第2章 数控加工基础知识

内容提要

数控加工的基本原理

数控机床

数控编程

数控加工工艺

对现代制造设备的两个方面的要求：

1.能满足高精度复杂型面零件加工的要求；

2.能满足通用性、灵活性的要求，实现单件、小批生产的自动化。

微电子、自动控制、计算机技术与机械制造中的机床设备相结合，形成了一种全新的机械加工设备——数控机床，它根据机械加工工艺的要求，由数控机床的计算机对整个加工过程进行信息处理和控制，实现加工过程的全部自动化。数控技术自从20世纪中叶创立以来，给机械制造业带来了革命性的变化，已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术。CAD/CAM、FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）、敏捷制造和智能制造等，都建立在数控技术之上。

目前，数控机床正朝着高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复合化、开放化和智能化，以及数控新标准的方向发展。读者通过本章学习，可理解数控加工的基本原理；了解数控机床的产生和发展、结构组成和工作流程；掌握数控编程的方法和常用编程指令；领会数控加工的工艺特点，合理选择工艺内容。

2.1 数控加工基本原理

一个典型的CAM系统由两部分组成：一是计算机辅助编程系统；二是数控加工设备，即数控机床。计算机辅助编程系统的任务是根据工件的几何信息计算出数控加工的轨迹，并编制出数控程序，它由计算机硬件设备和计算机辅助数控编程软件组成。计算机硬件设备主要有工作站和微型计算机两种。计算机辅助数控编程软件即是通常所说的CAM软件，它是计算机辅助编程系统的核心。其主要功能包括数据输入输出、加工轨迹计算与编辑、工艺参数设置、加工仿真、数控程序后处理、数据管理等。目前常用的CAM软件种类较多，它们的基本功能大同小异，并在此基础上发展出各自的特色，UG是其中的典型代表。

数控设备的任务是接受数控程序，并按照程序完成各种加工动作。数控加工技术可以应用在几乎所有的加工类型中，如车、铣、刨、镗、磨、钻、拉、切断、插齿、电加工、板材成型、管料成型等。其中又以数控铣床和数控车床应用最为广泛。

车床上的刀具和工件的相对运动，称为表面成形运动，简称为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。

数控刀轨是由一系列简单的线段连接而成的折线，折线上的节点称为刀位点。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。

2.1.1 数控系统概述

1.数控系统发展到目前的两个阶段（如图2-1所示）

第一至第三代，都是采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统（称为NC），从第四代后开始逐渐发展为计算机数控系统（CNC系统）。

计算机数控系统不同于NC系统，NC系统由固定的硬件接线实现数控功能，不能改变其逻辑功能和控制功能。而CNC系统可以通过软件编程来实现部分或全部数控功能。因此CNC系统的功能要比NC系统的功能丰富得多，更加适合于数控机床的复杂控制要求，如图2-2所示。

从数控系统的发展（参见图2-1）和计算机数控系统（参见图2-2）平台可以看出，社会需求和生产发展内在动力的推动，各种新发明、新材料、新工艺及科学技术发展所奠定的技术基础，为数控机床的现代生产提供了极其有效的自动化加工手段。数控机床适用范围和内涵在不断扩大、技术领域在不断延伸交融、加工能力在不断增强提升。数控机床典型的数控装置如图2-3所示。而普通机床（参见图2-4）和全功能数控机床（参见图2-5）最显著的区别是：当加工对象（工件）改变时，计算机数控机床只需改变加工程序（应用软件），而不必对机床做较大的调整，就能加工出各种不同的工件。

2.数控技术的基本概念

● 数字控制（Numerical Control，NC）：或称程序控制，就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。具体来说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理、发出相应指令，对机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。

● 数控系统（Computer Numerical Control System）：实现数控技术相关功能的软硬件模块的有机集成系统。以计算机为核心的数控系统称为计算机数控系统，即CNC系统。数控系统的核心是完成数字信息运算、处理和控制的计算机，即数字控制装置。

● 数控机床（Numerical Control Machine Tools）：就是装备有计算机数控系统的自动化机床。数控机床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入数控系统，控制计算机对输入数据进行处理，来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床加工出所需要的工件。

数控机床的控制任务可分为两类：一类是实现刀具相对工件各坐标轴几何运动规律的数字控制，这是它的主要任务，这个任务由计算机数控装置来完成；另一类是机床辅助机械动作的顺序控制。即在数控机床运行过程中，根据CNC内部标志以及机床各操作开关和实际运行开关的信号状态，按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴启停、换向，刀具的更换，以及工件的夹紧、松开、液压、冷却、润滑系统的运行等进行控制，通常称为强电逻辑控制。这类任务则由可编程序控制器（Programming Logic Controller，PLC）来实现。

数控机床应用的PLC通常有两类，一类是专门为完成数控机床开关量控制而设计的内置型PLC；另一类是独立型PLC。绝大多数CNC系统都带有内置型PLC，内置型PLC从属于CNC装置。

数控机床的控制另外可表述为：开关量控制和轨迹控制。

● 开关量控制：为配合数控加工，所需要的开关动作控制，如程序停、冷却液开停、主轴正反转等，由辅助功能指令实现。

● 轨迹控制：直线、圆弧及其他各种平面和空间轨迹。由插补指令实现，如直线插补、圆弧、插补、抛物线插补、螺旋线插补、样条插补、曲面直接插补等。插补指令越丰富，数控功能越强。

2.1.2 数控系统的工作过程

1.数控加工零件的过程

数控加工零件的一般程序如图2-6所示，其具体的工作过程如图2-7所示。

在数控机床上加工零件的整个工作过程如下：

（1）零件图工艺处理 拿到零件加工图纸后，应根据图纸，对工件的形状、尺寸、位置关系、技术要求进行分析，然后确定合理的加工方案、加工路线、装夹方式、刀具及切削参数、对刀点、换刀点，同时还要考虑所用数控机床的指令功能。

（2）数学处理 在工艺处理后，应根据加工路线、图纸上的几何尺寸，计算刀具中心运动轨迹，获得刀位数据。如果数控系统有刀具补偿功能，则需要计算出轮廓轨迹上的坐标值。

（3）数控编程 根据加工路线、工艺参数、刀位数据及数控系统规定的功能指令代码及程序段格式，编写数控加工程序。程序编完后，可存放在软盘、磁带等介质中。

（4）程序输入 数控加工程序通过输入装置输入到数控系统。目前采用的输入方法主要有软驱、USB接口、RS232C接口、MDI手动输入、分布式数字控制（Direct Numerical Control，DNC）接口、网络接口等。数控系统一般有两种不同的输入工作方式：一种是边输入边加工，DNC即属于此类工作方式；另一种是一次将零件数控加工程序输入到计算机内部的存储器，加工时再由存储器一段一段地往外读出，软驱、USB接口即属于此类工作方式。

（5）译码 输入的程序中含有零件的轮廓信息（如直线的起点和终点坐标；圆弧的起点、终点、圆心坐标；孔的中心坐标、孔的深度等）、切削用量（进给速度、主轴转速）、辅助信息（换刀、冷却液开与关、主轴顺转与逆转等）。数控系统以一个程序段为单位，按照一定的语法规则把数控程序解释、翻译成计算机内部能识别的数据格式，并以一定的数据格式存放在指定的内存区内。在译码的同时还完成对程序段的语法检查。一旦有错，立即给出报警信息。

（6）数据处理 数据处理程序一般包括刀具补偿、速度计算以及辅助功能的处理程序。刀具补偿分为刀具半径补偿和刀具长度补偿两种。刀具半径补偿的任务是根据刀具半径补偿值和零件轮廓轨迹计算出刀具中心轨迹。刀具长度补偿的任务是根据刀具长度补偿值和程序值计算出刀具轴向实际移动值。速度计算是根据程序中所给的合成进给速度计算出各坐标轴运动方向的分速度。辅助功能的处理主要完成指令的识别、存储、设定标志，这些指令大都是开关量信号，现代数控机床可由PLC控制。

（7）插补 数控加工程序提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹，而刀具从起点沿直线或圆弧运动轨迹走向终点的过程则要通过数控系统的插补软件来控制。插补的任务就是通过插补计算程序，根据程序规定的进给速度要求，完成在轮廓起点和终点之间的中间点的坐标值计算，也即数据点的密化工作。

