毕业设计（论文）-数控车削编程及加工仿真

西南交通大学

本科毕业设计

数控车削编程及加工仿真

NUMERICALCONTROL TURNING

PROGRAMMINGAND MACHINING

SIMULATION

年 级:2011级

学 号:

姓 名:

专 业:车辆工程

指导老师:

2015年6月

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摘 要

数控车削技术是采用控制技术对车削加工过程进行自动控制。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制车床的动作，按图样要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。研究数控车削加工工艺以及编程技术，目的是提高计算机技术与数控技术的结合度，使得数控加工过程中的数据储存、判断、运算和处理等功能能过模拟得以实现仿真，从而能够减少实际加工中的不便。

本文针对一个典型的轴类非圆曲面外轮廓零件进行数控车削加工工艺的全过程分析。通过运用Mastercam软件进行建模和模拟加工，最终生成数控加工代码。本文的研究成果主要有一下几点：1.学习并了解数控编程，包括手工编程和自动编程，了解数控加工中心的功能及加工零部件的特点；2.对研究对象进行工艺分析，建立加工工艺刀具卡和工序卡，并对零件进行手工编程；3.在Mastercam软件中对研究对象进行建模，对其进行工艺分析后，绘制加工工艺流程图，设置刀具加工参数，刀具路径，进行加工仿真，并获取数控自动编程程序；4.对手工编程和自动编程进行比较，分析二者的异同。

研究数控车削工艺与编程技术，对提高制造业生产效率有着深远意义。我国汽车行业正处于高速发展的黄金时期，汽车制造厂生产规模的快速扩张以及汽车市场需求量的快速膨胀都需要对数控车削技术的不断投入和深入研究。同时，分析比较手工编程和自动编程的优缺点，也对数控车削编程方式的选取有着指导意义。

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Abstract

Thenumerical control turning technology is the automatic control forturning process by adopting control technology. It transforms thecontrol information of the machining process into the digital code,and inputting the information carrier into the numerical controldevice. Various control signals is delivered to the turning machineby the arithmetic processing, then controlling the movement of theturning machine, processing components automatically according to theshape and size of the design requirements.Research on NC turningprocess and programming technology aims to improve the combination ofcomputer technology and numerical control technology, and simulationcan be achieved through simulating the process of NC data storage,judgment, calculation and processing functions to numericalsimulation, so as to reduce the inconvenience of the actualprocessing.

Thispaper analyzes the whole process of a typical non-circular curvedouter contour of the shaft parts processing CNC turning. By usingMastercam software for modeling and simulation process, andultimately generate NC code. The main results of this paper are: 1.Learn and understand the numerical control programming, includingmanual programming and automatic programming, understand the functionof CNC machining center and the characteristics of machining parts.2.Study the process of the research object, establish the machiningprocess tool card and the process card, and carry on the manualprogramming to the parts. 3. Modeling the research object inMastercam software, after its process analysis, draw process flowchart, set the cutting parameters, tool path, machining simulation,and obtain the NC automatic programming. 4. Compare the manualprogramming and automatic programming, and analyze the similaritiesand differences between the two methods.

Researchingnumerical control turning technology and programming technology hasthe profound significance for improving the manufacturing productionefficiency.Chinese auto industry is in a golden period which is fastdeveloping. The rapid expansion of the automobile factory productionscale and the automobile market demand require continuous investmentand in-depth study of the CNC turning technology.Meanwhile, theanalysis and comparison of manual programming and automaticprogramming has significance in selecting the NC programming mode.

Keywords:NCturning Mastercam simulation programming

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目录

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

1.1本文的研究背景............................................................................................................11.2数控车床概述................................................................................................................21.2.1数控车床的工作过程.............................................................................................31.2.2数控车床的加工特点.............................................................................................31.2.3数控车床加工的主要对象.....................................................................................31.3数控车床与编程技术的国内外现状和发展趋势.........................................................51.3.1国内外数控车床与编程技术的现状......................................................................51.3.2数控车床与编程技术的发展趋势.........................................................................61.4本文的主要研究方向工作............................................................................................7

第二章数控车床编程技术....................................................................................8

2.1数控手工编程................................................................................................................82.1.1手工编程的特点.....................................................................................................82.1.2手工编程的步骤.....................................................................................................92.1.3手工编程的意义.....................................................................................................92.2数控自动编程................................................................................................................92.2.1 CAD/CAM计算机辅助数控编程...........................................................................102.2.2数控编程软件基本情况.......................................................................................102.2.3 Mastercam软件介绍.............................................................................................112.2.4自动编程步骤.......................................................................................................122.3本章小结......................................................................................................................12

第三章数控车削工艺分析及零件手工编程........................................................13

3.1数控加工工艺设计......................................................................................................133.2零件图分析...................................................................................................................143.3零件工艺分析...............................................................................................................163.3.1工件的夹装............................................................................................................163.4刀具及切削用量...........................................................................................................17

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3.4.1选择数控刀具.......................................................................................................173.4.2确定切削用量.......................................................................................................183.5确定加工工艺路线......................................................................................................183.6编制轴类零件加工工艺..............................................................................................193.6.1确定工艺卡片参数...............................................................................................213.6.2加工坐标系的设置与数值计算...........................................................................223.6.3拟定数控加工工序卡片.......................................................................................233.7手工编程......................................................................................................................243.7.1编程难点分析.......................................................................................................243.7.2程序代码...............................................................................................................263.8本章小结......................................................................................................................29

