第1章數(shù)控編程基礎1.1數(shù)控編程概念

1.2數(shù)控機床的坐標系1.3程序編制中的數(shù)學處理小結思考與練習題1.1數(shù)控編程概念1.1.1數(shù)控編程的內(nèi)容與步驟

1.數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的主要內(nèi)容有：分析零件圖樣，確定加工工藝過程；數(shù)值計算；編寫零件加工程序單；輸入/傳送程序；程序校驗，首件試切。

2.數(shù)控編程的步驟如圖1.1所示，數(shù)控編程步驟主要有以下幾點：

1)分析零件圖樣，確定加工工藝過程對零件的材料、形狀、尺寸、精度、毛坯形狀和熱處理要求等進行分析，以便確定該零件是否適宜在數(shù)控機床上加工，或適宜在哪類數(shù)控機床上加工。確定零件的加工方法和加工路線，選擇或設計刀具和夾具，并確定加工用量等工藝參數(shù)。圖1.1數(shù)控編程步驟

2)數(shù)值計算根據(jù)零件圖樣和確定的加工路線，計算出數(shù)控機床所需的輸入數(shù)據(jù)。對于加工由圓弧和直線組成的較簡單的平面零件，只需要計算出零件輪廓上相鄰幾何元素交點或切點的坐標值，得出各幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心坐標值等，就能滿足編程要求。當零件的幾何形狀與控制系統(tǒng)的插補功能不一致時，就要用直線或圓弧逼近零件輪廓，此時需要進行較復雜的數(shù)值計算，即節(jié)點的計算。

3)編寫零件加工程序單編程人員使用數(shù)控系統(tǒng)的程序指令，按照規(guī)定的程序格式，逐段編寫加工程序。此外，還應填寫有關的工藝文件，如數(shù)控加工工序卡片、數(shù)控加工刀具卡片、工件安裝和原點設定卡片等。

4)輸入/傳送程序輸入/傳送程序是指按程序單將程序內(nèi)容輸入到數(shù)控裝置中?？稍诓僮髅姘迳线M行手工輸入程序或用計算機通信進行程序的傳送。

5)程序校驗，首件試切可通過數(shù)控仿真軟件來模擬實際加工過程或?qū)⒊绦蛩偷綑C床數(shù)控裝置后進行空運行等多種方式來檢驗所編制出的程序。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則應及時修正，一直到程序能正確執(zhí)行為止。通過首件試切，不僅可確認程序是否正確，還可知道加工精度是否符合要求。

1.1.2數(shù)控編程的方法數(shù)控編程方法有手工編程和自動編程兩種。

1.手工編程手工編程是指從分析零件圖樣及確定加工工藝過程、數(shù)值計算、編寫零件加工程序單、輸入/傳送程序直至程序校驗等各個步驟，均是由人工完成的。對點位加工或幾何形狀不太復雜的零件來說，編程計算較簡單，程序量不大，用手工編程即可實現(xiàn)。但對形狀復雜或輪廓不是由直線、圓弧組成的非圓曲線零件或空間曲面零件來說，程序量很大，計算非常繁瑣，用手工編程困難且易出錯，這時，則應采用自動編程的方法。

2．自動編程編程工作的大部分或全部由計算機完成的零件編程稱為自動編程。編程人員只需根據(jù)零件圖紙上的數(shù)據(jù)和工藝要求，將圖形信息輸入到計算機中，由計算機自動處理，計算出刀具中心的軌跡，就可編寫出加工程序清單。計算機自動編程代替編程人員完成了大量繁瑣的數(shù)值計算工作，可以提高編程效率幾十倍甚至上百倍，同時解決了手工編程無法解決的許多復雜零件的編程難題，避免了許多因人為因素而產(chǎn)生的錯誤。1.1.3數(shù)控編程的程序格式

1．程序的結構零件程序是用來描述零件加工過程的指令代碼集合，它由程序號、程序內(nèi)容和程序結束指令三部分組成。例1.1如下所示是在一塊平板上銑切圓環(huán)槽的零件程序。