（8）伺服控制与加工 伺服系统接受插补运算后的脉冲指令信号或插补周期内的位置增量信号，经放大后驱动伺服电机，带动机床的执行部件运动，从而加工出零件。

2.机床数控系统

数控机床系统由机床本体、数控系统和外围装置三大部分组成，如图2-8和图2-9所示。

机床本体主要由床身、立柱、工作台、导轨等基础件和刀库、刀架等配套件组成。外围装置主要包括工具系统（主要指刀具系统）、编程系统和管理系统。

数控机床的控制原理：数控机床是用数字化的信息来实现自动化控制的，将与加工零件有关的信息——工件与刀具相对轨迹的尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸）、切削加工的工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度等），以及各种辅助操作（主运动变速、刀具更换、冷却润滑液启停、工件夹紧送开等）等加工信息——用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单。将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后发出各种与加工程序相对应的信号和指令，控制机床进行自动加工。

数控系统是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。数控系统由输入输出设备、计算机数控装置、PLC、主轴伺服驱动装置、进给伺服驱动装置和检测装置等组成，如图2-10所示。

（1）输入输出设备：是CNC装置与外部设备进行信息交流的装置。键盘、光电阅读机、网络、移动磁盘等是数控机床的典型输入设备。现代数控系统还利用通信方式进行信息交换。常用的方式有：串行通信、自动控制专用接口、网络技术等。数控装置一般配有液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形，操作人员通过显示器获得必要的信息。

操作面板是操作人员与数控机床进行交互的工具，一般与数控装置成为一体，如图2-11所示。

（2）计算机数控装置（CNC装置）：CNC装置（如图2-12所示）是数控系统的核心。在一般的数控加工过程中，首先启动CNC装置，在CNC内部控制软件的作用下，通过输入设备或输入接口读入零件的数控加工程序，并存放到CNC装置的程序存储器内。

开始加工时，在控制软件作用下，将数控加工程序从存储器中读出，按程序段进行处理。先译码，将零件数控加工程序转换成计算机能处理的内部形式，将程序段的内容分成位置数据和控制指令，并存放到相应的存储区域，最后根据数据和指令的性质进行各种流程处理，完成数控加工的各项功能。

CNC装置通过编译和执行内存中的数控加工程序来实现多种功能。它一般具有以下基本功能：坐标控制（XYZAB指令）功能、主轴转速（S指令）功能、准备功能（G指令）、辅助功能（M指令）、刀具（T指令）功能、进给（F指令）功能，以及插补功能、自诊断功能等。有些功能可以根据机床的特点和用途进行选择，如固定循环功能、刀具半径补偿功能、通信功能、特殊的准备功能（G指令）、人机对话编程功能、图形显示功能等。不同类型、不同档次的数控机床，其CNC装置的功能有很大的不同。CNC系统制造厂商或供应商会向用户提供详细的CNC功能的具体说明书。

（3）伺服驱动装置：又称伺服系统，如图2-13所示，它是CNC装置和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号通过调解、转换、放大后驱动伺服电机，通过执行部件驱动机床运动，使工作台精确定位或使刀具与工件按规定的轨迹作相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。伺服系统是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动装置付诸实施，所以，伺服驱动装置是数控机床的重要组成部分。数控机床的伺服驱动装置分为主轴驱动单元（主要是转速控制）、进给驱动单元（包括位移和速度控制）、回转工作台和刀库伺服控制装置以及它们相应的伺服电机等。

伺服系统分为步进电机伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统、直线伺服系统。步进电机伺服系统比较简单，价格又低廉，所以在经济型数控车床、数控铣床、数控线切割中仍有使用。直流伺服系统由于使用机械（电刷、换向器）换向，维护工作量大。交流伺服系统发展很快，目前正在取代直流伺服系统。该系统的最大优点是电机结构简单、不需要维护、适合于在恶劣环境下工作。此外，交流伺服电机还具有动态响应好、转速高和容量大等优点。

当今，在交流伺服系统中，除了驱动级外，电流环、速度环和位置环可以全部采用数字化控制。伺服系统的控制模型、数控功能、静动态补偿、前馈控制、最优控制、自学习功能等均由微处理器及其控制软件高速实时地实现，使得其性能更加优越，已达到和超过了直流伺服系统。直线伺服系统是一种新型高速、高精度的伺服机构，已开始在数控机床中使用。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动装置。

（4）可编程控制器（PLC）：在数控系统中除了进行轮廓轨迹控制和点位控制外，还应控制一些开关量，如主轴的启动与停止、冷却液的开与关、刀具的更换、工作台的夹紧与松开等，主要由可编程控制器来完成。PLC一般用于完成与逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制，它由硬件和软件组成，也称为可编程逻辑控制器。当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器（PMC，Programmable Machine Controller）。PLC已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。

机床I/O电路和装置是用于实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。

（5）测量反馈装置：测量反馈装置主要用于闭环和半闭环系统。检测装置检测出实际的位移量，反馈给CNC装置中的比较器，将此位移与CNC装置发出的指令信号比较，如果有差值，就发出运动控制信号，控制数控机床移动部件向消除该差值的方向移动。不断比较指令信号与反馈信号，然后进行相应操作，直到差值为0，运动停止。此外，由测量装置和显示环节构成的数显装置，可以在线显示机床移动部件的坐标值，大大提高工作效率和工件的加工精度。

2.1.3 插补方法简介

1.插补的定义

数控机床上进行加工的各种工件，大部分由直线和圆弧构成。因此，大多数数控装置都具有直线和圆弧的插补功能。对于非圆弧曲线轮廓轨迹，可以用微小的直线段或圆弧段来拟合。

程序员编制的数控加工程序，输入到数控装置，经处理后，将得到刀具移动轨迹直线的起点和终点坐标、圆弧的起点和终点坐标，逆圆还是顺圆以及圆心相对于起点的偏移量或圆弧半径。

插补（Interpolation）即数据密集化的过程。数控系统根据输入的基本数据（直线起点、终点坐标，圆弧圆心、起点、终点坐标、进给速度等）运用一定的算法，自动地在有限坐标点之间形成一系列的坐标数据，从而自动对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹分析，以满足加工精度的要求。

插补有二层意思：

（1）用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等）；

（2）用基本线型拟和其他轮廓曲线。

插补的任务就是要按照进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干中间控制点的坐标值。

由于每个中间点计算的时间直接影响数控装置的控制速度，而插补中间点的计算精度又影响到整个数控系统的精度，所以插补算法对整个数控系统的性能至关重要，也就是说数控装置控制软件的核心是插补。

插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补原理也叫轨迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我国封锁的技术。

基本线型：由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、纳米插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。

分段逼近：按允许的误差有弦线逼近、割线逼近、切线逼近等。

2.插补的分类

完成插补运算的装置或程序称为插补器，可分为以下3类：

● 用硬件（数字）电路来完成插补；

● 由软件来完成插补功能，称为软件插补；

● 软硬件结合插补。

（1）基准脉冲插补

每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉冲，各坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表坐标运动的速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小。基准脉冲插补的方法很多，如逐点比较法、数字积分法、脉冲乘法器等。

（2）数据采样插补

采用时间分割思想，根据编程的进给速度将轮廓曲线分割为每个插补周期的进给直线段（又称轮廓步长）进行数据密化，以此来逼近轮廓曲线，然后再将轮廓步长分解为各个坐标轴的进给量（一个插补周期的近给量），作为指令发给伺服驱动装置。该装置按伺服检测采样周期采集实际位移，并反馈给插补器与指令比较，有误差则运动，误差为零即停止，从而完成闭环控制。

数据采样插补方法有：直线函数法、扩展DDA、二阶递归算法等。

下文以逐点比较插补法为例介绍插补的基本原理。

3.逐点比较插补法

逐点即每一个脉冲当量为一个点。这种插补法用于没有反馈的开环系统，是一种逐点计算、判别偏差，并纠正逼近理论轨迹的一种方法。在插补过程中，每走一步要完成以下四节拍。

（1）偏差判别：判别当前点偏离理论点的位置。

（2）进给控制：确定进给坐标及进给方向，并产生移动。

（3）新偏差计算：进给后到达新位置，计算出新的偏差作为下一次判别的依据。

（4）终点判别：查询是否到达终点。

逐点比较法既可作为直线插补，又可作为圆弧插补。这种算法的特点是：运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便。下面以直线插补为例，简单阐述用逐点比较进行直线插补的原理。

