现代制造中的机电系统应用-教学课件-王孙安-Ch05-第5章.ppt

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2、、随机性大、很难用简单的数学模型进行理论分析,所以工艺设计长期处于手很难用简单的数学模型进行理论分析,所以工艺设计长期处于手工操作、效率很低的状态,与工操作、效率很低的状态,与NC、CAD和和CAM相比,工艺设计相比,工艺设计自动化是发展最晚的部分。自动化是发展最晚的部分。因为工艺规程设计要处理的信息量大,各种信息之间的关系又极因为工艺规程设计要处理的信息量大,各种信息之间的关系又极为错综复杂,以前主要靠工艺师多年工作实践总结出来的经验来为错综复杂,以前主要靠工艺师多年工作实践总结出来的经验来进行。因此,工艺规程的设计质量完全取决于工艺人员的技术水进行。因此,工艺规程的设计质量完全取决于工艺人

3、员的技术水平和经验。平和经验。对对CAPP的研究始于的研究始于20世纪世纪60年代中期,世界上最早进行工艺设年代中期,世界上最早进行工艺设计自动化研究的国家是挪威。计自动化研究的国家是挪威。从从20世纪世纪80年代起,我国一些高校和工厂在推广和应用成组技术年代起,我国一些高校和工厂在推广和应用成组技术的基础上,也开始研究和开发计算机辅助工艺规程设计系统。的基础上,也开始研究和开发计算机辅助工艺规程设计系统。4CAPP的概念的概念 n计算机辅助工艺过程设计计算机辅助工艺过程设计(CAPP)就是通过计算就是通过计算机输入被加工零件的几何信息(图形)和加工工机输入被加工零件的几何信息(图形)和加工工

4、艺信息(材料、热处理、批量等),由计算机自艺信息(材料、热处理、批量等),由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等的工艺文件动输出零件的工艺路线和工序内容等的工艺文件的过程。的过程。nCAPP系统研究开发始终是以克服传统工艺过程系统研究开发始终是以克服传统工艺过程设计的缺点和推进工艺设计自动化为主要目标的,设计的缺点和推进工艺设计自动化为主要目标的,目前正向设计与制造集成和智能化方向发展。目前正向设计与制造集成和智能化方向发展。5CAPP的优点的优点 n与传统工艺设计方法相比,与传统工艺设计方法相比,CAPP无论是对单件小批无论是对单件小批量生产还是大批量生产都有重要意义,主要表现在以量生产

5、还是大批量生产都有重要意义,主要表现在以下方面。下方面。(1)CAPP使工艺人员的经验能够得到充分的积累和继承。使工艺人员的经验能够得到充分的积累和继承。(2)CAPP可以提高产品工艺的继承性,提高工艺过程设计可以提高产品工艺的继承性,提高工艺过程设计 质量。质量。(3)缩短设计周期。缩短设计周期。(4)CAPP可以最大限度地利用现有资源、减少工艺过程设可以最大限度地利用现有资源、减少工艺过程设 计费用及制造费用、降低生产成本、减小编制工艺文件计费用及制造费用、降低生产成本、减小编制工艺文件 的工作量和产生错误的可能性,并为建立计算机制造系的工作量和产生错误的可能性,并为建立计算机制造系 统打

6、下基础。统打下基础。(5)在在CIMS中,中,CAPP是连接是连接CAD与与CAM的桥梁。的桥梁。(6)CAPP有助于推动企业开展的工艺设计标准化和最优化有助于推动企业开展的工艺设计标准化和最优化 工作。工作。6CAPP软件的应用和开发技术现状软件的应用和开发技术现状 nCAPP软件在广义的软件在广义的CAD领域中是研究和发展较领域中是研究和发展较早的软件技术之一,但与同类的早的软件技术之一,但与同类的 CAD/CAM的软的软件技术相比,件技术相比,CAPP软件的发展却大大落后于软件的发展却大大落后于CAD、CAM软件。软件。n20世纪世纪90年代中后期一些专家重新衡量了年代中后期一些专家重新

7、衡量了CAPP软件在企业内应发挥的作用,逐步抛弃了传统的软件在企业内应发挥的作用,逐步抛弃了传统的CAPP的研究方法,开发重点从注重工艺过程的的研究方法,开发重点从注重工艺过程的自动生成,转向为工艺设计人员提供软件工具,自动生成,转向为工艺设计人员提供软件工具,同时为企业的信息化建设提供服务。同时为企业的信息化建设提供服务。7国内商品化的国内商品化的CAPP系统分类系统分类n(1)使用使用Word、Excel、AutoCAD或再开发的或再开发的CAPP系统。系统。n常规的数据库管理系统,工艺卡片使用常规的数据库管理系统,工艺卡片使用Form、Report或在或在AutoCAD上绘制卡片的上绘制

