数控编程基础

第2章数控加工的程序编制

基本要求：1）掌握数控编程加工工艺基础，编程的方法与步骤。2）掌握程序结构与格式、常用功能指令与代码。3）掌握手工编程方法：孔加工、车削加工、铣削加工以及加工中心的数控程序编制。重点:1）数控加工程序的编程方法。2）常用G代码的指令格式、功能原理、应用条件。3）零件的孔加工、车加工和铣削加工“手工编程”方法。第三讲2.1

概述2.1.1数控编程的基本概念

把零件的加工工艺路线、工艺参数，刀具的运动轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、进给量、切削深度等）以及辅助功能（换刀，主轴正反转，切削液开、关等）按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，输入到数控机床的控装置中，从而控制机床加工零件，这一过程称为数控程序的编制。2.1.2数控编程方法简介

1)手工编程

2)自动编程

以自动编程语言为基础的方法以计算机辅助设计为基础的方法程序编制的内容和步骤概述举例：程序编制的内容和步骤概述

该工件要求在立式数控铣床上加工沟槽。沟槽的宽度是10mm，深度是5mm，故选用直径φ10mm的立铣刀。采用增量值编程方式。程序编制的内容和步骤概述%2006N001G91G00X18.0Y15.0；由O点移至P0点。NO02S500M03；主轴正转、转速500r/min。N003M08；冷却泵起动。N004Z-27.O；由P0快速下移27mm。N005G0lZ-8.0F140；140mm/min速度下移至槽底P1点。N006X160.0；由P1点加工至P2点。N007Y46.0；由P2点加工至P3点。N008G02X-35.0Y35.0R35.0；加工顺时针圆弧P3点至P4点。N009G01X-90.0；由P4点加工至P5点。N010G03X-35.0Y-35.0R35.0；加工逆时针圆弧P5点至P6点。N0llG01Y-46.0；由P6点加工至P1点。NOl2G00Z35.0；由P1点快速上升至P0点。N0l3M09；关冷却液。N014M05；主轴停止转动。N015X-l8.0Y-15.0；快速返回起始点。N016M02；程序结束。程序体

——程序名——程序开始——程序结束概述程序编制的内容和步骤

根据以上实例，可以归纳出程序编制的一般内容和过程如下：1．分析零件图纸首先要分析零件图纸。根据零件的材料、形状、尺寸、精度、毛坯形状和热处理要求等确定加工方案，选择合适的数控机床。

2．工艺处理1)确定加工方案2)刀具工夹具的设计和选择3)选择对刀点4)确定加工路线5)确定切削用量

概述程序编制的内容和步骤

根据以上实例，可以归纳出程序编制的一般内容和过程如下：3．数学处理在工艺处理工作完成后，根据零件的几何尺寸，加工路线，计算数控机床所需的输入数据。4．编写零件加工程序单在完成工艺处理和数值计算工作后，可以编写零件加工程序单，编程人员根据所使用数控系统的指令、程序段格式，逐段编写零件加工程序。

5．制备控制介质及程序检验

编写好的程序，制备完成的控制介质需要经过检测后，才用于正式加工。一般采用空走刀检测、空运转画图检测、在显示屏上模拟加工过程的轨迹和图形显示检测，以及采用铝件、塑料或石蜡等易切材料进行试切等方法检验程序。二、程序编制的方法程序编制的方法有两种：手工编程自动编程概述程序编制的方法用人工完成程序编制的全部工作(包括用通用计算机辅助进行数值计算)称为手工程序编制。自动编程是用计算机进行数控机床的程序编制工作。可自动地进行数值计算、编写零件加工程序单，自动地输出打印加工程序单和制备控制介质等。

对于点位加工或几何形状较为简单的零件时，数值计算较简单，程序段不多，采用手工编程即可实现，比较经济。对于零件轮廓形状不是由直线、圆弧组成时，特别是空间曲面零件，程序工作量很大，使用手工编程既繁琐又费时，而且容易出错。据统计采用手工编程一个零件的编程时间与数控机床加工时间之比，平均约为30︰1。因此，为了缩短编程时间，提高数控机床的利用率，必须采用“自动程序编制”的方法。概述程序编制的方法

自动编程减轻了编程人员的劳动强度、缩短编程时间、提高编程质量。同时解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。

概述程序编制的方法手工编程的内容与步骤

零件图纸分析

确定加工的工艺路线刀位轨迹计算编写程序程序输入程序校验、试切

加工自动编程1.语言程序编程系统零件源程序:用专用的语言和符号来描述零件图纸上的几何形状及刀具相对零件运动的轨迹、顺序和其它工艺参数等零件源程序后置处理输入翻译数值计算穿孔纸带加工程序单编译程序通用计算机APT自动编程系统2.图形交互自动编程系统自动编程系统:

