数控手工编程的方法与步骤.docx
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数控手工编程的方法与步骤
数控手工编程的方法及步骤
数控编程的要紧内容有：
分析零件图样确定工艺过程、数值计算、编写加工程序、校对程序及首件试切。
编程的具体步骤讲明如下：
1．分析图样、确定工艺过程
在数控机床上加工零件，工艺人员拿到的原始资料是零件图。
依照零件图，能够对零件的形状、尺寸精度、表面粗糙度、工件材料、毛坯种类和热处理状况等进行分析，然后选择机床、刀具，确定定位夹紧装置、加工方法、加工顺序及切削用量的大小。
在确定工艺过程中，应充分考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能，做到加工路线合理、走刀次数少和加工工时短等。
此外，还应填写有关的工艺技术文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、走刀路线图等。
2．计算刀具轨迹的坐标值
依照零件图的几何尺寸及设定的编程坐标系，计算出刀具中心的运动轨迹，得到全部刀位数据。
一般数控系统具有直线插补和圆弧插补的功能，关于形状比较简单的平面形零件（如直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，只需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心（或圆弧的半径）、两几何元素的交点或切点的坐标值。
假如数控系统无刀具补偿功能，则要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。
关于形状复杂的零件（如由非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段（或圆弧段）逼近实际的曲线或曲面，依照所要求的加工精度计算出其节点的坐标值。
3．编写零件加工程序
依照加工路线计算出刀具运动轨迹数据和已确定的工艺参数及辅助动作，编程人员能够按照所用数控系统规定的功能指令及程序段格式，逐段编写出零件的加工程序。
编写时应注意：
第一，程序书写的规范性，应便于表达和交流；第二，在对所用数控机床的性能与指令充分熟悉的基础上，各指令使用的技巧、程序段编写的技巧。
4．将程序输入数控机床
将加工程序输入数控机床的方式有：
光电阅读机、键盘、磁盘、磁带、存储卡、连接上级计算机的DNC接口及网络等。
目前常用的方法是通过键盘直接将加工程序输入（MDI方式）到数控机床程序存储器中或通过计算机与数控系统的通讯接口将加工程序传送到数控机床的程序存储器中，由机床操作者依照零件加工需要进行调用。
现在一些新型数控机床差不多配置大容量存储卡存储加工程序，当作数控机床程序存储器使用，因此数控程序能够事先存入存储卡中。
5．程序校验与首件试切
数控程序必须通过校验和试切才能正式加工。
在有图形模拟功能的数控机床上，能够进行图形模拟加工，检查刀具轨迹的正确性，对无此功能的数控机床可进行空运行检验。
但这些方法只能检验出刀具运动轨迹是否正确，不能查出对刀误差、由于刀具调整不当或因某些计算误差引起的加工误差及零件的加工精度，因此有必要通过零件加工的首件试切的这一重要步骤。
当发觉有加工误差或不符合图纸要求时，应分析误差产生的缘故，以便修改加工程序或采取刀具尺寸补偿等措施，直到加工出合乎图样要求的零件为止。
随着数控加工技术的进展，可采纳先进的数控加工仿真方法对数控加工程序进行校核。
数控加工程序指令代码
在数控机床加工程序中，我国和国际上都广泛使用预备功能G指令、辅助功能M指令、进给功能F指令、刀具功能T指令和主轴转速功能S指令等5种指令代码来描述加工工艺过程和数控机床的各种运动特征。
1．预备功能字G。
预备功能字的地址符是G，又称G功能或G指令。
它是建立机床或操纵数控系统工作方式的一种命令，一般用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（即插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿和坐标偏置等多种加工操作，以及厂家自定义的多种固定循环指令和宏指令调用等。
