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第5章数控编程基础5.1数控程序编制概述•5.1.1什么是数控编程•数控机床加工零件，首先要进行程序编制，简称为编程。数控编程就是将加工零件的加工顺序、刀具运动轨迹的尺寸数据、工艺参数(主运动和进给运动速度、切削深度等)以及辅助操作(换刀、主轴正反转、冷却液开关、刀具夹紧和松开等)等加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定格式编写成加工程序。理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格工件，而且应使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥，使数控机床安全、可靠、高效地工作。在编制程序前，编程员应充分了解数控加工特点，了解数控机床的规格、性能，数控系统所具备的功能及编程指令格式代码。•5.1.2数控编程的种类•数控编程可分为手工编程、自动编程和计算机高级语言编程3种方法。•5.1.2.1手工编程•1．手工编程的定义•手工编程是指主要由人工来完成数控机床程序编制各个阶段的工作。当被加工零件形状不十分复杂和程序较短时，都可以采用手工编程的方法。•2．手工编程的意义•手工编程的意义在于加工形状简单的零件(如直线与直线或直线与圆弧组成的轮廓)时快捷、简便；不需要具备特别的条件，对机床操作者或程序员没有特殊的要求；还具有较大的灵活性和编程费用少等优点。•手工编程在目前仍是广泛采用的编程方式，即使在自动编程高速发展的将来，手工编程的重要地位也不可取代，仍是自动编程的基础。在先进的自动编程方法中，许多重要的经验都来源于手工编程，并不断丰富和推动自动编程的发展。•3．手工编程的不足•手工编程既烦琐、费时，又复杂，而且容易产生错误。其原因有以下几点：•(1)零件图上给出的零件形状数据往往比较少，而数控系统的插补功能要求输入的数据与零件形状给出的数据不一致时就需要进行复杂的数学计算，而在计算过程中可能会产生人为的错误。•(2)加工复杂形面的零件轮廓时，图样上给出的是零件轮廓的有关尺寸，而机床实际控制的是刀具中心轨迹。因此，有时要计算出刀具中心运动轨迹的坐标值，这种计算过程也较复杂。对有刀具半径补偿功能的数控系统，要用到一些刀具补偿的指令，并要计算出一些数据，这些指令的使用和计算过程也比较烦琐、复杂，容易产生错误。•(3)当零件形状以抽象数据表示时，就失去了明确的几何形象，在处理这些数据时容易出错。无论是计算过程中的错误，还是处理过程中的错误，都不便于查找。•(4)手工编程时，编程人员必须对所用机床和数控系统以及对编程中所用到的各种指令、代码都非常熟悉。这在编制单台数控机床的程序时，矛盾还不突出，可以说不大会出现代码弄错问题。但在一个编程人员负责几台数控机床的程序编制工作时，由于数控机床所用的指令、代码、程序段格式及其他一些编程规定不一样，所以就给编程工作带来了易于混淆而出错的可能性。•5.1.2.2自动编程•自动编程是指借助数控语言编程系统或图形编程系统由计算机来自动生成零件加工程序的过程，它适合于零件形状特别复杂、不便于手工编写的数控程序。编程人员只需根据加工对象及工艺要求，借助数控语言编程系统规定的数控编程语言或图形编程系统提供的图形菜单功能，对加工过程与要求进行较简便的描述，而由编程系统自动计算出加工运动轨迹，并输出零件数控加工程序。由于在计算机上可自动绘出所编程序的图形及进给轨迹，所以能及时地检查程序是否有错并进行修改，得到正确的程序。最后通过网络或RS-232接口输入数控系统。对于数据量过大的数控程序，可利用传输软件实现对程序DNC传送，进行在线加工。•按输入方式的不同，自动编制程序可分为语言数控自动编程、图形交互自动编程和语音提示自动编程等。现在，在我国应用较广泛的主要是语言自动编程和图形交互式编程。如MasterCAM、Pro/E、UG和CAXA等软件。