数控加工程序编制基础知识讲义

数控加工技术湖南工业大学机械工程学院李兵1章数控加工程序编制基础

1.1数控加工概述1.2数控编程的现状及发展1.3数控编程的内容与方法1.4数控编程的坐标系1.1数控加工概述一、数控加工原理和特点1．数控加工原理当我们使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。采用普通机床加工时，这种开车、停车、走刀、换向、主轴变速和开关切削液等操作都是由人工直接控制的。采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。

采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。

计算机数控装置伺服系统受控设备输入输出装置

数控机床的控制系统一般都能按照数字程序指令控制机床实现主轴自动启停、换向和变速，能自动控制进给速度、方向和加工路线，进行加工，能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹，能完成加工中所需要的各种辅助动作。计算机数控装置伺服系统受控设备输入输出装置2．数控加工的特点总的来说，数控加工有如下特点：(1)自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节。数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件；省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。(2)对加工对象的适应性强。改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要作其他任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。(3)加工精度高，质量稳定。加工尺寸精度在0.005～0.01mm之间，不受零件复杂程度的影响。由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。(4)易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。3．脉冲当量、进给速度与速度修调数控机床各轴采用步进电机、伺服电机或直线电机驱动，是用数字脉冲信号进行控制的。每发送一个脉冲，电机就转过一个特定的角度，通过传动系统或直接带动丝杠，从而驱动与螺母副连结的工作台移动一个微小的距离。单位脉冲作用下工作台移动的距离就称之为脉冲当量。手动操作时数控坐标轴的移动通常是采用按键触发或采用手摇脉冲发生器(手轮方式)产生脉冲的，采用倍频技术可以使触发一次的移动量分别为0.001mm、0.01mm、0.1mm、1mm等多种控制方式，相当于触发一次分别产生1、10、100、1000个脉冲。

进给速度是指单位时间内坐标轴移动的距离，也即是切削加工时刀具相对于工件的移动速度。加工时的进给速度由程序代码中的F指令控制，但实际进给速度还是可以根据需要作适当调整的，这就是进给速度修调。进给速度修调。修调是按倍率来进行计算的，如程序中指令为F80，修调倍率调在80%挡上，则实际进给速度为80×80%=64mm/min。同样地，有些数控机床的主轴转速也可以根据需要进行调整，那就是主轴转速修调。二、数控加工的定义及特点(一)数控加工的定义

数控加工是指在数控机床上进行自动加工零件的一种工艺方法数控加工主要包括以下方面的内容：（1）选择并确定零件的数控加工内容；（2）对零件图进行数控加工的工艺分析；（3）设计数控加工的工艺；（4）编写数控加工程序单；（5）按程序单制作程序介质；（6）数控程序的校验与修改；（7）首件试加工与现场问题处理；（8）数控加工工艺技术文件的定型与归档。三、数控加工中常用术语(一)两坐标和多坐标加工数控机床的控制轴数：采用了数字控制的机床运动的个数。数控机床的联动轴数：数控系统可以同时控制联合运动的机床运动的个数。(二)插补插补：对直线或圆弧段起始点终止点之间的空白进行计算和“填补”的工作插补运算：计算插补点的运算插补器：实现插补运算的装置脉冲当量：数控系统能实现的最小位移量，即数控装置每发出一个脉冲信号，机床工作台的移动量。直线插补：沿平滑直线分配脉冲的插补运算圆弧插补：沿圆弧分配脉冲的插补运算直线插补器：实现直线插补运算的装置圆弧插补器：实现圆弧插补运算的装置(三)刀具补偿刀具半径补偿，就是具有这种功能的数控装置能使刀具中心自动从零件实际轮廓上偏离一个指定的刀具半径值（补偿量），并使刀具中心在这一被补偿的轨迹上运动，从而把工件加工成图纸上要求的轮廓形状四、数控机床的分类1．按工艺用途分类金属切削类普通数控机床数控加工中心金属成形类数控弯管机数控压力机数控冲剪机数控折弯机数控旋压机特种加工类数控电火花线切割机数控电火花成形机数控激光与火焰切割机测量、绘图类主要有数控绘图机数控坐标测量机数控对刀仪2．按控制运动的方式分类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3．按伺服系统的控制方式分类（1）开环数控机床指令脉冲驱动电路步进电机机床工作台（2）半闭环控制数控机床指令值+角位移反馈速度反馈位置比较电路速度控制电路伺服电机机床工作台（3）闭环控制数控机床指令值+直线位移反馈速度反馈位置比较电路速度控制电路伺服电机机床工作台4．按所用数控系统的档次分类低档数控机床中档数控机床高档数控机床性能类别CPU位数联动轴数分辨率(um)进给速度(m/min)显示高档325<0.1>24三维动态中档16/3230.1~1010~24字符/图形低档8<3<10<10字符华中数控车床华中数控铣床长征数控车床南通立式加工中心1.2数控加工技术的发展1．数控加工技术的发展历程1949年美国Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“NumericalControl”。1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心。1968年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统FMS。1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC(计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程。利用CAD(计算机辅助设计)绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。DNC(直接数控)技术始于20世纪60年代末期。它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。DNC群控技术是FMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。20世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS。其中，数控是其基本控制单元。20世纪90年代，基于PC-NC的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易。充分利用现有PC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现。我国早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。20世纪70年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差。1980年北京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC－1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的DynapthLTD10数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关”，从而为数控技术产业化建立了基础。20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。2．数控加工技术的发展方向现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展。1)高速切削受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。因此，经高速加工的工件一般不需要精加工。2)高精度控制高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面。提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来达到的。目前精整加工精度已提高到0.1μm，并进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代。(加工精度达0.01μm)3)高柔性化柔性是指机床适应加工对象变化的能力。目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性和系统柔性化发展。数控系统在21世纪将具有最大限度的柔性，能实现多种用途。具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，视需要系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统4)高一体化CNC系统与加工过程作为一个整体，实现机电光声综合控制，测量造型、加工一体化，加工、实时检测与修正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。5)网络化实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMS(柔性制造系统)、CIMS(计算机集成制造系统)对基层设备的要求。配置网络接口，通过Internet可实现远程监视和控制加工，进行远程检测和诊断，使维修变得简单。建立分布式网络化制造系统，可便于形成“全球制造”。6)智能化21世纪的CNC系统将是一个高度智能化的系统。具体是指系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，可使用自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求等。1.3数控编程的内容与方法一、程序编制的内容与步骤程序编制：是指从零件图纸到编制零件加工程序和制作控制介质的全部过程手工编程自动编程手工编程流程自动编程的内容与步骤零件的几何建模加工方案与加工参数的合理选择刀具轨迹生成数控加工仿真后置处理首件试加工

