数控机床及编程：2.1-2数控加工程序编制基本概念

1、2 数控加工的程序编制2.1 程序编制的基本概念2.1.1数控编程的方法1、手工编程手工编程是指在编程的过程中，全部或主要由人工进行。对于加工形状简单、计算量小、程序不多的零件，采用手工编程较简单、经济、效率高。2、APT语言（自动编程）为了解决数控加工中的程序编制问题，50年代，MIT设计了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为APT（Automatically Programmed Tool）。是编程人员根据零件图纸要求用一种直观易懂的编程语言（包括几何、工艺等语句定义）手工编写一个简短的零件源程序，然后输给计算机，计算机经过翻译处理和刀具运动轨迹处理，再经过后置处理，自动生成数

2、控系统可以识别的加工程序。由此可见，APT语言不能直接控制机床。APT几经发展，形成了诸如APTII、APTIII（立体切削用）、APT（算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能）、APTAC（Advancedcontouring）(增加切削数据库管理系统)和APT/SS（Sculptured Surface）(增加雕塑曲面加工编程功能)等先进版。采用APT语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素.APT仍有许多不便之处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形

3、显示和刀具轨迹的验证手段；难以和CAD数据库和CAPP系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称为CATIA。随后很快出现了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统都有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAD和CAM向一体化方向发展。APT语言格式举例：点的定义：P=POINT/10，20，15；直线的定义：LLINE/16，8

4、，0，16，32，0。机床主轴转数及旋转方向的定义：SPINDL/n，CLW 轮廓加工的外容差和内容差的定义：OUTTOL/ INTOL/ 刀具起始点为P：From/P；刀具从P点以最短距离运动向L运动，直至与L相切：GO/TO，L这里用“语言”编写的源程序和手工编程的加工程序有本质差别：手工编程的加工程序可直接控制数控机床进行零件加工；自动编程的源程序要经编译处理后才可被数控机床接受。3、CAD/CAM采用人机交互功能的计算机图形显示器，在图形显示系统软件和图像编程应用软件的支持下，只要给出一些必要的工艺参数，发出相应的命令或“指点”菜单，然后根据应用软件提示的操作步骤，实时“指点”被加工零

5、件的图形元素，就能得到零件的各轮廓点的位置坐标值，并立即在图像显示屏上显示出刀具加工轨迹，再连接适当的后置处理程序，就能输出数控加工程序单。这种编程方法称为计算机图像数控编程(Computer Graphics Aided NC Programming)，简称图像编程。其特点是数学处理能力强、能快速、自动生成数控程序、后置处理程序灵活多变、程序自检、纠错能力强、便于实现与数控系统的通讯。图像编程是目前主要的自动编程方式，国内外图形交互自动编程软件的很多，流行的集成CAD/CAM（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing ）系统大都具有

6、图形自动编程功能。以下是目前市面上流行的几种CAD/CAM系统软件：（1）Pro/Engineer（简称Pro-E）软件。 Pro-E是美国PTC公司开发的机械设计自动化软件，也是最早实现参数化技术商品化的软件，在全球拥有广泛影响须我国也是使用最为广泛的CAD/CAM软件之一。（2）UG软件。 UG是美国EDS公司的产品，多年来，该软件汇集了美国航空航天，以及汽车工业丰富的设计经验，发展成为一个世界一流的集成化CAD/CAE/CAM系统，在世界和我国都占有重要的市场份额。（3）Solidworks软件。 Solidworks公司的CAD/CAM系统从一开始就是面向微机系统，并基于窗口风格设计的

7、，同时它采用了著名的Parasolid为造型引擎，因此该系统的性能先进，主要功能几乎可以和上述大型CAD/CAM系统相媲美。（4）MasterCAM软件。 MasterCAM是美国CNC Software NC 公司研制开发的一套PC级套装软件，可以在一般的计算机上运行。它既可以设计绘制所要加工的零件，也可以产生加工这个零件的数控程序，还可以将AutoCAD、CADKEY、SolidWorks等CAD软件绘制的图形调入到MasterCAM中进行数控编程。该软件简单实用。（5）Catia软件。（6）国内市场信誉较好的CAD/CAM软件有北航海尔软件有限公司开发CAXA 和广州红地公司推出的金银花