•5.1.2.3计算机高级语言编程•由于计算机运算速度的不断提高，最近出现了计算机高级语言编程。其特点有软件资源丰富、便于移植、开放性好、透明度好，从建立工件几何形状尺寸数学模型到最终形成加工程序的每一环节，编程员都很清楚。只要熟悉所用机床加工程序的格式，就能使用自己熟悉的语言进行编程，但仅适合于可用数学表达式表达的加工对象，如抛物线轮廓等。•5.1.3数控程序编制的内容和步骤•数控程序编制的内容和步骤如图5-1所示。•(1)零件图样分析。•(2)制定工艺方案。•(3)数值计算。•(4)数控程序的编写与输入。•(5)程序调试和检验。•(6)首件零件试切图5-1数控程序编制的过程•常用的校验和试切方法有几下几种：•(1)对于平面轮廓零件，可在机床上用笔代替刀具、坐标纸代替工件进行空运行绘图。•(2)对于空间曲面零件，可用蜡块、塑料、木料或价格低的材料作工件，进行试切，以此检查程序的正确性。•(3)利用机床空运行功能进行加工轨迹快速校验；对于具有图形模拟功能的机床，用图形模拟的方法进行轨迹校验，则更为方便。•上述方法只能检查运动轨迹的正确性，不能判别工件的加工误差。对于批量生产的零件，有必要进行零件的首件试切。首件试切方法不仅可查出程序编制是否正确，还可知道加工精度是否符合要求。当发现错误时，应分析错误的性质或修改程序单，调整刀具补偿尺寸，找出问题所在，对程序加以修正，直到符合图纸规定的精度要求为止。5.2数控加工工艺分析•5.2.1数控加工工艺分析的一般步骤与方法•5.2.1.1零件结构工艺性分析•在制定工件的加工工艺规程之前，首先要对零件图进行工艺审查。这项工作是很有必要的，它直接影响零件加工的合理性和经济性。我们首先要分析图样上的各项技术要求是否合理，零件是否具有良好的结构工艺性。结构工艺性好是指在具体的生产条件下，零件的结构能在保证质量的前提下，以较高的生产率和较低的成本方便地制造出来。•零件的结构、尺寸大小各不相同，但都是由平面、圆柱面、圆锥面和球面等基本表面和螺旋面、渐开线面等特殊成形表面构成的。这些基本表面和特殊表面的不同组合形成了各自的零件结构特点。按照零件的结构特征和工艺过程的相似性，可将工件分成轴类零件、套筒类零件、盘类零件、叉杆类零件和箱体类零件。对于轴类零件、套筒类零件及圆盘类零件多用车削的加工方法；对于叉杆类零件和箱体类零件多用铣削的加工方法。•在对零件进行结构分析时，要注意一个重要问题，就是零件结构的工艺性。零件结构的工艺性是否合理，直接影响生产率和成本。如果两个零件在机器中的功用一样，但结构有所不同，则这两个零件的加工方法和生产成本可能会相差很大。零件的结构虽然是设计人员确定的，工艺人员也要从工艺的角度上考虑如何高效率、低成本地保证设计要求，如果发现不合理之处，应建议设计人员进行必要的修改。•5.2.1.2零件加工工艺性分析•所谓零件的加工工艺性，是指用某种加工工艺方法对零件毛坯进行加工，使之达到零件所要求的形状、尺寸、表面状态和性能的难易程度。加工工艺类型有切削加工、焊接、铸造、压力成形(型)和热处理等。每种工艺类型中又有许多工艺方法，例如切削加工工艺类型中有车削、磨削、铣削和刨削等。这里所论及的加工工艺方法，主要是指切削加工工艺类型中的工艺方法。零件的加工工艺性的优劣与加工工艺方法及规范选择是否得当、零件的技术要求是否合理、材料选用是否正确和结构设计是否便于加工(通常称为结构工艺性)等内容密切相关。本节仅从数控加工的特点出发，在数控加工的适应性、可能性和方便性3个方面提出一些必须分析和审查的内容。•在对零件进行加工工艺性分析的基础上，选择和决定数控加工内容时，一般可按下列顺序考虑：•(1)通用机床无法加工的内容作为优先选择的内容，例如叶片、较复杂的模具内腔或外形、非圆齿轮和凸轮的加工等。•(2)通用机床难加工、质量也难保证的内容作为重点选择的内容。•(3)通用机床加工效率低、操作劳动强度大的内容，一般在数控机床尚存富裕能力的情况下进行选择。•而下面一些加工内容则不宜选择在数控机床上加工：•(1)需要较长时间占机调整的加工内容。•(2)需与其他件配制或需按样板、样件等加工。