；建立工件坐标系；绝对编程 采用ø150mm端铣刀粗加工凹模表面 采用ø150mm端铣刀精加工凹模表面 更换ø8mm立铣刀 建立刀具长度补偿，半径补偿，粗加工凹模侧面 21

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N35. N36. N37. N38. N39. N40. N41. N42. N43. N44. N45. N46. N47. N48. N49. N50. N51. N52. N53. N54. N55. N56. N57. N58. N59. N60. N61. N62. N63. N. N65. N66. N67. N68. N69. N70. N71. N72. N73. N74. N75. N76.

Y43 G01Z-15 X43 Y-43 X-43 Y43 G01Z10 M03S2500F120 G00X-39Y27 G01Z-3.5 M98P0003 M99 G01Z-6 M98P0003 M99 G00Z100 X0Y0 G00Z10 S2500F100 M98P0004 M99 G01X0Y0 Z-7 M98P0004 M99 G01X0Y0Z-10 M98P0004 M99 G40G00XOY0D3 G00G49Z100H2 M03S4000F50 G41G00X-43Y43D4 G00G43Z10H4 G01Z-15.2 X43 X-43 Y43 G01Z10 M03S3500F45 G01X-39Y27 G01Z-6.2 Y-27 粗加工深6mm的外凹槽，调用子程序O0003 粗加工深10mm的内凹槽，调用子程序O0004 精加凹模侧面 精加工深6mm的外凹槽 22

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N77. N78. N79. N80. N81. N82. N83. N84. N85. N86. N87. N88. N. N90. N91. N92. N93. N94. N95. N96. N97. N98. N99. N100. N101. N102. N103. N104. N105. N106. N107. N108. N109. N110. N111. N112. N113. N114. N115. N116. N117. N118.

G03X-27Y-39I12J0 G01X27 G03X39Y-27I0J12 G01Y27 G03X27Y39-12J0 G01X-27 G03X-39Y27I0J-12 G01X-29Y23 G02X-23Y29I6J0 G01X23 G02X29Y23I0J-6 G01Y-23 G02X23Y-29I-6J0 G01X-23 G02X-29Y-23I0J6 G01Y23 G01Z10 G00X0Y0 M03S3500F40 G00X20Y20 X0Y0 G01Z-10.2 G01X4.5 G03X4.5Y0I-4.5J0 G01X6.5 G03X6.5Y0I-6.5J0 G01X8.5 G03X8.5Y0I-8.5J0 G01X10.5 G03X10.5Y0I-10.5J0 G01X12.5 G03X12.5Y0I-12.5J0 G01X14.5 G03X14.5Y0I-14.5J0 G01X16.3 G03X16.3Y0I-16.3J0 G01X18.9Y7.875 G03X7.875Y18.9R8 G02X-7.875Y19.9R14 G03X-18.9Y7.875R8 G02X-18.9Y-7.875R14 G03X-7.875Y-18.9R8 精加工深10mm的内凹槽 23

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N119. N120. N121. N122. N123. N124. N125. N126. N127. N128. N129. N130. N131. N132. N133. N134. N135. N136. N137. N138. N139. N140. N141. N142. N143. N144. N145. N146. N147. O0003 N01. N02. N03. N04. N05. N06. N07. N08. N09. N10. N11. N12.

G02X7.875Y-18.9R14 G03X18.9Y-7.875R8 G02X18.9Y7.875R14 G01Z5 G00X0Y0 G41G00X18.9Y7.875D3 G01Z-10.2 G03X7.875Y18.9R8 G02X-7.875Y19.9 R14 G03X-18.9Y7.875R8 G02X-18.9Y-7.875R14 G03X-7.875Y-18.9R8 G02X7.875Y-18.9R14 G03X18.9Y-7.875R8 G02X18.9Y7.875R14 G01Z5 G40G00X0Y0D3 G00G49G00Z100H4 M03S3000F35T5 G00G43Z10H3 G83G99X0Y0Z-15.2Q3.5R2 G01Z10 G00G49Z100H3 M03S3000F35T6 G43G00Z10H5 G85G99X0Y0Z-15.2R2 G01Z10 G00G49Z100H5 M30 G01X-39Y27 Y-27 G03X-27Y-39I12J0 G01X27 G03X39Y-27I0J12 G01Y27 G03X27Y39I-12J0 G01X-27 G03X-39Y27I0J-12 G01X-29Y23 G02X-23Y29I6J0 G01X23 更换ø14.5mm麻花钻 钻中间位置孔 更换ø15mm 镗刀 精镗中间位置孔 子程序 深6mm外凹槽的加工程序 24

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N13. N14. N15. N16. N17. N18. N19. N20. N21. O0004 N01. N02. N03. N04. N05. N06. N07. N08. N09. N10. N11. N12. N13. N14. N15. N16. N17. N18. N19. N20. N21. N22. N23. N24. N25. N26. N27. N28. N29. N30. N31. N32.

