1、機械CAD/CAM上機指導第五章 計算機輔助數控編程5.1 計算機輔助數控編程概述按照傳統的CAD/CAM系統和CNC系統的工作方式，CAM系統以直接或間接（通過中性文件）的方式從CAD系統獲得產品的幾何模型。CAM系統以三維幾何模型中的點、線、面或實體為對象，生成加工刀具軌跡，并以刀位文件的形式經后處理，生成NC代碼提供給CNC機床。對于目前流行的CAD/CAM數控編程方式，CAD與CAM之間的集成技術已比較成熟，通過CAD生成的產品的幾何模型，可直接被CAM系統采用來實現計算機輔助數控編程。目前比較成熟的主流計算機輔助數控編程軟件（CAM）系統主要有一下兩種形式。（1）CAD/CAM集成系

2、統，如UG、CATIA及Pro/ENGINEER等。其主要特點是CAM系統以內部統一的數據格式直接從CAD模塊中獲取產品的幾何模型。（2）相對獨立的CAM系統，如MasterCAM及Surfcam等。其主要特點是具有簡單的幾何造型功能，可實現被加工零件的造型，進而完成數控程序的自動生成。由于CAD功能的限制，這類系統在使用時常通過中性文件從其他CAD系統獲取產品的幾何模型。CAD/CAM數控編程的一般過程如圖5.1所示。 圖5.1 CAD/CAM編程的一般過程上述的主流CAD/CAM系統一般都由5個模塊組成，即交互工藝參數輸入模塊、刀具軌跡生成模塊、刀具軌跡編輯模塊、三維加工動態仿真模塊和后處

3、理模塊。下面對部分優秀軟件的CAM功能做簡單的介紹。1. UG系統UG是當今制造業中以數控加工功能齊全、完善而著稱的最具代表性的CAM系統。其突出特點是功能強大的刀具軌跡生成方法，包括車削、銑削、點位加工、線切割等的加工功能。UG系統提供了多種加工各種復雜零件的粗、精加工類型，在每種加工類型中包含了多個加工模板，應用各種加工模板可快速建立加工操作。UG不但提供了功能強大的默認加工環境，而且允許用戶自動定義加工環境。用戶在創建加工操作的過程中，可繼承加工環境中已定義的參數，不必在每次創建新的操作時重新定義，從而避免了重負勞動，提高了操作效率。在交互操作過程中，用戶可在圖形方式下交互編輯刀具路徑，

4、觀察刀具的運動過程，生成刀具位置源文件。同時應用其可視化功能，可以在屏幕上顯示刀具軌跡，模擬刀具的真實切削過程，并通過過切檢查和殘留材料檢查來檢測相關參數設置的正確性。UG的加工功能模塊主要有CAM基礎、后處理、車加工、型芯和型腔銑削、固定軸銑削、清根切削、可變軸銑削、順序銑削、制造資源管理系統、切削仿真、線切割、圖形刀軌編輯器、機床仿真、NURBS(B樣條)軌跡生成器等子模塊。2. Cimatron系統Cimatron、PowerMill等是中端CAD/CAM軟件的帶表，Cimatron系統以其在CAM方面的優良性能而受到了廣泛的應用，在國內比較流行。Cimatron系統提供了智能化25軸數

5、控加工編程功能，支持數控銑削、車削、鉆、鏜、線切割的加工編程；具有基于殘留毛坯、曲面輪廓、等高分層、環繞等距、曲面流線、角落清根等多種刀具軌跡控制方式；同時，還提供了刀具軌跡編輯修改、加工仿真、后置處理等功能。此外，國產的CAXA軟件也是一款便于使用和學習的CAD/CAM軟件。 5.2 UG CAM數控編程5.2.1 UG CAM數控編程的基本概念 1. UG銑削加工的主要形式 UG加工主要針對銑床或切削中心，具體加工形式有： （1）2.5軸的銑削形式：Planer Mill（平面銑）、Cavity Mill（型腔銑）。 （2）3軸的銑削形式：Fix Axis Surface Contour（

6、固定軸曲面輪廓銑）。 （3）35軸的銑削形式：Variable Axis Surface Contour（可變軸曲面輪廓銑）、Sequential Mill（順序銑）等。 UG加工模塊中的各種銑削形式如按照加工精度分類，各分為粗加工和精加工兩類。其中：粗加工的刀具軌跡以區域形式為特征，精加工的刀具軌跡以線性形式為特征。比如銑削的主要類型為： （1）粗銑：Planer Mill（平面銑）、Cavity Mill（型腔銑）。（2）半精銑：Planar Mill-Profile（環狀的平面銑削）、Cavity Mill-Profile（型腔環狀銑削）、Surface Contour（曲面銑）及Seq

