第2章 數控編程基礎

數控機床是一種高效的自動化數字加工設備，它嚴格按照加工程序，自動對被加工工件進行加工。數控系統外部輸入的直接用于加工的程序稱（手工輸入、網絡傳輸、DNC傳輸）為數控程序。執行數控程序對應的是數控系統內部的數控系統軟件，數控系統是用于數控機床工作的核心部分。

數控機床主要由機床本體、數控系統、驅動裝置、輔助裝置等幾個部分組成。

刀具形狀的選擇應符合銑削面。平面零件周邊輪廓的加工，常采用立銑刀；銑削平面時，應選端銑刀或面銑刀；加工凸臺、凹槽時，選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選取鑲硬質合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。

2.1 數控基本知識

在機械制造過程中，數控加工的應用可提高生產率、穩定加工質量、縮短加工周期、增加生產柔性、實現對各種復雜精密零件的自動化加工，如圖2-1所示為數控加工中心。

圖2-1 數控加工中心

數控加工中心易于在工廠或車間實行計算機管理，還能減少車間設備總數、節省人力、改善勞動條件，有利于加快產品的開發和更新換代，提高企業對市場的適應能力，并提高企業綜合經濟效益。

2.1.1 計算機數控的概念與發展

學習數控編程，首先要了解數控技術的相關概念。這些概念包括數控的概念、數控機床和數控系統的概念。

● 數控：GB8129—1997中對NC的定義為：用數值數據的控制裝置，在運行過程中不斷引入數值數據，從而對某一生產過程實現自動控制。

● 數控機床：若機床的操作命令以數值數據的方式描述，并按照規定的程序自動進行，則這種機床稱為數控機床。

● 數控系統：數控系統是指計算機數字控制裝置、可編程序控制器、進給驅動與主軸驅動裝置等相關設備的總稱。為區別它們，將其中的計算機數字控制裝置稱為數控裝置。

計算機數控的發展，先后經歷了電子管（1952年）晶體管（1959年）、小規模集成電路（1965年）、大規模集成電路及小型計算機（1970年）和微處理機或微型計算機（1974年）等5代數控系統。

前三代屬于專用控制計算機的硬接線（硬件）數控裝置，一般稱為NC數控裝置。第四代數控系統采用小型計算機代替專用硬件控制計算機，這種數控系統稱為計算機數控系統（Computerized Numrical Control，即CNC）。自1974年開始，以微處理機為核心的數控裝置（Microcomcuperized Numerical Control即MNC）得到迅速發展。

我國從1958年開始研制數控機床，20世紀60年代中期進入實用階段。自20世紀80年代開始，引進日本、美國、德國等國外著名數控系統和伺服系統制造商的技術，使我國數控系統在性能、可靠性等方面得到了迅速發展。經過“六五”、“七五”、“八五”及“九五”科技攻關，我國已掌握了現代數控技術的核心內容。目前我國已有數控系統（含主軸與進給驅動單元）生產企業50多家，數控機床生產企業百余家。

2.1.2 數控機床的組成與結構

采用數控技術進行控制的機床，稱為數控機床（NC機床）。

數控機床是一種高效的自動化數字加工設備，它嚴格按照加工程序，自動對被加工工件進行加工。數控系統外部輸入的直接用于加工的程序（手工輸入、網絡傳輸、DNC傳輸）稱為數控程序。執行數控程序對應的是數控系統內部的數控系統軟件，數控系統是用于數控機床工作的核心部分。

主要由機床本體、數控系統、驅動裝置、輔助裝置等幾個部分組成。

● 機床本體：是數控機床加工的機械部分，主要包括支承部件（床身、立柱等）、主運動部分（主軸箱）、進給運動部件（工作臺滑板、刀架）等。

● 數控系統：（CNC裝置）是數控機床的控制核心，一般是一臺專用的計算機。

● 驅動裝置：是數控機床的驅動部分，包括主軸電動機、進給伺服電動機等。

● 輔助裝置：指數控機床的一些配套部件，包括刀庫、液壓裝置、啟動裝置、冷卻系統、排屑裝置、夾具、換刀機械手等。

如圖2-2所示為常見的立式數控銑床。

圖2-2 立式數控銑床

2.1.3 數控機床技術參數的選擇

數控機床的主要技術參數包括工作臺面積、各坐標軸行程、主軸轉速范圍、切削進給速度范圍、刀庫容量、換刀時間、定位精度、重復定位精度等。可分成尺寸參數、接口參數、運動參數、動力參數、精度參數、其他參數幾個方面來認識。

1.尺寸參數

包括工作臺面積（長、寬）、承重；主軸端面到工作臺的距離；交換工作臺尺寸數量及交換時間，其作用是影響到加工工件的尺寸范圍大小、重量、編程范圍，及刀具、工件、機床之間的干涉。

2.接口參數

包括工作臺T型槽數；槽寬槽間距；主軸孔錐度、直徑；最大刀具尺寸及重量；刀具容量交換時間等，其作用是影響到工件、刀具安裝及加工適應性和效率。

3.運動參數

包括各坐標行程及擺角范圍；主軸轉速范圍；各坐標快速進給速度、切削進給速度范圍，其作用是響到加工性能及編程參數。

4.動力參數

內容包括主軸電機功率；伺服電機額定轉矩，其作用是影響到切削負荷。

5.精度參數

內容包括定位精度和重復定位精度；回轉工作臺的精度，其作用是影響到加工精度及其一致性。

6.其他參數

內容包括外形尺寸、重量，其作用是影響到使用環境。

2.1.4 數控加工特點

總的來說，數控加工有如下特點：

● 自動化程度高，具有很高的生產效率。除手工裝夾毛坯外，其余全部加工過程都可由數控機床自動完成。若配合自動裝卸手段，則是無人控制工廠的基本組成環節。數控加工減輕了操作者的勞動強度，改善了勞動條件；省去了劃線、多次裝夾定位、檢測等工序及其輔助操作，有效地提高了生產效率。