第四章基于Mastercam软件的零件加工工艺过程与自动编程.........................31

4.1绘图..............................................................................................................................314.2选择毛坯......................................................................................................................314.3选择夹装方式..............................................................................................................324.4左端部分自动编程......................................................................................................334.5右端部分自动编程......................................................................................................394.6刀具路径......................................................................................................................434.7零件仿真加工..............................................................................................................444.8后处理自动生成数控加工代码..................................................................................444.9数控自动编程与手工编程的分析比较.......................................................................454.9.1手工编程和自动编程异同...................................................................................454.9.2手工编程相对于自动编程的优缺点....................................................................4.10本章小结....................................................................................................................47

结论......................................................................................................................48

致谢......................................................................................................................49

参考文献..............................................................................................................50

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第一章绪论

1.1本文的研究背景

制造业是一个国家社会的发展与经济的发展的物质基础，是衡量一个国家综

合国力的具体体现，它拉动着国民经济的增长，并带给国家和社会以巨大的财富。

据统计：美国的制造业创造了该国国民财富中68%的财富，同时日本的制造业则

创造了占国民经济49%的财富。在我国，工业总产值中的40%是制造业，制造业

还帮助社会解决了人员的就业问题。因此对于一个国家，真正的经济繁荣与实力

强大很大程度上依靠制造业的发展，而提制造业水平的基础和技术要求就是发展

自动化设备，提高制造产业的数字控制水平。

机械制造技术的新发展起源于20世纪50年代第一台数控机床的诞生。数控

技术及装备是发展高新技术产业和尖端产业的关键技术和装备，而数控技术又是

现在先进制造技术和设备的核心技术，为了提高制造能力水平和对动态多变市场

的适应能力和竞争能力，当今世界各国机械制造产业大都采用数控技术。所以各

国快速发展综合国力的重要方式就是大力发展数控技术。

数控，即数字控制（NumericalControl，简称NC），就是用一种数字化的信

息对机器的运动过程进行控制。它所实现的自动控制来源于计算机对零件的计算、

分析及处理来发出的相关命令。数控技术随着计算机技术的进步也得到了快速的

发展，用计算机替换以前采用硬件逻辑电路组成的数控装置，可以模拟仿真数据

储存、运输和处理功能，从而很大程度上减少了现实机械加工中的不便。

所谓数控车床，就是采用数字化信息控制技术对车床的加工过程进行自动控

制的车床，也就是装备有计算机数控系统的自动化车床，是一种高度自动化的机

床。它是在机械加工过程中用程序语言表示各种控制信息，并输入到数控装置中，

控制信号由数控装置处理计算后发出，进而使车床按照零件的尺寸进行动作，自

动将零件加工完成。

汽车零部件的制造为提高加工质量和效率，广泛采用数控机床进行加工。中

国汽车行业正处于高速发展的黄金时期，汽车制造厂生产规模的快速扩张以及汽

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车市场需求量的快速膨胀都需要数控加工技术的不断发展与进步。

