数控加工及编程概述

数字控制简称数控，是用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术。数控机床就是采用了数控技术的机床。数控技术是综合了计算机、自动控制、电动机、电气传动、测量、监控、机械制造等学科领域最新成果而形成的一门边缘科学技术，是现代先进制造技术的基础和核心，对制造业实现柔性制造（flexible manufacturing，FM）、计算机集成制造（computer integrated manufacturing，CIM）、网络化制造（networked manufacturing，NM）起着举足轻重的作用。

数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，加工过程中刀具相对零件的运动由数控机床的控制系统分配给运动轴的微小位移量控制。数控加工过程是用数控装置或计算机来代替人工操纵机床进行自动化加工的过程。与计算机的运行和功能发挥需要相应程序和软件一样，数控机床也需要用于控制机床各部件运动的数控程序。

1）数控机床的运动控制

机械加工是由切削主运动和进给运动共同完成的，控制主运动可以得到合理的切削速度，控制进给运动可以得到各种不同的加工表面。用普通金属切削机床加工零件时，操作者根据图样的要求，不断改变刀具与工件之间的运动参数（位置、速度等），使刀具对工件进行切削加工，最终得到需要的合格零件。用数控机床加工时，把刀具与工件的坐标运动分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件加工程序的要求，使相应坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件相对运动的控制，从而完成零件的加工。

图6-1　数控机床运动控制原理

在三坐标的数控机床中，各坐标的运动方向通常是相互垂直的，即各自沿笛卡儿坐标系的x、y、z轴的正、负方向移动。控制这些坐标运动以完成各种不同的空间曲面的加工，是数字控制的主要任务。在三维空间坐标系中，空间任何一点都可以用x、y、z三轴的坐标值来表示，一条空间曲线也可以用三维函数表示。怎样才能控制各坐标轴的运动，完成曲面加工呢？下面用二维空间的曲线加工方法加以说明。如图6-1所示，在平面上，要加工轮廓轨迹为任意曲线L的零件，要求刀具T沿曲线轨迹运动，进行切削加工。将曲线L分割成线段l 0、l 1、l 2、…用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差δ相当小时，这些折线段之和就会接近于曲线，即曲线加工时刀具的运动轨迹与理论上的曲线（包括直线）不吻合，而是一条逼近折线。由数控机床的数控装置进行计算、分配，通过两个坐标轴最小单位量的单位运动（Δx、Δy）的合成，连续地控制刀具运动，不偏离地走出直线（或圆弧），从而可非常逼真地加工出平面曲线。

这种在允许的误差范围内，用沿曲线（确切地说，是沿逼近函数）的最小单位移动量合成的分段运动代替任意曲线运动，以得出所需要的运动，是数字控制的基本构思之一。它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹。

2）数控机床的工作过程

数控机床的加工过程，就是将加工零件的几何信息和工艺信息编制成程序，由输入部分送入计算机，经过计算机的处理、运算，将各坐标轴的位移分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使各轴精确达到要求的位置。如此继续，各个运动协调进行，实现刀具与工件的相对运动，一直到加工完零件的全部轮廓。数控机床工作过程大致可分以下几步。

（1）数控编程。首先根据零件加工图纸进行工艺处理，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。经工艺处理后，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，则只需要计算出轮廓轨迹上的坐标值。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和程序段格式，编写数控加工程序（数控代码）。

（2）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USB接口输入、RS-232C接口输入、MDI手动输入、分布式数字控制（distributed numerical control，DNC）接口输入、网络接口输入等。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，分布式数字控制接口输入即属于此类工作方式；另一种是一次性将零件数控加工程序输入到计算机内部的存储器中，加工时再由存储器一段一段地往外读出，USB接口输入即属于此类工作方式。

（3）译码。数控代码是数控编程人员在CAM软件上生成或手工编制的，是文本数据，其表达可以较容易地被编程人员直接理解，但却无法为数控系统直接使用。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（如进给速度、主轴转速等）、辅助信息（如换刀、冷却液开与关、主轴顺转与逆转信息等）。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。在译码的同时完成对程序段的语法检查，一旦有错，就立即给出报警信息。