● 對加工對象的適應性強。改變加工對象時，除了更換刀具和解決毛坯裝夾方式外，只需重新編程即可，不需要做其他任何復雜的調整，從而縮短了生產準備周期。

● 加工精度高，質量穩定。加工尺寸精度在0.005～0.01（mm）之間，不受零件復雜程度的影響。由于大部分操作都由機器自動完成，因而消除了人為誤差，提高了批量零件尺寸的一致性，同時精密控制的機床上還采用了位置檢測裝置，更加提高了數控加工的精度。

易于建立與計算機間的聯絡，容易實現群控。由于機床采用數字信息控制，易于與計算機輔助設計系統連接，形成CAD/CAM一體化系統，并建立起各機床間的聯系，容易實現群控。

2.1.5 數控加工原理

當操作人員使用機床加工零件時，通常都需要對機床的各種動作進行控制，一是控制動作的先后次序，二是控制機床各運動部件的位移量。采用普通機床加工時，這種開車、停車、走刀、換向、主軸變速和開關切削液等操作都是由人工直接控制的。

1.數控加工的一般工作原理

采用自動機床和仿形機床加工時，上述操作和運動參數則是通過設計好的凸輪、靠模和擋塊等裝置以模擬量的形式來控制的，它們雖能加工比較復雜的零件，并有一定的靈活性和通用性，但是零件的加工精度受凸輪、靠模制造精度的影響，且工序準備時間也很長。數控加工的一般工作原理如圖2-3所示。

圖2-3 數控加工的工作原理

機床上的刀具和工件間的相對運動，稱為表面成形運動，簡稱成形運動或切削運動。數控加工是指數控機床按照數控程序所確定的軌跡（稱為數控刀軌）進行表面成形運動，從而加工出產品的表面形狀。如圖2-4所示為平面輪廓加工示意圖。如圖2-5所示為曲面加工的切削示意圖。

圖2-4 平面輪廓加工

圖2-5 曲面加工

2.數控刀軌

數控刀軌是由一系列簡單的線段連接而成的折線，折線上的結點稱為刀位點。刀具的中心點沿著刀軌依次經過每一個刀位點，從而切削出工件的形狀。

刀具從一個刀位點移動到下一個刀位點的運動稱為數控機床的插補運動。由于數控機床一般只能以直線或圓弧這兩種簡單的運動形式完成插補運動，因此數控刀軌只能是由許多直線段和圓弧段將刀位點連接而成的折線。

數控編程的任務是計算出數控刀軌，并以程序的形式輸出到數控機床，其核心內容就是計算出數控刀軌上的刀位點。

在數控加工誤差中，與數控編程直接相關的有兩個主要部分：

● 刀軌的插補誤差：由于數控刀軌只能由直線和圓弧組成，因此只能近似地擬合理想的加工軌跡，如圖2-6所示。

圖2-6 刀軌的插補誤差

● 殘余高度：在曲面加工中，相鄰兩條數控刀軌之間會留下未切削區域，如圖2-7所示，由此造成的加工誤差稱為殘余高度，它主要影響加工表面的粗糙度。

圖2-7 殘余高度

2.2 數控刀具

數控機床必須有與其相適應的切削刀具配合，才能充分發揮作用。刀具尤其是刀片的選擇是保證加工質量，提高加工效率的重要環節。

下面介紹一些數控刀具的基本知識，以此來了解數控刀具的種類及特點，以及如何正確選擇和使用數控加工刀具。

2.2.1 數控刀具系統

隨著數控機床功能、結構的發展，數控機床上所使用的數控刀具已經不是普通機床“一機一刀”的模式，而是多種不同類型的刀具同時在數控機床上輪換使用，來達到自動換刀和快速換刀的目的。因此對“數控刀具”的含義應該理解為“數控刀具系統”。

數控刀具系統除了包括機床的自動換刀機構外，為了保證刀具的可互換性，還必須有刀柄和工具系統（刀桿、刀片或通用刀具）。如圖2-8所示為常見的轉盤式自動換刀系統。

圖2-8 轉盤式自動換刀系統

刀柄是機床主軸與刀具之間的連接工具，是數控銑床、加工中心必備的輔具。它的作用如下：

● 準確地安裝各種刀具；

● 滿足在機床主軸上的自動松開和拉緊定位；

● 在刀庫中的存儲識別；

● 機械手的夾持。

刀柄的選用要和機床的主軸孔相對應。刀柄已經標準化和系列化。數控銑床和加工中心上的刀柄一般采用7∶24圓錐刀柄。

2.2.2 數控刀具的種類

數控刀具主要是指數控車床、數控銑床及加工中心上使用的刀具。數控刀具在國外發展很快，品種很多，已形成系列。在我國，由于對數控刀具的研究開發起步較晚，數控刀具成了工具行業中最薄弱的一個環節。數控刀具的落后已經成為影響我國國產和進口數控機床充分發揮作用的主要障礙。數控機床（包括加工中心）除數控磨床和數控電加工機床之外，其他的數控機床都必須采用數控刀具。數控刀具的分類方法很多，下面介紹幾種常用的分類方法。