1.2数控车床概述

数控车床是用计算机数字化信息控制的车床，在国内的数量和应用最多，约

占我国数控机床总数量的四分之一左右。数控车床由床身、刀架、主轴箱、进给

系统、冷却系统和润滑系统等部分组成。但其进给系统与普通车床由进给箱和交

换齿轮架组成相比，是直接利用伺服电机通过滚珠丝杠和刀架实现车床的进给运

动的，因此数控车床可以大大简化其进给系统。数控车床发展伊始，顾忌生产成

本，所以数控车床一般适合于生产中小批量的零件，但随着数控车床制造成本的

降低，在国内外使用数控机床进行大批量生产的行为也越来越普遍。

数控车床有5大部分组成：

（1）车床本体：车床本体是车床的机械部件，主要包括主传动系统、进给

系统和辅助装置等。与普通车床相比，数控车床的优点有：主体刚度好、精度高、

可靠性高、热变形小。

（2）数控系统：数控系统是数控车床的控制核心，在数控车床中起指挥作

用。现代数控系统通常是带有专门软件的专用计算机。程序信息传到控制装置中，

进过计算机的计算处理，向执行机构发出相应的指令命令。在执行过程中，数控

车床的驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控系统，以便发出新的执行命

令。

（3）伺服系统：伺服系统是数控车床的执行机构，由驱动和执行两大部分

组成。它接受数控系统发出的指令命令，并命令信息的要求控制执行机构的进给

速度、方向和位移。

（4）检测装置：检测装置通过位置传感器将伺服电机的角位移或执行机构

的直线位移转换数字信号，输送给数控系统，使该数字信号与指令信号进行对比，

并由数控系统发出命令，纠正运动过程中产生的误差，使车床按图样及数控程序

要求的位置和速度完成加工。

（5）辅助装置：指数控车床中一些服务于加工过程的辅佐部分，如液压、

气动、冷却装置、照明系统、润滑装置和排屑装置等。

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1.2.1数控车床的工作过程

（1）首先研究零件图所给的有关形状、尺寸、材料及技术要求等内容，进行程序设计、计算数值及工艺设计等前期准备工作。

（2）将上述尺寸数值和工艺要求按标准的程序格式编制出数控加工程序，并将加工程序输入到数控装置中。

（3）数控系统将接收来NC代码转换为二进制的机器代码，再转换为控制X、Z方向运动的电信号等处理信号，向伺服系统发出命令，要求伺服系统驱动车床。

（4）伺服系统接到命令后，开始驱动车床的运动机构按照命令的要求进行运动，使数控车床自动完成零件的加工程序。

1.2.2数控车床的加工特点

数控车床加工与普通车床加工相似，但也有其独特的特点。

1）加工精度高、质量稳定
2）加工能力强，柔性程度高
3）降低劳动强度
4）提高生产效率，降低加工成本
5）良好的经济效益

1.2.3数控车床加工的主要对象

数控车床主要用来加工轴、盘套等回转体零件表面，与普通车床相近。数控

车床可以自动完成加工内外圆柱面、圆锥孔、圆锥面、车削螺纹和端面等工序，

并能进行车槽、钻孔、脱空、铰孔等工作，这些都是通过加工程序的执行来实现

的。数控车床特别擅长加工复杂的回转表面和复杂螺纹。其加工对象主要有以下

几类。

1）精度要求高的回转体零件
数控车床相较于普通车床能够加工尺寸精度高的零件，原因在于数控车床的

刚性较好，对刀的精度高，能够自动补偿刀具的位置。在有些场合可以以车代磨。

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此外，通过高精度插补运算和伺服运动是实现数控车床刀具运动的基础，而且高刚性和高精度的机床能够加工出对母线直线度、圆度、圆柱度等要求高的零件。

2）表面粗糙度要求高的回转体零件
数控车床具有恒线速度切削功能，加工出的零件表面粗糙度小而均匀，而且车床刚性好、制造精度高。通常情况下，表面粗糙度在材质、精度、余量和刀具已定的情况下取决于进给量和切削速度。数控车床能在切削锥面和端面时选取最佳的切削速度，从而加工出的表面粗糙度小且一致。

3）表面形状、尺寸复杂的回转体零件
数控车床可以加工任何由直线和曲线所组成的复杂回转体零件正是因为其具有直线和圆弧插补功能。在加工比较复杂的成形面零件时，使用数控车床，加 可以加工出成形面非常复杂的零件，从而工程序可以控制其车刀刀尖运动轨迹，
方便地解决了加工问题。

4）带特殊螺纹的回转体零件
普通车床受其自身机构的，只能车削导程相等的直、锥面螺纹，而且固定几种导程的螺纹只能由固定的普通车床加工出来。数控车床能车削的螺纹范围广，既能车削导程相等的直、锥面螺纹，还能车削等导程与变导程之间过渡的复杂螺纹。而且数控车床车削的效率高，表面粗糙度小。数控车床还能够车削包括丝杠在内的螺纹零件。

5）超精密、超低表面粗糙度的零件
精度高、性能高的数控车床可以加工超精密、超低表面粗糙度的机械零件，能加工的材质包括金属、陶瓷和特殊塑料。包括多面反射体和复杂光学设备的零件都能够在数控车床中加工。

6）淬硬工件的加工
在加工大型模具中的大而且复杂的零件时，这些零件在车削加工时由于此前所受的热处理后变形量较大，不宜车削，因此，数控车床可以利用材质为陶瓷的车刀对热处理后的零件进行车削加工，加工效率有所提高。

