第2章数控机床加工程序的编制上课修改.docx
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第2章数控机床加工程序的编制上课修改
第二章数控机床加工程序的编制
第一节数控编程基础
一、数控编程的概念
我们都知道，在普通机床上加工零件时，一般是由工艺人员按照设计图样事先制订好零件的加工工艺规程。
在工艺规程中给出零件的加工路线、切削参数、机床的规格及刀具、卡具、量具等内容。
操作人员按工艺规程的各个步骤手工操作机床，加工出图样给定的零件。
也就是说零件的加工过程是由工人手工操作的。
数控机床却不一样，它是按照事先编制好的加工程序，自动地对被加工零件进行加工。
我们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（主轴转数、进给量、吃刀量等）以及辅助功能（换刀、主轴正转、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，再把这一程序单中的内容记录在控制介质上（如穿孔纸带、磁带、磁盘、磁泡存储器），然后输入到数控机床的数控装置中，从而指挥机床加工零件。
这种从零件图的分析到制成控制介质的全部过程叫数控程序的编制。
从以上分析可以看出，数控机床与普通机床加工零件的区别在于数控机床是按照程序自动进行零件加工，而普通机床要由人来操作，我们只要改变控制机床动作的程序就可以达到加工不同零件的目的。
因此，数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂精度要求高的零件。
由于数控机床要按照预先编制好的程序自动加工零件，因此，程序编制的好坏直接影响数控机床的正确使用和数控加工特点的发挥。
这就要求编程员具有比较高的素质。
编程员应通晓机械加工工艺以及机床、刀夹具、数控系统的性能，熟悉工厂的生产特点和生产习惯。
在工作中，编程员不但要责任心强、细心，而且还能和操作人员配合默契，不断吸取别人的编程经验、积累编程经验和编程技巧，并逐步实现编程自动化，以提高编程效率。
二、数控编程的内容和步骤
（一）数控编程的内容
数控编程的主要内容包括：
分析零件图样，确定加工工艺过程；确定走刀轨迹，计算刀位数据；编写零件加工程序；制作控制介质；校对程序及首件试加工。
（二）数控编程的步骤
数控编程的步骤一般如图2-1所示。
图2-1数控编程过程
1、分析零件图样和工艺处理
这一步骤的内容包括：
对零件图样进行分析以明确加工的内容及要求，选择加工方案、确定加工顺序、走刀路线、选择合适的数控机床、设计夹具、选择刀具、确定合理的切削用量等。
工艺处理涉及的问题很多，编程人员需要注意以下几点：
（1）工艺方案及工艺路线
应考虑数控机床使用的合理性及经济性，充分发挥数控机床的功能；尽量缩短加工路线，减少空行程时间和换刀次数，以提高生产率；尽量使数值计算方便，程序段少，以减少编程工作量；合理选取起刀点、切入点和切入方式，保证切入过程平稳，没有冲击；在连续铣削平面内外轮廓时，应安排好刀具的切入、切出路线。
尽量沿轮廓曲线的延长线切入、切出，以免交接处出现刀痕，如图2-2所示。
a）b）
图2-2刀具的切入切出路线
（a）铣曲线轮廓板（b）铣直线轮廓
（2）零件安装与夹具选择
尽量选择通用、组合夹具，一次安装中把零件的所有加工面都加工出来，零件的定位基准与设计基准重合，以减少定位误差；应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程，以减少辅助时间，必要时可以考虑采用专用夹具。
（3）编程原点和编程坐标系
编程坐标系是指在数控编程时，在工件上确定的基准坐标系，其原点也是数控加工的对刀点。
要求所选择的编程原点及编程坐标系应使程序编制简单；编程原点应尽量选择在零件的工艺基准或设计基准上，并在加工过程中便于检查的位置；引起的加工误差要小。
（4）刀具和切削用量
应根据工件材料的性能，机床的加工能力，加工工序的类型，切削用量以及其他与加工有关的因素来选择刀具。