G02X29Y23I0J-6 G01Y-23 G02X23Y-29I-6J0 G01X-23 G02X-29Y-23I0J6 G01Y23 G01Z10 G00X-39Y27 M99 G01Z10 G01Z-3.5 G01X4.5 G03X4.5Y0I-4.5J0 G01X6.5 G03X6.5Y0I-6.5J0 G01X8.5 G03X8.5Y0I-8.5J0 G01X10.5 G03X10.5Y0I-10.5J0 G01X12.5 G03X12.5Y0I-12.5J0 G01X14.5 G03X14.5Y0I-14.5J0 G01X16.3 G03X16.3Y0I-16.3J0 G01X18.9Y7.875 G03X7.875Y18.9R8 G02X-7.875Y19.9 R14 G03X-18.9Y7.875R8 G02X-18.9Y-7.875R14 G03X-7.875Y-18.9R8 G02X7.875Y-18.9R14 G03X18.9Y-7.875R8 G02X18.9Y7.875R14 G01Z10 X0Y0 G41G00X18.9Y7.875D3 G01Z-3.5 G03X7.875Y18.9R8 G02X-7.875Y19.9 R14 G03X-18.9Y7.875R8 子程序 深10mm内凹槽的加工程序 25

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N33. N34. N35. N36. N37. N38. N39. N40. G02X-18.9Y-7.875R14 G03X-7.875Y-18.9R8 G02X7.875Y-18.9R14 G03X18.9Y-7.875R8 G02X18.9Y7.875R14 G01Z10 G00X0Y0 M99 二 程序检验

程序检验是正式加工前采用机床空运转或用铝件、塑料、石蜡等易切材料进行试切（对于形状复杂和要求高的零件）来检查机床动作和运动轨迹的正确性。根据检查结果，对程序进行修改和调整，检查修改再检查修改„„这往往要经过多次反复，直到获得满足加工要求的程序为止。

三 程序后置处理

程序编制修改完成成后，编程者或机床操作者可以通过CNC机床的操作面板，在EDIT方式下直接将程序信息键入CNC系统程序存储器中；也可以根据CNC系统输入、输出装置的不同，先将程序单的程序制作成或转移至某种控制介质上。控制介质大多采用穿孔带，也可以是磁带、磁盘等信息载体，利用穿孔带阅读机或磁带机、磁盘驱动器等输入（输出）装置，可将控制介质上的程序信息输入到CNC系统程序存储器中。

第四节 本章小结

在数控程序编制中，手工编程是指由人工来完成数控编程中各个阶段的工作（零件图样分析及工艺处理、数学处理计算、程序编写与校核等），要求编程人员应对具体的数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，否则难以编写出正确的加工程序。

根据凹模零件数控加工工艺，确定程序编制思路：端铣刀铣削凹模毛坯上下表面；立铣刀先粗加工后精加工凹模轮廓、外凹槽、内凹槽；麻花钻、镗刀钻与精镗中间位置孔。在FANUC数控编程系统中，由于凹模零件外凹槽、内凹槽加工深度较深，刀具进给量较小，建立外凹槽、内凹槽加工子程序，从而简化主程序结构，方便程序编制。程序编制完成后，采用机床空运转或试切来检查机床动作或刀具轨迹的正确性。根据检查结果进行修改，直到获得满足加工要求的程序为止。程序编制修改完成后，编程者可通过CNC机床的操作面板，在EDIT方式下将程序信息键入CNC系统程序存储器中。

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第五章 凹模零件自动编程

第一节 CAXA制造工程师2006基础知识

CAXA制造工程师2006是北航海尔软件有限公司在CAM领域多年深入研究中国数控加工企业和积极吸纳国际先进技术的基础上，打造出的全新一代CAD/CAM一体化三维建模/数控软件，具有“贴近中国用户”和“国际技术水准”的鲜明特色。

CAXA制造工程师2006是面向2.5轴数控铣床与加工中心，具有卓越工艺性能的铣/钻削加工数控编程软件，是CAXA制造解决方案的重要构建之一，具有稳定可靠、工艺卓越、易学易用、高效快捷等特点。

CAXA制造工程师2006的用户界面如图5.1所示。标题栏显示着当前正在操作的文件的路径及名称；主菜单栏位于标题栏下方，包括文件、编辑、显示、造型、加工、刀具、设置和帮助菜单，每个菜单都含有若干个命令；工具栏以简单直观的图标按钮来表示每个操作功能，单击图标就可以启动相对应的命令；特征树记录实体生成的操作步骤，用户可以直接在特征树中选择不同的选项对实体进行编辑。

图5.1 CAXA 制造工程师2006用户界面

CAXA制造工程师2006分为两个功能模块：一是“零件设计”模块，二是“数控加工”模块。“零件设计”可为数控提供加工模型；“数控加工”不仅可生成零件模型的刀具轨迹、自动生成数控加工程序，同时也提供了零件模型的造型功能。

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第二节 加工工艺分析

一 工艺分析 （一） 工件坐标系

根据凹模零件图纸，建立以工件上表面为刀具长度补偿后的Z向坐标零点，工件上表面中间ø15孔的中心位置为XOY零点。凹模工件坐标系如图5.2所示。

图5.2 凹模工件坐标系

（二） 加工工艺

凹模工件是一个形状规则的板类零件，需要进行平面铣削、轮廓、凹槽、孔等加工，其零件轮廓、孔加工精度要求较高。在CAXA制造工程师中采用平面区域加工、孔加工来合理地解决这些问题。详见第三章凹模零件加工工艺分析中加工工艺表3.4。

