机电一体化系统设计：第六章 计算机数字控制程序编制基础简介

1、第六章 计算机数字控制程序编制基础简介 第一节 数控机床类型及其控制方式第二节 数控系统组成及数控程序编制基础习题与思考题1第一节 数控机床类型及其控制方式 数控（NC-Numerical Control）技术是指用数字化信息(数字量及字符)发出指令并实现自动控制的技术。数控装置是数控设备的控制核心，通常由一台通用或专用微型计算机构成。数控装置根据输入的指令，进行译码、处理、计算和控制，实现其数控功能。数控设备的数控功能用专用计算机的硬件来实现的数控，称为硬件数控。主要是以小型通用计算机或微型计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能，习惯上称为软件数控或简称为CNC(Computer Nu

2、merical Control)。CNC系统是现代主流数字控制系统，用CNC系统控制机床称为计算机数控机床，简称数控（CNC）机床，是一种由计算机或专用控制装置控制的高效自动化机床，是综合应用计算机技术、自动控制技术、精密机械设计技术以及精密测量等技术的典型机电一体化产品。数控（NC-Numerical Control）技术2 CNC机床适合于多品种、小批量零件的加工。随着微电子技术的飞跃发展，能够自动更换刀具的高度自动化的计算机数控机床机械加工中心(MCMachining Center)发展更为迅速。各工业发达国家相继出现了双工位和多工位交换工作台的加工中心，与工业机器人等组成的柔性制造单元

3、(FMC-Flexible Manufacturing Cell)，以及由多台数控机床、加工中心与物料搬运装置(搬运机器人、运输小车等)组成的柔性制造系统(FMSFlexible Manufacturing System)，在此基础上又发展成为自动化工厂(FAFactory Automation)或计算机集成系统（CIMSComputer Integrated Manufacturing System）等。3 传统机床加工零件时，机床运行的起始、结束、运动的先后次序以及刀具和工件的相对位置等都是由人工操作完成的。而CNC机床加工零件时，则是将被加工零件的加工顺序、工艺参数和机床运动要求用数控语

4、言记录在数控介质（磁盘等）上，然后输入到数控（CNC）装置，再由数控（CNC）装置控制机床运动从而实现加工自动化，其加工过程原理如下图所示。 数控（CNC）机床加工过程原理框图4 在机械加工中心上加工零件所涉及的技术范围比较广，与相应的配套技术有密切关系，下图为数控（CNC）机床加工时需考虑的问题。对于一个合格的编程员来说，首先应该是一个合格的工艺员，应熟练掌握零件的工艺设计和切削用量的选择，并能合理地提出正确的刀具和夹具方案，懂得刀具测量方法，了解机床的性能和特点，熟悉程序编制和输入方式。 数控（CNC）机床(或加工中心)加工时需考虑的问题5 按工艺用途分类可分为普通数控机床、机械加工中心、

5、多坐标数控机床。普通数控机床与传统的通用机床相似，有数控车、铣、镗、钻、磨、插齿、滚齿等机床，它们的工艺可能性与通用机床一样，所不同的是能自动加工复杂形状的零件；机械加工中心是在一般数控机床的基础上发展起来的，配有刀库(可容纳10100多把刀具)和自动换刀装置，与一般数控机床不同的是工件经一次装夹后，就能自动更换刀具，完成铣(车)、镗、钻、铰及攻螺纹等多道工序；多坐标数控机床是为某些形状复杂的零件(例如螺旋浆) 加工需要而出现的，其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂，其坐标轴数取决于被加工零件工艺要求的复杂程度，目前常用的多为35个坐标轴。 按工艺用途分类6 按刀具相对工件移动的

6、轨迹分类可分为 点位控制数控机床 点位直线控制数控机床 轮廓控制数控机床 点位控制数控机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置(点)精确地移动到另一个位置，在移动过程中不进行任何加工，如数控坐标镗床、数控钻床和数控冲床等； 点位直线控制数控机床的特点是不仅要控制两相关点之间的位置，还要控制两相关点之间的移动路线(轨迹)，它与点位控制数控机床的区别在于当机床移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向进行切削加工，而且其辅助功能也比较多，常用的有简易数控车床、数控镗铣床和自动换刀数控铣床等。 轮廓控制数控机床同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续轨迹控制，故能加工形状复杂的零件，其辅助功能亦比较齐全