O40；程序號

N10G00X10Y25Z1S1250M03；主軸啟動，快速定位到(10，25，1)

N20G01Z-5F100； 進給到(10，25，-5)

N30G02X10Y25I20J0F125；XY平面順時針銑圓弧

N40G00Z100M05；快速退回，主軸停止

N50X－20； 快速退回

N60M30； 程序結束

1)程序號程序號即為程序的編號，位于程序的開始。為了區(qū)別存儲器中的程序，每個程序都要有編號。如在FANUC系統(tǒng)中，一般采用英文字母O作為程序編號地址，而在其他數(shù)控系統(tǒng)中，則分別采用“P”、“L”、“%”、“：”等不同形式。

2)程序內(nèi)容加工程序由若干個程序段組成。每個程序段一般占一行。程序段由若干個指令字構成，用來表示數(shù)控機床要完成的全部動作。

3)程序結束指令程序結束指令可以用M02(程序結束)或M30(程序結束，并復位到起始位置)，一般要求單列一段。

2．程序段格式程序段格式是指程序段中的字、字符和數(shù)據(jù)的安排形式。目前加工程序使用字地址可變程序段格式，每個字長不固定，各個程序段的長度和功能字的個數(shù)都是可變的。在字地址可變程序段格式中，在上一程序段中寫明的、本程序段里又不發(fā)生變化的那些字仍然有效，可以不再重寫。這種功能字稱之為續(xù)效字。程序段的一般格式為：

1)段號程序段號位于程序段之首，由順序號字N和后續(xù)數(shù)字組成。后續(xù)數(shù)字一般為1～4位的正整數(shù)。數(shù)控加工中的順序號實際上是程序段的名稱，與程序執(zhí)行的先后次序無關。數(shù)控系統(tǒng)不是按程序段號的順序來執(zhí)行程序，而是按程序段編寫時的排列順序逐段執(zhí)行程序的。程序段號的作用包括：對程序的校對和檢索修改；作為條件轉(zhuǎn)向的目標，即作為轉(zhuǎn)向目的程序段的名稱。有順序號的程序段可以進行復歸操作，這是指加工可以從程序的中間開始，或回到程序中斷處開始。

2)準備功能準備功能G代碼是建立機床或控制系統(tǒng)工作方式的一種指令，如插補、刀具補償、固定循環(huán)等。G代碼分為模態(tài)代碼和非模態(tài)代碼。模態(tài)代碼表示該代碼一經(jīng)在一個程序中指定，直到出現(xiàn)同組的另一個代碼時才失效；非模態(tài)代碼只在寫有該代碼的程序中才有效。國標中規(guī)定G代碼由字母G及其后面的兩位數(shù)字組成，從G00～G99共100種代碼，具體見表1-1。表1-1G代碼G功能字FANUC系統(tǒng)SIEMENS系統(tǒng)G功能字FANUC系統(tǒng)SIEMENS系統(tǒng)G00快速移動點定位快速移動點定位G65用戶宏指令—G01直線插補直線插補G70精加工循環(huán)英制G02順時針圓弧插補順時針圓弧插補G71外圓粗切循環(huán)米制G03逆時針圓弧插補逆時針圓弧插補G72端面粗切循環(huán)—G04暫停暫停G73封閉切削循環(huán)—G05—通過中間點圓弧插補G74深孔鉆循環(huán)—G17XY平面選擇XY平面選擇G75外徑切槽循環(huán)—G18ZX平面選擇ZX平面選擇G76復合螺紋切削循環(huán)—G19YZ平面選擇YZ平面選擇G80撤銷固定循環(huán)撤銷固定循環(huán)G32螺紋切削—G81定點鉆孔循環(huán)固定循環(huán)G33—恒螺距螺紋切削G90絕對值編程絕對尺寸G40刀具補償注銷刀具補償注銷G91增量值編程增量尺寸G41刀具補償——左刀具補償——左G92螺紋切削循環(huán)主軸轉(zhuǎn)速極限G42刀具補償——右刀具補償——右G94每分鐘進給量直線進給率G43刀具長度補償——正—G95每轉(zhuǎn)進給量旋轉(zhuǎn)進給率G44刀具長度補償——負—G96恒線速控制恒線速度G49刀具長度補償注銷—G97恒線速取消注銷G96G50主軸最高轉(zhuǎn)速限制—G98返回起始平面—G54～G59加工坐標系設定零點偏置G99返回R平面—這些代碼中雖然有些常用的準備功能代碼的定義幾乎是固定的，但也有很多代碼其含義及應用格式對不同的機床系統(tǒng)有著不同的定義，因此，在編程前必須熟悉或了解所用機床的使用說明書或編程手冊。