7、uential Mill（順序銑）等。圖5.2所示為UG常用的3軸銑加工方式。2. 加工幾何體加工幾何體指的是設置某一加工操作時，必須使用的幾何體（Geometry）數據，如零件（Part）、毛坯（Blank）、檢查（Check）、邊界（Boundary）、切削區域（Cut Area）及修剪（Trim）幾何體等。（1）零件幾何體：即CAD所完成的3D模型，但當使用的加工功能不同時，需從此3D模型選取的數據也不完全相同，如型腔銑加工通常選取實體（Body）或曲面（Surface）數據，而固定軸曲面輪廓加工（Fixed-Contour）則可能選取模型上的曲線（Curve）、表面（Face）或實體（

8、Body）數據。 圖5.2 UG的三軸銑加工方式（2）毛坯幾何體：毛坯是欲加工成3D模型形狀所用的材料，一般為大于3D模型的矩形體，如圖5.3所示。（3）檢查幾何體：其功能是為了防止刀具過切某形體或曲面，而設定此形體或曲面為檢查幾何體（如工件的夾具等），若刀具有接觸或穿透檢查幾何體時，系統會做出警告、提刀或避開等動作，如圖5.4所示。圖5.3 零件幾何與毛坯幾何 圖5.4 檢查幾何體 （4）邊界幾何體：用于定義切削移動的區域。這些區域可以是單一邊界，也可以是一個組合邊界。圖5.5所示為零件邊界、毛坯邊界以及驅動幾何邊界。 （5）切削區域幾何體：指刀具軌跡產生在此選取的表面區域上，而非整個零件（

9、Part）表面，通常用于零件上某個局部區域的切削加工。 3. 加工坐標系 加工坐標系（MCS）是編程操作的基礎，所有刀具位置的坐標值都是以加工坐標系為基準產生的。因此，加工坐標系是非常重要的概念，它對NC程序的結果影響重大。在UG的加工模塊中，加工坐標系的默認值設為絕對做白哦西。當改變加工坐標系時，并不會影響零件模型中的參數設定。用戶在創建新的操作前，應檢查加工坐標系是否與NC機床所加工工件的給定位置相吻合。 圖5.5 邊界 4. 父節點組 UG CAM采用面向對象的原理管理操作過程中的各類對象。對象的關系呈樹狀結構（詳見操作導航器），對象包括父節點組和各類操作。父節點組是指包含其他對象的對象

10、節點組，在父節點組中定義的參數可以被子節點組繼承，對于需要建立多個程序來完成加工的工件來說，使用父節點組方式可以減少重復性的工作。例如，一個零件的同一組表面要求進行粗加工、半精加工和精加工時，需要產生3個操作，如果將要加工的表面定義成一個幾何體父節點組，則在3個操作中只需引用這一父節點組即可，而不必在建立3個操作時分別對加工幾何體進行重復定義。同樣，在刀具父節點組中定義了一把刀具后，個操作可通過引用刀具父節點組中的這把刀具進行加工，而不必在每一個操作中分別定義刀具參數。UG的父節點有4個，如表5.1所示。表5.1 UG的父節點組及其含義父節點組包含的數據內容刀具（Tool）刀具尺寸方法（Met

11、hod）加工方法，如進給速度、主軸轉速和公差等幾何體（Geometry）加工對象幾何體數據，如零件、毛坯、MCS、安全平面等程序組（Program）決定輸出操作的順序在UG中，父節點組的設定不是必須的，也就是說，父節點組可以為空。在不設置父節點組的情況下，可以直接在建立操作時通過“創建操作”對話框中的組設置來進行定義。一般而言，對于較為分散的操作，常采用不事先設定父節點組，而在建立每一操作時再指定所需的幾何體對象、刀具、進給速度、主軸轉速等參數，這樣顯得較為直觀。5. 后處理在產生刀具軌跡后，需要通過后置處理將產生的刀具軌跡轉換成數控加工程序。UG提供的后置處理可以直接選取含有刀具軌跡的操作，

12、將其編譯為NC程序。在操作導航器窗口中，選取要編譯成NC程序的操作或程序（Program），同時選擇UG后處理（UG/Post Process）即可進行后置處理，如圖5.6所示。UG的后處理采用通用的后置處理方式。在后置處理之前，用戶需先根據后置處理格式的規則，進行后置處理格式設定，一伙的適合自己使用的NC機床的后置處理機床數據文件。UG CAM后置處理的設定由UG Command prompt窗口內的mdfg.exe程序來完成。這是一個多層式菜單的人機交互程序，用戶可以根據系統菜單提示，按自己的需求來逐步設定機床控制器的各種特性。由于其界面不太友好，已逐漸被UG后處理構造器-UG/Post