1.按結構來分

按刀具的結構形式可分為整體式、鑲嵌式、內冷式、減振式和機夾可轉位式（數控機床廣泛使用），如圖2-9所示。

圖2-9 按結構來分的刀具

2.按刀具的材料來分

數控刀具按材料可分為高速鋼刀具、硬質合金刀具、聚晶金剛石刀具、陶瓷刀具和涂層刀具，如圖2-10所示。

圖2-10 按材料來分的刀具

3.按工藝來分

按所使用機床的類型和被加工表面特征可分為車刀、銑刀、鏜刀和孔加工刀具等。如圖2-11所示為數控刀具按加工工藝來分的刀具種類圖。

圖2-11 按加工工藝來分的刀具種類圖

如圖2-12所示為按加工工藝來分的4種刀具。

圖2-12 按工藝來分的加工刀具

2.2.3 數控刀具的特點

目前，數控車床用得最普遍的是硬質合金刀具和高速鋼刀具兩種。數控刀具具有以下特點：

● 數控車床能兼做粗精車削，因此粗車時，要選強度高、耐用度好的刀具，以便滿足粗車時大背吃刀量、大進給量的要求；

● 精車時，要選精度高、耐用度好的刀具，以保證加工精度的要求；

● 為減少換刀時間和方便對刀，應盡可能采用機夾刀和機夾刀片；

● 夾緊刀片的方式要選擇得比較合理，刀片最好選擇涂層硬質合金刀片。

2.2.4 數控刀具的材料

刀具的材料是指切削部分的材料。刀具材料的性能必須滿足：硬度、強度和韌性、耐磨性、耐熱性等條件，同時要考慮經濟性。

數控刀具的選擇：根據零件的材料種類、硬度，以及加工表面粗糙度要求和加工余量的已知條件，來決定刀片的幾何結構（如刀尖圓角）、進給量、切削速度和刀片牌號。

如圖2-13所示為數控刀具的常用材料結構表。

圖2-13 數控刀具的常用材料結構表

2.2.5 數控加工刀具的選擇原則

選擇刀具應根據機床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量，以及其他相關因素正確選用刀具及刀柄。刀具選擇總的原則是：適用、安全、經濟。

1.適用

所選擇的刀具能達到加工的目的，完成材料的去除，并達到預定的加工精度。如粗加工時選擇有足夠大并有足夠切削能力的刀具能快速去除材料。而在精加工時，為了能把結構形狀全部加工出來，要使用較小的刀具，加工到每一個角落。

2.安全

在有效去除材料的同時，不會產生刀具的碰撞、折斷等。要保證刀具及刀柄不會與工件相碰撞或者擠擦，造成刀具或工件的損壞。如加長的直徑很小的刀具切削硬質的材料時，很容易折斷，選用時一定要慎重。

3.經濟

以最小的成本完成加工。在同樣可以完成加工的情況下，選擇相對綜合成本較低的方案，而不是選擇最便宜的刀具。刀具的耐用度和精度與刀具價格關系極大。大多數情況下，選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來的加工質量和加工效率的提高，則可以使總體成本可能比使用普通刀具更低，產生更好的效益。如進行鋼材切削時，選用高速鋼刀具，其進給只能達到100mm/min，而采用同樣大小的硬質合金刀具，進給可以達到500mm/min以上，可以大幅縮短加工時間，雖然刀具價格較高，但總體成本反而更低。

2.2.6 數控刀具的選擇注意事項

數控加工時選擇刀具應注意以下幾點：

● 刀具尺寸。選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應。刀具直徑的選用主要取決于設備的規格和工件的加工尺寸，還需要考慮刀具所需功率應在機床功率范圍之內。

● 刀具形狀的選擇應符合銑削面。生產中，平面零件周邊輪廓的加工，常采用立銑刀；銑削平面時，應選端銑刀或面銑刀；加工凸臺、凹槽時，應選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時，可選取鑲硬質合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常采用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。如圖2-14～k所示為常見的符合銑削面的銑刀刀具。

圖2-14 符合銑削面的各類加工刀具

● 選擇刀具應符合精度要求。平面銑削應選用不重磨硬質合金端銑刀或立銑刀，可轉為面銑刀。一般采用二次走刀，第一次走刀最好用端銑刀粗銑，沿工件表面連續走刀。選好每次走刀的寬度和銑刀的直徑，使接痕不影響精銑精度。加工余量大又不均勻時，銑刀直徑要選小些。精加工時，銑刀直徑要選大些，最好能夠包容加工面的整個寬度。表面要求高時，還可以選擇使用具有修光效果的刀片。

圖2-15 可轉位密齒面銑刀

● 選擇刀具時應考慮減少殘留高度。加工空間曲面和變斜角輪廓外形時，由于球頭刀具的球面端部切削速度為零，而且在走刀時，每兩行刀位之間，加工表面不可能重疊，總存在沒有被加工去除的部分。每兩行刀位之間的距離越大，沒有被加工去除的部分就越多，其殘余高度就越高，加工出來的表面與理論表面的誤差就越大，表面質量也就越差。加工精度要求越高，走刀步長和切削行距越小，編程效率越低。

● 刀具的選擇應符合強度加工。鑲硬質合金刀片的端銑刀和立銑刀主要用于加工凸臺、凹槽和箱口面，如圖2-16所示。

圖2-16 端銑刀和立銑刀的銑削范圍

● 為了提高槽寬的加工精度，減少銑刀的種類，加工時應采用直徑比槽寬小的銑刀，先銑槽的中間部分，然后利用刀具半徑補償（或稱直徑補償）功能對槽的兩邊進行銑加工。

2.3 數控加工工藝分析

數控機床的加工工藝與通用機床的加工工藝有許多相同之處，但在數控機床上加工零件比通用機床加工零件的工藝規程要復雜得多。在數控加工前，要將機床的運動過程、零件的工藝過程、刀具的形狀、切削用量和走刀路線等都編入程序，這就要求程序設計人員具有多方面的知識基礎。合格的程序員首先是一個合格的工藝人員，否則就無法做到全面周到地考慮零件加工的全過程，以及正確、合理地編制零件的加工程序。