对刀具总的要求是：
安装调整方便，刚性好，精度高，使用寿命长等。
切削用量包括：
主轴转速、进给速度、切削深度等。
切削深度由机床、刀具、工件的刚度确定，在刚度允许的条件下，粗加工取较大切削深度，以减少走刀次数，提高生产率；精加工取较小切削深度，以获得表面质量。
主轴转速由机床允许的切削速度及工件直径选取。
进给速度则按零件加工精度、表面粗糙度要求选取，粗加工取较大值，精加工取较小值。
最大进给速度受机床刚度及进给系统性能限制。
2、数学处理
在完成工艺处理的工作以后，下一步需根据零件的几何形状、尺寸、走刀路线及设定的坐标系，计算粗、精加工各运动轨迹，得到刀位数据。
一般的数控系统均具有直线插补与圆弧插补功能。
对于点定位的数控机床（如数控冲床）一般不需要计算；对于加工由圆弧与直线组成的较简单的零件轮廓加工，需要计算出零件轮廓线上各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标、两几何元素的交点或切点的坐标值；当零件图样所标尺寸的坐标系与所编程序的坐标系不一致时，需要进行相应的换算；若数控机床无刀补功能，则应计算刀心轨迹；对于形状比较复杂的非圆曲线（如渐开线、双曲线等）的加工，需要用小直线段或圆弧段逼近，按精度要求计算出其节点坐标值；自由曲线、曲面及组合曲面的数学处理更为复杂，需利用计算机进行辅助设计。
3、编写零件加工程序单
在加工顺序、工艺参数以及刀位数据确定后，就可按数控系统的指令代码和程序段格
式，逐段编写零件加工程序单。
编程人员应对数控机床的性能、指令功能、代码书写格式等非常熟悉，才能编写出正确的零件加工程序。
对于形状复杂（如空间自由曲线、曲面）、工序很长、计算烦琐的零件采用计算机辅助数控编程。
4、输入数控系统
程序编写好之后，可通过键盘直接将程序输入数控系统，比较老一些的数控机床需要制作控制介质（穿孔带），再将控制介质上的程序输入数控系统。
5、程序检验和首件试加工
程序送入数控机床后，还需经过试运行和试加工两步检验后，才能进行正式加工。
通过试运行，检验程序语法是否有错，加工轨迹是否正确；通过试加工可以检验其加工工艺及有关切削参数指定得是否合理，加工精度能否满足零件图样要求，加工工效如何，以便进一步改进。
试运行方法对带有刀具轨迹动态模拟显示功能的数控机床，可进行数控模拟加工，检查刀具轨迹是否正确，如果程序存在语法或计算错误，运行中会自动显示编程出错报警，根据报警号内容，编程员可对相应出错程序段进行检查、修改。
对无此功能的数控机床可进行空运转检验。
试加工一般采用逐段运行加工的方法进行，即每揿一次自动循环键，系统只执行一段程序，执行完一段停一下，通过一段一段的运行来检查机床的每次动作。
不过，这里要提醒注意的是，当执行某些程序段，比如螺纹切削时，如果每一段螺纹切削程序中本身不带退刀功能时，螺纹刀尖在该段程序结束时会停在工件中，因此，应避免由此损坏刀具等。
对于较复杂的零件，也先可采用石蜡、塑料或铝等易切削材料进行试切。
三、数控编程的方法
数控编程一般分为手工编程和自动编程。
1．手工编程（ManualProgramming）
从零件图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、程序输入至程序校验等各步骤均由人工完成，称为手工编程。
对于加工形状简单的零件，计算比较简单，程序不多，采用手工编程较容易完成，而且经济、及时，因此在点定位加工及由直线与圆弧组成的轮廓加工中，手工编程仍广泛应用。
但对于形状复杂的零件，特别是具有非圆曲线、列表曲线及曲面的零件，用手工编程就有一定的困难，出错的机率增大，有的甚至无法编出程序，必须采用自动编程的方法编制程序。
2．自动编程（AutomaticProgramming）
自动编程是利用计算机专用软件编制数控加工程序的过程。
它包括数控语言编程和图形交互式编程。
数控语言编程，编程人员只需根据图样的要求，使用数控语言编写出零件加工源程序，送入计算机，由计算机自动地进行编译、数值计算、后置处理，编写出零件加工程序单，直至自动穿出数控加工纸带，或将加工程序通过直接通信的方式送入数控机床，指挥机床工作。