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1.3数控车床与编程技术的国内外现状和发展趋势

1.3.1国内外数控车床与编程技术的现状

（一）国外数控车床与编程技术的现状

国外著名机床公司研究数控技术多年，依靠多年来积攒的经验与技术能力，

在数控车床的发展上，始终有着精度高、效率高、可靠性高等特点，其特点如下：

（1）数控车床技术的主流是高速度、高精度和多轴加工处理，数控车床的趋势

是实现纳米加工。（2）航空航天工业、汽车产业以及造船产业广泛采用多轴多任

务数控车床已成为趋势。（3）智能处理和监控功能将继续扩大，车间生产过程监

控与管理可实时获得车床本身信息和相关数据，预测车床的状态，注意维护车床

状态，降低车床发生故障的概率，避免发生事故。（4）为了能够快速对车床进行

补偿测量，大力发展对于机床误差的测量和对补偿的测量。（5）采用全新发展的

CAD/CAM技术，推进了多轴多任务车床技术的发展，提高了加工效率。

伴随着数控车床的诞生，数控编程技术也随之发展。国外对于数控编程技术

的研究由最初的对人工编程APT语言的优化转变到对自动编程的发展研究。早在

20世纪60年代，美国洛克西德飞机制造公司就已经开始了对图形自动编程软件

的研制，并在1972年以CAD/CAM命名。APT语言中存在的不直观的缺点通过

CAD/CAM系统被基本解决了。进入80年代后，诞生出大量各种类型的图形自动

编程软件，其适应度也从70年代的2.5维发展到3维、4维，甚至5维以上

多坐标加工中心。进入90年代后，国内外的商品化图形自动编程软件更是大量

涌现。如美国UnigraphicsSolutions Inc.的UGII，CncSoftware公司的

MASTERCAM，ParametricTechnology Corporation 公司的PRO/ENGINEERING，英

国Delcam的POWERMILL和ArtCAM，德国OpenMind 公司的HYPERCAM和

HyperMILL 等。

（二）我国数控车床与编程技术的现状

我国数控车床技术起源于20世纪70年代。通过30余年的发展，我国生产

的卧式数控车床经过多年的研究和发展，价格便宜，投资较小，适合机械加工产

业的需求，受到了中小企业的欢迎，是我国数控产业的主流产品。经过数年的技

术发展与研究，国产产品满足了用户的需求，得到了广泛用户的认可。

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纵观我国数控车床的发展过程，虽然获得了很多的成就，但是相距国外的水品还是很大。国内与国外的差距主要表现在：（1）过多生产低档产品，高档产品不能满足要求；（2）自主创新能力水平低，科技基础薄弱；（3）生产的产品质量不够可靠；（4）功能部件发展滞后；（5）市场竞争力弱。所以我国对于数控车床技术的发展，还有很长一段路要走。

在数控编程技术的研究上，目前我国数控编程软件的技术水准及其应同时，
用和开发普遍存在着一些缺点和不足主要表现在：（1）大多数图形自动编程软件造型功能弱，不具备工艺处理能力；（2）价格昂贵；（3）使用不方便；（4）产品单一。总体看来，我国在数控编程尤其是图形自动编程技术仍然较为落后，无论从开发水平、市场化水平还是应用情况都与发达国家有着较大差距，
我国自己开发的自动编程软件前景不容乐观。

1.3.2数控车床与编程技术的发展趋势

数控车床随着网络和信息技术的不断发展以及集成系统的不断完善，从而呈现以下发展趋势。

（1）高速化及高精度化
先进制造技术的主流是提高生产效率和产品质量，而高速化及高精度化可在很大程度上提高效率和产品的质量，同时提高生产效率以及市场竞争力。

（2）多轴联动加工和复合加工
采用5轴联动加工和复合加工，选用最佳刀具对三维曲面零件进行加工，生产出的零件不仅提高了光洁度，而且大大提高了生产效率。

（3）智能化、开放式、网络化
随着计算机技术和网络技术发展和广泛应用，建立智能化、开放化、网络化的机床控制体系，能够实现远程监控生产信息的生成、存储、传输、处理和诊断，提高了生产过程中的管理效率。

（4）高柔性化
数控车床始终对加工对象的变化有很强的适应能力，未来的发展趋势是在继续提高车床对单一零件的柔性化的同时，增加加工对象的单元化与系统化。

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对于数控编程技术的发展趋势，从总体看，随着微电子、自动控制和数控加工技术发展日益迅速，控制自动编程和加工技术呈现出一些新的发展趋势，主要表现在一下几个方面：
（1）集成化：集成化是指将数控编程系统和其他计算机辅助设计系统、加 形成一个自动化的计算机集成自造工过程控制系统、
质量控制系统集成到一起，系统，以便实现集成系统内部信息的充分利用，提高产品设计制造过程的效率与质量。

（2）智能化：智能化是指把人类的专业知识融入到集成化的系统中，将人 包括专家的判断及决策交给机器来完成，采用人工智能的方法建立各类知识库，
系统、智能库、自学习功能等。

（3）并行化：随着计算机技术与网络技术的发展，计算机协同工作得到高度重视，新产品的开发要求相关学科的专家协同工作，形从而缩短产品的开发周期，降低制造成本，提高产品的质量。

1.4本文的主要研究方向工作

本文以一个轴类非圆曲面外轮廓零件为研究对象，对其进行数控加工的研究，综合运用了数控车床的特点，分析其工艺流程，编写手工编程，然后利用Matercam软件中进行建模、数控加工模拟和工艺路径分析，为数控车削的技术对轴类零件加工进行了深入的了解和运用。本文所做研究工作包括以下几点： 1.了解并学习数控编程，包括手工编程和自动编程，了解数控加工中心的功能及加工零部件的特点；
2.对研究对象进行工艺分析，建立加工工艺刀具卡和工序卡，并对零件进行手工编程；
3.在Mastercam软件中对研究对象进行建模，对其进行工艺分析后，绘制加工工艺流程图，设置刀具加工参数，刀具路径，进行加工仿真，并获取数控自动编程程序。

4.对手工编程和自动编程进行比较，分析二者的异同。

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第二章数控车床编程技术

对于所有的数控机械，都必须将数控机床对于工件的加工的加工顺序编成相应的程序代码，然后输入到数控机床中。在对结构相对复杂的工件进行加工时，需要借助计算机等辅助软件来生成相应的程序。根据零件图的样式，要通过数控车床加工出工件，首先就是需要研究分析工件的尺寸，编制出相应的数控程序，即工件在数控车床上加工所需的程序代码。

对工件进行数控编程的步骤包括以下几个部分：首先要对图样进行分析，设计加工工艺，确定加工过程；然后要对对工件尺寸进行数据处理计算，规划刀具运动轨迹，得到刀位数据；然后对工件进行程序编制；对程序进行校核及首件试切。

数控编程是数控技术中提高车床加工效率的关键之一，在加工自动化、智能化的实现，产品质量和精度的提高，产品研制周期的缩短都有着十分重要的作用，同时也在汽车制造产业中有着大量作用。

