1.1 数控加工与Mastercam X7

Mastercam X7模块涵盖了二维绘图、三维建模、二维铣削加工、三维铣削加工、车削加工、多轴加工等。其中，二维铣削加工、三维铣削加工、车削加工以及多轴加工属于数控加工类别，而二维绘图和三维建模是创建数控加工程序的基础和前提。

1.1.1 数控加工简介

1.数控加工术语

数控加工的专业性很强，术语比较多，掌握好数控加工的专业术语，对于学好Mastercam X7数控加工非常必要。

（1）数控程序

数控编程是把零件的工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移量等信息用数控语言记录在程序单上，并经校核的全过程。为了与数控系统的内部程序及自动编程用的源程序相区别，把从外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序，简称为数控程序。

（2）插补、直线插补和圆弧插补

①插补。大多数零件的轮廓是由一些简单的几何元素（直线、圆弧等）构成的，一般情况下，我们只知道构成零件轮廓几何元素的起点坐标和终点坐标，这在数控机床上要想加工出符合要求的零件轮廓是远远不够的，还需要根据有关的信息指令进行“数据密化”的工作，即根据给定的信息在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。

②直线插补。一种插补方式，在此方式中，两点间的插补沿着直线的点群来逼近，从而沿此直线控制刀具的运动。

③圆弧插补。一种插补方式，在此方式中，根据两端点间的插补数字信息，计算出逼近实际圆弧的点群坐标值，从而控制刀具沿这些点运动，加工出圆弧曲线。

（3）刀具补偿

刀具补偿就是通过数控系统计算偏差，将控制对象由刀具中心或刀架参考点变换到刀尖或刀刃边缘上，这样可以大大减少数控编程的工作量，提高数控程序的利用率。刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。

（4）固定原点和浮动原点

固定原点又称机床原点，它是数控机床的一个固定参考点。例如，CK630数控车床的固定原点的位置是X＝200 mm，Z＝400 mm。

浮动原点体现了数控机床的一种性能，具有浮动原点功能的数控机床，可以用同一条纸带在工作台的不同位置上加工出相同的形状。数控系统中并不需要储存永久原点位置，数控测量系统的原点可以设在相对机床基准点的任一位置上。

（5）定位精度和重复精度

定位精度是指数控机床定位块单次移动时所能达到的精度值，而重复精度是指定位块反复运动时，每次在相同定位点的精度值。这两个数据对于数控剪板机和折弯机有很高的要求。

（6）其他专业术语

其他专业术语如表1-1所示。

2.数控加工坐标系

用数控机床进行加工时，刀具到达的位置信息必须传递给 CNC系统，然后由CNC 系统发出信号并使刀具移动到这个位置。这就要采用某个坐标系中的坐标值给出其应到达的位置。CNC系统所采用的坐标系有两种，即机械坐标系和编程坐标系。

（1）机械坐标系

机械坐标系是机床上固有的坐标系，是数控机床加工运动的基本坐标系，也是考察刀具在机床上实际运动位置的基准坐标系。

①机床原点

机械坐标系的原点也叫机床原点或零点。机床原点是由机床制造商规定的机械原点，它在装配、调试机床时已经确定下来，是机床加工的基准点。

数控车床的原点：数控车床的机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。

数控铣床的原点：数控铣床的机床原点一般取在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上，如图1-1所示。

②机床参考点

机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。它是由机床制造厂家定义的一个点，和机床零点的坐标位置关系是固定的，其位置参数存储在数控系统中。机床参考点的位置是在每个轴上用挡块和限位开关精确地预先确定好的，多位于加工区域的边缘，如图1-1所示。

在使用中，机械坐标系是由机床参考点相对坐标来确定的。机床系统启动后，通过返回参考点操作建立机械坐标系。机械坐标系一经建立，只要不切断电源就不会发生变化。

③机械坐标系的确定

机械坐标系的确定原则。机床上的刀具和工件间的相对运动称为表面成型运动。某些机床的表面成型运动形式表现为刀具运动而工件静止，另一些机床的表面成型运动形式则表现为刀具静止而工件运动。坐标系的确定原则是刀具相对于静止的工件而运动。根据这个原则，无论是刀具运动还是工件运动，编程时都以刀具的运动轨迹来编写程序。这样可以按照零件图的加工轮廓直接确定数控机床的加工过程。

