第7章 计算机辅助数控加工

学习目标

  1. 掌握数控编程的基本内容、步骤以及 G/M 代码程序结构

  2. 理解数控语言自动编程和 CAD/CAM 系统自动编程的实现原理

  3. 熟悉后置处理与制造过程仿真（几何仿真、物理仿真）在数控加工中的作用

核心概念

  • 数控编程（NC Programming）：按数控机床坐标系和指令代码，将零件加工工艺翻译为机床可执行的程序段过程

  • G 代码 / M 代码：准备功能 G（运动、平面、补偿等）与辅助功能 M（主轴、冷却、换刀等）指令集（如 ISO 6983）

  • 刀具轨迹（Tool Path）：CAM 软件按加工策略计算出的刀心运动路径，是后置处理生成 G 代码的中间数据

  • 后置处理（Post Processing）：将通用刀位文件转换为特定机床控制器支持的 NC 程序的转换过程

  • 数控加工仿真：通过几何仿真或物理仿真预先验证 NC 程序正确性，避免碰撞、过切、欠切等问题

  • CAD/CAM 自动编程：以三维模型为输入，由 CAM 软件经工艺规划→刀轨生成→后置处理→仿真输出 NC 代码

本章导读

本章从数控编程的手工流程出发，介绍 G/M 代码与程序段结构，并着重讲解 CAD/CAM 自动编程的完整流程：几何造型→加工工艺分析→刀轨生成→刀位验证→后置处理→NC 程序输出。最后讨论制造过程仿真（几何与物理两类），它是保障数控加工安全性与质量的关键步骤。

7.1计算机辅助数控加工基础

7.1.1数控编程的内容与步骤

  1. 分析零件图样，进行工艺处理

数控编程人员应注意：

（1）确定加工方案。

（2）工夹具的设计和选择。

（3）选择合理的走刀路线。

（4）选择正确的对刀点。

（5）合理选择刀具。

（6）确定合理的切削用量。

  1. 数值计算

  2. 编写零件加工程序

  3. 制备控制介质及输入程序

  4. 程序检验及首件试切

7.1.2数控编程的标准与代码

  1. 数控机床坐标系命名

  2. 绝对坐标与增量坐标

7.1.3数控编程的指令代码

  1. 准备功能G

  2. 辅助功能M

  3. 其他功能

7.1.4数控加工程序的结构与格式

  1. 程序的结构

  2. 程序段格式

7.1.5手工编程实例

7.2计算机辅助数控加工的实现流程

7.2.1数控语言自动编程

7.2.2CAD/CAM系统自动编程

  1. CAD/CAM系统自动编程原理和功能

  2. CAD/CAM系统自动编程的基本步骤

（1）集合造型。

（2）加工工艺分析。

（3）刀具轨迹生成。

（4）刀位验证及刀具轨迹的编辑。

（5）后置处理。

（6）数控程序的输出。

  1. CAD/CAM软件系统自动编程特点

7.2.3后置处理

  1. 后置处理技术

  2. 后置处理程序的编制方法

7.3计算机辅助制造过程仿真

7.3.1几何仿真

  1. 刀位轨迹仿真

  2. 虚拟加工（数控代码仿真）

7.3.2物理仿真

  1. 分析方法

  2. 实验方法

  3. 机械建模方法

7.3.3加工工程仿真

  1. 解析模型

  2. 有限元模型

  3. 分子动力学模型

关键术语

  • 数控机床坐标系（NC Machine Coordinate System）

  • 绝对坐标编程 / 增量坐标编程（Absolute / Incremental Programming）

  • 准备功能 G 代码（Preparatory Function）

  • 辅助功能 M 代码（Miscellaneous Function）

  • 数控语言自动编程（NC Language APT）

  • 刀位文件（CLSF, Cutter Location Source File）

  • 后置处理（Post Processing）

  • 几何仿真（Geometric Simulation）

  • 物理仿真（Physical Simulation）

  • 有限元加工仿真（FEA-based Machining Simulation）

  • 切削参数（Cutting Parameter：ap、f、vc）

  • 对刀点（Datum Point）

  • 首件试切（First-article Trial Cut）

工程应用场景

复杂零件自动编程

在 NX、Mastercam 等 CAM 软件中导入三维模型，定义加工坐标系与刀具，按工艺策略生成刀轨并后置为特定机床的 NC 代码。

五轴联动加工

针对叶轮、涡轮叶片、螺旋桨等复杂曲面零件，采用五轴联动刀轨并通过后置处理生成 RTCP 等高级功能代码。

加工碰撞检查

在实际切削前，利用几何仿真快速验证 NC 代码，识别机床/刀具/夹具/工件间的碰撞风险，避免昂贵设备和零件损伤。

复习问题

  1. 简述手工数控编程的基本步骤，并说明每一步的目的。

  2. CAD/CAM 自动编程与数控语言自动编程（APT）在工作方式上有什么主要区别？

  3. 为什么加工仿真成为数控加工的必要环节？请举例说明几何仿真和物理仿真的作用。

延伸学习建议

  • 在 Mastercam、Fusion 360 或国产 CAM 软件（如 CAXA 制造工程师）上完成一个二维轮廓的数控编程全流程

  • 学习 ISO 6983 (G/M 代码标准) 的常用代码，掌握程序段格式与子程序调用

  • 了解 VERICUT 等仿真软件如何在虚拟机床中验证 NC 程序，加深对后置处理的理解