二、程序编制的代码标准目前广泛应用的八单位穿孔纸带的代码标准有两种：EIA（美国电子工业协会）标准ISO（国际标准化组织）标准。ISO标准又被称为ASCII（美国信息交换标准码）标准三、NC程序的结构(一)程序的组成加工程序的一般格式举例：%//开始符O1000//程序名N10G00G54X50Y30M03S3000N20G01X88.1Y30.2F500T02M08N30X90//程序主体……N300M30//程序结束指令%//结束符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1～4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）程序结束指令 程序结束指令可以用M02或M30。一般要求单列一段。数控加工程序的组成元素：1、字符 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。2、字（代码字） 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。字是由一个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：“X2500”是一个字，X为地址符，数字“2500”为地址中的内容。3、程序段 程序段由若干个代码字组成。一个程序段表示一个完整的加工工步或动作。(二)程序段格式1．分隔符固定顺序式 这种格式是用分隔符“HT”（在EIA代码中用“TAB”）代替地址符，而且预先规定了所有可能出现的代码字的固定排列顺序，根据分隔符出现的顺序，就可判定其功能。不需要的字或与上一程序段相同功能的字可以不写，但其分隔符必须保留。 我国数控线切割机床采用的“3B”或“4B”格式指令就是典型的分隔符固定顺序格式。其3B格式的一般表示为：BXBYBJGZ。 分隔符固定顺序式格式不直观，编程不便，常用于功能不多的数控装置（数控系统）中。2．地址符可变程序段格式 这种格式又称字—地址程序段格式。程序段中每个字都以地址符开始，其后跟符号和数字，代码字的排列顺序没有严格的要求，不需要的代码字以及与上段相同的续效字可以不写。这种格式的特点是：程序简单，可读性强，易于检查。因此现代数控机床广泛采用这种格式。四、NC程序的常用功能字一般程序段由下列功能字组成：N——G——X——Y——Z——程序号准备功能坐标值F——S——T——M——进给速度主轴速度刀具辅助功能(一)准备功能字G

准备功能字G代码，用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（即指令插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。我国机械工业部根据ISO标准制定了JB3208-83标准，规定G代码由字母G及其后面的二位数字组成，从G00到G99共有100种代码。 G代码分模态代码和非模态代码。表中序号（2）中的a、c、d、e、h、k、i各字母所对应的为模态代码（又称续效代码）。它表示在程序中一经被应用（如a组的G01），直到出现同组（a组）的任一G代码（如G02）时才失效。否则该指令继续有效。 模态代码可以在其后的程序段中省略不写。 非模态代码只在本程序中有效。 表中“不指定”代码，指在未指定新的定义之前，由数控系统设计者根据需要定义新的功能。(二)坐标功能字

坐标功能字（又称尺寸字）用来设定机床各坐标的位移量。它一般使用X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、A、B、C、D、E等地址符为首，在地址符后紧跟“＋”（正）或“－”（负）及一串数字。一个程序段中有多个尺寸字时，一般按上述地址符顺序排列。例：某数控铣床，要求将工作台快速定位到X轴100mm处，程序段指令如下：