2.1数控手工编程

手工编程就是从分析图样、设计加工工艺、确定加工过程、对工件尺寸进行数据处理、规划刀具运动轨迹、编写工序卡、将程序输入数控设备、校验程序到首件试切都由人工完成。在加工形状结构简单、尺寸单一的零件时，通过手工编程可以更快捷、便宜，同时也比较容易。

2.1.1手工编程的特点

手工编程需要的时间比较长，所以更易出现错误的程序，难以对相对复杂的零件进行编程。据国外相关机构的调查，当零件分析加工时，对零件加工进行手工编程编写的时间是工件在机床上加工的时间的30倍，而由于手工程序的过于复杂和所造成的数控机床故障也经常发生。

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2.1.2手工编程的步骤

1）零件图分析。研究分析工件的尺寸形状、标注和应选取的毛坯。 2）车床准备。确定加工机床的型号和装夹用具、机床基准、编程基准、对刀方法和对到点位置等。

3）设计工艺。确定加工过程中的参数、刀具的运动方向与加工路线、切削余量等数据。

4）数据处理。对工件的尺寸进行分析和数值计算，选择相应的处理方法和手段。

5）制定工序卡。按照已经分析出的加工过程填写数控加工工件工序卡等信息。

6）校验程序。对以上进行的步骤进行综合校验，并进行首件试切工作。

2.1.3手工编程的意义

手工编程的意义在于：加工尺寸形状简单的零件时，编程方便、快捷；不需要价格昂贵的数控设备和编程软件；对数控程序员没有特别的要求；具有较强的操作灵活性等优点。

在目前的数控加工中，最广泛采用的仍是手工编程，虽然现代数控编程技术 依然是数控编程技术的主流是自动编程，但是手工编程的重要地位仍不能替代，
的基础。在现阶段的自动编程技术中，编程的基础都是手工编程，并不断推动自动编程技术的发展。

2.2数控自动编程

自动编程是指在编程过程中，通过计算机完成编程过程中的数据处理、编写程序、校验程序等工作，并由计算机自动表达出刀具的运动轨迹，仿真出相应的加工过后的零件模型，同时可以方便程序员检验程序的正确性。数控自动编程是通过计算机辅助完成编程任务，
省去了复杂的人工处理过程，所以讲编程效率提高了数十倍，能够解决手工编程所无法解决的困难。由此可以看出，自动编程相较于手工编程有着工作效率高、容易解决复杂零件的特点。

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在数控自动编程的发展过程中，诞生初期所使用的专用编程器开创了自动编程的历史。在APT语言的支持下，自动编程实现了程序员与加工机械之间的人机交流，由专用编程器自动进行运算并产生加工指令。随着计算机技术和CAD技术的发展，APT语言已经发展成CAD/CAM一体化的编程方法，这种最新的编程手段与过往的APT技术相比，
可以提供单一准确的产品几何模型，同时能够灵活多样的处理几何模型，实现设计与制造的一体化。目前，数控编程的主要方式就是以CAD/CAM为基础的自动编程。

2.2.1CAD/CAM计算机辅助数控编程

计算机辅助数控编程是以待加工零件CAD模型为基础的一种集加工工艺规划及数控编程为一体的自动编程方法。目前，以CAD/CAM一体化集成形式的软件已成为数控加工自动编程系统的主流。这种计算机辅助数控编程软件可以实现程序员与数控机械之间的人机互动，通过软件进行工件的几何建模，在计算机上就能够对定义机床与刀具的类型和参数，
确定刀具中心的运动方式和轨迹，最终自动生成刀具路径和加工程序代码。最后将这些生成的代码输入到数控设备中，则可以实现工件的加工处理。目前，制造产业中常用的辅助数控软件有CAXA、Mastercam、Pro/E、UG等。最为典型的软件是Mastercam，其可以完成工件加工的编程，此类软件虽然功能单一，但简单易学，价格较低，是目前中小企业选择较多的软件。

2.2.2数控编程软件基本情况

目前，商品化的CAD/CAM软件比较多，应用情况也各有不同，下面介绍国内几款比较常用的CAM软件。

1）UG：是基于CAD/CAM/CAE技术的由美国EDS公司出品的一款大型软件，功能非常强大，软件能够实现从三轴到五轴的加工，加工模块多样，所以其加工功能同样十分丰富。

2）Pro/E：是基于CAD/CAM/CAE技术的由美国PTC公司出品的一款大型软件，功能非常强大，是针对于机械加工专用的一款建模软件，能够实现对零件的建模和机械加工。

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3）CATIA：是基于CAD/CAM/CAE技术的由IBM下属的Dassault公司研发的大型软件，与Pro/E相似，能够对零件进行模型建立，并且易于对复杂曲面零件进行建模。

4）Mastercam：是基于CAD/CAM技术由美国CNC公司开发的CAD/CAM系统，是最早被应用的该类型软件，受众用户群庞大，是一款被机械加工运用广泛的经典软件。

掌握并充分利用CAD/CAM软件，可以将计算机与数控机床组成加工系统， 大大提高设计效率和质量，同时也减少编程减少了零件在加工处理阶段的步骤，
时间，由此可知，充分发挥自动编程软件的优点，有利于提高整体生产制造水平。