数控语言编程为解决多坐标数控机床加工曲面、曲线提供了有效方法。
但这种编程方法直观性差，编程过程比较复杂不易掌握，并且不便于进行阶段性检查。
随着计算机技术的发展，计算机图形处理功能已有了极大的增强，“图形交互式自动编程”也应运而生。
图形交互式自动编程是利用计算机辅助设计（CAD）软件的图形编程功能，将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，或者直接调用由CAD系统完成的产品设计文件中的零件图形文件，然后再直接调用计算机内相应的数控编程模块，进行刀具轨迹处理，由计算机自动对零件加工轨迹的每一个节点进行运算和数学处理，从而生成刀位文件。
之后，再经相应的后置处理（postprocessing），自动生成数控加工程序，并同时在计算机上动态地显示其刀具的加工轨迹图形。
图形交互式自动编程极大地提高了数控编程效率，它使从设计到编程的信息流成为连续，可实现CAD/CAM集成，为实现计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）一体化建立了必要的桥梁作用。
因此，它也习惯地被称为CAD/CAM自动编程。
其详细内容见第四节。
四、程序的结构与格式
每种数控系统，根据系统本身的特点及编程的需要，都有一定的程序格式。
对于不同的机床，其程序格式也不尽相同。
因此，编程人员必须严格按照机床说明书的规定格式进行编程。
1．程序结构
一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束三部分组成。
例如：
O0001程序号
N10G92X40Y30；
N20G90G00X28T01S800M03；
N30G01X-8Y8F200；
N40X0Y0；
N50X28Y30；
N60G00X40；
N70M02；程序结束
（1）程序号。
在程序的开头要有程序号，以便进行程序检索。
程序号就是给零件加工程序一个编号，并说明该零件加工程序开始。
如FUNUC数控系统中，一般采用英文字母O及其后4位十进制数表示（“O××××”），4位数中若前面为0，则可以省略，如“O0101”等效于“O101”。
而其他系统有时也采用符号“%”或“P”及其后4位十进制数表示程序号。
（2）程序内容。
程序内容部分是整个程序的核心，它有许多程序段组成，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、M30或M99（子程序结束），作为程序结束的符号，用来结束零件加工。
2．程序段格式
零件的加工程序是由许多程序段组成的，每个程序段由程序段号、若干个数据字和程序段结束字符组成，每个数据字是控制系统的具体指令，它是由地址符、特殊文字和数字集合而成，它代表机床的一个位置或一个动作。
程序段格式是指一个程序段中字、字符和数据的书写规则。
目前国内外广泛采用字-地址可变程序段格式。
所谓字-地址可变程序段格式，就是在一个程序段内数据字的数目以及字的长度（位数）都是可以变化的格式。
不需要的字以及与上一程序段相同的续效字可以不写。
一般的书写顺序按表2-1所示从左往右进行书写，对其中不用的功能应省略。
该格式的优点是程序简短、直观以及容易检验、修改。
表2-1程序段书写顺序格式
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
N-
G-
X-
U-
P-
A-
D-
Y-
V-
Q-
B-
E-
Z-
W-
R-
C-
I-J-K-
R-
F-
S-
T-
M-
LF
（或CR）
程序段序号
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
数据字
例如：
N20G01X25Z-36F100S300T02M03；
程序段内各字的说明：
（1）程序段序号（简称顺序号）：
用以识别程序段的编号。
用地址码N和后面的若干位数字来表示。
