第一章数控机床及其编程
第一节数控机床与数控加工的基本原理
一、数控机床
随着社会生产的发展和科学技术的进步，机械产品日趋精密复杂，且批量不大。普通机床已不能适应这些需求，因此出现了数字程序控制机床(简称数控机床)。其中的控制系统就是数控系统，它能够逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。
数控机床就是将加工过程的各种机床动作，由数字化的代码表示，通过某种载体将信息输人数控系统，控制计算机对输人的数据进行处理，来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床加工出所需要的工件。
1.数控机床的组成
数控机床的种类繁多，但从组成上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四大部分以及辅助设备组成，如图1.1所示。
控制介质实际上是信息的载体，是操作者与数控机床发生联系的中间媒介物。它用于记载零件加工过程中所需要的各种加工信息，以控制机床的运动，实现零件的加工。常用的信息载体有穿孔纸带、磁盘、磁带等。对于计算机数控机床(CNC机床)，也可用操作面板上的键盘直接输入加工程序。现代先进的信息传输则是采用计算机联机通信的方式传送加工程序，即所谓的DNC。
数控装置是机床实现自动加工的控制核心。它具有零件程序的读入、存储、输入信息的处理和计算，以及加工过程的实时控制等机能。其工作过程是：当由输入设备输人加工信息之后，经过处理与计算，发出相应的脉冲给伺服系统，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动。
数控装置一般有专用数控装置和通用数控装置两种类型。专用数控装置简称NC数控装置，它是指根据零件加工功能的要求，采用专用硬接线逻辑电路的方法构成的控制装置。要想增加或更改某种功能，就必须改变控制装置内部的逻辑电路。因此这种数控系统灵活性差，使用很不方便，现已逐渐被淘汰。通用数控
装置简称CNC数控装置，它是由一台小型或微型计算机作为控制硬件，再配以适当的接口电路构成的数控装置。将预先设计调试好的控制软件存人计算机内，以实现数控机床的控制逻辑和各种控制功能，只要改变控制软件就可改变控制功能。因此这种数控装置的灵活性和通用性很强，现代数控系统大都采用这种通用数
控装置。图1.2是CNC系统的组成框图。
伺服系统是数控系统的执行部分，是数控装置与机床本体间的电传动联系环节，由速度控制装置、位置控制装置、驱动伺服电动机和相应机械传动装置组成。其功能是接受数控装置输出的指令脉冲信号，使机床上的移动部件做相应的移动，并对定位的精度和速度加以控制。每一个指令脉冲信号使机床移动部件产生的位移量称为脉冲当量，常用脉冲当量为0.01mm／脉冲、0.005mm／脉冲、0.001mm／脉冲等。因此，伺服系统的精度、快速性及动态响应是影响加工精度、表面质量和生产率的主要因素之一。
目前在数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两种都带有感应同步器、光电编码器等位置测量元件。所以，伺服机构的性能决定了数控机床的精度和快速性。
2. CNC系统
CNC系统是数控机床的控制核心，它通常由一台带有专门系统软件的微机构成。因此，CNC系统由软件和硬件组成。
CNC系统根据输人的零件加工程序(NC程序)，计算出理想的运动轨迹，输出到执行部件，加工出需要的零件。在这个过程中，它要完成对进给坐标控制、主轴控制、刀具控制、辅助功能控制等功能。此外，CNC系统还要实现一些高度复杂的功能，如零件程序编辑、坐标系偏移、刀具补偿、图形显示、公英制转换、插补、固定循环等。
图1.3是CNC系统的硬件组成，图1.4是CNC系统的软件组成。由图中可以看出，CNC系统的软件又分为管理软件和控制软件。所有的数控功能基本上都要依靠这些程序来实现。硬件是软件的物理基础，软件是整个系统的灵魂，
CNC系统的活动均依靠系统程序来指挥。
CNC系统的工作过程是一系列程序的执行过程。
输入CNC系统的有零件程序、控制参数、补偿数据。输入的方式有阅读机纸带输入、键盘手动输入、磁盘输入、通信接口输入(串行口)以及连接上一级计算机的DNC(Direct Numerical Contro1)接口输入。CNC系统的输入过程中还需完成校检和代码转换等工作。输入的全部信息都放在CNC装置的内部存储器中。
译码处理程序将零件程序以一个程序段为单位进行处理，每个程序段含有零件的轮廓信息(起点、终点、直线、圆弧等)、加工速度信息(F代码)以及其它如换刀、换挡、冷却液等辅助信息(M、S、T代码等)。计算机依靠译码程序识别这些代码符号，并按照一定的语言规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内在区间。
图1.3 CNC系统的硬件组成
图1.4 CNC系统的软件组成
