数控系统的功能

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数控系统的功能

什么是followup（跟踪）功能?

一般，机床由位置指令控制运动。然而，当位置控制无效时，比如，伺服关断、急停或伺服报警期间，如果移动机床，

实际的位置就会反映到CNC系统.在施加followup功能时，CNC可以根据机床的运动而修正位置值.于是，在不需要

回零的情况下，加工就可以继续进行而不发生超差。但是，如果位置检测系统出现故障，机床就不能正确跟踪。因此CNC

的现在值位置也不是正确的。

什么是C轴?Cf轴控制与Cs轴控制有什么不同？

机床的三个直线坐标轴一般称为X、Y、Z轴。以这三轴为中心旋转的旋转轴称为A、B、（:轴；所以C轴也就是围绕Z

轴旋转的运动轴。C轴控制是指把C轴看作为伺服轴，称为主轴轮廓控制.它可以参与其他坐标的插补控制.如果采用主

轴电机控制C轴就称为轴，而采用进给电机控制C轴的称为G轴。

DNC功能是什么意义？

⑶多点连接方式

（b）点对点连接方式

图1DNC1的两种工作方式

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1980年国际标准ISO2806对于DNC定义为directnumericalcontrol直接数控)"。其概念为："此系统哽一群数控机

床与公用零件程序或加工程序存储器发生联系。一旦提出请求，它立即把数据分配给有关机床"。有时也称为"群控’".

这种技术在70年代到80年代的研制及应用表明，由于系统复杂，可靠性差，因此得不到发展。在1994年颁布的£02806

定义DNC为"distributednumericalcontrol分布式数控)"。这样，其概念也发生了本质的变化，其意义为"在生产管

理计算机和多个数控系统之间分配数据的分级系统。"实质上，DNC就变为一个通信网络,允许在单元控制器与CNC机

床之间交换信息。这样DNC标准内容概念的变化，说明技术的内涵也发生了变化。FANUC的系统有DNC1、DNC2两种；

DNC1也有两种工作方式，如图1所示。①单元控制器为主站，以多点连接的方式控制多台CNC机床,此种方式一般用于

小规模的FMS控制。②单元控制器与CNC系统以点对点连接。它们共同起混合站的作用.这种方式主要用于传送连续多

个程序段的长程序，以实现模具加工。

DNC2是一个通信协议,它由FANUC的CNC系统与PC计桔今/向仃一】

算机之间通过RS-232-C接口进行通信.如图2所示。PC机利应/指令CNC

Playback有时称为“示教功能"或称"录返"。它表示CNC系统的程序可以由手动操作机床把机床的位置送存到系统

的存储器里作为系统的程序。另外，系统的其他辘，如M代码、G代码、进给率也可采用同样的操作把寄存在系统的存

储器中作为零件程序.

什么是刚性攻螺纹(rigidtapping)?

理论上，攻螺纹时，当主轴转一转，z轴的进给总量应该等于丝锥的螺距。即：

P=F/S

P——丝推的螺距，mm

F-----Z轴的进给量，mm/min

S------主轴转速，r/min

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一般的攻螺纹功能，主轴的转速和Z轴的进给是独立控制，因此上面的条4牛可能并不满足。特别在孔的底部，主轴和z

轴的转速降低且停止，之后它们反转，而且转速增加，由于各自独立执行加、减速，因此上面的条件更可能不满足。为此,

通常由装在锥孔内部的弹簧对进给量进行?M尝以改善攻螺纹的精度。

如果控制主轴的旋转和z轴的进给菽是同步，那么攻螺纹的精度就可以得到保证.这种方法称为"刚性攻螺纹"。这时

主轴的运行从速度系统变成位置系统运行。

什么是HRV控制？

FANUC最近开发出一种称为"HRV控制"的功能，它的英语意义为highresponsevectorcontrol,即高响应

矢量控制。意义如下图3所示：

FANUC的CNC采用交流伺服电机，实际流过绕组的电流为交流电流。这有两种方法可以进行控制：①电流控制

环和控制都为AC量。②通过坐标变换电流变量为DC量进行控制。现在一般采用后者进行控制，也称矢量变换控

制。HRV就是基于后者的控制。由于采用DC控制，它的控制特性不取决于电机的速度(即电流的频率)；从速度控

制的观点出发，这意味着由转矩指令决定的实际的转矩与电机的速度无关。对于高速、高精度这是丰常有利的.

