数控加工的程序编制

第2章 数控加工的程序编制

1．概述

2.1.1 数控编程的基本概念

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，即用数字形式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，数控加工程序是必须的。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（NC programming），它是数控加工中的一项极为重要的工作。

2.1.2 数控编程方法简介

数控编程方法可以分为两类，一类是手工编程；另一类是自动编程。

手工编程

1.

手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图纸分析、工艺决策、确定加工路线和工艺参数、计算刀位轨迹坐标数据、编写零件的数控加工程序单直至程序的检验，均由人工来完成。对于点位加工或几何形状不太复杂的平面零件，数控编程计算较简单，程序段不多，手工编程即可实现。但对轮廓形状由复杂曲线组成的平面零件，特别是空间复杂曲面零件，数值计算则相当繁琐，工作量大，容易出错，且很难校对。据资料统计，对于复杂零件，特别是曲面零件加工，用手工编程时，一个零件的编程时间与在机床上实际加工时间之比，平均约为30：1。数控机床不能开动的原因中，有20～30％是由于加工程序不能及时编制出来而造成的。因此，为了缩短生产周期，提高数控机床的利用率，有效地解决各种模具及复杂零件的加工问题，采用手工编程已不能满足要求，而必须采用自动编程方法。

2. 自动编程

进行复杂零件加工时，刀位轨迹的计算工作量非常大，有些时候，甚至是不现实的。如何利用计算机技术协助人们完成加工程序的编制，导致了自动编程技术的产生与发展。

自动编程按照编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同，可以分为以自动编程语言为基础的自动编程方法和以计算机辅助设计为基础的图形交互式自动编程方法。

以语言为基础的自动编程编程方法是一种早期的自动编程方法，在编程时编程人员是依据所用数控语言的编程手册以及零件图样，以语言的形式表达出加工的全部内容，然后再把这些内容全部输入到计算机中进行处理，制作出可以直接用于数控机床的加工程序。以计算机辅助设计为基础的图形交互式自动编程方法是现代CAD/CAM集成系统中常用的方法，在编程时编程人员首先要对零件图样进行工艺分析，确定构图方案，其后利用计算机辅助设计(CAD)或自动编程软件本身的零件造型功能，构建出零件几何形状，其后还需利用软件的计算机辅助制造 (CAM)功能，完成工艺方案的指定、切削用量的选择、刀具及其参数的设定，自动计算并生成刀位轨迹文件，利用后置处理功能生成特定数控系统用加工程序。因此我们把这种自动编程方式称为图形交互式自动编程。这种自动编程系统是一种CAD与CAM相结合的自动编程系统

2.2 数控编程的基础

2.2.1 编程的几何基础

1．机床坐标系

机床坐标系是机床上固有的坐标系，它用于确定被加工零件在机床中的坐标、机床运动部件的特殊位置（如换刀点、参考点）以及运动范围（如行程范围、保护区）等。数控机床采用ISO统一标准右手直角笛卡儿坐标系。机床坐标轴的命名方法如图2-2所示，三个坐标轴互相垂直，其中三个手指所指的方向分别为Ｘ轴、Ｙ轴和Ｚ轴的正方向。此外，当机床运动多于Ｘ、Ｙ、Ｚ三个坐标轴时，则用U、V、W表示平行于Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的第二组直线运动坐标轴，如果还有第三组直线运动，则应分别命名为Ｐ、Ｑ、Ｒ；用A、B、C 分别表示绕Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的旋转运动坐标轴，其转动的正方向用右手螺旋定则确定，第二组回转运动，可命名为Ｄ、Ｅ。

图2.1 右手直角坐标系

在编程时，为了编程的方便和统一，不论在加工中是刀具移动，还是被加工工件移动，一般都假定工件相对静止不动，而刀具在移动，并同时规定刀具远离工件的方向作为坐标轴的正方向。如果把刀具看作相对静止不动，工件移动，那么，坐标轴的符号上应加注标记（＇），如Ｘ＇、Ｙ＇、Ｚ＇等。标准规定数控机床的主轴与机床坐标系的Z重合或平行。各种数控机床的坐标系见相关的标准规定。

