技术

1.1数控加工程序的结构与格式
    普通机床的加工是由操作人员手动操作的，而数控机床的动作指令是由数控程序来控制的。数控程序的编制通常有三种途径：①手工编程：②用数控语言进行辅助编程：③用CAD/CAM软件进行计算机自动编程。要熟悉一个数控机床的控制系统，掌握手工编程方法是最为有效的途径。因为不论是用数控语言进行计算机辅助编程或是利用CAD/CAM软件进行计算机自动编程，输出的源程序或刀位文件都必须经过后置处理系统转换成机床控制系统规定的加工指令程序格式。所以，掌握手工编写加工指令程序的方法是数控编程人员的基本功。本节主要介绍手工编程的基础知识。
一、数控加工程序的格式 
    一个完整的数控加工程序是由若干程序段组成，数控加工程序段的格式有两种：字地址格式和分隔符格式。 
    字地址格式： 
    概念：如果一个程序段是由若干个英文字母且每个字母后面附有数字，则这种程序格式称为字地址格式。 
    英文字母称为字地址，英文字母及其后面的数字组成数控字，简称字，字的含义由头一个字地址确定，每个字表示一种功能。如数控车床编程格式： N002G01X1000Z1500F0150S300T12M03EOB 
    特点：不需要的字或与商议程序段相同的字均可不写，字的顺序稍有出入时不影响各字的功能。 
    分隔符格式： 
    概念：用固定分隔符代替相当于字地址格式种的字地址的格式。如线切割机床编程格式： BXBYBJGZ 
    特点：代码顺序已固定好，不允许改变。
二、数控加工程序的结构 
    一个完整的数控加工程序是由若干程序段组成，每个程序段是按照一定顺序排列、能使数控机床完成某特定动作的一组指令，每个指令都是由地址字符和数字所组成。例如，某一加工程序： 
    % 
    O020 
    N001 G01 X80 Z-30 F0.2 S300 T0101 M03 LF 
    N002X120 Z-60LF 
    …… 
    N125 G00 X500 Z200M02 LF 
    这表示一个完整的加工程序，它由125个程序段按操作顺序排列而成。整个程序以“%”开始，以M02（或M30）作为全程序的结束。每个程序段用序号“N”开头，用LF结束。具体说明如下：
1．程序段格式一般如下： 
    N_G_ X_Y_Z_(或U_V_W_)I_J_K_(或R_)T_H_(或D_)S_M_F_ LF
2. 程序格式 
    一个完整的程序必须由三部分组成，即：准备程序段、加工程序段和结束程序段。 
    (1)准备程序段 
    准备程序段是程序的准备部分，必须位于加工程序段的前面，其内容包括： 
    ①程序号：O01~O99或%，有的数控系统可以没有程序号； 
    ②确定坐标值的输入方式：G90或G91； 
    ③建立工件坐标系：G92或G54~G59中的任一个； 
    ④刀具选取：T_或T__； 
    ⑤主轴转速与旋转方向：S_、M03或M04； 
    ⑥冷却液打开：M08； 
    ⑦刀具快速定位： G00X_Y_； 
    G00Z_； 
    (2)加工程序段 
    加工程序段是根据具体要加工零件的加工工艺，按刀具轨迹编写的。 
    (3)结束程序段 
    结束程序段一般包括以下内容： 
    ①刀具快速回退到程序起点； 
    ②主轴停转M05； 
    ③冷却液关闭M09； 
    ④取消刀具补偿G40或G49； 
    ⑤程序结束代码M02或M30。 
    注意： 
    ①当程序是以%开始时，程序的最后一行一般也应以%为结束标志。 
    ②程序段的结束符号(LF、“；”、“*”、“$”、CR等)在一个程序中应保持统一。
三、主要数控加工功能指令
1. 程序段序号 
