第二章數控工具機加工程式的編制
第一節數控程式設計基礎
一、數控程式設計的概念
我們都知道，在普通工具機上加工零件時，一般是由工藝人員按照設計圖樣事先制訂好零件的加工工藝規程。在工藝規程中給出零件的加工路線、切削引數、工具機的規格及刀具、卡具、量具等內容。操作人員按工藝規程的各個步驟手工操作工具機，加工出圖樣給定的零件。
也就是說零件的加工過程是由工人手工操作的。
數控工具機卻不一樣，它是按照事先編制好的加工程式，自動地對被加工零件進行加工。我們把零件的加工工藝路線、工藝引數、刀具的運動軌跡、位移量、切削引數（主軸轉數、進給量、吃刀量等）以及輔助功能（換刀、主軸正轉、反轉、切削液開、關等），按照數控工具機規定的指令**及程式格式編寫成加工程式單，再把這一程式單中的內容記錄在控制介質上（如穿孔紙帶、磁帶、磁碟、磁泡儲存器），然後輸入到數控工具機的數控裝置中，從而指揮工具機加工零件。這種從零件圖的分析到製成控制介質的全部過程叫數控程式的編制。
從以上分析可以看出，數控工具機與普通工具機加工零件的區別在於數控工具機是按照程式自動進行零件加工，而普通工具機要由人來操作，我們只要改變控制工具機動作的程式就可以達到加工不同零件的目的。因此，數控工具機特別適用於加工小批量且形狀複雜精度要求高的零件。
由於數控工具機要按照預先編制好的程式自動加工零件，因此，程式編制的好壞直接影響數控工具機的正確使用和數控加工特點的發揮。這就要求程式設計員具有比較高的素質。程式設計員應通曉機械加工工藝以及工具機、刀夾具、數控系統的效能，熟悉工廠的生產特點和生產習慣。
在工作中，程式設計員不但要責任心強、細心，而且還能和操作人員配合默契，不斷吸取別人的程式設計經驗、積累程式設計經驗和程式設計技巧，並逐步實現程式設計自動化，以提高程式設計效率。
二、 數控程式設計的內容和步驟
（一） 數控程式設計的內容
數控程式設計的主要內容包括：分析零件圖樣，確定加工工藝過程；確定走刀軌跡，計算刀位資料；編寫零件加工程式；製作控制介質；校對程式及首件試加工。
（二） 數控程式設計的步驟
數控程式設計的步驟一般如圖2-1所示。
圖2-1 數控程式設計過程
1、分析零件圖樣和工藝處理
這一步驟的內容包括：對零件圖樣進行分析以明確加工的內容及要求，選擇加工方案、確定加工順序、走刀路線、選擇合適的數控工具機、設計夾具、選擇刀具、確定合理的切削用量等。工藝處理涉及的問題很多，程式設計人員需要注意以下幾點：
（1） 工藝方案及工藝路線
應考慮數控工具機使用的合理性及經濟性，充分發揮數控工具機的功能；盡量縮短加工路線，減少空行程時間和換刀次數，以提高生產率；盡量使數值計算方便，程式段少，以減少程式設計工作量；合理選取起刀點、切入點和切入方式，保證切入過程平穩，沒有衝擊；在連續銑削平面內外輪廓時，應安排好刀具的切入、切出路線。盡量沿輪廓曲線的延長線切入、切出，以免交接處出現刀痕，如圖2-2所示。
ab)圖2-2 刀具的切入切出路線
a）銑曲線輪廓板 （b）銑直線輪廓
（2） 零件安裝與夾具選擇
盡量選擇通用、組合夾具，一次安裝中把零件的所有加工面都加工出來，零件的定位基準與設計基準重合，以減少定位誤差；應特別注意要迅速完成工件的定位和夾緊過程，以減少輔助時間，必要時可以考慮採用專用夾具。
（3） 程式設計原點和程式設計座標系
程式設計座標系是指在數控程式設計時，在工件上確定的基準座標系，其原點也是數控加工的對刀點。要求所選擇的程式設計原點及程式設計座標系應使程式編制簡單；程式設計原點應盡量選擇在零件的工藝基準或設計基準上，並在加工過程中便於檢查的位置；引起的加工誤差要小。
（4） 刀具和切削用量
應根據工件材料的效能，工具機的加工能力，加工工序的型別，切削用量以及其他與加工有關的因素來選擇刀具。對刀具總的要求是：安裝調整方便，剛性好，精度高，使用壽命長等。
切削用量包括：主軸轉速、進給速度、切削深度等。切削深度由工具機、刀具、工件的剛度確定，在剛度允許的條件下，粗加工取較大切削深度，以減少走刀次數，提高生產率；精加工取較小切削深度，以獲得表面質量。
主軸轉速由工具機允許的切削速度及工件直徑選取。進給速度則按零件加工精度、表面粗糙度要求選取，粗加工取較大值，精加工取較小值。最大進給速度受工具機剛度及進給系統效能限制。
2、數學處理
在完成工藝處理的工作以後，下一步需根據零件的幾何形狀、尺寸、走刀路線及設定的座標系，計算粗、精加工各運動軌跡，得到刀位資料。一般的數控系統均具有直線插補與圓弧插補功能。對於點定位的數控工具機（如數控沖床）一般不需要計算；對於加工由圓弧與直線組成的較簡單的零件輪廓加工，需要計算出零件輪廓線上各幾何元素的起點、終點、圓弧的圓心座標、兩幾何元素的交點或切點的座標值；當零件圖樣所標尺寸的座標系與所程式設計序的座標系不一致時，需要進行相應的換算；若數控工具機無刀補功能，則應計算刀心軌跡；對於形狀比較複雜的非圓曲線（如漸開線、雙曲線等）的加工，需要用小直線段或圓弧段逼近，按精度要求計算出其節點座標值；自由曲線、曲面及組合曲面的數學處理更為複雜，需利用計算機進行輔助設計。
3、編寫零件加工程式單
