第1章 数控编程及加工工艺基础

数控（Numerical Control，NC）的定义是：用数字化信号对机床运动及其加工过程进

行控制的一种方法。数控加工是计算机辅助设计与制造技术中最能明显发挥效益的生产环节之一。它不仅大大提高了具有复杂型面的产品的制造能力和制造效率，而且保证产品能

达到极高的加工精度和加工质量。

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、光机电技术于一体，是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及产品结构带来了深刻的变化。数控技术的水平和普及程度，已经成为衡量一个国家综合国力 和工业现代化水平的重要标志。

本章将主要介绍CAM数控编程的实现过程、数控加工的基本原理、数控机床以及数控

程序等数控编程及加工工艺基础知识，以帮助读者快速掌握CATIA V5数控加工所必须首先掌握的基础知识。

1.1 数控编程的基本过程

2 CATIA V5 数控加工

数控编程的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（Cutter Location，CL点）。CATIA提供了多种加工类型用于各种复杂零件的粗精加工，用户可以根据零件结构、加工表面形状和加工精度要求选择合适的加工类型。对于不同的加工类型，CATIA V5的数控编程过程都需经过获取零件模型、加工工艺分析及规划、完善零件模型、设置加工参数、生成数控刀路、检验数控刀路和生成数控程序七个步骤。其流程如图1-1所示。

（1）建立或者获取零件模型。零件的CAD模型是数控编程的前提和基础，CATIA数控程序的编制必须有CAD模型作为加工对象。CATIA是具有强大的CAD系统，用户可以通过模块之间的切换，在零件设计、曲面造型等模块中建立所需的零件CAD模型，完成后再切换到相应的数控加工模块中。CATIA也具有健壮的数据转换接口，用户可以首先将其他CAD系统所建立的零件模型转换为公共的数据转换格式，如iges、step等，再导入CATIA中

并得到零件模型。获取零件模型的具体方法将在第2章中详细介绍。

（2）加工工艺分析及规划。加工工艺分析和规划在很大程度上决定了数控程序的质量，主要是确定加工区域、加工性质、走刀方式、使用刀具、主轴转速和切削进给等项

目。加工工艺分析和规划主要包括以下内容。

? 加工对象的确定：通过对模型的分析，确定工件的哪些部位需要在数控铣床上或

者数控加工中心加工。数控铣加工的工艺适应性也是有一定限制的，对于尖角、细小的筋条等部位是不适合加工的，应使用线切割或者电加工来加工；而某些加工内容可能使用普通机床有更好的经济性，如孔的加工可以使用钻床、回转体加

工可以用车床来加工。

CAD系统建立零件模型 加工工艺分析及规划 CAM系统 完善零件模型 加工对象 切削方式 设置加工参数 刀具参数 生成数控刀路 加工程序参数 检验数控刀路 数控加工 生成数控程序

图 1-1

第1章 数控编程及加工工艺基础 3

? 加工区域规划：即对加工对象进行分析，按其形状特征、功能特征及精度、粗糙

度要求将加工对象分成若干个加工区域。对加工区域进行合理规划，可以达到提

高加工效率和加工质量的目的。

? 加工工艺路线规划：从粗加工到精加工，再到清根加工的加工流程规划，以及加

工余量分配。

? 加工工艺和加工方式确定：如刀具选择、加工工艺参数和切削方式的选择等。

（3）完善零件模型。由于CAD造型人员更多地考虑零件设计的方便性和完整性，较少顾及零件模型对CAM加工的影响，所以要根据加工对象的确定及加工区域划分对模型做一 些完善。零件模型的完善通常有以下一些内容。

? 确定坐标系。坐标系是加工的基准，将坐标系定位在适合机床操作人员确定的位

置，同时保持坐标系的统一。

? 清理隐藏对加工不产生影响的元素。

? 修补部分曲面。对于因有不加工部位存在而造成的曲面空缺部位，应该补充完整。

如钻孔的曲面，在狭小的凹槽部位等，应该将这些曲面重新做完整，这样获得的

刀具路径规范而且安全。

? 增加安全曲面。

? 对轮廓曲线进行修整。对于通过公共数据转换格式得到的零件CAD模型，看似光

滑的曲线可能存在断点，看似一体的曲面在连接处可能不相交，这样可以通过修

整或者创建轮廓线构造出最佳的加工边界曲线。

? 构建刀路限制边界。需要使用边界来限制加工范围的加工区域，先构建出边界

曲线。

（4）设置加工参数。参数设置可视为对工艺分析和规划的具体实施，它构成了利用CATIA进行数控编程的主要操作内容，直接影响生成的数控程序质量。参数设置的内容主要有以下几 个方面。