    由字母N和其后几位数字组成，用来表示程序执行的顺序，用作程序段的显示和检索。
2. 准备功能字 
    准备功能字（也称G指令）由字母G和其后两位数字组成。G指令是与机床运动有关的一些指令，包括坐标系设定、坐标平面选择、坐标尺寸表示方法、插补、刀补、固定循环等方面的指令。ISO及我国有关标准中规定的G指令可参考ISO-1975以及JB3208-83。G代码有G00~G99共100种，下面列出一部分常用的G指令： 
    插补类指令：G00（快速直线）、G01（直线）、G02（顺圆）、G03（逆圆）等； 
    平面选择类指令：G17（XY平面）、G18（ZX平面）、G19（YZ平面）； 
    刀补类指令：G40（取消刀补）、G41（左刀补）、G42（右刀补）； 
    坐标方式指令：G90（绝对坐标）、G91（相对坐标） 
    固定循环类指令：G80（取消固定循环）、G81~G89（各种循环）。 
    ……
3. 坐标功能字 
    坐标功能字由坐标的地址代码、正负号、绝对坐标值或增量坐标值表示的数值等三部分组成，用来指定机床各坐标轴的位移量和方向。坐标的地址代码为：X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、I、J、K、A、B、C、D、E等。坐标的数量由插补指令决定，数值的位数由数控系统规定。
4. 进给功能字 
    进给功能字由字母F和其后的几位数字组成，表示刀具相对于工件的运动速度。进给速度常用的指定方法有直接指定法和时间倒数指定法。 
    直接指定法：在F后面按照规定的单位直接写出要求的进给速度，单位为mm/min。在加工螺纹时，进给速度为主轴每转的走刀量，单位为mm/r。 
    时间倒数指定法：这种指定发给出F后面的数字是刀具以一定的进给速度走完编程轨迹所用时间的，单位为min-1。
5. 主轴转速功能字 
    主轴转速功能字由字母S和其后的几位数字组成，用以设定主轴速度。一般采用直接指定法，即在S后面直接写上要求的主轴速度，单位为r/min。
6. 刀具功能字 
    刀具功能字由字母T和其后的几位数字组成，用来指定刀具号和刀具长度补偿。不同的数控系统有不同的指定方法和含义，例如T10，可表示选择10号刀具，刀具长度补偿按10号数字拨盘所设定的数字进行补偿；又如T1012，表示10号刀具，按存储在内存中的12号补偿值进行长度补偿。
7. 辅助功能字 
    辅助功能字（也称M代码）由字母M和其后的两位数字组成，主要用于数控机床开关量的控制。如主轴的正、反转，冷却液通、断，程序结束等。ISO国际标准中，M代码有M00~M99共计100种，常用的M指令有： 
    程序结束类：M00（程序暂停）、M01（计划停止）、M02（程序结束）等； 
    主轴控制类：M03（主轴顺转）、M04（主轴逆转）、M05（主轴停止）； 
    冷却液控制类：M08（冷却液打开）、M09（冷却液关闭）； 
    程序调用：M98（调用子程序）、M99（子程序结束、返回主程序）。 
    ……
8. 程序段结束符 
    程序段的末尾必须有一个程序段结束符号，ISO标准中为LF，EIA标准中为CR。
1.2 数控加工编程举例
一、FANUC-6M数控系统加工程序格式及编程方法 
    该系统具有直线、圆弧插补功能和刀具补偿功能（含刀具长度方向的补偿），可采用相对坐标或绝对坐标编程，脉冲当量为0.001mm／脉冲。指令代码采用ISO标准或EIA标准规定的代码。
程序段的一般格式： 
    N（数字）G△△（一组）X（数字）Y（数字）Z（数字）I（数字）J（数字）K（数字）F（数字）S（数字）T（数字）M△△ D△△ EOB 
    N 为程序段序号，范围为1-99999。该序号为任选项，其作用为序号显示，程序段检索或作为转子程序标号。 