2.2.3Mastercam软件介绍

本论文中应用的数控编程及仿真加工软件是Mastercam，现对Mastercam软件进行介绍。

Mastercam是美国CNC公司开发的基于个人电脑平台所开发的计算机辅助数控编程软件。它能够在软件界面中实现对复杂曲线、曲面零件的设计和建模，同时具有粗加工、精加工等机床加工功能。Mastercam的多轴加工功能，为零件的加工仿真提供了强大的适应性和灵活性。

它可以模拟加工工件加工处理的整个过程，在Mastercam的加工仿真功能中，
加工仿真过程中，它可以显示出夹具和刀具，也可以检验加工过程中的刀具、夹具与被加工零件的干涉问题。

使用Mastercam能实现直接数控，直接数控是指用一台计算机直接控制多台数控机床，其技术是实现CAD/CAM的关键技术之一。Mastercam在编制复杂工件时过程极为方便，而且能够对加工过程进行加工仿真，真实反映实际处理过程中所存在的问题，所示是一款十分优秀的CAD/CAM软件。

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图2.1Mastercam软件界面

2.2.4自动编程步骤

1）研究分析零件图所表达的信息，通过零件图的内容来确定加工过程。 2）根据加工要求确定加工坐标系，然后确定零件处理过程中的加工工艺。 3）通过软件对加工零件进行建模或者向软件中导入已经建好的模型文件。 4）在编程软件中，根据软件具有的功能选择合适的刀具和加工方式，最终生成刀具轨迹。

5）在软件中对已进行的步骤进行模拟路径或者加工仿真，并确认是否与预计形状一致。

6）通过软件的后处理功能，将已生成的刀具路径转换成程序代码。7）将程序代码输入到数控车床中，进行首件试切。

2.3本章小结

本章主要是对数控编程的两种编程方式—手工编程和自动编程进行了较为

全面的研究，对手工编程的特点、步骤和意义以及自动编程的软件介绍、编程步

骤进行了分析。从概念上对编程进行分析，为后面实体零件的编程提供了理论依

据。

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第三章数控车削工艺分析及零件手工编程

3.1数控加工工艺设计

数控加工工艺是应用于整个加工过程中的采用数控机床加工的所有的技术

和方法。随着数控机床的诞生和发展，数控加工工艺是工程师在加工过程中捉奸

总结出来的方法和经验，并且在不断的发展和完善。

数控加工工艺过程，是工件从毛坯到产品的过程，在此过程中通过数控机床

上的刀具直接对工件的外形、尺寸和表面进行改变，从而形成最终的成品。

对加工零件的分析是编程之前必要的程序，无论是手工编程还是自动编程，

都要有这样的过程。分析过程包括对零件尺寸结构的分析，工艺方案的制定，刀

具以及切削用量的选择。由此可见，数控加工工艺的设计是十分必要的措施。

（1）数控加工工艺的特点

对比普通机床与数控机床的区别，在使用普通机床时，工程师要按照已经撰

好的工序卡的步骤来操作机械；而在使用数控机床时，所有的工序都能够在计算

机上提前被编制成程序，在生成数控代码后输入到数控机床中，从而控制机床的

加工。由此可见，数控机床加工工艺与普通车床的工艺上大概相同，但同时又有

着其独有的特点：

1）加工复杂工序。数控加工可以比普通机床加工更为复杂的零件，可以使

用更为复杂的加工工序，它所加工的工序难以在普通机床上完成。

2）详细的工步安排。数控加工中要考虑安排工序和工步、对刀换刀点以及

加工路线，所以有着详细的工步安排。

（2）数控加工工艺的主要内容

1、选择并确定进行数控加工的内容

2、对零件图样进行数控加工工艺分析

3、对零件图进行数据处理分析

4、确定数控加工工艺的方案

5、确定工步和进给路线

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6、选择数控机床的类型

7、选择刀具、夹具、量具

8、确定切削参数

9、编写加工程序并进行校验

10、进行首件试切

3.2零件图分析

零件图见图3.1。

（1）技术要求分析

在数控车削加工中，零件的外形结构十分复杂，对零件的精度要求也非常高，

而零件的主体结构包括以下几个方面：圆柱表面、内孔、圆锥孔、圆弧曲面、沟

槽、螺纹以及非圆曲面。在数控车削加工中，对于零件的径向加工部位有ϕ

44‒0.033𝑚𝑚 0 圆柱段（表面粗糙度𝑅𝑎=1.6μm）、ϕ48‒0.033𝑚𝑚 0 圆柱段（表面粗糙

度𝑅𝑎=1.6μm）、ϕ27‒0.033𝑚𝑚 0 圆柱段（表面粗糙度𝑅𝑎=1.6μm）、右端R10mm

的圆弧、长半轴为20mm短半轴为10mm的椭圆面、ϕ22+0.025 0 𝑚𝑚的内孔（表

面粗糙度𝑅𝑎=1.6μm）、M32× 2 ‒ 6g三角形外螺纹，其余表面粗糙度均为𝑅𝑎

=3.2μm。

零件材料为45钢，毛坯规格为ϕ50mm× 100mm。

（2）确定加工方法

确定工件的加工方法最关键的是要确保工件表面被加工后的精度和粗糙度。

本文所选的零件图上的尺寸所要求的精度较高，但由于其公差较小，所以在编程

时取得是基本尺寸。

分析本文所选取的零件特点，采用车削的方式对零件进行加工，能够提高加

工的效率和经济性，又根据加工零件的外形和材料，此处选择CJK6032数控车床。

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图3.1零件图

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3.3零件工艺分析

3.3.1工件的夹装

（一）定位基准
（1）定位基准的选择
选择正确的定位基准对于零件的加工有着十分重要的作用，制定合理的定位基准既能影响工件的精度，又能影响工件的加工顺序。合理的选择定位基准就是提高加工效率、优化加工工序的基础和前提。