机床坐标轴的确定方法。在普通机床操作时，习惯使用上、下、左、右、向中心、离中心、右旋、左旋、正转、反转等术语，但数控机床要使用程序、指令进行操作，这就要求操作时采用国际或国内的通用标准。机械坐标系是用右手笛卡儿坐标系作为标准确定的，使用右手定则可以帮助记忆。

一般情况下，主轴的方向为Z坐标，X坐标平行于工件的装夹平面，取水平位置。根据右手笛卡儿坐标系的规定，确定了Z坐标和X坐标的方向，Y坐标的方向就自然确定了。

要点提示

坐标轴正负的确定原则：增大刀具与工件之间距离的方向为轴的正方向，反之为轴的负方向。对于数控车床来说，平行于主轴方向（纵向）的轴为Z轴，垂直于主轴方向（横向）的轴为X轴，刀具远离工件的方向为正方向；对于龙门机床，当从主轴向左侧立柱看时，刀具相对工件向右运动的方向就是X坐标的正方向。

（2）编程坐标系

编程坐标系是编写程序时所使用的坐标系，也可称为相对坐标系，其各轴的方向应与所使用机床相应坐标轴的方向一致，如图1-2所示。编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系首先要确定编程坐标系原点。

编程原点是编程坐标系的原点，是根据加工零件图样及加工工艺要求选定的，不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置，并且原点应该尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。

3.数控加工程序编制的方法

数控加工程序的编制方法主要分为手工编程与自动编程两种。

（1）手工编程

手工编程是指从零件图样分析、工艺处理、数值计算、编写加工程序单到程序校核均由人工完成的全过程。

手工编程适合编写进行点位加工或几何形状不太复杂的零件加工。

（2）自动编程

自动编程是指在计算机及相应软件系统的支持下，自动生成数控加工程序的过程。它充分发挥了计算机快速运算和存储的功能。其特点是采用简单、习惯的语言对加工对象的几何形状、加工工艺、切削参数及辅助信息等内容按规则进行描述，再由计算机自动地进行数值计算、刀具中心运动轨迹计算、后置处理，生出零件加工程序单，并且对加工过程进行模拟。

自动编程的具体步骤说明如下。

①分析图样、确定工艺过程。在数控机床上加工零件时，工艺人员拿到的原始资料是零件图。根据零件图，工艺人员可以对零件的形状、尺寸精度、表面粗糙度、工件材料、毛坯种类和热处理状况等进行分析，然后选择机床、刀具，确定定位夹紧装置、加工方法、加工顺序及切削用量。

要点提示

在确定工艺过程中，应充分考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的性能，以求做到加工路线合理、走刀次数少和加工工时短。

②计算刀具轨迹的坐标值。根据零件图的几何尺寸及设定的编程坐标系，计算出刀具中心的运动轨迹，得到全部刀位数据。一般数控系统具有直线插补和圆弧插补的功能，对于形状比较简单的平面类零件（如直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，只需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心（或圆弧的半径）、两几何元素的交点或切点的坐标值。

如果数控系统不带刀具补偿功能，则要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。对于形状复杂的零件（如由非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段（或圆弧段）逼近实际的曲线或曲面，根据所要求的加工精度计算出其节点的坐标值。

③编写零件加工程序。根据加工路线计算出刀具运动轨迹数据和已确定的工艺参数及辅助动作，编程人员可以按照所用数控系统规定的功能指令及程序段格式，逐段编写出零件的加工程序。

要点提示

编写时应注意：第一，程序书写的规范性，应便于表达和交流；第二，在对所用数控机床的性能与指令充分熟悉的基础上，掌握各指令使用的技巧和程序段编写的技巧。

④将程序输入数控机床。将加工程序输入数控机床的方式有光电阅读机、键盘、磁盘、磁带、存储卡、连接上级计算机的DNC接口及网络等。

目前常用的方法是通过键盘直接将加工程序输入（MDI方式）到数控机床程序存储器中，或通过计算机与数控系统的通信接口将加工程序传送到数控机床的程序存储器中，由机床操作者根据零件加工需要进行调用。

⑤程序校验与首件试切。数控程序必须经过校验和试切才能正式用于加工。在有图形模拟功能的数控机床上，可以进行图形模拟加工，检查刀具轨迹的正确性，对无此功能的数控机床可进行空运行检验。

1.1.2 Mastercam X7简介

Mastercam X7对硬件要求不高，操作灵活，易学易用，并具有良好的性价比，包括美国在内的各工业大国大多采用该系统作为设计、加工制造的标准。

1.Mastercam X7的组成

Mastercam X7具有二维几何图形设计、三维曲面设计、刀具路径模拟、加工实体模拟等功能，并提供友好的人机交互操作环境，从而实现了从产品的几何设计到加工制造的CAD/CAM一体化。作为CAD/CAM集成软件，Mastercam X7系统包括设计（CAD）和加工（CAM）两大部分。