和CAD数据库及CAPP系统有效的连接； 三维设计、分析、NC加工于一体。常见的CAD/CAM系统：

Solidworks Pro/Engineering MasterCAM I-DEAS UG CAXA主要处理过程：

1．几何造型

2．刀具走刀路径的产生

3．后置处理2.2.1编程的几何基础一、机床坐标系是机床上固有的坐标系，采用右手直角笛卡尔坐标系。A、B、CU、V、W2.2数控编程的基础1．坐标和运动方向命名的原则为了使编程人员能在不知道机床在加工零件时是刀具移向工件，还是工件移向刀具的情况下，就可以根据图样确定机床的加工过程。

特别规定：永远假定刀具相对于静止的工件坐标系而运动。

2．运动方向的确定

JB3051-82中规定：机床某一部件运动的正方向，是增大工件和刀具之间距离的方向。机床各坐标轴及其正方向的确定原则是：

(1)先确定Z轴。数控机床的主轴与机床坐标系的Z轴重合或平行。多主轴机床和无主轴机床取垂直于工件装夹面的轴为Z轴正方向：假定工件相对静止，刀具移动；刀具远离工件的方向为正方向。

（2）再确定X轴：与Z轴垂直，一般为水平方向，并与工件装夹面平行；正方向工件旋转的机床：刀具远离工件的方向为坐标轴正方向（如车床、磨床）刀具旋转的机床Z轴水平：由主轴尾端向工件看，右为正（如：卧铣床、插齿机）Z轴垂直：由刀具主轴向立柱看，右为正（如：立铣床、镗床）

(3)最后确定Y轴。在确定了X、Z轴的正方向后，即可按右手定则定出Y轴正方向。上述坐标轴正方向，均是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动而确定的方向，即刀具运动坐标系。

此外，如果在基本的直角坐标轴X、Y、Z之外，还有其他轴线平行于X、Y、Z，则附加的直角坐标系指定为U、V、W和P、Q、R。演示车床（前刀架、后刀架）和铣床机床坐标系。二、机床零点、参考点

机床原点(零点)是机床坐标系的原点，是机床上的一个固定的点，出厂时已定义，用户无变更权限。数控车床的机床原点多定在主轴前端面的中心，数控铣床的机床原点多定在进给行程范围的正极限点处，使用前可查阅机床用户手册。机床坐标系是通过回参考点操作来确立的，参考点是确立机床坐标系的参照点。

机床参考点是用于对机床工作台(或滑板)与刀具相对运动的增量测量系统进行定标与控制的点。该位置是在每个轴上用挡块和限位开关精确地预先调整好的，它相对于机床原点的坐标是一个已知数，一个固定值。每次开机启动后，或当机床因意外断电、紧急制动等原因停机而重新启动时，都应该先让各轴返回参考点，进行一次位置校准，以消除上次运动所带来的位置误差。机床启动时，通常要进行机动或手动回零。所谓回零，就是让机床回到机床零点。注意：目前现代数控系统有的回零一般是指回到参考点。机床零点和参考点的关系？数控装置上电时并不知道机床零点，为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点（测量起点），机床起动时，通常要进行机动或手动回参考点，以建立机床坐标系。机床参考点可以与机床零点重合，也可以不重合。机床回到了参考点位置，也就知道了该坐标轴的零点位置，CNC就建立起了机床坐标系。示例：仿真软件上演示三、工件坐标系、工件零点、编程零点和对刀点工件坐标系是编程人员在编程时使用的，编程人员选择工件上的某一已知点为原点（也称工件零点），建立一个新的坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。在对零件图形进行编程计算时，必须要建立用于编程的坐标系，其坐标原点即为程序零点。工件零点与编程零点两者的关系如何？编程坐标系在机床上表现为工件坐标系，坐标原点就称之为工件原点。工件原点一般按如下原则选取：

(1)工件原点应选在工件图样的尺寸基准上。这样可以直接用图纸标注的尺寸，作为编程点的坐标值，减少数据换算的工作量。

(2)能使工件方便地装夹、测量和检验。

(3)尽量选在尺寸精度、光洁度比较高的工件表面上，这样可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。