8、卡片的CAPP系统。系统。n(3)注重卡片的生成,但工艺数据的管理功能较注重卡片的生成,但工艺数据的管理功能较弱的弱的CAPP系统。系统。n(4)采用采用“所见即所得所见即所得”的交互式填表方式的交互式填表方式+工艺工艺数据管理、集成的综合式数据管理、集成的综合式CAPP系统。系统。85.1.2CAPP的系统结构的系统结构 n一个完整的一个完整的CAPP系统的结构组成系统的结构组成图5-1 CAPP系统基本构成框图9CAPP系统的基本结构系统的基本结构 n尽管尽管CAPP系统的种类很多,但其基本结构都差系统的种类很多,但其基本结构都差不多,都离不开以下几部分不多,都离不开以下几部分。(1)零件

9、的输入零件的输入(2)工艺规程的生成工艺规程的生成(3)工艺数据及知识库工艺数据及知识库(4)系统的控制和管理系统的控制和管理(5)工艺文件管理与输出工艺文件管理与输出10CAPP系统的基本模块系统的基本模块 nCAPP系统的结构,视其工作原理、产品对象、系统的结构,视其工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。基本的模块如下:规模大小不同而有较大的差异。基本的模块如下:(1)控制模块控制模块(2)零件信息输入模块零件信息输入模块(3)工艺过程设计模块工艺过程设计模块(4)工序决策模块工序决策模块(5)工步决策模块工步决策模块(6)NC加工指令生成模块加工指令生成模块(7)输出模块输出模

10、块(8)加工过程动态仿真加工过程动态仿真115.1.3 CAPP的功能的功能n从目前国内研发的从目前国内研发的CAPP系统来看,他们主要的系统来看,他们主要的功能包括以下几个方面。功能包括以下几个方面。(1)接受或生成零件图上的几何及拓扑信息、工艺信息、接受或生成零件图上的几何及拓扑信息、工艺信息、测量信息等测量信息等(2)检索标准工艺文件检索标准工艺文件(3)安排加工方法安排加工方法(4)安排加工路线安排加工路线(5)选择机床、刀具和夹具选择机床、刀具和夹具(6)确定切削用量确定切削用量(7)计算切削参数、工时定额和加工费用等计算切削参数、工时定额和加工费用等12CAPP的功能的功能(8)计

11、算工序尺寸和公差,确定毛坯类型和尺寸计算工序尺寸和公差,确定毛坯类型和尺寸(9)绘制工序图绘制工序图(10)生成工艺文件生成工艺文件(11)刀具路线规划和刀具路线规划和NC编程编程(12)加工过程的仿真加工过程的仿真 上述功能并不是所有的上述功能并不是所有的CAPP系统都具备的,有些系统都具备的,有些CAPP系统只具备其中的某些功能。另外,目前仅有系统只具备其中的某些功能。另外,目前仅有少数少数CAPP系统能实现与系统能实现与CAD/CAM系统的连接。系统的连接。135.1.4CAPP系统的分类系统的分类n通常可以将制造企业分为通常可以将制造企业分为5个层次,即:工厂层、个层次,即:工厂层、车

12、间层、单元层、工作站层和设备层。车间层、单元层、工作站层和设备层。CAPP系系统按其工作原理可以分为以下统按其工作原理可以分为以下5大类:大类:(1)交互式交互式CAPP系统系统(2)变异式变异式CAPP系统系统(3)创成式创成式CAPP系统系统(4)综合式综合式CAPP系统系统(5)CAPP专家系统专家系统145.2 计算机辅助制造(计算机辅助制造(CAM)n数控编程是目前数控编程是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明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、缩短产品研制周化、提高加工精度和加工质量、缩短产

13、品研制周期等方面发挥着重要作用。期等方面发挥着重要作用。n由于生产实际的强烈需求,国内外都对数控编程由于生产实际的强烈需求,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。技术进行了广泛的研究,并取得了丰硕成果。155.2.1 数控编程数控编程n数控编程的基本概念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过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点(Cutter Location point,简称简称CL点)。刀位点点)。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点,多轴加工一般取为刀具轴线