数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹(因为轮廓轨迹是靠刀具的运动来实现的)，从而大大减轻了编程员的工作量。速度计算是解决该加工程序段以什么样的速度运动的问题。编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先是根据合成速度来计算各坐标方向的分速度。此外对机床容许的最低速度和最高速度的限制进行判别并处理。辅助功能如换刀、主轴启停、冷却液开停等，大部分都是些开关量。辅助功能处理的主要工作是识别标志、在程序执行时发出信号、让机床相应部件执行这些动作。
插补运算和位置控制是CNC系统的实时控制软件，一般都在控制程序中相应地控制机床运动的中断服务程序中进行。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期中，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期后，插补加工完一个程序段，即从数据段的起点走到终点。计算机数控系统是一边插补，一边加工。而在本次处理周期内插补程序的作用是计算下一个处理周期的位置增量。位置控制可以由软件也可以由硬件来实现。它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机，进而控制机床工作台(或刀具)的位移。这样机床就自动地按照零件加工程序的要求进行切削加工。
当一个程序段开始插补加工时，管理程序即着手准备下一个程序段的读人、译码、数据处理，即由它调动各个功能子程序，并保证在一个程序段加工过程中完成下一个程序段的数据准备，一旦本程序段加工完毕立即开始下一个程序段的插补计算。整个零件加工就在这种周而复始的过程中完成。
同一般计算机系统一样，由于软件和硬件在逻辑上是等价的，所以在CNC 系统中，由硬件完成的工作原则上也可以由软件来完成。但是硬件和软件各有不同的特点。硬件处理速度较快，但造价较高，软件设计灵活，适应性强，但处理速度较慢。因此在CNC系统中，软件和硬件的分配比例是由性能价格比决定的。实际上，现代CNC系统中，软件和硬件的界面关系是不固定的。在早期的NC 装置中，数控系统的全部工作都由硬件来完成，随着计算机技术的发展，特别是硬件成本的下降，计算机参与了数控系统的工作，构成了计算机数控(CNC)系统。但是这种参与的程度在不同的年代和不同的产品中是不一样的。图1.5说明了三种典型CNC装置的软硬件界面关系。
图1.5 三种典型的软硬件界面
3. 伺服系统的工作原理
在数控机床中，伺服系统接受来自数控系统插补器的进给脉冲信号，将其变换、放大，转化为机床工作台(或刀架)的位移。通常将伺服系统分为开环系统、闭环系统和半闭环系统三大类。图1.6是闭环系统的构成。开环系统没有反馈检测环节和比较环节，半闭环系统与闭环系统的区别在于反馈检测传感器安装的部
位与测量对象不同。
图1.6 闭环系统的构成
反馈检测环节是将工作台的实际位移检测出来并转换成电信号，反馈给比较
环节。它主要由检测元件和信号处理电路两部分组成。常用的检测元件有旋转变
压器、感应同步器、光栅和编码盘等。
比较环节是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟
随误差，经驱动电路控制执行元件带动工作台移动，直到误差为零。根据进入比
较环节的信号的形式以及反馈检测方式，闭环系统可分为鉴相式伺服系统、鉴幅
式伺服系统和数字比较式伺服系统三种类型。
驱动电路的作用是将比较环节输出的信号进行整形、滤波、电压放大、功率
放大从而驱动执行元件带动工作台。
执行元件的作用是将控制信号转化为机械位移，开环系统常用功率步进电机作执行元件。闭环系统常用的执行元件有交流伺服电动机、直流脉宽调速电动机和液压马达等。
下面简单介绍常用的三种伺服系统的工作原理。
a. 步进式伺服系统
图1.7是步进式伺服系统的原理框图。驱动控制电路接收来自控制系统的进给脉冲信号，并把此信号转换成控制步进电动机各定子绕组依次通电、断电的驱动信号。使步进电动机运转，步进电动机转子与机床的丝杠连在一起。转子带动丝杠转动，再经过丝杠螺母副转换成机床工作台的移动。
图1.7 步进式伺服系统原理框图
数控机床控制系统发出N个进给脉冲，经驱动电路后，变成控制步进电动机定子绕组通电、断电的电平信号的变化次数N，使步进电动机定子绕组的通电状态变N次。由步进电动机的工作原理可知，步进电动机的角位移Ф：Nα(α为步距角)。角位移经丝杠螺母之后转变为工作台的位移量L，L=Фp／360(p为螺距)。
机床数控系统发出的进给脉冲的频率数厂，就是控制步进电动机定子绕组通电、断电的电平信号的变化频率，该频率又决定了步进电动机转子的转速，经丝杠、螺母之后转化成工作台的移动速度。即进给脉冲频率f→定子通电、断电状态的变化频率f→步进电动机转速→工作台的进给速度。