? 设置加工对象：用户通过交互手段选择被加工的几何体或其中的加工分区、毛坯

和避让区域等。

? 设置切削方式：指定刀轨的类型及相关参数。

? 设置刀具及机械参数：针对每一个加工工序选择适合的加工刀具并在CATIA中设

置相应的机械参数，包括主轴转速、切削进给、切削液控制等。

? 设置加工程序参数：包括对进退刀位置及方式、切削用量、行间距、加工余量、

安全高度等的设置。这是参数设置中最主要的内容之一。

CATIA将自动进行刀轨的计算。（5）生成数控刀路。在完成参数的设置后，

（6）检验数控刀路。为确保数控程序的安全性，必须对生成的刀轨进行检查校验，检

查刀路是否有明显过切或者加工不到位，同时检查是否发生与工件及夹具的干涉。对检查

4 CATIA V5 数控加工

中发现的问题，应该调整参数的设置，再重新进行计算、校验，直到准确无误。

（7）生成数控程序。前面生成的只是数控刀轨，还需要将刀轨以规定的标准格式转换

为数控代码并输出保存。数控程序文件可以用记事本进行打开。在生成数控程序后，还需要检查这个程序文件，特别对程序及程序尾部分的语句进行检查，如有必要可以修改。数控程序文件可以通过传输软件传输到数控机床的控制器上，由控制器按程序语句驱动机床加工。

1.2 数 控 加 工

1.2.1 CAM系统简述

一个典型的CAM系统由两个部分组成：一是计算机辅助编程系统，二是数控加工设备。

计算机辅助编程系统的任务是根据工件的几何信息计算出数控加工的轨迹，并编制出

数控程序。它由计算机硬件设备和计算机辅助数控编程软件组成。

计算机硬件设备主要有工作站和微机两种。一般而言，工作站的图形性能要优于微机，但随着微机性能的飞速提高，它与工作站的性能差别也越来越小。而且由于微机的价格要

远低于工作站，因此其在CAD/CAM系统中的应用越来越广泛，其普及率也远高于工作站。

计算机辅助数控编程软件即是通常所说的CAM软件，它是计算机辅助编程系统的核

心。它的主要功能包括数据输入输出、加工轨迹计算与编辑、工艺参数设置、加工仿真、数控程序后处理和数据管理等。目前常用的CAM软件种类较多，其基本功能大同小异，并在此基础上发展出各自的特色。

数控加工设备的任务是接受数控程序，并按照程序完成各种加工动作。数控加工技术可以应用在几乎所有的加工类型中，如车、铣、刨、镗、磨、钻、拉、切断、插齿、电加

工、板材成型和管料成型等。

数控铣床、数控车床、数控线切割机是模具行业中最常用的数控加工设备，其中以数控铣床应用最为广泛。

1.2.2 加工原理

机床上的刀具和工件间的相对运动，称为表面成形运动，简称成形运动或切削运动。数控加工是指数控机床按照数控程序所确定的轨迹（称为数控刀轨）进行表面成形运动，

从而加工出产品的表面形状。图1-2和图1-3分别是一个平面轮廓加工和一个曲面加工的切

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削示意图。

数控刀轨 刀具 数控刀轨 工件轮廓 刀具

工件

图 1-2 图 1-3

数控刀轨是由一系列简单的线段连接而成的折线，折线上的结点称为刀位点。刀具的

中心点沿着刀轨依次经过每一个刀位点，从而切削出工件的形状。

刀具从一个刀位点移动到下一个刀位点的运动称为数控机床的插补运动。由于数控机床一般只能以直线或圆弧这两种简单的运动形式完成插补运动，因此数控刀轨只能是由许

多直线段和圆弧段将刀位点连接而成的折线。

数控编程的任务是计算出数控刀轨，并以程序的形式输出到数控机床，其核心内容就

是计算出数控刀轨上的刀位点。

在数控加工误差中，与数控编程直接相关的有两个主要部分：

（1）刀轨的插补误差。由于数控刀轨只能由直线和圆弧组成，因此只能近似地拟合理

想的加工轨迹，如图1-4所示。