[汇总]MasterCAM 编程教程
MasterCAM 编程教程
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CAM编程的基本实现过程
常用CAD/CAM软件与Mastercam X简介 数控加工与数控程序基础 CAM数控加工工艺设计要点
通过本章的学习，读者应该理解CAD/CAM自动编程的一般过程，了解CAD/CAM软件的常识，掌握简单的数控加工与数控程序相关基础知识，特别需要了解在CAM数控编程中需要应用到的数控加工工艺知识，并在学习应用过程中不断积累与提高。
1.1 CAD/CAM软件的交互式编程的基本实现过程
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，其主要任务是计算加工走刀中的刀位点(简称CL点)。根据数控加工的类型，数控编程可分为数控铣加工编程、数控车加工编程、数控电加工编程等，而数控铣加工编程又可分为2.5轴铣加工编程、3轴铣加工编程和多轴(如4轴、5轴)铣加工编程等。3轴铣加工是最常用的一种加工类型，而3轴铣加工编程是目前应用最广泛的数控编程技术。
数控编程经历了手工编程、APT语言编程和交互式图形编程3个阶段。交互式图形编程就是通常所说的CAM软件编程。由于CAM软件自动编程具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查和修改等优点，目前已成为国内外数控加工普遍采用的数控编程方法。因此，在无特别说明的情况下，数控编程一般是指交互式图形编程。交互式图形编程的实现是以CAD技术为前提的。数控编程的核心是刀位点计算，对于复杂的产品，其数控加工刀位点的人工计算十分困难，而CAD技术的发展为解决这一问题提供了有力的工具。利用CAD技术生成的产品三维造型包含了数控编程所需要的完整的产品表面几何信息，而计算机软件可针对这些几何信息进行数控加工刀位的自动计算。因此，绝大多数的数控编程软件同时具备CAD的功能，因此称为CAD/CAM一体化软件。
由于现有的CAD/CAM软件功能已相当成熟，因此使得数控编程的
工作大大简化，对编程人员的技术背景和创造力的要求也大大降低，为该项技术的普及创造了有利的条件。事实上，许多企业从事数控编程的工程师往往仅有中专甚至高中毕业的学历。
目前市场上流行的CAD/CAM软件均具备了较好的交互式图形编程功能，操作过程大同小异，编程能力差别不大。不管采用哪种CAD/CAM软件，NC编程的基本过程及内容可由图1-1表示。图1-1 NC编程的一般步骤
1.1.1 获得CAD模型
CAD模型是NC编程的前提和基础，任何CAM的程序编制必须有CAD模型为加工对象进行编程。获得CAD模型的方法通常有以下3种:
(1)打开CAD文件。如果某一文件是已经使用UG进行造型完毕的，或者已经做过编程的文件，重新打开该文件即可获得所需的CAD模型。
(2)直接造型。某些CAD/CAM软件，如UG、Cimatron等本身就是一个功能非常强大的CAD/CAM
一体化软件，具有很强的造型功能，可以进行曲面和实体的造型。对于一些不是很复杂的工件，可以在编程前直接造型。
(3)数据转换。当模型文件是使用其他的CAD软件进行造型时，首先要将其转换成UG专用的文件格式(.PRT文件)。通过UG的数据转换功能，可以读取其他CAD软件所做的造型。UG提供了常用CAD软件的数据接口，并且有标准转换接口，可以转换的文件格式有IGES、STEP等。
1.1.2 加工工艺分析和规划
加工工艺分析和规划的主要内容包括:
(1)加工对象的确定:通过对模型的分析，确定这一工件的哪些部位需要在数控铣床或者数控加工中心上加工。数控铣的工艺适应性也是有一定限制的，对于尖角部位，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;而另外一些加工内容，可能使用普通机床有更好的经济性，如孔的加工、回转体加工，可以使用
钻床或车床进行加工。
(2)加工区域规划:即对加工对象进行分析，按其形状特征、功能特征及精度和粗糙度要求将加工对象分成数个加工区域。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。
专家指点:在进行加工对象确定和加工区域规划或分配时，参考实物可以更直观地进行分析和规划。
(3)加工工艺路线规划:即从粗加工到精加工再到清根加工的流程及加工余量分配。 (4)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(刀轨形式)选择等。
在完成工艺分析后，应填写一张CAM数控加工工序表，表中的项目应包括:加工区域、加工性质、走刀方式、使用刀具、主轴转速、切削进给等选项。完成了工艺分析及规划可以说是完成了CAM编程80%的工作量。同时，工艺分析的水平原则上决定了NC程序的质量。
1.1.3 CAD模型完善
对CAD模型作适合于CAM程序编制的处理。由于CAD造型人员考虑更多的是零件设计的方便性和完整性，并不顾及对CAM加工的影响，所以要根据加工对象的确定及加工区域规划对模型作一些完善。CAD模型完善通常有以下内容:
(1)坐标系的确定。坐标系是加工的基准，将坐标系定位于适合机床操作人员确定的位置，同时保持坐标系的统一。
(2)隐藏部分对加工不产生影响的曲面，按曲面的性质进行分色或分层。这样一方面看上去更为直观清楚;另一方面在选择加工对象时，可以通过过滤方式快速地选择所需对象。
(3)修补部分曲面。对于有不加工部位存在造成的曲面空缺部位，应该补充完整。如钻孔的曲面，存在狭小的凹槽的部位，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。
(4)增加安全曲面，如边缘曲面进行适当的延长。
(5)对轮廓曲线进行修整。对于数据转换获取的数据模型，可能存在看似光滑的其实存在着断点的曲线，看似一体的曲面在连接处不能相交。通过修整或者创建轮廓线构造出最佳的加工边界曲线。
(6)构建刀具路径限制边界。对于规划的加工区域，需要使用边界来限制加工范围，先构建出边界曲线。1.1.4 参数设置
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CAD/CAM软件进行NC编程的主要操作内容，直接影响NC程序的生成质量。参数设置的内容较多，主要包括:
(1)切削方式设置:用于指定刀轨的类型及相关参数。
(2)加工对象设置:是指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、避让区域等。