如图2-14所示第一象限直线OE，起点O为坐标原点，终点坐标E（Xe，Ye），直线方程为：XeY-XYe=0。

直线OE为给定轨迹，P（X，Y）为动点坐标。动点与直线的位置关系有三种情况：动点在直线上方、在直线上和在直线下方。

1）若P1点在直线上方，则有XeY-XYe>0

2）若P点在直线上，则有XeY-XYe=0

3）若P2点在直线下方，则有XeY-XYe<0

因此，可以构造偏差函数为：F=XeY-XYe

对于第一象限直线，其偏差符号与进给方向的关系为：

F=0时，表示动点在OE上，如点P，可向+X向进给，也可向+Y向进给。

F >0时，表示动点在OE上方，如点P1，应向+X向进给。

F<0时，表示动点在OE下方，如点P2，应向+Y向进给。

这里规定动点在直线上时，可归入F>0的情况一同考虑。

插补工作从起点开始，走一步，算一次，判别一次，再走一步。当沿两个坐标方向走的步数分别等于Xe和Ye时，停止插补。

下面将F的运算采用递推算法予以简化，动点Pi（Xi，Yi）的Fi值为：Fi= XeYi-XiYe

若Fi≥0，表明Pi（Xi，Yi）点在OE直线上方或在直线上，应沿+X向走一步，假设坐标值的单位为脉冲当量，走一步后新的坐标值为（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi+1，Yi+1=Yi，新点偏差为：Fi+1= XeYi+1-Xi+1Ye= XeYi-(Xi+1) Ye= XeYi-XiYe-Ye= Fi-Ye

即：Fi+1= Fi-Ye

若Fi<0，表明Pi（Xi，Yi）点在OE的下方，应向+Y方向进给一步，新点坐标值为（Xi+1，Yi+1），且Xi+1=Xi，Yi+1=Yi+1，新点的偏差为：

Fi+1= XeYi+1-Xi+1Ye= Xe（Yi+1）-XiYe= XeYi -XiYe + Xe = Fi+ Xe

即：Fi+1= Fi+ Xe

开始加工时，将刀具位于起点，刀具正好处于直线上，偏差为零，即F=0，根据这一点偏差可求出新点的偏差，随着加工的进行，每一个新加工点的偏差都可由前一点偏差和终点坐标相加或相减得到。

在插补计算、进给的同时还要进行终点判别。常用的终点判别方法，是设置一个长度计数器，从直线的起点走到终点，刀具沿X轴应走的步数为Xe，沿Y轴走的步数为Ye，计数器中存入X和Y轴两坐标进给步数总和N=|Xe|+|Ye|。当X或Y坐标进给时，计数长度减一，当计数长度减到零时，即N=0时，停止插补，到达终点。

其他算法请自行参考相关书籍，不再赘述。

2.1.4 刀轨的形成和计算

加工轮廓时，数控系统控制刀具中心轨迹（也称刀位轨迹）的运动。而编程时使用的是工件轮廓数据，二者相差一个刀具半径。刀位轨迹为工件轮廓的等距线。另外，刀具在加工两个几何元素过渡棱角时，为了防止干涉、过切，或者得到圆角、锐角，需要将刀位轨迹延长、缩短，或插入圆弧、直线过渡段。早期的数控系统受计算机速度的限制，没有刀具偏移运算功能，而且必须计算刀位轨迹。现代数控系统具有刀具补偿功能和各种棱角过渡功能，编程人员不必进行计算，只要合理选择即可。

刀位轨迹的生成大致可分为4种情况：点位加工、平面轮廓加工、槽腔加工和曲面加工。

（1）点位加工时的刀位轨迹

刀具在此类加工中，从一点运动到另一点时不进行切削，各点的加工顺序一般也没有特定要求，所有其刀位轨迹的生成就比较简单。一般通过选择菜单或输入命令激活刀位轨迹生成的功能后，按屏幕提示在图形上用光标指点出编程原点，选择好加工目标图形，输入相应的加工参数，刀位轨迹就会自动生成并显示在屏幕上，同时生成刀位轨迹文件。

（2）平面轮廓加工时的刀位轨迹

生成此类刀位轨迹的方法有两种：

● 采用交互绘图的方法，使用刀等距线的指令，将加工轮廓线按实际情况左偏或右偏一个刀具半径，直接在屏幕上生成加工刀位轨迹，然后按此刀位轨迹交互编程。这种方法在编程中已考虑了刀补问题，所以更适合于不具备刀补功能的控制系统的编程。

● 直接对零件的轮廓图形进行编程。在编程过程中除了要按提示输入相应的加工参数，并用光标指定绕程原点、起刀点、起切线或走刀方向及退刀点之外，还要根据提示指定刀补方式并选择零件轮廓作为加工目标，软件将按此轮廓编制出加工程序，并在程序中自动加入刀补指令。这种方法要求机床的控制系统具备刀补功能。

（3）槽腔零件加工时的刀位轨迹

生成此类加工刀位轨迹的方法也有两种：

● 把槽腔加工作为轮廓加工的一种特例来处理。采用交互绘图的方法，使用造等距线的指令及其他图形编辑修改指令交互绘制生成环形或之字形刀位轨迹，然后按此刀位轨迹进行交互编程，其交互过程和轮廓加工一样。

● 在激活刀位轨迹生成命令后，对照图形光标交互地指定槽腔的边界图形及中间的弧岛图形，并指定编程原点、起刀点、退刀点、交互地输入加工参数、刀具半径、起刀方式（环形走刀或之字形走刀）。软件将自动生成加工刀位轨迹。

（4）曲面加工时的刀位轨迹

曲面加工比较复杂，所以具有曲面加工编程功能的软件通常采用多重菜单的方式进行编程。在曲面造型完成之后，进入刀位轨迹生成的分菜单，选择相应的菜单项，并根据屏幕提示输入相应参数，软件便自动生成刀位轨迹文件。

2.2 数控机床简介

2.2.1 数控机床的产生和发展

1948年，美国帕森斯（Parsons）公司在研制加工直升飞机叶片轮廓样板时，提出了用计算机控制机床来加工样板曲线的设想。1949年，受美国空军委托，帕森斯与麻省理工学院伺服机制研究所合作进行研制工作。1952年试制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床（如图2-15所示），并于1955年进入实用阶段。

此后，德国、英国、日本等国家相继开始研制数控机床。世界著名的数控系统厂家主要有日本的FANUC公司、德国的SIEMENS、美国的A-B公司等。

我国于1958年由清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床（如图2-16所示）。1985年后，在引进、消化国外设备和技术的基础上，我国进行了大量的开发工作。目前，沈阳机床、云南机床、广州数控、齐重数控、华中数控、大连机床集团等作为国产数控机床的主要生产厂家，市场占有率快速提升，国产数控机床产品获得众多客户青睐。

2.2.2 数控机床的本体机械结构

数控机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构（如机床床身、导轨、工作台、刀架和主轴等）的几何精度与变形产生的定位误差在。加工过程中不能人为地调整与补偿，因此，必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内，以保证所要求的加工精度与表面质量。所以，数控机床的功能要求和设计要求与普通机床有较大的差异。数控机床的结构设计要求可以归纳为如下几方面：

● 具有大切削功率，高的静、动刚度和良好的抗振性能；

● 具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；

● 具有实现辅助操作自动化的结构部件。

1.数控机床应具有更高的静、动刚度

刚度是指支承件在恒定载荷（静刚度）或交变载荷（动刚度）作用下抵抗变形的能力。

必须提高刚度的原因：

● 在重载荷的作用下，机床的各部件、构件会受力变形，引起刀具和工件的相对位置的变化；

● 机床刚度差，影响机床抗振性。

（1）提高刚度的措施

● 合理选择支承件的结构形式

㊣ 支承件截面形状尽量选用抗弯的方截面和抗扭的圆截面或采用封闭型床身，如图2-17所示。

合理布置支承件隔板的筋条；

增加导轨与支承件的连接部分的刚度。连接刚度是指支承件在连接处抵抗变形的能力。

● 增加机床各部件的接触刚度和承载能力；

采用刮研的方法增加单位面积上的接触点；

在结合面之间施加足够大的预加载荷，增加接触面积。

（2）合理的结构布局

合理数控机床的结构布局对设计、使用、维修都非常重要。以便获得足够的静、动刚度和抗振性能，较高的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性，并考虑人机工程学的影响。如图2-18所示。