(4)对于有对称几何形状的零件，工件原点最好选在对称中心点上。

车床的工件原点一般设在主轴中心线上，多定在工件的左端面或右端面。铣床的工件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，进刀深度方向上的零点，大多取在工件表面。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。换刀点为实现刀具交换所确定的点，为避免换刀时刀具与工件及夹具发生干涉碰撞等，换刀点应设在零件的外部。四、绝对尺寸与增量尺寸绝对尺寸：从工件坐标系的原点进行标注。增量尺寸：相对于前一点的位置增量进行标注，即零件上后一点的位置是以前一点为零点进行标注的。绝对坐标与相对坐标绝对坐标：是指刀具下一位置相对于程序原点的坐标

相对坐标：是指刀具从当前位置到的增量值

2.2.2编程的工艺基础工艺基础编程的基础知识

数控机床是按照程序进行加工的。加工中的所有工序、工步，每道工序的切削用量、走刀路线、加工余量，以及所用刀具的尺寸、类型等都要预先确定好并编入程序中。要求一个合格的编程员，应该是一个很好的工艺员，并对数控机床的性能、特点和应用、切削规范和标准刀具系统等非常熟悉。

1．确定加工方案数控不同类型的零件应在不同种类的数控机床上加工。数控车床；数控立式镗铣床和立式加工中心；数控卧式镗铣床和卧式加工中心；多坐标联动的卧式加工中心。编程的基础知识加工形状比较复杂的轴类零件。加工箱体、箱盖、平面凸轮、样扳、形状复杂的平面或立体零件。加工复杂的箱体类零件、泵体、阀体、壳体等。加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮。工艺基础

2．刀具工夹具的设计和选择尽量采用组合夹具。零件定位、夹紧的部位应考虑到不妨碍各部位的加工、更换刀具以及重要部位的测量，尤其要注意不能碰撞的现象出现。夹紧力应力求通过(或靠近)主要支承点；应力求靠近切削部位，并在刚性较好的地方。零件的装夹、定位要考虑到重复安装的一致性，以减少对刀时间，提高同一批零件加工的一致性。编程的基础知识工艺基础

3．选择对刀点程序编制时正确地选择对刀点是很重要的。对刀点是工件在机床上找正夹紧后，通过对刀方式确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，用于确定工件坐标系在机床坐标系中位置的基准点。这一基准点即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点，所以称起刀点或程序起始点。这一点也常作为加工结束的终点。编程的基础知识工艺基础编程的基础知识工艺基础

对刀点的选择原则是：所选对刀点，应使程序编制简单；对刀点应选在容易找正、并在加工过程中便于检查的位置；引起的加工误差小。为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上。数控加工过程中需要换刀时应该设定换刀点。换刀点应设定在换刀时工件、夹具、刀具、机床相互之间没有任何的碰撞和干涉的位置上。换刀点和对刀点可以选为同一点，也可选为不同点。

4．确定加工路线

应尽量减少进、退刀时间和其他辅助时间。在铣削加工零件轮廓时，要尽量采用顺铣加工方式以减小机床的颤振，提高零件表面粗糙度和加工精度。选择合理的进、退刀位置，尽量避免沿零件轮廓法向切入和进给中途停顿。进、退刀位置应选在不重要的位置。加工路线一般是先加工外轮廓，再加工内轮廓。编程的基础知识工艺基础

5．加工工序的划分数控不同类型的零件应在不同种类的数控机床上加工。刀具集中分序法：粗、精加工分序法：加工部位分序法：编程的基础知识按所用刀具划分工序，用同一把刀完成零件上所有可以完成的部位。再用第二把刀、第三把刀完成它们可以完成的部位。对单个零件要先粗加工、半精加工，而后精加工。对于一批零件，先全部进行粗加工、半精加工，最后再进行精加工。先加工平面、定位面，后加工孔；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度较低的部位，再加工精度要求较高的部位。工艺基础

1．按所用刀具划分工序

以同一把刀具完成的那部分工艺过程为一道工序。即在刀具的一次装夹中，尽可能用同一把刀具加工完成所有可能加工到的部位，然后再换另一把刀具加工其他部位。这种方法使用于工件的待加工表面较多，机床连续工作时间过长，加工程序的编制和检查难度较大等情况。在加工中心上常采用此法。在数控机床上加工的零件，一般按工序集中原则划分工序，划分方法如下：

2．粗、精加工分序法即先粗加工再精加工，对单个零件要先粗加工、半精加工，而后精加工。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。这种方法适用于工件的加工后变形较大、需粗精加工分开的零件。如毛坯为铸件或锻件。3.按零件加工部位划分一般在加工外形时，以内形定位；在加工内形时，则以外形定位。因而可根据定位方式的不同来划分工序。如图1-21所示的片状凸轮，按定位方式可分为两道工序。第一道工序可在普通机床上进行，以外圆表面和B平面定位，加工端面A和(22H7的内孔；然后，再加工端面B和Φ4H7的工艺孔。第二道工序以已加工过的两个孔和一个端面定位，在数控铣上铣削凸轮外表面曲线。图1-21车削加工的零件三、工件的装夹方式

