第1章 模具数控加工概述

1.1数控机床概述1.2CNC数控系统1.3程序编制概述思考与练习第1章模具数控加工概述

模具是一种技术密集、资金密集、劳动密集的产品，利用模具进行生产具有成本低、能耗少、质量优、效率高的特点，它在汽车、航空、电器等行业得到广泛应用。如下图所示为数控机床加工汽车用模具。§1.1数控机床概述

数控技术是一个综合性很强的技术学科，它涉及系统控制、工业设计、机械结构、变频调速、网络通讯和信号分析等范围很广和适用性很强的技术领域。自数控机床出现来，现已逐步形成CAD/NCP/CAM/CAE/CAPP（计算机辅助设计/数控编程/计算机辅助制造/计算机辅助工程/计算机辅助工艺设计）信息集成的重要环节，为向现代柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）方向发展奠定了基础。数控机床加工的模具零件,从种类上来看可分为以下类型:具有特种型面的模具工作零件，如凸、凹模、型芯及球面模柄等套、孔类零件，如导套、定和动模板套、浇口套与压边圈销轴类的定位、卸料零件，如定位销、挡料销、顶销、推杆以及导柱、滚轮、模柄等板块类的支承零件，如上下模板、导向板、导料板、各类支承板、固定板与导块、镶块、滑块等抽芯机构中的斜楔螺纹成形零件，如压塑模中的螺纹成形杆与成形环、螺纹嵌件，注射模中的螺纹型芯环

1.1.1数控机床基本概念数字控制，简称数控（NumericalControl）是利用数字指令对机械动作进行控制的方法。数控系统（NumericalControlsystem）是采用数字控制的系统。计算机数控系统（ComputerNumericalControl）是用计算机控制实现数数控技术（NumericalControltechnology）是用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。目前，计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、敏捷制造（AM）和智能制造（IM）等先进制造技术都建立在数控技术基础上。控功能的系统。数控机床（NumericalControlMachineTools）是用数字指令进行控制的机床，机床的所有运动，包括主运动、进给运动与各种辅助运动都是用输入数控装置的数字信号来控制的，其加工过程可用下图所示的框图来描述。数控加工技术是指高效、优质地实现产品零件特别是复杂零件加工的技术，它是自动化、柔性化、敏捷化和数字化制造加工的基础与关键技术。计算机辅助设计和制造简称CAD/CAM，是以计算机作为主要技术手段，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成从产品设计到加工制造整个过程的各项活动。模具CAD/CAM技术的主要特点是设计与制造过程的紧密联系—设计制造一体化，其实质是设计和制造的综合计算机化，主要设计与制造加工的是各类模具零件。目前这类软件较多，典型的CAD/CAM软件主要有MasterCAM、CAXA、I-DIAS、UG、CATIA、CADDS、DOCT等，其中我国应用较多的有MasterCAM、CAXA、Pro/E、UG软件。1.1.2数控机床的组成与工作原理1.数控机床的组成

数控机床的组成通常是由程序载体、CNC装置、伺服系统、检测与反馈装置、辅助装置、机床本体。

（1）程序载体程序载体是用于存取零件加工程序的装置。可将加工程序以特殊的格式和代码存储在载体上，常用的有磁盘、磁带、硬盘和闪存卡等。由于复杂模具和大型零件的加工程序占用内存空间大与网络DNC技术的发展，目前将加工程序的执行方式按数控机床控制系统的内存空间大小分为两种方式：一种是采用CNC方式，即先将加工程序输入机床，然后调出来执行；另一种是采用DNC方式，即将机床与计算机连接，机床的内存作为存储缓冲区，加工程序由计算机一边传送，机床一边执行。（2）CNC装置（又称计算机数控装置）CNC装置是CNC系统的核心，主要包括微处理器（CPU）、存储器、局部总线、外围逻辑电路和输入/输出控制等。CNC装置接受的是输入装置送来的脉冲信号；信号经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各部分，使其进行规定的、有序的动作。（3）伺服系统伺服系统的作用是把来自数控装置的运动指令进行放大处理，驱动机床移动部件的运动，使工作台和主轴按规定的轨迹运动，加工出符合要求的产品。它的伺服精度和动态响应是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。伺服系统包括驱动装置和执行装置两大部分，由伺服驱动电路、功率放大电路、伺服电动机和传动机构等组成。常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。