    G 为准备功能指令，该系统一共定义了60多种G指令，但最常用的有下列五组。 
    (1) 坐标系设定与选择指令 
    G92：坐标系设定，即指定起刀点相对工件编程坐标系（简称工件坐标系）原点的位置； 
    G54：工件坐标系选择，即指定工件坐标系原点离参考点（机床原点，由机床厂设定）的距离。 
    G92与G54在同一程序中一般不能混用，编制零件加工程序时，根据各人对坐标系指定的习惯而选用。 
    (2) 绝对／相对坐标编程选择指令 
    G90：绝对坐标编程； 
    G91：相对坐标编程。 
    (3) 定位与插补指令 
    G00：定位控制，即刀具从一点快速移动到另一点。 
    G01、G02、G03：分别为直线插补和圆弧插补（G02为顺圆；G03为逆圆）。 
    (4) 平面选择指令 
    G17、G18、G19：分别为XOY、ZOX、YOZ平面选择。 
    (5) 刀具半径补偿与取消指令 
    G41、G42、G40：分别为刀具左偏、右偏与取消刀偏。 
    刀具半径补偿值的大小，取决于其后D代码后的刀补号（见后面D代码的说明）所对应的偏置值（根据所选用的刀具半径，由操作人员输入）。 
    上述G指令均是模态指令，即在后续程序段中只要不被同组G指令替代，则在程序中一直有效。另外，在一个程序段中，根据需要可同时使用多个不同组的G指令。 
    X、Y、Z 为直线或圆弧终点坐标，其后的数字可用脉冲数值表示，亦可直接用带小数点的数字表示，小数点后最多为三位，其范围为±99999.999mm，但其值受具体机床的限制。编程时若选用G91指令，则为增量坐标，即直线终点相对起点的坐标或圆弧终点相对圆心的坐标。 
    I、J、K 为圆弧圆心相对圆弧起点的增量坐标，其后的数字表示方法与范围同X、Y、Z。 
    F 为进给速度指令，其后的数字直接表示进给速度，范围为1～15000mm／分，但其值受具体机床的限制。 
    S 为主轴转速指令，其后的数字直接表示主轴转速，范围为1～30000 转／分，但其值受具体机床的限制。 
    F和S指令中的程编数值根据实际加工的需要，可通过控制面板中所对应的倍率旋扭随时进行调整。 
    T 为刀具指令，其后跟有二位数或四位数字代码。代码与刀具的相互关系由机床制造厂规定（主要用于加工中心，通常指刀具号。但数控铣床对T指令未定义）。 
    M 为辅助功能指令，常用的有M02（程序结束），M03（主轴顺转），M04 （主轴反转），M05（主轴停转），M08（冷却液开），M09（冷却液关）和M30（程序结束并倒带）。即均符合ISO-1057标准。 
    D 为刀具半径补偿代码，其后的二位数码表示刀具补偿号（简称刀补号），范围为00-32。刀补号所对应的偏置值可由MID（手工数据输入）方式一一对应地输入控制系统，该偏置值一般是指所选用的刀具半径值。D代码总是与G41或G42 配合使用。 
    EOB 为程序段结束符号，亦可用“；”或“CR”代替。 
    上述程序段格式中省略了附加轴等指令字。更详细的指令说明请参见该系统的程编说明书。 
    该系统可允许刀具从起刀点沿任意方向切入工件，且刀具中心自动走到下一程序段起点处的法线上。在工件尖角处采用转接矢量过渡法。具有对跨象限圆弧的直接插补功能。
二．编程举例 
    下图是被加工零件的简图(厚12毫米)，源程序清单见下表：

 
    FANUC－6M数控系统加工程序单 
