第1章　数控编程基础

1.1　数控编程的概念

1.1.1　数控加工过程

数控加工，就是泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有数控系统的自动化机床，它的运动和辅助动作均受控于数控系统发出的指令。数控机床一般由控制介质、输入输出装置、数控装置、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成，如图1-1所示。控制介质也称程序介质，是指以指令的形式记载各种加工信息的物质，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等。输入输出装置是机床与外部设备的接口，主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印。数控装置是数控机床的中枢，通过对程序进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制数控机床对零件切削加工。伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。检测反馈装置的作用是对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态进行检测，将测量结果转化为电信号反馈给数控装置。机床本体是数控机床的主体，由主轴装置、进给装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。

与普通机床相比，数控机床是一种高速自动化的机床，即加工过程可实现自动化控制，数控机床的加工过程如图1-2所示。

（1）工艺分析

工艺分析是指根据零件图样的工件材料、几何性质特征、加工精度和热处理等各项要求，合理地选择加工方案，确定加工顺序、切削路线、装夹方式、刀具参数、切削参数等。

（2）程序编制

程序编制就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动及刀具位移等内容，按数控机床的编程格式和语言记录在程序单上。

（3）程序传输

把编制好的程序内容记录在控制介质上，通过程序的手工输入或通信传输送入数控系统。

（4）零件加工

机床数控系统将加工程序语句译码、运算，转换成驱动各运动部件的动作指令。机床伺服系统接收来自数控系统的指令，控制驱动部件进行运动，完成对零件的加工。

1.1.2　数控编程的概念

在数控机床上加工零件时，一般首先需要编写零件加工程序，即用数字和字母组成的指令代码来描述被加工零件的工艺过程、零件尺寸和工艺参数（如主轴转速、进给速度等），然后将零件加工程序输入数控装置，经过计算机的处理与计算，发出各种控制指令，控制机床的运动与辅助动作，自动完成零件的加工。当变更加工对象时，只需重新编写零件加工程序，而机床本身则不需要进行调整就能把零件加工出来。

这种根据被加工零件的图纸及其技术要求、工艺要求等切削加工的必要信息，按数控系统所规定的指令和格式编制的数控加工指令序列，就是数控加工程序，或称零件程序。要在数控机床上进行加工，数控加工程序是必需的。制备数控加工程序的过程称为数控加工程序编制，简称数控编程（NCProgramming），它是数控加工中一项极为重要的工作。

1.1.3　数控编程的方法

数控加工程序的编制有手工编程和自动编程两种方法。

（1）手工编程

零件图分析、工艺处理、数值计算、程序编制等各个阶段均由手工完成的编程方法，称为手工编程。对于点位加工或几何形状不太复杂的平面零件，由于数值计算较为简单，且程序段较短，因此用手工编程较为经济。但是，下列情况不适合用手工编程：

①形状较复杂的零件，特别是由非圆曲线、空间曲线等几何元素组成的零件；

②几何元素并不复杂但程序量很大的零件，如在一个零件上有数百个甚至上千个孔；

③当铣削轮廓时，数控装置不具备刀具半径自动补偿功能，而只能以刀具中心的运动轨迹进行编程的情况。

在以上这些情况下，编程中的数值计算相当烦琐且程序量大，所费时间多且易出错。而且，有时手工编程根本难以完成。为缩短生产周期，提高数控机床的利用率，有效地解决各种复杂零件的编程问题，必须采用自动编程。

（2）自动编程

由计算机完成程序编制中的大部分或全部工作的编程方法，称为自动编程。按照加工信息输入方式的不同，自动编程方法可分为语言编程方法和图形交互式编程方法。

语言编程方法首先采用数控语言编写零件源程序，用它来描述零件图的几何形状、尺寸、几何元素间的相互关系以及加工时的走刀路线、工艺参数；接着由数控语言编程系统对源程序进行翻译、计算；最后经后置处理程序处理后自动输出符合特定数控机床要求的数控加工程序。

随着微型计算机技术和数控编程技术的发展，出现了可以直接将零件的几何图形转化为数控加工程序的图形交互式系统，如美国CNCSoftware公司开发的MASTERCAM系统、EDS公司开发的UG系统等，编程员可利用自动编程系统本身的CAD功能，以人机对话的方式，很方便地在显示器上勾画出复杂的零件图形，从而完成了编程信息的输入。这种自动编程方法实现了CAM与CAD的高度结合，因此被纳入CAD/CAM技术。

自动编程可以大大减轻编程人员的劳动强度，将编程效率提高几十倍甚至上百倍。同时解决了手工编程无法解决的复杂零件的编程难题。因此，除了少数情况下采用手工编程外，原则上都应采用自动编程。但是手工编程是自动编程的基础，对于数控编程的初学者来说，仍应从学习手工编程入手。

1.1.4　数控编程的步骤

数控机床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。使用数控机床加工零件时，程序编制是一项重要的工作。迅速、准确、经济地完成程序编制工作，对于充分发挥数控机床的性能具有决定性意义。一般来说，数控加工程序的编制步骤如图1-3所示。

（1）零件图分析与工艺处理

在对零件图进行全面分析的基础上确定加工方案，具体包括零件装夹方法的设计、刀具的选择、走刀路线的设计（如对刀点、换刀点、进给路线）、切削用量的选择（如进给速度、主轴转速、切削深度等），坐标原点的选择等。

（2）数值处理

根据零件图和加工路线计算刀具中心的运动轨迹。对于由直线和圆弧组成的简单零件，可以直接根据图纸上的尺寸标注，计算出轮廓上相邻几何元素的交点或切点坐标值；当零件形状比较复杂时，一般需要借助计算机绘图软件如AutoCAD辅助完成数值计算工作。

（3）编写加工程序

根据计算的刀具轨迹坐标值和已确定的切削用量，结合数控系统规定的指令及程序段格式，编写零件加工程序。

（4）程序输入

程序编写好之后要输入到数控装置中，当程序较短且单件试切时，一般通过机床系统面板直接输入；当程序较长或大批量生产时，一般通过读卡器或U盘输入，也可使用RS232传输接口或通过网线与机床联机输入。

（5）程序校验与零件试切

输入到数控装置中的程序必须经过校验和试切才能正式使用。校验的方法通常是在空运行模式下运行加工程序，通过CRT图形显示功能检查刀具轨迹；若机床不具备图形显示功能，当加工平面轮廓零件时，可在机床上用笔代替刀具，用坐标纸代替工件进行绘图检查刀具轨迹；当加工曲面零件时，可用木料或塑料工件进行试切，以便检查刀具轨迹。

检验只能检查刀具轨迹是否正确，不能检验加工精度是否合格。因此，校验后还应进行零件的试切，一方面合理选择切削参数，另一方面对程序进行修改或误差补偿，以便保证零件精度合格。