第2章 数控编程基础

数控机床是一种高效的自动化数字加工设备，它严格按照加工程序，自动对被加工工件进行加工。数控系统外部输入的直接用于加工的程序称（手工输入、网络传输、DNC传输）为数控程序。执行数控程序对应的是数控系统内部的数控系统软件，数控系统是用于数控机床工作的核心部分。

数控机床主要由机床本体、数控系统、驱动装置、辅助装置等几个部分组成。

刀具形状的选择应符合铣削面。平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选端铣刀或面铣刀；加工凸台、凹槽时，选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。

2.1 数控基本知识

在机械制造过程中，数控加工的应用可提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，如图2-1所示为数控加工中心。

图2-1 数控加工中心

数控加工中心易于在工厂或车间实行计算机管理，还能减少车间设备总数、节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力，并提高企业综合经济效益。

2.1.1 计算机数控的概念与发展

学习数控编程，首先要了解数控技术的相关概念。这些概念包括数控的概念、数控机床和数控系统的概念。

● 数控：GB8129—1997中对NC的定义为：用数值数据的控制装置，在运行过程中不断引入数值数据，从而对某一生产过程实现自动控制。

● 数控机床：若机床的操作命令以数值数据的方式描述，并按照规定的程序自动进行，则这种机床称为数控机床。

● 数控系统：数控系统是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。为区别它们，将其中的计算机数字控制装置称为数控装置。

计算机数控的发展，先后经历了电子管（1952年）晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等5代数控系统。

前三代属于专用控制计算机的硬接线（硬件）数控装置，一般称为NC数控装置。第四代数控系统采用小型计算机代替专用硬件控制计算机，这种数控系统称为计算机数控系统（Computerized Numrical Control，即CNC）。自1974年开始，以微处理机为核心的数控装置（Microcomcuperized Numerical Control即MNC）得到迅速发展。

我国从1958年开始研制数控机床，20世纪60年代中期进入实用阶段。自20世纪80年代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统和伺服系统制造商的技术，使我国数控系统在性能、可靠性等方面得到了迅速发展。经过“六五”、“七五”、“八五”及“九五”科技攻关，我国已掌握了现代数控技术的核心内容。目前我国已有数控系统（含主轴与进给驱动单元）生产企业50多家，数控机床生产企业百余家。

2.1.2 数控机床的组成与结构

采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。

数控机床是一种高效的自动化数字加工设备，它严格按照加工程序，自动对被加工工件进行加工。数控系统外部输入的直接用于加工的程序（手工输入、网络传输、DNC传输）称为数控程序。执行数控程序对应的是数控系统内部的数控系统软件，数控系统是用于数控机床工作的核心部分。

主要由机床本体、数控系统、驱动装置、辅助装置等几个部分组成。

● 机床本体：是数控机床加工的机械部分，主要包括支承部件（床身、立柱等）、主运动部分（主轴箱）、进给运动部件（工作台滑板、刀架）等。

● 数控系统：（CNC装置）是数控机床的控制核心，一般是一台专用的计算机。

● 驱动装置：是数控机床的驱动部分，包括主轴电动机、进给伺服电动机等。

● 辅助装置：指数控机床的一些配套部件，包括刀库、液压装置、启动装置、冷却系统、排屑装置、夹具、换刀机械手等。

如图2-2所示为常见的立式数控铣床。

图2-2 立式数控铣床

2.1.3 数控机床技术参数的选择

数控机床的主要技术参数包括工作台面积、各坐标轴行程、主轴转速范围、切削进给速度范围、刀库容量、换刀时间、定位精度、重复定位精度等。可分成尺寸参数、接口参数、运动参数、动力参数、精度参数、其他参数几个方面来认识。

1.尺寸参数

包括工作台面积（长、宽）、承重；主轴端面到工作台的距离；交换工作台尺寸数量及交换时间，其作用是影响到加工工件的尺寸范围大小、重量、编程范围，及刀具、工件、机床之间的干涉。

2.接口参数

包括工作台T型槽数；槽宽槽间距；主轴孔锥度、直径；最大刀具尺寸及重量；刀具容量交换时间等，其作用是影响到工件、刀具安装及加工适应性和效率。

3.运动参数

包括各坐标行程及摆角范围；主轴转速范围；各坐标快速进给速度、切削进给速度范围，其作用是响到加工性能及编程参数。

4.动力参数

内容包括主轴电机功率；伺服电机额定转矩，其作用是影响到切削负荷。

5.精度参数

内容包括定位精度和重复定位精度；回转工作台的精度，其作用是影响到加工精度及其一致性。

6.其他参数

内容包括外形尺寸、重量，其作用是影响到使用环境。

2.1.4 数控加工特点

总的来说，数控加工有如下特点：

● 自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节。数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件；省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。

● 对加工对象的适应性强。改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要做其他任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。

● 加工精度高，质量稳定。加工尺寸精度在0.005～0.01（mm）之间，不受零件复杂程度的影响。由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。