叫DC变揍AC

Id

三相电压指令

什么是高精度.高

速功能？锦空|―I三相电流指令

速度控制电漉控制

50多年来，由于电子技图3HRV控制框图

术的迅速发展，NC技术已

变成制造技术发展的基础。当前，机床制造技术的发展趋势主要表现在：

(1)高速高效加工在大多数情况下，机床的生产率仅达20%-30%理论的能力，这由很多因素造成，提高生产率

的主要方法是高速加工。目前，对加工中心，进给速度已达80~90m/min,采用直线电机可达120m/min,进给

加速度可达1~2g;主轴转速dn值达0.5~3X106,甚至更高，换刀时间小于1SO

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(2)更高的加工精度以前，汽车零件的精度其数量级通常为10nm,对精密的零件要求为lnm,然而，随着精

密产品的出现，数字录象机、硬盘驱动器、数字影象硬盘机、流体轴承等等，在精加工过程中对精度的要求增加到

0.1pm,最近，有些精密零件加工圆度、表面粗糙度和精度的数量级达到O.OlRm,这实际上已进入纳米加工的领

域。为了满足制造技术不断发展的需要，NC将朝着具有高精度、高速功能的方向发展.对于数控系统，其功能主

要要求为：①必须能够高速度处理程序段。②能够迅速、准确地处理和控制信息流，使其加工误差控制为最小.③

能够尽量减少机械的冲击，使机床平滑移动。④要有足够容量，可以让大容量加工程序高速运转。⑤具有高速度、

高精度T作的伺服电机..主轴电机、进给电机、传感器.⑤插补周期.加T速度及精度还取决于系统的插补周期时

间IPT,在插补周期内，系统的各个坐标进行直线插补，在相同的进给率时，如果插补周期小，则指补的线段短，

精度高；而在相同的插补周期下，如果进给率低，插补的线段短，精度高。现代先进的数控系统，其插补周期往往

小于1ms。⑦先行控制(见下条)。

什么是先行控制(lookahead)?

在一般的数控系统，执行程序是边输入、边运算、边执行，当正推行某段程序时，CNC也计算出下段的数据。如

图4所示。如果执行一个程序段过快，比如移动距离短、进给速度快，那么就会产生运算和处理追不上运动的现

象。这时机床就会出现中断运行。有人把这称为“数据饥饿”现象。因此，系统需要进行缓冲。这是数控系统的重

要功能。为了使机床连续运行，在执行某个程序段时，读取另一个程序段并进行运算，把运算的结果存到缓冲器中。

这样，运行的程序完成以后，下个程序段可以立刻进行。

当控制系统应用在高速加工时上面的运行顺序就不

太合理，囚为在高速的情况下，进给率大大提高，囚此

由于加速度、减速度产生的延迟和伺服产生的延迟引起运柠■*程】•*段2:一段3

的误差也大大增加。这就需要对进给率进行控制，使得

图4一般CNC系统的运行顺序

运算处理的时间大大增加，更容易形成上面所说的运算

追不上运动的现象，如果要求在不同的加工形状时对进给率和加减速度进行预计算，使得雌系统在程序编制以后，

执行以前预先计算出各程序段的运动轨迹和运动速度；也即对将要运行的程序进行预先处理，预先根据上面提到的

控制进给率和加、减速度方法计算出程序段的进给帮助口、减速度，进而计算出运动的几何轨迹，然后送到多段缓

冲器，当运行时刀具按一定的速度高速运动，而加工形状的误差却仍然小。这就是"先行控制"(Advanced

previewcontrol),有时也称为"前瞻"("lookahead")控制的原理。执行这种控制，需要以下的控制相配合：

①先行补前加减速控制(包括以上伺眼控制中的"预先前馈控制")。②多缓冲器：由于增加了多缓冲器，就可以避

免连续很小程序段加工产生的中断。③在加工圆弧时，箱制进给率，如前面所述。④补后直线加减速。⑤RISC(精

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简指令集计算机)控制：如果需要预计算的程序很多，比如高速力01需要进行多达几十段甚至几百段的程序预计算，

这是非常复杂的。对于一般CNC而言，系统并没有这个处理能力。为了提高计算机的计算能力，采用了

RISC(ReducedInstructionsetcomputer)芯片控制。

什么是RISC控制?

