第 3 章数控编程基础知识

第3章数控编程基础知识 （时间：2次课，4学时）

第3章数控编程基础知识 • 教学目标： • 数控机床要按照预先编制好的程序自动加工零件，编程人员必须按照机床规定的指令代码及程序格式，把零件的加工过程编成加工程序才能实施数控加工。本章学习数控编程的基本概念、数控指令、数控程序的结构以及坐标系知识，为学习各种数控设备的手工编程、自动编程建立基础。

第3章数控编程基础知识 • 教学重点和难点： • 数控指令及其功能。 • 各种坐标系及其坐标原点。 • 数控加工程序格式与组成。

第3章数控编程基础知识 • 3.1 数控编程概述 • 3.2 数控机床的坐标系 • 3.3 程序编制的代码及格式 • 3.4 实训 • 3.5 习题

3.1 数控编程概述 • 3.1.1 数控编程的基本概念 • 3.1.2 数控编程的内容和步骤 • 3.1.3 数控编程的方法

3.1 数控编程概述 • 数控编程是实施数控加工前的必须工作，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技术效果与经济效益。

3.1.1 数控编程的基本概念 • 零件程序的编制过程，称为数控编程。具体地说，数控编程是指根据被加工零件的图纸和技术要求、工艺要求，将零件加工的工艺顺序、工序内的工步安排、刀具相对于工件运动的轨迹与方向(零件轮廓轨迹尺寸)、工艺参数(主轴转速、进给量、切削深度)及辅助动作(变速，换刀，冷却液开、停，工件夹紧、松开等)等，用数控系统所规定的规则、代码和格式编制成文件(零件程序单)，并将程序单的信息制作成控制介质的整个过程。从广义上讲，数控加工程序的编制包含了数控加工工艺的设计过程。 • 数控编程方式有手工编程和自动编程。

3.1.2 数控编程的内容和步骤 • 数控编程的主要内容包括零件几何尺寸及加工要求分析、数学处理、编制程序、程序输入与试切。 • 数控编程可按以下步骤进行。 • 1. 图纸工艺分析 • 根据零件图纸和工艺分析，主要完成下述任务。 • (1) 确定加工机床、刀具与夹具。 • (2) 确定零件加工的工艺路线、工步顺序。 • (3) 确定切削用量(主轴转速、进给速度、进给量、切削深度)。 • (4) 确定辅助功能(换刀，主轴正转、反转，冷却液开、关等)。

3.1.2 数控编程的内容和步骤 • 2. 数学处理 • 根据图纸尺寸，确定合适的工件坐标系，并依此工件坐标系为基准，完成下述任务。 • (1) 计算直线和圆弧轮廓的终点(实际上转化为求直线与圆弧间的交点、切点)坐标值，以及圆弧轮廓的圆心、半径等。 • (2) 计算非圆曲线轮廓的离散逼近点坐标值(当数控系统没有相应曲线的差补功能时，一般要将此曲线在满足精度的前提下，用直线段或圆弧段逼近)。 • (3) 将计算的坐标值按数控系统规定的编程单位换算为相应的编程值。

3.1.2 数控编程的内容和步骤 • 3. 编写程序单及初步校验 • 根据制订的加工路线、切削用量、选用的刀具、辅助动作和计算的坐标值，按照数控系统规定的指令代码及程序格式，编写零件程序，并进行初步校验(一般采用阅读法，即对照欲加工零件的要求，对编制的加工程序进行仔细的阅读和分析，以检查程序的正确性)，检查上述两个步骤的错误。

3.1.2 数控编程的内容和步骤 • 4. 制备控制介质 • 将程序单上的内容，经转换记录在控制介质上(如存储在磁盘上)，作为数控系统的输入信息，若程序较简单，也可直接通过MDI键盘输入。

3.1.2 数控编程的内容和步骤 • 5. 输入数控系统 • 制备的控制介质必须正确无误，才能用于正式加工。因此要将记录在控制介质上(如存储在磁盘上)的零件程序，经输入装置输入到数控系统中，并进行校验。

3.1.2 数控编程的内容和步骤 • 6. 程序的校验和试切 • (1) 程序的校验 • 程序的校验用于检查程序的正确性和合理性，但不能检查加工精度。利用数控系统的相关功能，在数控机床上运行程序，通过刀具运动轨迹检查程序。这种检查方法较为直观简单，现被广泛采用。 • (2) 程序的试切 • 通过程序的试切，在数控机床上加工实际零件以检查程序的正确性和合理性。试切法不仅可检验程序的正确性，还可检查加工精度是否符合要求。通常只有试切零件经检验合格后，加工程序才算编制完毕。 • 在校验和试切过程中，如发现有错误，应分析错误产生的原因，进行相应的修改，或修改程序单，或调整刀具补偿尺寸，直到加工出符合图纸规定精度的试切件为止。