8、系统。4、语音编程 语音数控自动编程是利用人的声音作为输入信息，并与计算机和显示器直接对话，令计算机编出加工程序的一种方法。语音编程系统的构成，如图2-1所示。编程时，程编员只需对着话筒讲出所需的指令即可。编程前应使系统“熟悉” 编程员的“声音”，即首次使用该系统时，编程员必须对着话筒讲该系统约定的各种词汇和数字，让系统记录下来并转换成计算机可以接受的数字指令。图2-1 语音编程系统的构成5、视觉系统编程 采用计算机视觉系统来自动阅读、理解图样，由程编员在编辑过程中实时给定起刀点、下刀点和退刀点，然后自动计算出刀位点的有关坐标值，并经后置处理，最后输出数控加工的程序单。视觉系统编程首先由图样扫

9、描器（常用的CCD传感器扫描器和扫描鼓两种）扫描图样，取得一幅图像，对该图像进行预处理是为了校正图像的几何畸变和灰度畸变，并将它转化为易处理的二值图像，同时作断口校正、几何交点部分检测、细线化处理，以消除输入部分分辨率的影响；然后分离并识别图样上的文字、符号、线划等元素，并记忆它们之间的关系，对线划还需进行矢量化处理，并用直线或曲线拟合，得到端点和分支点；将这些信息综合处理，确定图样中每条线的意义及其尺寸大小，最后作编辑处理及刀位点坐标计算。再连接适当的后置处理，就能输出数控加工程序单。视觉系统在编程时不需要零件源程序和编程员，只要事先输入工艺参数即可，操作简单，能直接与CAD的数据相连接，实

10、现高度自动化。下面主要讲解手工编程方法。手工编程方法步骤为：分析工件的零件图及技术要求，确定工艺路线，计算刀具轨迹坐标，用数控代码编程。2.1.2 数控程序结构及代码国际上通用的代码有ISO(international standard organization国际标准化组织)、EIA(electronic industries association美国电子工业协会)两种，代码中有数字码（09）、文字码（AZ）和符号码。下面是一个简单零件的加工实例，零件轮廓如图2-2所示，坐标系设在工件的上表面中心，刀具从中心出发，逆时针加工一周，加工程序为： %O0001N0001G90G54G00X0Y

11、0Z100.0S300M03；N0002G00X0Y-50.0；N0003G01Z-50.0F100；N0004X100.0；N0005Y50.0；N0006X-100.0；N0007Y-50.0；N0008X0；N0009Z100.0；N0010Y0M05；N0011M30；图2-2 程序格式构成由上述加工程序可以看出，数控程序结构如下：A、加工程序由若干个程序段组成；B、程序段由一个或若干个指令字组成，字是数控程序的最小单位，如G00、G90等；C、每个指令字由地址符和数字组成（字地址结构），代表机床的一个位置或一个动作。地址符由字母组成，每个字母、数字、符号（正负号）称为字符；D、程序的

12、起始符：%；程序名以O字母开头；E、每一行程序以分号结尾；F、程序结束符：M02或M30；G、注释符：括号“（）”内或分号“ ；”后的内容为注释文字。 表2-1 程序段结构字字字地址数字地址数字地址数字例如G 01Z 40F 500注释直线插补Z轴位移或终点位置40mm进给速度500mm/min具体要求：1、程序名：格式：O _ _ _ _说明：1)O：文件名首字母，如O001，O002；2) O1、O01、O001、O0001等价；3) 范围O1O7999 用户区 O8000O8999 用户区（加密、加锁） O9000O9999 扩展区（厂方修改）2、顺序号 （标识作用）格式：N _ _ _

13、 _ (注释)说明：1）范围：N1N99992）N1、N01、N001、N0001等价3）一般写成N5；N10；N15；，目的是以便在顺序号间插入顺序号。3、准备功能（简称G功能）由地址符G和两位数字组成，G01，G02等等，G功能的代号已标准化。4、尺寸字（坐标字）由坐标符和数字组成，各组数字必须有作为地址代码的字母开头。n X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R；n A、B、C、D、E；n I、J、K。n 其中， X50. X50.0 在相对坐标编程时，都表示沿X轴移动50mmX500005、进给功能字（F）由进给地址符和数字组成，单位一般为mm/min、mm/r或mm。F指令表示刀具中心运动