易于建立与计算机间的联络，容易实现群控。由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成CAD/CAM一体化系统，并建立起各机床间的联系，容易实现群控。

2.1.5 数控加工原理

当操作人员使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。采用普通机床加工时，这种开车、停车、走刀、换向、主轴变速和开关切削液等操作都是由人工直接控制的。

1.数控加工的一般工作原理

采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，并有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，且工序准备时间也很长。数控加工的一般工作原理如图2-3所示。

图2-3 数控加工的工作原理

机床上的刀具和工件间的相对运动，称为表面成形运动，简称成形运动或切削运动。数控加工是指数控机床按照数控程序所确定的轨迹（称为数控刀轨）进行表面成形运动，从而加工出产品的表面形状。如图2-4所示为平面轮廓加工示意图。如图2-5所示为曲面加工的切削示意图。

图2-4 平面轮廓加工

图2-5 曲面加工

2.数控刀轨

数控刀轨是由一系列简单的线段连接而成的折线，折线上的结点称为刀位点。刀具的中心点沿着刀轨依次经过每一个刀位点，从而切削出工件的形状。

刀具从一个刀位点移动到下一个刀位点的运动称为数控机床的插补运动。由于数控机床一般只能以直线或圆弧这两种简单的运动形式完成插补运动，因此数控刀轨只能是由许多直线段和圆弧段将刀位点连接而成的折线。

数控编程的任务是计算出数控刀轨，并以程序的形式输出到数控机床，其核心内容就是计算出数控刀轨上的刀位点。

在数控加工误差中，与数控编程直接相关的有两个主要部分：

● 刀轨的插补误差：由于数控刀轨只能由直线和圆弧组成，因此只能近似地拟合理想的加工轨迹，如图2-6所示。

图2-6 刀轨的插补误差

● 残余高度：在曲面加工中，相邻两条数控刀轨之间会留下未切削区域，如图2-7所示，由此造成的加工误差称为残余高度，它主要影响加工表面的粗糙度。

图2-7 残余高度

2.2 数控刀具

数控机床必须有与其相适应的切削刀具配合，才能充分发挥作用。刀具尤其是刀片的选择是保证加工质量，提高加工效率的重要环节。

下面介绍一些数控刀具的基本知识，以此来了解数控刀具的种类及特点，以及如何正确选择和使用数控加工刀具。

2.2.1 数控刀具系统

随着数控机床功能、结构的发展，数控机床上所使用的数控刀具已经不是普通机床“一机一刀”的模式，而是多种不同类型的刀具同时在数控机床上轮换使用，来达到自动换刀和快速换刀的目的。因此对“数控刀具”的含义应该理解为“数控刀具系统”。

数控刀具系统除了包括机床的自动换刀机构外，为了保证刀具的可互换性，还必须有刀柄和工具系统（刀杆、刀片或通用刀具）。如图2-8所示为常见的转盘式自动换刀系统。

图2-8 转盘式自动换刀系统

刀柄是机床主轴与刀具之间的连接工具，是数控铣床、加工中心必备的辅具。它的作用如下：

● 准确地安装各种刀具；

● 满足在机床主轴上的自动松开和拉紧定位；

● 在刀库中的存储识别；

● 机械手的夹持。

刀柄的选用要和机床的主轴孔相对应。刀柄已经标准化和系列化。数控铣床和加工中心上的刀柄一般采用7∶24圆锥刀柄。

2.2.2 数控刀具的种类

数控刀具主要是指数控车床、数控铣床及加工中心上使用的刀具。数控刀具在国外发展很快，品种很多，已形成系列。在我国，由于对数控刀具的研究开发起步较晚，数控刀具成了工具行业中最薄弱的一个环节。数控刀具的落后已经成为影响我国国产和进口数控机床充分发挥作用的主要障碍。数控机床（包括加工中心）除数控磨床和数控电加工机床之外，其他的数控机床都必须采用数控刀具。数控刀具的分类方法很多，下面介绍几种常用的分类方法。

1.按结构来分

按刀具的结构形式可分为整体式、镶嵌式、内冷式、减振式和机夹可转位式（数控机床广泛使用），如图2-9所示。

图2-9 按结构来分的刀具

2.按刀具的材料来分

数控刀具按材料可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、聚晶金刚石刀具、陶瓷刀具和涂层刀具，如图2-10所示。

