数控加工工艺与编程综合设计.doc

目录目录 摘摘 要要1 1 前言前言3 3 第一章第一章 概概 述述4 4 1.1 数控加工的特点4 1.2 数控机床4 1.3 数控加工7 1.4 数控编程系统8 1.5 CAD/CAM 系统 8 1.6 利用 CAXA 制造工程师 CAD/CAM 系统进行自动编程的基本步骤 .9 第第 2 2 章章 数控加工工艺设计数控加工工艺设计1212 2.1 数控加工工艺设计主要内容 12 2.2 数控加工工艺设计方法.15 2.2.1 确定走刀路线和安排加工顺序15 2.2.2 确定定位和夹紧方案17 2.2.3 确定刀具与工件的相对位置19 2.2.4 确定切削用量.20 2.3 数控加工走刀路线图 .21 2.4 数控刀具卡片 .22 第三章第三章 数控程序编程数控程序编程2323 3.1 数控程序编制的概念 23 3.1.1 数控程序编制的定义24 3.2、数控程序编制的方法25 3.2.1 数控程序的指令代码：26 3.3 程序格式 .28 第四章第四章 加工坐标系设置加工坐标系设置2929 4.1 刀尖圆弧自动补偿功能.29 4.2 单一固定循环 .30 4.3 复合固定循环 31 致谢致谢3333 参考文献参考文献3434 摘摘 要要 数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家 基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、 柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造 业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加 工车间最重要的装备。它的发展是信息技术(1T)与制造技术(MT)结合发展的结果。现代 的 CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。掌握 现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。 世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高制 造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数 控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在“高 精尖“数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技 术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家 地位的重要途径。 本次设计内容介绍了数控加工的特点、加工工艺分析以及数控编程的一般步骤。并利 用 CAXA 制造工程师软件完成零件的三维造型，进行加工轨迹设计，实现加工仿真。利用 SEMENS 仿真软件完成仿真加工。利用 CAD/CAM 软件及 G 代码指令进行手工编程。 关键词： 数控技术 CAXA 制造工程师 三维造型 仿真加工 手工编程 自动编程 前言前言 大学年的学习生活即将结束，大学学习生活中的最后一个环节也是最重要一个环节-毕 业设计，是对所学知识和技能的综合运用和检验。 毕业设计的目的在于培养我们根据给定任务，收集书面资料和生产第一手资料，确定数 控加工工艺及编制程序的能力；培养我们根据复杂零件图纸和技术要求，进行工装设计的能 力；提高我们使用和查阅常用工程手册、标准等资料的能力；培养我们运用所学知识进行分 析问题、综合解决实际问题等方面的能力。 毕业设计要求我们综合运用已学的理论知识、实践技能来解决本专业的实际问题。通 过本次的综合技能的训练，在完成各工件过程中不但学会了怎么处理各种加工过程中的麻烦 还学会了许多如何运用我的所学的知识,并且进一步巩固了我们所学的基本理论知识和提高 实际的动手操作的能力。也让我树立生产和经济观念以及全局观念,养成了做事更加认真严 谨,学会了如何运用手上的技术资料和参考资料把自己工作做好。 在此次的毕业设计过程中.我的辅导老师对我给予了耐心的指导和帮助，同时协助我查 阅相关的资料和文献，并到生产现场实地调查，而且我要加工的工件认真的帮我分析研究了 各种处理方法。通过指导老师的帮助，我现在具有了一定的制定工艺规程的能力，能综合运 用数控程、机械制造工艺学、夹具设计、公差等我们所学过的课程的基本理论和方法，并能 较熟练地使用相关的机械手册及技术参考资料。可以对一般的零件进行手工编程的方法以及 在现有的数控设备上加工零件的技能。 最后，对给予我在此次毕业设计过程中大力支持和热情帮助过我的老师以及我的指导老 师表示衷心的感谢。 由于能力有限，经验不足，设计尚有不足之处，望老师帮我指出，我会认真改正。 第一章第一章 概概 述述 1.1 数控加工的特点数控加工的特点 数控加工，也称之为 NC（Numerical Control）加工，是以数值与符号构成的信息，控 制机床实现自动运转。数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先 进制造技术。