14、时的进给合速度。由F和其后的若干数字组成。数字的单位取决于每个系统所采用的进给速度的指定方法。具体内容见所用机床的编程说明书。 注意事项如下： 1）当编写程序时，第一次遇到直线（G01）或圆弧（G02/G03）插补指令时，必须编写进给率F，如果没有编写F功能，CNC采用F0。当工作在快速定位（G00）方式时，机床将以通过机床轴参数设定的快速进给率移动，与编写的F指令无关。 2）F指令为模态指令，实际进给率可以通过CNC操作面板上的进给倍率旋钮，在0200%之间调整。 3）车削系统中，G98 F10 进给速度10mm/min G99 F0.2 进给速度0.2mm/r G32 F5 螺距5mm6、

15、主轴转速功能字（S）由主轴地址符和数字组成，单位为r/minS指令表示机床主轴的转速。由S和其后的若干数字组成，其表示方法有以下三种： 转速 S表示主轴转速，单位为r/min。如S1000表示主轴转速为1000r/min；车削指令G97 S1000。 线速 在恒线速状态下，S表示切削点的线速度，单位为m/min。如车削代码G96 S60表示切削点的线速度恒定为60 m/min； 代码用代码表示主轴速度时，S后面的数字不直接表示转速或线速的数值，而只是主轴速度的代号。如某机床用S00S99表示100种转速，S40表示主轴转速为1200r/min， S41表示主轴转速为1230r/min，S00表

16、示主轴转速为0r/min，S99表示最高转速。7、刀具功能字（T）由刀具地址符和数字组成，数字表示刀具库中刀具号。刀具和刀具参数的选择是数控编程的重要内容，其编程格式因数控系统不同而异，主要格式有以下两种：采用T指令编程由T和数字组成。有T和T两种格式，数字的位数由所用数控系统决定，T后面的数字用来指定刀具号和刀具补偿号。例如：T04表示选择4号刀；T0404表示选择4号刀，4号偏置值；T0400表示选择第4号刀，刀具偏置取消。采用T、D指令编程利用T功能选择刀具，利用D功能选择相关的刀偏。在定义这两个参数时，其编程的顺序为T、D。T和D可以编写在一起，也可以单独编写，例如：T4 D04表示选

17、择4号刀，采用刀具偏置表第4号的偏置尺寸；D12表示仍用4号刀，采用刀具偏置表第12号的偏置尺寸；T2表示选择2号刀，采用与该刀具相关的刀具偏置尺寸。8、辅助功能字（M）由辅助操作地址符和两位数字组成。M功能的代码已标准化。M指令是控制数控机床“开、关”功能的指令，主要用于完成加工操作时的辅助动作。M 功能有非模态M功能和模态M功能二种形式。1）非模态M功能（当段有效代码）：只在书写了该代码的程序段中有效；2）模态M功能（续效代码）：一组可相互注销的 M功能，这些功能在被同一组的另一个功能注销前一直有效。如：M02或M30 、M03、M04、M05 等。模态 M功能组中包含一个缺省功能，系统上

18、电时将被初始化为该功能。M 功能还可分为前作用 M 功能和后作用 M 功能二类。1）前作用 M 功能：在程序段编制的轴运动之前执行；2）后作用 M 功能：在程序段编制的轴运动之后执行。需要指出的是,数控机床的指令格式在国际上有很多标准，并不完全相同。不同数控系统之间，程序格式存也存在一定的差异，因此，在编程时要仔细阅读所用数控系统的编程说明书。2.2 程序的编制2.2.1 机床坐标系和工件坐标系的建立图2-3 右手笛卡儿直角坐标系数控机床的坐标系规定已标准化，按右手直角坐标系确定，假定工件静止，通过刀具相对工件的移动来确定机床各坐标轴的方向。右手笛卡尔坐标系：标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔坐

19、标系，用右手螺旋法则判定，如图2-3所示。右手的拇指、食指、中指互相垂直，并分别代表+X、+Y、+Z轴。围绕+X、+Y、+Z轴的回转运动分别用+A、+B、+C表示，其正向用右手螺旋定则确定。与+X、+Y、+Z、+A、+B、+C相反的方向用带“”的+X、+Y、+Z、+A、+B、+C表示。1. 机床坐标系a、机床原点：图2-5 铣床的机床原点图2-4 车床的机床原点机床坐标系的原点也称为机床原点,又称机械原点，或者机床零点，在机床经过设计制造和调整后这个原点便被确定下来,是由机床生产厂家设置的一个固定不变的基准点，在机床说明书上有说明。如图2-4所示，该车床的机械原点位于主轴轴线与卡盘端面的交点处