（2）定位基准选择的原则
1）基准重合原则：在加工时会由于基准不重合而产生误差，所以在编程时应将定位基准确定为工序基准，使工序基准、定位基准和编程原点重合在一起。

2）便于夹装的原则。应选择定位准确、可靠的定位基准，同时夹紧机构简便、容易操作，并且能够加工尽量多的表面。

3）便于对刀的原则。在加工时，在确定定位基准的前提下，是对刀容易且方便。

（3）确定本零件的定位基准
加工左端时选择在毛坯外圆柱段的右端外圆表面，加工右端时选择在ϕ 0 外圆柱段的表面，以体现定位基准是轴的中心线。44‒0.033𝑚𝑚

（二）装夹方式的选择
工件在加工过程中会因为侧向切削力的作用而发生便宜，夹具就是保证工件在加工过程中始终处于正确的位置。工件最终的加工质量与装夹方式的合理选择有着必然的关系，对提高生产效率和降低生产成本都有着重要作用。

（1）数控车床常用的装夹方式
1）在三爪自定心卡盘上装夹，三爪自定心卡盘的优点在于它的三个卡爪是一起运动的，能自动定心，所以不用找正，从而装夹工件方便、省时，但缺点也同时存在，由于卡盘是由三个卡爪组成，夹紧力小，适用于中小型零件的装夹工作。

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2）在两顶尖之间装夹。用两顶尖装夹适用于尺寸较大的复杂轴类工件，能够确保工件的装夹精度，可以用于精加工和工序多的加工。

3）用卡盘和顶尖装夹。这种方法能够使工件承受较大的切削力，能够确保定位准确，安全性好。

4）用心轴夹装。这种装夹方式能够配合螺纹与夹具，是工件承受较大的切削力，确保定位准确，安全性好。

（2）确定合理的装夹方式
本文所选取的零件使用三爪自定心卡盘来夹持零件的毛坯外圆。零件需要加

ϕ44mm× 25mm的台阶可

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棱很小的各种外圆和内孔车刀。

3）圆弧形车，是特征为误差度很小的圆弧的车刀。圆弧形车刀可以用于车

削零件内外轮廓面，对于零件上光滑连接的轮廓面有着特别的适应。

（3）设置对刀点和换刀点

起刀点，是指刀具在程序开始时起始运动的位置。该点又被称为对刀点，该

点的确定是通过对刀来确定。选择合适的对刀点对零件加工处理有着重要的影响。

确定对刀点有利于处理数据和程序代码的编制，减少加工误差。将对刀点设置在

加工基准上有利于提高零件的加工精度。加工过程中用于对刀的设备包括光学对

刀镜、对刀仪、自动对刀装置等。加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。

换刀点，是加工过程中刀架转动换刀的位置。换刀时应不让刀具碰到工件，

所以换刀点应该设置在工件以外的地方。

在次工件中，加工过程中的位置点分别是：

1）换刀点。零件原点设在零件的右端面，为防止换刀时刀具与零件或尾座

相碰，换刀点可以设置在（X100，Z100）的位置。

2）起刀点。零件材料的毛坯尺寸为ϕ50mm× 100mm，为减少循环加工的

次数，循环的起刀点可以设置在（X51，Z2）的位置。

3.4.2确定切削用量

切削用量的选定对于数控加工有着重要的意义，所以在程序员进行编程时必

须提前确定每一个工序的切削用量，然后编入程序代码内。切削用量的确定包括

三个主要部分：主轴转速、背吃刀量和进给速度。不同的加工工艺对应着不同的

切削用量。而选择切削用量的原则是：保证能够发挥所选取刀具的切削性能，保

证机床的使用性能，保证零件的质量以及在降低成本的同时提高生产效率。

3.5确定加工工艺路线

1）夹紧零件毛坯，伸出卡盘50mm，加工左端。

2）钻孔ϕ20mm，深度约为25mm。

3）粗、精加工内孔至要求尺寸。

4）粗车零件左端外轮廓。

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5）精车零件左端外轮廓，利用外径千分尺保证尺寸精度要求。