    ER CR O0100CR N1G92X125000Y-75000Z0CR N2G91G00G18Z－17500S400M03CR N3G90G01G17G42X0D01F600CR N4Y100000F50M08CR N5X－241621Y59448CR N6G03X－269641Y016621J－39448CR N7G01X0CR N8M09CR N9G00G40X125000Y－75000M05CR N10G91G18Z17500CR N11M30CR ER 
    程序单中的“ER”为倒带停止码；程序号的书写该系统规定以字母O开头，后跟五位数字，不足五位数时前面补零。
1.3 数控加工自动编程 
    数控加工程序编制方法有两种，即手工编程和利用计算机进行自动编程。由于手工编程效率低、精度低、周期长，特别是对于较复杂零件的数控加工，诸如非圆曲线与曲面等零件的加工，手工编程已无法胜任，即使一般简单零件的数控加工，若采用自动编程，也可大大提高编程效率与编程精度，因此自动编程在数控加工中占有越来越重要的位置。
所谓自动编程，就是借助于电子计算机及外围设备（如打印机、穿孔机、绘图仪等）完成数控加工程序的编制，并传送到数控装置或存入存储介质。下面分别介绍几种自动编程方法。
一、语言自动编程
1．语言式自动编程过程：编程人员根据图纸要求，用一种书写比较简单直观的数控加工自动编程语言（简称数控语言），描述被加工零件加工部位的几何图形和加工过程的程序（称为零件的源程序），把它作为计算机的输入，其他工作如刀具中心轨迹的计算，数控加工程序的编制以及存储等均可由计算机及外围设备自动完成，且可通过绘图仪或屏幕显示器绘制刀具中心轨迹图形，模仿机床加工以检查数控加工程序的正确性。
2．特点：自动编程既可以减轻劳动强度，缩短编程时间，又可提高编程精度，减少差错。图1-8所示是采用“数控语言程序”实现自动编程的过程。

图 1-8自动编过程

3.几个概念： 
    （1）数控语言：是一套规定的基本符号及用这些符号来描述零件几何形状和加工过程的规则，这些符号和规则接近于生产中使用的工艺术语和工艺规程。
国际上最流行的数控语言主要由美国的APT(Automatically Programmed Tools)语言。 
    （2）数控软件：是事先配备一套解释程序或编译程序，完成对输入的源程序进行识别，并翻译成计算机能够计算、处理的可执行程序。
计算机处理可分为前置处理与后置处理，前置处理主要是计算刀具位置数据（即刀具中心轨迹坐标）；后置处理主要是把刀具位置数据转换成特定数控机床的零件加工程序。
4．自动编程系统简介 
    对自动编程系统的研制最早始于美国，1954年推出了APT I系统；1958年推出了APT II；1962年推出了APT III；1970年推出了APT IV且一直沿用到现在。该系统对于各种类型的数控机床都能实现自动编程，但因其编译系统（数控软件）庞大，故只能在大型计算机上才能运行。随着小型机和微机的发展，各国相继发展了一些较为灵活、针对性较强的小型自动编程系统。如美国的ADAPT系统、日本的FAPT系统、西德的EXAPT系统、法国的IFAPT系统以及我国某高校研制的MPAPT系统。这些系统主要适用于2~2坐标的数控机床进行点位加工或轮廓加工的自动编程。 
    （1）基本结构：该系统主要适用于对平面类零件轮廓的数控加工进行自动编程。系统以微机作为自动编程的主机，由MPAPT数控软件支持，其外设包括打印机、CRT终端显示器、绘图机、纸带穿孔机、纸带阅读机和数控机床控制装置。其结构如图1-9所示。 
    系统软件主要包含前置处理程序、图形显示程序、后置处理程序和机床仿真加工程序。

图1-9MPAPT系统的结构 

