第2章数控加工与编程基础

1、第第1章章 数控加工与编程基础数控加工与编程基础 n1.1 数控加工程序编制概念n1.2 机床坐标系、编程坐标系和加工坐标系 n1.3 数控加工工艺基础 n1.4 程序格式 n1.5 常用编程指令 n1.6 轮廓编程训练 目录1.1 数控加工程序编制概念数控加工程序编制概念1.1.1 数控加工程序编制的定义和步骤数控加工程序编制的定义和步骤 数控机床是严格按照从外部输入的程序来自动地对被加工工件进行加工的。为了与数控系统的内部程序（系统软件）及自动编程用的零件源程序相区别，我们把从外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序 。 数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。 数控程

2、序的编制包括如下几个步骤：分析零件图纸。 确定工艺过程。 数值计算。 编写程序。 程序调试和检验。 1.1.2 数控加工程序编制的方法数控加工程序编制的方法 （1）手工编程 手工编程指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作。（2）计算机自动编程 自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成。 1.2 机床坐标系、编程坐标系和加工坐标系机床坐标系、编程坐标系和加工坐标系 1.2.1 机床坐标系 1.2.2 编程坐标系 1.2.3 加工坐标系 1.2.4 编程坐标系、加工坐标系的选择训练 1、机床坐标系的确定 （1）机床相对运动的规定 在机床上

3、，我们始终认为工件静止，而刀具是运动的。这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。 （2）机床坐标系的规定 在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。 数控机床上的坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系。 （3）运动方向的规定：增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向 1.2.1 机床坐标系机床坐标系图1-1 右手直角笛卡尔坐标系+ Z+ Y+ Z+ C+ X+ Y+ B+ X+ A+ A 、 + B或+ C

4、+ X 、 + Y 或 + Z图1-2 数控机床坐标系示例、数控机床各坐标轴及其正方向的确定（1）先确定Z轴。 Z轴的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z轴，Z轴的正方向为刀具离开工件的方向。 如果机床上有几个主轴，则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为Z坐标方向；如果主轴能够摆动，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向；如果机床无主轴，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向。 （2）再确定X轴。 X轴为水平方向且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。确定X轴的方向时，要考虑两种情况： 1）如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X轴的正方向。 2）如果刀具做

5、旋转运动，则分为两种情况： Z轴水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z轴垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。（3）最后确定Y轴。 在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角笛卡尔坐标系来确定Y轴正方向。、附加坐标系 对于直线运动，通常建立的附加坐标系有： （1）指定平行于X、Y、Z的坐标轴 可以采用的附加坐标系：第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。 （2）指定不平行于X、Y、Z的坐标轴 也可以采用的附加坐标系：第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。 4、机床原点 机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐

6、标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。 （1）数控车床的原点 在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。通过设置参数的方法也可将机床原点设定在X、Z轴的正方向极限位置上。 （2）数控铣床的原点 在数控铣床上，机床原点一般设在X、Y、Z轴的正方向极限位置上。（a）数控车床机床原点 （b）数控铣床机床原点图13 机床原点1.2.2 编程坐标系编程坐标系 编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。 编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。 编程原点是根据加工零件图样及加工工艺要求选

7、定的编程坐标系的原点。 编程原点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上，编程坐标系中各轴的方向应该与机床坐标系的坐标轴方向一致。如图24所示为车削零件的编程原点。编程原点10049ZX1.2.3 加工坐标系加工坐标系 加工坐标系：也称为工件坐标系，是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。 加工原点：是指零件被装夹好后，相应的编程原点在机床坐标系中的位置。把程序应用到机床上时，要将编程原点转换为加工原点，通过对刀操作设定加工坐标系，确定编程原点放在工件毛坯中的位置及其在机床坐标系中的坐标值。 在加工过程中，数控机床是按照工件装夹好后所确定的加工原点位置和程序要求进行加工的。 编程人员在编制程序

8、时，只要根据零件图样就可以选定编程原点、建立编程坐标系、计算坐标数值，而不必考虑工件毛坯装夹的实际位置。 数控车床的加工原点一般设在主轴中心线上，大多定在工件的左端面或右端面。数控铣床或加工中心的加工原点，一般设在工件外轮廓的某一个角上或工件对称中心处，Z轴方向上的零点，通常取在工件表面上。对于形状较复杂的工件，有时为编程方便可根据需要通过相应的程序指令随时改变新的工件坐标原点。1.2.4 编程坐标系、加工坐标系的选择训练编程坐标系、加工坐标系的选择训练 1、数控车削加工编程坐标系、加工坐标系的选择 例例21 车削加工如图25形状的工件，请选择编程坐标系和加工坐标系。编程原点ZX图25 例21