6）调头装夹，使用铜皮夹紧ϕ44mm× 25mm外圆，校正，加工右端。

7）粗车零件的右端外轮廓。

8）精车零件的右端外轮廓，利用外径千分尺保证尺寸精度要求。

9）切槽4mm× 2mm至要求尺寸。

10）车削零件的M32mm× 2mm三角形外螺纹，利用螺纹千分尺或螺纹环规

保证精度要求。

11）检测、校核。

3.6编制轴类零件加工工艺

（1）技术要求：轴类零件的技术要求主要是支承轴颈的径向尺寸精度和形

位精度，轴向精度一般要求不高。轴颈的精度要求限定不差过直径公差的范围，

而圆度和圆柱度则是轴类零件的几何形状精度。对于零件的相互位置精度主要包

括同轴度和圆跳动，轴类零件的相互位置精度的主要要求就是保证零件轴颈的同

轴度。

（2）毛坯选择：轴类零件一般选用锻件作为毛坯，热轧或冷拉圆棒料则一

般用于光滑轴和阶梯轴，而球墨铸体一般用于发动机曲轴的铸造。本文所选取的

零件如图为典型轴类零件，直径相差不大，故采用直径为60mm，材料45钢，

在锯床上按150mm长度下料。

（3）定位基准选择：轴类零件外圆表面、内孔、螺纹的设计基准都是轴中

心线。用两中心孔定位符合其基准重合原则，并且能够最大限度地在一次装夹中

加工出多格外圆表面和端面，因此常用中心孔作为轴加工的定位基准。当不能采

用中心孔作为定位基准时，为了使工件的装夹可靠度提高，可采用轴的外圆表面

作定位基准，或是以外圆表面和中心孔共同作为定位基准，这种定位基准的选择

方法能承受较大的切削力，但不能不正定位精度。

（4）轴类零件的预备加工：车削之前需要有毛坯校直的工作，因为在毛坯

的运输、存储过程中会由于不可抗拒因素而发生变形，所以在加工之前需要安排

预加工。

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（5）热处理工序：为了改善毛坯内部的切削性能，消除内部应力，应在加工之前对毛坯进行热处理。热处理工序中的调质处理也有着十分重要的作用，往往在对性能要求较高的毛坯加工过后进行调质处理，从而提高了零件的综合性能。而对一对相对运动的表面进行表面淬火等热处理能够提高零件的耐磨性。

（6）加工工序的划分
加工工序的划分有三种方法：刀具集中分序法、以加工部位分序法、以粗精加工分序法，这三种方法的具体操作是：
1）刀具集中分序法：就是按所用刀具划分工序，用第一把刀具把零件上所有能够加工完的部分加工完，再使用第二把刀、
第三把分别完成可以完成的其它部分。这种方法可以减少换刀次数，提高加工效率，同时可以减少刀具的定位误差。

2）以加工部位分序法：对于形状结构很复杂的零件，零件的结构特征将零件分为几个部分：如左端轮廓、右端轮廓、内部曲面、平面等。在加工时，一般先加工端面或定位面，然后进行钻孔；先加工简单的部分，再加工复杂的部分；先加工低精度的部位，再加工高精度的部位。

3）以粗、精加工分序法：在加工零件时，先把零件的粗加工部分加工完，然后对零件进行精加工，这种将粗加工和精加工工序分开的做法，可以在粗加工后对零件的外形进行统一的矫正。

由上文可知，在划分工序时，要根据零件的特征、加工特性和机床的功能进行灵活处理，要根据实际情况来确定，做到每一步都能够合理精确。

（7）加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位夹紧的需要来考虑，要保证不破坏工件的刚性。顺序一般应按下列原则进行：
1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，要综合考虑加工工序中的通用机床加工。

2）先对零件的内部轮廓进行加工，然后对零件的外部轮廓进行加工。

3）以减少重复定位次数、换刀次数和挪动压板次数。

4）在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏小的工序。

（8）走刀路线和对刀点的选择
其中的非切削空行程轨迹走刀路线包括切削加工轨迹和非切削空行程轨迹，
包括刀具运动到切削起始点、刀具切入、切出并返回切削起始点或对刀点。而在 20

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加工过程中的半精加工和精加工中刀具是沿着零件的轮廓进行走刀的，所以这一

部分的切削轨迹不明显，所以走刀路线主要是粗加工过程中的刀具路径。

合理确定对刀点：对刀点可以设置在加工零件的基准位或已经进行精加工的

部位，在第一道工序时注意要在与定位基准有相对固定尺寸关系的地方设立一个

相对对刀位置，这样原对刀点就可以通过它们之间的相对位置而找回，而且这个

相对对刀位置通常设在机床工作台或夹具上。

3.6.1确定工艺卡片参数

（1）确定加工顺序及进给路线

加工顺序按由粗到精、由左到右的原则确定。工件左端加工：先在左端面钻

孔，然后粗车零件左端内轮廓（留0.5mm余量精车），然后精车零件左端内轮廓；

然后依次粗车、精车零件左端外轮廓；工件调头，工件右端加工：粗加工零件右

端外轮廓，精加工零件右端外轮廓，切退刀槽，最后车削外螺纹。

（2）选择刀具

表3.1 刀具卡

（3）选择切削用量

表3.2 切削用量选择

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3.6.2加工坐标系的设置与数值计算

（1）设定编程原点，以工件右端面与主轴轴线的交点为编程原点建立工件坐标系。

图3.2零件图
（2）计算各基点位置坐标值，零件尺寸见图3.2、图3.3。

1）椭圆起始角度计算：

2）椭圆起点坐标计算：
将𝑏=10𝑚𝑚、𝜃=‒75.522°代入𝑦=𝑏× 𝑠𝑖𝑛𝜃（式中b为椭圆短轴），得椭圆