数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及 加工时间误差精度；二是加工质量的重复性，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。 也就是说加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的。数控 加工具有如下优点： （1）提高生产效率； （2）不需熟练的机床操作人员； （3）提高加工精度并且保持加工质量； （4）可以减少工装卡具； （5）可以减少各工序间的周转，原来需要用多道工序完成的工件，数控加工一次装 夹完成加工，缩短加工周期，提高生产效率； （6）容易进行加工过程管理； （7）可以减少检查工作量； （8）可以降低废、次品率； （9）便于设计变更，加工设定柔性； （19）容易实现操作过程的自动化，一个人可以操作多台机床； （11）操作容易，极大减轻体力劳动强度 随着制造设备的数控化率不断提高，数控加工技术在我国得到日益广泛的使用，在模具 行业，掌握数控技术与否及加工过程中的数控化率的高低已成为企业是否具有竞争力的象征。 数控加工技术应用的关键在于计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统的质量。 1.2 数控机床数控机床 20 世纪 40 年代末，美国开始研究数控机床，1952 年，美国麻省理工学院（MIT）伺服 机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于 1957 年投入使用。这是制造技术发展过程中 的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代开始。数控加工是现代制造技术的基础， 这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都 十分重视数控加工技术的研究的发展。我国于是 1958 年开始研制数控机床，成功试制出配 有电子数控系统的数控机床，1965 年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。 经过几十年的发展，目前的数控机床已经在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤 为普及。 数控机床种类繁多，模具制造常用数控加工机床有：数控铣床、数控电火花成型机床、 数控电火花线切割机床、数控磨床和数控车床。数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测 系统、机械传动系统及其它辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通 过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系 统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执 行件（工作台、转台、滑板等）的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入 指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行 件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如：固定循环（能进行重复加工） 、自动 换刀（可交换指定的刀具） 、传动间隙补偿（补偿机械传动系统产生的间隙误差）等等。 1.2.1 数控机床的发展过程数控机床的发展过程 自从 1952 年第一台数控铣床在美国诞生以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制 和精密测量技术的发展，数控机床得到迅速的发展和更新换代。 数控技术的发展先后经历了电子管（1952 年） 、晶体管（1959 年） 、小规模集成电路 （1956 年） 、大规模集成电路及小型计算机（1970 年）和微处理或计算机（1974 年）等五 代数控系统。前三代数控系统采用专用电子线路实现硬件式数控，一般成为普通数控系统， 简称 NC。第四代和五代系统是采用微处理器及大规模集成电路组成的软件式数控系统，称 为现代数控系统，简称 CNC(第四代)和 MNC（第五代） 。由于现代数控系统的控制功能大部 分由软件技术来实现，因而使硬件得到进一步简化，系统可靠性提高，功能更加灵活和完善。 目前现代数控系统几乎完全取代了以往的普通数控系统。 随着数控技术的发展，用通用微机技术开发数控系统可以得到强的力的硬件和软件支持， 这些软件和硬件是开放式的，此时的通用微机除了具备本身的功能外，还具有全功能数控系 统的全部功能，这是一条发展数控技术的途径。当前全功能数控系控的特点有： 1. 选用高速微处理器 微处理器是现代数控系统的核心部件，担负着运算、存储和控制等多重任务，其位数和 运行速度直接关系到加工效率和加工精度。高速 32 位微处理器的采用，使得数控系统的输 入译码、计算和输出等环境都在高速下进行，同时提高了多轴联动，进给速度和分辨率等指 标。 2. 