计算机自1946年问世以来经历了5代和许多重要的技术变化其中最有意义的进步也许是从复杂指令集(CISC)

过渡到精简指令集(REC)体系结构。在这以前的多年中，处理器的体系结构

都朝着复杂化方向发展；指令系统越来越复杂和庞大，人们倾向于设置更多的指令、寻址方式、专用寄存器和功能

单元，使得处理器结构越来越复杂，成本越来越高。但是通过一批从事计算机应用开发的专家对许多种大型应用程

序的二进制代码作了深入的分析后,得出一个很有意义的结果：大型应用程序的二进制里80%二进制代码中只使

用指令集中20%的指令，而其余80%的指令，只有20%的使用机会。于是出现了RISC指令集的设计思想。RISC

体系结构对计算机体系结构的常规思路是一个很大的突破。RISC体系结构的基本思路是：抓住CISC指令系统指

令种类太多(其中80%以上都是程序中很少使用的指令)、指令不规范、寻址方式太多的缺点，通过减少指令种类、

规范指令格式和简化寻址方式，提高电路中器件，特别是大幅度地提高了处理器的性能。

1992年，日本发那科首先在15系统采用了32位的RISC,在1994年，又推出了64位的RISC,大大改善了系统的性

能。由于采用RISC芯片，可实现最多达500段的先行控制，减少段处理时间约50%,大大改善了系统精度,

数控加工与数控系统

数控加工有何好处?

数控是先进制造技术的基础技术。数控加工在现代化生产中显示出很大的优越性。

1-对于现代制造业，数控机床非常适合那些形状复杂、精密和批量小的零件.而一般的普通机床根本无法满足这个要

求。就连仿形机床和组合机床也解决不了高精度与小批量这个矛百。因此数控加工非常适合航空、航天、电力、交

通和电子等制造业的零件加工技术。

2.零件加工面临的一个主要问题是产品的高精度、多样性和批量小的矛盾。这就要求从机床到数控都需要柔性。CNC

数控系统由于采用软件控制，具有了很大的柔性.

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3.现代的数控机床其突出的优点是可以进行高精度加工和多样化加工，完全可以取代其他的加工方法。由于数控机床