当系统发出的方向脉冲是正向时，经驱动控制电路后，使步进电动机的定子绕组按某种顺序通电、断电。当进给方向脉冲是反向时，则通电、断电顺序正好相反。从而控制工作台运动方向。
b．鉴相式伺服系统
鉴相式伺服系统是数控机床中使用较多的一种闭环伺服系统。它具有工作可靠、抗干扰性强、精度高等优点。图1.8是鉴相式伺服系统的原理框图。它的工作原理是：当数控机床的数控系统要求工作台沿一个方向进给时，插补器或插补软件便产生一个序列进给脉冲。该脉冲作为指令脉冲，其数量、频率和方向分别代表了工作台的指令进给量、进给速度和进给方向，然后被送入伺服系统，经脉冲调相器转变为相对于基准信号的相位变化信号，该信号送人鉴相器。在工作台进给前，因工作台没有位移，故反馈信号与基准信号同相位，其相位差θ＝0，反馈信号也送人鉴相器，在鉴相器中，指令信号和反馈信号相比较，求出两者之间的相位差Ф－θ。该差值称为跟随误差。经放大后，送人驱动系统，驱动电动机转动，使工作台移动。工作台正向移动后，检测元件检测出工作台的位移量，经信号处理产生反馈脉冲，该反馈脉冲经脉冲调相器，产生超前于基准信号一个
相位角θ的反馈信号。反馈信号再次进入鉴相器与指令脉冲相位比较。若Ф－θ＝0，说明工作台实际移动量等于指令信号要求它的位移量。若Ф≠θ，说明二者不等。鉴相器将Ф与θ的差值经放大送人驱动系统，继续驱动电动机转动，直至Ф=θ，工作台便停止进给。
图1.8 鉴相式伺服系统的原理框图
c．鉴幅式伺服系统
图1.9为鉴幅式伺服系统的由测量元件及信号处理电路、数模转换器、比较器、驱动环节和执行元件五部分组成。原理框图，它进入比较器的信号有两路，一路来自数控系统插补器或插补软件的进给脉冲，它代表了数控系统要求机床工作台移动的位移量；另一路来自测量元件及信号处理电路，也是以数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，工作台不移动。出现进给脉冲信号后，比较器的输出不再为零，执行元件带动工作台移动，同时，以鉴幅式工作的测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理电路转换成相应的数字脉冲信号，并将次信号作为反馈信号送人比较器，与进给脉冲进行比较。若两者相等，比较器输出零，说明工作台实际移动量等于指令信号要求工作台的位移量，执行元件停止带动工作台移动；若两者不等，说明工作台移动的距离不等于指令脉冲要求的位移量，执行元件继续带动工作台移动，直至比较器输出为零。
图1.9 鉴幅式伺服系统的原理框图
二、数控铣床
1. 数控铣床
数控铣床是数控机床家族中的又一个大类，是最常见的一类数控机床。图1.16
是XK5040A 型数控铣床的布局图。床身6固定在底座1上，用于安装与支承机床各部件。操纵台10上有CT 显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。纵向工作台16、横向溜板12安装在升降台15上，通过纵向进给伺服电机13、横向进给伺服电机14和垂直升降进给伺服电机4的驱动，完成X 、r 、Z 坐标进给。强电柜2中装有机床电气部分的接触器、继电器等。变压器箱3安装在床身立柱的后面。数控柜7内装有机床数控系统。保护开关8、11可控制纵向行程硬限位；挡铁9为纵向参考点设定挡铁。主轴变速手柄和按钮板5用于手动调整主轴的正、反转、停止及切削液开停等。
数控立式铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降及主轴不动方式，与普通立式升降台铣床结构相似；中型数控立式铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动；大型数控立式铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。
从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3坐标数控立式铣床仍占大多数。一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3坐标中的任意两个坐标
联动加工(常称为2
12坐标加工)。此外，还有机床主轴可以绕X 、Y 、Z 坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标数控立式铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。
数控立式铣床可以附加数控转盘、采用自动交换台、增加靠模装置等来扩大数控立式铣床的功能，加工范围和加工对象，进一步提高生产效率。
卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5坐标加工。这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。尤其是万能数控转盘可以把工件上各种不同角度或空间角度的加工面摆成水平来加工。可以省去许多专用夹具或专用角度成型铣刀。对箱体类零件或需要在一次安装中改变工位的工件来说，选择带数控转盘的卧式铣床进行加工是非常合适的。