配置高速，功能强的可编程控制器 数控系统除了对位置进行信息控制外，还要对 I/O 状态量进行控制。数控系统中高速和 强功能的可编程控制器能滿足数控机床这方面的要求。同时，PLC 输入/输出点数和 PLC 容 量的增加可满足直接数字控制系统（DNC）和柔性制造单元（FMC）的控制要求。 3 CRT 图形显示、人机对话功能及自诊断功能 大多数现代数控系统采用 CRT 于手能键盘配合，实现程序的输入，编辑、修改和删除 等功能，具有前台操作、后台编辑的功能及用户宏程序等；可以有二维图形轨迹显示，有的 还可以实现三维彩色动态图形的显示。系统具有硬件、软件及机床故障自诊断功能，提高了 可维修性。 4具有多种监控、检测和补偿功能 为了提高数控机床的效率及加工精度，有些数控机床配置了各种测量装置，如刀具磨损 的检测、机床精度及热变形的检测等，于之相适应，数控系统则有刀具寿命管理、刀具参数 补偿、反向间隙及丝杠螺距误差补偿、热变形补偿等功能。 5CND 智能化 在现代数控系统中，引进了自适应控制技术。数控系统能检测对机床本身有影响的信息， 并自动连续调整有关数据，以达到系统运行的最优化。在有的 CNC 系统中，有建立了切削 率的数据库及切削用量的专家系统等。大多数现代数控系统都有学习及示教功能。 6通信功能 一般数控系统都有通信功能，如采用 RS -232C 串行接口与编程机、微机等外设通信。 现代数控系统还要于其他数控系统或上级计算机通信，所以除了 RS-232 接口外，还有 RS- 422 的 DNC 等多种通信接口。数控系统要单机的进入柔性制造系统进而形成计算机知集成 制造系统，就要求数控系统具有更高通信功能为此有的数控系统开发了符合 ISO 开发系统互 联七成网络模型的通信规约，为自动化技术发展创造了条件。 7标准化、通用化和模块化 现代数控系统的性能越来越完善，功能越来越多样，促使数控系统的硬件和软件结构实 现标准化、通用化和模块化。现在不同的标准化模块可以组成各种不同的数控机床控制系统。 能方便的移植计算机行业或自动化领域的成果，也便于现有的数控系统进一步扩展及升级。 8开发性 基于 PC 的开放式数控系统已成为数技术发展的重要方向，通过制定必要的技术规范， 在通用 PC 基础上一方面使硬件的体系结构和功能模块具有兼容性；另一方面使软件、接口 等技术规范化和标准化，为机床制造厂或用户提供一个良好的开发环境。 9.高可靠性 现代数控系统的平均无故障时间已达到 30000h 以上。数控系统与微机和通用机积极生 产批量大小的区别，其制造过程，包括元件筛选，印制电路板、焊接和贴附、生产过程及最 终产品的检测和出厂前整机的考机等措施保证了数控系统有很高的可靠性。 1.2.2 数控加工工艺分析 包括：分析零件图、重要尺寸与精度的分析、工件的定位、定位基准的选择、工件的夹 紧、夹具设计、加工余量的确定、切削用量的选择、冷却液的选择、工序尺寸与公差的确定、 机械加工精度与表面精度、加工所用的刀具的设计与选择（刀具的材质、几何角度与形状、 各种参数的设计） 、制定工艺工序卡； 1.3 数控加工数控加工 数控加工是将待加工零件进行数字化表达，数控机床按数字量控制刀具和零件的运动， 从而实现零件加工的过程。 被加工零件采用线架、曲面、实体等几何体来表示，CAM 系统在零件几何体基础上生 成刀具轨迹，经过后处理生成加工代码，将加工代码通过传输介质传给数控机床，数控机床 按数字量控制刀具运动，完成零件加工。其过程如下图所示： 【零件信息】【CAD 系统造型】【CAM 系统生成加工代码】【数控机床】【零件】 （1）零件数据准备：系统自设计和造型功能或通过数据接口传入 CAD 数据，如 STEP，IGES，SAT，DXF，X-T 等；在实际的数控加工中，零件数据不仅仅来自图纸，特 别在广泛采用 Internet 网的今天，零件数据往往通过测量或通过标准数据接口传输等方式得 到。 （2）确定粗加工、半精加工和精加工方案。 （3）生成各加工步骤的刀具轨迹。 （4）刀具轨迹仿真。 （5）后期处理输出加工代码。 （6）输出数控加工工艺技术文件。 （7）传给机床实现加工。 1.4 数控编程系统数控编程系统 数控加工机床与编程技术两者的发展是紧密相关的。数控加工机床的性能提升推动了编 程技术的发展，而编程手段的提高也促进了数控加工机床的发展，二者相互依赖。现代数控 技术下在向高精度、高效率、高柔性和智能化方向发展，而编程方式也越来越丰富。 数控编程可分为机内编程和机外编程。机内编程指利用数控机床本身提供的交互功能进 行编程，机外编程则是脱离数控机床本身在其他设备上进行编程。机内编程的方式随机床的 不同而异，可以以“手工”的形式分行输入控制代码（手工编程）、交互方式输入控制代码 （会话编程）、图形方式输入控制代码（图形编程），甚至可以语音方式输入控制代码（语 音编程）或通过高级语言方式输入控制代码（高级语言编程）。但机内编程一般来说只适用 于简单形体，而且效率较低。机外编程也可以分成手工编程、计算机辅助 APT 编程和 CAD/CAM 编程等方式。机外编程由于其可以脱离数控机床进行数控编程，相对机内编程来说 效率较高，是普遍采用的方式。随着编程技术的发展，机外编程处理能力不断增强，已可以 进行十分复杂形体的灵敏控加工编程。 随着微电子技术和 CAD 技术的发展，自动编程系统也逐渐过渡到以图形交互为基础的 与 CAD 集成的 CAD/CAM 系统为主的编程方法。