是按照预定的程序自动加工，加工过程不需要人工干预，加工精度还可以通过软件进行校正及未M尝，因此可以提高

零件的加工精度，稳定产品的质量。特别对于多品种、少批量的零件更是如此。

4.另外采用数控机床可以提高生产率，一般可以提高生产效率2~3倍，对于某些复杂零件的加工精度，生产率可提

高10几倍，甚至更高。一些数控机床，具有多工序、自动换刀装置，因此可以实现一机多用，不但提高了生产效

率，也能节省厂房面积。

现在在我国市场使用较多的FANUC0系列数控系统就是一种高精度、全功能的数控系统。它具有较好的柔性，非常适

合机械零件的加工。

衡量数控系统优、劣的主要指标是什么？

1.可靠性这些指标中最重要的是可靠性。可靠性的指标一般采用平均无故障时间（MTBF单位为小时）。有的公司采用故

障率（Failurerate单位为次/月・台）.数控机床的无故障时间一般为

500h,这就要求数控系统的无故障时间大于它。现在国内数控系统的无故障时间可以达到5,000-10,000h,京至更

高，国外为10,000h以上。FANUC公司的FS-0系统的故障率为0.008次/月・台。相当于无故障时间为90,000ho

2.功能首先要看数控系统的指令值范围是否满足机床的需要。这些指令值范围包括：最小输入增量、最小指令增量、最

大编程尺寸、最大快移速度、进给率范围等。数控机床的分辨率与快速运动的速度以及加工速度范围的指标表示机床

的基本要求，也是数控系统的基本指标。这些指标与数控系统的档次有关。分辨率表示系统的插补能力，而考虑整个

指令范围M,它还和伺服装置的指标有关。

功能主要是否能茜足机床的要求。一股数控系统具有两种功能，基本功能和选择功能。前者是数控系统具有的功能，后者是

用户选择时才提供的功能，每增加一个选项就要增加一定的价格。因此，为了提高数控机床的经济性，对数控系统的功能一

定要根据需要，仔细选择。数控系统的功能与数控系统的类别有关，例如，数控车床与数控铳床的功能就不一样，因此，对

于不同类别的机床要选择不同的系统功能。选择功能时一定要根据数控机床的用途而定，不同档次的系统功能也不同。片面

地认为功能越多越好的想法是不对的。在我国的加工车间，一般的数控机床用途比较专业化。因此，不必要选具有很多功能

的系统，那样将会增加购买的价格.

3.经济性。

什么是数控系统的基本程序？

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一般的数控系统都具有3种基本的插补功能，即定位(G00)、直线插补(G01)、圆弧插补(G02,G03)o把这3种插补的

程序称为基本程序(请见”数控系统的功能")。

请对GOO.G01、G02、G03三种播补功能的程序举出实例说明。

例⑴定位插补：其程序为GOOX25.0Y10.0;它的路径如图L

图2G01示例

例(2)直线插补：其程序为(G91)G01X200.0Y100.0F200.0;它的路径如图2。

例(3)圆弧插补：其程序为(①的圆弧＜180。)G02X60.0Y20.0R50.0F300.0;它的路径如图3。

例(4)圆弧插补：其程序为(②的圆弧＞180°)G02X60.0Y20.0R-50.0F300.0;它的路径如图3。

什么是〃机床零点”？

由机床制造商规定的机械原点。

什么是〃参考点”？

所谓"参考点”是沿着坐标轴的一个固定点，它可以以机床坐标原点为参考基准。

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什么是“返回参考点〃？

定位到参考点的过程称为返回参考点。由手动操作返回参考点的过程称为“手动退回参考点"。而根据规定的

G代码自动返回零点的过程称为"自动返回参考点”。

图5自动退回参考点的过程

图4为一般手动返回参考点的过程。在坐标轴的参考点附近设定一个减速点。

自动返回参考点由G28指令，在G28的程序段中，存入了指令轴的中间点坐标值。G28程序段的指令操作如

下：①把指令的轴移向中间点定位（A点向B点）。②从中间点向参考点定位（B点向R点）。③如果不是机床锁住状

态，返回参考点灯亮。在向参考点和中间点定位时，各轴用快速度移动。该指令一般用以自动换刀（ATC）.因此，

执行该指令时需要取消刀具半徉雨尝和71具长度补偿.

返回参考点是制订数控机床与数控系统联接的参考基准。因此是非常重要的。

G29指令的意义是什么？

G29是从参考点自动返回的指令.它表明指定的轴经过中间点向指定的位置定位的过程。通常在G28或G30（返回第2

参考点）之后使用。G29操作如图5中的（4）和（5）;（4）被指定的轴，向G23或G30定义的中间点定位（R点向B点）；⑸从

中间点向被指定的点定位（B点向C点）；以快速的速度向中间、指定的点移动。

坐标系

进行数控加工时，如何选择坐标系？

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数控机床进行加工时，刀具到达的位音信息必须传递给CNC系统,然后由CNC系统发出信号并使刀具移动到这个位普。