此外，还有立、卧两用数控铣床。这类铣床目前正在逐渐增多，它的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，其使用范围更广，功能更全，选择加工的对象和余地更大，给用户带来了很多方便。特别是当生产批量小，品种较多，又需要立、卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。
图1.16 XK5040A型数控铣床的外观图
立、卧两用数控铣床的主轴方向的更换有手动与自动两种，采用数控万能主轴头的立、卧两用数控铣床，其主轴头可以任意转换方向，可以加工出与水平面呈各种不同角度的工件表面。当立、卧两用数控铣床增加数控转盘后，就可以实现对工件的“五面加工”。即除了工件与转盘贴合的定位面外，其它表面都可以在一次安装中进行加工。因此，其加工性能非常优越。
2.数控铣床坐标系
数控机床的坐标系统，包括坐标系、坐标原点和运动方向，对于数控加工及编程是一个十分重要的概念。每一个数控编程员和数控机床的操作者，都必须对数控机床的坐标系有一个完整、正确的理解，否则，程序编制将发生混乱，操作时更容易发生事故。为了使数控系统规范化(标准化、开放化)及简化数控编程，国际标准(1SO)对数控机床的坐标系统作了若干规定。
(1SO)和我国部颁标准中规定数控机床的坐标系采用笛卡儿直角坐标系，右手定则法。如图1.17所示，大拇指的方向为J轴的正方向；食指为了轴的正方向；中指为Z轴的正方向。这个坐标系的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。
a. 机床坐标系
为了编程人员能够在不知道是刀具移近工件，还是工件移近刀具的情况下，
就能依据零件图纸来确定机床的加工过程、编制加工程序，规定以工件为基准，
假定工件不动，刀具相对于静止的工件运动的原则。
JB3051—82中规定，增大工件与刀具之间距离的方向是机床运动的正方向。
图1.17 右手直角坐标系
与主轴线平行的坐标轴为Z坐标(Z轴)，工件远离刀具的方向为Z轴的正向。图1. 18是铣床的坐标系。当机床有几根主轴时，则选取一个垂直于工件装夹表面的主轴为Z轴(如龙门铣床)。
X轴规定为水平，平行于工件装夹表面，它是刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。对于立铣，从主轴向立柱看，立柱右方规定为X轴的正方向，如图1.189(a)所示；对于卧式铣床、卧式加工中心，从主轴向工件看，+z方向指工件的右方向，如图1. 18(b)所示。
Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴。当Z轴、Z轴确定之后，按笛卡儿直角坐标系右手法则判断，Y轴方向就是惟一地被确定了。
旋转运动用A、B和C表示，分别为绕X、Y、Z轴旋转的运动。A、B、C 的正方向，相应地表示在x、y和Z坐标轴的正方向上，按右手螺旋前进方向，如图1. 17所示。
图1.18 加工中心的坐标系
(a) 立式加工中心的坐标系(b) 卧式加工中心的坐标系
如果有第二或第三组坐标平行于X、Y、Z，则分别指定用U、V、W和P、Q、R表示。
对于工件运动而不是刀具运动的机床，规定用带“`”的字母和箭头表示。如用+Z表示刀具相对于工件的正向运动，+Z` 表示工件相对于刀具的正向运动。二者表示的运动方向正好相反。机床设计者要考虑的是带“`”的运动，编程人员在编程时只考虑不带“`”的运动。
主轴顺时针旋转运动是按右手螺旋前进的方向为主轴的正向。如果正对主轴端面看主轴旋向，反时针方向为正向。
b．工件坐标系
工件坐标系是编程时使用的坐标系，所以又称为编程坐标系。数控编程时，应该首先确定工件坐标系和工件原点。零件图样给出以后，首先应找出图样上的设计基准点，该基准点称之为工件原点。以工件原点为坐标原点建立一个直角坐标系，称为工件坐标系。
c．绝对坐标系与增量坐标系
刀具运动位置的坐标值相对于固定的坐标原点给出时称为绝对坐标，该坐标系称为绝对坐标系。若刀具运动位置的坐标值是相对于前一位置，而不是相对于固定的坐标原点时，称为增量坐标系，增量坐标系的引人是为了方便编程时的数据换算。
3. 坐标原点
机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系，其坐标和运动方向视机床的种类和结构而定。如数控车床、数控铣床都有自己的坐标系统，立式加工中心与卧式加工中心的坐标系也有较大的区别。即便都是卧式加工中心，其运动部件不同坐标系也有一定的差异，如工作台做Z向运动的与立柱做Z向运动的两种加工中心，其机床坐标就有较大的差别，但它们的标准坐标完全相同。
a．机床坐标系中的各种原点