（4）数据处理。数据处理程序一般包括刀具补偿、速度计算及辅助功能的处理程序。刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。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。速度计算是指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。辅助功能主要用于完成指令的识别、存储、设标志，这些指令大多是开关量信号，对于现代数控机床可由可编程控制器（programmable logic controller，PLC）控制。

（5）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中间点的坐标值计算，即数据点的密化工作。

（6）伺服控制与加工。伺服系统接收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动机带动机床的执行部件运动，从而加工出零件。

3）数控编程的基本概念

数控编程的定义：根据被加工零件的图纸和技术要求、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成加工程序文件，这个过程称为零件数控加工程序编制，简称数控编程（NC programming）。

数控加工工作过程如图6-2所示，在数控机床上加工零件时，要预先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数和走刀运动数据，然后编制加工程序，传输给数控系统，在事先存入数控装置内部的控制软件支持下，经处理与计算，发出相应的进给运动指令信号，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，进行零件的加工。因此，在数控机床上加工零件时，首先要编写零件加工程序清单，通常称为数控加工程序。该程序用数字代码来描述被加工零件的工艺过程、零件尺寸和工艺参数（如主轴转速、进给速度等），将该程序输入数控机床的NC系统，控制机床的运动与辅助动作，完成零件的加工。

图6-2　数控加工工作过程

4）数控编程的内容与步骤

数控机床的运动是由数控加工程序控制的。数控加工程序是控制机床运动和工作过程的源程序，它提供零件加工时机床各种运动和操作的全部信息，主要包括加工工序、各坐标的运动行程和速度、联动状态、主轴的转速和转向、刀具的更换、切削液的打开和关断及排屑等。总之，数控机床的主要运动是由预先编制好的数控程序控制的。

数控机床编程的主要内容有零件图样分析、确定加工工艺过程、数学处理、编写程序清单、程序输入、程序检验及首件试切等。数控机床编程的步骤一般如图6-3所示。

图6-3　数控机床编程的步骤

步骤1：零件图样分析和工艺处理。

编程人员首先根据零件图纸对零件的几何形状尺寸、技术要求进行分析，明确加工的内容及要求，确定加工方案、加工顺序，设计夹具，选择刀具，确定合理的走刀路线，以及选择合理的切削用量等。同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力，正确选择对刀点、切入方式，尽量减少诸如换刀、转位等辅助时间。

步骤2：数学处理。

编程前，根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系，根据零件图纸的要求，确定加工路线，在建立的工件坐标系上，首先计算出刀具的运动轨迹。对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件），只需计算出几何元素的起点和终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点（基点）的坐标值。但对于形状比较复杂的零件（如由非圆曲线、曲面组成的零件），数控系统的插补功能不能满足零件的几何形状，就需要计算出曲面或曲线上很多离散点（节点），在点与点之间用直线段或圆弧段逼近，根据要求的精度计算出其节点间的距离，在这种情况下一般要求用计算机来完成数值计算的工作。

步骤3：编写程序清单。

当加工路线和工艺参数确定以后，根据数控系统规定的指令代码及程序段格式，逐段编写零件程序清单。此外，还应填写有关的工艺文件，如数控加工工序卡片、数控刀具明细表、工件安装和零点设定卡片、数控加工程序单等。

步骤4：程序输入。

现代数控机床多用键盘或USB接口把程序直接输入到计算机中。在通信控制的数控机床中，程序可以由计算机接口传送。

步骤5：程序校验与首件试切。

程序清单必须经过校验和试切才能正式使用。校验的方法是将程序内容输入到数控装置中，让机床空刀运转。若是二维平面工件，还可以用笔代刀，以坐标纸代替工件，画出加工路线，以检查机床的运动轨迹是否正确。在有图形显示功能的数控机床上，可用直观地模拟刀具切削过程的方法进行检验。随着计算机技术的不断发展，先进的数控加工仿真软件（如VERICUT软件）不断涌现，为数控程序的校验提供了多种准确而有效的途径。但上述方法只能检验出运动轨迹是否正确，不能检査出被加工零件的加工精度，因此必须进行工件的首件试切。首次试切时，应该以单程序段的运行方式进行加工，随着监视加工状况，调整切削参数和状态。当发现有加工误差时，应分析误差产生的原因，找出问题所在的位置并加以修正。