7、，常用的有数控车床、数控磨床、数控铣床及铣削加工中心等。 按刀具相对工件移动的轨迹分类7 开环控制系统是不把控制对象的输出与输入（数控装置输出指令）进行比较的控制系统，即机床没有检测反馈装置，如上图 a所示。 闭环控制系统，如上图 b所示，与开环控制系统不同的是在工作台上安装了位移检测传感器，可以实现工作台位移的位置反馈，反馈信息与数控（CNC）装置的指令值进行比较，所得差值再经D/A转换、放大，对伺服电动机进行控制，从而经传动机构使工作台按规定移动，直至差值趋于零时为止，以期达到预定的高精度。 半闭环控制系统，如上图c所示，它的控制方式与闭环控制方式相类似，其主要区别在于未将减速器、滚珠丝杠

8、、工作台包含在闭环环路之内，因此该方式较易获得稳定的控制特性，只要检测传感器的检测精度高、分辨力高、丝杠副的传动精度高，就可以获得比开环控制系统高得多的控制精度和速度。 数控（CNC）伺服控制系统的控制方式框图 从控制方式来看，伺服控制系统有：开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统。8第二节 数控（CNC）系统组成 及数控程序编制基础 一数控系统组成及其工作过程 数控系统构成框图如下图所示。数控系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置(CNC装置)、可编程逻辑控制器(PLC)、主轴驱动和进给驱动装置等组成。数控装置是CNC系统的核心。 数控系统构成框图 9 是对刀具和工件之间的相对运

9、动进行控制：在做好相关准备工作之后，进行零件加工程序的输入、数控加工程序的译码和预处理、插补计算、位置控制等。 数控系统的主要作用10 在加工控制信息输入后，启动加工运行，此时数控装置在系统控制程序的作用下，对其进行预处理，即进行译码和预计算(如刀补计算、坐标变换等)。由下图可知，进行译码时，将其区分成几何的、工艺的数据和开关功能。几何数据是刀具相对工件的运动路径数据，如有关G功能和坐标字等，利用这些数据可加工出要求的工件几何形状。 数控系统的主要工作过程图 11 工艺数据是主轴转速(S功能)和进给速度(F功能)等功能。开关功能是对机床电器的开关指令(辅助M功能和刀具选择T功能)，例如主轴起停

10、，刀具选择和交换、冷却液的启停等。编程时，一般不考虑刀具的实际几何数据，数控（CNC）装置根据工件几何数据和在加工前输入的实际刀具参数，进行刀具长度补偿和刀具半径补偿计算，简称刀补计算。为方便编程，CNC系统中存在着多种坐标系，故数控（CNC）装置还要进行相应的坐标变换计算。 数控装置发出的开关指令送给PLC，在系统程序的控制下，在各加工程序段插补处理开始前或完成后，开关命令和机床反馈的应答信号一起被处理和转换为机床开关设备的控制命令，实现程序段所规定的T功能、M功能和S功能。12 1 CNC加工程序编制的内容及步骤 数控加工程序编制一般包括以下主要内容： 选择并确定进行数控加工的零件及内容；

11、 对零件图进行数控加工的工艺分析，数控加工的 工艺处理； 对零件图形的数学处理，编写加工程序单； 程序的校验与修改； 首件试加工与现场问题处理，数控加工工艺技术 文件的定型与归档等。 二、数控（CNC）程序编制基础简介13 （1)分析零件图纸：通过对零件的材料、形状、尺寸和精度、表面质量、毛坯情况和热处理等要求进行分析，确定该零件是否适合于在数控机床上加工，应在哪种数控机床上加工，加工哪些工序。 （2)确定工艺过程：在分析零件图样的基础上，确定零件的加工工艺(如决定定位方式，选用工夹具等)和加工路线(如确定对刀点、走刀路线等)，并确定加工余量、切削用量。 （3)数值计算：计算走刀轨迹，得出刀位

12、数据。对于没有刀具补偿功能的，就需要进行各线段的基点、节点、圆弧中心等坐标的计算；对于零件廓形复杂的零件，要充分利用插补功能和刀具补偿功能来简化计算；对于自由曲面、列表曲线等零件，数学处理更为复杂，需要借助专门软件进行计算。 （4)编写程序单：程序员根据工艺过程、数值计算结果以及辅助操作要求，按照数控机床的编程规定(程序指令、程序格式等)填写程序单。 （5)制作程序载体：将程序单的内容，通过制作数控带或者将程序单用键盘键入计算机，再烤贝在磁盘上。 （6)程序校验及首件试切：程序必须校验和试切削，才能正式加工。 程序编程的步骤：142普通程序格式及典型程序代码 数控加工中零件程序组成的形式，随数