（3）采用补偿变形的措施

测出受力点的相对变形的大小和方向，或者预知构件的变形规律，就可采取补偿变形的方法消除受力变形的影响。

（4）合理选用构件的材料

● 床身、立柱等支承件采用钢板或型钢焊接—增加刚度、减轻重量、提高抗振性。

铸件：容易获得复杂结构的支承件，铸铁的内摩擦力大，阻尼系数大，振动的衰减性能好，成本低。铸件的周期较长，需做木型模，易产生缩孔、气泡等缺陷。

焊接件：钢材的强度比铸铁高，质量可比铸件减轻20%-50%，不需要木模和浇注，生产周期短，不易出现废品。

● 采用封砂床身结构。在铸件中不清除砂心，在焊接件中灌注混凝土或砂增加摩擦阻力。

● 采用混凝土、树脂混凝土或人造花岗岩、天然大理石作支承件的材料（如图2-19和图2-20所示）。

2.减少机床的热变形

（1）产生热变形的原因

● 内外热源的影响。

● 不能人工修正热变形误差。

（2）减少热变形的措施

● 减少发热，将热源从主机中分离出去。主运动采用直流或交流调速电动机进行无级调速。

减少传动轴和传动齿轮数量。

减少主传动箱内的发热量。

采用低摩擦系数的导轨和轴承。采用滚动导轨、静压导轨或滚动轴承。

● 控制升温，通过散热和冷却方法（如图2-21所示）。

● 改善机床结构，用以下几种方法：

采用对称原则设计数控机床结构（如图2-22所示）。

使机床主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上。

采用排屑系统（如图2-23所示）。

● 进行热变形补偿（如图2-24所示）。

3.减少运动间的摩擦和消除传动间隙

数控机床工作台（或拖板）的位移量是以脉冲当量为最小单位的，通常又要求能以极低的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应，就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前，数控机床几乎无一例外地采用滚珠丝杠传动。

（1）采用滚动导轨或静压导轨来减少摩擦副之间的摩擦，如图2-25所示。

（2）采用滚珠丝杠或无间隙齿轮传动——减小摩擦，如图2-26所示。

4.提高机床寿命和精度保持性

为了提高机床的寿命和精度保持性，在设计时应充分考虑数控机床零部件的耐磨性，尤其是机床导轨、进给伺服主轴部件等影响进度主要零件的耐磨性。在使用过程中，应保证数控机床各部件润滑良好，如图2-27、图2-28所示。

5.减少辅助时间和改善操作性能

在数控机床的单件加工中，辅助时间（非切屑时间）占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率，就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多数控机床采用了多主轴、多刀架、以及带刀库的自动换刀装置等，以减少换刀时间。对于切屑用量加大的数控机床，床身机构必须有利于排屑。

2.2.3 数控机床的分类

数控机床规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。根据数控机床的功能、结构、组成，可从运动控制方式、伺服系统类型、功能水平、工艺方法几个方面进行分类（见表2-1和表2-2）。

1.按运动控制方式分类

（1）点位控制数控机床：仅实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动，对轨迹不作控制要求，运动中不进行任何加工，如图2-29所示。典型的点位控制机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机等。

（2）直线控制数控机床：不仅要求控制点到点的精确定位，而且要求机床工作台或刀具（刀架）以给定的进给速度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45º角的方向进行直线移动和切削加工，如图2-30所示。由于加工中心同时具有点位和轮廓控制功能，直线控制的数控机床很少。

（3）轮廓控制数控机床：轮廓控制也称连续轨迹控制。对多个坐标轴同时进行控制，使之协调运动（坐标联动），使刀具相对工件按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工，如图2-31所示。

对于轮廓控制数控机床，根据同时控制坐标轴的数目可分为2轴联动、2轴半联动、3轴联动、4轴和5轴联动。2轴联动同时控制两个坐标轴实现二维直线、圆弧、曲线的轨迹控制。2轴半联动除了控制2个坐标轴联动外，还同时控制第3坐标轴作周期性进给运动，可以实现简单曲面的轨迹控制。3轴联动同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动，实现曲面的轨迹控制。4轴或5轴联动除了控制X、Y、Z三个直线坐标轴外，还能同时控制一个或两个回转坐标轴，如工作台的旋转、刀具的摆动等，从而实现复杂曲面的轨迹控制。

2.按伺服系统类型分类

根据数控机床伺服驱动控制方式的不同，可将数控机床分成开环控制、闭环控制和半闭环控制三种类型，如图2-32所示。

（1）开环控制数控机床

没有位移检测反馈装置的数控机床称为开环控制数控机床。数控装置发出的控制指令直接通过驱动装置控制步进电机的运转，然后通过机械传动系统转化成刀架或工作台的位移。开环控制数控机床结构简单，制造成本较低，价格便宜，在我国有广泛的应用。但是，由于这种控制系统没有检测反馈，无法通过反馈自动进行误差检测和校正，因此位移精度一般不高。

（2）闭环控制数控机床

闭环控制数控机床带有位置检测装置（直线位移检测元件，如感应同步器、光栅等），而且检测装置安装在机床刀架或工作台等执行部件上，用以随时检测这些执行部件的实际位置。将插补得到的指令位置值与反馈的实际位置值相比较，根据差值控制电机的转速，进行误差修正，直到位置误差消除为止。这种闭环控制方式可以消除由于机械传动部件误差给加工精度带来的影响，因此可得到很高的加工精度，但由于它将丝杠螺母副及工作台导轨副这些大惯量环节放在闭环之内，系统稳定性受到影响，调试困难，且结构复杂、价格昂贵。

（3）半闭环控制数控机床

半闭环控制数控机床也带有位置检测装置（角位移检测元件，如旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等），它的检测装置安装在伺服电机上或在丝杠的端部，通过检测伺服电机或丝杠的角位移，间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置值，然后与指令位置值进行比较，进行差值控制。这种机床的闭环控制环内不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节，因此可以获得稳定的控制特性，而且调试比较方便，价格也较全闭环系统便宜。

3.按功能水平分类

按照数控系统的功能水平分，数控机床可以分为经济型、中档型和高档型三种类型。这种分类方法目前并无明确的定义和确切的分类界限，不同国家分类的含义也不同，不同时期的含义也在不断发展变化。图2-33至图2-35所示的是不同功能水平的典型机床。

（1）经济型数控机床

这类机床的伺服进给驱动一般是由步进电机实现的开环驱动，功能比较简单，价格比较低廉，精度中等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧及螺纹加工。一般控制轴数在3轴以下，脉冲当量（分辨率）多为10μm，快速进给速度在10m/min以下。

经济型数控系统在我国指由单板机、单片机和步进电动机组成数控系统和其他功能简单、价格低的数控系统。

（2）中档型数控机床

中档型数控机床也称标准型数控机床，采用交流或直流伺服电机实现半闭环驱动，能实现4轴或4轴以下联动控制，脉冲当量为1μm，进给速度为15～24m/min，一般采用16位或32位处理器，具有RS232C通信接口、DNC接口和内置PLC，具有图形显示功能及面向用户的宏程序功能。

（3）高档型数控机床

高档型数控机床指加工复杂形状的多轴联动数控机床或加工中心，其功能强、工序集中、自动化程度高、柔性高。一般采用32位以上微处理器，形成多CPU结构，采用数字化交流伺服电机形成闭环驱动，并开始使用直线伺服电机，具有主轴伺服功能，能实现5轴以上联动，脉冲当量（分辨率）为0.1～1μm，进给速度可达100m/min以上。此类机床具有宜人的图形用户界面，有三维动画功能，能进行加工仿真检验。同时还具有多功能智能监控系统和面向用户的宏程序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，能实现加工条件的自动设定，且具有制造自动化协议（Manufacturing Automation Protocol，MAP）等高性能通信接口，能实现计算机联网和通信。