由上述可知，数控编程人员不但要熟悉数控机床的结构、数控系统的功能及标准，而且还必须是一名合格的工艺人员，要熟悉零件的加工工艺，具备选择装夹方法、刀具性能、切削用量等方面的专业知识。

5）数控编程的方法

通常数控机床程序编制的方法有两种，即手工编程和自动编程。

（1）手工编程。由人工完成零件图样分析、工艺处理、数值计算、书写程序清单，直到程序的输入和检验，称为手工编程。手工编程一般适用于点位加工、几何形状不太复杂或加工工序较少的零件。手工编程不需要专用的编程工具，全凭编程人员利用编程技术和经验进行，是一种比较经济、简便的编程方法。但对于被加工零件轮廓的几何形状不是由简单的直线和圆弧组成的复杂零件，特别是要求解空间曲面的离散点时，由于数值计算复杂，编程工作量大，校对困难，采用这种编程方法就很难完成或根本就无法实现，这时就应用自动编程来实现。

（2）自动编程。自动编程又称计算机辅助自动编程，就是使用计算机完成零件程序编制的大部分或全部工作。在这个过程中，由编程人员根据零件图样和工艺要求向计算机输入必要的数据，自动编程系统对输入信息进行编译、计算、处理，自动生成数控加工程序，并通过通信接口直接输送给数控机床，以备加工。由于自动编程能够完成烦琐的数值计算和实现人工难以完成的工作，提高生产效率，因而对于较复杂的零件采用自动编程更方便。

自动编程需要一套专门的数控编程软件。根据编程信息的输入方式及计算机对信息处理方式的不同，数控自动编程又分为语言式自动编程和图形交互式自动编程。

①语言式自动编程。使用规定的、直观易懂的编程语言手工编写出一个描述零件加工要求（包括零件几何形状、刀具进给路线、加工工艺参数等）的源程序，然后将其输入到计算机或编程机，计算机或编程机自动地进行数值计算，并编译出零件加工程序。根据要求还可以自动地打印出程序清单，制成控制介质或直接将零件程序传送到数控机床。有些装置还能绘制出零件图形和刀具轨迹，供编程人员检查程序的正确性，需要时可以及时修改。

目前，商用的数控自动编程语言系统有很多种，其中美国的APT（automatically programmed tools）系统影响最大。APT在1959年开始用于生产，后来又有不断的更新和扩充，形成了诸如APTⅡ、APTⅢ、APT-AC、APTSS等版本。各国也开发了基于APT语言的自动编程语言，如美国的APAPT，德国的EXAPT-1、EXAPT-2、EXAPT-3，英国的2CL，法国的IFAPT-P、IFAPT-C，日本的FAPT、HAPT，我国的SKC、ZCX、ZBC-1、ZKY等。

②图形交互式自动编程。图形交互式自动编程是指利用被加工零件的二维和三维图形，由专用软件以窗口和对话框的方式生成加工程序。这种编程方式不需要数控语言编写源程序，以CAD模型为输入方式，使得复杂曲面的加工更为直观、方便。

20世纪70年代出现的图像数控编程软件，推动了CAD/CAM的发展。80年代出现了CAD/CAM一体化软件，推动了数控编程技术向集成化和智能化方向的发展，也给数控加工向网络化方向的发展提供了很好的软件环境。图形交互式自动编程是集成化的CAD/CAM系统，可大大减少编程错误，提高编程效率和可靠性。目前使用较多的图形交互式自动编程系统有：德国西门子公司的NX，法国达索公司的CATIA，美国CNC software公司的MasterCAM，以色列Cimatron公司的Cimatron，英国Delcam Plc公司的Power MILL等。这些系统都有自己的建模模块、加工参数输入模块、刀具轨迹生成模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。系统能够对被加工零件进行二维、三维建模。也可利用图形转换功能把用AutoCAD等绘图软件绘制的二维和三维零件图转换到其他图形交互式自动编程系统内，再利用人机交互的方式输入加工工艺参数、刀具的数据、机床的数据，完成工件坐标系的设定、走刀平面的设定等，这样系统就能自动生成刀具加工轨迹，再经过后置处理就可以生成数控程序。