3.1.3 数控编程的方法 • 数控编程方法是数控技术的重要组成部分，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。手工编程与自动编程的过程如图3.1所示。 • 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。

3.1.3 数控编程的方法 图3.1 手工编程和自动编程流程图

3.1.3 数控编程的方法 • 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，由计算机自动地进行刀具轨迹计算、后置处理，生成加工程序单，直至将加工程序通过直接通信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。

3.2 数控机床的坐标系 • 3.2.1 坐标轴的运动方向及其命名 • 3.2.2 机床坐标系与工件坐标系 • 3.2.3 绝对坐标与增量(相对)坐标 • 3.2.4 数控机床的最小设定单位

3.2 数控机床的坐标系 • 规定数控机床坐标轴及运动方向，是为了使数控系统和机床的设计、程序编制和使用维修更为便利。国际标准化组织ISO和我国机械工业部都颁布了相应的标准。

3.2.1 坐标轴的运动方向及其命名 • 1. 坐标和运动方向命名的原则 • 数控机床的进给运动是相对的，有的是刀具相对于工件运动(如车床)，有的是工件相对于刀具运动(如铣床)。为了使编程人员能在不知道是刀具移向工件，还是工件移向刀具的情况下，可以根据图样确定机床的加工过程，特规定：永远假定刀具相对于静止的工件坐标系而运动。

3.2.1 坐标轴的运动方向及其命名 • 2. 标准坐标系的规定 • 在数控机床上加工零件，机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的。为了确定机床的运动方向和移动的距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就叫标准坐标系。也叫机床坐标系。在编制程序时，就可以以该坐标系来规定运动方向和距离。

3.2.1 坐标轴的运动方向及其命名 • 3. 运动方向的确定 • JB 3051—1999 中规定：机床某一部件运动的正方向是增大工件和刀具之间距离的方向。

3.2.2 机床坐标系与工件坐标系 • 1. 机床坐标系 • 机床坐标系是机床固有的坐标系，机床坐标系的原点也被称为机床原点或机床零点。这个原点在机床一经设计和制造调整后，便被确定下来，它是固定的点。机床原点是工件坐标系、机床参考点的基准点。数控车床的机床原点一般设在卡盘前端面或卡盘后端面的中心，如图3.4(a)所示。数控铣床的机床原点，各个生产厂家不一致，有的设在机床工作台的中心，有的设在进给行程的终点，如图3.4(b)所示。

3.2.2 机床坐标系与工件坐标系 图3.4 数控机床的机床原点和机床参考点

3.2.2 机床坐标系与工件坐标系 • 数控系统的处理器能计算所有坐标轴相对于机床零点的位移量，但系统上电时并不知道测量起点，每个坐标轴的机械行程是由最大和最小限位开关来限定的。 • 为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点(测量起点)，机床起动时，通常要进行机动或手动回参考点，以建立机床坐标系。机床参考点可以与机床零点重合，也可以不重合，通过机床参数指定参考点到机床零点的距离。机床参考点通常设置在机床各轴靠近正向极限的位置上，通过减速行程开关粗定位，由零位点脉冲精确定位。机床参考点对机床原点的坐标是一个已知定值，也就是说，可以根据机床参考点在机床坐标系中的坐标值间接确定机床原点的位置。在机床接通电源后，通常都要作回零操作，即利用CRT/MDI控制面板上的功能键和机床操作面板上的有关按钮，使工作台运行到机床参考点。回零操作又称为返回参考点操作。当返回参考点的工作完成后，显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值，表明机床坐标系已经建立。因此，回零操作是对基准的重新校定，可以消除由于种种原因产生的基准偏差。 • 在数控加工程序中，可以用相关的指令使刀具经过一个中间点后自动返回参考点。机床参考点已由机床制造厂测定后输入数控系统，并且记录在机床说明书中，用户不得更改。 • 机床轴回参考点(一般采用常开微动开关配反馈元件的标记脉冲的方法确定)的过程是这样完成的： • 在由机床或数控系统制造商定义的回参考点方向上，使机床坐标轴向常开微动开关靠近，直到压下开关。 • 压下开关后，以慢速反方向运动，直到退出开关后，机床再次反方向慢速运动，直到压下开关。 • 压下开关后，以慢速运动直到接收到第一基准脉冲，这时的机床位置就是机床参考点的准确位置。 • 机床回到了参考点位置，也就知道了该坐标轴的零点位置；找到所有坐标轴的参考点，数控机床就建立起了机床坐标系。

3.2.2 机床坐标系与工件坐标系 • 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(也称程序原点)，建立一个新的坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系是在数控编程时用来定义工件形状和刀具相对工件位置的坐标系。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。工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。工件坐标系的建立，包括坐标原点的选择和坐标轴的确定。 • (1) 工件坐标系的原点 • 工件坐标系的原点也称为工件原点或编程原点。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，以坐标系尺寸标注的零件，程序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，程序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。 • 零件加工前需进行对刀，对刀的目的是确定程序原点在机床坐标系中的位置。 • 在加工程序中首先要设置工件坐标系，用G92指令可建立工件坐标系，用G54～G59指令可选择工件坐标系。 • (2) 工件坐标轴的确定 • 坐标原点确定以后，接着就是坐标轴的确定。工件坐标系坐标轴的确定原则是：根据工件在机床上的安装方向和位置决定Z轴方向，即工件安放在数控机床上时，工件坐标系的Z轴与机床坐标系的Z轴平行，正方向一致，在工件上通常与工件主要定位支撑面垂直；然后，选择零件尺寸较长方向(或切削时的主要进给方向)为X轴方向；在机床上安放后，其方位与机床坐标系的X轴平行，正方向一致；过原点与X轴、Z轴垂直的轴为Y轴，并根据右手定则确定Y轴的正方向。

3.2.3 绝对坐标与增量(相对)坐标 • 1. 绝对坐标系 • 刀具(或机床)运动轨迹的坐标值是以相对于固定的坐标原点O给出的，即称为绝对坐标。该坐标系为绝对坐标系。如图3.5(a)所示，A、B两点的坐标均以固定的坐标原点O计算的，其值为：A(Xa=10，Ya=20)，B(Xb=30，Yb=50)。

3.2.3 绝对坐标与增量(相对)坐标 • 2. 增量坐标系 • 刀具(或机床)运动轨迹的坐标值是相对于前一位置(起点)来计算的，即称为增量坐标，该坐标系称为增量坐标系。

3.2.4 数控机床的最小设定单位 • 数控机床的最小设定单位即数控系统能实现的最小位移量。它是数控机床的一个重要技术指标，标志数控机床精度的分辨率。其值一般在0.0001～0.01mm内。在编程时，所有的编程尺寸都应转换成与最小设定单位相应的数据。

3.2.4 数控机床的最小设定单位 • 1. 尺寸字的输入制式 • 尺寸字的输入制式(即单位)有两种，英制输入制式和公制输入制式，两种制式下的线性轴、旋转轴的尺寸单位见表3.1。

3.2.4 数控机床的最小设定单位

3.2.4 数控机床的最小设定单位 • 2. 进给速度单位的设定 • 数控车床速度的表示有两种，一是以每分钟进给距离的形式指定刀具切削进给速度，单位mm/min。二是以主轴每转进给量规定的速度，单位为mm/r。实际速度的单位取决于数控系统所采用的进给速度的指定方法。

3.3 程序编制的代码及格式 • 3.3.1 数控加工程序的结构及格式 • 3.3.2 G指令、M指令和其他常用指令 • 3.3.3 常用基本指令

3.3 程序编制的代码及格式 • 代码是表示信息的符号体系，与数控程序有关的代码，已逐步趋于统一，或基本一致。为此，国际标准化组织已在这方面制定了一系列ISO标准供成员国采用或参照，这对数控机床的设计、使用、发展都会带来方便和效益。国际上数控机床常用的代码有ISO(国际标准化组织)和EIA(美国电子工业协会)两种代码。我国根据ISO标准制定了相应的国家标准。

3.3.1 数控加工程序的结构及格式

3.3.1 数控加工程序的结构及格式 • 2. 程序段格式 • 程序段格式是指一个程序段中字、字符和数据的书写规则。现行数控系统中最常采用字-地址程序段格式。

3.3.2 G指令、M指令和其他常用指令 • 在数控编程中，使用G指令、M指令及F、S、T指令代码来描述数控机床的运行方式、加工类别，主轴的启、停，冷却液的开、闭等辅助功能以及规定进给速度，主轴转速，选择刀具等。目前国际上广泛采用的是ISO标准，我国机械工业部根据ISO标准制定了JB 3208—1999《数控机床穿孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M的代码》。

3.3.2 G指令、M指令和其他常用指令 • 1. 准备功能 • 准备功能也叫G功能或G代码，它是使数控机床或数控系统建立起某种加工方式的指令。G代码由地址符G和其后面的两位数字组成，从G00～G99共100种。G功能的代号已标准化，表3.4为我国JB 3208—1999标准中规定的G功能的含义。

3.3.2 G指令、M指令和其他常用指令 • 2. 辅助功能 • 辅助功能也叫M功能或M代码。辅助功能表示一些机床辅助动作及状态的指令，由地址码M和后面的两位数字表示，从M00～M99共100种。M代码指令也有续效指令与非续效指令，一个程序段中一般有一个M代码指令，如同时有多个M代码指令，则最后一个有效。此类指令是控制数控机床或数控系统的开、关功能的命令。如主轴的转向与启停，冷却液系统开、关，工作台的夹紧与松开，程序结束等。