如N20表示该语句的语句号为20。
（2）准备功能G指令：
是使数控机床作某种动作的指令，用地址G和两位数字所组成，从G00-G99共100种。
G功能的代号已标准化。
（3）坐标字：
由坐标地址符（如X、Y等）、＋、－符号及绝对值（或增量）的数值组成，且按一定的顺序进行排列。
坐标字的“＋”可省略。
其中坐标字的地址符含义如表2-2所示。
表2-2地址符含义
地址码
意义
X-Y-Z-
基本直线坐标轴尺寸
U-V-W-
第一组附加直线坐标轴尺寸
P-Q-R-
第二组附加直线坐标轴尺寸
A-B-C-
绕X、Y、Z旋转坐标轴尺寸
I-J-K-
圆弧圆心的坐标尺寸
D-E-
附加旋转坐标轴尺寸
R-
圆弧半径值
各坐标轴的地址符按下列顺序排列：
X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、A、B、C、D、E
（4）进给功能F指令：
用来指定各运动坐标轴及其任意组合的进给量或螺纹导程。
该指令是续效代码，有两种表示方法：
1）代码法即F后跟两位数字，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，进给速度数列可以是算术级数，也可以是几何级数。
从F00～F99共100个等级。
2）直接指定法即F后面跟的数字就是进给速度的大小。
按数控机床的进给功能，它也有两种速度表示法。
一是以每分钟进给距离的形式指定刀具切削进给速度（每分钟进给量），用F字母和它后继的数值表示，单位为“mm/min”，如F100表示进给速度为100㎜/min。
对于回转轴如F12表示每分钟进给速度为12°。
二是以主轴每转进给量规定的速度（每转进给量），单位为“mm/r”。
直接指定方法较为直观，因此现在大多数机床均采用这一指定方法。
（5）主轴转速功能字S指令：
用来指定主轴的转速，由地址码S和在其后的若干位数字组成。
有恒转速（单位r/min）和表面恒线速（单位m/min）两种运转方式。
如S800表示主轴转速为800r/min；对于有恒线速度控制功能的机床，还要用G96或G97指令配合S代码来指定主轴的速度。
如G96S200表示切削速度为200m/min，G96为恒线速控制指令；G97S2000表示注销G96，主轴转速为2000r/min。
（6）刀具功能字T指令：
主要用来选择刀具，也可用来选择刀具偏置和补偿，由地址码T和若干位数字组成。
如T18表示换刀时选择18号刀具，如用作刀具补偿时，T18是指按18号刀具事先所设定的数据进行补偿。
若用四位数码指令时，例如T0102，则前两位数字表示刀号，后两位数字表示刀补号。
由于不同的数控系统有不同的指定方法和含义，具体应用时应参照所用数控机床说明书中的有关规定进行。
（7）辅助功能字M指令：
辅助功能表示一些机床辅助动作及状态的指令。
由地址码M和后面的两位数字表示。
从M00~M99共100种。
（8）程序段结束：
写在每个程序段之后，表示程序结束。
当用EIA标准代码时，结束符为“CR”，用ISO标准代码时为“NL”或“LF”。
有的用符号“；”或“*”表示。
五、数控机床坐标轴和运动方向
规定数控机床坐标轴及运动方向，是为了准确地描述机床的运动，简化程序的编制方法，并使所编程序有互换性。
目前国际标准化组织已经统一了标准坐标系。
我国机械工业部也颁布了JB3051—82《数字控制机床坐标和运动方向的命名》的标准，对数控机床的坐标和运动方向作了明文规定。
1．坐标和运动方向命名的原则
数控机床的进给运动是相对的，有的是刀具相对于工件的运动（如车床），有的是工件相对于刀具的运动（如铣床）。
为了使编程人员能在不知道是刀具移向工件，还是工件移向刀具的情况下，可以根据图样确定机床的加工过程，特规定：
永远假定刀具相对于静止的工件坐标系而运动。
2．标准坐标系的规定
在数控机床上加工零件，机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的。