在進行數控加工工藝設計時，一般應進行以下幾方面的工作：數控加工工藝內容的選擇；數控加工工藝性分析；數控加工工藝路線的設計。

2.3.1 數控加工工藝的內容

對于一個零件來說，并非全部加工工藝過程都適合在數控機床上完成，而往往只是其中的一部分工藝內容適合數控加工。這就需要對零件圖樣進行工藝分析，選擇那些最適合、最需要進行數控加工的內容和工序。在考慮選擇內容時，應結合本企業的實際情況，立足于解決難題、攻克關鍵問題和提高生產效率，充分發揮數控加工的優勢。

1.適于數控加工的內容

在選擇數控加工工藝內容時，一般可按下列順序考慮：

● 通用機床無法加工的內容應作為優先選擇內容；

● 通用機床難加工，質量也難以保證的內容應作為重點選擇內容；

● 通用機床加工效率低、工人手工操作勞動強度大的內容，可在數控機床尚存在剩余加工能力時選擇。

2.不適于數控加工的內容

一般來說，上述這些加工內容采用數控加工后，在產品質量、生產效率與綜合效益等方面都會得到明顯提高。相比之下，下列一些內容不宜選擇采用數控加工：

● 占機調整時間長。如以毛坯的粗基準定位加工第一個精基準，需用專用工裝協調的內容；

● 加工部位分散，需要多次安裝、設置原點。這時采用數控加工很麻煩，效果不明顯，可安排通用機床補加工；

● 按某些特定的制造依據（如樣板等）加工的型面輪廓。主要原因是獲取數據困難，易于與檢驗依據發生矛盾，增加了程序編制的難度。

此外在選擇和決定加工內容時，也要考慮生產批量、生產周期、工序間周轉情況。總之，要盡量做到合理，達到多、快、好、省的目的。要防止把數控機床降格為通用機床使用。

2.3.2 數控加工工藝性分析

被加工零件的數控加工工藝性問題涉及面很廣，下面結合編程的可能性和方便性提出一些必須分析和審查的主要內容。

1.尺寸標注應符合數控加工的特點

在數控編程中，所有點、線、面的尺寸和位置都是以編程原點為基準的。因此零件圖樣上最好直接給出坐標尺寸，或盡量以同一基準引注尺寸。

2.幾何要素的條件應完整、準確

在程序編制中，編程人員必須充分掌握構成零件輪廓的幾何要素參數及各幾何要素間的關系。因為在自動編程時，要對零件輪廓的所有幾何元素進行定義，手工編程時，要計算出每個結點的坐標，無論哪一點不明確或不確定，編程都無法進行。但由于零件設計人員在設計過程中考慮不周或被忽略，常常出現參數不全或不清楚的情況，如圓弧與直線、圓弧與圓弧是相切還是相交或相離。所以在審查與分析圖紙時，一定要仔細核算，發現問題及時與設計人員聯系。

3.定位基準可靠

在數控加工中，加工工序往往比較集中，以同一基準定位十分重要。因此往往需要設置一些輔助基準，或在毛坯上增加一些工藝凸臺。如圖2-17a所示的零件，為增加定位的穩定性，可在底面增加一個工藝凸臺，如圖2-17b所示。在完成定位加工后再除去即可。

圖2-17 工藝凸臺的應用

4.統一幾何類型及尺寸

零件的外形、內腔最好采用統一的幾何類型及尺寸，這樣可以減少換刀次數，還可能應用控制程序或專用程序，以縮短程序長度。零件的形狀盡可能對稱，便于利用數控機床的鏡向加工功能來編程，以節省編程時間。

2.3.3 數控加工工藝路線的設計

數控加工工藝路線設計與通用機床加工工藝路線設計的主要區別，在于它往往不是指從毛坯到成品的整個工藝過程，而僅是幾道數控加工工序工藝過程的具體描述。因此在工藝路線設計中一定要注意，由于數控加工工序一般都穿插于零件加工的整個工藝過程中，因而要與其他加工工藝銜接好。常見的數控加工工藝一般流程如圖2-18所示。

圖2-18 數控加工工藝的一般流程

2.3.4 工序的劃分

根據數控加工的特點，加工工序的劃分一般可按下列方法進行：

1.以同一把刀具加工的內容劃分工序

有些零件雖然能一次加工出很多待加工面，但考慮到程序太長，會受到某些限制，如控制系統的限制（主要是內存容量），機床連續工作時間的限制（如一道工序在一個班內不能結束）等。此外程序太長會增加出錯率、查錯與檢索困難。因此程序不能太長，一道工序的內容不能太多。

2.以加工部分劃分工序

對于加工內容很多的零件，可按其結構特點將加工部位分成幾個部分，如內形、外形、曲面或平面等。

3.以粗、精加工劃分工序

對于易發生加工變形的零件，由于粗加工后可能發生較大的變形而需要進行校正，因此一般來說凡要進行粗、精加工的工件都要將工序分開。

綜上所述，在劃分工序時，一定要視零件的結構與工藝性、機床的功能、零件數控加工內容的多少、安裝次數及本單位生產組織狀況靈活掌握。

零件采用工序集中的原則還是采用工序分散的原則，也要根據實際需要和生產條件來確定，要力求合理。

加工順序的安排應根據零件的結構和毛坯狀況，以及定位安裝與夾進的需要來考慮，重點是工件的剛性不被破壞。順序安排一般應按下列原則進行：

● 上道工序的加工不能影響下道工序的定位與夾緊，中間穿插有通用機床加工工序的也要綜合考慮。

● 先進行內型腔加工工序，后進行外型腔加工工序。

● 在同一次安裝中進行的多道工序，應先安排對工件剛性破壞小的工序。

● 以相同定位、夾緊方式或同一把刀具加工的工序，最好進行連接，以減少重復定位次數、換刀次數與挪動壓板次數。

2.3.5 確定走刀路線和安排加工順序

走刀路線是刀具在整個加工工序中相對于工件的運動軌跡，它不但包括了工序的內容，而且也反映出工序的順序。走刀路線是編寫程序的依據之一。因此在確定走刀路線時，最好畫一張工序簡圖，將已經擬定出的走刀路線畫上去（包括進刀、退刀路線），這樣可為編程帶來不少方便。