3)坐標值坐標值用于確定機床上刀具運動終點的坐標位置。多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)可以用準備功能字來選擇坐標值的制式，如FANUC諸系統(tǒng)可用G21/G22來選擇米制單位或英制單位，也有些系統(tǒng)用系統(tǒng)參數(shù)來設定坐標值的制式。采用米制時，一般單位為mm，如X100指令的坐標單位為100mm。當然，一些數(shù)控系統(tǒng)可通過參數(shù)來選擇不同的坐標值單位。

4)進給速度功能進給速度功能F又稱為F功能或F指令，用于指定切削的進給速度。對于車床，F(xiàn)可分為每分鐘進給(單位為mm/min)和主軸每轉(zhuǎn)進給(單位為mm/r)兩種；對于其他數(shù)控機床，一般只用每分鐘進給。F指令在螺紋切削程序段中常用來指定螺紋的導程。進給速度一般有如下兩種表示方法：

(1)代碼法。F后跟的兩位數(shù)字并不直接表示進給速度的大小，而是表示機床進給速度序列的代號。進給速度序列的代號可以是算術級數(shù)，也可以是幾何級數(shù)。

(2)直接指定法。F后跟的數(shù)字就是進給速度的大小。如F100表示進給速度是100mm/min。這種方法較為直觀，目前大多數(shù)數(shù)控機床都采用此方法。實際進給速度F還可以根據(jù)需要作適當調(diào)整，即進給速度修調(diào)。修調(diào)是按倍率來進行計算的。如程序中指令為F80，修調(diào)倍率調(diào)在80%擋上，則實際進給速度為80×80%=

64mm/min。

5)主軸轉(zhuǎn)速功能主軸轉(zhuǎn)速功能S又稱為S功能或S指令，用于指定主軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min。對于具有恒線速度功能的數(shù)控車床，程序中的S指令用來指定車削加工的線速度數(shù)。主軸轉(zhuǎn)速也有代碼法和直接指定法兩種表示方法。有些數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速也可以根據(jù)需要進行調(diào)整，如主軸轉(zhuǎn)速修調(diào)。

6)刀具功能刀具功能T又稱為T功能或T指令。T指令為刀具指令，在加工中心中，該指令用于自動換刀時選擇所需的刀具。在車床中，T后常跟四位數(shù)，前兩位為刀具號，后兩位為刀具補償號。在銑鏜床中，T后常跟兩位數(shù)，用于表示刀具號，刀補號則用H代碼或D代碼表示。

7)輔助功能輔助功能M又稱為M功能或M指令，用于指定主軸的旋轉(zhuǎn)方向、啟動、停止，冷卻液的開關，刀具的更換等各種輔助動作及其狀態(tài)。

M指令由字母M和其后面的兩位數(shù)字組成，也有M00～M99共100種代碼。這些代碼中同樣也有些因機床系統(tǒng)而異的代碼，也有相當一部分代碼是不指定的。常用的M代碼見表1-2。表1-2M代碼M功能字含義M00程序暫停M01計劃暫停M02程序停止M03主軸順時針旋轉(zhuǎn)M04主軸逆時針旋轉(zhuǎn)M05主軸旋轉(zhuǎn)停止M06換刀M072號冷卻液開M081號冷卻液開M09冷卻液關M30程序停止并返回開始處M98調(diào)用子程序M99從子程序返回1.2.1機床坐標系及運動方向為了確定機床的運動方向和移動距離，就要在機床上建立一個坐標系，該坐標系就叫機床坐標系，也叫標準坐標系。數(shù)控機床上的坐標系采用右手直角笛卡爾坐標系，如圖1.2所示。右手的大拇指、食指和中指保持相互垂直，拇指的指向為X軸的正方向，食指的指向為Y軸的正方向，中指的指向為Z軸的正方向。1.2數(shù)控機床的坐標系圖1.2右手直角笛卡爾坐標系