(3)刀具及机械参数设置:是针对每一个加工工序选择适合的加工刀具并在CAD/CAM软件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。
(4)加工程序参数设置: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。这是CAM软件参数设置中最主要的一部分内容。
1.1.5 生成刀具路径
在完成参数设置后，即可将设置结果提交CAD/CAM系统进行刀轨的计算。这一过程是由CAD/CAM软件自动完成的。
1.1.6 刀具路径检验
为确保程序的安全性，必须对生成的刀轨进行检查校验，检查有无明显刀具路径、有无过切或者加工不到位，同时检查是否会发生与工件及夹具的干涉。校验的方式有:
(1)直接查看。通过对视角的转换、旋转、放大、平移直接查看生成的刀具路径，适于观察其切削范围有无越界及有无明显异常的刀具轨迹。
(2)手工检查。对刀具轨迹进行逐步观察。
(3)实体模拟切削，进行仿真加工。直接在计算机屏幕上观察加工效果，这个加工过程与实际机床加工十分类似。
对检查中发现问题的程序，应调整参数设置重新进行计算，再作检验。
1.1.7 后处理
后处理实际上是一个文本编辑处理过程，其作用是将计算出的刀轨(刀位运动轨迹)以规定的标准格式转化为NC代码并输出保存。
在后处理生成数控程序之后，还需要检查这个程序文件，特别对程序头及程序尾部分的语句进行检查，如有必要可以修改。这个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。
在上述过程中，编程人员的工作主要集中在加工工艺分析和规划、参数设置这两个阶段，其中工艺分析和规划决定了刀轨的质量，参数设置则构成了软件操作的主体。1.2 编制高质量的数控程序
1(NC程序的质量判断
NC程序的质量是衡量NC程序员水平的关键指标，其判定标准可归纳为: (1)完备性:即不存在加工残留区域。
(2)误差控制:包括插补误差控制、残余高度(表面粗糙度)控制等。 (3)加工效率:即在保证加工精度的前提下加工程序的执行时间。
(4)安全性:指程序对可能出现的让刀、漏刀、撞刀及过切等不良现象的防范措施和效果。
(5)工艺性:包括进退刀设置、刀具选择、加工工艺规划(如加工流程及余量分配等)、切削方式(刀轨形式选择)、接刀痕迹控制以及其他各种工艺参数(如进给速度、主轴转速、切削方向、切削深度等)的设置等。
(6)其他:如对机床及刀具的损耗程度、程序的规范化程度等。
在评价NC程序质量的各项指标中，有一部分存在着一定程度的矛盾。例如，残余高度决定了加工表面的光洁度，从加工质量来看，残余高度越小，加工表面质量越高，但加工效率就会降低。所以，在进行NC编程时，不应片面追求加工效率，而应综合权衡各项指标，在满足产品的质量要求及一定的加工可靠性的基础上提高加工效率。
2(数控程序人员的基本要求
为了编制高质量的数控加工程序，数控编程人员必须掌握一定的数控加工相关的基础知识，包括:数控加工原理、数控机床结构、分类及机床坐标系。作为一名数控编程工程师，有必要掌握一定的手工编程知识，包括程序结构和常用数控指令，这对于理解数控自动编程，后置处理等均有帮助。数控加工工艺分析和规划将影响数控加工的加工质量和加工效率，因此工艺分析和规划是数控编程的核心工作。在CAM自动编程中对数控工艺的分析和规划主要包括:加工区域的划分与规划，刀轨形式与走刀方式的选择，刀具及机械参数的设置，加工工艺参数的设置。
3(CAM编程的学习
交互式图形编程技术的学习也就是我们常说的CAM编程的要点可分3个方面:
(1)学习CAD/CAM软件应重点把握核心功能的学习，因为CAD/CAM软件的应用也符合所谓的"20/80原则"，即80%的应用仅需要使用20%的功能。
(2)培养标准化、规范化的工作习惯。对于常用的加工工艺过程应进行标准化的参数设置，并形成标准的参数模板，在各种产品的数控编程中尽可能直接使用这些标准的参数模板，以减少操作复杂度，提高可靠性。
(3)重视加工工艺的经验积累，熟悉所使用的数控机床、刀具、加工材料的特性，以便使工艺参数设置更为合理。1.3 CAD/CAM软件数控编程功能分析及软件简介
CAD/CAM软件发展到今天，已经变得相当成熟。各种CAD/CAM软
件的功能十分丰富多样，而且，大多数软件所提供的核心功能基本相同的，只要掌握了这些基本功能，加上良好的操作习惯和一定的工艺经验，就完全能够编制出优良的数控程序。
1.3.1 CAD/CAM软件功能
对于2轴及3轴数控铣加工，我们将现有CAD/CAM软件所提供的基本功能组成进行概括的分类:
(1)三维造型功能:如前所述，加工表面的几何信息是CAD/CAM软件进行加工刀轨计算的依据。因此CAD/CAM软件至少能够提供基本的曲面造型功能。
(2)参数管理:参数(如加工对象、刀具参数、加工工艺参数等)的设置是交互式图形编程的主要操作内容，因此也是CAD/CAM软件数控编程的主要功能组成部分。它包括参数输入、修改、管理、优化等。
(3)刀位点计算:根据用户设定的加工参数和加工对象计算出刀位点，由于刀位点计算是数控编程中最重要和最复杂的工作环节，因此它也是利用CAD/CAM软件进行交互式图形编程的最明显的优势。
(4)仿真:以图形化的方式直观、逼真地模拟加工过程，以检验所编制的NC程序是否存在问题。
(5)刀轨的编辑和修改:提供多种编辑手段(如增加、删除、修改刀轨段等手段)使用户对编制的数控刀轨进行修改。
(6)后处理:CAD/CAM软件计算出的刀轨包含了大量刀位点的坐标值，后处理的作用就是将这些刀位点坐标值按标准的格式"填写"到数控程序中，得到程序主体的内容。它实际上是一个文字处理过程。当然，还需要在程序的开头和结尾加上一些辅助指令，如在程序开始加上冷却液开、在程序结束部分加上冷却液关等。
(7)工艺文档生成:将机床操作人员所需要的工艺信息(如程序名称、加工次序、刀具参数等)编写成标准、规范的文档。这一功能虽然简单，但它对保证编程人员与机床操作人员的配合以及避免失
误有重要的作用。
1.3.2 常见CAD/CAM软件简介
目前CAD/CAM软件种类繁多，基本上都能够很好地承担交互式图形编程的任务。这里仅对最常见的几种软件进行简单的介绍。
1(Cimatron
Cimatron软件出自著名软件公司以色列Cimatron公司，Cimatron E的CAD/CAM软件解决方案包括一套易于3D设计的工具，允许用户方便的处理获得的数据模型或进行产品的概念设计。Mould Design是基于三维实体参数的解决方案，它实现了三维模具设计的自动化，能自动完成所有单个零件、已装配产品及标准件的设计和装配，用户可以方便地定义用来把模型分成型芯、型腔、嵌件和滑块的方向。