它由地址符G及其后的两位数字或三位数字组成。
一个数控系统的G代码多少可衡量其功能的强弱。
2．主轴转速功能字S
主轴转速功能字的地址符是S，因此又称S功能或S指令。
它由主轴转速地址符S及数字组成，数字表示主轴转数，其单位按系统讲明书的规定。
现在一般数控系统主轴已采纳主轴操纵单元，能使用直接指定方式，即可用地址符S的后续数字直接指定主轴转数。
例如，若要求1200r/min，则编程指令为S1200。
3．进给功能字F
进给功能字的地址符是F，因此又称F功能或F指令。
它由进给地址符F及数字组成，数字表示切削时所指定的刀具中心运动的进给速度。
那个数字的单位取决于每个系统所采纳的进给速度的指定方式。
现在一般数控系统都能使用直接指定方式，即可用地址符F的后续数字直接指定进给速度。
关于车床系统，可分为每分钟进给和主轴每转进给两种方式表示，一般分不用G94、G95规定；关于铣床系统，一般只用每分钟进给方式表示。
F地址在螺纹切削程序段中还常用来指定螺纹导程。
4．刀具功能T
刀具功能字的地址符是T，因此又称T功能或T指令。
它用以指定切削时使用的刀具的刀号及刀具自动补偿时编组号。
其自动补偿的内容有：
刀具对刀后的刀位偏差、刀具长度及刀具半径补偿。
在编程中，其指令格式因数控系统不同而异，要紧格式有以下两种：
（1）采纳T指令编程
由刀具功能地址符T和数字组成。
T后面的数字用来指定刀具号和刀具补偿号。
（2）采纳T、D指令编程
使用T功能指令选择刀具号，使用D功能选择相关的刀具偏置量。
5．辅助功能（简称M功能）
辅助功能字的地址符是M，因此又称M功能或M指令。
它由辅助功能地址符M和两位数字组成，要紧用于表示数控程序停止、主轴启动及顺和逆、主轴停止、换刀、程序结束并返回、冷却液开与关等功能的指令、各种进给操作时的辅助动作及其状态。
辅助功能指令也有M00~M99，共计100种，我国JB/T3208－1999标准对M指令的功能进行了定义。
需要讲明的是，数控机床的指令在国际上有专门多标准，并不完全一致。
而随着数控加工技术的进展、不断改进和创新，其系统功能更加强大和使用上会更加方便。
在不同数控系统之间，功能指令字也会更加丰富，程序格式上的差异也会一定存在。
数控加工工艺
机械加工工艺过程是指用材料去除方法改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使其成为达到设计要求的过程。
数控机床的加工工艺与一般机床的加工工艺有许多相同之处，遵循的原则差不多一致。
也有许多不同，最大的不同表现在切削刀具轨迹的操纵方式上。
同时由于数控机床本身自动化程度较高，设备费用较高，因此数控机床加工相应形成了自己的特点：
1．数控加工的工艺内容设计十分具体
在使用通用机床加工时，许多具体的工艺问题，如工艺中各工步的划分与安排，刀具的几何形状，走刀路线及切削用量等，在专门大程度上差不多上由操作工人依照自己的实践经验和适应自行考虑和决定的，一般无须工艺人员在设计工艺规程时进行过多的规定。
而在数控机床加工时，上述这些具体工艺问题，不仅成为数控工艺设计时必须考虑的内容，而且还必须做出正确的选择并编入加工程序中。
2．数控加工的工艺设计特不严密
数控机床尽管自动化程度较高，但自适应性差。
它不能像通用机床加工时能够依照加工过程中出现的问题比较灵活的适时的进行人为的调整。
即使现代数控机床在自适应调整方面作出了许多努力与改进，但其自由程度也不大。
比如，数控机床加工螺纹孔时，它不明白孔中是否差不多挤满了切屑，是否需要退一下刀，或先清理一下切屑再进刀。
因此，在数控加工的工艺设计中，必须注意加工过程中的每一个细节，计算和编程时，都要力求正确无误。
3．数控加工的操作程序化相当严格
由于数控加工自动化程度高、可多轴联动，便于工序集中安排。
但数控机床价格昂贵，操作技术要求高，所加工的对象也差不多上一些形状比较复杂、价值也比较高的零件，稍有不慎损坏了零件或损坏了机床、刀具，都会造成较大损失。
因此对数控机床加工操作的差不多步骤的程序化要求相当严格。
从工艺设计→编写程序→校验程序→零件加工的每一步都不能忽视，其中程序校验更是重要的一环。
在实际工作中，由于一个小数点或一个符号的差错而酿成重大机床事故和质量事故的例子也屡见不鲜。
4．数控加工机床的合理应用
依照数控加工的特点，正确选择加工方法和加工对象，充分发挥数控机床加工的优点，取得良好的经济效益是我们在进行工艺设计中必须考虑的一个重要问题。
数控加工工艺的应用有专门大的灵活性，对同一个加工内容，可能有多种工艺方案，必须针对具体问题进行具体分析。
一方面，选择加工方法和对象时要考虑到数控机床与系统的性能指标，能够实现加工且能保证加工精度、满足技术质量要求；另一方面，有时还要在差不多不改变工件原有性能的前提下，对其形状、尺寸、结构等做一些必要的、适应数控机床加工的修改。
一种零件的加工工艺过程并不是固定不变的，零件加工过程要满足零件图样的技术要求，同时又受到加工批量、设备条件、工艺水平等因素的制约。
从生产水平进展和数控加工技术水平提高的角度上来看，数控加工工艺的设计工作也是在不断提高和改进。
近年来，随着数控机床加工技术的迅速进展，金属切削加工理论也在不断丰富和完善。
例如数控高速加工技术的进展，就使得工艺路线设计理念发生了专门大的变化。
近二十年来，随着计算机技术的进展，计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）逐渐走向成熟，受到工业界的高度重视。
CAD/CAM集成系统是在产品设计与制造领域引起革命性变革的系统，它的应用是现代制造业中能发挥最大效益的亮点之一。
自动编程的概念
采纳计算机代替手工编制数控加工程序的过程称为“计算机自动编程”，也称作计算机辅助编程，简称“自动编程”。
它是利用通用计算机和相应前置、后置处理软件，对工件源程序或CAD图形进行处理，以得到加工程序的一种方法。
自动编程是计算机技术在机械制造业中的一个要紧应用领域。
依照编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同，分为以自动编程语言为基础的自动编程方法和以计算机绘图为基础的自动编程方法。
从自动编程的进展历史进程来看，专门早就进展了以自动编程语言为基础的自动编程方法，以计算机绘图为基础的自动编程方法则相对进展较晚，这要紧是由于计算机图形技术进展相对落后。
1．APT系统
最早出现的是APT系统，使用APT系统，编程人员仍然要从事繁琐的预编程工作。
然而由于使用计算机代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算工作，并省去了编写程序清单的工作量，因此可将编制数控程序的效率提高数十倍。
为了国际间的交流与使用的需要，ISO组织在APT的基础上制定了ISO4342－85《数控语言》标准，供各成员国参考使用。
2．CAD/CAM集成系统的数控编程
目前CAD/CAM系统集成技术差不多专门成熟，一体化集成形式的CAD/CAM系统已成为数控加工自动编程的主流，其大大减少了编程出错率，提高了编程效率和编程可靠性。
通常关于简单的加工零件可一次调试成功。
自动编程所用的零件图，是由设计者依照使用要求而设计的。
在CAD/CAM集成系统中，它可由CAD软件产生，能够采纳人机交互方式对零件的几何模型进行绘制、编辑和修改，从而得到零件的几何模型，不需要数控编程者再次进行几何造型。
然后对机床和刀具进行定义和选择，确定刀具相关于零件表面的运动方式、切削加工参数，便能生成刀具轨迹。
CAD/CAM系统的自动编程还具有加工轨迹的仿真功能，以用于验证走刀轨迹和加工程序的正确性。
使用这类软件对加工程序的生成和修改都特不方便，大大提高了编程效率。
关于大型的较为复杂的零件的编程时刻，大约为APT编程的几分之一，经济效益十分明显。
现在的自动编程方法一般是指CAD/CAM系统的自动编程。
狭义的CAM确实是指这种自动编程。
自动编程技术优于手工编程，这是不容置疑的。
然而，并不等于讲凡是数控加工编程必选自动编程。
数控编程方法的选择，必须考虑被加工零件形状的复杂程度、数值计算的难度和工作量的大小、现有设备条件（计算机、编程系统等）以及时刻和费用等诸多因素。
一般讲来，加工形状简单的零件，例如点位加工或直线切削零件，用手工编程所需的时刻和费用与计算机自动编程所需的时刻和费用相差不大，这时采纳手工编程比较合适。
否则，不妨考虑选择自动编程。
3．CAD/CAM集成系统自动编程的要紧特点
与手工编程相比，自动编程具有以下要紧特点：
（1）数学处理能力强
对轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件，特不是空间曲面零件，以及几何要素虽不复杂，但程序量专门大的零件，计算工作相当繁琐，采纳手工编制程序的方法是难以完成的。
例如，对一般二次曲线廓形，手工编程必须采取直线或圆弧逼近的方法，算出各节点的坐标值，其中列算式、解方程，虽讲能借助计算器进行计算，但工作量之大是难以想象的。
而自动编程借助于系统软件强大的数学处理能力，计算机能自动计算出加工该曲线的刀具轨迹，快速而又准确。
自动编程系统还能处理手工编程难以胜任的二次曲面和专门曲面。
（2）快速、自动生成数控程序
对非圆曲线的轮廓加工，手工编程即使解决了节点坐标的计算，也往往因为节点数过多，程序段专门大而使编程工作又慢又容易出错。
自动编程的优点之一，确实是在完成计算刀具运动轨迹之后，后置处理程序能在极短的时刻内自动生成数控加工程序，且该数控加工程序可不能出现语法错误。
因此自动生成数控加工程序的速度还取决于计算机硬件的档次，档次越高，速度越快。
（3）后置处理程序灵活多变
由于数控系统的指令形式不尽相同，机床的辅助功能也不一样，伺服系统的特性也有差不。
因此，同一个零件在不同的数控机床上加工，数控加工程序也应该是不一样的。
但在前置处理过程中，大量的数学处理，轨迹计算却是一致的。
这确实是讲，前置处理能够通用化，只要略微改变一下后置处理程序，就能自动生成适用于不同数控机床的数控程序来。
后置处理相比前置处理，工作量要小得多，程序简单得多，因而它灵活多变。
关于不同的数控机床，取用不同的后置处理程序，等于完成了一个新的自动编程系统，极大地扩展了自动编程系统的使用范围。
（4）程序自检、纠错能力强
复杂零件的数控加工程序往往专门长，要一次编程成功，不出一点错误是不现实的。
手工编程时，可能出现书写有错误，算式有问题，也可能程序格式出错，靠人工检查一个个的错误是困难的，费时又费劲。
采纳自动编程，程序有错要紧是原始数据不正确而导致刀具运动轨迹有误，或刀具与工件干涉，或刀具与机床相撞，等等。
自动编程能够通过系统先进的、完善的诊断功能，在计算机屏幕上对数控加工程序进行动态模拟，连续、逼真地显示刀具加工轨迹和零件加工轮廓，发觉问题能及时对数控加工程序中产生错误的位置及类型进行修改，快速又方便。
现在，往往在前置处理时期计算出刀具运动轨迹以后立即进行动态模拟检查，确定无误以后再进入后置处理时期，生成正确的数控加工程序来。
（5）便于实现与数控系统的通讯
自动编程系统能够利用计算机和数控系统的通讯接口，实现自动编程系统和数控系统间的通讯。
自动编程系统生成的数控加工程序，可直接输入数控系统，操纵数控机床进行加工。
假如数控程序专门长，而数控系统的程序存储器容量有限，不足以一次容纳整个数控加工程序，编程系统能够做到边输入，边加工。
自动编程系统的通讯功能进一步提高了编程效率，缩短了生产周期。
CAD/CAM集成系统
目前，国内外CAD/CAM集成系统软件种类专门多，其软件功能、面向用户的接口方式有所不同，因此编程的具体过程及编程过程中所使用的指令也不尽相同。
但从总体上讲，其编程的差不多原理及差不多步骤大体上是一样的。
20世纪90年代中期以后，CAD/CAM集成系统向集成化（integration）、智能化（intelligence）、网络化（network）、并行化（concurrent）和虚拟化（virtual）方向迅速进展，我国的数控加工编程同时经历了从手工编程到使用CAD/CAM集成系统自动编程的过程。
CAD/CAM集成系统软件是实现数控自动编程必不可少的应用软件，目前，在国内市场上销售比较成熟的这类软件有十几种，既有国外的也由国内自主开发的，这些软件在功能、价格、适用范围等方面有专门大差不。
下面列举一些典型的CAD/CAM集成系统软件：
（1）．UG系统
UG系统是美国UGS（UnigraphicsSolutions）公司推出的软件。
它最早由美国麦道航空公司研制开发，从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能进展起来。
通过多年进展，该系统本身以复杂曲面造型和数控加工功能见长，还具有治理复杂产品装配，进行多种设计方案的对比分析和优化等功能。
其庞大的模块群为企业提供了从产品设计、产品分析、加工装配、检验，到过程治理、虚拟运作等全系列的技术支持。
目前，该软件在国际CAD/CAM/CAE市场上占有较大的份额，是目前市场上数控加工编程能力最强的CAD/CAM集成系统之一。
（2）．Pro/Engineer系统
Pro/Engineer是美国PTC公司研制和开发的软件，它开创了三维CAD/CAM参数化的先河。
该软件具有基于特征、全参数、全相关和单一数据库的特点，可用于设计和加工复杂零件。
另外，它还具有零件装配、机构仿真、有限元分析、逆向工程、同步工程等功能。
Pro/Engineer广泛应用于模具、工业设计、汽车、航天、玩具等行业，并在国际CAD/CAM/CAE市场上占有较大的份额。
（3）．CATIA系统
CATIA系统是IBM公司推出的产品，是最早实现曲面造型的软件，它开创了三维设计的新时代。
它的出现，首次实现了计算机完整描述产品零件的要紧信息，使CAM技术的开发有了现实的基础。
目前，CATIA系统已进展成从产品设计、产品分析、加工、装配和检验，到过程治理、虚拟运作等众多功能的大型CAD/CAM/CAE软件。
该系统要紧编程功能与APT-IV/SS相同，并在专门多方面突破了APT-IV/SS的限制，有了较大的改进。
（4）．CIMATRON系统
CIMATRON系统是以色列Cimatron公司提供的CAD/CAM软件，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM的全功能系统。
它具有三维造型、生成工程图、数控加工等功能，具有各种通用和专用的数据接口及产品数据治理（PDM）功能。
该软件较早在我国得到全面汉化，已积存了一定的应用经验。
（5）．MasterCAM
MasterCAM是由美国CNCsoftware公司推出的基于PC平台上的CAD/CAM软件，它具有专门强的加工功能，尤其在对复杂曲面自动生成加工代码方面，具有独到的优势。
由于MasterCAM要紧针对数控加工，零件设计造型功能不强，但对计算机硬件的要求不高，且操作灵活、易学易用、价格较低，受到中小企业的欢迎。
（6）．CAXA制造工程师
CAXA制造工程师是由我国北航海尔软件有限公司自主研制开发的基于微机平台，面向机械制造业的全中文三维CAD/CAM软件。
它采纳原创Windows菜单和交互方式，全中文界面，便于轻松地学习和操作。
它即具有线框造型、曲面造型和实体造型的设计功能，较强的三维曲面拟合能力，又具有生成2~5轴的加工代码的数控加工功能，可用于加工具有复杂三维曲面的零件。
其特点是易学易用，价格较低，已在国内众多企业和大专院校得到广泛的应用。
CAD/CAM技术是科技领域中的前沿课题之一，也是当今的尖端技术――集成化制造系统核心技术的基础。
它具有高智能、高效益、知识密集、更新速度快、综合性强等特点。
近几年来，上述CAD/CAM系统的版本升级速度特不快，CAD/CAM技术的进展和应用水平已成为衡量一个国家科技和工业现代水平的重要标志之一。
1931年德国物理学家萨罗蒙最早提出了高速切削的理论。
该理论提出：
在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但可不能升高反而会降低，且该切削速度与工件材料的种类有关。
关于每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，切削加工不可能进行，要是能越过那个速度范围，高速切削将成为可能，从而大幅度地提高生产效率。
高速切削加工技术
自20世纪60年代起，人们对高速加工的机理研究和应用方面做了许多探究。
高速切削加工技术历经了理论探究、应用探究、初步应用和较成熟应用等四个时期。
近几年随着高强度、高熔点、高耐磨性刀具材料的推出和超高速电主轴的成功应用，为高速切削加工技术的推广制造了条件。
它以高效率、高精度和高表面质量为差不多特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得越来越广泛的使用，并以取得了重大的技术经济效益。
有资料统计，高速切削加工与常规切削加工相比：
加工时刻可减少约60%，切削速度是常规切削速度的5~10倍，材料去除率提高3~5倍，刀具耐用度提高70%。
目前高速切削加工技术逐步在制造业推广应用，但要给高速切削下一个确切的定义还比较困难，高速切削加工的切削速度范围较难给出。
高速切削加工是一个相对的概念，它与加工材料、加工方式、刀具、切削参数等有专门大的关系。
高速切削加工的优势
高速切削加工之因此得到制造业越来越广泛的应用，是因为它相关于传统加工方式具有显著的优越性，具体讲来有以下特点：
1．提高生产率
高速切削加工中主轴转速和进给速度的提高，能够提高材料的去除率。
与传统加工技术相比，高速切削加工主轴转速高，切削进给速度高，切削量小，但在单位时刻内的材料切除量却增加了数倍。
同时，高速切削加工可加工淬硬零件，许多零件一次装夹可完成粗、半精和精加工等全部工序，对复杂型面加工也能够直接达到零件表面质量要求，进而大大提高加工生产率。
2．改善加工精度和表面质量
高速切削加工的精度专门高。
高速切削加工机床必须具备高刚性和高精度等性能，同时由于切削力低，工件热变形小，切削深度小，而进给速度较快，加工表面粗糙度专门小，切削铝合金时可达Ra0.4~0.6，切削钢件时可达Ra0.2~0.4。
3．减少切削产生的热量
在高速切削加工中，切削过程产生的热量大部分被切屑带走，而不是传到工件中去，因此，工件温升低，热变形、热膨胀小，能够有效的减少工件的热变形。
4．减小切削力
由于高速切削采纳较浅的切削深度和较窄的切削宽度，因此与常规切削相比切削力可至少减小30%以上。
这关于加工刚性较差的零件来讲可减少加工变形，使一些薄壁类精细零件的切削加工成为可能。
5．部分代替某些工艺
常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。
高速切削加工则能够直接加工淬火后的材料，在专门多情况下可完全省去电火花加工、手工磨削等工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工，缩短工艺路线。
高速切削加工实现的要求
高速切削加工要紧由两个特点：
一是主轴转速较高，一般情况下主轴转速在10000～60000r/min；二是高速进给，进给速度一般在每分钟几米甚至几十米以上。
由于进给速度专门大，机床主轴的惯性就成为高速加工时最不能忽视的要素，在机床和操纵系统的选配过程中都要予以充分的考虑，否则，使用不当不仅会缩短设备的使用寿命，而且会阻碍加工质量。
因此，高速切削加工技术对机床、刀具、操纵系统、编程、工艺流程、设计系统等都提出了更高的要求，因此不能沿用老一套数控加工的思路。
1．高速加工对机床的要求
由于高速加工的特点，高速加工机床必须满足以下几个条件：
首先，机床的功率必须足够大，以满足在加工时对机床功率速度变化的需求；其次，是必须配给结构紧凑的高速主轴，高速进给丝杠；再次，机床必须配备实心的台架、刚性的龙门框架且基体材料应对机床的结构振动衰减作用较大，这种结构对机床的结构振动衰减作用可有效消除加工中的振动，提高机床的稳定性；最后，是对伺服电机的要求，采纳直接驱动的线性马达可提高加工质量并极大简化了结构，而且专门容易达到高的线速度且能提供恒定的速率，使速度的变化不超过0.01%，从而使工件获得最佳的表面质量
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