加工順序是指同一道工序中，各個表面加工的先后次序。它對零件的加工質量、加工效率和數控加工中的走刀路線有直接影響，應根據零件的結構特點和工序的加工要求等合理安排。

工序的劃分與安排一般可隨走刀路線來進行，在確定走刀路線時，主要遵循以下原則：

● 保證零件的加工精度和表面粗糙度要求；

● 使走刀路線最短。

銑削不同的輪廓時，采用的切削方式也不同，具體說明如下。

1.尋求最短加工路線

如圖2-19所示為零件上的孔系。圖a的走刀路線為先加工完外圈孔后，再加工內圈孔。若改用圖b的走刀路線，可減少空刀時間，能節省近一倍的定位時間，提高了加工效率。

圖2-19 尋求最短加工路線

2.最終輪廓一次走刀完成

為保證工件輪廓表面加工后的粗糙度要求，最終輪廓應安排在最后一次走刀中連續加工出來。

圖2-20a為用行切方式加工內腔的走刀路線，這種走刀能切除內腔中的全部余量，不留死角，不傷輪廓。但行切法將在兩次走刀的起點和終點間留下殘留高度，而達不到要求的表面粗糙度。所以如采用圖2-20b的走刀路線，先用行切法，最后沿周向環切一刀，能獲得較好的效果。圖2-20c也是一種較好的走刀路線方式。

圖2-20 一次走刀完成的3種路線

3.選擇切入切出方向

如圖2-21所示，當銑削平面零件外輪廓時，一般采用立銑刀側刃切削。將刀具切入工件時，應避免沿零件外廓的法向切入，而應沿外廓曲線延長線的切向切入，以避免在切入處產生刀具的刻痕，而影響表面質量，保證零件外廓曲線平滑過渡。同理，在切離工件時，也應避免在工件的輪廓處直接退刀，而應該沿零件輪廓延長線的切向逐漸切離工件。

圖2-21 外輪廓銑削

銑削封閉的內輪廓表面時，若內輪廓曲線允許外延，則應沿切線方向切入切出。若內輪廓曲線不允許外延，刀具只能沿內輪廓曲線的法向切入切出，此時刀具的切入切出點應盡量選在內輪廓曲線兩幾何元素的交點處，如圖2-22所示。當內部幾何元素相切無交點時，為防止刀補取消時在輪廓拐角處留下凹口，刀具切入切出點應遠離拐角。

圖2-22 內輪廓銑削

圖2-23所示為圓弧插補方式銑削外整圓時的走刀路線圖。當整圓加工完畢時，不要在切點處直接退刀，而應讓刀具沿切線方向多運動一段距離，以免取消刀補時，刀具與工件表面相碰，造成工件報廢。

圖2-23 銑削外整圓

銑削內整圓時也要遵循從切向切入的原則，最好安排從圓弧過渡到圓弧的加工路線，如圖2-24所示，這樣可以提高內孔表面的加工精度和加工質量。

圖2-24 銑削內整圓

2.3.6 確定切削用量

對于高效率的金屬切削機床加工來說，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。這些條件決定著加工時間、刀具壽命和加工質量。經濟的、有效的加工方式，要求必須合理地選擇切削條件。

編程人員在確定每道工序的切削用量時，應根據刀具的耐用度和機床說明書中的規定去選擇。也可以結合實際經驗用類比法確定切削用量。在選擇切削用量時，要充分保證刀具能加工完一個零件，或保證刀具耐用度不低于一個工作班，最少不低于半個工作日的工作時間。

背吃刀量主要受機床剛度的限制，在機床剛度允許的情況下，盡可能使背吃刀量等于工序的加工余量，這樣可以減少走刀次數，提高加工效率。對于表面粗糙度和精度要求較高的零件，要留有足夠的精加工余量，數控加工的精加工余量可比通用機床加工的余量小一些。

編程人員在確定切削用量時，要根據被加工工件材料、硬度、切削狀態、背吃刀量、進給量、刀具耐用度，選擇合適的切削速度。表2-1列出了車削加工時的選擇切削條件的參考數據。

表2-1 車削加工的切削速度

2.3.7 對刀點的選擇

在加工時，工件可以在機床加工尺寸范圍內任意安裝，要正確執行加工程序，必須確定工件在機床坐標系的確切位置。對刀點是工件在機床上定位裝夾后，設置在工件坐標系中，用于確定工件坐標系與機床坐標系空間位置關系的參考點。選擇對刀點時要考慮到編程方便，對刀誤差小，加工時檢查方便、可靠等。

對刀點的設置沒有嚴格規定，可以設置在工件上，也可以設置在夾具上，但在編程坐標系中必須有確定的位置，如圖2-25所示。對刀點既可以與編程原點重合，也可以不重合，主要取決于加工精度和對刀的方便性。當對刀點與編程原點重合時，X1=0，Y1=0。

圖2-25 對刀點的選擇

對刀點盡可能選擇在零件的設計基準或者工藝基準上，這樣能保證零件的精度要求。在使用對刀點確定加工原點時，就需要進行“對刀”。所謂對刀是指使“刀位點”與“對刀點”重合的操作。每把刀具的半徑與長度尺寸都是不同的，刀具裝在機床上后，應在控制系統中設置刀具的基本位置。

“刀位點”是指刀具的定位基準點。如圖2-26所示，圓柱銑刀的刀位點是刀具中心線與刀具底面的交點；球頭銑刀的刀位點是球頭的球心點或球頭頂點；車刀的刀位點是刀尖或刀尖圓弧中心；鉆頭的刀位點是鉆頭頂點。