（三） 零件装夹

凹模零件形状规则，可直接选用机械或者液压平口钳装夹工件。采用两次装夹加工，完成对其上下表面的加工。

（四） 切削参数

根据凹模手工编程中的数控工艺分析，采用与其一致的切削参数，如表5.1所示。

表5.1 凹模数控加工切削参数

参数名称 主轴转速n 参 数 1900～4777r/min 参数名称 轴向切削深度ap 径向切削深度ae 28

参 数 4～8mm 切削速度VC

30～75 m/min 6mm 兰州交通大学毕业设计（论文）

第三节 零件几何建模

1.单击特征树中的【平面XOY】，XOY面为绘图基准面。 2.单击草图绘制

按钮，进图草图状态。

按钮，选择【中心-长-宽】方式，输入长度宽度分

3.单击曲线工具栏中的矩形

86×86，拾取原点（0,0,0）为中心点。点击确定，生成矩形如图5.3所示。

图5.3 绘制矩形

4.单击拉伸按钮，在弹出的【拉伸】对话框（图5.4）【深度】输入15，单击【确

定】按钮，生成如图5.5所示的长方体。

图5.4 【拉伸】对话框 图5.5 拉伸长方体的轴测图

5.拾取长方体的上表面作为绘图的基准面，然后单击草图绘制态。

6.按F5键切换换到XOY显示，单击

按钮，选择【中心-长-宽】方式，，输入长

按钮，进入草图状

度宽度分58×58，拾取原点（0,0,0）为中心点，点击确定。继续上述操作，绘制出78×78的矩形。

7.单击曲线过渡所示的草图。

按钮，选择【圆弧过渡】方式，输入半径为12、6。生成如图5.6

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图5.6 外凹槽草图

8.单击拉伸除料按钮，在弹出的【拉伸除料】对话框（图5.7）深度输入6，单

击【确定】按钮，生成如图5.8所示的实体造型。

图5.7 【拉伸除料】对话框

图5.8 外凹槽轴测图

按钮，进入草图绘制

9.拾取内凹槽的上表面作为绘图基准面，然后单击草图绘制状态，根据凹模零件图纸，绘出如图5.9所示的草图。

图5.9 内凹槽草图

10.单击拉伸除料按钮，在弹出的【拉伸除料】对话框（图5.10）深度输入10，单击

【确定】按钮，生成如图5.11所示的实体造型。

图5.10 【拉伸除料】对话框

图5.11 内凹槽轴测图

11.拾取凹槽小表面作为绘图基础，然后单击草图绘制

按钮，进入草图绘制状态，

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单击圆

按钮，选择【圆心-半径】方式，按回车键输入半径值为7.5，生成草图如图

5.12所示。

图5.12 中间孔草图

12.单击拉伸除料按钮，在弹出的【拉伸除料】对话框（图5.13）深度输入5，

单击【确定】按钮，生成如图5.14所示的实体造型。

图5.13 【拉伸除料】 对话框 图5.14 凹模实体造型

至此，完成凹模实体造型。

第四节 凹模数控加工

一 数控编程前准备

（一） 修改加工模型、定义毛坯

1.单击

（打开文件）按钮，打开凹模零件实体造型文件，如图5.15所示。

2.定义毛坯。根据凹模零件图纸，设置毛坯90×90×25，基准点设置如图5.16所示。

图5.15 凹模实体造型图 5.16 毛坯尺寸定义

（二） 机床后置处理

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鼠标双击

机床后置处理，弹出【机床后置】处理对话框，如图5.17

所示。根据2.5轴数控铣床参数进行设置，由于凹模零件数控加工自动采用FANUC系统，默认即可。

图5.17 【机床后置】处理对话框

（三） 刀具库定义

鼠标双击

按钮，弹出【刀具库管理】对话框如图5.18所示。

图5.18 【刀具库管理】对话框

选择满足凹模数控加工工艺的刀具，若没有合适的刀具，单击增加刀具按钮，在【刀具定义】中键入正确的数值，其中的【刀刃长度】和【刃杆长度】与仿真有关而与实际加工无关，刀具定义即可完成，如图5.19所示。

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图5.19 刀具定义

二 凹模零件数控编程

结合第三章凹模零件数控工艺分析中加工工艺表3.4，凹模零件工艺加工安排如下：

（一） 粗加工毛坯表面

1.单击工作界面菜单栏中的【加工】按钮，选择粗加工中的平面区域粗加工，弹出对话框。选择【平面区域加工参数】标签卡，设置加工参数如图5.20所示；选择【切削用量】标签卡，设置参数如图5.21所示。

图5.20 加工参数设置 图5.21 切削用量参数设置

2.选择【下刀方式】标签卡，设置参数如图5.22所示；选择【刀具参数】标签卡，设置刀具参数如图5.23所示。

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图5.22 下刀方式参数设置 图5.23 刀具参数设置

3.清根参数与接近方式设置为默认方式。

4.状态栏提示“拾取轮廓”，用鼠标拾取凹模实体造型外轮廓；状态栏提示“确定链搜方向”，选择箭头；状态栏提示“拾取岛屿”，单击鼠标右键，在工作环境中即生成加工轨迹，如图5.24所示。

图5.24 凹模表面平面区域加工轨迹生成

（二） 精加工毛坯表面

1.单击CAXA制造工程师工作界面菜单栏中的【加工】按钮，选择粗加工中的平面区域粗加工，弹出【平面区域粗加工参数】对话框。选择【平面区域加工参数】标签卡，设置【加工参数】中，顶层高度为25，底层高度为24.7；【加工精度】设为0.001；轮廓参数【余量】设为0；如图5.25所示。

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图5.25 加工参数设置

2.其他参数同表面粗加工的设置一样，即可完成毛坯表面精加工。

（三） 凹模轮廓精加工

1.单击CAXA制造工程师工作界面菜单栏中的【加工】按钮，选择精加工中的平面轮廓精加工，弹出【平面轮廓精加工参数】对话框。选择【平面轮廓加工参数】标签卡，设置【加工参数】如图5.26所示；设置【切削用量】参数，如图5.27所示。

图5.26 加工参数设置 图5.27 切削用量设置

2.设置【刀具参数】如图5.28所示。

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3.接近方式，设置为默认方式；下刀方式，与凹模表面粗加工的设置一样。 4.设置完成后，单击【确定】按钮，根据状态栏的提示，拾取轮廓、链接方向、岛屿，在工作环境中即生成加工轨迹，如图5.29所示。