13、Builder所代替，后者可以圖形界面的方式創建從2軸到5軸的后處理程序。 圖5.6 UG后置處理 圖5.7 機床數據文件生成器（MDFG）5.2.2 UG CAM環境 1. 加工環境初始化進入UG加工模塊的方法是：在主菜單中選擇【起始】-【加工】命令，系統將彈出CAM加工環境初始化對話框，如圖5.8所示。在【加工環境】對話框中，先在【CAM會話配置】列表中選擇一種CAM配置，然后在【要創建的CAM設置】列表中選擇一個CAM設置，指定零件的加工制造方式，比如：車加工（Lathe）,車-銑式加工（Lathe Mill），三軸銑加工（Mill-Contour），多軸銑加工（Mill-Multi-A

14、xis）等。選擇合適的加工環境后，單擊 “確定”按鈕，系統就會開始加工環境的初始化。UG CAM加工環境的不同配置提供了不同的加工設定默認值和加工環境的選項模板文件。 圖5.8“加工環境”對話框 2. UG加工模塊界面UG加工模塊的基本操作界面如圖5.9所示。如同CAD模塊一樣，CAM的相關功能圖標（Icon）被分門別類地放置在各個工具欄（Tool Bar）里。 圖5.9 UG加工模塊的基本操作界面3. UG CAM的工具欄工具欄的圖標與菜單項是相互對應的，在界面中直接單擊工具欄圖標則更方便、更實用。用戶可以通過定制自己的工具欄來重新組合操作界面，在工具欄所在位置單擊鼠標右鍵，在彈出的下拉菜單

15、中選擇“定制.”（Customize）選項來定義界面的工具欄。UG CAM的工具欄主要有以下幾種：“操作”（Operation）工具條：包括對導軌進行操作、輸出文件以及后處理等工具，如圖5.11所示。“插入”（Insert）工具條：用于創建操作和加工節點，如圖5.12所示。 圖5.10 操作（Operation）工具條 圖5.11 插入（Insert）工具條“動作”（Action）工具條：包括對操作對象進行編輯和剪切復制，如圖5.12所示。“導航器”（Navigator）工具條：用于控制操作導航工具的內容顯示方式，如圖5.13所示。 圖5.12 動作（Action）工具條 圖5.13 導航器（

16、Navigator）工具條4. 操作導航器操作導航器（Operation Navigator）是加工操作中最常用的工具，如圖5.14所示。用戶可以很方便地通過操作導航器進行操作、程序、加工方法、幾何體以及刀具的顯示、創建和管理等工作。在操作導航器中，用戶只需指定一次父節點組，其所屬的子節點就會繼承同樣的節點參數，從而省去了重復性的勞動。在操作導航器中單擊鼠標右鍵可以彈出操作菜單，如圖5.15所示。相對于工具欄圖標，彈出菜單使用起來更加方便，更有利于提高工作效率。UG CAM包括程序（Program）、刀具（Tools）、幾何體（Geometry）以及加工方法（Method）等4種父節點組。在操

17、作導航器中，可以顯示它們各自的樹形結構，但每次只能顯示一種節點樹，通過單擊操作導航器可以進行節點組樹形結構的切換，如圖5.16所示。 圖5.14 操作導航器 圖5.15 操作導航器右鍵彈出菜單 圖5.16 節點組樹形結構的切換5.2.3 UG CAM數控編程的一般過程 在零件加工過程中，零件個表面的形成是通過若干個按一定次序排列的操作來完成的。在定義每個操作時，需要選擇加工幾何對象、指定切削刀具、定義加工參數和安排加工順序，然后選擇合適的加工模板來產生相應的操作。在UG的加工環境中，所有的這些工作都是通過【創建操作】對話框（如圖5.17所示）來完成的。UG CAM的基本操作過程的流程圖如圖5.