为了确定机床的运动方向和移动的距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就叫标准坐标系，也叫机床坐标系。
在编制程序时，就可以以该坐标系来规定运动方向和距离。
数控机床上的坐标系是采用右手直角迪卡儿坐标系。
如图2-3所示。
在图中，大拇指的方向为X轴的正方向，食指为Y轴的正方向。
图2-4~2-7分别示出了几种机床标准坐标系。
图2-3右手直角迪卡儿坐标系统
图2-4卧式车床图2-5立式升降台铣床
图2-6卧式升降台铣床图2-7牛头刨床
3．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的距离的方向。
（1）Z坐标的运动
Z坐标的运动，是由传递切削力的主轴所决定，与主轴轴线平行的坐标轴即为Z坐标。
对于工件旋转的机床，如车床、外圆磨床等，平行于工件轴线的坐标为Ｚ坐标。
而对于刀具旋转的机床，如铣床、钻床、镗床等，则平行于旋转刀具轴线的坐标为Z坐标。
如图2-4、2-5。
如果机床没有主轴（如牛头刨床），Z轴垂直于工件装卡面。
如图2-7。
Z坐标的正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。
如在钻镗加工中，钻入和镗入工件的方向为Z坐标的负方向，而退出为正方向。
（2）X坐标的运动
规定X坐标为水平方向，且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。
X坐标是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。
对于工件旋转的机床（如车床、磨床等），X坐标的方向是在工件的径向上，且平行于横滑座。
刀具离开工件旋转中心的方向为X轴正方向，如图2-4所示。
对于刀具旋转的机床（如铣床、镗床、钻床等），如Z轴是垂直的，当从刀具主轴向立柱看时，X运动的正方向指向右，如图2-5所示。
如Z轴（主轴）是水平的，当从主轴向工件方向看时，X运动的正方向指向右方，如图2-6。
（3）Y坐标的运动
Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴，其运动的正方向根据X和Z坐标的正方向，按照右手直角迪卡儿坐标系来判断。
（4）旋转运动A、B、C
如图2-3所示，A、B、C相应地表示其轴线平行于X、Y、Z的旋转运动。
A、B、C正方向，相应地表示在X、Y和Z坐标正方向上，右旋螺纹前进的方向。
（5）附加坐标
如果在X、Y、Z主要坐标以外，还有平行于它们的坐标，可分别指定为U、V、W。
如还有第三组运动，则分别指定为P、Q、R。
（6）对于工件运动的相反方向
对于工件运动而不是刀具运动的机床，必须将前述为刀具运动所作的规定，作相反的安排。
用带“´”的字母，如＋X´，表示工件相对于刀具正向运动指令。
而不带“´”的字母，如＋X，则表示刀具相对于工件的正向运动指令。
二者表示的运动方向正好相反。
如图2-4~2-7所示。
对于编程人员、工艺人员只考虑不带“´”的运动方向。
（7）主轴旋转运动方向
主轴的顺时针旋转运动方向（正转），是按照右旋螺纹旋入工件的方向。
4．绝对坐标系与增量（相对）坐标系
（1）绝对坐标系刀具（或机床）运动轨迹的坐标值是以相对于固定的坐标原点O给出的，即称为绝对坐标。
该坐标系为绝对坐标系。
如图2-8a所示，A、B两点的坐标均以固定的坐标原点O计算的，其值为：
XA=10，YA=20，XB=30，YB=50。
图2-8绝对坐标与增量坐标
a）绝对坐标b）增量坐标
（2）增量（相对）坐标系刀具（或机床）运动轨迹的坐标值是相对于前一位置（起点）来计算的，即称为增量（或相对）坐标，该坐标系称为增量坐标系。
增量坐标系常用U、V、W来表示。
如图2-8b，B点相对于A点的坐标（即增量坐标）为U=20，V=30。
六．数控系统的准备功能和辅助功能
数控机床的运动是由程序控制的，而准备功能和辅助功能是程序段的基本组成部分，也是程序编制过程中的核心问题。