机床坐标系原点机床坐标系原点简称机床原点，也称为机床零位。又因该坐标系是由右手笛卡尔坐标系而规定的标准坐标系，故其原点又称为标准原点。机床坐标系原点的位置通常由机床的制造厂确定，该原点是确定机床固定原点的基准。
机床固定原点机床固定原点简称固定原点，又称为机床参考点或机械原点，许多数控机床(全功能型及高档型)都设有固定原点，该点至机床原点在其进给坐标轴方向上的距离在机床出厂时已准确确定，使用时可通过“寻找操作”方式进行确认。
数控机床设置固定原点是为了在需要时，便于将刀具或工作台自动返回该点；便于设置换刀点；可作为行程限制(超程保护)的终点；可作为送给位置反馈的测量基准点。
浮动原点当其固定原点不能或不便满足编程要求时，可根据工件位置而自行设定的一个相对固定，又不需要永久存储其位置的原点，称为浮动原点。
具有浮动原点指令功能的数控机床，允许将其测量系统的基准点或程序原点设在相对于固定原点的任何位置上，并在进行“零点偏置”操作后，可用一个数控程序在不同的位置上，加工出相同形状的零件。
b．工件坐标系原点
在工件坐标系上，确定工件轮廓的编程和计算原点，称为工件坐标系原点，
简称为工件原点。在加工中，因工件的装夹位置是相对于机床而固定的，所以工件坐标系在机床坐标系中位置也就确定了。工件原点是人为设定的，设定的依据既要符合图样要求，又要便于编程。
c．编程坐标系原点
在加工程序编制过程中，进行数值换算及填写加工程序段时所需各编程坐标系(绝对与增量坐标系)的原点。
d．程序原点
刀具(或工作台)按加工程序执行时的起点。实质上，它也是一个浮动原点。对数控加工而言，程序原点又可称为起刀点，在对刀时所确定的对刀点位置一般与程序原点重合。
机床坐标系的原点也称机械原点、参考点或零点。这个原点是机床固有的点。机床启动时，通常要进行机动或手动回零。所谓回零，就是直线坐标或旋转坐标(如回转工作台)回到正向的极限位置。这个极限位置就是机械原点(零点)。如图1. 19(a)所示，各坐标轴回零比较直观，如工作台回到X向极限位置，立柱回到Z 向极限位置，主轴箱回到Y向最上位置，它们都能够直接感觉和测量出来；而机床坐标系的原点是三维面的交点，无法直接感觉和测量，只有通过各坐标轴的零点，做相应的平行切面，这些切面的交点，即为机床坐标系的原点(机械原点)，这个原点是机床一经设计和制造出来，就已经被确定下来的，所以说机械原点是机床坐标系中固有的点，不能随意改变。标准坐标系的原点是任意的，可以由编程人员自行设定。这就是两个坐标系不同之处；编程时切记不要混淆。
图1. 19(b)为一工件(工作台)移动的卧式加工的机械原点示意图。
4. 程序原点的设置与偏移
现代CNC系统一般都要求机床具有回零操作，即使机床回到机床原点或机床参考点(不同的机床采用的回零操作方式可能不一样，但一般都要求回参考点之后，才能启动。机床参考点和机床原点之间的偏移值存放在机床参数中。回零操作后机床控制系统进行了初始化，即机床运动坐标X、Y、Z、A、B等的显示(计数器)为零。
当工件在机床上固定以后，程序原点与机床参考点的偏移量必须通过测量来确定，现代CNC系统一般都配有工件测量头，在手动操作下能准确地测量该偏移量，供CNC系统原点偏移计算用。在没有工件测量头的情况下，程序原点位置的测量要靠碰刀的方式进行。
采用程序原点偏移的方法还可实现零件的空运行试切加工，方法是：将程序原点向刀轴(Z轴)方向偏移，使刀具在加工过程中抬起一个安全高度。
对于编程员而言，一般只要知道工件上的程序原点就够了，与机床原点、机床参考点
图1.19 坐标系原点
(a) 数控铣床的机械原点(b) 卧式加工中心的机械原点及装夹原点无关，也与所选用的数控机床型号无关(但与数控机床的类型有关)。而对于机床操作者来说，必须十分清楚所选用的数控机床的上述各原点及其之间的偏移关系(不同的数控系统，程序原点设置和偏移的方法不完全相同，必须参考机床用户手册和编程手册)。数控机床的原点偏移实质上是机床参考点对编程员所定义在工件上的程序原点的偏移。
因此，编程人员在编程时，只要根据工件图就可以选定编程原点、建立编程坐标系，进行编程，而不必考虑工件毛坯装卡的实际状况。对于加工人员来说，则应在装夹工件、调试程序时，确定编程原点的位置，并在数控系统中设定好，这样数控机床才能按照准确调用的加工坐标系位置开始加工。
四、数控加工
a. 数控加工过程
数控加工与普通机械加工有很大的不同。在数控机床加工前，我们要把原先在通用机床上加工时需要操作工人考虑和决定的操作内容及动作，例如工步的划分与顺序、走刀路线、位移量和切削参数等，按规定的数码形式编成程序，记录在数控系统存储器或磁盘上，它们是实现人与机器联系起来的媒介物。
加工时，控制介质上的数码信息输入数控机床的控制系统后，控制系统对输入信息进行运算与控制，并不断地向直接指挥机床运动的机电功能转换部件——机床的伺服机构发送脉冲信号，伺服机构对脉冲信号进行转换与放大处理，然后由传动机构驱动机床按所编程序进行运动，就可以自动加工出我们所要求的零件形状。数控加工流程如图1.20所示。