9、图机 床 原 点ZX图26 卧式前置刀架数控车床坐标系加 工 原 点ZX切 除 材 料图27 加工坐标系 2、数控铣削加工编程坐标系、加工坐标系的选择 例例12 在数控铣床上加工如图18零件，请选择编程坐标系和加工坐标系。 图18 例12图XYZMRW参 考 点R机 床 原 点MW加 工 原 点图19 例22机床坐标系、加工坐标系1.3 数控加工工艺基础数控加工工艺基础1.3.1 数控加工工艺处理的内容1.3.2 数控加工工艺性分析1.3.3 加工工艺路线的拟定1.3.4 工件的安装与夹具的选择1.3.5 切削用量的选择 1.3.1 数控加工工艺处理的内容数控加工工艺处理的内容 数控加工工艺处

10、理的主要内容有： 1、分析被加工零件的工艺性； 2、拟定加工工艺路线，包括划分工序、选择定位基准、安排加工顺序和组合工序等； 3、设计加工工序，包括选择工装夹具与刀具、确定走刀路径、确定切削用量等； 4、编制工艺文件。1.3.2 数控加工工艺性分析数控加工工艺性分析 一般来说，适合数控加工的零件具有如下特点： (1) 多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件，短期急需的零件。 (2) 轮廓形状复杂，对加工精度要求较高的零件。 (3) 用普通机床加工较困难或无法加工(需昂贵的工艺装备)的零件。 (4) 价值昂贵，加工中不允许报废的关键零件。数控加工工艺性分析主要包括以下内容： 1、结构工艺性

11、分析 2、轮廓几何要素分析 3、精度、技术要求分析1.3.3 加工工艺路线的拟定加工工艺路线的拟定（一）工序的划分（一）工序的划分 常见的数控加工工序划分的方法有以下几种： 1、按安装次数划分工序 以每一次装夹作为一道工序。此种划分工序的方法适用于加工内容不多的零件。专用数控机床和加工中心常用此方法。 2、按加工部位划分工序 按零件的结构特点分成几个加工部分，每一部分作为一道工序。 3、按所用刀具划分工序 为了减少换刀次数，减少换刀时间和尽可能缩短走刀路线，减少不必要的定位误差，可按刀具集中工序的方法加工零件，即用同一把刀具或同一类刀具加工完成零件上所有需要加工的部位，以达到节省时间、提高效率

12、的目的。 4、按粗、精加工划分工序 对易变形或精度要求较高的零件常按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗加工再精加工。此时，可用不同的机床或不同的刀具顺次同步进行加工。对单个零件要先粗加工、半精加工，而后精加工。或者一批零件，先全部进行粗加工、半精加工，最后再进行精加工。通常在一次安装中，不允许将零件某一部分表面粗、精加工完毕后，再加工零件的其他表面；否则，可能会在对新的表面进行大切削量加工过程中，因切削力太大而引起已精加工完成的表面变形。 （二）加工顺序的安排（二）加工顺序的安排 机械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，一般应遵循以下原则： 1、上道

13、工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧。 2、以相同的安装方式或使用同一把刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重新定位或换刀所引起的误差。 3、先进行内腔加工，后进行外形加工。 4、在同一次安装中，应先进行对工件刚性影响比较小的工序，确保工件在足够刚性条件下逐步加工完毕。（三）加工路线的确定（三）加工路线的确定 加工路线是指刀具相对于工件运动的轨迹和方向。确定走刀路线时应注意以下几点： 1、尽量缩短加工路线，减少空刀时间以提高加工效率。 如加工图210（a）上的孔系，图210（c）的加工路线要比图210（b）的加工路线减少空刀时间。 （a)零件图样 （b)路线1 （c)路线2图210 最短走刀