（4）检测与反馈装置检测与反馈装置有利于提高数控机床加工精度。它的作用是：将机床导轨和主轴移动的位移量、移动速度等参数检测出来，通过模数转换变成数字信号，并反馈到数控装置中，数控装置根据反馈回来的信息进行判断并发出相应的指令，纠正所产生的误差。（5）辅助装置辅助装置是把计算机送来的辅助控制指令经机床接口转换成强电信号，用来控制主轴电动机起停、冷却液的开关及工作台的转位和换刀等动作。（6）机床本体机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件（如：工作台、拖板及其传动部件等）和支承部件，还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但是，由于数控机床的高速度、高精度、大切削用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。因此，近年来在设计数控机床时采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。2.数控机床的工作原理分析图1.5所示的数控机床工作过程和图1.6所示的数控机床组成可以知道，其工作原理是将零件加工信息用代码化的数字信息记录在程序载体上，然后送入数控系统，经过译码、运算控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件的数控加工过程。1.1.3数控机床的分类与特点1.数控机床的分类（1）按工艺用途分类①金属切削类数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床和加工中心等。②金属成型类数控机床主要有数控折弯机、数控弯管机和数控转头压力机等。③数控特种加工机床主要有数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控冲床和数控激光切割机床等。④其他类型数控机床主要有数控三坐标测量机等。（2）按运动轨迹分类①点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是在刀具相对于工件移动过程中，不进行切削加工，它对运动的轨迹没有严格要求，只要实现一点到另一点坐标位置的准确移动，几个坐标轴之间的运动没有任何联系。属于这类机床的有数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机等。②直线控制数控机床直线控制数控机床不仅要求具有准确的定位功能，还要求从一点到另一点按直线运动进行切削加工，刀具相对于工件移动的轨迹是平行机床各坐标轴的直线或两轴同时移动构成45°的斜线。属于这类机床的有数控车床、数控磨床、数控铣床和加工中心等。③轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上的坐标轴进行连续的切削加工控制，它不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且能按需要严格控制刀具移动的轨迹，以加工出任意斜线、圆弧、抛物线及其他函数关系的曲线或曲面。属于这类机床的有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控电火花线切割机床和加工中心等。（3）按伺服控制方式分类①开环控制数控机床开环控制数控机床结构简单，没有测量反馈装置，数控装置发出的指令信号流是单向的，所以不存在系统稳定性问题。因为无位置反馈，所以精度不高，其精度主要取决于伺服驱动系统的性能。开环控制数控机床是这样工作的，将控制机床工作台或刀架运动的位移距离、位移速度、位移方向和位移轨迹等参量通过输入装置输入CNC装置，CNC装置根据这些参量指令计算出进给脉冲序列（脉冲个数对应位移距离、脉冲频率对应位移速度、脉冲方向对应位移方向、脉冲输出的次序对应位移轨迹），然后对脉冲单元进行功率放大，形成驱动装置的控制信号。最后，由驱动装置驱动工作台或刀架按所要求的速度、轨迹、方向和移动距离，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。开环控制数控机床一般由功率步进电机作为伺服驱动单元。具有工作稳定、反应迅速、调试方便、维修简单、价格低廉等优点。在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。但是，由于步进电机的低频共振及丢步等原因，使其应用有逐渐减少的趋势。在我国，经济型数控机床一般都采用开环控制。②半闭环控制数控机床由伺服电机采样旋转角度而不是检测工作台的实际位置。因此，丝杠的螺距误差和齿轮或同步带轮等引起的误差难以消除。半闭环控制数控系统环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此控制性能稳定。而机械传动环节的误差，大部分可用误差补偿的方法消除，因而仍可获得满意的精度。目前，大部分数控机床采用半闭环控制。