4.按工艺方法分类

数控机床按工艺可分为以下几种（图2-36至图2-44所示的是一些不同工艺的机床）：

（1）金属切削类数控机床，如数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控镗床、数控磨床等；

（2）金属成型类数控机床，如数控折弯机、数控弯管机等；

（3）数控特种加工机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光加工机床等；

（4）其他类型数控机床，如三坐标测量机等。

2.3 数控加工信息处理及数控程序编制

数控编程是实践性和理论性都很强的一门技术，既要掌握零件制造工艺方面的知识，又要有扎实的数学知识，同时还必须充分熟悉数控机床的功能和编程规则。建议读者同时学习和掌握上述相关知识，并多动手编制数控程序。

2.3.1 数控程序编制的概念

加工程序：根据被加工零件的图纸及其技术要求、工艺要求等切削加工的必要信息，按数控系统所规定的指令和格式编制数控加工指令序列。

数控加工：在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法。

为了与数控系统的内部程序（系统软件）相区别，把加工的程序称为数控加工程序。它是数控机床的应用软件。数控机床是严格按照数控加工程序来自动地对被加工工件进行加工的。

编制加工程序：将零件加工的工艺分析、加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数（F、s、t）及辅助动作（变速、换刀、冷却液启停、工件夹紧松开等），用规定文字、数字、符号组成的代码按一定格式编写加工程序单，并将程序单的信息变成控制介质的全过程。

2.3.2 编制数控程序

1.编程方法

● 手动编程

整个编程过程由人工完成。对编程人员的要求高（熟悉数控代码功能、编程规则，具备机械加工工艺知识和数值计算能力）。

手动编程适用于：① 几何形状不太复杂的零件。

② 三坐标联动以下加工程序。

● 自动编程

编程人员根据零件图纸的要求，按照某个自动编程系统的规定，将零件的加工信息用较简便的方式送入计算机，编程系统将根据数控系统的类型输出数控加工程序。

自动编程适用于：① 形状复杂的零件。

② 虽不复杂但编程工作量很大的零件（如有数千个孔的零件）。

③ 虽不复杂但计算工作量大的零件（如非圆曲线轮廓的计算）。

2.手工编程的内容和步骤（如图2-45所示）

（1）图纸工艺分析

在对图纸分析（与普通加工的图纸分析相似）的基础上：

● 确定加工机床、刀具与夹具；

● 确定零件加工的工艺线路、工步顺序；

● 切削用量（f、s、t）等工艺参数。

（2）计算运动轨迹

根据图纸尺寸及工艺线路的要求：

● 选定工件坐标系；

● 计算零件轮廓和刀具运动轨迹的坐标值；

● 将坐标值按NC机床规定编程单位（脉冲当量）换算为相应的编程尺寸。

（3）编制程序及初步校验

根据制定的加工路线、切削用量、选用的刀具、辅助动作，按照数控系统规定指令代码及程序格式，编写零件加工程序，并进行校核、检查上述两个步骤的错误。

（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，也可直接通过键盘输入。

（5）程序的校验和试切

所制备的控制介质，必须经过进一步的校验和试切削，证明正确无误，才能用于正式加工。如有错误，应分析错误产生的原因，进行相应的修改。

3.数控加工程序的结构

（1）程序的组成

一个完整的数控加工程序由程序名、程序体和程序结束符三部分组成。例如：

程序名：是一个程序必需的标识符。由地址符后带若干位数字组成。常见的地址符有：“%”、“O”、“P”等，视具体数控系统而定。

示例：国产华中I型系统的地址符为“%”，日本FANUC系统的地址符为“O”。后面所带的数字一般为4～8位。如：%2000。

程序体：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。

程序结束符：它以程序结束指令M02（程序结束）或M30（纸带结束）来结束整个程序的运行。

（2）程序段格式

程序段中指令有一定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。目前广泛采用地址符可变程序段格式（字地址程序段格式），如下：

地址符可变程序段格式有如下特点：

● 程序段中的每个指令均以字母（地址符）开始，其后再跟数字或无符号的数字。

● 指令字在程序段中的顺序没有严格的规定，即可以按照任意的顺序书写。

● 上段相同的模态指令（包括G、M、F、S及尺寸指令等）可以省略不写。

常用地址符如表2-3所示。

（3）主程序和子程序

在一个零件的加工程序中，若有一定量的连续的程序段在几处完全重复出现，则可将这些重复的程序串单独抽出来，按一定的格式做成子程序。程序中子程序以外的部分便称为主程序。

在执行主程序的过程中，如果需要，可调用子程序，并可以多次重复调用。

示例：在某工件上要铣出10个几何形状完全相同的台阶，如图2-46所示，可采用子程序编程。

O2002                 主程序号
N01 G91 G00 G41 D01 X50 Y35  S400 M03 M08 ；
N02 M98P01L10 ；      M98 P-，单次调用指令，P后跟被调用的子程序号；M98 P-L-，重复调用子
                      程序指令，L后跟重复调用的次数。
N03 M02 ；            主程序结束M02/M30
#01                   子程序号
N01 G00 Z-25 ；       子程序N01.., N08 M99
N02 G01 Y60 F100；    子程序N02.., N08 M99
N03 X50 ；            子程序N03.., N08 M99
N04 G02 Y-50 J-25 ；  子程序N04.., N08 M99
N05 G01 X-55 ；       子程序N05.., N08 M99
N06 G00 Z25 ；        子程序N06.., N08 M99
N07 X165 Y-10 ；      子程序N07.., N08 M99
N08 M99；             子程序结束M99

4.数控机床的坐标系

（1）坐标轴运动方向及其命名

统一规定数控机床坐标轴及其运动的方向，可使编程方便，并使编出的程序对同类型机床有通用性。同时也给维修和使用带来极大的方便。ISO和我国都拟定了命名的标准。

1）进给运动坐标系

ISO和中国国家标准规定：数控机床的每个进给轴（直线进给、圆进给）定义为坐标系中的一个坐标轴；数控机床坐标系统标准采用右手笛卡儿坐标系统。

基本坐标系：直线进给运动的坐标系（X，Y，Z）。坐标轴相互关系由右手定则决定。

回转坐标：绕X，Y，Z轴转动的圆进给坐标轴分别用A，B，C表示，坐标轴相互关系由右手螺旋法则而定。如图2-47所示。

坐标轴方向：定义为刀具相对工件运动的方向。编程时不必知道机床运动的具体配置，就能正确地进行编程。

附加坐标轴：平行于基本坐标系中坐标轴的进给轴，用U，V，W表示。

2）Z坐标轴

Z坐标轴的方位按照如下规则制定：

● Z坐标平行主轴轴线的进给轴。

● 若没有主轴或有多个主轴，则以垂直于工件装夹面的方向为Z坐标。

● 主轴能摆动：在摆动的范围内只与标准坐标系中的某一坐标平行时，则这个坐标便是Z坐标；若在摆动的范围内与多个坐标平行，则取垂直于工件装夹面的方向为Z坐标。

Z坐标正方向：刀具远离工件的方向，如图2-48所示。

3）X坐标轴（如图2-49所示）

将在垂直于Z轴的平面内的一个主要平动轴指定为X轴，它一般位于与工件安装面相平行的水平面内。对于不同类型的机床，X轴及其方向有具体的规定。

例如对于铣床、钻床等刀具旋转的机床，若Z轴是水平的，则X轴规定为从刀具向工件方向看时沿左右运动的轴，且向右为正。

若Z轴是垂直的，则X轴规定为从刀具向立柱（若有两个立柱则选左侧立柱）方向看时沿左右运动的轴，且向右为正。

在工件旋转的机床上（车床、磨床等），X轴的运动方向是工件的径向并平行于横向拖板，且刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向。

4）Y坐标轴（如图2-50所示）

利用已确定的X、Z坐标的正方向，用右手定则或右手螺旋法则，确定Y坐标的正方向。

● 右手定则：大姆指指向+X，中指指向+Z，则+Y方向为食指指向。

● 右手螺旋法则：在XZ平面，从Z至X，姆指所指的方向为+Y。

5）A、B、C坐标轴（如图2-50所示）

A、B、C坐标分别为绕X、Y、Z坐标的回转进给运动坐标，在确定了X、Y、Z坐标的正方向后，可按右手螺旋定则来确定A、B、C坐标的正方向。

6）附加运动坐标（如图2-51所示）

X、Y、Z 为机床的主坐标系或称第一坐标系。如除了第一坐标系以外还有平行于主坐标系的其他坐标系则称为附加坐标系。附加的第二坐标系命名为U、V、W。附加的第三坐标系命名为P、Q、R。