14、路线的设计2、加工方式、路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度。3、选择好刀具的切入和切出方向。4、选择使工件在加工后变形小的路线。5、能够使数值计算简单，程序段数量少，简化程序，减少编程工作量。1.3.4 工件的安装与夹具的选择工件的安装与夹具的选择1定位装夹的基本原则 (1) 力求设计、工艺与编程计算的基准统一。 (2) 尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。 (3) 避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。2选择夹具的基本原则 数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要协调零件和机床坐标系的

15、尺寸关系。除此之外，还要考虑以下几点： (1) 当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。当达到一定批量生产时才考虑用专用夹具，并力求结构简单。 (2) 零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。 (3) 夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工。 1.3.5 切削用量的选择切削用量的选择 对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。 编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。也可以结合实际经验用类比法确定切削用量。对于表面粗糙度和精度要求较高的零件

16、，要留有足够的精加工余量，数控加工的精加工余量可比通用机床加工的余量小一些。 数控车削加工和铣削加工中切削用量的选择方法将在后面的章节进行介绍。1.4 程序格式程序格式1.4.1 字与字的功能字与字的功能 1、字符与代码 字符是用来组织、控制或表示数据的一些符号，如数字、字母、标点符号、数学运算符等。 国际上广泛采用国际标准化组织标准代码（ISO）和美国电子工业协会标准代码（EIA），这两种标准代码的编码方法不同，在大多数现代数控机床上这两种代码都可以使用，只需用系统控制面板上的开关来选择，或用G功能指令来选择。 2、字 字是指一系列按规定排列的字符，作为一个信息单元存储、传递和操作。字由一个

17、英文字母与随后的若干位十进制数字组成，这个英文字母称为地址符。 如：“Y50”是一个字，Y为地址符，数字“50”为地址中的内容。3、字的功能（1）顺序号字N 又称程序段号或程序段序号。顺序号位于程序段之首，由顺序号字N和后续数字组成。顺序号字N是地址符，后续数字一般为14位的正整数。数控加工中的顺序号实际上是程序段的名称，与程序执行的先后次序无关。数控系统不是按顺序号的次序来执行程序，而是按照程序段编写时的排列顺序逐段执行。 顺序号的作用：对程序的校对和检索修改；作为条件转向的目标，即作为转向目的程序段的名称。（2）准备功能字G 也称为G功能或G指令，是用于建立机床或控制系统工作方式的一种指令

18、。 （3）尺寸字 用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置。（4）进给功能字F也称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。（5）主轴转速功能字S 也称为S功能或S指令，用于指定主轴转速，单位为r/min。对于具有恒线速度功能的数控车床，程序中的S指令用来指定车削加工的线速度数。（6）刀具功能字T 也称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号。对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用。（7）辅助功能字M 也称为M功能或M指令，后续数字一般为13位正整数，用于指定数控机床辅助装置的开关动作 1.4.2 程序格式程序格式 1、程序段格式 程序段构成的一般形式如下： N G

19、X Y Z F M S T ； 程序段 准备 尺寸字 进给 辅助 主轴 刀具 程序段 顺序号 功能 功能 功能 功能 功能 结束 例如以下程序段: N60 G01 X50 Y80 F200 M03 S800 T02； N70 Y120；2、数控加工程序的一般格式 （1）程序开始符、结束符：程序开始符、结束符是同一个字符，ISO代码中是%，EIA代码中是EP，书写时要单列一段。 （2）程序名：程序名有两种形式：一种是英文字母O和14位正整数组成；另一种是由英文字母开头，字母数字混合组成的。一般要求单列一段。 （3）程序主体：程序主体是由若干个程序段组成的。每个程序段一般占一行。 （4）程序结束指

20、令：程序结束指令可以用M02或M30。一般要求单列一段。1.5 常用编程指令常用编程指令 1.5.1 绝对尺寸指令与增量尺寸指令 1.5.2 坐标平面选择指令 1.5.3 快速点定位指令 1.5.4 直线插补指令 1.5.5 圆弧插补指令 1.5.6 刀具补偿指令 1.5.1 绝对尺寸指令与增量尺寸指令绝对尺寸指令与增量尺寸指令OYXAB G90指定尺寸值为绝对尺寸,G91指定尺寸值为增量尺寸,同一条程序段中只能用一种。 1、G功能字表示 编程格式为： X Y Z；G91G90 例例13 表示如图211刀具从A点移动到B点，分别用绝对尺寸指令和增量尺寸指令编程如下： G90 X10 Y40 ；