③全闭环控制数控机床采样点从机床的运动部件上直接引出，通过采样工作台运动部件的实际位置，即对实际位置进行检测，可以消除整个传动环节的误差和间隙，因而具有很高的位置控制精度。但是由于位置环内的许多机械环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故障容易造成系统的不稳定，造成调试困难。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床和螺纹车床等。（4）按功能水平分类①经济型数控机床经济型数控机床是指采用步进电动机驱动的开环控制的数控机床。这种机床一般精度较低、价格便宜、功能简单，适用于自动化程度要求不高的场合。②全功能型数控机床全功能型数控机床的功能齐全、价格较贵。适用于加工复杂零件。③精密型数控机床精密型数控机床采用闭环控制，它不仅具有全功能型数控机床的全部功能，而且机械系统的动态响应较快。适用于精密和超精密加工。2.数控机床的特点数控机床具有较普通机床切削加工无法比拟的优点：（1）对加工对象的适应性强（2）加工精度高（3）生产效率高、经济效益好（4）可靠性高（5）减轻了操作者劳动强度（7）具有很强的通信功能当然，数控机床在应用中也有其不足之处：（1）初始投资大；（2）维护工作量大；（3）对操作者的技能水平要求较高。1.1.4数控机床的应用与发展趋势1.数控机床的应用根据数控机床本身的特点，一般它适合加工以下零件：（1）多品种小批量零件的生产；（2）更新换代频繁的产品零件；（3）形状复杂的难加工零件；（4）大型、不允许报废的关键零件；（5）尺寸精度要求严格的零件。2.数控机床的发展趋势回顾数控机床的发展，其主要经历了三个阶段：NC阶段、CNC阶段和ONC阶段。NC与CNC的主要区别在于：NC的内部结构为硬接线系统，机床的控制功能不能轻易改变；CNC的内部结构为软接线系统，机床的控制功能随系统控制程序（软件）的变化而变化。为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：（1）高速、高效、高精度、高可靠性①高速、高效②高精度③高可靠性（2）模块化、智能化、柔性化和集成化①模块化、专门化与个性化②智能化③柔性化和集成化（3）开放性（4）出现新一代数控加工工艺与装备总之，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。§1.2数控系统我们一般将数控系统的概念广义化，定义成由控制器、机械结构和伺服单元等三个主要部分组成的产品模式。其中控制器就是我们通常所说的计算机数控系统，它由专用或通用计算机硬件加上系统软件和应用软件组成，完成数控装备的运动控制功能，人机交互功能，数据管理功能和相关的辅助控制功能，是数控装备功能实现和性能保证的核心组成部分，是整个数控体系的中心模块。一般CNC系统的控制精度很大程度上取决于硬件，而CNC系统的功能很大程度上取决于软件。CNC系统的逻辑控制、几何数据处理以及零件程序的执行由CPU统一控制，即数控系统为软件控制系统。数控系统中的信息是数字量，而模拟控制系统中的信息是模拟量。因此数控系统有如下特点：（1）可用不同的字长表示不同精度的信息；（2）可进行算术运算，也可进行复杂的信息处理；（3）可进行逻辑运算，可根据不同的指令进行不同方式的信息处理，从而用软件来改变。信息处理的方式或过程，不用改变电路或机械机构；而数控系统的工作过程是在硬件的支持下执行软件的全过程。正是由于数控系统具有上述优点，故被广泛应用于机械运动的轨迹控制。轨迹控制是机床数控系统和工业机器人的主要控制内容。

1.CNC系统的组成CNC装置是数控系统的核心，由硬件和软件组成。软件在硬件的支持下工作，离开了硬件，软件也无法工作。它由输入/输出装置、计算机数字控制装置、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。1.2.1CNC系统的组成和功能

2.CNC装置的功能CNC装置的功能通常分为两类：一类是基本功能，如控制功能、插补功能、辅助功能、主轴转速功能、进给功能、刀具功能、准备功能、自诊断功能等；另一类是选择功能，如固定循环功能、补偿功能、通信功能、人机对话编程功能、图形显示功能等。基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。不同类型、档次的数控机床，其CNC装置的功能一般有：（1）控制功能；（2）主轴功能；（3）辅助功能；（4）刀具功能；（5）准备功能；（6）进给功能；（7）插补功能；（8）自诊断功能；（9）固定循环功能；（10）补偿功能；（11）通信功能。3.衡量数控系统优、劣的主要指标（1）可靠性衡量的指标中最重要的是可靠性。可靠性指标一般采用平均无故障时间(MTBF，单位为小时)。（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。（3）经济性