这就要采用某个坐标系中的坐标值结出其应到达的位置。所采用的坐标系有以下3种类型：①机械坐标系。②工件坐标系。

③局部坐标系。

根据需要，决定用哪个坐标系的坐标值，确定刀具应到达的位置.坐标值由程序轴的分量指定。比如，如果程序轴为X、Y、

Z轴，则坐标值指定为X-Y-Z-。

如何建立机械坐标系？

“机床零点"是由机床制造商规定的机械原点。把该机械原点作为坐标系

原点的坐标系称为机械坐标系。使机械原点与参考点一致。接通电源后，

操作返回参考点(见"数控加工与数控系统”一文)即可建立坐标系。一次建

立坐标系后，只要不切断电源，那么，复位、设定工件坐标系(G92)。设定

局部坐标系(G52)等操作均无变化.机械坐标系在机械中是固定的，它通过图1机械坐标系的设定

操作手动返回参考点,以参考点为原点设定机械坐标系(如图1)。

在铳床与加工中心系列中如何选择机械坐标系？

根据指令(G90)G53P-;刀具快速运动到机械坐标系中的P坐标的位置。由于G53是非模态G代码，因此，仅在指令G53

的程序段内有效。此外,在绝对方式(G90)中有效，而在增量方式(G91)中无效。要使刀具移动到换刀位置和其他机械的固

定的位置时，由G53用机械坐标系编程。在执行G53时，应取消刀具半泾补偿、刀具长度补偿、刀具位置偏置。

什么是工件坐标系？

用于加工工件而使用的坐标系，称为工件坐标系.工件坐标系可以由下列两种方法设定。

Q)洗床及加工中心系列

①用G92的方法设定：由程序指令，用G92后面的数字设定工件坐标系。比如，根据(G90)G92P一;可使刀具某一点(如刀

尖的位置)变为坐标值(P),从而建立了工件坐标系。如果一旦设定工件坐标系，以后指令的绝对值指令则成为该工件坐标系

的位置。如图2。

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②用G54~G59的方法设定：可以设定6个工件坐标系,设定工件坐标系时用MDI控制板，指定从机械原点到各坐标系原

点的各轴距离(工件原点补偿量)。如图3。其中Z0FS1、Z0FS2.Z0FS3、Z0FS4、Z0FS5,Z0FS6为工件坐标系1、2、

3、4、5、6的工件原点偏移量。

工件坐标系还可以用EXOFS进行外部工件原点偏移，仅偏移6个工件坐标共同的指令量.当偏移量设定之后，用G92指

令设定坐标系时，偏移量无效。

(2)车床系列

①车床的坐标系用以下指令设定：

G50X(x)Z(z);

根据该指令，可设定一个坐标系，使刀具的某一点(例如刀尖)，在此坐标系中的坐标值为(x,z),该坐标系称为工件坐标系。

例如图4为亘径指定时的坐标系设定：

G50X128.7Z375.1

图4车床采用G50设定工件坐标系

②从MDI设定的6个工件坐标系中选择。从G54~G59中指定一个G代码，可以从工件坐标系1到6中选择一

个。

G54工件坐标系1

G55工件坐标系2

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3亡

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G56工件坐标系3

G57工件坐标系4

G58工件坐标系5

G59工件坐标系6

工件坐标系是在通电后执行了返回参考点的操作时建立的。通电时，自动选择G54坐标系。

什么是局部坐标系？

在工件坐标系中编程时，在工件坐标系内设有子坐标系，这样比较便利于编程。把这个子坐标系称为局部坐标系。

根据G52IP-;的指令，在所有的坐标系内(G54~G59),还可以设定子坐标系，即局部坐标系。各坐标系的原点

变为各工件坐标系中的位置。一旦坐标系被设定，以后指令的绝对值方式(G90)的移动指令，则变为局部坐标系中

的坐标值。要变更局部坐标时，同样可用G52在工件坐标系中指令新的局部坐标系原点的位置实现。取消局部坐

标系时，使坐标系原点与工件坐标系原点一致。即指令G52IPO;即可。图5为局部坐标系示例。

局部坐标系的设定不改变工件和机械坐标。当用G50定义工件坐标时，如果没有对局部坐标系中的所有轴指定坐

标值，局部坐标系保持不变。如果没有为局部坐标系中的任何轴指定坐标值，则局部坐标系被取消。

图5局部坐标系

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为什么坐标系统要使用右手定则？

在普通机床的操作时，习惯使用上、下、左、右、向中心、离中心、右旋、左旋、正转、反转等，但数控机床要使用程

序、指令，这就要求采用国际或国内的通用标准。在"数控技术的标准”一文中提到的IS041,就是专门说明"NC机床的

坐标和运动方向"的标准、按照这个标准的规定，使用笛卡尔坐标系，在操作中必须记牢。使用右手定则可以帮助记忆。

数控加工技术概述

1数控编程及其发展

数控编程是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加

工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在诸如航空工业、5年车工业等领域有着大量的应用。由于生产实际的弼

烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。下面就对数控编程及其发展作一些介绍。

数控编程的基本概念

数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutterlocationpoint

简称CL点）0刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。

数控编程技术的发展概况

为了解决数控加工中的程序编制问题，50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言,称为APT

（AutomaticallyProgrammedTool）0其后，APT几经发展，形成了诸如APTILAPTIII（立体切削用）、APT（算法

改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APT-AC（Advancedcontouring）（增加切削数据库管理系统）和APT-/SS

（SculpturedSurface）（增加雕塑曲面加工编程功能）等先进版。

采用APT语言编制数控程序具有程序筒炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的"汇编语言"级，上

升到面向几何元素.APT仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺

少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易

作到高度的自动化，集成化.

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针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为为CATIAa

随后很快出现了象EUCLID,UGII,INTERGRAPH,Pro/Engineering,MasterCAM及NPU/GNCP等系统,这些系统都

有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示,交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动

了CAD和CAM向一体化方向发展。到了80年代，在CAD/CAMf化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统

（CIMS）及并行工程（CE）的概念.目前，为了适应CIMS及CE发展的需要，数控编程系统正向集成化和智能化方向发

展。

在集成化方面，以开发符合STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）标准的参数化特征造型系统

为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国内外开发的热点；在智能化方面，工作刚刚开始，还有待我们去努力。

2NC刀具轨迹生成方法研究发展现状

数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。下面就刀具轨迹产生方

法作一些介绍。

基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法

CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。在二维绘图与

三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平

较高，交互复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体（一般为CSG和

B-REP混合表示的），它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的殂加工和半精

加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发，是特征加工的基础。

实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法（SLICE）,即用一组水平面去切被加

工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。本文从系统需要角度出发，在ACIS几何造型平台上实现了这种基于

点、线、面和实体的数控加工。

基于特征的NC刀轨生成方法

参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员

不在对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控

编程，大大提高了编程效率。

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W.R.Mail和AJ.Mcleod在他们的诳究中给出了一个基于特征的NC代码生成子系统，这个系统的工作原理是：零件的

每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总和。那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成

了零件的加工。而每一形状特征或形状特征组的NC代码可自动生成。目前开发的系统只适用于2.5D零件的加工。

LeeandChang开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具轨迹的系统。这个系统的工作原理是：在凸

自由曲面内嵌入一个最小的长方块，这样凸自由曲面特征就被转换成一个凹特征。最小的长方块与最终产品模型的合并就构

成了被称为虚拟模型的一种间接产品模型。刀具轨迹的生成方法分成三步完成：（1）、切削多面体特征；（2）、切削自

由白面特征；（3）、切削相交特征.

Jong-YunJung研究了基于特征的^切削刀具轨迹生成问题。文章把基于特征的加工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两

类，并定义了这两类加工的切削方向通过减少切削刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。文章主要针对几种基本特征（孔、

内凹、台阶、槽），讨论了这些基本特征的典型走刀路径、刀具选择和加工顺序等，并通过IP（InterProgramming）技

术避免重复走刀，以优化^切削刀具轨迹。另外，Jong-YunJong还在他1991年的博士论文中研究了制造特征提取和基

于特征的刀具及刀具路径。

特征加工的基础是实体加工，当然也可认为是更高级的实体加工。但特征加工不同于实体加工，实体加工有它自身的局

限性。特征加工与实体加工主要有以下几点不同：

从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作习惯，为工程技术人员所熟知；实体是低层的几何

对象，是经过一系列布尔运算而得到的一个几何体，不带有任］可功能语义信息；实体加工往往是对整个零件（实体）的一次

性加工。但实际上一个零件不太可能仅用一把刀一次加工完，往往要经过殂加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不