21、 （绝对尺寸） G91 X-30 Y30 ； （增量尺寸）图111 例23图 2、用尺寸字的地址符表示（数控车床部分使用） 在数控车床加工编程中，绝对尺寸的尺寸字的地址符用 X、Z，增量尺寸的尺寸字的地址符用 U、W，同一程序段中绝对尺寸和增量尺寸可以混用。 数控车床编程采用直径编程方式。采用绝对尺寸编程时，X轴的坐标值取为零件图样上的直径值；采用增量尺寸编程时，U值为径向实际位移的2倍表示并附方向符号。 例例14 如图112中数控车削中刀具从起点A移动到B点。可编程如下： G01 X50 Z-20 F0.1； X60 W-10；ZX030AB203050图112 直径编程例图1.5.2 坐标

22、平面选择指令坐标平面选择指令 坐标平面选择指令是用来选择圆弧插补的平面和刀具补偿平面的。 G17表示选择 XY平面，G18表示选择 ZX平面，G19表示选择 YZ平面。 各坐标平面如图113所示。一般，数控车床默认在ZX平面内加工，数控铣床或加工中心默认在XY平面内加工。G18G19XG17OYZ图113 坐标平面选择 快速点定位指令控制刀具按照系统预先设定的速度以点位控制方式从当前所在位置快速移动到下一个指定位置。本指令只用于快速定位，且进给功能字F对G00指令无效，切削工件时是不可使用该指令的。 注意：快速点定位指令执行结果使各坐标方向上有可能不是同时到达终点，刀具移动轨迹是几条线段的组合

23、，不是一条直线。 编程格式为：G00 X Y Z； 其中X、Y、Z的值是快速点定位的终点坐标值。（1） 同时到达终点 （2） 单向移动至终点图114 快速点定位 上中从A点到B点快速移动的程序段为： G90 G00 X20 Y30； 1.5.4 直线插补指令直线插补指令 直线插补指令用于产生按指定进给速度F实现的空间直线运动。 程序格式为：G01 X Y Z F 其中X、Y、Z的值是直线插补的终点坐标值。 例例15 实现如图215中从A点到B点的直线插补运动,其程序段为： 绝对方式编程：G90 G01 X10 Y50 F100； 增量方式编程：G91 G01 X-40 Y40 F100； G0

24、1程序中必须含有F指令，G01和F都是续效指令。A（，）OXB（，）Y图115 例25图1.5.5 圆弧插补指令圆弧插补指令 G02为顺时针圆弧插补指令，G03为逆时针插补指令。 圆弧插补顺、逆的判断：沿圆弧所在平面（如XY平面）的另一坐标轴的负方向（-Z）看去，顺时针方向为G02指令，逆时针方向为G03指令，如图216所示。图116 圆弧插补顺、逆的判断1、数控铣床或加工中心上圆弧插补指令XY平面：0302GGJIR X Y F ； ZX平面：0302GG X Z KIR F ； YZ平面：0302GGY Z KJRF ； 其中：X、Y、Z的值是指圆弧插补的终点坐标值，可以用绝对方式编程，也

25、可以用相对坐标编程，由G90或G91指定，使用G91指令时是圆弧终点相对于起点的坐标； I、J、K是指圆弧起点到圆心的增量坐标，与G90、G91无关，如图215所示。 R指圆弧半径，当圆弧的圆心角180时，R值为正；当圆弧的圆心角180时，R值为负。 以圆弧始点到圆心坐标的增矢量（I、J、K）来表示，适合任何的圆弧角使用，得到的圆弧是唯一的。切削整圆时，为了编程方便采用（I、J、K、）格式编程，不使用圆弧半径R格式。YKJI圆 心XKZ圆 心J终 点起 点X终 点起 点Z终 点起 点Y圆 心图117 各平面圆弧插补示意图 例例16 如图218，刀具轨迹A点为始点，B点为终点，编写刀具轨迹程序。