Cimatron E提供了全面的NC解决方案，其加工策略得到了市场认可。Cimatron NC支持从2.5,5轴高速铣削，毛坯残留知识和灵活的模板有效地减少了用户编程和加工时间。Cimatron NC提供了完全自动基于特征的NC程序以及基于特征和几何形状的NC自动编程。主要包括以下功能:
(1)2.5轴钻孔和铣削 Cimatron NC 在3D模型环境下为用户提供了高效的2.5轴解决方案。快速钻孔能自动识别出3D模型、曲面模型和模型中的孔特征，通过预定义的形状模板自动地创建高效钻孔程序。快速钻孔程序是一个基于知识库的自动产生钻孔程序，它能使代码产时间动态地减小90%，且对任何格式下的CAD模型操作都非常简便。程序能够优化钻孔参数和刀具使用，全面兼容Cimatron模具实际模块，同时与Cimatron E CAD/CAM解决方案无缝集成。
(2)3轴粗加工Cimatron NC强大的粗加工程序以其高效的加工策略提高了使用者的生产效率。精确的剩余毛坯模型始终贯穿在整个加工程序中，有效地减少了空切。程序自动创建进退刀方式，并且根据实际的刀具载荷自由地调整进给速度。粗加工程序提供了多种加工策略，我们可以通过加工区域、边界曲线以及检查曲面来限制加工
范围，并且全面支持高速铣削。
(3)3轴精加工3轴精加工程序提供了基于模型特征的多种加工策略，几何形状的分析带给我们高效率及高质量的曲面精度。水平和垂直区域可以用等高加工、自适应层、真环切以及3D等步距等策略，精加工还包括诸如清根和笔式的残料加工以及为高速铣削的优化选项。
(4)5轴加工Cimatron为用户提供了从定位5轴到多轴联动的全方位加工功能。5轴联动铣削包括粗加工，控制前倾角和侧倾角的精加工，侧刃铣削以及刀长较短时自动倾斜功能，5轴铣削能有效地提高加工效率，延长刀具使用寿命，产生高精度的曲面。
2(PowerMILL
PowerMILL是世界上著名的功能最强大、加工策略最丰富的数控加工编程软件系统之一，同时也是CAM软件技术最具代表性的、增长率最快的加工软件。采用全新的中文Windows用户界面，提供完善的加工策略。帮助用户产生最佳的加工方案，从而提高加工效率，减少手工修整，快速产生粗、精加工路径，并且任何方案的修改和重新计算几乎在瞬间完成，缩短85%的刀具路径计算时间，对2,5轴的数控加工包括刀柄、刀夹进行完整的干涉检查与排除。具有集成一的加工实体仿真，方便用户在加工前了解整个加工过程及加工结果，节省加工时间。
Delcam推出在5轴高速加工方面功能更强的PowerMILL 6.0版本。在6.0版本中，增加了能应用于线框加工的swarf加工并且可以使用锥形刀，因而避免了凸台的碰撞;自动的偏摆加工等加工策略。新版本的其他改进还将包括全局余量控制，加强了粗加工中平面铣的功能，同时让Delcam专利的摆线加工策略中对弧度的控制更容易操作。
PowerMILL是一套独立的2,5轴加工软体，3D模型可由曲面模型、实体模型的CAD系统转到PowerMILL不需考虑曲面间的间隙、重叠或皱折扭曲及破洞的问题，而得到完全不过切的刀具路径。PowerMILL使用选单模式，即由简单使用的视窗式指引，提供广泛的
加工方法、路径编辑和实体切削模拟及高速加工所需功能，只需最少训练，适合现场加工使用。
3(Mastercam
Mastercam是美国CNC Software,Inc.公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计、体素拼合、数控编程、刀具路径摸拟及真实感摸拟等多功能于一身，对系统运行环境要求较低，使用户无论是在造型设计、CNC铣床、CNC车床或CNC线切割等加工操作中，都能获得最佳效果。它具有方便直观的几何造型，Mastercam提供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线、曲面零件。
Mastercam具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。 Mastercam提供了多种先进的粗加工技术，以提高零件加工的效率和质量。Mastercam还具有丰富的曲面精加工功能，可以从中选择最好的方法，加工最复杂的零件。Mastercam的多轴加工功能，为零件的加工提供了更多的灵活性。Mastercam可模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况。
4(CAXA制造工程师
CAXA制造工程师是北京数码大方科技有限公司(CAXA)研制开发的全中文、面向数控铣床和加工中心的三维CAD/CAM软件。CAXA制造工程师基于微机平台，采用原创Windows菜单和交互方式，全中文界面，便于轻松学习和操作，并且价格较低。CAXA制造工程师可以生成2,5轴的加工代码，可用于加工具有复杂三维曲面的零件。CAXA制造工程师不仅是一款高效易学、具有很好工艺性的数控加工编程软件，而且还是一套Windows原创风格，全中文三维造型与曲面实体完美结合的CAD/CAM一体化系统。CAXA制造工程师为数控加工行业提供了从造型设计到加工代码生成、校验一体化的全面解决方案。
CAXA制造工程师提供了优质高效的数控加工编程工具。CAXA制造工程师将CAD模型与CAM加工技术无缝集成，可直接对曲面、实体模型进行一致的加工操作。支持轨迹参数化和批处理功能，明显提高
工作效率。支持高速切削，大幅度提高加工效率和加工质量。通用的后置处理可向任何数控系统输出加工代码。
5(UG NX
UGS NX(原名:Unigraphics，中译为优集，后被西门子收购)是NX PLM软件的核心，集CAD/CAE/CAM于一体的产品生命周期管理软件。UGS NX支持产品开发的整个过程，从概念(CAID)到设计(CAD)到分析(CAE)到制造(CAM)的完整流程。UG有着美国航空和汽车两大产业的背景，广泛应用于机械制造、航空业、汽车业、模具制造、家电产品等各行各业。6(其他CAD/CAM软件
其他常用的CAD/CAM软件的还包括DASAL公司的CATIA、Pathtrace 公司的EdgeCAM、SolidCAM公司的SolidCAM、TekSoft公司的CAMWorks、HZS公司的SPACE-E，等等。
1.3.3 Mastercam X4的功能特点
Mastercam X4提供了相当多的模块，其中包括铣削、车削、实体造型、线切割、雕刻等。可以根据设计及加工需要，自行选取相应的模块。在新Mastercam X版本中，一改Design(设计)、Mill(铣削加工)、Lathe(车削加工)、Wire(线形加工)4个模块分散界面的缺点，将这4大模块集成到一个平台上，使用户操作更加方便。
1(设计模块
(1)强大的二维绘图功能:可以快速高效地绘制、编辑复杂的二维图形，并能够方便地对二维图形进行尺寸标注、图形注释和图案填充等工作，还可以打印工程图样。