不难看出，实现数控加工的关键在编程。但光有编程还不行，数控加工还包括编程前必须要做的一系列准备工作及编程后的善后处理工作。
b. 数控加工的特点
数控加工有许多优点，归纳起来有下面五点：
加工精度高、加工质量稳定
数控机床的机械传动系统和结构都有较高的精度、刚度和热稳定性；数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，零件加工的精度和质量由机床保证，完全消除了操作者的人为误差。所以数控机床的加工精度高，加工误差一般能控制在
0.005—0.01nlm之内，而且同一批零件加工尺寸一致性好，加工质量稳定。
●加工生产效率高
数控机床结构刚性好、功率大，能自动进行切削加工，所以能选择较大的、合理的切削用量，并自动连续完成整个切削加工过程，能大大缩短机动时间。在数控机床上加工零件，只需使用通用夹具，又可免去划线等工作，所以能大大缩短加工准备时间。又因数控机床定位精度高，可省去加工过程中对零件的中间检测，减少了停机检测时间，所以数控机床的生产效率高。
●减轻劳动强度、改善劳动条件
数控机床的加工，除了装卸零件、操作键盘、观察机床运行外，其它的机床动作都是按加工程序要求自动连续地进行切削加工，操作者不需进行繁重的重复手工操作。所以能减轻工人劳动强度，改善劳动条件。
●对零件加工的适应性强、灵活性好
因数控机床能实现几个坐标联动，加工程序可根据加工零件的要求而变换，所以它的适应性和灵活性很强，可以加工普通机床无法加工的形状复杂的零件。
●有利于生产管理
数控机床加工，能准确计算零件的加工工时，并有效地简化刀、夹、量具和半成品的管理工作。加工程序是用数字信息的标准代码输入，有利于与计算机联接，构成由计算机来控制和管理的生产系统。
图1.20 数控加工流程
但数控加工的成本高，大批量生产时，生产效率与多工位组合机床相比有很大差距，对加工人员与工艺人员的技术要求高等等。从工艺的角度来看，数控加工有两个非常突出的特点：一是数控加工的内容十分具体；二是数控加工的工艺工作相当严密。
众所周知，在用通用机床加工时，许多具体的工艺问题，如工艺中各工步的划分与安排、刀具的几何形状、走刀路线及切削用量等，在很大程度上都是由操作工人根据自己的实践经验和习惯自行考虑和决定的，一般无需工艺人员在设计工艺规程时进行过多的规定。而在数控加工时，上述这些具体工艺问题，不仅仅成为数控工艺设计时必须认真考虑的内容，而且还必须作出正确的选择并编人加工程序中。也就是说，本来是由操作工人在加工中灵活掌握并可通过适时调整来
处理的许多工艺问题，在数控加工时就转变为编程人员必须事先设计和安排的内
容。
数控机床虽然自动化程度较高，但自适应性差。它不能像通用机床加工时可以根据加工过程中出现的问题比较自由地进行人为调整，即使是现代数控机床在自适应调整方面作出了不少努力与改进，但自由度也不大。比如说，数控机床在攻制螺纹时，它就不知道孔中是否已挤满了切屑，是否需要退一下刀，或先清理一下切屑再继续加工。所以，在数控加工的工艺设计中必须注意加工过程中的每一个细节。同时，在对图形进行数学处理、计算和编程时，都要力求准确无误。因为数控机床比同类的通用机床价格高得多，在它上面加工的也都是一些形状比较复杂、价值也较高的零件，万一损坏机床或零件都会造成较大损失。在实际工作中，由于一个小数点或一个逗号的差错而酿成重大机床事故和质量事故的例子也屡见不鲜。
根据大量的加工实例分析，数控加工中失误的主要原因多为工艺方面考虑不周和计算与编程时粗心大意。因此，编程人员除必须具备较扎实的工艺基本知识和较丰富的实际工作经验外，还必须具有耐心和严谨的工作作风。
五、数控加工工艺设计
与普通加工相比，数控加工的工艺过程设计并不是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。由前面的介绍可知，许多在通用机床加工时由工人自行决定的工艺问题，在工艺设计时必须认真考虑，并
图1.21 数控加工工艺设计流程图
将正确的选择编入程序中。这就要求编程人员要有多方面的知识基础，不仅仅是懂得计算机编程或了解某种软件的使用与操作。合格的编程人员首先应是一个很好的数控加工工艺人员，应对所编程的数控机床的性能、特点、切削范围、标准刀具系统等有全面的了解。一般来说，数控加工主要包括以下几个方面的内容：
(1)选择并确定进行数控加工的零件及内容；
(2)对零件图纸进行数控加工的工艺分析；
(3)数控加工的工艺设计；
(4)对零件图形的数学处理；
(5)编写加工程序单；
(6)按程序单制作控制介质；
(7)程序的校验与修改；
(8)首件试加工与现场问题处理；
(9)数控加-FT_艺技术文件的定型与归档。
图1.21是数控加工工艺设计流程图。
第二节数控加工的程序