在加工順序、工藝引數以及刀位資料確定後，就可按數控系統的指令**和程式段格
式，逐段編寫零件加工程式單。程式設計人員應對數控工具機的效能、指令功能、**書寫格式等非常熟悉，才能編寫出正確的零件加工程式。對於形狀複雜（如空間自由曲線、曲面）、工序很長、計算煩瑣的零件採用計算機輔助數控程式設計。
4、輸入數控系統
程式編寫好之後，可通過鍵盤直接將程式輸入數控系統，比較老一些的數控工具機需要製作控制介質（穿孔帶），再將控制介質上的程式輸入數控系統。
5、程式檢驗和首件試加工
程式送入數控工具機後，還需經過試執行和試加工兩步檢驗後，才能進行正式加工。通過試執行，檢驗程式語法是否有錯，加工軌跡是否正確；通過試加工可以檢驗其加工工藝及有關切削引數指定得是否合理，加工精度能否滿足零件圖樣要求，加工工效如何，以便進一步改進。
試執行方法對帶有刀具軌跡動態模擬顯示功能的數控工具機，可進行數控模擬加工，檢查刀具軌跡是否正確，如果程式存在語法或計算錯誤，執行中會自動顯示程式設計出錯報警，根據報警號內容，程式設計員可對相應出錯程式段進行檢查、修改。對無此功能的數控工具機可進行空運轉檢驗。
試加工一般採用逐段執行加工的方法進行，即每撳一次自動迴圈鍵，系統只執行一段程式，執行完一段停一下，通過一段一段的執行來檢查工具機的每次動作。不過，這裡要提醒注意的是，當執行某些程式段，比如螺紋切削時，如果每一段螺紋切削程式中本身不帶退刀功能時，螺紋刀尖在該段程式結束時會停在工件中，因此，應避免由此損壞刀具等。對於較複雜的零件，也先可採用石蠟、塑料或鋁等易切削材料進行試切。
三、數控程式設計的方法
數控程式設計一般分為手工程式設計和自動程式設計。
1．手工程式設計(manual programming)
從零件圖樣分析、工藝處理、數值計算、編寫程式單、程式輸入至程式校驗等各步驟均由人工完成，稱為手工程式設計。對於加工形狀簡單的零件，計算比較簡單，程式不多，採用手工程式設計較容易完成，而且經濟、及時，因此在點定位加工及由直線與圓弧組成的輪廓加工中，手工程式設計仍廣泛應用。但對於形狀複雜的零件，特別是具有非圓曲線、列表曲線及曲面的零件，用手工程式設計就有一定的困難，出錯的機率增大，有的甚至無法編出程式，必須採用自動程式設計的方法編制程式。
2． 自動程式設計（automatic programming）
自動程式設計是利用計算機專用軟體編制數控加工程式的過程。它包括數控語言程式設計和圖形互動式程式設計。
數控語言程式設計，程式設計人員只需根據圖樣的要求，使用數控語言編寫出零件加工源程式，送入計算機，由計算機自動地進行編譯、數值計算、後置處理，編寫出零件加工程式單，直至自動穿出數控加工紙帶，或將加工程式通過直接通訊的方式送入數控工具機，指揮工具機工作。
數控語言程式設計為解決多座標數控工具機加工曲面、曲線提供了有效方法。但這種程式設計方法直觀性差，程式設計過程比較複雜不易掌握，並且不便於進行階段性檢查。隨著計算機技術的發展，計算機圖形處理功能已有了極大的增強，「圖形互動式自動程式設計」也應運而生。
圖形互動式自動程式設計是利用計算機輔助設計（cad）軟體的圖形程式設計功能，將零件的幾何圖形繪製到計算機上，形成零件的圖形檔案，或者直接呼叫由cad系統完成的產品設計檔案中的零件圖形檔案，然後再直接呼叫計算機內相應的數控程式設計模組，進行刀具軌跡處理，由計算機自動對零件加工軌跡的每乙個節點進行運算和數學處理，從而生成刀位檔案。之後，再經相應的後置處理（postprocessing），自動生成數控加工程式，並同時在計算機上動態地顯示其刀具的加工軌跡圖形。
圖形互動式自動程式設計極大地提高了數控程式設計效率，它使從設計到程式設計的資訊流成為連續，可實現cad/cam整合，為實現計算機輔助設計（cad）和計算機輔助製造（cam）一體化建立了必要的橋梁作用。因此，它也習慣地被稱為cad/cam自動程式設計。其詳細內容見第四節。
四、程式的結構與格式
每種數控系統，根據系統本身的特點及程式設計的需要，都有一定的程式格式。對於不同的工具機，其程式格式也不盡相同。因此，程式設計人員必須嚴格按照工具機說明書的規定格式進行程式設計。
1．程式結構
乙個完整的程式由程式號、程式的內容和程式結束三部分組成。例如：
o0001程式號
n10 g92 x40 y30
n20 g90 g00 x28 t01 s800 m03；
n30 g01 x-8 y8 f200；
n40 x0 y0
n50 x28 y30；
n60 g00 x40；
n70 m02程式結束
（1） 程式號。在程式的開頭要有程式號，以便進行程式檢索。程式號就是給零件加工程式乙個編號，並說明該零件加工程式開始。
如funuc數控系統中，一般採用英文本母o及其後4位十進位制數表示（「o××××」），4位數中若前面為0，則可以省略，如「o0101」等效於「o101」。而其他系統有時也採用符號「%」或「p」及其後4位十進位制數表示程式號。
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