第二章 数控编程基础
第一节 概 述
【教学目的】掌握程序编制的基本概念；了解程序编制的内容、步骤
【教学重点】程序编制的内容和步骤
【教学难点】程序编制的内容和步骤
【教学方法及手段】课堂讲授，CAI。
【课外作业】2.1；2.2
【学时分配】0.3
【教学内容】数控编程的基本概念；程序编制的内容、步骤
【自学内容】数控编程的方法
一.数控编程的基本概念
图2—1
如铣加工图2-1轮廓ABCD，加工的顺序、直线的长度、方向，圆弧的起点位置和终点位置属几何信息；进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等属工艺信息。首先根据被加工零件图样确定零件的几何信息及工艺信息，再根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序单，再把这些以数字信息的形式记录在控制介质上，用控制介质上的信息来控制机床，实现零件的全部加工过程。这种从零件图样到制成控制介质的全部过程称为数控编程。数控系统的种类繁多，它们使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同，我们以ISO国际标准为主来介绍加工程序的编制方法。当针对某一台数控机床编制加工程序时，应该严格按机床编程手册中的规定进行程序编制。
二.数控编程的内容和步骤。
图2—2
数控编程的内容：分析图样并确定加工工艺过程、数值计算、编写零件加工程序、制作控制介质、程序校验和试切削。（图2—2）
数控编程的步骤：
1. 分析图样、确定加工工艺过程
首先分析图样，根据零件的材料、形状、尺寸、精度、毛坯形状和热处理要求等确定加工方案，选择合适的数控机床。并确定加工工艺过程，主要考虑：确定加工方案，刀具、工夹具的设计和选择，选择对刀点，确定加工路线，确定切削用量等。
2. 数值计算
数值计算指：按已确定的加工路线和允许的零件加工误差，计算出所需的输入数控装置的数据。其主要内容是在规定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动的轨迹的坐标值。
3. 编写零件加工程序
根据所使用数控系统的指令、程序段格式，逐段编写零件加工程序。
4. 制作控制介质
将编制好的程序单上的内容记录在控制介质上作为数控装置的输入信息。
5. 程序校验和试切削
通常采用空走刀校验、空运转画图校验等。
第二节 编程的基础知识
【教学目的】熟练掌握零件加工程序结构，数控机床坐标系和功能代码
【教学重点】零件加工程序结构；功能代码
【教学难点】数控机床坐标系
【教学方法及手段】课堂讲授，CAI。
【课外作业】2.4；2.5；2.6
【学时分配】2.0
【教学内容】程序的结构；数控机床的坐标系；功能指令
一.程序的结构
1．程序的构成
零件加工程序由程序号和若干个程序段组成。每个程序号由程序号地址码和程序的编号组成；每个程序段又由程序段号和若干个指令字组成，每个指令字由字母、符号、数字组成。每段程序由；结束。
如： 程序号地址码
程序号 O0100 程序的编号（100号程序）
程序段 N0010 G91 G01 Z-7 F60；
N0020 G04 X5；
N0030 G00 Z-07 M02；
程序段号 地址码 符号和数字
2．程序段格式
程序段的长短、字数和字长都是可变的，字的排列顺序没有严格要求，不需要的字及与上一程序段相同的续效字可以不写。程序段一般格式为：
N——G——X——Y——Z——…F¬——S——T——M—— ；
程序段号字 准备功能字 尺寸字 进给功能字 主轴转速功能字 刀具功能字 辅助功能字
3．主程序和子程序
二.数控机床的坐标系
1.坐标轴的命名
坐标轴采用右手直角笛卡尔坐标系进行命名。（图2—3）
图2—3
1. 坐标轴的命名规定
(1)坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。
(2) A、B、C分别表示绕X、Y、Z的轴线或绕与X、Y、Z轴线相平行的轴的转动。其正方向用右手螺旋定则确定。
(3)加工过程中不论是刀具移动还是工件移动，一律假定工件静止不动，而刀具在移动，并规定刀具远离工件的运动方向为坐标轴的正方向。