（2）机床坐标系和工作坐标系

编程总是基于某一坐标系统的，因此，弄清楚数控机床坐标系和工件坐标系的概念及相互关系是至关重要的。

1）机床原点与机床坐标系

机床原点：（如图2-52所示）即机床坐标系的零点。这个原点是在机床调试完成后便确定了，是机床上固有的一个基准点。机床原点用回零方式建立。建立机床原点的过程实质上是建立机床坐标系的过程。

机床坐标系：以机床原点为坐标系原点的坐标系，是机床固有的坐标系，它具有唯一性。机床坐标系是数控机床中所建立的工件坐标系的参考坐标系。

2）工件坐标系和工件原点（如图2-53所示）

工件原点：为编程方便在零件、工装夹具上选定的某一点或与之相关的点。该点也可以是对刀点重合。

工件坐标系：以工件原点为零点建立的一个坐标系，编程时，所有的尺寸都基于此坐标系计算。

工件原点偏置：工件随夹具在机床上安装后，工件原点与机床原点间的距离。

现代数控机床均可设置多个工件坐标系，在加工时通过G指令进行转换。

工件原点选择的原则：

● 工件原点选在工件图样的尺寸基础上。

● 能使工件方便地装夹、测量和检验。

● 工件原点尽量选在尺寸精度高、粗糙度较细的工件表面上。

● 对于有对称形状的几何零件，工件零件最好选在对称中心上。

3）数控机床坐标系的作用

数控机床坐标系是为了确定工件在机床中的位置，机床运动部件特殊位置及运动范围而建立的几何坐标系。建立机床坐标系，可确定机床位置关系，获得所需的相关数据，如图2-54与图2-55所示。

（3）绝对坐标系编程与相对坐标系编程（如图2-56所示）

绝对坐标编程：工件所有点的坐标值基于某一坐标系（机床或工件）零点计量的编程方式。

相对坐标编程：运动轨迹的终点坐标值是相对于起点计量的编程方式（增量坐标编程）。

● 表达方式：G90/G91；X.Y.Z绝对坐标，U.V.W相对坐标。

● 选用原则：主要根据具体机床的坐标系，考虑编程的方便（如图纸尺寸标注方式等）及加工精度的要求，选用坐标的类型。

假设刀具当前位置在A点，快速移动到B点。以下代码的功能相同：

G00 G90 X60.0 Y40.0；
G00 G91 X40.0 Y30.0；

5.分辨率（Resolution）

分辨率是控制系统可以控制的最小位移量。数控机床的最小位移量（最小设定单位、最小编程单位、最小指令增量、脉冲当量）是指数控机床的最小移动单位，它是数控机床的一个重要技术指标，一般为0.0001～0.01mm。

脉冲当量：对应于每一个指令脉冲（最小位移指令）机床位移部件的运动量。

2.4 常用的编程指令

2.4.1 数控系统的指令代码

尽管数控代码是国际通用的，但不同的生产厂家一般都有自定的一些编程规则，因此，在编程前必须认真阅读随机技术文件中有关编程说明，这样才能编制出正确的程序。

2.4.2 G指令编程方法

G指令是国际标准化组织准规定的准备功能指令代码。它是使CNC机床准备好某种运动方式的指令，分为模态指令和非模态指令。

模态指令：一经在一个程序段中指定，其功能一直保持到被取消或被同组其他G指令所代替。

非模态指令：功能仅在所出现的程序段内有效，同组的两个指令不能出现在一个程序段中，不同组的G指令根据需要可以在一个程序段中出现。

表2-4列出了FANUC公司的OM-C铣床G指令。

2.4.3 辅助功能指令

1.M指令

M指令主要用于数控机床辅助设备开、关量的控制，如程序结束，主轴的正、反转，冷却泵的开、停等。由继电器的通电与断电来实现其控制过程。辅助功能M指令由地址字符M与后面两位数字组成，辅助功能M指令如表2-4所示。

其他常用M指令还有：

（1）Ml9：主轴定位。执行M19后可使主轴正转后停在规定的角度上。

（2）M118：主轴定位（反转）。执行M118后可使主轴反向旋转后停在规定的角度上。

（3）M119：主轴定位（以较短的路径转）。

（4）M52、M 53和M54：与G指令固定循环配合使用。

（5）M132、M133：决定机床上的“单段执行”开关（程序逐段执行）有效、无效。

（6）M134、M135：决定机床上的“主轴转速倍率”开关有效、无效。

（7）M136、M137：决定机床上的“进给速度倍率”开关有效、无效。

（8）Ml38、M139：决定机床上的“空运转”开关有效、无效。

（9）M140、M14l：决定机床上的“进给保持”开关有效、无效。

（10）M201～M210：与G100～G120各指令一样可供建立用户宏指令，以简化程序的编制。

2.F、S、T、D指令——续效指令

（1）F指令：进给速度指令。

该指令的表示方法有：

● 代码法：F后跟两位数，这两位数字表示该进给速度的序号。

● 直接指定法：F后所跟的数字就是实际进给速度。如F50表示进给速度为50mm/min。

（2）S指令：主轴转速指令，也有两种表示方法：

● 代码法：S后跟两位数，表示主轴转速的序号。

● 直接指定法：S后所跟的数字就是实际主轴转速。如S1000表示主轴转速为1000r/min。

（3）T、D指令：指定刀具号和刀具长度、半径存放寄存器号指令。

T、D后跟两位数字，如T11、D02等组成指令。其中数字分别表示存放在库中的刀具号和刀具长度、半径补偿寄存器号。上述两个指令分别表示后续加工将选择刀库中11号刀具和采用D02寄存器中的数值进行补偿。

（4）尺寸指令：指定的刀具沿坐标轴移动方向和目标位置的指令。

3.自动编程

自动编程是使用计算机辅助编制数控机床零件加工程序的过程或方法。自动编程系统的组成如图2-57所示。

编程人员根据零件设计要求和现有工艺，使用自动编程软件生成刀位数据文件CLF，再进行后置处理，生成加工程序，然后通过磁盘、（纸带）或通信接口输入数控机床。

自动编程方式有以下几种：

（1）语言自动编程

APT（Automatically Programmed Tool）是由美国MIT研究开发的数控自动编程系统。采用一种对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动进行定义时所用的一种接近英语的符号语言编程。

例如：CUTTER/10

LN1=LINE/20，20，20，70

CIR=CIRCLE/10，0，50，50，100

FROM/SETPT

FEDRAT/F01

GOTO/SETPT

目前使用的APT系统有APT II、APT III、APT IV。其中APT II适用于曲线自动编程，APT III适用于3～5坐标立体曲面自动编程，APT IV适用于自由曲面自动编程。由于APT系统语言词汇丰富，定义的几何类型多，并配有多种后置处理程序，通用性好，因此在世界范围内获得广泛应用。

以下是一份计算机自动编程实例代码（零件图如图2-58所示）：

PARTNO/SAMPLE  PART  PROGRAM  C5;零件源程序号为试件程序C5
SAPT=POINT/0，0，0           ;SAPT为起刀点的代号，即坐标系原点
L1=LINE/16，8，0，16，32，0  ;直线L1的两点坐标值
P1=POINT/16，32，0          ;
L2=LINE/P1，ATANGL，45      ;直线L2为过P1点并与X轴夹角为45°
L3=LINE/32，48，0，48，48，0 ;
L4=LINE/56，20，0，56，40，0 ;
L5=LINE/0，8，0，40，8，0   ;
C1=CIRCLE/48，40，0，8      ;圆C1 圆心坐标为X=48，Y=40，Z=0，R为8
C2=CIRCLE/56，8，0，12
CUTTER/10     ;刀具直径φ10
OUTTOL/0.05   ;轮廓外容差≤0.05
SPINDL/1600，CLW      ;主轴转速1600r/min，顺时针方向回转
COOLNT/ON             ;打开冷却液
FEDRAT/500            ;进给速度为00mm/min
FROM/SAPT             ;刀具起始点为SAPT点
GO/TO，L1             ;刀具从点SAPT开始以最短距离向L1运动，直至与L1相切
TLLFT                 ;顺着切削运动方向看，刀具处在零件左边的位置
COLFT/L1，PAST，L2    ;刀具到达L1时，相对于前一运动向左并沿L1运动，直到走过L2时为止
GORGT/L2，PAST，L3    ;从L2的运动方向看，刀具向右沿L2运动，直到走过L3时为止
GORGT/L3，TANTO，C1   ;向右沿L3运动，直到与C1圆相切为止
GOFWD/C1，TANTO，L4   ;向前沿C1圆运动，直到与L4相切
GOFWD/L4，PAST，C2    ;
GORGT/C2，PAST，L5    ;
GORGT/L5，PAST，L1    ;
GOTO/SAPT             ; 走到SAPT点
GOOLNT/OFF            ; 关闭冷却液
SPINDL/OFF            ; 主轴停
FINI                  ; 零件源程序结束