1.2.2CNC系统的硬件结构1.CNC系统的硬件构成硬件构成需根据控制对象所需的CNC功能决定，因此在构成CNC硬件时，必须从系统功能要求出发。概括起来其硬件有如下几个部分构成：（1）计算机部分（2）电源部分（3）面板接口和显示接口（4）开关量I/O（输入/输出）接口（5）内装型PLC部分（6）伺服输出和位置反馈接口（7）主轴控制接口（8）外设接口2.CNC装置的体系结构CNC装置从使用的计算机类型来看，有专用计算机数控装置和通用计算机数控装置两种结构。（1）专用计算机组成的数控体系结构（2）开放式数控体系结构（3）通用PC机组成的数控体系结构1.2.3CNC系统的软件结构软件结构取决于CNC系统中的软件和硬件的分工，也取决于软件本身的工作性质。在信息处理方面，软件和硬件在逻辑上是等价的，有些由硬件能完成的工作原则上也能由软件完成。1.CNC控制软件的特点（1）多任务并行处理CNC是一个专用的实时多任务操作系统，它的系统程序包括管理和控制两大任务。系统的管理包括通信、显示、诊断、零件程序的输入输出以及人机界面管理（参数设置、程序编辑、文件管理等），这类程序实时性要求不高；系统的控制包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制、开关量I/O控制等，这类程序完成实时性很强的控制任务。（2）实时中断处理CNC系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定于系统软件的结构，中断类型主要有：一是外部中断，主要有纸带光电阅读机读孔中断，外部监控中断和操作面板键盘输入中断；二是内部定时中断，主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断；三是硬件故障中断，它是各种硬件故障检测装置发生的中断，如：存储器出错、定时器出错等；四是程序性中断，它是程序中出现的各种异常情况的报警中断。2.CNC系统的软件结构CNC系统是一个实时的计算机控制系统，其数控功能是由各种功能子程序实现的。不同的系统软件结构对这些子程序的安排方式不同，管理方式也不同。在单CPU的数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型软件结构。§1.3程序编制概述1.3.1数控编程概念与种类数控程序编制（又称数控编程）是指编程者（程序员或数控机床操作者）根据零件图样和工艺文件的要求，编制出可在数控机床上运行以完成规定加工任务的一系列指令的过程。具体来说，数控编程是由分析零件图样和工艺要求开始到程序检验合格为止的全部过程。一般情况下，数控编程分为手工编程和自动编程。手工编程是由人工完成刀具轨迹计算及加工程序的编制。零件形状不十分复杂时，一般采用手工编写数控加工程序。编程过程如下：（1）分析零件图纸，并制定加工工艺方案；（2）计算刀具的运动轨迹。求出每一线段相交点的坐标值,按照数控系统的规定字长,将长线分段,并得到数据值；（3）列出程序单：（4）按程序单输入程序或采用通讯方式传输并进行检查。自动编程是通过计算机的自动编程软件完成对刀具运动轨迹的运算并能自动生成数控加工程序的一种方法，大多应用在零件形状较为复杂手工难以完成时的场合，特别是一些三维立体形状的零件（如复杂模具型腔曲面等），运动轨迹计算复杂繁琐时优先采用。如图1.14所示是自动编程的顺序图。自动编程的要点是采用简单、习惯的语言去描述工件的几何形状和加工过程,由计算机接受、翻译、并根据指定的要求进行分段、计算，最后处理成自动编程的过程如下：（1）分析零件图纸，将加工信息输入CAD造型软件，完成零件的加工造型；（2）利用CAM制造信息完成零件的加工；（3）将加工信息通过后置处理程序，生成数控机床能识别的程序格式；（4）