（1）设计（CAD）部分

设计（CAD）部分主要由Design模块来实现，它具有完整的曲线曲面功能，不仅可以设计和编辑二维、三维空间曲线，还可以生成方程曲线。采用NURBS、PARAMETERICS等数学模型，可以用多种方法生成曲面，并具有丰富的曲面编辑功能。

（2）加工（CAM）部分

加工（CAM）部分主要由铣削、车削、线切割和雕刻4个模块实现，目前这些部分已经集成在一起。

①铣削模块：可以用来生成铣削加工刀具路径，并可进行外形铣削、型腔加工、钻孔加工、平面加工、曲面加工以及多轴加工等操作，在实际加工中应用非常广泛。

②车削模块：可以用来生成车削加工刀具路径，并可进行粗/精车、切槽以及车螺纹等加工操作。

③线切割模块：用来生成线切割激光加工路径，从而能高效地编制出线切割加工程序，可进行2～4轴上下异形加工模拟，并支持各种CNC控制器。

④雕刻模块：基于Mastercam强大的曲面粗加工以及灵活的精加工功能，采用相适应的加工方式可达到理想的雕刻加工的目的。结合雕刻模型的特点，基本上可以划分为线性型、凸凹模型、复杂曲面型以及浮雕4种。

2.Mastercam X7系统的特点

Mastercam X7与微软公司的Windows 技术紧密结合，是一款用户界面更为友好、设计更加高效的版本软件。借助于Mastercam X7，用户可以方便快捷地完成从产品2D/3D外形设计、CNC编程到自动生成NC代码的整个工作流程。

（1）新型设计操作窗口

Mastercam X7采用全新的设计界面，使用户能更高效地进行设计开发，操作界面可以让用户自行定义，从而建立适合自己的开发设计风格。同时，它加强了对历史记录的操作，回退功能更加完善。总之，Mastercam X7版本的界面变化相当大，可以使用户进行高效、快捷的操作。

（2）高速的产品开发性能

产品开发性能是用户最关心的，Mastercam X7版本中important Z-level tool paths的执行效果较以往最大可提高400%。另外，Mastercam X7的新功能Enhanced Machining Model可高速地加快程序设计并保证设计精度。操作管理集成功能可以把同一个加工任务的各项操作集中在一起。同时任务管理器的操作界面也更加简洁、清晰。

（3）丰富的设计工具

Mastercam X7兼容了CAD设计工具，使之更加贴近用户。同时，Mastercam X7也具有强大的3轴和多轴加工功能，强化了3轴曲面加工和多轴刀具路径功能，主要特征如下。

①独特的昆式曲面设计功能。

②丰富实用的设计捕捉功能。

③外形铣削方式有2D、2D倒角、螺旋式渐降斜插及残料加工。外形铣削、挖槽及全圆铣削，保证了工件加工的精密度。

④独特的交线清角功能。

⑤挖槽粗加工、等高外形及残料粗加工采用快速等高加工技术，大幅减少计算时间。

⑥改用人性化的路径模拟界面，让用户可以精确地观看及检查刀具路径。

另外，Mastercam X7有内置的纠错功能，可以自动地减少设计过程中出现错误的概率。

3.Mastercam X7工作界面简介

Mastercam从X版本开始已经完全采用了Windows风格，Mastercam X7工作界面在此基础上进行了调整和优化，如图1-3所示。

（1）标题栏

在整个界面的顶端，用于显示软件名称、模块名称、软件版本号等。

（2）菜单栏

Mastercam X7的菜单栏采用了Windows风格，如图1-4所示，每个主菜单都具有下拉菜单。

菜单栏中几乎包含了所有的Mastercam X7的命令，这些命令根据功能的不同放在不同的菜单组中。菜单组包括文件、编辑、视图、分析、绘图、实体、转换、机床类型、刀具路径、屏幕、设置及帮助。各菜单组的功能如表1-2所示。

（3）工具栏

工具栏包含各种功能和命令的快捷按钮，一般在菜单栏的下方。工具栏是为了方便用户操作而设置的，使用工具栏上的按钮比使用菜单栏中的下拉菜单更加便捷。如图1-5所示，工具栏按功能划分为绘制直线、圆、矩形等形状的【草绘】工具栏和进行平移、旋转等变换的【转换】工具栏。