数控机床是严格按照从外部输入的程序来自动地对被加工工件进行加工的。为了与数控系统的内部程序(系统软件)及自动编程用的零件源程序相区别，把从外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序，简称为数控程序(NC程序)，它是机床数控系统的应用软件。数控系统所用的计算机属于专用计算机，它使用的自动控制语言与通用计算机使用的BASIC、FOTRAN等高级语言属于不同的范畴。
数控系统的种类繁多，它们使用的数控程序的语言规则和格式也不尽相同，编制程序时应该严格按照机床编程手册中的规定进行程序编制。
一、数控加工编程中的几个常用术语
1. 插补
工件的轮廓形状均是由直线、圆弧及自由曲线等几何元素构成，一般情况下这些几何元素仅是由有限个参数(如起点、终点、圆心、圆弧半径、型值点等等)进行定义的。数控系统仅仅依靠上述少量的几何参数来控制刀具(或机床工作台)运动是远远不够的，还需要利用某些数学方法在已知的这些几何元素的起点和终点间进行数据点的密化，确定该几何元素的一些中间点。这个过程就称为插补。通俗地说，就是“插入、补上”运动轨迹中间点坐标值。机床伺服系统根据此坐标值控制各坐标轴协调运动，形成预定的轨迹。
2. 直线插补与圆弧插补
所谓直线插补就是预定的刀具运动轨迹的曲线方程是直线，圆弧插补就是预定的刀具运动轨迹是圆弧。实际上，刀具并不是完全严格地走直线或圆弧，而是一步步地走阶梯折线，该折线逼近预定的直线或圆弧。很显然，这里存在一个逼近精度问题。只要折线的步长足够小，就完全可以满足给定的逼近精度。
对于一般的自由曲线，通常可以用直线插补或圆弧插补的方法进行加工。因此，现代的数控系统都具有直线插补与圆弧插补功能。
3. 刀具补偿
刀具补偿包括刀具半径补偿与刀具长度补偿。在数控车加工过程中，车刀的刀尖并不是完全的尖，具有一定大小的圆弧，车刀刀尖中心(刀心)的运动轨迹并
不等于工件的实际轮廓。因此，为了保证数控车加工出来的工件轮廓正确性，编程时需将车刀刀尖中心相对于工件轮廓中心偏移一个车刀刀尖圆弧半径的距离，这就是对刀具的编程方法。当车刀刀尖圆弧半径改变时(如磨损加大)，就需重新计算车刀刀尖中心轨迹。所谓刀具半径补偿就是将计算车刀刀尖中心轨迹的过程交由机床数控系统执行，编程时假设车刀刀尖圆弧半径为零，直接根据工件的轮廓形状进行编程。在实际切削加工时，数控系统根据工件切削程序和车刀刀尖圆弧半径自动计算车刀刀尖中心轨迹，完成对工件的切削。当车刀刀尖圆弧半径发生变化时，不需要改变编好的数控程序，只需修改机床操作控制器中的车刀刀尖圆弧半径值即可。刀具半径补偿又分为左刀补和右刀补。当刀具沿前进方向位于工件轮廓右边时称为右刀补，反之称为左刀补。
当数控系统具有刀具长度补偿功能时，在编制NC程序中，就可以不必考虑刀具的实际长度以及各把刀具不同的长度，使用刀具长度补偿指令，加工时用手工输入刀具长度尺寸，由数控系统自动地计算出刀具在长度方向上的位置进行加工。对于刀具磨损、更换新刀或刀具安装有误差时，利用刀具长度补偿功能，不必重新编制NC程序、重新对刀或重新调整刀具。刀具长度补偿分为正补偿与负补偿，前者是使编程终点坐标向反方向移动一个偏差量，后者是使编程终点坐标向反方向移动一个偏差量。
需要指出的是，插补与刀补计算均不是数控编程人员完成，它们都是由数控系统根据编程所选定的模式自动进行的。
4. 字
字是程序字的简称，是一套有规定次序的代码符号，可以作为一个信息单元存储、传递和操作。如X3455就是一个字。字是表示某一功能的一组代码符号，如G01表示直线插补。字由英文字母开头，随后是符号和数字。其中英文字母称为字的地址，表示该字的功能。字分为尺寸字和非尺寸字。在尺寸字中，地址后面表示的是运动方向的符号、坐标或距离。一个数控程序段是由若干个字构成的，若干个程序段构成一个完整的数控程序。
5. 绝对编程与增量编程
数控车床编程时，可采用绝对编程、增量编程或二者混合编程。
绝对编程是根据预先设定的编程原点计算出绝对坐标尺寸进行编程的一种方法。即采用绝对编程时，首先要指出编程原点的位置，并用地址X、Z进行编程(X为直径值)。
增量编程是根据与前一个位置的坐标值增量来表示位置的一种编程方法。即程序中的终点坐标是相对于起点坐标而言的。采用增量编程时，用地址U、W代替X、Z进行编程。U、W的正负方向由行程方向确定，行程方向与机床坐标方向相同时为正；反之为负。
绝对编程与增量编程混合起来进行编程的方法叫混合编程。编程时也必须先设定编程原点。
6. 直径编程与半径编程
当用直径值编程时，称为直径编程法。车床出厂时设定为直径编程，所以在编制与X轴有关的各项尺寸时，一定要用直径值编程。
用半径值编程时，称为半径编程法。如需用半径编程，则要改变系统中相关的参数，使系统处于半径编程状态。
二、数控加工程序的格式
要使数控床自动完成给定的切削加工，首先必须为其编制加工程序(NC程序)。NC程序编制时，应先了解所选用的数控车床的规格、性能，系统所具有的功能；应详细了解机床数控系统的编程说明书及指令格式等。根据所设计的加工工艺，按机床规定的指令格式，编成NC程序。