14、与刀具表面的交点,多轴加工中还要给出刀轴矢量。中还要给出刀轴矢量。16数控编程技术的发展概况数控编程技术的发展概况n20世纪世纪50年代,年代,MIT设计了一种专门用于机械零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 为件 数 控 加 工 程 序 编 制 的 语 言,称 为 A P T(Automatically Programmed Tool)。)。n采用采用APT语言编制数控程序具有程序简炼、走刀语言编制数控程序具有程序简炼、走刀控制灵活等优点,但是控制灵活等优点,但是APT仍有许多不便之处。仍有许多不便之处。n1978年,法国达索飞机公司开始开发集三维设计

15、、年,法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、分析、NC加工一体化的系统,称为为加工一体化的系统,称为为CATIA。n到了到了20世纪世纪80年代,在年代,在CAD/CAM一体化概念的一体化概念的基 础 上,逐 步 形 成 了 计 算 机 集 成 制 造 系 统基 础 上,逐 步 形 成 了 计 算 机 集 成 制 造 系 统(CIMS)及并行工程()及并行工程(CE)的概念。)的概念。175.2.2 NC刀具轨迹的生成方法刀具轨迹的生成方法n数控编程的核心工作是生成刀具轨迹,然后将其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。离散成刀位点,经后置处理

16、产生数控加工程序。n点、线、面和体的点、线、面和体的NC刀具轨迹生成方法刀具轨迹生成方法CAD技术从二维绘图起步,经历了三维线框、曲面和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。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;在曲面和实体造型发展阶段,出现了基为驱动对象;在曲面和实体造型发展阶段,出现了基于实体的加工。于实体的加工。实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。18基于特征的基于特征的N

17、C刀具轨迹生成方法刀具轨迹生成方法n参数化特征造型已有了一定的发展时期,但基于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。控编程,大大提高了编程效率。n一个基于特征的一个基于特征的NC代码生成子系统的工作原理代码生成子系统的工作原理是:零

18、件的每个加工过程都可以看成对组成该零是: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。件的形状特征组进行加工的总和。19特征加工与实体加工主要的不同点特征加工与实体加工主要的不同点n从概念上讲,特征是组成零件的功能要素,实体从概念上讲,特征是组成零件的功能要素,实体是低层的几何对象。是低层的几何对象。n实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工则从特征上解决加工问题。特征加工则从特征上解决加工问题。n特征加工具有更多的智能,而实体加工是无法实特征加工具有更多的智能,而实体加工是无法实现的。现的。n特征加工有利于实现从特征加

19、工有利于实现从CAD、CAPP、NCP及及CNC系统的全面集成,实现信息的双向流动,为系统的全面集成,实现信息的双向流动,为CIMS乃至并行工程奠定良好的基础;而实体加乃至并行工程奠定良好的基础;而实体加工对这些是无能为力的。工对这些是无能为力的。20CAM系统刀具轨迹生成系统刀具轨迹生成n按照传统的按照传统的CAD/CAM系统和系统和CNC系统的工作方系统的工作方式,式,CAM系统以直接或间接(通过中性文件)的系统以直接或间接(通过中性文件)的方式从方式从CAD系统获取产品的几何数据模型。系统获取产品的几何数据模型。nCAM系统以三维几何模型中的点、线、面或实体系统以三维几何模型中的点、线、

20、面或实体为驱动对象,生成加工刀具轨迹,并以刀具定位为驱动对象,生成加工刀具轨迹,并以刀具定位文件的形式经后置处理,以文件的形式经后置处理,以NC代码的形式提供代码的形式提供给给CNC机床。机床。n在在CAM系统生成的刀具轨迹中,同样也只包含低系统生成的刀具轨迹中,同样也只包含低层的几何信息(直线和圆弧的几何定位信息),层的几何信息(直线和圆弧的几何定位信息),以及少量的过程控制信息(如进给率、主轴转速、以及少量的过程控制信息(如进给率、主轴转速、换刀等)。换刀等)。215.2.3 数控仿真技术数控仿真技术n计算机仿真的概念及应用计算机仿真的概念及应用从工程的角度来看,仿真就是通过对系统模型的实

21、验从工程的角度来看,仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象,仿真是一种有效的方法,可以减少风险,缩短对象,仿真是一种有效的方法,可以减少风险,缩短设计和制造的周期,并节约投资。设计和制造的周期,并节约投资。图5-2计算机仿真过程22计算机仿真过程计算机仿真过程n建模活动是通过对实际系统的观测或检测,在忽略次要建模活动是通过对实际系统的观测或检测,在忽略次要因素及不可检测变量的基础上,用物理或数学的方法进因素及不可检测变量的基础上,用物理或数学的方法进行描述,从而获得实际系统的简化近似模型。行描述,从而获得实际