(2)完整的曲线设计功能:可以设计和编辑二维、三维空间曲线，而且还可以灵活、方便地创建曲面曲线，包括相交线、分模线、剖切曲线、动态绘制曲线等。
(3)曲面造型手段丰富:Mastercam可以非常直观地用多种方法创建规则曲面，也可以创建网格曲面、扫掠曲面、举升曲面等多种不规则的光滑曲面。
(4)先进的实体建模功能:可以对实体进行布尔运算、圆角、倒角、抽壳等处理，操作简单，适合零部件的结构设计。
2(铣削加工模块
Mastercam(2,5轴加工)的Operations Manager(操作管理器)把同一加工任务的各项操作集中在一起。管理器的界面简明清晰。加工使用的刀具以及加工参数等在管理器内，编辑、校验刀具路径也很方便，在操作管理器中很容易复制和粘贴相关程序。在Mastercam系统中，挖槽铣削、轮廓铣削和点位加工的刀具路径与被加工零件的模型是相关联的。当零件几何模型或加工参数修改后，Mastercam能迅速准确地自动更新相应的刀具路径，无须重新设计和计算刀具路径。用户可把常用的加工方法及加工参数存储于数据库中，将显著提高数控程序设计效率及计算的自动化程度。
3(车削加工模块
车削零件造型非常简单便捷，Mastercam具有完整的曲线曲面建模功能，建立二维、三维几何模型十分方便。灵活、完整的曲线曲面编辑和分析功能，保证几何模型的精度。修改几何模型后，相关的尺寸标注自动更新。可在多个视窗内动态旋转、缩放几何图形。导航功能自动捕捉常用的特征点，提高建模速度。Mastercam的数据转换器可与任何的CAD系统交换数据。这些转换器包括IGES、Parasolid TM、SAT(ACIS Solids)、DXF、CADL、VDA、STL及ASCII等。4(雕刻加工模块
Mastercam是美国CNC Software公司开发的基于Win 9X以及Win NT的CAD/CAM软件包，其X版本的文字功能得到了进一步加强，不但可以提供Mastercam系统的字体，还可利用Windows系统的字体。同时，Mastercam提供丰富的粗精加工切削方式，它能完成2,5轴数控铣削加工编程，通过建立雕刻模型，选择合理加工方式即可达到文字雕刻的目的。
5(线切割模块
可以快速、高速地完成线切割加工程序的编制，可以实现2轴和4轴编程，可选择适合的直线切割、角度或从角度切割与LAND两指示中指定的任何方向。实体切割路径验证切削可以查看毛坯材料的实体切割过程;并可以查看在线切割路径里任何一点的行动信息，具有
强有力的零件模型化功能。
1.4 数控加工基础知识
1.4.1 数控加工基本原理
1(CAM系统简述
一个典型的CAM系统由两部分组成:计算机辅助编程系统和数控加工设备，如图1-2所示。
数控程序
图1-2 CAM系统构成
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远低于工作站，因此在CAD/CAM系统中的应用越来越广泛，其普及率远高于工作站。
计算机辅助数控编程软件即是我们通常所说的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、数据管理等。目前常用的CAM软件种类较多，其中的基本功能大同小异，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、板材成型等。数控铣床、数控车床、数控线切割机是最常用的数控加工设备，其中又以数控铣床应用最为广泛。
2(数控加工基本原理
机床上的刀具和工件间的相对运动，称为表面成形运动，简称成型运动或切削运动。数控加工是指数控机床按照数控程序所确定的轨迹(称为数控刀具路径)进行表面成型运动，从而加工出产品的表面形状。图1-3是一个平面轮廓加工和一个曲面加工的切削示意图。(a)
(b) 1、5—刀具 2—刀位点 3、4—数控刀轨
图1-3 切削示意图
数控刀轨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，如图1-3(a)所示。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。
(2)残余高度。在曲面加工中，如图1-3(b)所示，相邻两条数控刀轨之间会留下未切削区域，如图1-5所示，由此造成的加工误差称为残余高度，它主要影响加工表面的粗糙度。
刀具的表面成型运动通常分为主运动和进给运动。主运动指机床的主轴转动，其运动质量主要影响产品的表面光洁度。进给运动是主轴相对工件的平动，其传动质量直接关系到机床的加工性能，如图1-6所示。
进给运动的速度和主轴转速是刀具切削运动的两个主要参数，对加工质量、加工效率有重要而且直接的影响。图1-4 刀轨的插补误差 图1-5 刀轨的残余高度
3(数控加工刀位计算
如前所述，数控编程的核心内容是计算数控刀轨上的刀位点。下面简单介绍数控加工刀位点的计算原理。
数控加工刀位点的计算过程可分为3个阶段:
(1)加工表面的偏置。如图1-6所示，刀位点是刀具中心点的移动位置，它与加工表面存在一定的偏置关系。这种偏置关系取决于刀具的形状和大小。例如，当刀具为半径R的球头刀时，刀轨(刀具中心的移动轨迹)应当在距离加工表面为R的偏置面上，如图1-7所示。由此可见，刀位点计算的前提是首先根据刀具的类型和尺寸计算出加工表面的偏置面。
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图1-6 刀具的表面成型运动 图1-7 加工表面的偏置
1—刀位点 2—加工表面 1—偏置面 2—加工表面 3—刀轨
(2)刀轨形式的确定。刀位点是在加工表面的偏置面上。刀位点在偏置面上的分布形式称为刀轨形式。图1-8是两种最常见的刀轨形式。其中图1-8(a)为行切刀轨，即所有刀位点都分布在一组与刀轴(z轴)平行的平面内。图1-8(b)为等高线刀轨(又称环切刀轨)，即所有刀位点都分布在与刀轴(z轴)垂直的一组平行平面内。
显然，对于图1-8所示的两种刀轨来说，其刀位点分布在加工表面的偏置面与一组平行平面的交线上，这组交线称为理想刀轨，平行平面的间距称为刀轨的行距。也就是说，刀轨形式一旦确定下来，就能够在加工表面的偏置面上以一定行距计算出理想刀轨。
(3)刀位点的计算。如果刀具中心能够完全按照理想刀轨运动，其加工精度无疑将是最理想的。然而，由于数控机床通常只能完成直线和圆弧线的插补运动，因此只能在理想刀轨上以一定间距计算出刀位点，在刀位点之间做直线或圆弧运动。刀位点的间距称为刀轨的步长，其大小取决于编程允许误差。编程允许误差越大，则刀位点的间距越大，反之越小。(a)行切刀轨 (b)等高线刀轨
图1-8 刀轨形式图
以上所描述的仅仅是刀位点计算的基本思路，而CAM软件中实际采用的计算方法要复杂得多，而且随着软件的不同会有许多具体的变化。