数控程序是由一系列程序段组成的，每一个程序描述了准备功能、刀具轨迹、工艺参数及辅助功能等。主要有准备性工艺指令(G指令)和辅助性指令(M指令)两大类，它们构成了程序的基础。我国根据ISO制订的G 代码、M代码标准制订了相应的部颁标准JB3208—83。尽管如此，由于技术的进步，许多先进的数控系统中的很多功能实际上超出了目前通用的标准，其指令格式也更加灵活，不受ISO标准的约束。再加上ISO标准中留有一定范围的指令，允许各数控厂商用于定义其数控系统的功能。因此，现在国际上实际使用的G指令、M指令的标准化程度较低，只有G01～G04、G17—G19、G40-G42的含义在各系统中基本相同，G90—G92、G94-G97的含义在多数系统内相同。编程时必须严格按照机床使用说明书进行。下面对一些常用的数控编程指令及其格式进行简单的介绍。
一个完整的程序由程序号、程序内容和程序结束三部分构成。程序号即为程序的开始部分，为区别存储器中不同的数控程序，每个程序都要有程序编号，也称为程序名。程序结束通常用程序结束指令M30或M02来结束。程序内容部分是整个程序的核心，它由若干个指令字构成，表示数控机床要完成的全部动作。
一个程序段通常由顺序号、准备功能字、尺寸字、辅助功能字等构成。例如N0020G01X1234Y1000即是一个程序段，其中N0020是顺序号，G01是准备功能字，X1234、Y1000是尺寸字。
准备功能字的地址符是C，因此又称为C代码。G代码由字母G和两位数字组成，用来规定多种加工操作，如G01为直线插补，G02为圆弧插补，等等。尺寸字定义刀具运动到达的坐标位置，由地址码(表 1.1)及数字构成。辅助功能字由地址符M及两位数字组成，也称M指令，用来控制数控机床辅助装置的间断及程序的结束等。
数控刀具常用的G指令有GOO、G01、G02、G03、G40、G41、G42、G43、G44、G49、G90、G91等。
G00——快速点定位，命令刀具(车刀刀尖)以点位控制方式移动到下一个目标位置(点)，它只能用于快速定位，不能用于切削加工。
G01——直线插补，命令刀具执行具有任意斜率的直线运动。
G02、G03——圆弧插补，命令刀具执行圆弧运动。G02为顺时针圆弧插补，G03为逆时针圆弧插补。沿垂直于圆弧所在平面的坐标轴向其负向看，刀具相对于工件的转动方向为顺时针，称为顺圆弧插补，反之为逆圆弧插补。
G40、G41、G42——刀具半径补偿，G40是刀具半径补偿注销指令，G41是左刀补，G42是右刀补。
G43、G44、G49——刀具长度补偿，G49是刀具长度补偿注销指令，G43是
刀具长度正补偿，G44是刀具长度负补偿。
G90、G91——绝对坐标及增量坐标编程指令。G90表示程序段的坐标字为绝对坐标，G91表示坐标字为增量坐标。
有的系统还有子程序调用与返回等指令，不同的机床各不相同。还要强调的是具体编程时，应严格按选用机床的数控系统要求格式编写程序。
三、数控加工编程的步骤
1. 数控加工编程的步骤
数控加工程序编制过程主要包括：分析零件图、确定零件加工工艺过程、进行数值计算、编写零件加工程序、制作控制介质、校对程序(见图1.17)。其具体内容如下：
(1)分析零件图、确定零件加工工艺过程编程时首先根据图纸要求，明确加工内容，确定加工方法，选择机床、夹具以及切削工艺参数等，制订切削加工工艺路线。正确选择各种基准点和参考点、走刀路线。
(2)数值计算根据零件图中的加工尺寸和确定的加工路线，计算数控车床所需输入的坐标尺寸，如零件轮廓相邻几何元素的交点和切点(称为基点)，加工非圆曲线或列表曲线时用小直线段或圆弧段逼近零件轮廓时相邻几何元素的交点或切点(称为切点)坐标的计算。
(3)编写零件加工程序根据走刀路线计算出的数据，使用数控系统的加工指令及规定的程序段格式，编写零件加工程序单。
(4)制作控制介质程序可用数控系统上的键盘输人并将其内容记录到控制介质上。
(5)程序校验程序输入后须经校验、试切，才能正式加工。
2. 程序编制的方法
数控加工程序的编制，有手工编程与自动编程两种方式。
(1)手工编程从分析零件图、确定零件加X．T艺过程、数值计算到编写零件加工程序单、制作控制介质、校对程序，整个过程都是由人工完成的，这种编程方法称为手工编程。
对于几何形状不太复杂的简单零件，数值计算较简单，加工程序段不多，采用手工编程较容易实现。但是，对于那些形状复杂，具有非圆曲线、列表曲线轮廓的零件，数值计算相当繁琐、程序量很大的零件，手工编程则难于胜任，这时必须采用自动编程。
(2)自动编程根据编程信息的输入与计算机对信息的处理方式不同，自动编程又分为以自动编程语言(APT语言)为基础的自动编程方法和以计算机绘图为基础的自动编程方法，即语言式自动编程和交互式图形自动编程(CAM自动编程)。
APT编程是一种利用高级符号语言编制数控加工程序的方法。APT语言是一种能对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动进行定义的接近于英语的
符号语言。最初由