(4)如果把刀具看作静止不动，工件移动，那么在坐标轴的字母上加“′”，如 等；加“′”字母表示的工件运动正方向与不加“′”之同一字母表示的刀具运动方向相反。
2. 机床坐标系的确定方法
图2-4卧式车床 图2-5立式升降台铣床 图2-6牛头刨床 图2-7卧式升降台铣床
确定机床坐标轴时，一般先确定Z轴，再确定X轴和Y轴。
(1) Z轴。平行于机床主轴（传递切削动力）的轴线作为Z轴，刀具远离工件的方向为Z轴的正方向。
对于有主轴的机床：如卧式车床和立式升降台铣床等，以机床主轴轴线作为Z轴；
对于没有主轴的机床：如牛头刨床，规定垂直于装夹面的坐标轴为Z轴。
对于有几根主轴的机床：如龙门铣床，选择其中一个与工作台面相垂直的主轴为主要主轴，并以它来确定z轴方向。
(2) X轴。X轴位于水平面内，垂直于Z轴并平行于工件装夹面。
对于工件旋转的机床：如车床，X轴在工件的径向并平行于横向拖板，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向。
对于刀具旋转的机床：若Z轴是水平的，如卧式铣床、镗床等，则从刀具(主轴)后端向工件方向看，X轴的正方向指向右边。若Z轴为垂直的，如立式铣床、钻床等，面对刀具(主轴)向立柱方向看，X轴的正方向指向右边。
对于无主轴的机床：如刨床等，则选定主要切削方向为X轴方向。
(3) Y轴。Y轴方向根据已选定的Z、X轴按右手直角笛卡尔坐标系来确定。
(4) A、B、C的转向。选定X、Y、Z坐标轴后，根据右手螺旋定则来确定A、B、C三个转动的正方向。
(5) 附加坐标。如果机床在基本的直角坐标系X、Y、Z外，另有轴线平行于它们的坐标系，则附加的直角坐标系指定为U、V、W和P、Q、R。
2. 工件坐标系与编程坐标系
1. 机床坐标系与机床原点及机床参考点
机床坐标系：数控机床安装调试时便设定好的固定坐标系，并设有固定的坐标原点，就是机床原点 （机械原点），定义是：数控机床进行加工运动的基准参考点
机床参考点 ：用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。是机床坐标系中一个固定不变的极限点，其固定位置由各轴向的机械挡块来确定。对数控铣床、加工中心而言，机床参考点与机床原点重合，一般取在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上；对数控车床（如图2-8），机床原点取在卡盘右端面与旋转中心线的交点之处，机床参考点在车刀退离主轴端面和旋转中心线最远的某一固定点。
2. 编程坐标系：编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。对一般零件，工件坐标系即为编程坐标系，工件原点亦即编程原点,用符号 表示。编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。编程原点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上，编程坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致，
3. 工件坐标系与工件原点
工件坐标系：以确定的工件原点为基准所建立的坐标系。工件原点 （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。（图2—8）
4. 机床坐标系与工件坐标系的关系
机床坐标系与工件坐标系的相应坐标轴一般相平行，方向也相同，但原点不同。工件原点与机床原点间的距离称为工件原点偏置，加工时，这个偏置值需预先输入到数控系统中。（图2—9）
图2—8 图2—9
例1 确定图2-5立式升降台铣床的机床坐标系。
解：（1）根据刀具相对运动的规定，确定Z、X、Y坐标的正方向，即确定工件坐标系：
○1 Z坐标：平行于主轴，刀具离开工件的方向为正。
○2 X坐标：Z坐标垂直，且刀具旋转，所以面对刀具主轴向立柱方向看，向右为正。
○3 Y坐标：在Z、X坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。
（2）根据刀具和工件实际相对运动的情况，确定：
在Z方向上，是工件相对刀具运动的，所以，机床坐标系在此方向上是Z′，正方向与Z相反，向下为正。