然而不管在各种CAM软件中，刀位点计算有多么复杂多样，其技术核心都只有一点，即以一定的形式和密度在被加工面的偏置面上计算出刀位点。刀位点的密度不仅指刀轨的行距，而且还指刀轨的步长，它们是影响数控编程精度的主要因素。
1.4.2 数控机床
1(数控机床的发展
数控机床最早出现于20世纪50年代，由美国麻省理工学院成功地研制出第一台数控铣床。1970年首次展出了第一台用计算机控制的数控机床(CNC)。
随着科学技术的进步，数控机床的发展将呈现以下趋势:
(1)高效率与复合化:数控机床加工的效率取决于以下两个因素。
切削速度，其中包括主轴转速和进给速度。由于机构各组件分工的专业化，在专业
主轴厂的开发下，主轴高速化日益普及。过去只用于汽车工业高速化的机种(15000r/min以上的机种)，现在已成为必备的机械产品要件。加工中心的主轴转速一般都在15000r/min,20000r/min，最高甚至达到了100000r/min以上。进给运动的速度目前也有大幅提高，可达20m/min，甚至60m/min。
非加工时间，如工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速等时间。由
于减少非加工时间是提高加工效率的有效途径，因此复合功能的机床是近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。
(2)高精度:由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题。以计算机辅助生产(CAM)系统的发展带动数控控制器的功能越来越多。
(3)安全与环保:凡是可能伤害人身的地方都加有安全警示装置。干切削和微量润滑剂切削方法因其可大大减少润滑剂的挥发而得到越来越广泛的应用，并且几乎所有的机床都是封闭起来的，这样，即使有过量的油雾和烟雾也容易收集。同时，机床的人机工效学明显增强了，在加工过程中，操作者工作更舒适。此外，无污染的清洁加工技术也受到普遍重视，例如，磨料水射流切割技术就是应用较广的廉价加工方法，符合绿色制造的要求。
(4)外观:机床制造商更注重机床的人性化设计，造型美观和色调的协调柔和，其机床精品更向工艺品方向发展。
2(数控机床结构
数控机床主要由数控装置、包括伺服电动机及检测装置的伺服系统和机床本体3大部分组成，如图1-9所示。数控装置是数控机床的"指挥系统"，其功能是接受数控程序，经处理后向伺服系统发出各种与数控程序对应的控制命令，使伺服系统执行相应的动作，带动机床按数控程序预定的轨迹运动。
数控机床的进给运动，是由数控装置经伺服系统控制的。所谓伺服，是指有关的传动或运动参数，均严格依照数控装置的控制指令实现。
数控机床的伺服系统，按其控制方式可分为开环、半闭环和闭环3类。其中，开环最为简单，如图1-9(a)所示。但如果负荷突变(如切深突增)，或者脉冲频率突变(如加速、减速)，则数控运动部件将可能发生"失步"现象，即丢失一定数目的进给指令脉冲，从而造成进给运动的速度和行程误差。故该类控制方式，仅限于精度不高的经济型中、小数控机床的进给传动。
数控程序
?
?
?
数控程序
?
(a)
?
数控程序
?
(b)
(c)
图1-9 数控机床结构
半闭环和闭环系统都有用于检查位置和速度指令执行结果的检测(含反馈)装置。半闭环的检测装置，安装在伺服电动机或传动丝杠上，如图1-9(b)所示。闭环则将其装在运动部件上，如图1-9(c)所示。由于丝杠螺距误差，以及受载后丝杠、轴承变形等影响，半闭环对检测结果的校正并不完全，控制精度比闭环要低一些。但从自动控制原理上看，控制运动部件是一个质量元件，传动机构因有变形，可视为弹性元件，两者构成一个振荡环节。显然，半闭环不包含这些环节，因而一般不会引起进给振荡。而闭环如果系统参数选取不合适，则有可能产生进给振荡，即运动不稳定。
目前，一般数控机床的进给系统多为半闭环控制，闭环则用于精度要求较高的机床，例如，高精度镗铣加工中心。
3(数控机床的分类
数控机床的分类有多种方式: (1)按机床数控运动轨迹划分。
点位控制数控机床:是指在刀具运动时，只控制刀具相对于工件位移的准确性，不
考虑两点间的路径，如数控钻床。
点位直线控制数控机床:在点位控制的基础上，还要保证运动一条直线，且刀具在
运动过程中还要进行切削加工。
轮廓控制数控机床:能对两个或更多的坐标运动进行控制(多坐标联动)，刀具运
动轨迹可为空间曲线。在模具行业这类机床应用最多，如三坐标以上的数控铣或加工中心。
(2)按伺服系统控制方式划分。
开环控制机床:价格低廉，精度及稳定性差。? 半闭环控制数控机床:精度及稳定性较高，价格适中，应用最普及。 ? 闭环控制数控机床:精度高，稳定性难以控制，价格高。 (3)按联动坐标轴数划分。
二坐标数控机床:只能完成x、y轴的联动，完成平面轮廓加工。
三坐标数控机床:可完成复杂型面的加工，数控铣床中以三坐标数控铣床最常见，
在机械制造、模具制造中广泛应用。 ? 4轴联动数控机床。 ? 5轴联动数控机床。
(4)按主轴与工作台的相对位置关系分。 ? 立式数控机床:立式数控机床的主轴相对于工作台垂直放置，它能完成铣削、镗削、
钻削、攻螺纹等工序。立式加工中心多为3轴联动，可实现三维曲面的铣削加工;高档加工中心还可以实现4轴、5轴控制。立式加工中心适宜加工高度尺寸较小的零件。
卧式数控机床:卧式数控机床的主轴相对于工作台水平放置。通常配置一个旋转坐
标轴(回转工作台)。卧式数控机床特别适宜加工箱体类零件，可一次完成一系列的面加工和孔加工。
以上分类为参考，目前最常用的是配备半闭环伺服系统的三坐标轮廓控制数控铣床。 加工中心是在数控铣床上配置刀库，其中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换，从而将铣削、镗削、钻削、攻螺纹等功能集中在一台设备上完成，使其具有多种工艺手段。
4(数控机床的坐标系
机床坐标系是机床上固有的坐标系，是机床加工运动的基本坐标系。是考察刀具在机床上的实际运动位置的基准坐标系。
机床上的刀具和工件间的相对运动，称为表面成形运动。对于具
体机床来说，有的是刀具移动工作台(工件)不动，而有的则是刀具不动而工作台(工件)移动。然而不管是刀具移动还是工件移动，机床坐标系永远假定刀具相对于静止的工件而运动。同时，运动的正方向是增大工件和刀具之间距离的方向。
机床坐标系通常采用的是右手直角笛卡儿坐标系，一般情况下主轴的方向为z坐标，而工作台的两个运动方向分别为x、y坐标。