20、；一般的，对于铣床来说，机械原点的位置是各坐标轴的正向最大极限处，如图2-5所示。数控装置通电后通常要进行回参考点操作，以建立机床坐标系。参考点可以与机床零点重合，也可以不重合，通过参数来指定机床参考点到机床零点的距离。机床回到了参考点位置也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点，CNC就建立起了机床坐标系。参考点可以通过调整挡块被改变。b、机床坐标系先确定Z轴：在标准中，规定平行于机床主轴的刀具运动坐标轴为Z轴，取刀具远离工件的方向为正方向（Z）。当机床有多个主轴时，选一个垂直于工件装夹面的主轴为Z轴。再确定X轴：X轴为水平方向，且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。对于工件做旋转运

21、动的机床，取平行于横向滑座的方向为刀具运动的X轴坐标，同样，取刀具远离工件的方向为X的正方向；对于刀具做旋转运动的机床，当Z轴为水平方向时，沿刀具主轴后端向工件方向看，向右为X轴的正方向；如Z轴是垂直的，则从主轴向立柱看时，对于单立柱机床，X轴的正方向指向右边；对于双立柱机床，当从主轴向立柱看时，X轴向的正方向指向右边。上述的正方向都是刀具相对于工件运动而言。最后确定Y轴：在确定了X、Z正方向后，可以按照右手直角笛卡儿坐标系确定Y轴的正方向。图2-6、图2-7分别为常见的立式、卧式数控铣床机床坐标系的坐标方向，图上表示的方向为实际运动部件的移动方向。图2-6立式数控铣床图2-7卧式数控铣床2

22、参考点、参考坐标系数控装置上电时并不知道机床原点，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。通过参数指定机床参考点到机床原点的距离。 以参考点为原点，坐标方向与机床坐标方向相同建立的坐标系叫做参考坐标系，在实际使用中通常以参考坐标系计算坐标值。一般的，参考坐标系与机床坐标系之间偏移一定的距离，或者二者重合。例如加工中心的机床原点与参考点重合，位于各轴的正向极限位置，所以当用机械坐标表示刀具当前位置时，其值始终是负的。3、工作坐标系a、编程原点：也称工件原点，由编程人员在工件上根据

23、编程方便性自行设定的编制加工程序的原点。它只与工件有关，而与机床坐标系无关。但考虑到编程的方便性，工件坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床的坐标轴方向一致。车床工件原点一般选择在轴线与工件右端面、左端面或卡爪的前端面的交点上。工件原点的设置一般应遵循下列原则： （1）工件原点与设计基准或装配基准重合，以利于编程； （2）工件原点尽量选在尺寸精度高、表面粗糙度值小的工件表面上； （3）工件原点最好选在工件的对称中心上； （4）要便于测量和检验。图2-8 车削的编程原点图2-9 铣削的编程原点图2-8、2-9的编程原点选在O2处符合上述原点选择原则。b、编程坐标系假定工件固定不动，用刀具运动的

24、坐标系来编程。工件坐标系是编程人员在编程和加工时使用的坐标系。在加工时，工件随夹具安装在机床上，这时测量工件原点与参考点间的距离，称作工件原点偏置。该偏置值预存入数控系统中（G92，G54G59），加工时，工件原点偏置便能自动加到工件坐标系上，使数控系统可按机床坐标系确定加工时的绝对坐标值。因此，编程人员可以不考虑工件在机床上的实际安装位置和安装精度，而利用原点偏置功能（指令），补偿工件在工作台上的位置偏差。如图2-5所示，-X3、-Y3、-Z3即为工件原点与参考点的偏置值，将其预存入数控系统中，编程时按工件坐标系编程即可。4、附加运动坐标系一般称XYZ为主坐标或第一座标，如有平行于第一座标的

25、第二组和第三组坐标，则分别指定为U、V、W和P、Q、R。确定工件坐标系注意四点：1、远离工件的方向为正方向；2、假定工件不动，刀具运动；3、遵循右手定则；4、讲解机床坐标系与工件坐标系的目的在于：装夹工件时，要将图纸上的坐标方向与机床坐标方向相一致。X5、按下操作面板上的 ，则刀具相对于工件向X方向运动。常用的M指令功能及其应用如下： （1）程序停止 指令：M00 功能：执行完包含M00的程序段后，机床停止自动运行，此时所有存在的模态信息保持不变，用循环启动使自动运行重新开始。（对于Fanuc系统，M00为程序无条件暂停指令。程序执行到此进给停止，主轴停转。重新启动程序，必须先回到JOG状态下，按下CW（主轴正转）启动主轴，接着返回AUT