13、控装置功能的强弱而略有不同。对功能较强的数控装置，零件加工程序由主程序和子程序组成。主程序和子程序的程序格式相同。一个主程序按需要可以有多个子程序，并可重复调用。用这种程序结构，可以大大简化编程工作。（1)程序的构成15 不论是主程序还是子程序，均是由许多程序段组成。每一个程序段执行一个动作或一组操作。程序段由若干个字或指令组成。程序段格式是程序段中的字(指令)、字符和数据的排列形式。目前广泛采用的是地址符程序段格式，即程序段中的每个指令(字)由英文字母后跟几位数字组成的。程序段格式由三部分组成：在程序段开始是顺序号字，程序段结尾是程序段结束符，中间是若干指令(字)。典型的数控加工程序的程序段

14、格式如下图所示。（2）程序段格式 数控加工程序的程序段格式 16N05 G02 X 042 Y 042 Z 042 F04 S04 T04 M02 LF N05-5位数字的程序段号G02-2位数字的准备功能字，有标准X042X尺寸字，取正或负号，小数点前4位数字，小数点后2位数字 Y 042、Z 042-Y、Z尺寸字，同X尺寸字 F04-进给速度功能字，4位代码 S04-主轴转速功能字，4位代码 T04-指定刀具功能字，4位代码 M02-2位数字的辅助功能字，有标准 LF-程序段结束符机床数控系统的制造商必须遵守ISO标准的规定，ISO标准也允许制造商做一些专门规定。因此，编程前务必详细阅读该

15、机床数控系统说明书的有关规定。程 序 举 例17 常用的准备功能M指令代码见下表1，常用的G指令代码见下表2。 （3）常用指令代码简介指 令功 能指令功 能M00程序停机M07开#号冷却液M01选择停机，按下“选择停”按钮后才起作用M08开*号冷却液M02程序结束，到下一程序的起点M09关闭冷却液M03主轴顺时针方向旋转M10夹紧M04主轴逆时针方向旋转M11松开M05主轴停转M30程序终了，返回到程序起点M06换刀表1 常用准备功能指令代码18 G90 G91 G01 X Y Z F G90时，X、Y、Z的坐标值就是直线终点在工件坐标系中的坐标值。 G91时，X、Y、Z的坐标值是直线终点相对

16、起点的坐标增量值。 直线插补指令（G01）是单独运动或多轴联动方式直线插补指令。其典型的程序格式如下：19 坐标平面选择指令(G17、G18、G19)。用坐标平面选择指令实现不同平面的运动轨迹。G17为XY平面，G18为ZX平面，G19为YZ平面； 绝对值和增量值编程指令(G90、G91)。一般数控机床可以用绝对值或增量值或混合编程。G91为增量值编程指令，有G91的程序段的坐标值，除坐标系设定指令外，为刀具实际移动距离，例如直线段的坐标值即为直线终、起点坐标值之差。使用绝对值编程指令为G90，程序段中的坐标值是指刀具运动的终点在工件坐标系中的坐标值； 快速点定位指令(G00)。G00指令使刀

17、具从所在点以固定的快速度移至坐标系的另一点。在有G00的程序段，无需进给速度F指令； 直线插补指令(G01)。该指令是单轴运动或多轴联动方式的直线插补指令； 圆弧插补指令(G02、G03)。 常用的G功能指令简介20 圆弧插补指令(G02、G03)。G02、G03指令是实现指定平面两坐标联动方式的顺时针、逆时针圆弧轨迹。其程序段格式如下：G17 XY R G90 G02 IJ F； G18 XZ R G91 G03 IK F；G19 YZ R JK F； 21 圆弧的加工平面用G17、G18、G19指令选择，用G02、G03确定圆弧的加工方向，用G90、G91指定为绝对值或增量值编程。X、Y、