图2-10 按材料来分的刀具

3.按工艺来分

按所使用机床的类型和被加工表面特征可分为车刀、铣刀、镗刀和孔加工刀具等。如图2-11所示为数控刀具按加工工艺来分的刀具种类图。

图2-11 按加工工艺来分的刀具种类图

如图2-12所示为按加工工艺来分的4种刀具。

图2-12 按工艺来分的加工刀具

2.2.3 数控刀具的特点

目前，数控车床用得最普遍的是硬质合金刀具和高速钢刀具两种。数控刀具具有以下特点：

● 数控车床能兼做粗精车削，因此粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求；

● 精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求；

● 为减少换刀时间和方便对刀，应尽可能采用机夹刀和机夹刀片；

● 夹紧刀片的方式要选择得比较合理，刀片最好选择涂层硬质合金刀片。

2.2.4 数控刀具的材料

刀具的材料是指切削部分的材料。刀具材料的性能必须满足：硬度、强度和韧性、耐磨性、耐热性等条件，同时要考虑经济性。

数控刀具的选择：根据零件的材料种类、硬度，以及加工表面粗糙度要求和加工余量的已知条件，来决定刀片的几何结构（如刀尖圆角）、进给量、切削速度和刀片牌号。

如图2-13所示为数控刀具的常用材料结构表。

图2-13 数控刀具的常用材料结构表

2.2.5 数控加工刀具的选择原则

选择刀具应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量，以及其他相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：适用、安全、经济。

1.适用

所选择的刀具能达到加工的目的，完成材料的去除，并达到预定的加工精度。如粗加工时选择有足够大并有足够切削能力的刀具能快速去除材料。而在精加工时，为了能把结构形状全部加工出来，要使用较小的刀具，加工到每一个角落。

2.安全

在有效去除材料的同时，不会产生刀具的碰撞、折断等。要保证刀具及刀柄不会与工件相碰撞或者挤擦，造成刀具或工件的损坏。如加长的直径很小的刀具切削硬质的材料时，很容易折断，选用时一定要慎重。

3.经济

以最小的成本完成加工。在同样可以完成加工的情况下，选择相对综合成本较低的方案，而不是选择最便宜的刀具。刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大。大多数情况下，选择好的刀具虽然增加了刀具成本，但由此带来的加工质量和加工效率的提高，则可以使总体成本可能比使用普通刀具更低，产生更好的效益。如进行钢材切削时，选用高速钢刀具，其进给只能达到100mm/min，而采用同样大小的硬质合金刀具，进给可以达到500mm/min以上，可以大幅缩短加工时间，虽然刀具价格较高，但总体成本反而更低。

2.2.6 数控刀具的选择注意事项

数控加工时选择刀具应注意以下几点：

● 刀具尺寸。选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。刀具直径的选用主要取决于设备的规格和工件的加工尺寸，还需要考虑刀具所需功率应在机床功率范围之内。

● 刀具形状的选择应符合铣削面。生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀；铣削平面时，应选端铣刀或面铣刀；加工凸台、凹槽时，应选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时，可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。如图2-14～k所示为常见的符合铣削面的铣刀刀具。

图2-14 符合铣削面的各类加工刀具

● 选择刀具应符合精度要求。平面铣削应选用不重磨硬质合金端铣刀或立铣刀，可转为面铣刀。一般采用二次走刀，第一次走刀最好用端铣刀粗铣，沿工件表面连续走刀。选好每次走刀的宽度和铣刀的直径，使接痕不影响精铣精度。加工余量大又不均匀时，铣刀直径要选小些。精加工时，铣刀直径要选大些，最好能够包容加工面的整个宽度。表面要求高时，还可以选择使用具有修光效果的刀片。

图2-15 可转位密齿面铣刀

● 选择刀具时应考虑减少残留高度。加工空间曲面和变斜角轮廓外形时，由于球头刀具的球面端部切削速度为零，而且在走刀时，每两行刀位之间，加工表面不可能重叠，总存在没有被加工去除的部分。每两行刀位之间的距离越大，没有被加工去除的部分就越多，其残余高度就越高，加工出来的表面与理论表面的误差就越大，表面质量也就越差。加工精度要求越高，走刀步长和切削行距越小，编程效率越低。

● 刀具的选择应符合强度加工。镶硬质合金刀片的端铣刀和立铣刀主要用于加工凸台、凹槽和箱口面，如图2-16所示。

图2-16 端铣刀和立铣刀的铣削范围

● 为了提高槽宽的加工精度，减少铣刀的种类，加工时应采用直径比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后利用刀具半径补偿（或称直径补偿）功能对槽的两边进行铣加工。

2.3 数控加工工艺分析

数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺有许多相同之处，但在数控机床上加工零件比通用机床加工零件的工艺规程要复杂得多。在数控加工前，要将机床的运动过程、零件的工艺过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都编入程序，这就要求程序设计人员具有多方面的知识基础。合格的程序员首先是一个合格的工艺人员，否则就无法做到全面周到地考虑零件加工的全过程，以及正确、合理地编制零件的加工程序。

在进行数控加工工艺设计时，一般应进行以下几方面的工作：数控加工工艺内容的选择；数控加工工艺性分析；数控加工工艺路线的设计。

2.3.1 数控加工工艺的内容

对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成，而往往只是其中的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件图样进行工艺分析，选择那些最适合、最需要进行数控加工的内容和工序。在考虑选择内容时，应结合本企业的实际情况，立足于解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。