3.3.2 G指令、M指令和其他常用指令 • 3. 进给功能(F) • 进给功能也称F功能，用于指定机床进给速度的大小，它由地址码F和后面若干位数字组成。该指令是续效代码，一般有两种表示方法。 • (1) 代码法。F后面跟两位数字，表示机床进给速度数列的序号，它不直接表示进给速度的大小。 • (2) 直接代码法。F后面的数字就是进给速度的大小。目前大多数数控机床采用这种方法。

3.3.2 G指令、M指令和其他常用指令 • 4. 主轴转速功能(S) • 主轴转速功能用来指定主轴的转速，用字母S和其后的1～4位数字表示。有恒转速和恒线转速两种指令。S代码只是设定主轴转速的大小，并不会使主轴转动，必须用M03(主轴正转)指令或M04(主轴反转)指令时，主轴才开始转动。该指令也为续效代码。

3.3.2 G指令、M指令和其他常用指令 • 5. 刀具功能(T) • 刀具功能也称T功能，主要用来选择刀具，也可用来选择刀具偏置和补偿，由地址码和若干位数字组成。在自动换刀的数控机床中，该指令用于选择所需的刀具，同时还用来指定刀具补偿值。一般加工中心程序中T代码的数值直接表示选择的刀具号码。例如T15表示15号刀。在数控车床中的T代码后面的数字即包含所选刀具号，也包含刀具补偿号，例如T0402表示选择04号刀，调用02号刀补偿参数进行刀具长度和半径的补偿。不同的数控系统有不同的指定方法和含义，具体应用时应参照所用数控机床说明书中的有关规定进行。

3.3.3 常用基本指令 • 1. 坐标指令 • (1) 绝对值编程G90和相对值编程G91 • G90表示程序段中的编程尺寸按绝对坐标给定，所有的坐标尺寸数字都是相对于固定的编程原点(工件原点)的，即绝对尺寸。G91表示程序段中的编程尺寸按相对坐标给定，程序段的终点坐标都是相对于起点给出的，即增量尺寸。一般数控系统在初始状态(开机时状态)时自动设置为G90绝对值编程状态。

3.3.3 常用基本指令 • 2. 快速点定位指令G00 • 格式：G00 X_Y_Z_ • G00指令刀具相对于工件从当前位置以各轴预先设定的快移进给速度移动到程序段所指定的下一个定位点。在编程中常用来作快速接近工件切削起点或快速返回换刀点等。G00指令中的快进速度由机床参数对各轴设定，不能用程序规定。因此，程序中使用了G00后，进给速度指令F无效，刀具从所在点以数控系统预先规定的最大进给速度，快速移至坐标系的另一点。 • G00只是快速定位，而无运动轨迹要求，一般用于加工前快速定位或加工后快速退刀。

3.3.3 常用基本指令 • 3. 直线插补指令G01 • 格式：G01 X_Y_Z_F_ • 刀具作两点间的直线运动加工时用该指令，G01指令表示刀具从当前位置开始以给定的速度(切削速度)，沿直线移动到规定的位置。 • 刀具的当前位置是起点，为已知点，因此程序段中只要指定终点，就给定线性进给的必要条件。G01和F都是模态代码，若后续的程序段不改变加工的线型和进给速度，则不再书写这些代码。

3.3.3 常用基本指令 • 4. 3圆弧插补指令G02、G03

3.3.3 常用基本指令 • 说明：G02/G03指定刀具以联动的方式，按F规定的合成进给速度，在G17/G18/G19规定的平面内，从当前位置按顺/逆时针圆弧路线(联动轴的合成轨迹为圆弧)移动到程序段指令的终点。 • G02为顺时针圆弧插补； • G03为逆时针圆弧插补； • G17为XY平面的圆弧； • G18为ZX平面的圆弧； • G19为YZ平面的圆弧。如图3.12所示。 • F为被编程的两个轴的合成进给速度。

3.3.3 常用基本指令 图3.12 圆弧插补指令与坐标平面的选择

3.3.3 常用基本指令 图3.13 I、J、K的选择

3.3.3 常用基本指令

3.3.3 常用基本指令 • 编程实例3-5：刀具轨迹为如图3.14所示圆弧的程序段。 • (1) 圆弧a(180°以下) • G91时：G91 G02 X30.0 Y30.0 R30.0 F100 • G90时：G90 G02 X0 Y30.0 R30.0 F100 • (2) 圆弧b(180°以上) • G91时：G91 G02 X30.0 Y30.0 R-30.0 F100 • G90时：G54 G90 G02 X0 Y30.0 R-30.0 F100

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