通过通讯方式将程序传入机床并进行检查。总之，数控程序实质上是把零件加工的工艺过程、工艺参数（进给量、背吃刀量、主轴转速等）、位移数据（几何形状和尺寸）、开关命令等信息用数控系统规定的功能代码（如G、M、S、T等指令）和格式按照加工顺序编制而成，并记录在信息载体上。信息载体的形式可以是穿孔纸带、磁盘等各种记载二进制信息的介质，通过数控机床的输入装置可以将编制程序的内容传输到数控系统，进而加工出合格的零件，数控程序的质量如何直接影响着产品的质量和加工效率。1.3.2数控程序有关代码与标准

无论哪一种数控机床的加工，必须把代表各种不同功能的指令代码以程序的形式输入到数控装置，由数控装置进行运算和处理，发出脉冲信号去控制数控机床的各个运动部件的动作，完成零件的切削加工。为了满足设计、制造、维修和普及的需要，在输入代码、坐标系统、加工指令、辅助功能及程序格式等方面，国际上已形成了两种通用的标准，即国际标准化组织（ISO）标准和美国电子工业协会（EIA）标准。我国机械工业部根据ISO标准制定了JB3050—82《数字控制机床用七单位编码字符》和JB3051—82《数字控制机床坐标和运动方向的命名》以及JB3208—83《数字控制机床穿孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M代码》。但是由于各个数控机床生产厂家所用的标准尚未完全统一，其所用的代码、指令及其含义不完全相同，因此在编制程序时必须按所用数控机床编程说明书中的规定代码进行编程。ISO代码是国际标准化组织规定的标准代码，采用８位标准穿孔带作为数控系统的控制介质，由７位二进制数和１位偶校验位组成，穿孔带上每一排孔都为偶数。EIA代码是美国电子工业协会规定的标准代码，专门用于数控机床及辅助设备，其每一行都是奇数孔，其第５位作为补奇用。目前生产的数控机床都能识别这两种标准代码，不过数控系统在进行使用之前，可由调试人员通过修改参数可以调整到你习惯使用的格式代码。穿孔纸带也叫纸带、指令带，它是数控装置常用的控制介质。穿孔纸带上必须用规定的代码，以规定的格式排列，并代表规定的信息。数控装置读入这些信息后，对它进行处理，用来指挥数控机床完成一定的机械运动。常用的有五单位穿孔纸带和八单位穿孔纸带。代码是数控系统传递信息的语言，程序单中给出的字母、数字或符号都按规定穿出孔来（即信息孔）。有孔表示二进制的“1”，无孔表示二进制的“0”。根据穿孔纸带上一排孔有、无状态的不同，便可以得到不同的信息。1．数控编程中的代码字

符含

义字

符含

义A绕X坐标旋转的角度P平行于X坐标的第三坐标B绕Y坐标旋转的角度Q平行于Y坐标的第三坐标C绕Z坐标旋转的角度R平行于Z坐标的第三坐标D第三进给速度功能S主轴转速功能E第二进给速度功能T刀具功能F进给速度功能U平行于X坐标的第二坐标G准备功能V平行于Y坐标的第二坐标HISO不指定〔可作特殊用途：EIA输入〕W平行于Z坐标的第二坐标I圆弧起点相对圆心X轴向坐标值；EIA不用XX坐标方向尺寸J圆弧起点相对圆心Y轴向坐标值；EIA未指定YY坐标方向尺寸K圆弧起点对圆心Z轴向坐标值；EIA未指定ZZ坐标方向尺寸L固定循环及子程序的重复次数：对准功能，倒带停止M辅助功能%程序开始N程序段号0-9数字O程序号或子程序号2．常用地址字在数控系统中的用法