26、图218圆弧插补例图刀具轨迹编程如下： G90 G02 I50 J0 F100； G03 X-50 Y50 I-50 J0； X-25 Y25 I0 J-25； 或： G90 G02 I50 J0 F100； G03 X-50 Y50 R50； X-25 Y25 R-50； 2、数控车床上圆弧插补指令编程格式为：0302GGX（U） Z（W） KIRF ； 其中：X（U）、 Z（W）的值是指圆弧插补的终点坐标值，用绝对值编程时，圆弧终点坐标为圆弧终点在工件坐标系中的坐标值，用X、Z表示；当用增量值编程时，圆弧终点坐标为圆弧终点相对于圆弧起点的增量值，用U、W表示； I、K是指从圆弧起点到圆心的

27、增量坐标； R指圆弧半径，当圆弧的圆心角180时，R值为正；当圆弧的圆心角180时，R值为负。 数控车床中前置刀架和后置刀架的顺、逆时针圆弧插补判断如图219所示。（a）前置刀架 （b）后置刀架图1-19 数控车床圆弧插补的顺、逆方向 例例17 如图120，车削刀具轨迹A点为始点，B点为终点，数控车床刀架为前置刀架，刀具轨迹编程如下： G01 X30 ZO F0.15； G03 X50 Z-10 R10；(F0.15为续效字) 或 G01 X30 ZO F0.15； G03 X50 Z-10 I0 K-10；(F0.15为续效字)编程原点10050ZXABR10图120数控车削圆弧插补例图1.

28、5.6 刀具补偿指令刀具补偿指令 1、数控铣床或加工中心的数控系统提供了刀具半径补偿功能，可避免计算刀具中心轨迹，直接按零件图样上的轮廓尺寸编程。G41为左偏刀具半径补偿，G42为右偏刀具半径补偿，G40 为刀具半径补偿撤消指令。刀具半径补偿指令在第4章4.6节轮廓加工中介绍。 2、数控铣床或加工中心的数控系统提供了刀具长度补偿功能，G43为刀具长度正补偿，G44 为刀具长度负补偿，G49为撤消刀具长度补偿。刀具长度补偿指令在第5章5.4节刀具长度补偿中介绍。 3、数控车床中的数控系统提供了刀具圆弧半径补偿功能，G41为刀尖圆弧半径左补偿，G42为刀尖圆弧半径右补偿，G40为取消刀尖圆弧半径补

29、偿。刀具圆弧半径补偿指令在第3章3.6节刀尖圆弧半径补偿方法实训中介绍。1.6 轮廓编程训练轮廓编程训练1.6.1 编程中的数学处理编程中的数学处理 通常情况下，编程坐标系确定后，还需对图样进行数学处理。根据被加工零件图样，按照已经确定的加工工艺路线和允许的编程误差，计算数控系统所需要输入的数据，称为数学处理。1、基点坐标的计算 图121 基点计算例图例例18 如图221所示零件中，A、B、C、D、E为基点。A、B、D、E的坐标值可直接从图中找出,C点是直线与圆弧切点，需列方程求解，求得C点坐标为（64.2786，51.5507）。2、节点坐标的计算 3、图样编程尺寸的换算 如图样尺寸精度高，

30、标注有公差要求，且基本尺寸不是中值尺寸（尺寸的误差分布中心），应将基本尺寸换算成中值尺寸 。1.6.2 数控铣削轮廓编程训练数控铣削轮廓编程训练 例例1-9 如图1-22所示，刀具起点在O点，毛坯表面在Z0平面上，刀具路径轨迹为OABC切点D切点E切点F切点GHIJAO，切削深度为5mm，分别采用绝对尺寸和增量尺寸方式编制刀具路径轨迹程序。OG 0 05 0G 0 05 0CABX1 0 0FHGYDEIJ图122 数控铣削轮廓编程例图各基点坐标为：A（40，40）、B（40，60）、C（30，60）、D（30，80）、E（40，90）、F（80，90）、G（90，80）、H（90，60）、I

31、（80，60）、J（80，40）。绝对尺寸编程如下：O210；G90 G17 G54 G00 Z100 S1000 M03；X0 Y0；X40 Y40；Z5；G01 Z-5 F100；Y60；X30；Y80；G02 X40 Y90 R10；G01 X80；G02 X90 Y80 R10；G01 Y60；X80；Y40； X40；G00 Z100；X0 Y0；M30；相对尺寸编程如下：O220；G90 G17 G54 G00 Z100 S1000 M03；X0 Y0；G91 X40 Y40；Z-95；G01 Z-10 F100；Y20；X-10；Y20；G02 X10 Y10 R10；G01 X40；G02 X10 Y-1