圖2-26 刀位點

2.3.8 高度與安全高度

起止高度指進退刀的初始高度。在程序開始時，刀具將先到這一高度，同時在程序結束后，刀具也將退回到這一高度。起止高度要大于或等于安全高度，安全高度也稱為提刀高度，是為了避免刀具碰撞工件而設定的高度（Z值）。安全高度是在銑削過程中，刀具需要轉移位置時，將退到這一高度再進行G00插補到下一進刀位置，此值一般情況下應大于零件的最大高度（即高于零件的最高表面）。

慢速下刀相對距離通常為相對值，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。如果不設定該值，刀具以G00的速度直接下刀到加工位置。若該位置又在工件內或工件上，且采用垂直下刀方式，則極不安全。即使是空的位置下刀，使用該值也可以使機床有緩沖過程，確保下刀所到位置的準確性，但是該值也不宜取得太大，因為下刀插入速度往往比較慢，太長的慢速下刀距離將影響加工效率。

在加工過程中，當刀具需要在兩點間移動而不切削時，是否要提刀到安全平面呢？

當設定為抬刀時，刀具將先提刀到安全平面，再在安全平面上移動，否則將直接在兩點間移動而不提刀。直接移動可以節省抬刀時間，但是必須要注意安全，在移動路徑中不能有凸出的部位，特別注意在編程中，當分區域選擇加工曲面并分區加工時，中間沒有選擇的部分是否有高于刀具移動路線的部分。在粗加工時，對較大面積的加工通常建議使用抬刀，以便在加工時可以暫停，對刀具進行檢查。而在精加工時，常使用不抬刀以加快加工速度，特別是像角落部分的加工，抬刀將造成加工時間大幅延長。在孔加工循環中，使用G98將刀抬到安全高度進行轉移，而使用G99就將直接移動，不抬刀到安全高度，如圖2-27所示。

圖2-27 高度與安全高度

2.3.9 刀具半徑補償和長度補償

刀具的補償包括長度補償、半徑補償。

1.半徑補償

刀具半徑尺寸對銑削加工影響最大，在零件輪廓銑削加工時，刀具的中心軌跡與零件輪廓往往不一致。為了避免計算刀具中心軌跡，直接按零件圖樣上的輪廓尺寸編程，數控系統提供了刀具半徑補償功能，如圖2-28所示。

圖2-28 刀具半徑補償

2.長度補償

在實際加工當中刀具的長度不統一、刀具磨損、更換刀具等原因引起刀具長度尺寸變化時，編程人員不必考慮刀具的實際長度及對程序的影響。可以通過使用刀具長度補償指令來解決問題，在程序中使用補償，并在數控機床上用MDI方式輸入刀具的補償量，就可以正確加工了。當刀具磨損時，只要修正刀具的長度補償量即可，而不必調整程序或刀具的加持長度，如圖2-29所示。

圖2-29 刀具長度補償

2.3.10 順銑與逆銑

沿著刀具的進給方向看，如果工件位于銑刀進給方向的右側，那么進給方向稱為順時針。反之，當工件位于銑刀進給方向的左側時，進給方向定義為逆時針。如果銑刀旋轉方向與工件進給方向相同，稱為順銑，如圖2-30（a）所示。銑刀旋轉方向與工件進給方向相反，稱為逆銑，如圖2-30（b）所示。

圖2-30 銑刀的逆銑和順銑

順銑時，刀齒開始和工件接觸時切削厚度最大，且從表面硬質層開始切入，刀齒受很大的沖擊負荷，銑刀變鈍較快，但刀齒切入過程中沒有滑移現象。順銑的功率消耗要比逆銑時小，在同等切削條件下，順銑功率消耗要低5%～15%，同時順銑也更加有利于排屑。一般應盡量采用順銑法加工，以提高被加工零件表面的光潔度（降低粗糙度），保證尺寸精度。但在切削面上有硬質層、工件表面凹凸不平較顯著時，如加工鍛造毛坯，應采用逆銑法。

逆銑時，切削由薄變厚，刀齒從已加工表面切入，對銑刀的使用有利。逆銑時，當銑刀刀齒接觸工件后，不能馬上切入金屬層，而是在工件表面滑動一小段距離，在滑動過程中，由于強烈的磨擦，就會產生大量的熱量，同時在待加工表面易形成硬化層，降低了刀具的耐用度，影響工件表面的光潔度，給切削帶來不利。逆銑時，刀齒由下往上（或由內往外）切削。

2.3.11 區域加工順序

對于有多個凸臺或者凹槽的零件做等高切削時，形成不連續的加工區域，其加工順序可有兩種選擇。

1.層優先

層優先時生成的刀路軌跡是將這一層即同一高度內的所有內外型加工完以后，再加工下一層，也就是所有被加工面在某一層（相同的Z值）加工完以后，再下降到下一層。刀具會在不同的加工區域之間跳來跳去。

2.區域優先

則在加工凸臺或者凹槽時，先將這部分的形狀加工完成，再跳到其他部分。也就是逐個區域進行加工，將某一連續的區域加工完成后，再加工另一個邊續的區域。

層優先的特點是各個凸臺或者凹槽最后獲得的加工尺寸一致，但是其表面光潔度不如區域優先加工，同時其不斷抬刀也將消耗一定的時間。在粗加工時，一般使用區域優先；精加工對各個凸臺或者凹槽的尺寸一致性要求較高時，應采用層優先。

2.4 數控系統

在數控編程時，為了描述機床的運動，簡化程序編制的方法及保證記錄數據的互換性，數控機床的坐標系和運動方向均已標準化，ISO和我國都擬定了命名的標準。通過這一部分的學習，能夠掌握機床坐標系、編程坐標系、加工坐標系的概念，具備實際動手設置機床加工坐標系的能力。