机能地址码意义程序号顺序号准备功能ONG程序编号顺序编号机床动作方式指令坐标指令X.Y.ZA.B.C.U.V.WRI.J.K坐标轴移动指令附加轴移动指令圆弧半径圆弧中心坐标进给功能主轴功能刀具功能FST进给速度指令主轴转速指令刀具编号指令辅助功能MB接通、断开、启动、停止指令工作台分度指令补偿暂停子程序调用重复参数H.DP.XLLP.Q.R刀具补偿指令暂停时间指令子程序号指定固定循环重复次数固定循环参数（1）程序段号——N它也叫顺序号字，位于程序段之首，它的地址符是N，后续数字一般2~4位。程序段号可以用在主程序、子程序和宏程序中。（2）准备功能字——G准备功能字的地址符是G，所以又称G功能或是G指令。它是使机床建立起某种加工方式的一种指令。G符号后多为两位数G00~G99，共100条。（3）辅助功能字——M辅助功能字由地址符M和随后的两位数字组成。用来指定数控机床辅助装置的接通和断开，表示机床各种辅助动作及其状态，如主轴的旋转方向、启动和停止，切削液供给和关闭，工件或刀具夹紧和松开，刀具更换等功能。（4）主轴转速功能字——S它由地址符S和其后的数字组成，所以也称为S功能或S指令，用于指定主轴的转速，单位是r/min。（5）进给功能字——F地址符用F，所以又称F功能或F指令，F后带有数字，用于指定刀具相对于工件的进给速度。一般情况下，可分为每分钟进给(mm/min)和每转进给(mm/r)两种。（6）刀具功能字——T刀具功能字用地址符T及其后的数字表示，所以也称为T功能或T指令。T指令的功能含义主要是用来指定加工时使用的刀具号。（7）尺寸字它由坐标地址符（X、Y、Z等）和其后带正、负号的数字组成，用于给定坐标轴的移动方向和位移量。例如X20.0，表示向X轴正方向运动20mm。1.3.3程序的结构与格式1．程序的结构数控加工是由若干程序段组成，程序段由一个或若干个指令字组成，指令字由地址符和数字组成，它代表数控机床的一个位置或动作。一个完整的数控加工程序包括开始符、程序名、程序主体和程序结束指令，如下面结构图所示：O1000；程序名G54；N010G92X0Y0；N020G90G00X50Y60；程序主体…………；N110M05；N120M02；程序结束需要注意是：不同的数控系统和不同生产厂家生产的数控机床，在格式使用上还是有所不同的，所以要求使用者必须对机床充分了解。（1）程序号程序号为程序的开始部分，为了区别存储器中的程序，每个程序都要有程序编号，在编号前采用编号地址码。如在FANUC系统和国产华中世纪星系统中，一般采用英文字母O作为程序编号地址，也有一些系统采用P、%等；而SIEMENS系统一般用前两位为英文字母，后缀名为.MPF表示，如CZY10.MPF。（2）程序内容程序内容是整个程序的核心部分，它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成，它表示数控机床要完成的全部动作。（3）程序结束程序结束是以程序结束指令M02或M30作为整个程序结束的符号，来结束整个程序。2．程序段格式程序段格式是指一个程序段中字、字符、数据的书写规则，通常有字—地址程序段格式、使用分隔符的程序段格式和固定程序段格式，最常用的为字—地址程序段格式，又称地址可变程序段格式。（1）字—地址程序段格式字—地址程序段格式由语句号字、数据字和程序段结束组成。各字前有地址，各字的排列顺序要求不严格，数据的位数可多可少，不需要的字以及与上一程序段相同的续效字可以不写。该格式的优点是程序简短、直观以及容易检验、修改，故该格式在目前广泛使用。NGXUQYVPZWRI

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RFSTMLF顺序号准备功能坐标字进给功能主轴功能刀具功能辅助功能结束符号采用字—地址程序段格式编写的程序简短、直观、不易出错，因而得到广泛使用，这主要是因为它有以下特点：①程序段中各信息字先后顺序并不严格，不必要的字可省略；②数据符的位数可多可少，但不得大于规定的最大允许位数；③某些功能字处于模态指令（也称续效指令），模态指令一经使用，只有被同组的其他指令取代或取消后方才失效，否则保持继续有效，并且可以省略不写。NGXUQYVPZWRI