18、18所示。如圖所示，在UG的加工應用中，完成一個程序的生成需要經過以下步驟：圖5.17“創建操作”對話框創建零件主模型制定工藝規劃指定加工環境分析/創建輔助幾何體創建/編輯父級參數組程序順序加工刀具加工幾何加工方法創建/編輯操作刀軌檢查、切削模擬生成刀軌后置處理NC程序生成車間工藝文件數控機床 圖5.18 數控程序生成的操作步驟 1. 初始化設置進入加工環境后，首先要進行初始化設置，包括選擇模板文件，建立父節點組。2. 創建操作在【創建操作】對話框中指定該操作的類型、程序、使用幾何體、使用刀具和使用方法等父節點組，并指定操作的名稱。3.指定操作參數在【創建操作】對話框中選定了不同的加工操作類型

19、，則會彈出不同的操作對話框。在這些對話框中需進行一系列加工幾何對象、切削參數、控制選項等操作參數的設置，并且很多選項需通過二級對話框彈出并進行設置。操作參數的設定是UG CAM編程中最主要的工作內容，具體包括：（1）加工對象的定義：選擇加工幾何體、檢查幾何體、毛坯幾何體、邊界幾何體、區域幾何體、底面幾何體等。（2）加工參數的設置：包括走刀方式的設定、切削行距、切深的設置、加工余量的設置、進退刀方式的設置等。（3）工藝參數設置：包括切削參數設置、避讓控制、機床控制、進給率設定等。不同的操作類型，其操作對話框顯示的選項不盡相同。UG編程操作時，操作對話框中的參數設置非常關鍵，會直接影響所編制的加工

20、程序的正確性與合理性。但是，不少參數也可使用系統提供的默認值。4. 生成刀軌設置了所有必需的操作參數后，即可以通過“刀軌生成”圖標來生成刀軌。5. 刀軌檢驗與仿真對創建的操作和刀軌可通過對屏幕視角的旋轉、平移、縮放等操作來調整觀察角度，檢查刀軌的正確性，并采用UG的切削仿真功能進一步檢查刀軌。6. 后置處理對生成的刀軌進行后置處理，生成符合機床標準格式的數控程序。5.2.4 UG CAM的主要銑加工方式 1. 平面銑 平面銑常用于直壁的、有島嶼頂面或槽腔地面的零件加工。它是一種2.5軸的加工方式，在加工過程中產生在水平方向的XY兩軸聯動，而Z軸方向只在完成一層加工后進入下一層時才做單獨的動作。

21、平面銑通過建立平面邊界來定義零件幾何體的切削區域，并且一直切削到指定的底平面。 通過設置不同的切削方法，平面銑可以完成挖槽或者是輪廓外形的加工。一般情況下，對于直壁的、水平底面為平面的零件，優先選用平面銑操作進行粗加工和精加工。平面銑的子類型如圖5.19所示。 圖5.19 平面銑操作的子類型 由圖可見，平面銑的子類型有13種，其含義說明如表5.2所示。其中16項為粗加工方法，79項為精加工方法，最常用的是平面銑（Planar-Milling）和表面銑（Face Milling）。 平面銑：用于對所選的平底凹槽做多層等高銑削加工，即所謂的多層平面銑削。此加工功能幾乎涵蓋所有其他的平面銑加工。 表

22、面銑削：用于只針對所選取的平面做加工，即所謂的單層平面銑削。注意，此方式的下刀點會先落在加工邊界之外，然后再切入加工邊界內。 表5.2 平面銑各子類型說明項圖標名稱說明1【面銑削區域】FACE-MILLING-AREA適用于在實體模型上使用【切削區域】（Cut Area）、【壁幾何體】（Wall Geometry）等幾何體類型進行半精加工和精加工。2【面銑削】FACE-MILLING適用于在實體模型上使用【面邊界】（Face Boundaries）等幾何體類型進行半精加工和精加工。3【手工面銑削】FACE-MILLING-MANUAL適用于在實體模型上使用【切削區域】（Cut Area）、【壁

23、幾何體】（Wall Geometry）等幾何體類型進行半精加工和精加工。并且可獨立指定各個切削區域的切削模式。4【平面銑】PLANAR-MILL該子類型是平面加工的基本操作，適用于使用各種切削模式進行平面類工件的粗加工和精加工。5【平面輪廓】PLANAR-PROFILE該子類型在默認情況下適用于無需指定毛坯幾何體、僅使用【輪廓】（Profile）切削模式進行側壁輪廓的精加工。6【跟隨輪廓粗加工】ROUGH-FOLLOW該子類型在默認情況下使用【跟隨部件】（Follow Part）切削模式進行區域的粗加工。7【往復粗加工】ROUGH-ZIGZAG該子類型在默認情況下使用【往復】（ZIGZAG）切