1.适于数控加工的内容

在选择数控加工工艺内容时，一般可按下列顺序考虑：

● 通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容；

● 通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容；

● 通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在剩余加工能力时选择。

2.不适于数控加工的内容

一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工：

● 占机调整时间长。如以毛坯的粗基准定位加工第一个精基准，需用专用工装协调的内容；

● 加工部位分散，需要多次安装、设置原点。这时采用数控加工很麻烦，效果不明显，可安排通用机床补加工；

● 按某些特定的制造依据（如样板等）加工的型面轮廓。主要原因是获取数据困难，易于与检验依据发生矛盾，增加了程序编制的难度。

此外在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况。总之，要尽量做到合理，达到多、快、好、省的目的。要防止把数控机床降格为通用机床使用。

2.3.2 数控加工工艺性分析

被加工零件的数控加工工艺性问题涉及面很广，下面结合编程的可能性和方便性提出一些必须分析和审查的主要内容。

1.尺寸标注应符合数控加工的特点

在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。

2.几何要素的条件应完整、准确

在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的关系。因为在自动编程时，要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时，要计算出每个结点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。但由于零件设计人员在设计过程中考虑不周或被忽略，常常出现参数不全或不清楚的情况，如圆弧与直线、圆弧与圆弧是相切还是相交或相离。所以在审查与分析图纸时，一定要仔细核算，发现问题及时与设计人员联系。

3.定位基准可靠

在数控加工中，加工工序往往比较集中，以同一基准定位十分重要。因此往往需要设置一些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。如图2-17a所示的零件，为增加定位的稳定性，可在底面增加一个工艺凸台，如图2-17b所示。在完成定位加工后再除去即可。

图2-17 工艺凸台的应用

4.统一几何类型及尺寸

零件的外形、内腔最好采用统一的几何类型及尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应用控制程序或专用程序，以缩短程序长度。零件的形状尽可能对称，便于利用数控机床的镜向加工功能来编程，以节省编程时间。

2.3.3 数控加工工艺路线的设计

数控加工工艺路线设计与通用机床加工工艺路线设计的主要区别，在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。因此在工艺路线设计中一定要注意，由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而要与其他加工工艺衔接好。常见的数控加工工艺一般流程如图2-18所示。

图2-18 数控加工工艺的一般流程

2.3.4 工序的划分

根据数控加工的特点，加工工序的划分一般可按下列方法进行：

1.以同一把刀具加工的内容划分工序

有些零件虽然能一次加工出很多待加工面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如控制系统的限制（主要是内存容量），机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个班内不能结束）等。此外程序太长会增加出错率、查错与检索困难。因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多。

2.以加工部分划分工序

对于加工内容很多的零件，可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内形、外形、曲面或平面等。

3.以粗、精加工划分工序

对于易发生加工变形的零件，由于粗加工后可能发生较大的变形而需要进行校正，因此一般来说凡要进行粗、精加工的工件都要将工序分开。

综上所述，在划分工序时，一定要视零件的结构与工艺性、机床的功能、零件数控加工内容的多少、安装次数及本单位生产组织状况灵活掌握。

零件采用工序集中的原则还是采用工序分散的原则，也要根据实际需要和生产条件来确定，要力求合理。

加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位安装与夹进的需要来考虑，重点是工件的刚性不被破坏。顺序安排一般应按下列原则进行：

● 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。

● 先进行内型腔加工工序，后进行外型腔加工工序。

● 在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏小的工序。

● 以相同定位、夹紧方式或同一把刀具加工的工序，最好进行连接，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数。

2.3.5 确定走刀路线和安排加工顺序

走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹，它不但包括了工序的内容，而且也反映出工序的顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。因此在确定走刀路线时，最好画一张工序简图，将已经拟定出的走刀路线画上去（包括进刀、退刀路线），这样可为编程带来不少方便。

加工顺序是指同一道工序中，各个表面加工的先后次序。它对零件的加工质量、加工效率和数控加工中的走刀路线有直接影响，应根据零件的结构特点和工序的加工要求等合理安排。

工序的划分与安排一般可随走刀路线来进行，在确定走刀路线时，主要遵循以下原则：

● 保证零件的加工精度和表面粗糙度要求；

● 使走刀路线最短。

铣削不同的轮廓时，采用的切削方式也不同，具体说明如下。

1.寻求最短加工路线

如图2-19所示为零件上的孔系。图a的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。若改用图b的走刀路线，可减少空刀时间，能节省近一倍的定位时间，提高了加工效率。

图2-19 寻求最短加工路线

2.最终轮廓一次走刀完成

为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。

图2-20a为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不到要求的表面粗糙度。所以如采用图2-20b的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，能获得较好的效果。图2-20c也是一种较好的走刀路线方式。