（2）图形自动编程

这种编程方式以图形要素为输入方式。从编程数据的来源，零件及刀具几何形状的输入、显示和修改，刀具运动的定义，刀具轨迹的生成，加工过程的动态仿真显示，直至数控加工程序的产生都是在图形交互方式下得到的，不需要使用数控语言（APT源程序），具有形象、直观、高效等优点。

图形编程方法使用CAD/CAM系统，使用人机交互手段，通过定义零件毛坯、加工刀具、切削参数、走刀路线、走刀方式、加工误差等内容，由CAD/CAM系统自动加工路径刀位，通过后置处理，生成数据机床的加工程序。数控加工刀位的计算，是图形自动编程的基础。

（3）CAD/CAM软件系统

具有计算机辅助设计（Computer Aided Design）和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing）功能的系统简称CAD/CAM系统，它是指以计算机作为主要技术手段来生成和运用各种数字信息与图形信息，以进行产品设计和制造的系统。

CAD/CAM系统应具备以下基本功能：

● 交互图形输入和输出功能

● 几何造型功能（曲线和曲面造型；实体造型；物体几何特性计算功能）

● 有限元分析功能

● 优化设计功能

● 处理数控加工信息功能

● 统一的数据管理功能

● 二维绘图功能

常用CAD/CAM软件有：

● UG

● CATIA

● PRO / E

● CIMATRON

● MasterCAM

● DELCAM

● CAXA制造工程师

● EdgeCAM

CAD/CAM的主要处理过程有：

● 几何造型

● 产生刀具走刀路径

● 后置处理

2.5 数控加工的工艺分析

数控加工工作中的工艺处理是一个十分重要的环节，它关系到所编零件加工程序的正确性和合理性。由于数控加工过程是在加工程序的控制下自动进行的，所以对加工程序的正确性与合理性要求极高，不能有丝毫差错，否则加工不出合格的零件。正因为如此，在编写程序前，编程人员必须对加工工艺过程、工艺路线、刀具切削用量等进行正确、合理地确定和选择。

2.5.1 数控加工的工艺特点

（1）数控加工工艺内容要求更加具体、详细。

（2）数控加工工艺要求更严密、精确。

（3）制定数控加工工艺要进行零件图形的数学处理，计算编程尺寸设定值。

（4）考虑进给速度对零件形状精度的影响。

（5）强调刀具选择的重要性。

（6）数控加工工艺的工序相对集中，工序内容比普通机床加工的复杂。

（7）数控加工程序的编写、校验与修改是数控加工工艺的一项特殊内容。

2.5.2 数控加工工艺内容的选择

1.适于数控加工的内容

（1）普通机床无法加工的内容应作为优先选择内容。

（2）普通机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容。

（3）普通机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容，可在数控机床尚存在富裕加工能力时选择。

2.不适于数控加工的内容

（1）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。

（2）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，可安排普通机床补加工。

（3）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。

2.5.3 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：

● 尺寸标注应符合数控加工的特点。

● 几何要素的条件应完整、准确。

● 定位基准可靠。

● 统一几何类型及尺寸。

1.数控加工工艺路线

数控加工工艺路线设计往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而仅是指几道数控加工工序工艺过程的具体描述，因而要与其他加工工艺衔接好，常见工艺流程如图2-59所示。

设计数控加工工艺路线时应注意以下几个问题：

（1）数控加工工序的划分

● 工序的划分原则；

● 先面后孔的原则；

● 刀具集中的原则；

● 粗、精分开的原则；

● 按部位分序的原则。

（2）顺序的安排

顺序安排一般应按以下原则进行：

① 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应综合考虑；

② 先进行内腔加工，后进行外形加工；

③ 以相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数。

（3）数控加工工艺与普通工序的衔接

数控加工工序前后一般都穿插有其他普通加工工序，如衔接得不好就容易产生矛盾。因此在熟悉整个加工工艺内容的同时，要清楚数控加工工序与普通加工工序各自的技术要求、加工目的、加工特点，如要不要留加工余量，留多少；定位面与孔的精度要求及形位公差；对校形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态等，这样才能使各工序达到相互满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。

2.数控加工工艺简介及数控加工方法

（1）数控加工的工艺分析

数控加工零件除按一般方式对零件进行工艺分析外，还须注意要选择合适对刀点。对刀点（起刀点）是数控加工时刀具相对零件运动的起点，也是程序的起点。对刀点选定后，便确定了机床坐标系和零件坐标系之间的相互位置关系。对刀点可是工件或夹具上的点，或与它们相关的易于测量的点。

使用对刀点便于用数字处理和简化程序编制，引起加工误差小。对刀点应在机床上找正容易，加工中便于检查。

● 刀位点：用于确定刀具在机床坐标系中位置的刀具上的特定点。刀具在机床上的位置是由“刀位点”的位置来表示的。不同的刀具，刀位点不同，如图2-60所示。

● 对刀：就是使“对刀点”与“刀位点”重合的操作。

● 换刀点：应根据工序内容来作安排，为了防止换刀时刀具碰伤工件，换刀点往往设在距离零件较远的地方。

图2-61给出了确定对刀点的例子。

（2）常用的对刀方法

1）一般对刀

一般对刀是指在机床上使用相对位置检测手动对刀。下面以Z向对刀为例说明对刀方法，见图2-62。

刀具安装后，先移动刀具手动切削工件右端面，再沿X向退刀，将右端面与加工原点距离N输入数控系统，即完成刀具Z向对刀过程。

手动对刀是基本对刀方法，但它还是传统车床的“试切-测量-调整”的对刀模式，占用较多的在机床上时间。

2）机外对刀仪对刀（如图2-63所示）

机外对刀的本质是测量出刀具的假想刀尖点到刀具台基准之间X及Z方向的距离。利用机外对刀仪可将刀具预先在机床外校对好，将刀具装上机床后输入对刀长度相应刀具补偿号即可以使用。

3）自动对刀（如图2-64所示）

自动对刀是通过刀尖检测系统实现的，刀尖以设定的速度向接触式传感器接近，当刀尖与传感器接触并发出信号，数控系统立即记下该瞬间的坐标值。

4）自动对刀要选择合理的切削参数，有以下几点：

① 切削深度（吃刀量ap）

一般与刀具直径d成正比，与切削宽度L、切削速度V成反比。主要根据机床、夹具、工件、刀具的刚性决定。在允许情况下，最好一次切除余量，提高加工效率。有时为了改善表面粗糙度和加工精度，留一点余量（0.2～0.5mm），作为最后的光整加工余量。图2-65为切削深度与切削宽度的示意图。

② 主轴转速（n转/分）

根据公式来确定。

其中，D代表工件或刀具直径（mm）；

v代表允许的切削速度（m/min）。

③ 进给速度（进给量）F（mm/min或mm/转）

根据零件的加工精度、表面粗糙度、切削方式、刀具刚度、工件材料选择进给速度。加工精度要求高时，F选少一些。一般选在（20-50）mm/min

F 在程序中的表示法随控制机不同而不同，在轮廓加工中，拐角较大且进给速度较高时，应在接近拐角处适当降低速度。

粗加工：首先考虑选择一个尽可能大的吃刀量ap，其次选择一个较大的进给量F，最后确定一个合适的切削进度v。增大吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量F有利于断屑，因此根据以上原则选择粗车切削用量对于提高生产效率，减少刀具消耗，降低加工成本是有利的。