如图1-10所示的是典型的单立柱立式数控铣床加工运动坐标系示意。刀具沿与地面垂直的方向上下运动，工作台带动工件在与刀具垂直的平面(即与地面平行的平面)内运动。机床坐标系的z坐标是刀具运动方向，并且刀具向上运动为正方向。当面对机床进行操作时，刀具相对工件的左右运动方向为x坐标，并且刀具相对工件向右运动(即工作台带动工件向左运动)时为x坐标的正方向。y坐标的方向可用右手法则确定。若以x′、y′、z′表示工作台和刀具的运动坐标，而以x、y、z表示刀具相对工件的运动坐标，则显然有x′= -x、y′=-y、z′=z。
z′x′
y′
图1-10 单立柱立式机床运动坐标系示意图
对于龙门式机床，当从主轴向左侧立柱看时，刀具相对工件向右运动的方向为x坐标的正方向。
机床坐标系的原点也称机床原点或零点，其位置在机床上是固定不变的。关于数控机床坐标和运动方向命名的详细内容，可参阅JB3052—1982部颁标准。
为了方便起见，在数控编程时往往采用工件上的局部坐标系(称为工件坐标系)，即以工件上的某一点(工件原点)为坐标系原点进行编程。数控编程采用的坐标系称为编程坐标系，数控程序中的加工刀位点坐标均以编程坐标系为参照进行计算。
在加工时，工件安装在机床上，这时只要测量工件原点相对机床原点的位置坐标(称为原点偏置)，并将该坐标值输入到数控系统中，则数控系统会自动将原点偏置加入到刀位点坐标中，使刀位点在编程
坐标系下的坐标值转化为机床坐标系下的坐标值，从而使刀具运动到正确的位置。1.5 数控程序基础
1.5.1 数控编程发展简况
数控编程技术经历了3个发展阶段，即手工编程、APT语言编程和交互式图形编程。由于手工编程难以承担复杂曲面的编程工作，因此自第一台数控机床问世不久，美国麻省理工学院即开始研究自动编程的语言系统，称为APT(Automatically Programmed Tools)语言。然而，由于APT语言是开发得比较早的计算机数控编程语言，而当时计算机的图形处理能力不强，因而必须在APT源程序中用语言的形式去描述本来十分直观的几何图形信息及加工过程，再由计算机处理生成加工程序致使其直观性差，编程过程比较复杂不易掌握。目前已完全被交互式图形编程系统所取代。
图形交互自动编程是一种计算机辅助编程技术。它是通过专用的计算机软件来实现的。这种软件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零件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的部位，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。具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、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。
尽管交互式图形编程已成为数控编程的主要手段，但作为一名数控编程工程师，仍然有必要掌握一定的手工编程知识。这是因为:
(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都是来源于手工编程。掌握手工编程对深刻理解自动编程有重要的作用。
(2)掌握手工编程有助于提高程序的可靠性。尽管现有的CAD/CAM软件都具备对数控程序进行仿真的功能，但一些有经验的程序员往往还是会对编制好的程序进行一次人工检查，以确认其正确
性。
(3)在某些特殊情况下无法实现自动编程，需要采用手工方式进行。 由于本书重点讲述的是交互式图形编程方法，因此仅对数控程序的基础知识作简要的介绍。有兴趣的读者可在其他数控编程教材中进一步学习相关的内容。
1.5.2 数控程序的结构
如图1-11所示的是一个数控程序结构示意图。
一般情况下，一个基本的数控程序由以下几个部分组成:
(1)程序起始符。一般为%，也有的数控系统采用其他字符，应根据数控机床的操作说明使用。程序起始符单列一行。
(2)程序名。单列一行，有两种形式:一种是以规定的英文字母(通常为O)为首，后面接若干位(通常为2位或4位)的数字，如O523，也可称为程序号;另一种是以英文字母、数字和符号-混合组成，比较灵活。程序名具体采用何种形式是由数控系统决定的。
1 2
% O0600
56
3
4
图1-11 数控程序结构
1—起始符 2—程序名 3—程序主体 4—程序结束符 5—功能字 6—程序段
(3)程序主体。由多个程序段组成，程序段是数控程序中的一句，单列一行，用于指令机床完成某一个动作。每个程序段又由若干个程序字(WORD)组成，每个程序字表示一个功能指令，因此又称为功能字，它由字首及随后的若干个数字组成(例如，X100)。字首是一个英语字母，称为字的地址，它决定了字的功能类别。一般字的长
度和顺序不固定。在程序末尾一般有程序结束指令，例如，M30，用于停止主轴、冷却液和进给，并使控制系统复位。
(4)程序结束符。程序结束的标记符，一般与程序起始符相同。 以上是数控程序结构的最基本形式，也是采用交互式图形编程方式后处理所得到的最常见的程序形式。更复杂的程序还包括注释语句、子程序调用等，这里不作更多的介绍。
1.5.3 常用的数控指令
数控程序字按其功能的不同可分为若干种类型，下面分别予以简单介绍。 1(顺序号字
也叫程序段号，在程序段之首，以字母N开头，其后为一个2,4位的数字。
专家指点:数控程序是按程序段的排列次序执行的，与顺序段号的大小次序无关，即程序段号实际上只是程序段的名称，而不是程序段执行的先后次序。 2(准备功能字
以字母G开头，后接一个两位数字，因此又称为G指令。它是控制机床运动的主要功能类别。常用的G指令有以下几个。
(1)G00:快速点定位，即刀具快速移动到指定坐标，用于刀具在非切削状态下的快速移动，其移动速度取决于机床本身的技术参数。如刀具快速移动到点(100，100，100)的指令格式为:
G00 X100.0 Y100.0 Z100.0
(2)G01:直线插补，即刀具以指定的速度直线运动到指定的坐标位置，是进行切削运动的两种主要方式之一。如刀具以250mm/min的速度直线插补运动到点(100，100，100)的指令格式为:
G01 X100.0 Y100.0 Z100.0 F250
(3)G02、G03:顺时针和逆时针圆弧插补，即刀具以指定的速度以圆弧运动到指定的位置。G02/G03有两种表达格式:一种为半径格式，使用参数值R，例如，G02 X100. Y100. R50. F250表示刀具以250mm/min的速度沿半径50的顺时针圆弧运动至终点(100，100)，
其中R值的正负影响切削圆弧的角度，R值为正时，刀位起点到刀位终点的角度小于或等于180?，R值为负时刀位起点到刀位终点的角度大于或等于180?;另一种为向量格式，使用参数I、J、K给出圆心坐标，并以相对于起始点的坐标增量表示。例如，G02 X100. Y100.