2.4.1 機床坐標系

在數控機床上，機床的動作是由數控裝置來控制的，為了確定數控機床上的成形運動和輔助運動，必須先確定機床上運動的位移和運動的方向，這就需要通過坐標系來實現，這個坐標系被稱之為機床坐標系。

例如銑床上，有機床的縱向運動、橫向運動，以及垂向運動，如圖2-31所示。在數控加工中就應該用機床坐標系來描述。

圖2-31 數控機床坐標系

2.4.2 坐標軸極其運動方向

數控機床上的坐標系是采用右手直角笛卡爾坐標系。如圖2-32所示，X、Y、Z直線進給坐標系按右手定則規定，而圍繞X、Y、Z軸旋轉的圓周進給坐標軸A、B、C則按右手螺旋定則判定。

圖2-32 笛卡爾直角坐標系統

2.4.3 機床原點、機床參考點和工件原點

機床原點是指在機床上設置的一個固定點，即機床坐標系的原點。它在機床裝配、調試時就已確定下來，是數控機床進行加工運動的基準參考點。機床原點、機床參考點和工件原點在機床中的對應位置關系如圖2-33所示。機床參考點是用于對機床運動進行檢測和控制的固定位置點。機床參考點的位置是由機床制造廠家在每個進給軸上用限位開關精確調整好的，坐標值已輸入數控系統中。因此參考點對機床原點的坐標是一個已知數。

圖2-33 機床原點、參考點和工件原點的對應位置關系

編程坐標系在機床上就表現為工件坐標系，坐標原點就稱之為工件原點。工件原點一般按如下原則進行選取：

● 工件原點應選在工件圖樣的尺寸基準上。

● 能使工件方便地裝夾、測量和檢驗。

● 盡量選在尺寸精度、光潔度比較高的工件表面上，這樣可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。

● 對于有對稱幾何形狀的零件，工件原點最好選在對稱中心點上。

2.4.4 加工坐標系

加工坐標系是指以確定的加工原點為基準所建立的坐標系（有時也稱工件坐標系）。加工原點也稱為程序原點，是指零件被裝夾好后，相應的編程原點在機床坐標系中的位置。

在加工過程中，數控機床是按照工件裝夾好后所確定的加工原點位置和程序要求進行加工的。編程人員在編制程序時，只要根據零件圖樣就可以選定編程原點、建立編程坐標系、計算坐標數值，而不必考慮工件毛坯裝夾的實際位置。對于加工人員來說，則應在裝夾工件、調試程序時，將編程原點轉換為加工原點，并確定加工原點的位置，在數控系統中給予設定（即給出原點設定值），設定加工坐標系后，就可根據刀具當前位置，確定刀具起始點的坐標值。在加工時，工件各尺寸的坐標值都是相對于加工原點而言的，這樣數控機床才能按照準確的加工坐標系位置開始加工。

2.5 數控編程基礎

數控機床程序編制（又稱數控編程）指編程者（程序員或數控機床操作者）根據零件圖樣和工藝文件的要求，編制出可在數控機床上運行，以完成規定加工任務的一系列指令的過程。具體來說，數控編程是由分析零件圖樣和工藝要求開始到程序檢驗合格為止的全部過程。

2.5.1 數控編程內容

數控編程是實施數控加工前的必要工作，數控機床沒有加工程序將無法實現加工。編程的質量對加工質量和加工效率有著直接的影響。因為程序是一切加工信息的載體，操作者對機床的一切控制都是通過程序實現的。只有高質量的加工程序，才能最大限度地發揮數控機床的潛能，達到數控加工應有的效果與經濟效益。一般數控加工程序的編制分三個階段完成，即工藝處理、數學處理和編程調試，如圖2-34所示。

圖2-34 數控編程內容

1.工藝處理階段

工藝處理階段的主要工作內容如下：

● 分析被加工零件圖紙，明確加工內容及技術要求，在此基礎上確定零件的加工方式和走刀路線，確定切削用量等工藝參數。

● 制定零件的數控加工工藝過程。在已經確定工藝參數的前提下，考慮零件如何安裝，對刀點位置如何確定，零件如何分步加工，如何使圖樣上的精度等技術要求得以實現等。

● 選擇或設計刀、夾具。

2.數學處理階段

工藝處理階段完成后，編程人員便可結合所使用的數控系統的輸入要求，通過數學處理計算出應輸入給控制系統的輸人數據。這種計算工作量的大小，隨被加工零件的形狀、加工內容及控制系統的功能等有所不同。

3.編程調試階段

編程調試階段主要有下述三項工作內容：

● 編制程序單。在工藝處理和數學處理的基礎上，還要考慮某些輔助工藝處理，如確定準備功能，主軸的正轉、反轉、停車及變換速度等，然后便可按數控裝置的輸入格式要求編寫出程序單。

● 程序單經過嚴格檢查確認無誤后，可交付生產部門使用。

● 首件試切削。生產部門拿到紙帶后，通常不立即加工零件，還要做進一步檢查。方法是用劃針或圓珠筆在機床上畫線檢查，即用劃針在涂有顏料的玻璃扳（或紙）上畫出零件的輪廓形狀來檢查，然后試切一個零件，經檢驗合格，該程序編制工作方可認為結束。

2.5.2 數控編程的方式

數控編程方式是數控技術的重要組成部分，數控編程方式有手工編程和自動編程。數控自動編程代表編程方法的先進水平，而手工編程是學習自動編程的基礎。目前手工編程還有廣泛的應用。