    （2）自动编程系统数控软件的处理过程：先将数控软件调入计算机，然后将用数控语言书写的零件源程序输入计算机，计算机才能对源程序的语句依次进行处理，直到获得所要求的数控加工程序为止。从零件源程序到数控加工程序的具体处理过程主要分为两个阶段，即前置处理和后置处理。前置处理主要完成对源程序进行翻译和计算都中心轨迹，它与具体的数控机床无关，其输出内容为CL文件中的CLDATA，即为一般的刀具中心轨迹数据和有关的加工参数（如进给量、主轴转速等）。而CLDATA还不能作为数控机床的控制指令，因此，必须把CLDATA转换成符合特定数控机床指令要求的加工程序或控制纸带。这部分工作是由后置处理来完成。所以前置处理程序一般是通用的，而后置处理程序是专用的，针对不同的数控机床其处理方法因指令不同或指令格式不同而不同。 
    （3）数控软件的结构与特点：前置处理程序的处理对象是用数控语言书写的源程序，输出的结果是CLDATA；而后置处理程序的处理对象是前置处理程序的输出结果（CLDATA），输出的结果则是特定数控机床的加工程序。 
    把前、后置处理分开，即前置处理不针对具体的数控机床，只输出具有通用性的刀具中心轨迹数据和有关的加工工艺参数信息，而由后置处理把这些信息转换成具体的数控机床的加工程序或纸带。 
    一个较大的自动编程系统（如APT IV），可由上千个后置处理程序与它配合，因此，整个系统随着数控装置和机床的配组改变时，只需要更换后置处理程序，即可适用于不同数控机床的自动编程，其具体设计方法均大同小异。
二、图形交互自动编程 
    CAD/CAM集成系统数控编程，是以待加工零件的CAD模型为基础的集加工工艺规划及数控编程为一体的自动编程方法。适用于数控编程的零件CAD模型的描述方法主要有表面模型和实体模型。其中以表面模型在数控编程中应用较广。以表面模型为基础的CAD/CAM集成数控编程系统又称为图像数控编程系统。 
    CAD/CAM集成系统数控编程的主要特点是：零件的几何形状可在零件设计阶段采用CAD/CAM集成系统的几何设计模块在图形交互方式下进行定义、显示和修改，最终得到零件的几何模型。数控编程的一般过程包括刀具的定义或选择、刀具相对于零件表面的运动方式的定义、切削加工参数的确定、刀具轨迹的生成、加工过程的动态图形仿真、程序验证直到后置处理等，一般都是在屏幕菜单即命令驱动图形交互方式下完成的，具有形象、直观和高效等优点。
1. CAD/CAM集成系统自动编程的特点 
    CAD/CAM集成系统数控编程是一种全新的编程方法，与手工编程及APT语言编程比较，具有以下特点： 
    （1）这种编程方法既不象手工编程那样需要用复杂的数学计算来算出各节点的坐标数据，也不需要向APT语言编程那样，用数控编程语言去编写描绘零件几何形状、加工走刀过程及后置处理的源程序，而是在计算机上直接面向零件的几何图形以光标指点、菜单选择、交互对话的方式进行编程，其编程结果也以图形的方式显示在计算机上。因此，该方法具有简单、直观、准确、便于检查等优点。 
    （2）CAD/CAM集成系统自动编程软件常常是和相应的CAD软件有机的联在一起的一体化软件系统，该系统既可用来进行计算机辅助设计，又可以直接用设计好的零件图进行交互编程，对实现CAD/CAM一体化极为有利。 
    （3）系统整个编程过程是交互进行的，这种交互方式的编程方法简单易学，在编程过程中可以随时发现问题并进行修改。 
    （4）编程过程中图形数据的提取、节点数据的计算、程序的编制及输出都是由计算机自动进行的，因此编程的速度快、效率高、准确性好。 
    （5）这些软件都是在通用计算机上运行的，不需要专用的编程机，因此便于普遍推广。
2. CAD/CAM集成系统编程的基本步骤 
    归纳起来分为五步：零件图样及加工工艺分析、几何造型、刀位轨迹的计算及生成、后置处理、程序输出。 
    （1）零件图样及加工工艺分析 
    零件图样及加工工艺分析是数控编程的基础。CAD/CAM集成系统自动编程同手工编程、APT语言编程一样也首先进行这项工作。由于国内计算机辅助工艺过程设计（CAPP）技术还没有达到普及应用阶段，该项工作不能由计算机承担。 