图5.28 刀具参数设置 图5.29 凹模平面轮廓加工轨迹生成

（四） 外凹槽粗加工

1.单击CAXA制造工程师工作界面菜单栏中的【加工】按钮，选择粗加工中的平面区域粗加工，弹出【平面区域粗加工参数】对话框。选择【平面区域加工参数】标签卡，设置加工参数如图5.30所示；

2.清根参数、下刀方式与毛坯表面粗加工设置参数一致；切削用量中，设置主轴转速为2500，切削速度为120。

3.设置完成后，单击【确定】按钮，根据状态栏的提示，拾取轮廓、链接方向、岛屿，在工作环境中即生成加工轨迹，如图5.31所示。

图5.30 加工参数设置 图5.31 凹模外凹槽加工轨迹生成

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（五） 内凹槽粗加工

1.单击CAXA制造工程师工作界面菜单栏中的【加工】按钮，选择粗加工中的平面区域粗加工，弹出【平面区域粗加工参数】对话框。选择【平面区域加工参数】标签卡，设置加工参数如图5.32所示；清根参数、下刀方式与毛坯表面粗加工设置参数一致；切削用量中，设置主轴转速为2500，切削速度为100。

2.设置完成后，单击【确定】按钮，根据状态栏的提示，拾取轮廓、链接方向、岛屿，在工作环境中即生成加工轨迹，如图5.33所示。

图5.32 加工参数设置 图5.33 凹模内凹槽加工轨迹生成

（六） 外凹槽精加工

单击CAXA制造工程师工作界面菜单栏中的【加工】按钮，选择粗加工中的平面区域粗加工，弹出【平面区域粗加工参数】对话框，设置轮廓参数，加工余量为0；加工精度为0.001。其他参数设置和外凹槽粗加工参数设置一致。在工作环境中生成轨迹如图5.34所示。

图5.34 加工轨迹生成

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（七） 内凹槽精加工

单击CAXA制造工程师工作界面菜单栏中的【加工】按钮，选择粗加工中的平面区域粗加工，弹出【平面区域粗加工参数】对话框，设置轮廓参数，加工余量为0；加工精度为0.001。其他参数设置和内凹槽粗加工参数设置一致。在工作环境中生成轨迹如图5.35所示。

图5.35 加工轨迹生成

（八） 钻中间位置孔

单击CAXA制造工程师工作界面菜单栏中的【加工】按钮，选择其他加工中孔加工，弹出【孔加工】对话框，选择钻孔，设置加工参数，如图5.36所示。设置刀具参数，如图5.37所示。

图5.36 加工参数设置 图5.37 刀具参数设置

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（九） 镗中间位置孔

单击CAXA制造工程师工作界面菜单栏中的【加工】按钮，选择其他加工中孔加工，弹出【孔加工】对话框，选择精镗孔，设置加工参数，如5.38图所示。设置刀具参数，如图5.39所示。

图5.38 加工参数设置 图5.39 刀具参数设置

第五节 生成G代码

一 轨迹仿真

轨迹仿真模块可实现走刀路径动态模拟显示，同时显示相应的加工信息，并可对已有轨迹进行编辑。用户有两种途径进入轨迹仿真环境，一是选择【加工】中的【轨迹仿真】命令，二是从轨迹树中拾取若干轨迹右击后选择【轨迹仿真】命令即可进入选定轨迹仿真。轨迹仿真的最主要目的就是帮助加工者分析加工干涉可能和加工效率问题，保证刀具路径的绝对正确。

凹模零件轨迹仿真操作如下：

1.首先把隐藏掉的粗加工轨迹设为可见。

2.在菜单上选择【应用】中的【轨迹仿真】命令，选择自动计算方式。

3.状态栏提示“拾取刀具轨迹”，拾取生成的粗加工与精加工轨迹，单击鼠标右键，轨迹仿真过程如图5.40所示。

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图5.40 凹模轨迹仿真

二 轨迹检查

在具有图形模拟显示功能的数控机床上或具有轨迹仿真的CAM软件中，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。当出现错误时，可重新对凹模零件错误加工部分进行修改，直到显示走刀轨迹正确为止。

三 生成G代码

1.在菜单上选择【应用】中的【后置处理】，再选择【生成G代码】命令，弹出【保存】对话框。选择保存代码的路径并设置代码文件的名称，单击【保存】按钮。

2.状态栏提示“拾取刀具轨迹”，选择以上生成的粗加工和精加工轨迹，单击鼠标右键，弹出记事本文件，内容为生成的G代码，如图5.41所示。

图5.41 凹模零件G代码

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第六节 本章小结

自动编程是指在编程过程中，编程人员只需分析零件图样和制定工艺方案，其余各步工作（数学处理、编写程序、程序校验）均由计算机辅助完成。采用计算机自动编程时，计算机可自动绘制出刀具中心的运动轨迹，编程人员可及时检查程序正确性，并根据需要进行修改。

CAXA 2006制造工程师分为两个功能模块：一是“零件设计”模块，二是“数控加工”模块。凹模在“零件设计”模块中进行实体建模；在“数控加工”模块中结合凹模零件数控工艺分析，进行毛坯定义、刀具轨迹规划与加工参数设置、走刀路线确定；利用平面区域加工、平面轮廓加工等菜单命令，完成凹模零件数控加工；采用刀具轨迹显示和轨迹仿真，对加工参数、加工轨迹进行修改；后置处理自动生成加工程序，完成自动编程。