不仅如此，Mastercam X7还提供了具有强大编辑功能的【修整/打断】工具栏和【常用功能】工具栏，如图1-6所示。

用户可以根据自己的习惯对工具栏进行定制。在工具栏的空白处单击鼠标右键，弹出图1-7所示的快捷菜单，该菜单显示了所有工具栏的名称，单击相应的名称可以切换该工具栏的显示或隐藏状态，名称前有“√”表示该工具栏已经显示在屏幕上。

通过双击和拖动可以改变已被显示的工具栏的位置，而且工具栏也可以竖直地排列在界面的两侧或浮动在图形窗口上。

在图1-7所示的快捷菜单中选择【用户自定义】选项，将弹出【自定义】对话框，如图1-8所示。

改变【种类】下拉列表中的选项，可以在【命令】分组框中得到不同的按钮，拖动按钮到图形窗口或工具栏的空白处可以获得用户自定义的工具栏。如果拖动到已存在的工具栏中，可以增减已存在的工具栏中的按钮。

（4）坐标文本框

使用坐标文本框可以在对应的框中输入X、Y、Z的坐标，如图1-9所示。在文本框中不仅可以输入数字，而且还可以输入简单的加、减、乘、除和带括号的代数式，系统将自动计算代数式的结果。同时在鼠标光标移动时，该文本框可以自动地捕捉和查询当前鼠标光标的坐标位置。

当Mastercam X7要求用户输入一个点时，该坐标文本框进入激活状态。

①当移动鼠标光标而又希望某个坐标值不变时，可以先输入该坐标，然后单击对应的按钮，该坐标出现红色提示。移动鼠标光标时，该坐标值不会发生变化。

②当希望在一个对话框中输入3个坐标时，可以单击按钮，这时出现一个对话框，在该框中可以直接输入类似“x（10）y（4+5）z（6*3）”这样的表达式。

③当希望捕捉到屏幕上已经存在的图形元素的特征点时，可以先移动鼠标光标到该点，然后单击按钮，将出现图1-10所示的下拉菜单。在该菜单中可以选择捕捉坐标原点、圆的圆心、直线或圆弧的端点、两个图形元素的交点、直线或圆弧的中点、屏幕上已存在的点、圆弧的等分点、鼠标光标与图形元素最接近的点、与某个点相对的点以及某个图形元素的切点或法向点。

④当使用自动捕捉时，如果图形元素太密，可以单击按钮，这时出现图1-11所示的【光标自动抓点设置】对话框，用户可以对捕捉方式进行设置。

（5）标准选择工作栏

Mastercam X7的选择功能非常灵活，不仅可以根据图形元素的位置进行选择，还能够按层、颜色、线型等多种属性对图形元素进行划分，以便快速地进行选择。图1-12所示为选择图形元素的标准选择工作栏，它可以满足用户在编辑和删除操作时，方便快捷地选择图形中的某一特征。

（6）状态栏

状态栏一般会出现在图1-3所示的【状态栏】所在的位置，它是根据用户当前所使用的命令而动态变化的。例如，当用户使用画线命令时将会出现绘制直线的动态状态栏，如图1-13所示。

（7）常用工具栏

每操作一个命令，系统自动将操作的命令按钮记录在图形窗口最右边的竖直工具栏中，这就是常用工具栏，也可称作常用功能工具栏。在使用过程中，由于使用过的命令都集中在该工具栏上，因此免去了很多查找按钮的工作，大大节省了时间。

（8）图形窗口

操作界面中最大的区域就是图形窗口，用于显示绘图内容，也叫绘图区。在绘图区中可以进行图形的各种操作。图形窗口的左下角显示Gview（图形视角）、WCS坐标系和Cplane （构图平面）的设置信息。

（9）属性状态栏与提示区

属性状态栏在界面的最下方，主要用来显示和设置当前绘制的图形元素的各种状态，如图1-14所示。在属性状态栏中可以设置构图平面、构图深度、图层、颜色、线型、线宽、坐标系等各种属性和参数。

提示区在属性状态栏的左端，在部分操作中会显示指令的名称和系统当前的运行状态。属性状态栏中的其他各项功能如表1-3所示。

（10）操作管理器

操作管理器在界面的左边，用于显示刀具路径和实体。用鼠标光标拖动管理区和绘图区的分界线可以调整操作管理器和绘图区的大小。通过按Alt+O组合键可以进行操作管理器的隐藏或显示操作。