    （2）几何造型 
    几何造型就是利用CAD/CAM集成系统自动编程软件的图形编辑功能，交互式地进行图形建构、编辑修改、曲线曲面造型等工作，将零件被加工部位准确地绘制在计算机屏幕上，与此同时，在计算机内自动形成零件图形数据库。这就相当于APT语言编程中，用几何定义语句定义零件几何图形的过程。不同点在于它不是用语言，而是用计算机交互绘图的方法，将零件的图形数据输入到计算机中。这些图形数据将作为下一步刀位轨迹计算的依据。自动编程过程中，软件将根据加工要求提取这些数据，进行分析判断和必要的数学处理，以形成加工的刀具位置数据。 
    （3）刀具轨迹的计算及生成 
    图形交互式自动编程系统的刀具轨迹的生成是面向屏幕的图形交互进行的。首先调用刀具路径生成功能，然后根据屏幕提示，用光标选择相应的图形目标，点取相应的坐标点，输入所需的各种参数。软件将自动从图形中提取编程所需的信息，进行分析判断，计算节点数据，并将其转换为刀具位置数据，存入指定的刀位文件中或直接进行后置处理并生成数控加工程序，同时在屏幕上模拟显示出零件图形和刀具运动轨迹。 
    （4）后置处理 
    后置处理的目的是形成不同机床所需的数控加工程序文件。由于各种机床使用的控制系统不同，其数控加工程序指令代码及格式也有所不同。为了解决该问题，软件通常为各种数控系统设置一个后置处理用的数控指令对照表。在进行后置处理前，编程人员应根据具体数控机床指令代码及程序的格式事先编辑好这个文件，后置处理利用该文件处理输出符合数控加工格式要求的NC加工文件。 
    （5）程序输出 
    由于CAD/CAM集成系统自动编程软件在编程过程中，可在计算机内自动生成刀位轨迹图形文件和数控指令文件，因此程序的输出可以通过计算机的各种外部设备进行。如使用打印机打印出数控加工程序单，并可在程序单上用绘图机绘制出刀具轨迹图。有标准通信接口的机床控制系统可以和计算机直接联机，由计算机将加工程序直接送至机床控制系统。
三、实物编程 
    这种方法是利用待加工零件的样件或模型，通过数控机床的仿形测量装置或三坐标测量机测出其轮廓的几何尺寸，再由数控系统或通用计算机根据测量头的测量路线进行数据处理，然后数控系统自动生成数控加工程序或由通用计算机输出数控加工程序，其工作流程见图1-11。

图 1-11 实物编程流程 

    数控系统或通用计算机之所以能把测量的数据自动生成数控加工程序，是因为其内部配置了一套完成上述工作的转换程序，即实物自动编程系统软件。 
    在编程开始之前，测量装置的球头探棒相对样件或模型的初始位置与刀具加工零件的初始位置一致。若模型是实际尺寸，为了避免刀具中心轨迹的换算，所选用的探棒球头形状和尺寸应与实际加工中所使用的球头铣刀完全相同，探棒球头在样件或模型上移动的路线与加工零件时的走刀路线一致，测量装置测得的原始数据就是探棒球头的中心位置数据，经数控系统或通用计算机处理后便可获得数控加工程序。球头铣刀加工出来的零件外形与被测的杨健或模型的外形一模一样，当然测量装置的精度直接影响零件的加工精度。 
    用这种方法测量立体面时，不需要计算曲面的法线，因球头铣刀的中心位置是由探棒球头的中心位置决定的。
有时待加工零件的模型不是实际尺寸，也只需选用探棒球头半径与球头铣刀的比值等于模型与被加工零件的比值即可。例如模型是1：4的，选用半径为16mm的球头铣刀，那么选用的探棒球头的半径应为4mm，数控系统或通用计算机在处理所测数据时，将所有坐标值按4倍比例增大。 
    对于型面较大、精度要求较高的零件，测量的步距与行距则要求密，故采集的数据相当多，自动生成的数控加工程序也相当长，若数控系统的内存有限，则应考虑分段处理。如果零件的曲面上有沟槽或凹陷，由于探棒不能深入，故使用这种方法也受到一定的限制。