A、B、C分別表示其軸線平行于X、Y和Z坐標的旋轉(zhuǎn)運動。根據(jù)右手螺旋定則，分別以大拇指指向＋X、＋Y、＋Z方向，其余四指則分別指向＋A、＋B、＋C軸的旋轉(zhuǎn)方向。

1．機床各坐標軸及其正方向的確定原則

1)?Z軸通常把傳遞切削力的主軸定為Z軸。對于工件旋轉(zhuǎn)的機床，如車床、磨床等，工件轉(zhuǎn)動的軸為Z軸；對于刀具旋轉(zhuǎn)的機床，如鏜床、銑床、鉆床等，刀具轉(zhuǎn)動的軸為Z軸。若有多根主軸，則可選垂直于工件裝夾面的主軸為主要主軸，Z坐標則平行于該主軸軸線。若沒有主軸，則規(guī)定垂直于工件裝夾面的坐標軸為Z軸。Z軸正方向是使刀具遠離工件的方向。

2)?X軸

X軸是水平方向的，它垂直于Z軸并平行于工件的裝夾面。對于工件旋轉(zhuǎn)的機床，如車床、外圓磨床上，X軸的運動方向是徑向的，與橫向?qū)к壠叫校毒唠x開工件旋轉(zhuǎn)中心的方向是正方向。對于刀具旋轉(zhuǎn)的機床，若Z軸為水平的，如臥式銑床、鏜床，則沿刀具主軸后端向工件方向看，右手平伸出的方向為X軸正向；若Z軸為垂直的，如立式銑床、鏜床、鉆床，則從刀具主軸向床身立柱方向看，右手平伸出的方向為X軸正向。

3)?Y軸在確定了X、Z軸的正方向后，即可按右手螺旋定則定出Y軸正方向，如圖1.3所示。上述坐標軸正方向，均是假定工件不動，刀具相對于工件作進給運動而確定的方向，即刀具運動坐標系。但在實際機床加工時，有很多都是刀具相對不動，而工件相對于刀具移動實現(xiàn)進給運動的情況。此時，應在各軸字母后加上“?'?”表示工件運動坐標系。按相對運動關系，工件運動的正方向恰好與刀具運動的正方向相反，即有＋X=－X'，＋Y=－Y'，＋Z=－Z'，＋A=－A'，＋B=－B'，＋C=－C'圖1.3數(shù)控機床坐標系(a)數(shù)控車床；(b)數(shù)控銑床

2．附加坐標系為了編程和加工的方便，有時還要設置附加坐標系。對于直線運動，通常建立的附加坐標系有：

(1)指定平行于X、Y、Z的坐標軸。可以采用的附加坐標系有第二組U、V、W坐標，第三組P、Q、R坐標。

(2)指定不平行于X、Y、Z的坐標軸?？梢圆捎玫母郊幼鴺讼涤械诙MU、V、W坐標，第三組P、Q、R坐標，如圖1.4所示。圖1.4多軸數(shù)控機床坐標系(a)臥式鏜銑床；(b)六軸加工中心1.2.2機床原點與機床參考點

1．機床原點機床原點又稱為機械原點，是機床坐標系的原點。該點是機床上一個固定的點，其位置是由機床設計和制造單位確定的，通常不允許用戶改變。機床原點是工件坐標系、機床參考點的基準點，也是制造和調(diào)整機床的基礎。數(shù)控車床的機床原點一般設在卡盤后端面的中心，如圖1.5所示。通過設置參數(shù)的方法，也可將機床原點設定在X、Z坐標的正方向極限位置上。對于數(shù)控銑床的機床原點，各生產(chǎn)廠不一致，多定在進給行程范圍的正極限點處，如圖1.6所示，但有的設置在機床工作臺中心，使用前可查閱機床用戶手冊。圖1.5車床的機床原點圖1.6銑床的機床原點