图2-20 一次走刀完成的3种路线

3.选择切入切出方向

如图2-21所示，当铣削平面零件外轮廓时，一般采用立铣刀侧刃切削。将刀具切入工件时，应避免沿零件外廓的法向切入，而应沿外廓曲线延长线的切向切入，以避免在切入处产生刀具的刻痕，而影响表面质量，保证零件外廓曲线平滑过渡。同理，在切离工件时，也应避免在工件的轮廓处直接退刀，而应该沿零件轮廓延长线的切向逐渐切离工件。

图2-21 外轮廓铣削

铣削封闭的内轮廓表面时，若内轮廓曲线允许外延，则应沿切线方向切入切出。若内轮廓曲线不允许外延，刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出，此时刀具的切入切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处，如图2-22所示。当内部几何元素相切无交点时，为防止刀补取消时在轮廓拐角处留下凹口，刀具切入切出点应远离拐角。

图2-22 内轮廓铣削

图2-23所示为圆弧插补方式铣削外整圆时的走刀路线图。当整圆加工完毕时，不要在切点处直接退刀，而应让刀具沿切线方向多运动一段距离，以免取消刀补时，刀具与工件表面相碰，造成工件报废。

图2-23 铣削外整圆

铣削内整圆时也要遵循从切向切入的原则，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线，如图2-24所示，这样可以提高内孔表面的加工精度和加工质量。

图2-24 铣削内整圆

2.3.6 确定切削用量

对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。这些条件决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济的、有效的加工方式，要求必须合理地选择切削条件。

编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。也可以结合实际经验用类比法确定切削用量。在选择切削用量时，要充分保证刀具能加工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作日的工作时间。

背吃刀量主要受机床刚度的限制，在机床刚度允许的情况下，尽可能使背吃刀量等于工序的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高加工效率。对于表面粗糙度和精度要求较高的零件，要留有足够的精加工余量，数控加工的精加工余量可比通用机床加工的余量小一些。

编程人员在确定切削用量时，要根据被加工工件材料、硬度、切削状态、背吃刀量、进给量、刀具耐用度，选择合适的切削速度。表2-1列出了车削加工时的选择切削条件的参考数据。

表2-1 车削加工的切削速度

2.3.7 对刀点的选择

在加工时，工件可以在机床加工尺寸范围内任意安装，要正确执行加工程序，必须确定工件在机床坐标系的确切位置。对刀点是工件在机床上定位装夹后，设置在工件坐标系中，用于确定工件坐标系与机床坐标系空间位置关系的参考点。选择对刀点时要考虑到编程方便，对刀误差小，加工时检查方便、可靠等。

对刀点的设置没有严格规定，可以设置在工件上，也可以设置在夹具上，但在编程坐标系中必须有确定的位置，如图2-25所示。对刀点既可以与编程原点重合，也可以不重合，主要取决于加工精度和对刀的方便性。当对刀点与编程原点重合时，X1=0，Y1=0。

图2-25 对刀点的选择

对刀点尽可能选择在零件的设计基准或者工艺基准上，这样能保证零件的精度要求。在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。所谓对刀是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置。

“刀位点”是指刀具的定位基准点。如图2-26所示，圆柱铣刀的刀位点是刀具中心线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点是球头的球心点或球头顶点；车刀的刀位点是刀尖或刀尖圆弧中心；钻头的刀位点是钻头顶点。

图2-26 刀位点

2.3.8 高度与安全高度

起止高度指进退刀的初始高度。在程序开始时，刀具将先到这一高度，同时在程序结束后，刀具也将退回到这一高度。起止高度要大于或等于安全高度，安全高度也称为提刀高度，是为了避免刀具碰撞工件而设定的高度（Z值）。安全高度是在铣削过程中，刀具需要转移位置时，将退到这一高度再进行G00插补到下一进刀位置，此值一般情况下应大于零件的最大高度（即高于零件的最高表面）。

慢速下刀相对距离通常为相对值，刀具以G00快速下刀到指定位置，然后以接近速度下刀到加工位置。如果不设定该值，刀具以G00的速度直接下刀到加工位置。若该位置又在工件内或工件上，且采用垂直下刀方式，则极不安全。即使是空的位置下刀，使用该值也可以使机床有缓冲过程，确保下刀所到位置的准确性，但是该值也不宜取得太大，因为下刀插入速度往往比较慢，太长的慢速下刀距离将影响加工效率。

在加工过程中，当刀具需要在两点间移动而不切削时，是否要提刀到安全平面呢？

当设定为抬刀时，刀具将先提刀到安全平面，再在安全平面上移动，否则将直接在两点间移动而不提刀。直接移动可以节省抬刀时间，但是必须要注意安全，在移动路径中不能有凸出的部位，特别注意在编程中，当分区域选择加工曲面并分区加工时，中间没有选择的部分是否有高于刀具移动路线的部分。在粗加工时，对较大面积的加工通常建议使用抬刀，以便在加工时可以暂停，对刀具进行检查。而在精加工时，常使用不抬刀以加快加工速度，特别是像角落部分的加工，抬刀将造成加工时间大幅延长。在孔加工循环中，使用G98将刀抬到安全高度进行转移，而使用G99就将直接移动，不抬刀到安全高度，如图2-27所示。