与以前的语言型自动编程系统相比，CAD/CAM 集成系统可以提供单一准确的产品几何模型，几何模型的产生和处理手段灵活、多样、方便， 可以实现设计、制造一体化。虽然数控编程的方式多种多样，毋庸置疑，目前占主导地位的 是采用 CAD/CAM 数控编程系统进行编程。 1.5 CAD/CAM 系统系统 20 世纪 90 年代以前，市场上销售的 CAD/CAM 软件基本上为国外的软件系统。90 年代以 后国内在 CAD/CAM 技术研究和软件开发方面进行了卓有成效的工作，尤其是在以 PC 机动性 平台的软件系统。其功能已能与国外同类软件相当，并在操作性、本地化服务方面具有优势。 一个好的数控编程系统，已经不是一种仅仅是绘图，做轨迹，出加工代码，他还是一种 先进的加工工艺的综合，先进加工经验的记录，继承，和发展。 北航海尔软件公司经过多年来的不懈努力，推出了 CAXA 制造工程师数控编程系统。这 套系统集 CAD、CAM 于一体，功能强大、易学易用、工艺性好、代码质量高，现在已经在全 国上千家企业的使用，并受到好评，不但降低了投入成本，而且提高了经济效益。CAXA 制 造工程师数编程系统，现正在一个更高的起点上腾飞。 1.6 利用利用 CAXA 制造工程师制造工程师 CAD/CAM 系统进行自动编程的基本步系统进行自动编程的基本步 骤骤 CAM 系统的编程基本步骤如下： 理解二维图纸或其它的模型数据 建立加工模型或通过数据接口读入 确定加工工艺（装卡、刀具等） 生成刀具轨迹 加工仿真 后期处理生成 NC 代码 输出加工代码 现在分别予以说明。 1、加工工艺的确定、加工工艺的确定 加工工艺的确定目前主要依靠人工进行，其主要内容有： 核准加工零件的尺寸、公差和精度要求 确定装夹位置 选择刀具 确定加工路线 选定工艺参数 2、加工模型建立、加工模型建立 利用 CAM 系统提供的图形生成和编辑功能将零件的被加工部位绘制计算机屏幕上。作为 计算机自动生成刀具轨迹的依据。 加工模型的建立是通过人机交互方式进行的。被加工零件一般用工程图的形式表达在图 纸上，用户可根据图纸建立三维加工模型。针对这种需求，CAM 系统应提供强大几何建模功 能，不仅应能生成常用的直线和圆弧，还应提供复杂的样条曲线、组合曲线、各种规则的和 不规则的曲面等的造型方法，并提供种过渡、裁剪、几何变换等编辑手段。 被加工零件数据也可能由其他 CAD/CAM 系统传入，因此 CAM 系统针对此类需求应提供标 准的数据接口，如 DXF、IGES、STEP 等。由于分工越来越细，企业之间的协作越来越频繁， 这种形式目前越来越普遍。 被加工零件的外形不可能是由测量机测量得到，针对此类的需求，CAM 系统应提供读入 测量数据的功能，按一定的格式给出的数据，系统自动生成零件的外形曲面。 3、刀具轨迹生成、刀具轨迹生成 建立了加工模型后，即可利用 CAXA 制造工程师系统提供的多种形式的刀具轨迹生成功 能进行数控编程。CAXA 制造工程师中提供了十余种加工轨迹生成的方法。用户可以根据所 要加工工件的形状特点、不同的工艺要求和精度要求，灵活的选用系统中提供的各种加工方 式和加工参数等，方便快速地生成所需要的刀具轨迹即刀具的切削路径。CAXA 制造工程师 在研制过程中深入工厂车间并有自己的实验基地，它不仅集成了北航多年科研方面的成果， 也集成了工厂中的加工工艺经验，它是二者的完美结合。在 CAXA 制造工程师中做刀具轨迹， 已经不是一种单纯的数值计算，而是工厂中数控加工经验的生动体现，也是你个人加工经验 的积累，它人加工经验的继承， 为满足特殊的工艺需要，CAXA 制造工程师能够对已生成的刀具轨迹进行编辑。CAXA 制 造工程师还可通过模拟仿真检验生成的刀具轨迹的正确性和是否有过切产生。并可通过代码 较核，用图形方法检验加工代码的正确性。 4、后期、后期 G 代码生成代码生成 在屏幕上用图形形式显示的刀具轨迹要变成可以控制机床的代码，需进行所谓后期处理。 后期处理的目的是形成数控指令文件，也就是平我们经常说的 G 代码程序或 NC 程序。 CAXA 制造工程师提供的后期处理功能是非常灵活的，它可以通过用户自己修改某些设置而 适用各自的机床要求。用户按机床规定的格式进行定制，即可方便地生成和特定机床相匹配 的加工代码。 5、加工代码输出、加工代码输出 生成数控指令之后，可通过计算机的标准接口与机床直接连通。CAXA 制造工程师可以 提供我们自己开发的通信软件，完成通过计算机的串口或并口与机床连接，将数控加工代码 传输到数控机床，控制机床各坐标的伺服系统，驱动机床。 随着我们国家加工制造业的迅猛发展，数控加工技术得到空前广泛的应用，CAXA 的 CAD/CAM 软件得到了日益广泛的普及和应用。我们相信当你认识了 CAXA 制造工程师以后， CAXA 制造工程师一定会走到你的身边，成为你身边的不可多得的造型能手，忠实可靠的编 程高手，数控加工工艺的良师益友。 第第 2 章章 数控加工工艺设计数控加工工艺设计 2.1 数控加工工艺设计主要内容数控加工工艺设计主要内容 在进行数控加工工艺设计时，一般应进行以下几方面的工作：数控加工工艺内容的选择； 数控加工工艺性分析； 数控加工工艺路线的设计。 2.1.1 数控加工工艺内容的选择数控加工工艺内容的选择 对于一个零件来说，并非全部加工工艺过程都适合在数控机床上完成,而往往只是其中 的一部分工艺内容适合数控加工。