1．定位装夹的基本原则在数控机床上加工零件时，定位安装的基本原则与普通机床相同。也要合理选择定位基准和夹紧方案。为提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时应注意下列三点：

(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。

四、加工路线的确定

加工路线是指刀具刀位点相对于工件运动的轨迹和方向。其主要确定原则如下：

(1)加工方式、路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度。如铣削轮廓时，应尽量采用顺铣方式，可减少机床的“颤振”，提高加工质量。

(2)尽量减少进、退刀时间和其他辅助时间，尽量使加工路线最短。

(3)进、退刀位置应选在不大重要的位置，并且使刀具尽量沿切线方向进、退刀，避免采用法向进、退刀和进给中途停顿而产生刀痕。⑷加工路线一般是先加工外轮廓，再加工内轮廓。1.6确定走刀路线和工步顺序

在数控加工中，刀具（严格说是刀位点）相对于工件的运动轨迹和方向称为加工路线，也叫走刀路线。它不但包括工步内容，也反映了工步的顺序。

工步顺序指在同一道工序中，各个表面加工的先后顺序。它对加工质量、效率及加工路线有直接关系。加工路线是编写程序的依据之一。确定走刀路线的一般原则1.保证零件的加工精度和表面粗糙度。

2.方便数值计算，减少编程工作量。

3.缩短走刀路线，减少进退刀时间和其他辅助时间。

4.尽量减少程序段数。

另外，在选择走刀路线时还要充分注意以下几种情况：（2）避免引入反向间隙误差。（1）切入切出路径的选择。（3）采用顺铣加工方式。（4）立体轮廓的加工。（5）内槽加工。切入点选择原则：粗加工选择曲面内的最高角点作为切入点；精加工选择曲面内某个曲率比较平缓的角点作为切入点；避免铣刀当钻头使用，否则因受力大而损坏。切出点选择原则：能连续完整的加工曲面；非加工时间短。铣削外圆的切入切出路径切入切出路径

当铣切内表面轮廓形状时，也应该尽量遵循从切向切入的方法，但此时切入无法外延，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线。当实在无法沿零件曲线的切向切入、切出时，铣刀只有沿法线方向切入和切出，在这种情况下，切入切出点应选在零件轮廓两几何要素的交点上，而且进给过程中要避免停顿。切入切出路径铣削内轮廓的切入切出路径编程中的数值计算（1）基点和节点的计算各几何元素间的连接点称为基点，如两直线的交点，直线与圆弧或圆弧与圆弧的交点或切点。相邻基点间只能有一个几个元素。用若干直线段或圆弧来逼近给定的曲线，逼近线段的交点或切点称为节点。（2）刀位点轨迹的计算刀位点是标志刀具所处不同位置的坐标点。（3）辅助计算包括增量计算及辅助程序段的数值计算。辅助程序段是指刀具从对刀点到切入点或从切出点返回到对到刀点而特意安排的程序段。

6．切削用量的选择程序中选定的切削用量应是最佳的和合理的。这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。

编程的基础知识工艺基础二、轴套类零件数控车削加工工艺数控车削的工艺分析

典型数控车削零件的工艺分析

1．零件图工艺分析

该零件为轴承套。表面由内外圆柱面、内圆锥面、顺圆弧、逆圆弧及外螺纹等表面组成，其中多个直径尺寸与轴向尺寸有较高的尺寸精度和表面粗糙度要求。零件图尺寸标注完整，符合数控加工尺寸标注要求；轮廓描述清楚完整；零件材料为45钢，切削加工性能较好，无热处理和硬度要求。通过上述分析，采取以下几点工艺措施：

（1）零件图样上带公差的尺寸，因公差值较小，故编程时不必取其平均值，而取基本尺寸即可。（2）左、右端面均为多个尺寸的设计基准，相应工序加工前，应该先将左、右端面车出来。数控车削的工艺分析

二、轴套类零件数控车削加工工艺典型数控车削零件的工艺分析

2．确定装夹方案：

内孔加工时以外圆定位，用三爪自动定心卡盘夹紧。加工外轮廓时，为保证一次安装加工出全部外轮廓，需要设一圆锥心轴装置，用三爪卡盘夹持心轴左端，心轴右端留有中心孔并用尾座顶尖顶紧以提高工艺系统的刚性。