图2-27 高度与安全高度

2.3.9 刀具半径补偿和长度补偿

刀具的补偿包括长度补偿、半径补偿。

1.半径补偿

刀具半径尺寸对铣削加工影响最大，在零件轮廓铣削加工时，刀具的中心轨迹与零件轮廓往往不一致。为了避免计算刀具中心轨迹，直接按零件图样上的轮廓尺寸编程，数控系统提供了刀具半径补偿功能，如图2-28所示。

图2-28 刀具半径补偿

2.长度补偿

在实际加工当中刀具的长度不统一、刀具磨损、更换刀具等原因引起刀具长度尺寸变化时，编程人员不必考虑刀具的实际长度及对程序的影响。可以通过使用刀具长度补偿指令来解决问题，在程序中使用补偿，并在数控机床上用MDI方式输入刀具的补偿量，就可以正确加工了。当刀具磨损时，只要修正刀具的长度补偿量即可，而不必调整程序或刀具的加持长度，如图2-29所示。

图2-29 刀具长度补偿

2.3.10 顺铣与逆铣

沿着刀具的进给方向看，如果工件位于铣刀进给方向的右侧，那么进给方向称为顺时针。反之，当工件位于铣刀进给方向的左侧时，进给方向定义为逆时针。如果铣刀旋转方向与工件进给方向相同，称为顺铣，如图2-30（a）所示。铣刀旋转方向与工件进给方向相反，称为逆铣，如图2-30（b）所示。

图2-30 铣刀的逆铣和顺铣

顺铣时，刀齿开始和工件接触时切削厚度最大，且从表面硬质层开始切入，刀齿受很大的冲击负荷，铣刀变钝较快，但刀齿切入过程中没有滑移现象。顺铣的功率消耗要比逆铣时小，在同等切削条件下，顺铣功率消耗要低5%～15%，同时顺铣也更加有利于排屑。一般应尽量采用顺铣法加工，以提高被加工零件表面的光洁度（降低粗糙度），保证尺寸精度。但在切削面上有硬质层、工件表面凹凸不平较显著时，如加工锻造毛坯，应采用逆铣法。

逆铣时，切削由薄变厚，刀齿从已加工表面切入，对铣刀的使用有利。逆铣时，当铣刀刀齿接触工件后，不能马上切入金属层，而是在工件表面滑动一小段距离，在滑动过程中，由于强烈的磨擦，就会产生大量的热量，同时在待加工表面易形成硬化层，降低了刀具的耐用度，影响工件表面的光洁度，给切削带来不利。逆铣时，刀齿由下往上（或由内往外）切削。

2.3.11 区域加工顺序

对于有多个凸台或者凹槽的零件做等高切削时，形成不连续的加工区域，其加工顺序可有两种选择。

1.层优先

层优先时生成的刀路轨迹是将这一层即同一高度内的所有内外型加工完以后，再加工下一层，也就是所有被加工面在某一层（相同的Z值）加工完以后，再下降到下一层。刀具会在不同的加工区域之间跳来跳去。

2.区域优先

则在加工凸台或者凹槽时，先将这部分的形状加工完成，再跳到其他部分。也就是逐个区域进行加工，将某一连续的区域加工完成后，再加工另一个边续的区域。

层优先的特点是各个凸台或者凹槽最后获得的加工尺寸一致，但是其表面光洁度不如区域优先加工，同时其不断抬刀也将消耗一定的时间。在粗加工时，一般使用区域优先；精加工对各个凸台或者凹槽的尺寸一致性要求较高时，应采用层优先。

2.4 数控系统

在数控编程时，为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证记录数据的互换性，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化，ISO和我国都拟定了命名的标准。通过这一部分的学习，能够掌握机床坐标系、编程坐标系、加工坐标系的概念，具备实际动手设置机床加工坐标系的能力。

2.4.1 机床坐标系

在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。

例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动，以及垂向运动，如图2-31所示。在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。

图2-31 数控机床坐标系

2.4.2 坐标轴极其运动方向

数控机床上的坐标系是采用右手直角笛卡尔坐标系。如图2-32所示，X、Y、Z直线进给坐标系按右手定则规定，而围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴A、B、C则按右手螺旋定则判定。

图2-32 笛卡尔直角坐标系统

2.4.3 机床原点、机床参考点和工件原点

机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。机床原点、机床参考点和工件原点在机床中的对应位置关系如图2-33所示。机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数。

图2-33 机床原点、参考点和工件原点的对应位置关系

编程坐标系在机床上就表现为工件坐标系，坐标原点就称之为工件原点。工件原点一般按如下原则进行选取：

● 工件原点应选在工件图样的尺寸基准上。

● 能使工件方便地装夹、测量和检验。

● 尽量选在尺寸精度、光洁度比较高的工件表面上，这样可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。