22、系统的简化近似模型。n仿真模型是对系统的数学模型进行一定的算法处理,使仿真模型是对系统的数学模型进行一定的算法处理,使其成为合适的形式之后,成为能被计算机接受的其成为合适的形式之后,成为能被计算机接受的“可计算可计算模型模型”。n仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。n数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程,是验数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程,是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具,证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具,以减少工件的试切,提高生产效率。以减少工件的试切,提高生产效率。23数控仿真

23、技术数控仿真技术n数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。数控机床加工零件是靠数控指令程序控制完成的。为确保数控程序的正确性,防止加工过程中干涉为确保数控程序的正确性,防止加工过程中干涉和碰撞的发生,在实际生产中,常采用试切的方和碰撞的发生,在实际生产中,常采用试切的方法进行检验,后来又采用轨迹显示法。法进行检验,后来又采用轨迹显示法。n几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响,只仿真刀具素的影响,只仿真刀具-工件几何体的运动,以工件几何体的运动,以验证验证NC程序的正确性。它可以减少或消除因程程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导

24、致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题;同时可以减少从产品设计到制零件报废等问题;同时可以减少从产品设计到制造的时间,降低生产成本。造的时间,降低生产成本。245.2.4 CAMWorks功能简介功能简介nCAMWorks是一个集成于是一个集成于Solidworks CAD软件软件中的中的CAM软件产品。软件产品。图5-3 CAMWorks2003启动界面25CAMWorks最为显著的贡献最为显著的贡献n(1)CAD信息与信息与CAM的完美集成。的完美集成。n(2)应用特征识别技术大幅度提升应用特征识别技术大幅度提升CAM应用中的应用中的自

25、动化和智能化。自动化和智能化。n(3)智能化的加工计划或加工顺序计算机辅助设智能化的加工计划或加工顺序计算机辅助设计技术对企业非常有利。计技术对企业非常有利。n(4)基于数据库技术的软件应用从另一角度为用基于数据库技术的软件应用从另一角度为用户的产品数据、工艺数据的保存、继承和应用提户的产品数据、工艺数据的保存、继承和应用提供了实实在在的帮助。供了实实在在的帮助。265.2.5 CAMWorks2003使用使用nCAMWorks2003使用时主要设置的参数以及完使用时主要设置的参数以及完成功能成功能。(1)设置描述零件模型参数包括比例,旋转角度和平移等。(2)设置加工参数,包括刀具、加工精度、

26、刀具轨迹策略等。(3)设置机床参数,包括特殊指令集、进给率、转速、行程范围等。(4)计算生成刀具轨迹。(5)加工仿真。(6)将生成的刀具轨迹输出为NC加工代码。27在零件模式下产生铣削刀具轨迹以及数控代在零件模式下产生铣削刀具轨迹以及数控代码的步骤码的步骤 n以下步骤用来产生铣削刀具轨迹和数控代码:(1)零件建模或在SoildWorks中打开一个零件文件。(2)切换到CAMWorks特征树。(3)定义加工类型和更改控制器参数。(4)定义毛坯。(5)定义可加工特征。(6)产生操作计划。(7)调整加工参数。(8)产生刀具轨迹。(9)刀具轨迹后置处理。28生成刀具轨迹以及数控代码的步骤生成刀具轨迹以

27、及数控代码的步骤 n生成刀具轨迹及数控代码的步骤如下图所示生成刀具轨迹及数控代码的步骤如下图所示图5-4 生成加工轨迹和数控代码的流程图295.2.6 CAMWorks具体操作简介具体操作简介n在在 SolidWorks 中进行零件建模或者导入零件中进行零件建模或者导入零件 打 开 一 个打 开 一 个 S o l i d W o r k s 中 的 零 件 造 型,特 征 管 理中 的 零 件 造 型,特 征 管 理(FeatureManager)设计树列出了零件上的特征、草图、平面)设计树列出了零件上的特征、草图、平面和轴等。和轴等。图5-5 SolidWorks打开一个零件模型30切换到

28、切换到CAMWorks特征树特征树n单击树底部单击树底部 CAMWorks 特征树(特征树(Freature Tree)标签。)标签。CAMWorks 特征树(特征树(Freature Tree)将列出数控管理器)将列出数控管理器(NCManager)、毛坯()、毛坯(Workpiece)、机床)、机床(Machine),以及回收站(),以及回收站(Recycle Bin)条目。)条目。图5-6 切换到CAMWorks特征树31定义加工类型定义加工类型n加工类型定义:铣削或者车削。加工类型定义可以自动加工类型定义:铣削或者车削。加工类型定义可以自动或者交互地识别可加工特征。或者交互地识别可加工