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第六章 2.5轴数控加工编程应用对比

第一节 手工编程应用特点

一 手工编程定义与特点

从零件图样的分析及工艺处理，数学处理和数值计算，编写程序清单，直到程序的检查和校核，均是由人工完成的，称为手工编程。

二 手工编程特点 （一） 手工编程优点

1.通用性强。可以适用于不同类型、不同档次、不同品牌、不同系列的数控系统。便于建立智库。

2.手工编程可充分利用数控系统指令功能及编程人员的工艺经验、加工经验及加工技巧，如子程序，固定循环，宏指令，镜像指令等，程序简洁，明了，段数少，加工时间短，加工质量好。

3.程序的可读性、可移植性强。手工编制的程序可读性强，易于修改。

4.手工编程的学习难度低，容易掌握，编程不需要增加额外的软件和硬件，成本低。

（二）手工编程缺点

1.零件图上往往给出的是较少的尺寸数据，而不是零件的全面形状数据，由零件的尺寸数据转换到零件的形状数据，再到数控插补数控，有时需要大量繁琐的数算，运算过程中容易产生人为的错误。

2.以抽象数据，例如图表、公式曲线、曲面等表示的复杂零件，数学处理和计算十分困难，计算过程中容易出现遗漏和错误，并难以查找。

3.编程人员必须对数控机床和数控系统中的指令代码都非常熟悉。要求数控人员有比较全面的知识和较高的综合素质。

三 手工编程应用流程

在第四章中，进行了凹模零件手工编程，其大致有如下几个步骤：

1.阅读凹模零件图样，充分了解凹模零件的技术要求，如凹模零件表面与侧面的表面粗糙度为Ra=1.6mm，中间位置孔的尺寸精度要求为ø15±0.015等。

2.根据凹模零件图样的要求进行工艺分析，其中包括凹模零件的结构工艺性分析、材料和设计精度分析、工艺要求、刀具的运动轨迹、位移量、切削用量（主轴转速、进

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给量、吃刀深度）以及辅助功能换刀等，形成加工工艺方案，列出加工工艺卡。

3.根据凹模零件图的几何尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系，计算零件手工编程关键点坐标。

4.根据FANUC 0I 编程系统，手工编程，程序校验，完成手工编程。

结合凹模零件的手工编程过程，可以得出对于一般零件手工编程的大致过程，如图6.1所示。

图6.1 手工编程流程图

四 手工编程适用范围

手工编程适用于中等复杂程度程序、计算量不大的平面区域或平面轮廓类零件编程，对机床操作人员来讲必须掌握通用基本加工代码。如图6.2凹槽零件所示。

图6.2 凹槽零件

第二节 自动编程应用特点

一 自动编程定义与分类

凡是大部分或者是全部采用计算机软件处理图形并产生数控加工程序的过程都可以称为自动编程。

自动编程的种类也比较多，主要有两种：

1.比较传统的自动编程代表是APT，它是一种以自动编程语言为基础的自动编程方法。它采用词汇式语言描述零件的几何形状、机床运动顺序和工艺参数，只能处理简单

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的曲线，比如直线、圆弧等。该系统可分成由APT语言编写的零件源程序、通用计算机以及编译程序(系统软件)三部分组成，其工作流程如图5.2所示。

图5.3 APT自动编程系统构成及其工作流程

2.图形交互式自动编程它是目前国内外先进的CAD/CAM软件所普遍采用的数控编程方法。这种编程方法通常以机械计算机辅助设计（CAD）软件为基础，利用CAD软件的图形编辑功能将了解的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程模块，采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工部位，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编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。例如：MasterCAM、Pro/E、UG、ISolidworks、CAXA等一大批CAD/CAM软件。

图形交互式自动编程速度快、精度高、使用方便，便于检查和修改等优点，已成为目前国内外先进的CAD/CAM软件所普遍采用的数控编程方法。

二 自动编程特点 （一）自动编程的优点

能编制极为复杂的零件的加工程序，编制速度快，周期短，程序精读高，使用方便，便于计算机检查、验证与校核刀具位置、轨迹和零件形状等。特别是对于复杂零件，有无可比拟的技术经济效果，能编织手工无法完成的程序。

（二）自动编程的缺点

1.自动编程必须增加计算机硬件和软件系统，增加设备投资；

2.自动编程产生的加工程序长度一般比较长，同样的零件，自动编程的程序长度可能是手工编程的程序的长度的几倍甚至几十倍，其加工时间相应的会成倍或成几十倍的增长，这是其无法修正的根本缺陷；自动编程产生的加工程序难以判读、分析、修改。基本由简单的加工指令如直线、圆弧等组合而成，没有全面应用数控系统的丰富指令，例如子程序、固定循环、镜像指令、宏指令等，更谈不上编程技巧的应用，程序质量上

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存在一定的缺陷；

3.自动编程不能做的通用化，目前市场上数控系统的种类繁多，品牌、型号不一，档次高低不同，各种系统之间兼容性极差。自动编程软件不可能做到兼容并蓄，只能针对某些品牌、某些型号的数控系统应用，了其应用范围。

三 自动编程应用流程

在第五章中，进行了凹模零件自动编程，其大致有如下几个步骤：

1.阅读凹模零件图样，在CAXA 2006制造工程师中，对凹模进行几何建模。 2.根据凹模零件图样的要求进行工艺分析，结合CAXA 2006制造工程师的数控加工功能，定义凹模的数控加工方法、加工顺序。

3.在CAXA 2006制造工程师中，设置凹模数控加工特征参数，刀具轨迹规划。 4.刀具路径，进行加工仿真，对其进行校验与修改，CAXA 2006制造工程师后置处理，生成自动编程。