● 对于有对称几何形状的零件，工件原点最好选在对称中心点上。

2.4.4 加工坐标系

加工坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系（有时也称工件坐标系）。加工原点也称为程序原点，是指零件被装夹好后，相应的编程原点在机床坐标系中的位置。

在加工过程中，数控机床是按照工件装夹好后所确定的加工原点位置和程序要求进行加工的。编程人员在编制程序时，只要根据零件图样就可以选定编程原点、建立编程坐标系、计算坐标数值，而不必考虑工件毛坯装夹的实际位置。对于加工人员来说，则应在装夹工件、调试程序时，将编程原点转换为加工原点，并确定加工原点的位置，在数控系统中给予设定（即给出原点设定值），设定加工坐标系后，就可根据刀具当前位置，确定刀具起始点的坐标值。在加工时，工件各尺寸的坐标值都是相对于加工原点而言的，这样数控机床才能按照准确的加工坐标系位置开始加工。

2.5 数控编程基础

数控机床程序编制（又称数控编程）指编程者（程序员或数控机床操作者）根据零件图样和工艺文件的要求，编制出可在数控机床上运行，以完成规定加工任务的一系列指令的过程。具体来说，数控编程是由分析零件图样和工艺要求开始到程序检验合格为止的全部过程。

2.5.1 数控编程内容

数控编程是实施数控加工前的必要工作，数控机床没有加工程序将无法实现加工。编程的质量对加工质量和加工效率有着直接的影响。因为程序是一切加工信息的载体，操作者对机床的一切控制都是通过程序实现的。只有高质量的加工程序，才能最大限度地发挥数控机床的潜能，达到数控加工应有的效果与经济效益。一般数控加工程序的编制分三个阶段完成，即工艺处理、数学处理和编程调试，如图2-34所示。

图2-34 数控编程内容

1.工艺处理阶段

工艺处理阶段的主要工作内容如下：

● 分析被加工零件图纸，明确加工内容及技术要求，在此基础上确定零件的加工方式和走刀路线，确定切削用量等工艺参数。

● 制定零件的数控加工工艺过程。在已经确定工艺参数的前提下，考虑零件如何安装，对刀点位置如何确定，零件如何分步加工，如何使图样上的精度等技术要求得以实现等。

● 选择或设计刀、夹具。

2.数学处理阶段

工艺处理阶段完成后，编程人员便可结合所使用的数控系统的输入要求，通过数学处理计算出应输入给控制系统的输人数据。这种计算工作量的大小，随被加工零件的形状、加工内容及控制系统的功能等有所不同。

3.编程调试阶段

编程调试阶段主要有下述三项工作内容：

● 编制程序单。在工艺处理和数学处理的基础上，还要考虑某些辅助工艺处理，如确定准备功能，主轴的正转、反转、停车及变换速度等，然后便可按数控装置的输入格式要求编写出程序单。

● 程序单经过严格检查确认无误后，可交付生产部门使用。

● 首件试切削。生产部门拿到纸带后，通常不立即加工零件，还要做进一步检查。方法是用划针或圆珠笔在机床上画线检查，即用划针在涂有颜料的玻璃扳（或纸）上画出零件的轮廓形状来检查，然后试切一个零件，经检验合格，该程序编制工作方可认为结束。

2.5.2 数控编程的方式

数控编程方式是数控技术的重要组成部分，数控编程方式有手工编程和自动编程。数控自动编程代表编程方法的先进水平，而手工编程是学习自动编程的基础。目前手工编程还有广泛的应用。

1.手工编程

手工编程就是从分析零件图样、确定工艺过程、数值计算、编写零件加工程序单、程序输入到程序检验等各步骤均由人工完成。

对于加工形状简单的零件，计算比较简单，程序不多，采用手工编程比较容易完成，因此在点定位加工及由直线与圆弧组成的轮廓加工中，手工编程较为常用。但对于形状复杂的零件，特别是具有非圆曲线、列表曲线及曲面的零件，用手工编程就有一定的困难，出错的机率增大，有的甚至无法编出程序，必须采用自动编程的方法编制程序。

2.自动编程

自动编程是利用计算机及其专用编程软件进行数控加工程序编程。编程人员根据加工零件图纸的要求或零件CAD模型，进行参数选择和设置，由计算机自动进行刀具轨迹计算、后置处理，生成加工程序单，直至将加工程序通过直接联系的方式输入数控机床，控制机床进行加工。自动编程既可减轻劳动强度，缩短编程时间，又可减少差错，使编程工作简便。

3.数控程序格式

数控加工程序由若干程序段构成。程序段则是按照一定顺序排列、能使数控机床完成某特定动作的一组指令。而每个指令都是由地址字符和数字所组成的，如G01表示直线插补指令、M03表示主轴顺时针旋转指令、X30.0表示X向的位移、F200表示刀具进给速度等。若干程序可组成一个完整的零件加工程序。