直接指定坐标值时： G00X100.0

以脉冲当量为单位给定坐标值时： G00X10000（脉冲当量为0.01mm） G00X100000（脉冲当量为0.001mm）(三)进给功能字F 该功能字用来指定进给速度（刀具相对工件运动的速度），它是续效代码。其单位一般为mm/min，当进给速度与主轴转速有关时，如车螺纹、攻丝等，使用的单位为mm/r。进给功能字以地址符“F”为首，其后跟一串数字代码。F代码常有两种表示方法：⑴编码法：即在地址符F后跟一串数字代码，这些数字不直接表示进给速度的大小，而是机床进给速度数列的序号，具体的进给速度需要查表确定。⑵直接指定法：即F后面跟的数字就是进给速度的大小(四)主轴功能字S 该功能字用来指定主轴速度，该代码为续效代码，单位为r/min，它以地址符“S”为首，后跟一串数字。(五)刀具功能字T 当系统具有换刀功能时，刀具功能字用以选择替换的刀具。它以地址符“T”为首，其后一般跟二位数字，代表刀具的编号。(六)辅助功能字

辅助功能字M代码主要用于数控机床的开关量控制，如主轴的正、反转，切削液开、关，工件的夹紧、松开，程序结束等。M代码从M00-M99共100种。我国标准JB3208-83的有关规定见后表所示。表中“#”号表示若选作特殊用途，必须在程序说明中注明；“*”号表示对该具体情况起作用。几种常用的M代码功能：（1）M00程序停止。执行M00后，机床所有动作均被切断，以便进行手动操作。重新按动程序启动按钮后，再继续执行后面的程序段（2）M01选择停止。与执行M00相同，不同的是只有按下机床控制面板上“任选停止”开关时，该指令才有效，否则机床继续执行后面的程序。该指令常用于抽查工件的关键尺寸。（3）M02程序结束。执行该指令后，表示程序内所存指令均以完成，因而切断机床所有动作，机床复位，但程序结束后，不返回到程序开头的位置。（4）M30纸带结束。执行该指令后，除完成M02的内容外，还自动返回到程序开头的位置。为加工下一个工件做好准备。(一)数控机床的坐标轴和运动方向１、机床坐标系的确定（1）机床相对运动的规定在机床上，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。1.4数控机床的坐标系

（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。例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动。在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。

标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定：

1)伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。2)大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。3)围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向。

（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，下图为数控车床上两个运动的正方向。

２、坐标轴方向的确定（1）Z坐标Z坐标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坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。

（2）X坐标X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。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（车床类），则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。

下图所示为数控车床的X坐标。

（2）X坐标2）如果刀具做旋转运动（铣床类），则分为两种情况：Z坐标水平时（卧铣），观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z坐标垂直时（立铣），观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。

（3）Y坐标在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。3、附加坐标系在主要线性轴（X，Y，Z）之外，另有平行于它的依次有次要线性轴（U，V，W）、第三线性轴（P，Q，R）。在主要旋转轴（A，B，C）存在的同时，还有平行于或不平行于A、B和C的二个特殊轴（D，E）。机床坐标系确定示例：课堂练习：+X+Z卧式数控车床坐标系+Y课堂练习：立式数控铣床坐标系+Z+X+Y课堂练习：卧式数控铣床坐标系+Y+Z+X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。但在实际机床加工时，有很多都是刀具相对不动，而工件相对于刀具移动实现进给运动的情况。此时，应在各轴字母后加上“ ’ ”表示工件运动坐标系。按相对运动关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：+X=−X’+Y=−Y’+Z=−Z’+A=−A’+B= −B’+C=−C’(二)绝对坐标系统与相对坐标系统１．绝对坐标系统

在坐标系中，所有坐标点均以固定的坐标原点为起点确定坐标值的，这种坐标系称为绝对坐标系。２．相对坐标系统

在坐标系中，运动轨迹（直线或圆弧）的终点坐标值是以起点（工作台现有位置）开始计算的，这种坐标系称为增量（相对）坐标系。绝对坐标尺寸

增量坐标尺寸

德州科技职业学院(20,25)（三）机床原点、参考点和工件原点

机床原点就是机床坐标系的原点。它是机床上的一个固定的点，由制造厂家确定。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。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，但也有的设置在机床工作台中心，使用前可查阅机床用户手册。参考点(或机床原点)是用于对机床工作台(或滑板)与刀具相对运动的测量系统进行定标与控制的点，一般都是设定在各轴正向行程极限点的位置上。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。机床原点的设置（车床）

机床原点的设置（铣床）机床参考点（车床）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原点。而要把程序应用到机床上，程序原点应该放在工件毛坯的什么位置，其在机床坐标系中的坐标是多少，这些都必须让机床的数控系统知道，这一操作就是对刀。编程坐标系在机床上就表现为工件坐标系，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；对于在一个工作台上装夹加工多个工件的情况，在机床功能允许的条件下，可分别设定编程原点独立地编程，再通过工件原点预置的方法在机床上分别设定各自的工件坐标系。谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEEN