数控编程.docx

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数控编程

第一章数控编程概述

第一节数控机床基本概念

一、数控技术与数控机床

数控技术，简称数控（NumericalControl—NC），是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。

由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerizedNumericalControl—CNC）。

为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。

用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体成为数控系统（NumericalControlSystem），数控系统的核心是数控装置（NumericalController）。

数控机床种类繁多，有钻铣镗床类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称为NC机床。

带有刀库和自动换刀装置ATC（AutomaticToolChanger—ATC）的数控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心（MachineCenter—MC）。

它通过刀具的自动交换，工件可以一次装、夹完成多工序的加工，实现了工序集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率；减少了工件安装、定位次数，提高了加工精度。

加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。

在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（AutoPalletChanger—APC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（FlexibleManufacturingCell—FMC）。

FMC不仅是现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。

FMC既是柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展速度较快。

在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）。

FMS不仅可以进行长时间的无人化加工，而且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。

随着科技发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。

将这些要求综合、构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem—CIMS）。

CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。

在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。

计算机是集成的工具，计算机辅助的自动化单元技术是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成的产品，可以看成是信息和数据的物质体现。

二、数控机床的基本组成

数控机床的基本结构通常由机床主体、数控装置和伺服系统三部分组成，在结构上已普遍将数控装置与伺服系统（除执行电机除外）进行了一体化设计，该部分称数控系统。

图1—1数控机床的组成

1、机床本体

机床本体就是数控机床的机械结构件，也是由主传动系统、进给传动系统、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、排屑、防护系统等部分组成。

但为了满足数控的要求，充分发挥机床性能，它在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能方面都已发生了很大的变化。

机床机械部件包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。

2、数控系统的基本组成

数控系统是所有数控设备的核心。

数控系统的主要控制对象是坐标轴的位移（包括移动速度、方向、位置等），其控制信息主要来源于数控加工或运动控制程序。

因此，作为数控系统的最基本组成应包括：

程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三部分。

（1）输入/输出装置输入/输出装置的作用是进行数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据的输入、输出。

键盘和显示器是任何数控设备都必备的最基本的输入/输出装置。

此外，根据数控系统的不同，还可以配光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。

作为外围设备，计算机是目前常用的输入/输出装置之一。

（2）数控装置数控装置是数控系统的核心。

它由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存储器等部分组成。

数控装置的作用是将输入装置输入的数据，通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理，并输出各种信息和指令，以控制机床的各部分进行规定的动作。

在这些控制信息和指令中，最基本的是坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量指令。

它经插补运算后生成，提供给伺服驱动，经驱动器放大，最终控制坐标轴的位移。

它直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。

此外，根据系统和设备的不同，如：

在数控机床上，还可能有主轴的转速、转向和起、停指令；刀具的选择和交换指令；冷却、润滑装置的起、停指令；工件的松开、夹紧指令；工作台的分度等辅助指令。

在数控系统中，它们是通过接口，以信号的形式提供给外部辅助控制装置，由辅助控制装置对以上信号进行必要的编译和逻辑运算，放大后驱动相应的执行器件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。

（3）伺服驱动伺服驱动通常由伺服放大器（亦称驱动器、伺服单元）和执行机构等部分组成。

在数控机床上，目前一般都采用交流伺服电动机作为执行机构；在先进的高速加工机床上，已经开始使用直线电动机。

另外，在20世纪80年代以前生产的数控机床上，也有采用直流伺服电动机；对于简易数控机床，也有用作为执行器件。

伺服放大器的形式决定于执行器件，它必须与驱动电动机配套使用。

以上是数控系统最基本的组成部分。

随着数控技术的发展和机床性能水平的提高，对系统的功能要求也日益增强，为了满足不同机床的控制要求，保证数控系统的完整性和统一性，并方便用户使用，常用较为先进的数控系统，一般都带有内部可编程控制器作为机床的辅助控制装置。

此外，在金属切削机床上，主轴驱动装置也可以成为数控系统的一个部分；在闭环数控机床上，测量、检测装置也是数控系统必不可少的。

对于先进的数控系统，有时甚至采用计算机作为系统的人机界面和数据的管理、输入/输出设备，从而使数控系统的功能更强、性能更完善。

总之，数控系统的组成决定于控制系统的性能和设备的具体控制要求，其配置和组成具有很大的区别，除加工程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三个最基本的组成部分外，还可能有更多的控制装置。

图1-1的虚线框部分表示计算机数控系统。

3、测量反馈装置

它是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，其作用是通过现代化的测量元件：

脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺和激光测量仪等，将执行元件（如、刀架等）或工作台等的实际位移的速度和位移量检测出来，反馈回伺服驱动装置或数控装置，并补偿进给的速度或执行机构的运动误差，以达到提高运动机构精度的目的。

检测装置的安装、检测信号反馈的位置，决定于数控系统的结构形式，伺服内装式脉冲编码器、测速机以及直线光栅等都是较常用的检测部件。

由于先进的伺服都采用了数字式伺服驱动技术（称为数字伺服），伺服驱动和数控装置间一般都采用总线进行连接；反馈信号在大多数场合都是与伺服驱动进行连接，并通过总线传送到数控装置。

只有在少数场合或采用模拟量控制的伺服驱动（俗称模拟伺服）时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。

4、辅助控制机构、进给传动机构

它是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制部件。

其主要作用是接受数控装置输出的主轴转速、转向和启停指令；刀具选择交换；冷却、润滑装置的启停指令；工件和机床部件的松开、夹紧工作台转位等辅助指令信号，以及机床上检测开关的状态等信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。

它通常由PLC和强电控制回路构成，PLC在结构上可以与CNC一体化（内置式PLC），也可以相对独立（外置式PLC）。

三、数控机床的工作过程

1、数控机床的工作过程

数控机床是最典型的数控设备。

为了了解数控机床的基本组成，首先需要分析数控机床加工零件的工作过程。

在数控机床上，为了进行零件的加工，可以通过如下步骤进行：

1据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式，将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够识别的指令形式，即编写加工程序。

2将所编写的加工程序输入数控装置。

3数控装置对输入的程序（代码）进行译码、运算处理，并向各坐标轴的伺服驱动装置和辅助机能控制装置发出相应的控制信号，以控制机床的各部件的运动。

4在运动过程中，数控系统需要随时检测机床的坐标轴位置、行程开关的状态等，并与程序的要求相比较，以决定下一步动作，直到加工出合格的零件。

5操作者可以随时对机床的加工情况、工作状态进行观察、检查，必要时还需要对机床动作和加工程序进行调整，以保证机床安全、可靠的运行。

由此可知，作为数控机床的基本组成，它应包括：

输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置、辅助控制装置以及机床本体等部分（如图1-1所示）。

图1—1中的虚线框部分统称为数控系统，实现对机床主机的加工控制。

目前数控系统大部分采用计算机数控（即CNC），图中的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置构成的机床数控系统，

第二节数控机床的坐标系

一、数控机床的坐标系统

数控机床的标准坐标系及其运动方向，在国际标准中有统一规定，我国机械工业部制订的标准JB3052—82与之等效。

1、规定原则

（1）右手直角笛卡尔坐标系

标准的机床坐标系是一个右手直角笛卡尔坐标系，用右手法则判定，如图1-2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。

（2）刀具运动坐标与工件运动坐标

数控机床的坐标系是机床运动部件进给运动的坐标系。

由于进给运动可以是刀具相对工件的运动（如数控车床），也可以是工件相对刀具的运动（如数控铣床），所以统–规定：

不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，在确定坐标系时，一律看作是刀具相对静止的工件运动。

且坐标轴名（X、Y、Z、A、B、C）不带“′”的表示刀具相对“静止”工件而运动的刀具运动坐标带“′”的表示工件相对“静止”刀具而运动的工件运动坐标。

图1-2右手笛卡尔坐标系

（3）运动的正方向

规定使刀具与工件距离增大的方向为运动的正方向。

2、坐标轴确定的方法及步骤

（1）Z轴

一般取产生切削力的主轴轴线为Z轴，刀具远离工件的方向为正向，如图1-3~图1-5所示。

当机床有几个主轴时，选一个与工件装夹面垂直的主轴为Z轴。

当机床无主轴时，选与工件装夹面垂直的方向为Z轴。

（2）X轴

X轴一般位于平行工件装夹面的水平面内。

对于工件做回转切削运动的机床（如车床、磨床等），在水平面内取垂直工件回转轴线（Z轴）的方向为X轴，刀具远离工件的方向为正向，如图1-3所示。

对于刀具做回转切削运动的机床（如铣床、镗床等），当Z轴垂直时，人面对主轴，向右为正X方向，如图1-5所示；当Z轴水平时，则向左为正X方向，如图1-4所示。

对于无主轴的机床（如刨床），以切削方向为正X方向。

（3）Y轴

根据已确定的X、Z轴，按右手直角笛卡尔坐标系确定Y轴。

（4）A、B、C轴

此三轴坐标为回转进给运动坐标。

根据已确定的X、Y、Z轴，用右手螺旋定则确定A、

B、C三轴坐标。

图1-3数控车床坐标系

图1-4卧式数控铣床图1-5立式数控铣床

二、机床坐标系与工件坐标系

1、机床坐标系与机床原点、机床参考点

（1）机床坐标系

机床坐标系是机床上固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具

（刀架）或工件（工作台）位置的参考系，并建立在机床原点上。

机床坐标系各坐标和运动正方向按前述标准坐标系规定设定。

（2）机床原点

现代数控机床都有一个基准位置，称为机床原点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，通常不允许用户改变。

其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。

机床原点是工件坐标系、机床参点的基准点。

数控车床的机床原点一般设在卡盘前端面或后端面的中心，如图1-6所示。

控铣床的机床原点，各生产厂不一致，有的设在机床工作台的中心，有的设在主轴位于正极限位置时的以及准点上。

如图1-7所示。

图1-6数控车床图1-7立式数控机床的坐标系

（3）机床参考点

与机床原点相对应的还有一个机床参考点，它也是机床上的一个固定点，通常不同于机床原点。

一般来说，加工中心的参考点设在工作台位于负极限位置时的一基准点上。

该极限位置通过机械挡块来调整和确定，但必须位于各坐标轴的移动范围内。

为了在机床工作时建立机床坐标系，要通过参数来指定参考点到机床原点的距离，此参数通过精确测量来确定。

一般，机床工作前，必须先进行回参考点动作，各坐标轴回零，才可建立机床坐标系。

参考点的位置可以通过调整机械挡块的位置来改变，改变后必须重新精确测量并修改机床参数.

2、工件坐标系

工件坐标系是在数控编程时用来定义工件形状和刀具相对工件运动的坐标系，为保证编程与机床加工的一致性，工件坐标系也应是右手笛卡尔坐标系。

工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。

工件坐标系的原点称为工件原点或编程原点，工件原点在工件上的位置虽可任意选择，但一般应遵循以下原则：

（1）工件原点选在工件图样的基准（设计基准）上，以利于编程。

（2）工件原点尽量选在尺寸精度高、粗糙度值低的工件表面上。

（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。

数控车床上加工工件时，工件原点一般设在主轴中心线与工件右端面（或左端面）的交点处。

数控铣床上加工工件时，工件原点一般设在进刀方向一侧工件外轮廓表面的某个角上或对称中心上。

第三节数控编程基础

一、数控编程的方法和内容

数控编程的主要内答包括：

（1）分析零件图样，确定工艺过程包括确定加工方案，选择合适的机床、刀具及夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等。

（2）数学处理包括建立工件的几何模型，计算加工过程中刀具相对工件的运动轨迹等。

数学处理的最终目的是为了获得编程所需要的所有相关位置坐标数据。

（3）编写程序单按照数控装置规定的指令和程序格式，编写零件的加工程序单。

（4）制作程序介质并输入程序信息加工程序可以存储在控制介质（如穿孔纸带、磁盘）上，作为控制数控装置的输入信息。

通常，若加工程序简单，可直接通过机床操作面板上的键盘输入。

（5）程序校验和试切削编制的加工程序必须通过空运行、图形动态模拟或试切削等方法检验程序的正确性。

当发现错误时，通过分析产生错误的性质来修改程序或调整刀具补偿参数，直到加工出合格的零件

二、程序编制方法

程序编制方法可以分为手工编程和自动编程两大类。

1、手工编程

手工编程是指编制工件加工程序的各个步骤，即从工件图样分析、工艺处理、确定加工路线和工艺参数、计算程序中所需的数据、编写加工程序清单直到程序的检验，均由人工来完成。

对几何形状较为简单的工件，所需程序不多，坐标计算也比较简单，程序又不长，使用手工编程既经济又及时。

因此，手工编程在点位直线加工及直线圆弧组成的轮廓加工中仍广泛应用。

但是，工件轮廓复杂，特别是加工非圆弧曲线、曲面等表面，或工件加工程序较长时，使用手工编程既繁琐又费时，而且容易出错，常会出现手工编程工作跟不上数控机床加工的情况，影响数控机床的开动率。

此时，必须解决程序编制的自动化问题。

2、自动编程

自动编程又称计算机辅助编程。

自动编程在自动编程系统上进行，它是由–台通用计算机配上打印机、自动穿孔机和自动绘图机等组成，可以完成手工编程的大部分工作。

自动编程系统使用数控语言描述切削加工时的刀具和工件的相对运动、轨迹和一些加工工艺过程，程序员只需使用规定的数控语言编–个简短的工件源程序，然后输入计算机，自动编程系统自动完成运动轨迹的计算、加工程序编制和穿孔带制作等工作，所编程序还可以通过屏幕显示或绘图仪进行模拟加工演示。

有错误时可以在屏幕上进行编辑、修改，直至程序正确为止。

自动编程与手工编程相比，编程工作量减轻，编程时间缩短，编程的准确性提高，特别是复杂工件的编程，其技术经济效益显著。

三、数控程序的构成

1、程序的结构与格式

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%0001程序号

N01G92X60Z20

N02S02M03

N03GOOX45Z5

N04G01Z-60

N05G26

N06M30程序结束

1）程序号程序号即为程序的开始部分，为了区别存储器中的程序，每个程序都要有程序编号，在编号前采用程序编号地址符。

FANUC系统一般采用英文字母O作为程序编号地址符，而其它系统有的采用P、%及“：

”等。

2）程序内容程序内容部分是整个程序的核心，它由许多程序段组成，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或M30作为整个程序结束的符号，来结束整个程序。

2、程序段格式

零件的加工程序是由程序段组成的，每个程序段由若干个程序字组成，每个程序字是控制系统的具体指令。

程序段格式是指一个程序段中字、字符、数据的书写规则。

通常有三种格式：

字-地址程序段格式、使用分隔符的程序段格式和固定程序段格式，最常用的是字-地址程序段格式。

字-地址程序段格式由语句号字、数据字和程序段结束符组成。

各字前有地址，字的排列顺序要求不严格，数据的位数可多可少，不需要的字以及与上一级程序段相同的续效字可以不写。

该格式的优点是程序简短、直观以及容易检查和修改。

因此，该格式目前被广泛使用。

字-地址程序段格式如下：

例如：

N30G01X35Z-60F200S350T0202M03；

程序段结束符是写在每一程序段后，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；有的直接回车即可。

程序字按其功能的不同可分为7种类型，它们分别称为顺序号字、准备功能字、尺寸字、进给功能字、主轴转速功能字、刀具功能字和辅助功能字。

1）语句号字

它也叫程序段号或顺序号。

顺序号位于程序段之首，它的地址符是N，后续数字一般2～4位。

顺序号可以用在主程序、子程序和宏程序中。

顺序号的作用首先顺序号可用于对程序的校对和检索修改。

其次在加工轨迹图的几何节点处标上相应程序段的顺序号，就可直观地检查程序。

顺序号还可作为条件转向的目标，更重要的是，标注了程序段号的程序可以进行程序段的复归操作，这是指操作可以回到程序的（运行）中断处重新开始，或加工从程序的中途开始的操作。

顺序号的使用规则数字部分应为正整数。

顺序号的数字可以不连续，也不一定从小到大顺序排列。

一般都将第一程序段冠以N10，以后以间隔10递增的方法设置顺序号，这样，在调试程序时如需要在N10和N20之间加入两个程序段，就可以用N11、N12。

2）准备功能字

准备功能字地址符是G，所以又称G功能或G指令。

它的定义是建立机床或控制系统工作方式的一种命令。

准备功能字中的后续数字大多为两位正整数。

随着数控机床功能的增加，G00～G99已不够用，所以有些数控系统的G功能字中的后续数字已经使用三位数。

3）尺寸字

尺寸字也叫尺寸指令。

尺寸字在程序段中主要用来指令机床上刀具运动到达的坐标位置，表示暂停时间等的指令也列入其中。

尺寸字由地址符、+、-符号及绝对（或增量）数值构成。

尺寸字的“+”可省略。

尺寸字的地址码有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、A、B、C、I、J、K、D、H等。

4）进给功能字

进给功能字地址符是F，所以又称F功能或F指令。

它的功能是指令切削的进给速度。

由地址符和后续若干位数字构成。

对于车床，可分为每分钟进给和主轴每转进给两种。

5）主轴转速功能字

主轴转速功能字用来指定主轴的转速，单位为r/min，地址符使用S，所以又称为S功能或S指令。

6）刀具功能字

刀具功能字用地址符T及随后的数字表示，所以也称为T功能或T指令。

T指令的功能含义主要是用来指定加工时使用的刀具号。

对于车床，其后的数字还兼作指定刀具长度（含X、Z两个方向）补偿和刀尖半径补偿用。

在车床上，T之后的数字分2位、4位和6位三种。

对两位数字的来说，一般前位数字代表刀具（位）号，后位数字代表刀具长度补偿号。

其它两种以后将结合不同的数控系统进行介绍。

7）辅助功能字

辅助功能字由地址符M及随后的1～2位数字组成，所以也称为M功能或M指令。

它用来指令数控机床辅助装置的接通和断开，表示机床各种辅助动作及其状态。

第二章数控车床的程序编制

一、数控车削加工的对象

数控车床可进行平面任意曲线的加工，可车削圆柱、圆锥螺纹，适合于加工形状复杂的盘类或轴类零件。

二、工件坐标系的设置

工件坐标系可以设定在工件上的任意位置，但其设定的基本原则是：

使编程的坐标计算尽可能简单方便。

对于轴类和盘类零件来说，通常选在左端或右端面的回转中心上，其中以选右端面回转中心多一些。

如图2-1-1设定工件的右端面回转中心为编程原点，过该原点的坐标轴构成了工件坐标系。

图2-1-1

三、数控车床编程特点

1）目前数控车床大都使用刀具功能指令T完成工件坐标系设定

2）在程序段中，根据图样尺寸，坐标值可以用绝对值，或增量值，或二者混合编程使用坐标地址X、Z时为绝对值编程方式，使用坐标地址U、W时为增量值编程方式

3）采用绝对值编程时，X的编程值用工件直径表示。

用增量值编程时，U的编程值应是X轴方向增量值的二倍，并要标上方向符号。

4）为提高径向尺寸精度，X轴方向的脉冲当量常取Z轴的–半。

例如，经济型数控车床中，Z轴的脉冲当量为0.0lmm／P，X轴的脉冲当量取0.005rnm／P.

四、FANUC系统的程序编制

不同的数控系统。

其编程指令有所不同，这里以FANUC-0i系统为例介绍数控车床的基本编程指令。

1、进给功能（F功能）

F功能用于指定进给速度，它有每分进给和每转进给两种指令模式。

（1）每分钟进给模式（G98）指令格式为：

G98__F__

该指令在F后面直接指定刀具每分钟的进给量，如图3.19所示。

G98为模态指令，在程序中指定后，直到G99被指定前，–直有效。

（2）每转进给模式（G99）指令格式为：

G99__F__

该指令在F后面直接指定主轴转–转刀具的进给量，如图3.20所示。

G99也为模态指令，在程序中指定后，直到G98被指定前，–直有效。

图3.19G98进给量（单位：

mm/min）图3.20G99进给量（单位：

mm/r）

2、主轴转速功能设定（G50、G96、G97）

主轴转速功能有恒线速度控制和恒转速度控制两种指令方式，并可限制主轴最高转速。

（1）主轴最高转速限