4.程序段格式

程序段的格式是指一个程序段中指令字的排列顺序和书写规则，不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符合规定，数控系统就不能接受。目前广泛采用的是地址符可变程序段格式（或者称字地址程序段格式），其编排格式如下：

            N_G_   X_Y_Z_   I_J_K_   T_H_     S_M_F_；U_V_W_    R_D_LF
    （或*、或$或回车符）

在程序段中，必须明确组成程序段的各个要素：

● 程序段顺序号：N表示程序段顺序号，N0000～N9999。有的数控系统可以省略程序号。

● 沿怎样的轨迹移动：准备功能字G。范围为G00～G99。

● 移动目标：终点坐标值X、Y、Z。

● 进给速度：进给功能字F。

● 切削速度：主轴转速功能字S。

● 使用刀具：刀具功能字T。

● 机床辅助动作：辅助功能字M。

；、*、$或LF等是程序结束的标志，控制系统不同，结束标志也不尽相同。

5.加工程序的一般格式

加工程序的一般格式包括程序开始符与结束符、程序名、程序主体，以及程序结束指令等。

●程序开始符、结束符：为同一个字符，ISO代码中是%，EIA代码中是EP，书写时要单列一段。

● 程序名：程序名有两种形式：一种是英文字母O和1～4位正整数组成；另一种是由英文字母开头，字母数字混合组成的，一般要求单列一段。

● 程序主体：程序主体是由若干个程序段组成的。每个程序段一般占一行。

● 程序结束指令：程序结束指令可以用M02或M30，一般要求单列一段。

加工程序的一般格式举例如下：

              %                                       //开始符
              O0029                                   //程序名
              N10 G00 Z100；                            //程序段
              N20 G17 T02；                             //程序段
              N30 G00 X70 Y65 Z2 S800；                    //程序段
              N40 G01 Z-3 F50；                          //程序段
              N50 G03 X20 Y15 I-10 J-40；                  //程序段
              N60 G00 Z100；                            //程序段
              N70 M30；                                //程序段
              %                                       //结束符

2.5.3 主要功能指令

数控机床的运动是由程序控制的，而准备功能和辅助功能是程序段的基本组成部分。目前国际上广泛应用的是ISO标准，我国根据ISO标准制订了JB3208-83《数控机床的准备功能G和辅助功能的代码》。

1.准备功能（G功能）

使机床做某种操作的指令。用地址G和两位数字表示，从G00-G99共100种（见本书附录一）。

准备功能指令按其有效性的长短分属于两种模态：0组的指令为非模态指令，其余组的指令为模态指令。

（1）非模态G功能

只在所规定的程序段中有效，程序段结束时被注销。例如：

            N10  G04 P10.0（延时10s）
            N11  G91 G00 X-10.0 F200（X负向移动10mm）

N10程序段中G04是非模态代码，不影响N11程序段的移动。

（2）模态G功能

一组可相互注销的G功能，这些功能一旦被执行，则一直有效，直到被同一组的G功能注销为止。例如：

            N15  G91 G01 X-10.0 F200
            N16  Y10.0（G91、G0仍然有效）
            N17  G03 X20 Y20 R20（G03有效，G01无效）

2.辅助功能（M功能）

辅助功能是指控制机床及其辅助装置的通断指令。如开、停冷却泵；主轴正反转、停转；程序结束等。M功能指令由M后带二位数字组成，从M00～M99共有100种（见本书附录二）。M指令也有模态（续效）指令与非模态指令之分。

3.进给功能（F功能）

进给功能字的地址符是F，又称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。对于车床，F可分为每分钟进给和主轴每转进给两种，对于其他数控机床，一般只用每分钟进给。F指令在螺纹切削程序段中常用来指令螺纹的导程。

4.主轴转速功能（S功能）

主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速，单位为r/min。对于具有恒线速度功能的数控车床，程序中的S指令用来指定车削加工的线速度数。

5.刀具功能（T功能）

刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号。对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用。

2.6 本章小结

本章主要介绍了数控编程技术的应用知识，其内容有数控基本知识、数控刀具的认识、数控加工工艺分析、数控系统及数控编程基础等。

本章为学习UG数控编程加工提供了强大的理论支撑。如果有人认为仅学习UG的操作，根本不用学习数控理论，那么他就不是一个真正意义的编程工程师，仅仅只是一个编程技术员，或者叫软件操作员而已。因此学习并掌握本章的知识就显得尤其重要了。

2.7 课后习题

（1）数控的概念、数控机床和数控系统的概念是什么？

（2）数控机床的组成与结构是什么？

（3）数控加工原理是什么？

（4）数控刀具种类与特点是什么？

（5）数控加工刀具的选择原则是什么？

（6）数控加工工艺的内容包括有哪些？

（7）数控编程的方式有哪两种？