18、Z的坐标值在G90指令时，为圆弧终点在工件坐标系中的坐标值，在G91指令时，为圆弧终点相对圆弧起点的增量值。I、J、K的坐标值，无论是G90，还是G91指令时，均是圆心相对于圆弧起点的增量值；若用R(半径参数)，圆弧小于或等于180时用+R，大于180时用-R。 刀具半径补偿指令(G40、G41、G42)。G4l-左偏刀具半径补偿指令。沿刀具前进方向看(假设工件不动)，刀具位于零件左侧时的刀具半径补偿；G42-右偏刀具半径补偿指令。沿着刀具前进方向看(假设工件不动)，刀具位于零件右侧时的刀具半径补偿；G40-刀具半径补偿指令注销指令。使用G40后，使G41、G42指令无效。22 用G41、G4

19、2指令时，可以使用D02指令，即用D后跟二位数字的D00-D99，表示某一刀具半径值的存储器号，加工前实测刀具半径值，并存储在对应的刀具半径值存储器中。 有C功能的刀具半径补偿的指令G40、G41、G42，若铣削零件轮廓时，不需计算刀具中心运动轨迹，而只需按零件轮廓编程。当数控装置执行程序时，能按刀具对应D存储器中的刀具半径值，自动地计算出刀具中心轨迹的坐标值，对零件的编程带来极大方便。按零件轮廓编程有如下好处： 编程时不必考虑刀具半径的大小； 当实际使用的刀具半径与开始加工时设定刀具半径不符时，例如刀具磨损或重磨，仅改变D中的半径值即可，不必重新编程； 同一把铣刀，改变键入的半径值，同一个程

20、序可进行粗、精加工；改变键入的半径值的正负号，可加工阴阳模； 同一把刀具可有不同的D存储器单元，即可有不同的补偿设定值，便于加工。23 （4） 数控机床联动轴X、Y、Z和A、B、C的定义规则 按标准，数控机床坐标系统采用右手直角笛卡儿坐标系，如右图所示。 右手直角笛卡儿坐标系24 右图为数控机床坐标系例。确定机床坐标系时，假定刀具相对工件作相对运动。该标准规定机床传递切削力的主轴轴线为Z坐标。当机床有几个主轴时，则选一个垂直于工件装夹面的主轴为 Z 轴。规定增大工件和刀具距离(工件尺寸)的方向为Z轴的正方向。 X 坐标是水平的，它平行于工件的装夹面。对工件旋转的机床，取刀具远离工件的方向为 X

21、 的正方向。对于刀具旋转的机床则规定：当 Z 轴为水平时，从刀具主轴后端向工件方向看，X 正方向为向右方向；当Z 轴为垂直时，对单立柱机床，面对刀具主轴向主轴方向看，右手方向为正方向。 Y 坐标轴按右手直角笛卡儿坐标系确定其正方向。 数控机床坐标系例253 数控（CNC）程序编制方法 由分析零件图、制订工艺规程、计算刀具运动、编写零件加工程序单、制作程序介质直到程序校验，整个过程主要由人来完成，这种人工制备零件加工程序的方法称为手工编程（Manual Programming）。下图示出了手工编程工作过程。手工编程中也可以利用计算机辅助计算出坐标值，再由人工编制加工程序。1）手工编程与自动编程及

22、其比较 手工编程工作过程26 编制零件加工程序的全部过程主要由计算机来完成，此种编程方法称为自动编程(Automatic Programming)。语言输入式自动编程的工作过程如下图所示。 由图看出，编程人员只需根据零件图和工艺过程，使用规定的数控语言编写一个较简短的零件加工源程序，输入到计算机中，计算机由通用(前置)处理程序自动地进行编译、数学处理，计算出刀具中心运动轨迹，再由计算机中的后置处理程序自动地编写出适合指定机床的零件加工程序单，并输出加工程序单或错误，经修改源程序直至输出正确的零件加工程序单。 自动编程工作过程27 随着计算机图形显示技术的发展，出现了人机对话式自动编程。对话式自

23、动编程又称交互式，是以图形显示技术为其基础的。 在人机对话的工作方式下，编程人员按菜单提示的内容反复与计算机对话，陆续回答计算机的提问，直到把该答的问题全部答完。 人机对话的方式离不开图形显示，从工件的图形定义、刀具的选择、起刀点的确定、走刀路线的安排直到各种工艺指令的及时插入，全在对话过程中告诉了计算机。 对话式图形显示，贯穿于整个编程过程，很直观，若有错也可及时改正，最后得到正确的、所需的零件加工程序。28 零件轮廓简单，不需要经过复杂的计算，程序段不多时，采用手工编程方法是适宜的。 工件坐标系在编程时使用，由编程人员在工件上指定某一固定点为原点建立工件坐标系。工件装上机床后，两个坐标系保