目前国际上广泛应用的是ISO标准，我国根据ISO标准，制订了JB3208—83《数控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》。
1．准备功能
准备功能也叫G功能或G代码。
它是使机床或数控系统建立起某种加工方式的指令。
G代码由地址G和后面的两位数字组成，从G00~G99共100种。
表2-3为我国JB3208—83标准中规定的G功能的定义。
表2-3JB3208—83准备功能G代码
表准备功能字G
表2-4JB3208辅助功能M功能
G代码分为模态代码（又称续效代码）和非模态代码。
表中序号
（2）一栏中标有字母的所对应的G代码为模态代码，字母相同的为一组。
模态代码表示该代码一经在一个程序段中指定（如a组的G01），直到出现同组的（a组）的另一个G代码（如G02）时才失效。
表中序号
（2）一栏中没有字母的表示对应的G代码为非模态代码，即只在有该代码的程序段中有效。
表中序号（4）栏中的“不指定”代码，用作将来修改标准，指定新标准时使用。
“永不指定”代码，指的是即使修改标准时，也不指定新的功能。
然而这两类G代码，可以由机床的设计者根据需要定义新的功能，但必须在机床说明书中予以说明。
2．辅助功能
辅助功能也叫M功能或M代码。
它是控制机床开-关功能的一种命令。
如开、停冷却泵；主轴正、反转；程序结束等。
表2-4为我国JB3208—83标准中规定的M代码。
由于数控机床的厂家很多，每个厂家使用的G功能、M功能与ISO标准也不完全相同，因此对于某一台数控机床，必须根据机床说明书的规定进行编程。
第二节数控编程中的数值计算
根据零件图样，按照已确定的加工路线和允许的编程误差，计算出数控系统所需要的输入数据，称为数控加工的数值计算。
具体地说，数值计算就是计算出零件轮廓上或刀具中轨迹上一些点的坐标数据。
数值计算的内容繁简悬殊甚大。
点位控制系统只需进行简单的尺寸计算，而轮廓控制系统将复杂的多。
为了提高工效，降低出错率，有效的途径是计算机辅助完成坐标数据的计算，或直接采用自动编程。
一、基点坐标的计算
一个零件的轮廓往往是由许多不同的几何元素所组成，如直线、圆弧、二次曲线和特形曲线等。
各个几何元素间的联结点称为基点，如两直线间的交点，直线与圆弧或圆弧与圆弧间的交点或切点，圆弧与二次曲线的交点或切点等。
计算的方法可以是联立方程组求解，也可以利用几何元素间的三角函数关系求解或采用计算机辅助计算编程，计算比较方便。
这里只简单介绍联立方程组求解基点坐标的方法。
采用联立方程组求解基点坐标，若直接列解方程组，计算过程是比较繁琐的，为简化计算，可以将计算过程标准化。
1．直线与圆弧相交或相切
如图2-9所示，已知直线方程为y=kx+b，求以点（x0，y0）为圆心，半径为R的圆与该直线的交点坐标（xc，yc）。
图2-9直线与圆弧相交
直线方程与圆方程联立，得联立方程组：
经推算后给出标准计算公式如下：
（求xC较大者时取“＋”）
上式也可用于求解直线与圆相切时的切点坐标。
当直线与圆相切时，取B2－4AC=0，此时xc=－B/（2A），其余计算公式不变。
2．圆弧与圆弧相交或相切
如图2-10所示，已知两相交圆的圆心坐标及半径分别为（x1，y1），R1；（x2，y2），R2，求其交点坐标（xc，yc）。
图2-10圆弧与圆弧相交
联立两圆方程
经推算可给出标准计算公式如下
（求xc较大值时取“＋”）
当两圆相切时，B2－4AC=0，因此上式也可用于求两圆相切的切点。
二、非圆曲线节点坐标的计算
当被加工零件轮廓形状与机床的插补功能不一致时，如在只有直线和圆弧插补功能的数控机床上加工双曲线、抛物线、阿基米德螺线或列表曲线时，就要采用逼近法加工，用直线或圆弧去逼近被加工曲线。
这时，逼近线段与被加工曲线的交点，称为节点。
如图2-11所示，图a为用直线段逼近非圆曲线的情况，图b为用圆弧段逼近非圆曲线的情况。
a）b）
图2-11曲线逼近
编写程序段时，应按节点划分程序段。
逼近线段的近似区间愈大，则节点数目愈少
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