I50. J50. F250表示刀具以250mm/min的速度沿一顺时针圆弧运动至点(100，100)，该圆弧的圆心相对于起点的坐标增量为(50，50)。
(4)G90、G91:绝对指令/增量指令。其中G90指定NC程序中的刀位坐标是以工作坐标系原点为基准来计算和表达的，而G91则指定NC程序中每一个刀位点的坐标都是以其相对于前一个刀位点的坐标增量来表示的。
(5)G41、G42、G40:刀具半径左补偿、右补偿和取消半径补偿。用半径为R的刀具切削工件时，刀轨必须始终与切削轮廓有一个距离为R的偏置，在手工编程中进行这种偏置计算往往十分麻烦。如果采用G41、G42指令，刀具路径会被自动偏移一个R距离，而编程只要按工件轮廓去考虑就可以了。在G41、G42指令中，刀具半径是用其后的D指令指定。所谓左补偿，是指沿着刀具前进的方向，刀轨向左侧偏置一个刀半径的距离。
在交互式图形编程中，由于刀轨是在工件表面的偏置面上计算得到的，因此不需要再进行半径补偿，即一般不使用G40,G42指令。
(6)G54、G92:加工坐标系设置指令。G54是数控系统上设定的寄存器地址，其中存放了加工坐标系(一般是对刀点)相对于机床坐标系的偏移量。当数控程序中出现该指令时，数控系统即根据其中存放的偏移量确定加工坐标系。G92是根据刀具起始点与加工坐标系的相对关系确定加工坐标系，其格式示例为:
G92 X20.0 Y30.0 Z40.0
表示刀具当前位置(一般为程序起点位置)处于加工坐标系(20，30，40)处，这样就等于通过刀具当前位置确定了加工坐标系的原点位置。
3(辅助功能字
辅助功能字一般由字符M及随后的2位数字组成，因此也称为M指令。它用来指令数控机床的辅助装置的接通和断开(即开关动作)，表示机床各种辅助动作及其状态。常用的M指令有以下几种。
(1)M02、M30:程序结束。
(2)M03、M04、M05:主轴顺时针转、主轴逆时针转、主轴停止转动。 (3)M06:换刀。将预置的刀具(T_)换到主轴上。 (4)M08、M09:冷却液开、关。 (5)M98:调用子程序。
(6)M99:子程序结束返回主程序。
4(其他功能字
(1)尺寸字:也称为尺寸指令，主要用来指令刀位点坐标位置。如X、Y、Z主要用于表示刀位点的坐标值，而R用于表示圆弧的半径(参见G02、G03指令中的内容)。
(2)进给功能字:以字符F开头，因此又称为F指令，用于指定刀具插补运动(即切削运动)的速度，称为进给速度，单位是毫米/分钟(mm/min)。
(3)主轴转速功能字:以字符S开头，因此又称为S指令。用于指定主轴的转速，以其后的数字给出，单位是转/分钟(r/min)。
(4)刀具功能字:用字符T及随后的号码表示，因此也称为T指令。用于指定加工时采用的刀具号，该指令在加工中心上使用。
以上介绍的是最基本的数控指令，使用它们已能够完成普通的数控编程任务。如欲了解其他更多的数控指令，请参阅附录A中的相关内容或相关参考书。1.5.4 手工编程示例
尽管交互式图形编程已成为当前数控编程的主流方法，但在某些场合下手工编程仍有其应用的必要性。本节仅对手工编程作简单的介绍，并给出一个简单程序的示例。
手工编程的基本步骤是: (1)零件图分析。
(2)刀具加工路径规划和刀位计算。 (3)工艺分析。
(4)程序编制与校验。
下面是一个简单的手工编程示例，其中的刀位点已分别在图1-12中和程序(见表1-1)中对应标出。
进行手工编程时，应注意以下几个问题和细节:
(1)部分的机床设置默认使用脉冲当量为单位，一个脉冲当量通常为1μm即0.001毫米，而加上小数点后的值被认为是尺寸，单位为mm，所以在编程时一定不要忘记坐标值后的小数点。
(2)注意参数值的正负，选择正确的切削方向和刀具补偿方向。 (3)结合使用G90/G91可以减少计算量，但一定不能混淆。
(4)编制程序时，刀具最好在同一平面内运行，避免3轴同时运动，例如，将Z轴运行列为单独的一个单节，这样可以有更好的安全性。
(5)在程序末尾加工完成时，建议先使用M05停止主轴转动，再由M02或M30结束程序。M02/M30也将停止主轴，但主轴所受的扭力较大，机床主轴齿轮寿命受损。
(6)对较长的程序，建议使用CAD/CAM自动编程软件进行编程，或者在计算机上书写完整并检验后再传输到数控机床，这样可以避免或减少错误，同时减少机床待机时间，提高机床利用率。
图1-12 刀位点 表1-1 加工程序及说明1.6 CAM数控加工工艺
1.6.1 数控加工的工艺特点
数控加工与通用机床加工相比较，在许多方面遵循的原则基本一致。但由于数控机床本
身自动化程度较高，控制方式不同，设备费用也高，使数控加工工艺相应形成了以下几个特点。
(1)工艺的内容十分具体。在通用机床加工时，许多具体的工
艺问题，如工艺中各工步的划分与顺序安排、刀具的几何形状、走刀路线及切削用量等，在很大程度上都是由操作工人根据自己的实践经验和习惯自行考虑而决定的，一般无须工艺人员在设计工艺规程时进行过多的规定。而在数控加工时，上述这些具体工艺问题，不仅仅成为数控工艺设计时必须认真考虑的内容，而且还必须做出正确的选择并编入加工程序中。也就是说，本来是由操作工人在加工中灵活掌握并可通过适时调整来处理的许多具体工艺问题和细节，在数控加工时就转变为编程人员必须事先设计和安排的内容。
(2)工艺的设计非常严密。数控机床虽然自动化程度较高，但自适性差。它不能像通用机床，加工时可以根据加工过程中出现的问题，比较灵活自由地适时进行人为调整。即使现代数控机床在适应调整方面做出了不少努力与改进，但自由度也不大。例如，数控机床在做镗盲孔加工时，它就不知道孔中是否已挤满了切屑，是否需要退一下刀，而是一直镗到结束为止。所以，在数控加工的工艺设计中必须注意加工过程中的每一个细节。同时，在对图形进行数学处理、计算和编程时，都要力求准确无误，以使数控加工顺利进行。在实际工作中，由于一个小数点或一个逗号的差错酿成重大机床事故和质量事故的屡见不鲜。(3)注重加工的适应性。也就是要根据数控加工的特点，正确选择加工方法和加工内容。