29、特征。图5-7 进入加工类型定义32定义加工类型定义加工类型n在在Mill machine上面单击右键,选择上面单击右键,选择Edit Definition菜单,菜单,进入加工类型定义如图进入加工类型定义如图5-8所示。所示。图5-8定义设备类型33定义加工类型定义加工类型n常用刀库常用刀库(tool crib):通常由刀具数据库装载当前机床使:通常由刀具数据库装载当前机床使用的子刀具库。用的子刀具库。图5-9 选择和编辑刀具34定义加工类型定义加工类型n控制器:也叫后置处理器。后置处理器用来识别控制器:也叫后置处理器。后置处理器用来识别G代码的代码的输出格式。输出格式。图5-10 选择控制器

30、35定义毛坯定义毛坯n在在Stock Manager右键选择右键选择Edit Defination毛坯是用来毛坯是用来加工零件的坯料。加工零件的坯料。图5-11毛坯的定义36定义可加工特征定义可加工特征n在在Stock Manager右键选择右键选择Insert Part Setup选择刀具选择刀具的加工取向。的加工取向。图5-12选择刀具的加工取向37定义可加工特征定义可加工特征n这样在这样在“NC Manager”里面就会出现一个里面就会出现一个“Part Setup”子条目,然后选中此条目在右键单击的弹出框中选择子条目,然后选中此条目在右键单击的弹出框中选择“Insert 3 Axis

31、feature”,插入一个三轴加工特征。,插入一个三轴加工特征。图5-13生成一个加工特征38定义可加工特征定义可加工特征n另外还可以对加工属性另外还可以对加工属性(Attribute)进行选择,在这里我们进行选择,在这里我们选择选择“Fine”,也就是精加工。在本实例中我们使用一,也就是精加工。在本实例中我们使用一把刀一次完成零件的加工。把刀一次完成零件的加工。图5-14编辑三轴加工特征39产生操作计划产生操作计划n完成上面的操作后就会产生一个三轴的加工特征。完成上面的操作后就会产生一个三轴的加工特征。从鼠标右键单击的弹出栏中选择从鼠标右键单击的弹出栏中选择“Generate Operati

32、on Plan”,产生操作计划。,产生操作计划。40调整加工参数调整加工参数n选择选择“part setup”子条目,从鼠标右键单击的弹出栏中子条目,从鼠标右键单击的弹出栏中选择选择“Edit Definition”,就会进入加工参数的编辑树,就会进入加工参数的编辑树,如图如图5-15所示。所示。图5-15定义精加工41调整加工参数调整加工参数n定义加工起始点,选择定义加工起始点,选择“Stock vertex”,如图,如图5-16所示。所示。图5-16选择加工起始点42调整加工参数调整加工参数n在操作树里面选择在操作树里面选择“3Axis Finish Mill”子条目,点击鼠子条目,点击鼠

33、标右键在弹出框中选择标右键在弹出框中选择“Edit Definition“,如图,如图5-17所所示。示。图5-17三轴加工定义43调整加工参数调整加工参数n在这里可以选择铣削工具以及夹具,如图在这里可以选择铣削工具以及夹具,如图5-18所所示。示。图5-18 刀具定义44调整加工参数调整加工参数n选择选择“Finish”选项,可以对加工方式、加工精度进行设选项,可以对加工方式、加工精度进行设置,如图置,如图5-19所示。所示。图5-19 Finish(精铣的定义)45调整加工参数调整加工参数n对对NC设置可以修改加工的切削速度、主轴转速等参数,设置可以修改加工的切削速度、主轴转速等参数,如图

34、如图5-20所示。所示。图5-20 NC参数的定义46产生刀具轨迹产生刀具轨迹n生成刀具轨迹。就可以看到走刀的路线,如图生成刀具轨迹。就可以看到走刀的路线,如图5-21所示。所示。图5-21 生成刀具轨迹47刀具轨迹后置处理刀具轨迹后置处理n选择选择 按键,或者选中按键,或者选中“3-Axis Feature”子条目后,从子条目后,从鼠标右键单击的弹出栏中选择鼠标右键单击的弹出栏中选择“Simulate ToolPath”,进入零件的加工仿真进入零件的加工仿真。图5-22 加工仿真48刀具轨迹后置处理刀具轨迹后置处理n如果仿真完成就可以点击如果仿真完成就可以点击 图标或者选择图标或者选择“Post Process”在指定的文件夹生成在指定的文件夹生成NC代码代码。图5-23 NC代码的生成

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