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RFSTMLF顺序号准备功能坐标字进给功能主轴功能刀具功能辅助功能结束符号（2）使用分隔符的程序段格式这种格式预先规定了输入时可能出现的字的顺序，在每个字前写一个分隔符“B”，这样就可以不使用地址符，只要按规定的顺序把相应的数字跟在分隔符号后面就可以了。如应用在数控电火花线切割机床上的3B代码，B8000B2000B8000GXL1。使用分隔符的程序格式一般用于功能不多且较固定的数控系统，但程序不直观容易出现。（3）固定程序段格式这种程序段既无地址码也无分隔符，各字的顺序及位数是固定的。重复的字不能省略，所以每个程序段的长度都是一样的。这种格式的程序段长且不直观，目前很少使用。３．主程序与子程序在编制程序中，往往有一些固定操作的部分程序段重复出现，采用子程序编写后根据需要随时调用，这样使编程可以简单。但是，在不同数控系统中要注意它们的使用方法，主要区别在以下几个方面：（1）程序名主程序名与子程序名属性都相同的，如FANUC、HNC-21、广州数控等；不相同的，如SIEMENS系统，主程序名属性为.MPF,而子程序名属性为.SPF。（2）调用方式不同系统调用方式也有所不同，如常用M98指令调用，而有些系统采用G22、G21指令调用。（3）存放位置子程序存放的位置不同，如HNC-21数控系统子程序存放位置可以放在主程序后，而其它系统多以单独建立一个文件的形式存放。4．用户宏程序用户可以利用系统提供的各种算术、逻辑和函数运算符以及各种分支语句，来组成描述加工零件形状的数学表达式，在程序执行过程中，数控系统边运算边输出结果，用很短的程序就可以实现特种曲线和曲面的加工。1.3.4数控编程内容与步骤1．数控编程内容1）选择坐标系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结出其应到达的位置，以相应坐标尺寸上的“十”、“一”来规定运动方向。数控机床坐标系一般采用右手直角笛卡儿坐标系来判别。数控机床采用的坐标系有以下三种类型：一是机械坐标系；二是工件坐标系；三是局部坐标系。根据需要，决定选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，如果坐标轴为X、Y、Z轴，则坐标值指定为X_Y_Z_。（1）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)和设定局部坐标系(G52)等操作均无变化。机械坐标系在机械中是固定的，它通过操作手动返回参考点，以参考点为原点设定机械坐标系。（2）什么是工件坐标系？在加工工件时使用的坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系可以由下列两种方法设定。①数控车床系列a）数控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(x，z)，该坐标系称为工件坐标系。例如图所示为直径指定时的坐标系设定：G50X120Z200b）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1G55工件坐标系2G56工件坐标系3G57工件坐标系4G58工件坐标系5G59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。②数控铣床与加工中心系列a）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_；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。b）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)。其中ZOFS1、ZOFS2、ZOFS3、ZOFS4、ZOFS5、ZOFS6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。