24、削模式進行區域的粗加工。8【單向粗加工】ROUGH-ZIG該子類型在默認情況下使用【單向輪廓】（Zig with Contour）切削模式進行區域的粗加工。9【清理拐角】CLEANUP-CORNERS該子類型在默認情況下使用【跟隨部件】（Follow Part）切削模式清除以前操作在拐角留下的殘留材料。10【精加工壁】FINISH-WALLS該子類型在默認情況下使用【輪廓】（Profile）切削模式精加工側壁輪廓，系統將自動在底平面設定余量。11【精加工底部面】FINISH-FLOOR該子類型在默認情況下使用【跟隨部件】（Follow Part）切削模式精加工平面，系統將自動在側壁設定余量。1

25、2【螺紋銑削】THREAD-MILLING該子類型適用于在底孔上銑螺紋。13【平面文本】PLANAAR-TEXT該子類型適用于在平面上雕刻文字。14【機床控制】MILL-CONTROL創建機床控制事件，添加后處理命令15【自定義方式】MILL-USER自定義參數建立操作 2. 型腔銑型腔銑適用于非直壁的、島嶼的頂面和型腔的底面為平面或曲面零件的加工。型腔銑的一個突出優點是使用等高加工方式，可以保持刀具切削負荷的穩定性。因此，型腔銑在數控加工中的應用最為廣泛，大部分粗加工可用該方式，在數控加工應用中要占到超過一半的比例。型腔銑的子類型如圖5.20中的框1所示，其子類型選項如表5.3所示，它們都是

26、以型腔銑（CAVITY MILL）為基礎，通過設置切削方式來創建不同的刀具軌跡。 圖5.20 型腔銑的子類型 表5.3 型腔銑操作各子類型說明圖標名稱說明【型腔銑】（CAVITY-MILL）該子類型為型腔加工的基本操作，可以使用所有切削模式來切除由毛坯幾何體、IPW和部件幾何體所構成的材料量，通常用于工件的粗加工。【插銑】（PLUNGE-MILLING）該子類型適用于使用插銑方式進行粗加工。【輪廓粗加工】（CORNER-ROUGH）該子類型適用于使用【跟隨部件】（Follow Part）切削模式清除以前刀具在拐角或過渡圓角部位無法加工而留下的殘留材料。【剩余銑】（REST-MILLING）該子

27、類型適用于加工以前刀具切削后殘留的材料。【深度加工輪廓】（ZLEVEL-PROFILE）該子類型適用于使用【輪廓】（Profile）切削模式精加工工件的外型。【深度加工拐角】（ZLEVEL-CORNER）該子類型適用于【輪廓】（Profile）切削模式精加工以前刀具在拐角或過渡圓角部位無法加工的區域。型腔銑與平面銑都是產生平面層切削刀具軌跡，以切除多余的材料，通常用于完成精加工前的粗加工操作。但型腔銑與平面銑在定義零件材料的方式上有所不同： 平面銑使用外形邊界來定義零件。 型腔銑使用實體、表面、曲線及邊界來定義零件。因此，平面銑適于加工外形為直立（沒有傾斜）面的工件，而型腔銑則沒有限制，外形為

28、直立、傾斜或曲面的工件皆可適用。一般情況下，在既可以用平面銑又可以用型腔銑的情況下，優先考慮使用平面銑加工。而在使用MILL CONTOUR模板進行編程時，則直接應用型腔銑操作相對方便一些。3. 固定軸曲面輪廓銑固定軸曲面輪廓銑屬于3軸銑削加工，可在復雜曲面上產生精確的刀具軌跡。如圖5.21所示，固定軸曲面輪廓銑的刀具軌跡的生成是應用投影法原理，將驅動幾何體上的一系列驅動點沿著指定投影矢量投影到零件表面而產生的。其主要控制要素為驅動幾何體和投影矢量。 圖5.21 固定軸輪廓加工的刀軌產生原理 創建固定軸曲面輪廓銑刀具軌跡的過程可以分為兩個階段：先從指定的驅動幾何體生成驅動點，再將驅動點沿著一個指定的夠硬矢量方向投影到零件幾何體上，形成投影點。因此，通過靈活應用驅動幾何體形狀和投影矢量，可獲得滿意的刀具軌跡。針對不同的加工曲面形狀特征，可以選擇不同的導向方式，可以獲得不同的導軌形式，相當于其他CAM軟件的沿面切削、外形投影、口袋投影、沿面投影及清角等操作，功能非常強大。 固定軸曲面輪廓銑主要用于各種曲面的精加工以及清角加工，對于大部分的曲面特別是相對較為平緩的曲面模型，其精加工完全可通過固定軸曲面輪廓銑完成。固定軸曲面輪廓銑的子類型如圖5.20中框2所示。各子類型的含義