2．機床參考點機床參考點是機床上的一個固定點，用于對機床工作臺、滑板與刀具相對運動的測量系統(tǒng)進行標定和控制。其位置由機械擋塊或行程開關來確定。機床參考點對機床原點的坐標是一個已知定值，也就是說，可以根據(jù)機床參考點在機床坐標系中的坐標值來間接確定機床原點的位置。在機床接通電源后，通常都要做回零操作，使刀具或工作臺退離到機床參考點。當回零操作完成后，顯示器即顯示出機床參考點在機床坐標系中的坐標值，表明機床坐標系已自動建立?？梢哉f回零操作是對基準的重新核定，可消除由于種種原因產(chǎn)生的基準偏差。機床參考點已由機床制造廠測定后輸入數(shù)控系統(tǒng)，并且記錄在機床說明書中，用戶不得更改。通常在數(shù)控銑床上機床原點和機床參考點是重合的，而在數(shù)控車床上機床參考點是離機床原點最遠的極限點。如圖1.7所示為數(shù)控車床的參考點與機床原點。圖1.7數(shù)控車床的參考點與機床原點1.2.3工件坐標系

1.工件坐標系工件坐標系是由編程人員根據(jù)零件圖樣及加工工藝，以零件上某一固定點為原點建立的坐標系，又稱為編程坐標系。工件坐標系一般供編程使用。確定工件坐標系時，不必考慮工件在機床上的實際裝夾位置。工件坐標系的原點稱為工件原點或編程原點。工件原點在工件上的位置雖可任意選擇，但一般應遵循以下原則：

(1)工件原點選在工件圖樣的設計基準或工藝基準上，以利于編程。

(2)工件原點盡量選在尺寸精度高、粗糙度值低的工件表面上。

(3)工件原點最好選在工件的對稱中心上。

(4)要便于測量和檢驗。在數(shù)控車床上加工工件時，工件原點一般設在主軸中心線與工件右端面(或左端面)的交點處，如圖1.8(a)所示。在數(shù)控銑床上加工工件時，工件原點一般設在進刀方向一側工件外輪廓表面的某個角上或?qū)ΨQ中心上，如圖1.8(b)所示。對于形狀較復雜的工件，有時為編程方便可根據(jù)需要通過相應的程序指令隨時改變新的工件坐標原點；對于在一個工作臺上裝夾加工多個工件的情況，在機床功能允許的條件下，可分別設定編程原點獨立地編程，再通過工件原點預置的方法在機床上分別設定各自的工件坐標系。圖1.8工件原點設置(a)數(shù)控車床；(b)數(shù)控銑床對于編程和操作加工采取分開管理機制的生產(chǎn)單位，編程人員只需要將其編程坐標系和程序原點填寫在相應的工藝卡片上即可。而操作加工人員則應根據(jù)工件裝夾情況適當調(diào)整程序上建立工件坐標系的程序指令，或采用原點預置的方法調(diào)整修改原點預置值，以保證程序原點與工件原點的一致性。

2．對刀、對刀點與換刀點

1)對刀在數(shù)控加工中，工件坐標系確定后，還要確定刀尖點在工件坐標系中的位置。每把刀具的半徑與長度尺寸都是不同的，刀具裝在機床上后，應在控制系統(tǒng)中設置刀具的基本位置，即常說的對刀問題。數(shù)控機床的裝備不同，所采用的對刀方法也不同。如果數(shù)控機床自帶對刀儀或配有機外對刀儀，那么對刀問題會比較簡單，對刀精度也較高；否則，只能采用手動對刀，對刀過程相對復雜，效率也低。在數(shù)控車床上，常用的對刀方法為試切對刀。對于數(shù)控銑床來說，通常工件坐標系的確定是通過對刀的過程來實現(xiàn)的，即使用對刀點來確定工件原點。

