第二章 数控铣床编程基本知识
第一节编程基础知识
一、数控编程
1、数控编程的概念
在数控机床上加工零件，首先要进行程序编制，将零件的加工顺序、工件与刀具相对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）以及辅助操作等加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，并将程序单的信息通过控制介质输入到数控装置，由数控装置控制机床进行自动加工。从零件图纸到编制零件加工程序和制作控制介质的全部过程称为数控程序编制。
2、数控编程的方法
（1）手工编程。
手工编程时，整个程序的编制过程由人工完成。这就要求编程人员不仅要熟悉数控代码及编
程规则，而且还必须具备机械加工工艺知识和一定的数值计算能力。手工编程对简单零件通常是可以胜任的，但对于一些形状复杂的零件或空间曲面零件，编程工作量十分巨大，计算繁琐，花费时间长，而且非常容易出错。不过，根据目前生产实际情况，手工编程在相当长的时间内还会是一种行之有效的编程方法。手工编程具有很强的技巧性，并有其自身特点和一些应该注意的问题，将在后续内容中予以阐述。
（2）自动编程。
自动编程是指编程人员只需根据零件图样的要求，按照某个自动编程系统的规定，编写一个零件源程序，输入编程计算机，再由计算机自动进行程序编制，并打印程序清单和制备控制介质。自动编程既可以减轻劳动强度，缩短编程时间，又可减少差错，使编程工作简便。
目前，实际生产中应用较广泛的自动编程系统由数控语言编程系统和图形编程系统。数控语言编程系统最主要的是美国的APT（Automatically Programmed Tools——自动化编程工具），它是一种发展最早、容量最大、功能全面又成熟的数控编程语言，能用于点位、连续控制系统以及2～5坐标数控机床，可以加工极为复杂的空间曲面。数控图形编程系统是
利用图形输入装置直接向计算机输入被加工零件的图形，无需再对图形信息进行转换，大大减少了人为错误，比语言编程系统具有更多的优越性和广泛的适应性，提高了编程的效率和质量。另外，由于CAD（Computer Aided Design）的结果是图形，故可利用CAD系统的信息生成NC（Numerical Control）程序单。所以，它能实现CAD/CAM（Computer Aided Manufacturing）的集成化。正因为图形编程的这些优点，现在乃至将来一段时间内，它是自动编程的发展方向，必将在自动编程方面占主导地位。目前，生产实际中应用较多的商品化的CAD/CAM系统主要有国外引进的UnigraphicsⅡ、Pro/Engineer、CATIA、Solidworks、Mastercam、SDRC/I-DEAS、DELCAM等，技术较为成熟的国产CAD/CAM系统是北航海尔的CAXA。在机械制造方面，CAD/CAM系统的内容一般包含：二维绘图，三维线架、曲面、实体建模，真实感显示，特征设计，有限元前后置处理，运动机构造型，几何特性计算，数控加工和测量编程，工艺过程设计，装配设计，板金件展引和排样，加工尺寸精度控制，过程仿真和干涉检查，工程数据管理等。其中，对产品模型进行计算机辅助分析，包括运动学及动力学分析与仿真（Kinematics & Dynamics）、有限元分析与仿真FEA(Finite Element Analysis)、优化设计OPT（OPTimization）,又称为计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）。
综上所述，对于几何形状不太复杂的零件和点位加工，所需的加工程序不多，计算也较简单，出错的机会较少，这时用手工编程还是经济省时的，因此，至今仍广泛地应用手工编程方法来编制这类零件的加工程序。但是对于复杂曲面零件；几何元素并不复杂，但程序量很大的零件（如一个零件上有数千个孔）；以及铣削轮廓时．数控装置不具备刀具半径自动偏移功能，而只能按刀具中心轨迹进行编程等情况。由于计算相当繁琐及程声量大，手工编程就很难胜任，即使能够编出来，也耗时长，效率低，易出错。据国外统计，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，必须要求编程自动化。
3、数控编程的步骤
数控编程的一般步骤如图1-2所示。
图2-1数控编程的步骤
（1）分析图样、确定加工工艺过程。
在确定加工工艺过程时，编程人员要根据图样对工件的形状、尺寸、技术要求进行分析，然后选择加工方案、确定加工顺序、加工路线、装卡方式、刀具及切削参数，同时还要考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能，加工路线要短，要正确选择对刀点、换刀点，减少换刀次数。
（2）数值计算。
根据零件图的几何尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系，计算零件粗、精加工各运动轨迹，得到刀位数据。对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值，有的还要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。对于形状比较复杂的零件（如非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段或圆弧段逼近，根据要求的精度计算出其节点坐标值，这种情况一般要用计算机来完成数值计算的工作。
（3）编写零件加工程序单。
cnc编程代码大全加工路线、工艺参数及刀位数据确定以后，编程人员可以根据数控系统规定的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序单。此外，还应填写有关的工艺文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、数控刀具明细表、工件安装和零点设定卡片、数控加工程序单等。
（4）制备控制介质。
制备控制介质就是把编制好的程序单上的内容记录在控制介质(穿孔带、磁带、磁盘等)上作为数控装置的输入信息。目前，随着计算机网络技术的发展，可直接由计算机通过网络与机床数控系统通讯。
（5）程序校验与首件试切。