由于数控加工自动化程度高、质量稳定、可多坐标联动，便于工序集中，但价格昂贵、操作技术要求高等特点均比较突出，加工方法、加工对象选择不当往往会造成较大损失。为了既能充分发挥出数控加工的优点，又能达到较好的经济效益，在选择加工方法和对象时要特别慎重，甚至有时还要在基本不改变工件原有性能的前提下，对其形状、尺寸、结构等作适应数控加工的修改。
一般情况下，在选择和决定数控加工内容的过程中，有关工艺人员必须对零件图或零件模型作足够具体与充分的工艺性分析。在进行数控加工的工艺性分析时，编程人员应根据所掌握的数控加工基本特点及所用数控机床的功能和实际工作经验，力求把这一前期准备工作做得更仔细、更扎实一些，以便为下面要进行的工作铺平道路，减少失误和返工、不留遗患。
根据大量加工实例分析，数控加工中失误的主要原因多为工艺方面考虑不周和计算与编程时粗心大意。因此在进行编程前做好工艺分析规划是十分必要的。
1.6.2 工艺分析和规划
交互式图形编程工艺分析和规划的主要内容包括加工对象及加工区域规划、加工工艺路线规划、加工工艺和切削方式规划3个方面。
1(加工对象及加工区域规划
加工对象及加工区域规划是将加工对象分成不同的加工区域，分别采用不同的加工工艺和加工方式进行加工，目的是提高加工效率和质量。
常见的需要进行分区域加工的情况有以下几种:
(1)加工表面形状差异较大，需要分区加工。例如，加工表面由水平平面和自由曲面组成。显然，对这两种类型的加工表面可采用不同的加工方式以提高加工效率和质量，即对水平平面部分采用平底铣刀加工，刀轨的行间距可超过刀具的半径，以提高加工效率。而对曲面部分则应使用球头刀加工，行间距远小于刀具半径，以保证表面光洁度。
(2)加工表面不同区域尺寸差异较大，需要分区加工。例如对于较为宽阔的型腔可采用较大的刀具进行加工，以提高加工效率。而对于较小的型腔或转角区域则大尺寸刀具不能进行彻底加工，应采用较小刀具以确保加工的完备性。
(3)加工表面要求的精度和表面粗糙度差异较大时，需要分区加工。例如对于同一表面的配合部位要求精度较高，需要以较小的步距进行加工;而对于其他精度和光洁度要求较低的表面可以以较大的步距加工以提高效率。
(4)为有效控制加工残余高度，应针对曲面的变化采用不同的刀轨形式和行间距进行分区加工，相关内容在本章后续小节中予以专门介绍。
2(加工工艺路线规划
在数控工艺路线设计时，首先要考虑加工顺序的安排，加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位安装与夹紧的需要来考虑，重点是保证定位夹紧时工件的刚性和利于保证加工精度。加工顺序安排一般应按下列原则进行:
上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，也要综合考虑。 ? 加工工序应由粗加工到精加工逐步进行，加工余量由大到小。 ? 先进行内腔加工工序，后进行外形的加工工序。 ? 尽可能采用相同定位、夹紧方式或同一把刀具加工的工序，减少换刀次数与装夹次
数。? 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较小的工序。 另外，数控加工的工艺路线设计还要考虑数控加工工序与普通工序的衔接，数控加工的工艺路线设计常常仅是几道数控加工工艺过程，而不是指毛坯到成品的整个工艺过程。由于数控加工工序常常穿插于零件加工的整个工艺过程中间，因此在工艺路线设计中一定要全面，瞻前顾后，使之与整个工艺过程协调吻合。如果协调衔接得不好就容易产生矛盾，最好的办法是建立下一工序向上一工序提出工艺要求的机制，例如，要不要留加工余量，留多少;定位面与定位孔的精度要求及形位公差;对校形工序的技术要求;对毛坯的热处理状态要求等。目的是达到相互能满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。
例如，模具数控加工一般可分为粗加工、半精加工和精加工3个基本的工序，其中在粗加工之后往往还需要进行调质热处理，使工件产生较大的变形，因而要求粗加工的加工余量足够大(往往在2mm以上)，以保证后续加工的顺利进行。
3(加工工艺和切削方式的确定
加工工艺和切削方式的确定是实施加工工艺路线的细节设计。其主要内容包括:
刀具选择:为不同的加工区域、加工工序选择合适的刀具，刀具的正确选择对加工
质量和效率有较大的影响。
刀轨形式选择:针对不同的加工区域、加工类型、加工工序选择
合理的刀轨形式，
以确保加工的质量和效率。 ? 误差控制:确定与编程有关的误差环节和误差控制参数，保证数控编程精度和实际
加工精度。
残余高度的控制:根据刀具参数、加工表面特征确定合理的刀轨行间距，在保证加
工表面质量的前提下尽可能提高加工效率。
切削工艺控制:切削工艺包括了切削用量控制(包括切削深度、刀具进给速度、主
轴旋转方向和转速控制等)、加工余量控制、进退刀控制、冷却控制等诸多内容，是影响加工精度、表面质量和加工损耗的重要因素。
安全控制:包括安全高度、避让区域等涉及加工安全的控制因素。
工艺分析规划是数控编程中较为灵活的部分，受到机床、刀具、加工对象(几何特征、材料等)等多种因素的影响。从某种程度上可以认为工艺分析规划基本上是加工经验的体现，因此要求编程人员在工作中不断总结和积累经验，使工艺分析和规划更符合其实际工作的需要。本书中将尽可能多地介绍一些常规的工艺规划要点。
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