1.手工編程

手工編程就是從分析零件圖樣、確定工藝過程、數值計算、編寫零件加工程序單、程序輸入到程序檢驗等各步驟均由人工完成。

對于加工形狀簡單的零件，計算比較簡單，程序不多，采用手工編程比較容易完成，因此在點定位加工及由直線與圓弧組成的輪廓加工中，手工編程較為常用。但對于形狀復雜的零件，特別是具有非圓曲線、列表曲線及曲面的零件，用手工編程就有一定的困難，出錯的機率增大，有的甚至無法編出程序，必須采用自動編程的方法編制程序。

2.自動編程

自動編程是利用計算機及其專用編程軟件進行數控加工程序編程。編程人員根據加工零件圖紙的要求或零件CAD模型，進行參數選擇和設置，由計算機自動進行刀具軌跡計算、后置處理，生成加工程序單，直至將加工程序通過直接聯系的方式輸入數控機床，控制機床進行加工。自動編程既可減輕勞動強度，縮短編程時間，又可減少差錯，使編程工作簡便。

3.數控程序格式

數控加工程序由若干程序段構成。程序段則是按照一定順序排列、能使數控機床完成某特定動作的一組指令。而每個指令都是由地址字符和數字所組成的，如G01表示直線插補指令、M03表示主軸順時針旋轉指令、X30.0表示X向的位移、F200表示刀具進給速度等。若干程序可組成一個完整的零件加工程序。

4.程序段格式

程序段的格式是指一個程序段中指令字的排列順序和書寫規則，不同的數控系統往往有不同的程序段格式，格式不符合規定，數控系統就不能接受。目前廣泛采用的是地址符可變程序段格式（或者稱字地址程序段格式），其編排格式如下：

            N_G_   X_Y_Z_   I_J_K_   T_H_     S_M_F_；U_V_W_    R_D_LF
    （或*、或$或回車符）

在程序段中，必須明確組成程序段的各個要素：

● 程序段順序號：N表示程序段順序號，N0000～N9999。有的數控系統可以省略程序號。

● 沿怎樣的軌跡移動：準備功能字G。范圍為G00～G99。

● 移動目標：終點坐標值X、Y、Z。

● 進給速度：進給功能字F。

● 切削速度：主軸轉速功能字S。

● 使用刀具：刀具功能字T。

● 機床輔助動作：輔助功能字M。

；、*、$或LF等是程序結束的標志，控制系統不同，結束標志也不盡相同。

5.加工程序的一般格式

加工程序的一般格式包括程序開始符與結束符、程序名、程序主體，以及程序結束指令等。

●程序開始符、結束符：為同一個字符，ISO代碼中是%，EIA代碼中是EP，書寫時要單列一段。

● 程序名：程序名有兩種形式：一種是英文字母O和1～4位正整數組成；另一種是由英文字母開頭，字母數字混合組成的，一般要求單列一段。

● 程序主體：程序主體是由若干個程序段組成的。每個程序段一般占一行。

● 程序結束指令：程序結束指令可以用M02或M30，一般要求單列一段。

加工程序的一般格式舉例如下：

              %                                       //開始符
              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
              %                                       //結束符

2.5.3 主要功能指令

數控機床的運動是由程序控制的，而準備功能和輔助功能是程序段的基本組成部分。目前國際上廣泛應用的是ISO標準，我國根據ISO標準制訂了JB3208-83《數控機床的準備功能G和輔助功能的代碼》。

1.準備功能（G功能）

使機床做某種操作的指令。用地址G和兩位數字表示，從G00-G99共100種（見本書附錄一）。

準備功能指令按其有效性的長短分屬于兩種模態：0組的指令為非模態指令，其余組的指令為模態指令。

（1）非模態G功能

只在所規定的程序段中有效，程序段結束時被注銷。例如：

            N10  G04 P10.0（延時10s）
            N11  G91 G00 X-10.0 F200（X負向移動10mm）

N10程序段中G04是非模態代碼，不影響N11程序段的移動。

（2）模態G功能

一組可相互注銷的G功能，這些功能一旦被執行，則一直有效，直到被同一組的G功能注銷為止。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無效）

2.輔助功能（M功能）

輔助功能是指控制機床及其輔助裝置的通斷指令。如開、停冷卻泵；主軸正反轉、停轉；程序結束等。M功能指令由M后帶二位數字組成，從M00～M99共有100種（見本書附錄二）。M指令也有模態（續效）指令與非模態指令之分。

3.進給功能（F功能）

進給功能字的地址符是F，又稱為F功能或F指令，用于指定切削的進給速度。對于車床，F可分為每分鐘進給和主軸每轉進給兩種，對于其他數控機床，一般只用每分鐘進給。F指令在螺紋切削程序段中常用來指令螺紋的導程。

4.主軸轉速功能（S功能）

主軸轉速功能字的地址符是S，又稱為S功能或S指令，用于指定主軸轉速，單位為r/min。對于具有恒線速度功能的數控車床，程序中的S指令用來指定車削加工的線速度數。

5.刀具功能（T功能）

刀具功能字的地址符是T，又稱為T功能或T指令，用于指定加工時所用刀具的編號。對于數控車床，其后的數字還兼作指定刀具長度補償和刀尖半徑補償用。

2.6 本章小結

本章主要介紹了數控編程技術的應用知識，其內容有數控基本知識、數控刀具的認識、數控加工工藝分析、數控系統及數控編程基礎等。

本章為學習UG數控編程加工提供了強大的理論支撐。如果有人認為僅學習UG的操作，根本不用學習數控理論，那么他就不是一個真正意義的編程工程師，僅僅只是一個編程技術員，或者叫軟件操作員而已。因此學習并掌握本章的知識就顯得尤其重要了。

2.7 課后習題

（1）數控的概念、數控機床和數控系統的概念是什么？

（2）數控機床的組成與結構是什么？

（3）數控加工原理是什么？

（4）數控刀具種類與特點是什么？

（5）數控加工刀具的選擇原則是什么？

（6）數控加工工藝的內容包括有哪些？

（7）數控編程的方式有哪兩種？