这就需要对零件图样进行仔细的工艺分析，选择那些最适 合、最需要进行数控加工的内容和工序。在考虑选择内容时，应结合本企业设备的实际，立 足于解决难题、攻克关键问题和提高生产效率，充分发挥数控加工的优势。 1、适于数控加工的内容 在选择时，一般可按下列顺序考虑： （1）通用机床无法加工的内容应作为优先选择内容； （2）通用机床难加工，质量也难以保证的内容应作为重点选择内容； （3）通用机床加工效率低、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 一般来说，上述这些加工内容采用数控加工后，在产品质量、生产效率与综合效益等方 面都会得到明显提高。相比之下，下列一些内容不宜选择采用数控加工： （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， 可安排通用机床补加工； （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。 此外，在选择和决定加工内容时，也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况等等。总 之，要尽量做到合理，达到多、快、好、省的目的。要防止把数控机床降格为通用机床使用。 2.1.2 数控加工工艺性分析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。 1、尺寸标注应符合数控加工的特点 在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此零件图样 上最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。 2、几何要素的条件应完整、准确 在程序编制中，编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素参数及各几何要素间的 关系。因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义，手工编程时要计算出每个 节点的坐标，无论哪一点不明确或不确定，编程都无法进行。但由于零件设计人员在设计过 程中考虑不周或被忽略，常常出现参数不全或不清楚，如圆弧与直线、圆弧与圆弧是相切还 是相交或相离。所以在审查与分析图纸时，一定要仔细核算，发现问题及时与设计人员联系。 3、定位基准可靠 在数控加工中，加工工序往往较集中，以同一基准定位十分重要。因此往往需要设置一 些辅助基准，或在毛坯上增加一些工艺凸台。如图 2.1a 所示的零件，为增加定位的稳定性， 可在底面增加一工艺凸台，如图 2.1b 所示。在完成定位加工后再除去。 a)改进前的结构b)改进后的结构 图 2.1 工艺凸台的应用 4、统一几何类型及尺寸 零件的外形、内腔最好采用统一的几何类型及尺寸，这样可以减少换刀次数，还可能应 用控制程序或专用程序以缩短程序长度。零件的形状尽可能对称，便于利用数控机床的镜向 加工功能来编程，以节省编程时间。 2.1.3 数控加工工艺路线的设计 数控加工工艺路线设计与通用机床加工工艺路线设计的主 要区别,在于它往往不是指从毛坯到成品的整个工艺过程，而 仅是几道数控加工工序工艺过程的具体描述。因此在工艺路线设计中一定要注意到，由于数 控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中，因而要与其它加工工艺衔接好。常见 工艺流程如图 2.2 所示。 数控加工工艺路线设计中应注意以下几个问题： 1、工序的划分 根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行： （1）以一次安装、加工作为一道工序。这种方法适合于加工内容较少的零件，加工完后就 能达到待检状态。 （2）以同一把刀具加工的内容划分工序。有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工 表面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如控制系统的限制（主要是内存容量），机床 连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结束）等。此外，程序太长会增加出 错与检索的困难。因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多。 （3）以加工部位划分工序。对于加工内容很多的工件，可按其结构特点将加工部位分成几 个部分，如内腔、外形、曲面或平面，并将每一部分的加工作为一道工序。 （4）以粗、精加工划分工序。对于经加工后易发生变形的工件，由于对粗加工后可能发生 的变形需要进行校形，故一般来说，凡要进行粗、精加工的过程，都要将工序分开。 2、顺序的安排 顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位、安装与夹紧的需要来考虑。