2．机床零点与参考点

机床坐标系的原点称为机床零点。机床零点是机床上的一个固定点，由机床制造厂确定。它是其它所有坐标系，如工件坐标系、编程坐标系，以及机床参考点的基准点。

数控车床的零点一般设在主轴前端面的中心，坐标系是从机床零点开始建立的X、Z轴二维坐标系。Z轴与主轴平行，为纵向进刀方向；X轴与主轴垂直，为横向进刀方向。

数控铣床的零点位置，各生产厂家不一致。有的设在机床工作台中心，有的设在进给行程范围的终点。

数控机床的参考点是用于对机床工作台（或滑板）与刀具相对运动的增量测量系统进行定标和控制的点。参考点的位置是由每个运动轴上的挡铁和限位开关精确地预先确定好的。因此，参考点对机床零点的坐标是一个固定的已知数。在增量（或相对）测量系统中，数控机床加工零件的过程为：首先接通机床总开关和控制系统开关，然后机床从任一位置返回参考点，挡铁打开参考点开关，测量系统置零，即标定了测量系统。之后，刀具在移动过程中，屏幕随时显示刀具的实际位置。装有绝对测量系统的数控机床，由于具有坐标轴的精确坐标值，并能随时读出，故不需要参考点。绝大多数数控机床采用增量式测量系统，需要返回参考点。

3. 工件坐标系与工件零点

编程尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定

工件坐标系是用于确定工件几何图形上各几何要素（点、直线、圆弧等）的位置而建立的坐标系，工件坐标系的原点既是工件零点。选择工件零点的原则是便于将工件图的尺寸方便地转化为编程的坐标值和提高加工精度，故一般选在工件图样的尺寸基准上，能使工件方便地装卡、测量和检验的位置，尺寸精度和光洁度比较高的工件表面上，对称几何图形的对称中心上。车削工件零点一般放在工件的右端面或左端面，且与主轴中心线重合的地方。铣削工件零点一般设在工件外轮廓的某一角上，进刀深度方向的工件零点大多取在工件表面。

4．编程零点

编程零点是编程坐标系的零点，既是程序零点。一般对于简单零件，工件零点就是编程零点。即编程坐标系就是工件坐标系。因此，编程尺寸按工件坐标系中的尺寸确定。而对于形状特别复杂的零件，需要几个程序或子程序。为了编程方便和减少许多坐标值的计算，编程零点就不一定设在工件零点上，而设在便于程序编制的位置。

5. 绝对尺寸与增量尺寸

零件图上尺寸的标注，分为二类：绝对尺寸和增量尺寸。绝对尺寸标注的零件尺寸，是从工件坐标系的原点进行标注的（即坐标值）；增量尺寸标注的某点零件尺寸，是相对它前一点的位置增量进行标注的，即零件上后一点的位置是以前一点为零点进行标注的。当对零件的轮廓加工进行编程时，要将图纸上的尺寸换算成点的坐标值。如果选用的工件零点、编程零点位置不同，采用的尺寸标注方式不同（绝对尺寸或增量尺寸），其点的坐标值也不同。

2.2.2 编程的工艺基础

编制数控机床加工零件程序，需要处理工艺问题。在普通机床上加工零件的工艺实际上只是一个工艺过程卡，机床加工的切削用量、走刀路线、工序内的工步安排等，往往都是操作工人自行决定。而数控机床是按照程序进行加工的。因此，加工中的所有工序、工步，每道工序的切削用量、走刀路线、加工余量和所用刀具的尺寸、类型等都要预先确定好并编入程序中。为此，要求一个合格的编程员首先应该是一个很好的工艺员，并对数控机床的性能、特点和应用、切削规范和标准刀具系统等要非常熟悉。否则就无法做到全面、周到地考虑零件加工的全过程，无法正确、合理地确定零件加工程序。

1. 加工工件的选择

不同类型的零件应在不同种类的数控机床上加工。数控车床适于加工形状比较复杂的轴类零件和由复杂曲线回转形成的模具内型腔。数控立式镗铣床和立式加工中心适于加工箱体、箱盖、平面凸轮、样板、形状复杂的平面或立体零件，以及模具的内、外型腔等。数控卧式镗铣床和卧式加工中心适于加工复杂的箱体类零件、泵体、阀体、壳体等。多坐标联动的卧式加工中心用于加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮、模具等。总之，不同类型的零件要选用不同的数控机床进行加工。

2. 加工工序的划分

在数控机床上特别是在加工中心上加工零件，工序十分复杂，许多零件只需在一次装卡 中就能完成全部工序。但是零件的粗加工、特别是铸缎毛坯零件的基准面、定位面等部位的加工应在普通机床上加工完成后，再装卡到数控机床上进行加工。这样可以发挥数控机床的特点，保持数控机床的精度，延长数控机床的使用寿命，降低数控机床的使用成本。经过粗加工或半精加工的零件装卡到数控机床上之后，数控机床按照规定的工序一步一步地进行半精加工和精加工。

在数控机床上加工零件的工序划分方法有：

⑴刀具集中分序法 该法是按所用刀具划分工序，用同一把刀完成零件上所有可以完成的部位。再用第二把刀、第三把刀完成它们可以完成的部位。这样可以减少换刀次数，压缩空行程时间，减少不必要的定位误差。