同的部位一般要用不同的刀具进行加工；有时一个零件既要用到车削，也要用到铳削。因此实体加工主要用于零件的粗加工

及半精加工。而特征加工则从本质上解决了上述问题；特征加工具有更多的智能。对于特定的特征可规定某几种固定的加工

方法，特别是那些已在STEP标准规定的特征更是如此如果我们对所有的标准特征都制定了特定的加工方法，那么对那些

由标准特征够成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若CAPP系统育翡供相应的工艺特征，那么NCP系统就可以大大

减少交互输入，具有更多的智能。而这些实体加工是无法实现的；特征加工有利于实现从CAD、CAPP、NCP及CNC系统

的全面集成，实现信息的双向流动,为CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的.

现役几个主要CAD/CAM系统中的NC刀轨生成方法分析

现役CAM的构成及主要功能

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目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统集成：一体化的CAD/CAM系统（如：UGILEuclid.

Pro/ENGINEER等）和相对独立的CAM系统（如：Mastercam.Surfcam等）。前者以内部统一的数据格式直接从CAD

系统获取产品几何模型,而后者主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。然而，无论是明的形式的CAM系

统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置

处理模块。下面仅就一些著名的CAD/CAM系统的NC加工方法进行讨论。

UGH加工方法分析

一般认为UGH是业界中最好，最具代表性的数控软件。其最具特点的是其功能强大的刀具轨迹生成方法。包括车削、铳

削、线切割等完善的加工方法。其中铳削主要有以下功能：

•PointtoPoint:完成各种孔加工；

•PanarMill:平面铳削。包括单向行切，双向行切，环切以及轮廓加工等；

•FixedContour:固定多轴投影加工。用投影方法控制刀具在单张曲面上或多张曲面上的移动，控制刀具移动的可

以是已生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线；

•VariableContour:可变轴投影加工；

•Parameterline:等参数线加工。可对单张曲面或多张曲面连续加工；

•Zig-ZagSurface:裁剪面加工；

•RoughtoDepth:粗加工。将毛坯粗加工到指定深度；

•CavityMill:多级深度型腔加工.特别适用于凸模和凹模的粗加工；

•SequentialSurface:曲面交加工.按照零件面、导动面和检查面的思路对刀具的移动提供最大程度的控制。

EDSUnigraphics还包括大量的其它方面的功能，这里就不一列举了。

STRATA加工方法分析

STRATA是一个数控编程系统开发环境，它是建立在ACIS几何建模平台上的。

它为用户提供两种编程开发环境,即NC命令语言接口和NC操作C++类库.它可支持三轴铳削，车削和线切割NC加

工，并可支持线框、曲面和实体几何建模。其NC刀具轨迹生成方法是基于实体模型。STRATA基于实体的NC刀具轨迹生

成类库提供的加工方法包括：

・

r15

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•ProfileToolpath:轮廓加工；

•AreaClearToolpath:平面区域加工；

•SolidProfileToolpath:实体轮廓加工；

•SolidAreaClearToolpath:实体平面区域加工;

•SolidFaceToolPath:实体表面加工；

•SolidSliceToolPath:实体截平面加工；

•Language-basedToolpath:基于语言的刀具轨迹生成。

其它的CAD/CAM软件,如Euclid,Cimitron,CV.CATIA等的NC功能各有千秋，但其基本内容大同小异，没有本质区别。

现役CAM系统刀轨生成方法的主要问题

按照传统的CAD/CAM系统f口CNC系统的工作方式，CAM系统以直接或间接（通过中性文件）的方式从CAD系统获

取产品的几何数据模型。CAM系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定

位文件的形式经后置处理，以NC代码的形式提供给CNC机床，在整个CAD/CAM及CNC系统的运行过程中存在以下几

方面的问题：

•CAM系统只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语

义信息。因此,整个CAM过程必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。如：制造工程师必

须选择加工对象（点、线、面或实体）、约束条件（装夹、干涉和碰撞等）、刀具、加