24、持一定的关系。工件坐标系原点在机床坐标系中称为调整点，调整点的选择应使工件上最大尺寸能加工出来。 机床坐标系与工件坐标系的两个原点存在一定的关系，通过G92指令，可将工件坐标系原点的偏置值在加工开始前就输入到数控装置的内存中。 例如：当执行程序段N01 G92 X100.00 Y50.00 后，数控系统自动地将这一设定的调整点的坐标值加到程序段的坐标字的位移中去，使编程坐标系平移。也就是说，数控系统将按工件坐标系给定的编程尺寸自动地转换到机床坐标系中去。 值得注意的是：在执行G92指令时，并不使机床产生运动，而只是记录调整点设定坐标值，将它存入数控装置的内存中。2） 手工编程例29 简例1：如

25、下图圆弧编程示例，设A为对刀点，从点A 沿圆弧C1、C2、C3至D 点停止，设进给速度F为100mm/min，主轴转速为500r/min （绝对值和增量值编程指令应用例）。（a）用绝对值编程时：用I、J 编程为N01 G92 G90 X0.00 Y18.00 S500 M03 *N02 G02 X18.00 Y0.00 I0.00 J-18.00 F100 *N03 G03 X68.00 Y0.00 I25.00 J0.00 *N04 G02 X88.00 Y20.00 I0.00 J20.00 *N05 M02 *用R 编程时为N01 G92 G90 X0.00 Y18.00 S500 M0

26、3 *N02 G02 X18.00 Y0.00 R18.00 F100 *N03 G03 X68.00 Y0.00 R25.00 F100 *N04 G02 X88.00 Y20.00 R-20.00 *N05 M02 *圆弧编程示例30（b）用增量值编程时： 用I、J 编程为N01 G92 G90 X0.00 Y18.00 S500 M03 *N02 G91 G02 X18.00 Y-18.00 I0.00 J-18.00 F100 *N03 G03 X50.00 Y0.00 I25.00 J0.00 *N04 G02 X20.00 Y20.00 I0.00 J20.00 M02 *用R 编

27、程时为N01 G92 G90 X0.00 Y18.00 S500 M03 *N02 G91 G02 X18.00 Y-18.00 R18.00 F100 *N03 G03 X50.00 Y0.00 R25.00 *N04 G02 X20.00 Y20.00 R-20.00 M02 *31简例2：刀补指令（G41、G42、G40应用例） 如下图所示，以O点为对刀点，加工路线为N2N3N4N5N6N7。进给速度F 为100mm/min 。 切削进给面 ； 矢量 ； 快速进给 ； 刀位点轨迹（即刀尖点轨迹）； 刀补动作图示32 % 200（OFFSET INC）* 程序名及注释 N01 G91 G1

28、7 G00 S500 M03 * 有G17指定插补和刀具平面 （XY平面，主轴转速为500 r/min） N02 G41 D01 X20.0 Y10.0 * 刀补建立，刀补号为D01 N03 G01 X0.0 Y40.0 F100 * N04 X30.0 Y0.0 * 刀补进行 N05 X 0.0 Y 30.0 * N06 X-40.0 Y0.0 * N07 G00 G40 X-10.0 Y-20.0 M05 * 用G40撤消刀补 N08 M30 *（a）按增量值编程时33 % 200（OFFSET ABE）* 程序名及注释 N01 G54 G90 G17 G00 S500 M03 * 建立坐标系 N02 G41 D01 X20.0 Y10.0 * N03 G01 Y50.0 F100 * N04 X50.0 * N05 Y20.0 * N06 X10.0 * N07 G00 D00 X0.0 Y0.0 M05 * 用D00撤消刀补 N08 M30 * (b) 按绝对值编程时 通常D00或H00 的地址单元中存放零刀补值，故也可用D00或H00撤消刀补。34 由于手工编程既烦琐又枯燥，并影响和限制了NC机床的发展和应用，因而在NC机床出现不久，人们就开始了对自动编程方法的研究。随着计算机技术和算法语言的发展，首先提出了用“程序语言”的方法