结合凹模零件的手工编程过程，可以得出对于一般零件手工编程的大致过程，如图6.4所示。

图6.4 自动编程流程图

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四 自动编程适用范围

对于曲线轮廓、三维曲面等复杂型面零件，手工编程的计算能力有限甚至无法计算，一般采用计算机自动编程。如图6.5风扇造型所示。

图6.5 风扇造型

第三节 自动编程与手工编程区别联系

一 自动编程与手工编程区别 （一）编程应用工艺要求

1.编制程序人员工艺要求

在手工编程中，程序编制人员根据所使用的数控系统指令、程序段格式，逐段编写零件加工程序。程序编制人员必须对数控机床的性能、程序指令代码非常熟悉，且要求程序编制人员有比较全面的机械基础知识（机械制图、机械加工工艺、金属切削机床、机械原理、数学处理等）、数控加工知识（数控加工基础、数控编程知识、加工经验与编程技巧等）等，手工编程需要的知识面极广，它是数控加工知识层面的上层，任何一方面知识的欠缺都会造成程序质量的下降。

在自动编程过程中，编程人员只需分析零件图样和制定工艺方案，定义加工方式、加工顺序、设定加工参数，其余各步（数学处理、程序编制、程序检查）均由计算机来完成。程序编制人员需要对所使用的编程软件熟练掌握，对于机械基础知识、数控加工知识的要求，较手工编程编制人员低。自动编程中，除了分析零件图纸和工艺要求，确定零件数控加工工艺外，还需要在数控自动编程软件中，进行凹模实体造型、加工参数设置（毛坯、切削方式等），刀具轨迹确定等，然后数控自动编程软件进行后置处理，

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生成零件自动编程程序。

2.同一零件加工工艺性

当对同一零件采用自动编程和手工编程进行数控加工时，两者都需要进行必要的数控加工工艺分析（零件图纸分析、毛坯工艺、刀具与切削用量、对刀点与换刀点、走刀路线、工序划分与工艺编制）。除此之外，手工编程需要进行数值计算、编制程序，程序检查后期处理耗时；自动编程要进行零件几何建模、定义加工顺序、方式、加工参数设定。

手工编制的程序通用性强，可适用于不同类型、不同档次、不同系列的数控系统。且其可充分利用数控系统及编程人员的工艺经验、加工经验及加工技巧，如子程序、固定循环等。当零件加工中出现曲面加工要素时，手工编程必须采取直线或圆弧逼近的方法，算出各节点的坐标值，其中列算式、解方程，虽说能借助计算器进行计算，但工作量之大是难以想象的。同一零件使用不同的自动编程软件所产生的加工工序质量相差无几，但同一零件，不同的编程人员编制的加工程序质量差异性极大，编程人员素质的高低直接决定程序的质量。自动编程借助于系统软件强大的数学处理能力，计算机能自动计算加工该曲线的刀具轨迹，快速而又准确。自动编程系统能够处理手工编程难以胜任的二次曲面和特殊曲面。但是自动编程基本是由简单的加工指令如直线、圆弧等组合而成，没有全面应用数控系统的丰富指令，程序指令存在一定的缺陷。产生的加工程序长度可能是手工编程长度的几倍设置几十倍，其加工时间也相应的延长。

（二） 编程应用适用范围

手工编程适用于几何形状简单的零件，其所需要加工的程序段不多，坐标值计算简单。手工编制的程序可以用于不同类型、不同档次、不同品牌、不同系列的数控系统，其可读性，可移植性强。

对于曲线轮廓、三维曲面等复杂性零件，手工编程计算能力有限甚至无法计算时，一般采用计算机自动编程。自动编程需要配置程序编制的软件与设备，需要对程序编制的软件和设备进行必要的经济投入。当缺少时，自动编程将无法使用。

自动编程不能做到通用化，目前市场上数控系统的种类繁多，品牌、型号不一，档次高低不同，各种系统之间的兼容性极差。自动编程软件不可能做到兼容并蓄，只能针对某些品牌、某种型号的数控系统应用，了其应用范围。

（三） 编程应用后期处理

手工编程中，程序编制修改完成后，编程者或机床操作者可以通过CNC机床的操

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作面板，在EDIT方式下直接将程序信息键入CNC系统程序存储器中；也可以根据CNC系统输入、输出装置的不同，先将程序单的程序制作成或转移至某种控制介质上。控制介质大多采用穿孔带，也可以是磁带、磁盘等信息载体，利用穿孔带阅读机或磁带机、磁盘驱动器等输入（输出）装置，可将控制介质上的程序信息输入到CNC系统程序存储器中。

要求编程人员把程序手动的转换成数控加工的传输介质且需要进行加工轨迹、加工程序等验证，耗时时间较长，容易出错。据国外资料统计，采用手工编程时，其编程时间与其在机床上运行加工的时间之比，约为30:1。

自动编程系统可以利用计算机和数控系统的通讯接口，实现自动编程系统和数控系统间的通讯。自动编程系统生成的数控加工程序，可直接输入数控系统，控制数控机床进行加工。如果数控程序很长，而数控系统的程序存储器容量有限，不足以一次容纳整个数控加工程序，编程系统可以做到边输入，边加工。自动编程系统的通讯功能进一步提高了编程效率，缩短了生产周期。

二 自动编程与手工编程联系

在实际数控生产加工中，自动编程与手工编程各有特色，交替应用。对于形状比较简单、计算量小的零件，采用手工编程方法既快捷又经济。对于轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件，特别是空间复杂曲面零件，采用自动编程加工方法既方便又易修改校核。