（3）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。局部坐标系的设定不改变工件坐标和机械坐标。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。（4）在数控铣床与加工中心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（G9）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，应取消刀具半径补偿、刀具长度补偿、刀具位置偏置。2）加工路线与走刀路线的确定加工路线是指加工过程中刀具运动的轨迹和方向，加工路线的确定应保证零件的加工精度和表面粗糙度。根据零件的形状，选用顺铣还是逆铣以保证零件的加工精度，这些在确定加工路线时应予考虑。（1）加工工序的划分在数控机床上加工零件时，对加工的工序要进行划分。工序划分的原则主要有：按所用刀具划分工序；按粗、精加工划分工序和按先面后孔的原则划分工序。（2）走刀路线的选择合理选择走刀路线对于数控加工非常重要。走刀路线的选择应重点考虑以下几个方面：a）刀具切入和切出工件的加工路线，为避免因交接处重复切削或法线方向切出而在工件表面上产生痕迹，应沿切线方向进退刀。b）走刀路线要保证加工零件的表面粗糙度和尺寸精度要求，一般采用顺铣。c）走刀路线应有利于简化数值计算，减少程序段数和编程工作量。对重复的加工路线，可编写子程序，由主程序调用。d）尽量缩短走刀路线，减少空行程走刀，提高工效。注意：空行程快速走刀应绝对保证安全。3）加工程序代码的编写①EIA代码?是美国电子工业协会规定的代码，是一种出现较早的源代码格式。②ISO代码?是国际标准化组织规定的代码，俗称G代码。ISO标准和EIA标准相比有如下优点：信息量大；采用偶数校验，可靠性高；便于逻辑判别和校验。③3B代码?是应用于数控电火花线切割机床的加工代码，我国数控电火花线切割机床代码统一采用3B格式。2．编程工艺指令字程序编制分为手工编程和自动编程两种，不同的是后者通过计算机及相应的软件来完成。它们的编制格式基本一致，在工艺指令的编制中包括有准备功能指令G和辅助功能指令M。NGXYZFSTMLF或CR顺序号准备功能坐标运动尺寸工艺性指令辅助功能结束代码在表中，①N代表程序段的序号，以字母N和四位数字表示。②G是准备功能指令，由G和两位数字组成。③X、Y、Z分别代表各加工轴的坐标运动尺寸。④F、S、T代表工艺性指令，F指令进给速度，S指令主轴转速，T指令刀具号。⑤M为辅助功能指令，由M和两位数字组成。⑥LF或CR代表结束代码，LF为ISO标准中的结束号，CR为EIA代码中的结束号（有的用符合“*”或“；”表示）。３．数控编程的步骤数控编程的步骤大致分为以下几个过程：1）分析零件图样和工艺要求分析零件图样和工艺要求的目的，是为了确定加工方法、制定加工计划，以及确认与生产组织有关的问题，此步骤的内容包括：（1）确定该零件应安排在哪类或哪台机床上进行加工。（2）采用何种装夹夹具或何种装卡定位方法。（3）确定采用何种刀具或采用多少把刀具进行加工。（4）确定加工路线，即选择对刀点、程序起点（又称加工起点，加工起点常与对刀点重合）、走刀路线、程序终点（程序终点常与程序起点重合）。（5）确定切削深度和宽度、进给速度、主轴转速等切削参数。（6）确定加工过程中是否需要提供冷却液、是否需要换刀、何时换刀等。2）数值计算根据零件图样几何尺寸，计算零件轮廓数据，或根据零件图样和走刀路线，计算刀具中心（或刀尖）运行轨迹数据。数值计算的最终目的是为了获得编程所需要的所有相关位置的坐标数据。3）编写加工程序单在完成上述两个步骤之后，即可根据已确定的加工方案（或计划）及数值计算获得的数据，按照数控系统要求的程序格式和代码格式编写加工程序。编程者除应了解所用数控机床及系统的功能、熟悉程序指令外，还应具备与机械加工有关的工艺知识，才能编制出正确、实用的加工程序。4）制备控制介质，输入程序信息程序单完成后，编程者或机床操作者可以通过CNC机床的操作面板，在EDIT方式下直接将程序信息键入CNC系统程序存储器中；也可以根据CNC系统输入、输出装置的不同，先将程序单的程序制作成或转移至某种控制介质上。控制介质大多采用穿孔带，也可以是磁带、磁盘等信息载体，利用穿孔带阅读机或磁带机、磁盘驱动器等输入（输出）装置，可将控制介质上的程序信息输入到CNC系统程序存储器中。5）程序检验编制好的程序，在正式用于生产加工前，必须进行程序运行检查。在某些情况下，还需做零件试加工检查。根据检查结果，对程序进行修改和调整，检查—修改—再检查—再修改……这往往要经过多次反复，直到获得完全满足加工要求的程序为止。上述编程步骤中的各项工作，主要由人工完成，这样的编程方式称为手式编程。在各机械制造行业中，均有大量仅由直线、圆弧等几何元素构成的形状并不复杂的零件需要加工。这些零件的数值计算较为简单，程序段数不多，程序检验也容易实现，因而可采用手工编程方式完成编程工作。由于手工编程不需要特别配置专门的编程设备，不同文化程度的人均可掌握和运用，因此在国内外，手工编程仍然是一种运用十分普遍的编程方法。本章总结本章根据模具零件的数控加工需要，重点介绍了数控机床基本知识、CNC数控系统的功能与软硬件结构以及模具零件程序编制的相关知识。思考与练习一、填空题1．切削用量三要素是指主轴转速（切削速度）、

和

。对于不同的加工方法，需要不同的

，并应编入程序单内。2．数控机床通常由

、