同理，可得到 +X′和 +Y′坐标及方向。
图2—10
3.绝对坐标系与相对坐标系
绝对坐标系：所有坐标值均从坐标原点计量的坐标系。所用的编程指令称为绝对指令。绝对坐标常用X、Y、Z代码表示。
增量坐标系：运动轨迹的终点坐标值相对于起点计量的坐标系，其坐标原点是移动的。所用的编程指令称为增量指令。增量坐标常用U、V、W代码表示。
如图2—10，加工直线AB，在绝对坐标系中表示B点坐标值：XB＝30，YB＝50；在增量坐标系中表示B点坐标值为：UB＝20，VB＝30。
4.最小设定单位与编程尺寸的表示法
最小设定单位：数控系统能实现的最小位移量，又称脉冲当量（0.01～0.0001㎜）。编程时，所有的编程尺寸都应转换成与最小设定单位相对应的数量。
编程尺寸有两种表示法：○1 以最小设定单位为最小单位来表示；
○2 以毫米为单位，以有效位小数来表示。
如：X=524.295㎜，Y=36.52㎜，最小设定单位为0.01㎜，则：
○1 法表示：X52430 Z3652
○2 法表示：X524.30 Z36.52
三.功能指令简介
程序段中的指令字可分为尺寸字和功能字（功能指令），功能指令可分为：准备功能G指令、辅助功能M指令，以及F、S、T指令。
1.准备功能G指令
准备功能G指令：使机床或数控系统建立起某种加工方式的指令。
模态代码（续效代码）：该代码在一个程序段中被使用后就一直有效，直到出现同组中的其它任一G代码时才失效。
非模态代码（非续效代码）：只在有该代码的程序段中有效的代码。
G指令通常位于程序段中尺寸字之前。
例2 N010 G90 G00 X16 S600 T01 M03；
N020 G01 X8 Y6 F100；
N030 X0Y0；
N010程序段中，G90，G00都是续效代码，但他们不属于同一组，故可编在同一程序段中；N020中出现G01，同组中的G00失效，G90不属同一组，所以继续有效；N030程序段的功能和N020程序段相同，因G01是续效代码，继续有效，不必重写。
2.辅助功能M指令
辅助功能指令：主要用于机床加工操作时的工艺性指令。M指令也有续效指令和非续效指令。
1、程序停止指令（M00）。M00实际上是一个暂停指令。程序运行停止后，模态信息全部被保存，利用机床的“启动”键，可使机床继续运转。该指令经常用于加工过程中测量工件的尺寸、工件调头、手动变速等固定操作。
2、选择停止指令（M01）。该指令的作用和M00相似，但它必须是在预先按下操作面板上的“选择停止”按钮并执行到M01指令的情况下，才会停止执行程序。如果不按下“选择停止”按钮，M01指令无效，程序继续执行。该指令常用于工件关键性尺寸的停机抽样检查等，当检查完毕后，按“启动”键可继续执行以后的程序。
3、程序结束指令（M02）。当全部程序结束后，用此指令可使主轴、进给及切削液全部停止，并使机床复位。
4、与主轴有关的指令（M03、M04、M05）。M03表示主轴正转，M04表示主轴反转。所谓主轴正转，是从主轴向Z轴正向看，主轴顺时针转动；而反转时，观察到的转向则相反。M05为主轴停止，它是在该程序段其它指令执行完后才执行的。
5、换刀指令（M06）。M06是手动或自动换刀指令。它不包括刀具选择功能，常用于加工中心换刀前的准备工作。
6、与切削液有关的指令（M07、M08、M09）。M07、M08为切削液开，M09为切削液关。
7、运动部件夹紧与松开（M10、M11）。M10为运动部件的夹紧，M11为运动部件的松开。
8、程序结束指令（M30）。M30与M02基本相同，但M30能自动返回程序起始位置，为加工下一个工件作好准备。
3. F、S、T指令
1、进给速度指令（F）。用进给速度指令用字母F及其后面的若干位数字来表示，单位为mm/min或mm/r。例如，F150表示进给速度为150mm/min。
2、主轴转速指令（S）。用字母S及其后面的若干位数字来表示，单位为r/min。例如，S300表示主轴转速为300r/min。
3、刀具号指令（T）。在自动换刀的数控机床中，该指令用以选择所需的刀具号和刀补号。刀具用字母T及其后面的两位或四位数字表示。如T06表示6号刀具，T0602表示6号刀具选用2号刀补号。
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