2)對刀點對刀點是指通過對刀確定刀具與工件相對位置的基準點。對刀點可以設在工件上，也可以設在與工件的定位基準有一定關系的夾具某一位置上。其選擇原則是：

(1)所選的對刀點應使程序編制簡單。

(2)對刀點應選在容易找正、便于確定工件原點的位置。

(3)對刀點應選在加工過程中檢查方便、可靠的位置。

(4)對刀點的選擇應有利于提高加工精度。當對刀精度要求較高時，對刀點應盡量選在零件的設計基準或工藝基準上。對于以孔定位的工件，一般取孔的中心作為對刀點。對刀點往往與工件原點重合。若二者不重合，在設置機床零點偏置時，應當考慮到兩者的差值。

3)換刀點換刀點是為加工中心、數(shù)控車床等采用多刀加工的機床而設置的，因為這些機床在加工過程中要自動換刀，在編程時應考慮選擇合適的換刀位置。對于手動換刀的數(shù)控銑床，也應確定相應的換刀位置。為防止換刀時碰傷零件、刀具或夾具，換刀點常常設置在被加工零件的輪廓之外，并留有一定的安全量。1.2.4絕對坐標編程與增量坐標編程

1．絕對坐標編程若所有坐標點的坐標值均從某一固定的坐標原點計量，則稱之為絕對坐標表達方式。若按這種方式進行編程，則稱之為絕對坐標編程。

2．增量坐標編程若運動軌跡的終點坐標是相對于線段的起點來計量，則稱之為增量坐標或相對坐標表達方式。若按這種方式進行編程，則稱之為增量或相對坐標編程。

例1.2

從圖1.9中的A點走到B點。用絕對坐標編程為：X12Y15若用增量坐標編程則為：X－18Y－20采用絕對坐標編程時，程序指令中的坐標值隨著程序原點的不同而不同；而采用相對坐標編程時，程序指令中的坐標值則與程序原點的位置沒有關系。同樣的加工軌跡，既可用絕對編程，也可用相對編程，但有時候采用恰當?shù)木幊谭绞?，可以大大簡化程序的編寫。因此，實際編程時應根據(jù)使用狀況選用合適的編程方式。圖1.9絕對坐標和增量坐標1.3程序編制中的數(shù)學處理

1.3.1基點零件的輪廓是由許多不同的幾何要素所組成的，如直線、圓弧、二次曲線等，各幾何要素之間的連接點稱為基點。基點坐標是編程中必需的重要數(shù)據(jù)。例1.3圖1.10所示零件中，A、B、C、D、E為基點。A、B、D、E的坐標值從圖中很容易找出，C點是直線與圓弧的切點，要聯(lián)立方程求解。以B點為計算坐標系原點，聯(lián)立下列方程：直線方程：Y＝tan(α＋β)X圓弧方程：(X－80)2＋(Y－14)2?＝302解上述方程可求得C點坐標為(64.2786，51.5507)。由此可見，對于簡單的零件，基點的計算很麻煩。對于復雜的零件，其計算可想而知，為提高編程效率，可應用CAD/CAM軟件進行自動編程。圖1.10零件圖樣的基點

1.3.2節(jié)點數(shù)控系統(tǒng)一般只能作直線插補和圓弧插補的切削運動。如果工件輪廓是非圓曲線，數(shù)控系統(tǒng)就無法直接實現(xiàn)插補，而只能用直線段或圓弧段去逼近非圓曲線。逼近線段與被加工曲線的交點稱為節(jié)點。

例1.4

對圖1.11所示的曲線用直線逼近時，其交點A、B、C、D、E、F等即為節(jié)點。圖1.11零件圖樣的節(jié)點在編程時，首先要計算出節(jié)點的坐標，因節(jié)點的計算一般都比較復雜，靠手工計算已很難勝任，必須借助計算機輔助處理。求得各節(jié)點后，就可按相鄰兩節(jié)點間的直線來編寫加工程序。這種通過求得節(jié)點，再編寫程序的方法，使得節(jié)點數(shù)目決定了程序段的數(shù)目。如圖1.11中有6個節(jié)點，即用5段直線逼近了曲線，因而就有5