程序单和制备好的控制介质必须经过校验和试切才能正式使用。校验的方法是直接将控制介质上的内容输入到数控装置中，让机床空运转，以检查机床的运动轨迹是否正确。还可以在数控机床的显示器上模拟刀具与工件切削过程的方法进行检验，但这些方法只能检验
出运动是否正确，不能查出被加工零件的加工精度。因此有必要进行零件的首件试切。当发现有加工误差时，应分析误差产生的原因，出问题所在，加以修正。
所以作为一名编程人员，不但要熟练数控机床的结构、数控系统的功能及标准，而且还必须是一名好的工艺人员，要熟悉零件的加工工艺、装夹方法、刀具、切削用量的选择等方面的知识。
4、数控铣床坐标系
规定数控机床坐标轴和运动方向，是为了准确地描述机床运动，简化程序的编制，并使所编程序具有互换性。国际标准化组织目前已经统一了标准坐标系，我国也颁布了相应的标准（JB3051-82），对数控机床的坐标和运动方向作了明文规定。
（1）数控铣床坐标系建立的原则
1）刀具相对于静止的工件而运动的原则。
2）标准坐标系是一个右手笛卡儿直角坐标系。在图2-2中，大拇指的方向为X轴的正方向，食指为Y轴的正方向，中指为Z轴正方向。
图2-2坐标轴
（2）数控铣床的坐标系
1）机床坐标系和机床原点
机床坐标系是机床上固有的坐标系。机床坐标系的原点也称为机床原点或机床零点，在机床经过设计制造和调整后这个原点便被确定下来，它是固定的点。
在标准中，规定平行于机床主轴（传递切削力）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。如果机床有多个主轴时，则选一个垂直于工件装夹面的主轴为Z轴。X轴为水平方向，且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。对于刀具作旋转运动的机床（如铣床、镗床），当Z轴为水平时，沿刀具主轴后端向工件方向看，向右的方向为X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。上述正方向都是刀具相对工件运动而言。在确定了X、Z轴的正方向后，可按右手直角笛卡儿坐标系确定Y轴的正方向，即在Z－X平面内，从+Z转到+X时，右螺旋应沿+Y方向前进。
2）工件坐标系
工件坐标系是编程人员在编程时使用的，编程人员选择工件上的某一已知点为原点称编程原点或工件原点。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。
工件坐标系的原点选择要尽量满足编程简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等条件，一般情况下以坐标式尺寸标注的零件，编程原点应选在尺寸标注的基准点；对称零件或以同心圆为主的零件，编程原点应选在对称中心线或圆心上；Z轴的程序原点通常选在工件的上表面。
二、数控编程格式及内容
国际上已形成了两个通用标准：国际标准化组织（ISO）标准和美国电子工业学会（EIA）标准。我国根据ISO标准制定了JB3051-82《数字控制机床坐标和运动方向的命名》等国标。由于生产厂家使用标准不完全统一，使用代码、指令含义也不完全相同，因此需参照机床编程手册。
1、数控程序的结构
一个完整的数控程序是由程序号、程序内容和程序结束三部分组成。
例如：
％
Ｏ0029；………………………………………………………… 程序号
N10 G15 G17 G21 G40 G49 G80；         
N20 G91 G28 Z0；
N30 T1 M6；                                          程序内容
N40 G90 G54 S500 M03；
。
。
。
N100 M30；………………………………………………………程序结束
(1) 程序号
程序号是一个程序必需的标识符。它是由地址符后带若干位数字组成。地址符常见的有：“%”、“O”、“P”等。日本FANUC系统为“O”。后面所带的数字一般为4～8位。如：O2000
(2) 程序体
它表示数控加工要完成的全部动作，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，程序段以“；”为结束符。
(3)程序结束
它是以程序结束指令M02或M30，结束整个程序的运行。
2、程序段格式
零件的加工程序是由程序段组成。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，最常用的为字—地址程序段格式。
一个程序段由若干个“字”组成；字则由地址字（字母）和数值字（数字及符号）组成。地址字有，N、G、X、Y、Z、I、J、K、P、Q、R、A、B、C、F、S、T、M、L等，后面跟相应的数值字。
表示地址的英文字母的含义见表2-1。
地址
功能
含义
地址
功能
含义
A
坐标字
绕X轴旋转
N
顺序号
程序段顺序号
B
坐标字
绕Y轴旋转
O
程序号
程序号、子程序的指定
C
坐标字
绕Z轴旋转
P
暂停时间或程序中某功能的开始使用的顺序号
D
刀具半径补偿号
刀具半径补偿指令
Q
固定循环终止段号或固定循环中的定距
E
第二进给功能
R
坐标字
固定循环定距离或圆弧半径的指定
F
进给速度
进给速度指令
S
主轴功能
主轴转速的指令
G
准备功能
动作方式指令
T
刀具功能
刀具编号的指令
H
刀具长度补偿号
刀具长度补偿指令
U
坐标字
与X轴平行的附加轴增量坐标值
I
坐标字
圆弧中心相对于起点的X轴向坐标
V
坐标字
与Y轴平行的附加轴增量坐标值
J
坐标字
圆弧中心相对于起点的Y轴向坐标
W
坐标字
与Z轴平行的附加轴增量坐标值
K
坐标字
圆弧中心相对于起点的Z轴向坐标
X
坐标字
X轴的绝对坐标值或暂停时间
L
重复次数
固定循环及子程序重复次数
Y
坐标字
Y轴的绝对坐标值
M
辅助功能
机床开/关指令
Z
坐标字
Z轴的绝对坐标值
第二节典型数控系统的指令代码（FANUC 0i系统）
一、F、S、T功能
1、进给速度F
F指令用于控制刀具的进给功能。F的单位取决于G94(每分钟进给量mm/min)或G95(每转进给量mm/r)。进给功能有两种：
（1）快速移动
当指定定位指令G00时，刀具以CNC设置的快速移动速度移动，与F无关。
（2）切削速度
刀具以程序中编制的切削进给速度F移动。F可通过下面公式求得：
F=Fz*Z*N
其中，Fz：每齿进给量
      Z：齿数

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