（一） 应用工艺分析一致性

在程序编制前期，自动编程与手工编程都要进行必要的数控工艺分析。确定零件数控加工工艺（零件装夹、加工机床、刀具与切削用量、加工路线、加工工步等）。此过程工艺分析是一致的，分析结果具有通用性。要求程序编制人员需要具备一定的机械基础知识和数控加工知识。手工编制程序有助于程序编制人员理解自动编程思想，能更灵活、更明白的使用自动编程。

（二） 编程应用范围互补性

手工编程通用性强，可适用于不同类型、不同档次、不同品牌、不同系列的数控系统，适用于几何形状简单的零件，其所需要加工的程序段不多，坐标值计算简单。对于三维曲面等复杂性零件，手工编程计算能力有限甚至无法计算时，一般采用计算机自动编程。自动编程需要配置程序编制的软件与设备，需要对程序编制的软件和设备进行必

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要的经济投入。当缺少时，自动编程将无法使用。

自动编程不能做到通用化，目前市场上数控系统的种类繁多，品牌、型号不一，档次高低不同，各种系统之间的兼容性极差。自动编程软件不可能做到兼容并蓄，只能针对某些品牌、某种型号的数控系统应用，了其应用范围。在实际的数控产品加工中，自动编程与手工编程各具特色，灵活运用。

（三） 编程应用相互协调性

虽然自动编程的应用越来越广泛，但手工编程是数控编程必不可少的一部分，手工编程是数控技术人员学习编程的必由之路，其原因：

1.手工编程是自动编程的基础，自动编程中许多核心的经验均是由手工编程移植而来，熟练掌握手工编程可以更全面更深刻地理解自动编程。

2.手工编程的经验技巧，有助于校核零件加工程序的可靠性与正确性，自动编程软件虽然有刀位轨迹仿真功能，但只能在电脑屏幕上显示，难以判断实际加工精度。经验丰富的编程人员可以对生成的加工程序进行人工判读，分析与校核，以验证其正确性。

3.手工编程充分利用了人脑的智能性，可以综合利用数控系统丰富的指令与编程技巧，这是自动编程所望尘莫及的。

手工编程在任何时候都是必要的，是编程技术不可缺少的一部分。中等难度以下零件的手工编程的难点多在于数值点的计算和处理。手工编程并不排斥计算机的应用，通用CAD软件在辅助人工计算处理图形节点、坐标数值点方面极为有效，通常人工计算需要花费半天甚至一天的图形，在计算机上仅用十多分钟就能完成数值计算，而且能保证一定的精度。所以在计算机能有效发挥作用的地方可不用或少用人，反过来，人能有效发挥作用的地方可不用或少用计算机。数控系统的功能日益强大，人从繁琐的数值计算中出来，则可以综合加工经验和编程技巧，进行更富有创造性和智能性的编程工作。国内，在自动编程成本较高应用不普及的情况下，发展计算机辅助人工编程应该是一个低成本、高效益的，适合我国国情的途径。

第四节 自动编程与手工编程应用总结

手工编程适用于几何形状简单的零件，其所需要加工的程序段不多，坐标值计算简单。当缺少数控编程必要的硬件和软件设备时，采用手工编程。手工编制的程序可以用于不同类型、不同档次、不同品牌、不同系列的数控系统，其可读性，可移植性强。

当面对以下零件加工工艺环境时，手工编程将会既繁琐、费时，又复杂，而且容易

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产生错误，应采用自动编程。

1.零件图上给出的零件形状数据往往比较少，而数控系统的插补功能要求输入的数据与原始形状给出的数据不一致时，就需要进行复杂的数学计算，而在计算过程中可能会产生人为的错误。

2.加工复杂形面的零件轮廓时，图样上给出的是零件轮廓的有关尺寸，而机床实际控制的是刀具中心轨迹。因此，有时要加算出刀具中心运动轨迹的坐标值，这种计算过程也较复杂。对有刀具半径补偿功能的数控系统，要用到一些刀具补偿的指令，还要计算出一些数据，这些指令的使用和计算过程也比较繁琐复杂，容易产生错误。

3.当零件形状以抽象数据表示时，就失去了明确的几何形象，在处理这些数据时容易出错。无论是计算过程的错误，还是处理过程中的错误，都不便于查找。

看起来，手工编程好像正在衰落，就它的实际运用来说，这可能是正确的。然而必须看到，任何计算机的技术，都是基于已经很完善的手工编程基础之上的。数控机床的手工编程仍然是新技术的源头——它正是计算机编程的基本概念。这一理论基础打开了开发功能更为强大的硬件和软件大门。

要编制出准确、合理、优化的数控程序，编程人员必须具备极强的工艺专业知识，敏捷的几何计算思维和熟练的数控机床知识，彻底完全明白自动编程与手工编程应用的区别与联系，这些都需要长期的经验积累和学习。一个完全按照用户要求生产且组织良好的计算机编程系统，如何让它编写的程序完全按照我们的要求来输出呢？只有了解手工编程与自动编程的关系，才能更好的使用计算机编程系统。

第五节 本章小结

数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数控运算的出现。1952年第一台数控机床的问世不久，程序的编制就开始出现自动编程的语言系统。到目前为止，程序编制先后经历了手工编程、APT语言编程、图形交互式自动编程几个阶段。通过对凹模零件编程方法过程分析，得出手工编程、自动编程的特点、程序编制流程及应用。研究总结凹模程序编制过程，总结出自动编程与手工编程应用在程序编制人员要求、零件加工工艺性、程序结构性、应用范围等方面的区别，总结出二者在工艺分析、范围互补、协调发展等方面的联系及二者的适用性。