精加工：加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且均匀，因此选择较小（但不太小）的吃刀量ap和进给量 F，并选用切削性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度v。

在安排粗、精车削用量时，应注意机床说明书给定的允许切削用量范围。对于主轴采用交流变频调速的数控车床，由于主轴在低转速时扭矩降低，尤其应注意此时的切削用量选择。

总之，切削用量的具体数值应根据机床性能，相关的手册并结合实际经验用模拟方法确定。同时，使主轴转速、吃刀量及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。

（3）选择合理的刀具

常用车刀的主要类型及刀具材料如图2-66所示。

（4）确定走刀路线

走刀路线是指在数控加工中，刀具刀位点相对于工件运动的轨迹。走刀路线不仅包括了加工内容，也反映出加工顺序，是编程的依据之一。

确定走刀路线的原则：

● 应保证被加工工件的精度和表面粗糙度。

● 应使加工路线最短，减少空行程时间，提高加工效率。

● 在满足工件精度、表面粗糙度、生产率等要求的情况下，尽量简化数学处理时的数值计算工作量，以简化编程工作。

选择切入点应遵循以下原则（如图2-67所示）：

● 粗加工选择曲面内的最高角点作为切入点。

● 精加工选择曲面内某个曲率比较平缓的角点作为切入点。

● 避免铣刀当钻头使用，否则因受力大而损坏。

● 能连续完整的加工曲面。

● 非加工时间短。

● 避免引入反向误差。数控机床在反向运动时会出现反向间隙，如果在走刀路线中将反向间隙带入，就会影响刀具的定位精度，增加工件的定位误差。

● 在切入工件前应该已经完成刀具半径补偿，而不能在切入工件时同时进行刀具补偿，这样会产生过切现象。为此，应在切入工件前的切向延长线上另找一点，作为完成刀具半径补偿点。

（5）孔类加工（钻孔、镗孔）（如图2-68所示）

原则：在满足精度要求的前提下，尽可能减少空行程。孔类加工时，应使刀具尽量按规律运动。

（6）铣削

在铣削轮廓表面时一般采用立铣刀侧面刃口进行切削，由于主轴系统和刀具的刚度变化，当沿法向切入工件时，会在切入处产生刀痕，所以应尽量避免沿法向切入工件，如图2-69（a）所示。

当铣切内表面轮廓形状时，也应该尽量遵循从切向切入的方法，但此时切入无法外延，最好安排从圆弧过渡到圆弧的加工路线，如图2-69（b）所示。

（7）旋转体类零件的加工方法

采用数控车床或数控磨床加工。车削零件的毛坯多为棒料或锻坯，加工余量较大且不均匀，在编程中，粗车加工线路要重点考虑。

难加工部位的工艺问题（图2-70）：

图2-70（a）圆圈所示的加工部位较难加工。有以下两种方法：

● 图2-70（b）所示方法：当处在轴向进刀时，切削力会陡增而且排屑不畅，极易引起崩刃。

● 图2-70（c）所示方法：由于没有单独的轴向进刀，切削条件大为改善，切程序段数可减少一半。

（8）刀具干涉

在连续切削的数控机床上，多数是使用立铣刀且几乎都是用侧刃进行切削，往往会产生刀具的干涉现象，如图2-71所示。为了避免刀具的干涉，一般采用小直径的铣刀来加工，但在加工时因受力变形而产生的刀具弯斜量直接影响加工精度。

虽然可把刀具的倒锥磨好以减轻刀具的弯斜量，但也不能最好地解决问题，特别在加工三维曲面更明显出现加工干涉区或加工盲区。

就加工的可能性而言，在不出现加工干涉区或加工盲区时，复杂曲面一般可以采用球头铣刀进行3坐标联动加工；如果工件还存在加工干涉区或加工盲区，就必须考虑采用4坐标或5坐标联动的机床来加工了。

（9）加工过程误差

加工过程误差是加工误差的主体，主要包括数控系统（包括伺服）的误差和整个工艺系统（机床-刀具-夹具-毛坯）内部的各种因素对加工精度的影响。编程误差是指用NC系统具备的插补功能去逼近任意曲线时所产生的误差。

数控编程误差可分为四类：

● 逼近误差：用近似方法逼近零件轮廓时产生的误差。它出现在用直线段或圆弧逼近曲线轮廓及用样条曲线拟合曲线或曲面的情形。

● 插补误差：用样条曲线拟合零件轮廓后，在计算加工刀位点时，仍需用微直线段或圆弧段作二次逼近，由此产生插补误差。其大小可根据零件的加工精度确定。

● 圆整误差：在编程中，由于数据处理、脉冲当量转换、小数圆整时产生的误差。

● 残余高度误差：加工时两条切削路径之间刀具切削产生的材料余留高度。

3.填写数控加工技术文件

数控加工技术文件主要有：数控编程任务书、工件安装和原点设定卡片、数控加工工序卡片、数控加工走刀路线图、数控刀具卡片等。文件格式可根据企业实际情况自行设计。

（1）数控编程任务书

它阐明了工艺人员对数控加工工序的技术要求和工序说明，以及数控加工前应保证的加工余量。它是编程人员和工艺人员协调工作和编制数控程序的重要依据之一，如图2-72所示。

（2）数控加工工件安装和原点设定卡（简称装夹图和零件设定卡）

它应表示出数控加工原点定位方法和夹紧方法，并应注明加工原点设置位置和坐标方向，使用的夹具名称和编号等，如图2-73所示。

（3）数控加工工序卡片

数控加工工序卡与普通加工工序卡有许多相似之处，所不同的是：工序简图中应注明编程原点与对刀点，要进行简要编程说明（如：所用机床型号、程序编号、刀具半径补偿、镜向对称加工方式等）及切削参数（即程序编入的主轴转速、进给速度、最大背吃刀量或宽度等）的选择，如图2-74所示。

（4）数控加工走刀路线图

数控加工走刀路线图告诉操作者关于编程中的刀具运动路线（如从哪里下刀、在哪里抬刀、哪里是斜下刀等）。为简化走刀路线图，一般可采用统一约定的符号来表示。不同的机床可以采用不同的图例与格式，图2-75为一种常用格式。

（5）数控刀具卡片

数控刀具卡片反映刀具编号、刀具结构、尾柄规格、组合件名称代号、刀片型号和材料等。它是组装刀具和调整刀具的依据，如图2-76所示。

2.6 本章小结

本章详细介绍了数控加工基础方面的知识、数控加工的基本原理及数控加工与有关CAD/CAM软件之间的联系及数控加工工艺参数在软件中的实现。

学习UG NX 5.0中文版数控加工的用户必须要具备一定的数控加工基础，假如读者没有这方面的经验，通过本章的学习，同样可以比较好地掌握数控加工方面的基础知识。

2.7 思考与练习

1.思考题

（1）名词解释：数字控制、数控机床、点位控制系统、轮廓控制系统、开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。

（2）NC机床由哪儿部分组成，试用框图表示各部分之间的关系，并简述各部分的基本功能。

（3）试从控制精度、系统稳定性及经济性三方面，比较开环、闭环、半闭环系统的优劣。

（4）从NC系统、联动轴数、伺服系统、机床来看，NC机床各分为几类，它们各用于什么场合？

（5）NC机床适用于加工哪些类型零件，不适用于哪些类型的零件，为什么？

（6）NC机床零件加工程序的编制方法有几种？试简述它们的特点。

（7）名词解释：对刀点、刀位点、坐标轴、坐标系、机床原点、工件原点、模态/非模态指令、联动、行切法。

（8）试解释下列指令的意义：G00 G01 G02 G03；G40 G41 G42；G04；G90 G91；G92；G54 G55；G17 G18 G19；M02；M03 M04 M05；M07 M08。

（9）试说明坐标系与工件坐标系各自的功用，以及它们的相互关系和如何确定它们的相互关系。

（10）请按ISO标准，判别数控机床的坐标系，并说明各坐标轴运动方向的确定原则（即说明所确定的方向是刀具还是工件的运动方向）。

2.练习题

（1）编程：自选零件形状编制零件加工程序。