•(3)不能在一次装夹中完成的零件的加工内容。•(4)容易损坏刀具的加工内容。•综上所述，在选择和决定加工内容时，要考虑实际的生产条件、生产批量、生产周期和工序间周转情况等因素，既要发挥数控机床的特长和能力，又不要把数控机床降为普通机床使用。图5-2配合加工图5-3机架零件图•5.2.1.3分析和审查定位基准•由于数控机床具有高效率、高精度和高度自动化等特点，所以数控加工特别强调定位加工，零件的加工定位基准必须准确可靠。与普通机床加工一样，定位基准应力求与设计基准重合。需要进行数控加工的零件，如果没有准确的定位基准，最好先在普通机床上加工好定位基准；如果定位基准不可靠，应设法设置辅助基准使定位可靠，若所设的辅助基准对零件的装配或使用有影响，则可在完成定位加工后去掉。•5.2.1.4数控加工工艺过程设计•数控加工工序一般都穿插在零件的整个工艺过程中间，因此在进行数控工艺过程设计时，一定要通盘考虑，不但要考虑数控加工工序的正确划分、顺序安排和彼此间的协调，还要考虑数控加工工序与其他工序之间的配合协调。数控加工工艺路线的设计前面章节已详述，在此省略。•5.2.1.5数控加工工序的设计•数控加工工序的设计的主要任务是把每个工序的加工内容、工艺装备、装夹方式、刀具及其运动路线和切削用量等具体确定下来，为零件的加工程序编制做好准备。•1．定位基准及装夹的选择•2．刀刃具及其辅具的选择•3．走刀路线的选择•4．对刀点和换刀点的选择•5.2.2数控加工工艺文件的编写•有关切削用量的选择前已多有述及，现补充介绍对刀点和换刀点的选择。•数控加工专用工艺文件既可为数控编程提供依据和方便，又可指导操作人员正确进行操作，同时也是生产组织、技术管理、质量管理和计划调度的重要依据，因此必须认真编制。数控加工专用工艺文件尚无统一的标准、格式、规范和要求。一般主要有工序卡、刀具卡、加工程序单和机床调整单等。本书提供了一种格式，仅供参考。5.3数控编程中的数值计算•根据被加工零件图样，按照已经确定的加工工艺路线和允许的编程误差，计算数控系统所需要输入的数据，称为数学处理。数学处理一般包括两个内容：根据零件图样给出的形状、尺寸和公差等直接通过数学方法(如三角、几何与解析几何法等)计算出编程时所需要的有关各点的坐标值；当按照零件图样给出的条件不能直接计算出编程所需的坐标，也不能按零件给出的条件直接进行工件轮廓几何要素的定义时，就必须根据所采用的具体工艺方法和工艺装备等加工条件，对零件原图形及有关尺寸进行必要的数学处理或改动，才可以进行各点的坐标计算和编程工作。•5.3.1选择编程原点•从理论上讲，编程原点选在零件上的任何一点都可以，但实际上，为了换算尺寸尽可能简便，减少计算误差，应选择一个合理的编程原点。•车削零件编程原点的X向零点应选在零件的回转中心。Z向零点一般应选在零件的右端面、设计基准或对称平面内。车削零件的编程原点选择如图5-4所示。•铣削零件的编程原点，X、Y向零点一般可选在设计基准或工艺基准的端面或孔的中心线上；对于有对称部分的工件，可以选在对称面上，以便用镜像等指令来简化编程。Z向的编程原点，习惯选在工件上表面，这样当刀具切入工件后Z向尺寸均为负值，以便于检查程序。铣削加工的编程原点如图5-5所示。图5-4车削加工的编程原点图5-5铣削加工的编程原点•编程原点选定后，就应把各点的尺寸换算成以编程原点为基准的坐标值。为了在加工过程中有效的控制尺寸公差，应按尺寸公差的中值来计算坐标值。•5.3.2基点•零件的轮廓由许多不同的几何要素所组成，如直线、圆弧和二次曲线等，各几何要素之间的连接点称为基点。基点坐标是编程中必需的重要数据。•如图5-6所示零件中，A、B、C、D、E为基点。A、B、D、E的坐标值从图中很容易找出，C点是直线与圆弧切点，要联立方程求解。以B点为计算坐标系原点，联立下列方程。•直线方程：•圆弧方程：•可求得X、Y值为(64.2786，39.5507)，换算到以A点为原点的编程坐标系中，C点坐标为(64.2786，51.5507)。•可以看出，对于如此简单的零件，基点的