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结论

自1952年美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断的更新换代，先后衍生出了2轴、2.5轴、3轴与多轴控制的机床。

数控编程随着第一台数控机床的诞生就开始研究发展，前后经历了大致2个发展阶段：手工编程、APT语言编程和交互式图形编程。程序编制是人与数控机床交流互动的介质，它在实现加工自动化、提高加工质量和加工精度、缩短产品研制周期等方面发挥着重要的作用。

在数控机床中，2.5轴数控铣床是最具有代表性，广泛应用于平面轮廓和平面区域类零件的加工。研究2.5轴数控加工编程，深刻了解二者各自的特点、应用，理解二者差异性及其原因，对于理解编程知识，掌握编程方法，领悟编程思想等具有重要的意义。

本设计主要进行了以下几个方面的工作：

（一）介绍了数控机床的产生与发展，并简述了我国数控机床的发展情况； （二）介绍了数控技术、数控加工相关的一些基础知识，着重简述了2.5轴数控机床组成、原理，工作过程及程序编制的内容、步骤与方法等基础知识；

（三）分析零件凹模的数控加工工艺（零件图纸分析、定位基准与装夹、刀具与切削用量选择、划分工序、确定工艺路线、编制工艺文件等）；

（四）结合模零件数控加工工艺分析，根据FANUC OI系统，对凹模零件进行手工编程；

（五）结合凹模零件数控加工工艺分析，利用CAXA制造工程师，对凹模零件进行自动编程；

（六）分析研究凹模零件的手工编程与自动编程过程，总结手工编程、自动编程特点及应用；总结手工编程与自动编程应用在编制工艺要求、程序的结构性、零件加工工艺性、适用范围的区别；在工艺分析一致性、应用范围互补性、相互协调发展方面的联系。总结出自动编程与手工编程应用适用性。

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兰州交通大学毕业设计（论文）

致谢

两个多月的时间一晃而过，这本厚厚的毕业设计说明书，记录了我两个月的生活，也见证了我大学最后的时光。本设计是在指导教师曹仁涛老师的细心教导下完成的。在他严格的要求下，从论文的构思开题，到毕业说明书的撰写，无不凝聚着老师的心血。在2个多月设计中，曹老师严谨务实的教学态度，渊博的学术知识，一丝不苟的工作作风都给我留下了深刻的印象。曹老师以身作则，认真对待设计课题，每周工作时间必到设计教室为我们解惑答疑。周末休息时间，也让我们去他办公室，为我们指导设计；曹老师以言传教，分享他的人生阅历，用言语和短信息，给我们教导一些最基本且最重要的处事道理。比如天道酬勤、坚持不懈、善于沟通等。他的为人行事，使我对自己的设计任务有了更深层次的认识，使我对自己将要从事的机械行业端正起严谨的态度。至此论文完成之际，谨向曹老师的辛苦培养表示崇高的敬意和衷心的感谢！

论文设计期间，我们设计组的组长朱峰、丑洋洋及其他同学们也给予了我许多学习和实践方面的帮助，我不但在学习上有了很大的进步，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。把祝福送给所有在学习，工作，生活中给予我关心支持和帮助我的老师，同学，朋友们。表示真诚的感谢！

这次设计是我第一次进行全面和系统课题研究，不免会有疏漏和不足之处，还有许多细节未做到及时处理，请指导老师和答辩老师指正，以帮助我不断提高，不断进步。我相信通过这次全面系统的设计以及在这个过程中指导老师的不断点拨，在今后的工作中我一定会做到更好。

最后衷心感谢参与论文评审和答辩的各位老师在百忙之中抽出宝贵的时间对我的论文进行评阅和审议。

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兰州交通大学毕业设计（论文）

参考文献

[1] 张春良，何彬，李必文编著. 数控铣床及加工中心自动编程与操作. 北京：国防工业出版社，2008.

[2] 杨伟群编著. 数控工艺培训教程（数控铣部分）. 北京：清华大学出版社，2006. [3] 罗敏编著. 典型数控系统应用技术（FANUC篇）. 北京：机械工业出版社，2009. [4] 王爱玲编著. 现代数控编程技术及应用. 北京：国防工业出版社，2002. [5] 娄锐编著. 数控应用关键技术. 电子工业出版社，2005.

[6] 谢小星编著. CAXA数控加工造型. 北京：京航空航天出版社，2001. [7] 田春霞编著. 数控加工技术. 北京：机械工业出版社，2002.

[8] 廖卫献编著. 数控铣床及加工中心自动编程. 北京：国防工业出版社，2001. [9] 刘雄伟编著. 数控加工理论与编程技术. 北京：机械工业出版社，2003.

[10] 郭勋德，李莉芳编著. 数控编程与加工实训教程. 北京：清华大学出版社，2009. [11] 钟丽珠，蒋克超编著. 数控加工编程与操作. 北京：北京理工大学出版社，2009. [12] 于杰编著. 数控加工工艺与编程. 北京：国防工业出版社，2009. [13] 赵长明编著. 数控加工工艺及设备. 北京：高等教育出版社，2003. [14] 刘长伟编著. 数控加工工艺. 北京：西安电子科技大学出版社，2007. [15] 王荣兴编著. 加工中心培训教程. 北京：机械工业出版社，2006.

[16] 雷利平，对数控加工编程方法的探讨[J].西安工业学院学报，2000，12（4）. [17] 藩敏辉，陈益丰，孙兵涛，数控铣床编程方法浅谈[J].现代企业文化.2009（3）. [18] 孟莉，刘媛，王金泉，自动编程与手工编程探讨[J].现代制造工程.2006（8）.

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