顺序 图 2.2 工艺流程 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它普通加工工序，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。 2.2 数控加工工艺设计方法数控加工工艺设计方法 在选择了数控加工工艺内容和确定了零件加工路线后，即可进行数控加工工序的设计。 数控加工工序设计的主要任务是进一步把本工序的加工内容、切削用量、工艺装备、定位夹 紧方式及刀具运动轨迹确定下来，为编制加工程序作好准备。 2.2.1 确定走刀路线和安排加工顺序确定走刀路线和安排加工顺序 走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出 工步顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。确定走刀路线时应注意以下几点： 1、寻求最短加工路线 如加工图 2.3a 所示零件上的孔系。2.3b 图的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内 圈孔。若改用 2.3c 图的走刀路线，减少空刀时间，则可节省定位时间近一倍，提高了加工 效率。 a)零件图样b)路线 1c)路线 2 图 2.3 最短走刀路线的设计 2、最终轮廓一次走刀完成 为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工 出来。 如图 2.4a 为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不 留死角，不伤轮廓。但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不到要求的 表面粗糙度。所以如采用 2.4b 图的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮 廓表面，能获得较好的效果。图 2.4c 也是一种较好的走刀路线方式。 a)路线 1b)路线 3c)路线 3 图 2.4 铣削内腔的三种走刀路线 3、选择切入切出方向 考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切 线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量减 少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕，如图 2.5 所示。 图 2.5 刀具切入和切出时的外延 4、选择使工件在加工后变形小的路线 对横截面积小的细长零件或薄板零件应采用分 几次走刀加工到最后尺寸或对称去除余量法安排走 刀路线。安排工步时，应先安排对工件刚性破坏较 小的工步。 2.2.2 确定定位和夹紧方案确定定位和夹紧方案 在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题： （1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一； （2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部待加工表面； （3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案； （4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。 如图 2.6a 薄壁套的轴向刚性比径向刚性好，用卡爪径向夹紧时工件变形大，若沿轴向 施加夹紧力，变形会小得多。在夹紧图 2.6b 所示的薄壁箱体时，夹紧力不应作用在箱体的 顶面，而应作用在刚性较好的凸边上，或改为在顶面上三点夹紧，改变着力点位置，以减小 夹紧变形,如图 2.6c 所示。 a) 薄壁套b) 改进方法 2c)改进方法 2 图 2.6 夹紧力作用点与夹紧变形的关系 2.2.3 确定刀具与工件的相对位置确定刀具与工件的相对位置 对于数控机床来说，在加工开始时， 确定刀具与工件的相对位置是很重要的， 这一相对位置是通过确认对刀点来实现的。对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的 基准点。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定尺寸 联系的某一位置，对刀点往往就选择在零件的加工原点。对刀点的选择原则如下： （1）所选的对刀点应使程序编制简单； （2）对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置； （3）对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置； （4）对刀点的选择应有利于提高加工精度。 例如，加工图 2.7 所示零件时，当按照图示路线来编制数控加工程序时，选择夹具定位 元件圆柱销的中心线与定位平面 A 的交点作为加工的对刀点。显然，这里的对刀点也恰好是 加工原点。 在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。所谓对刀是指使“刀位点”与 “对刀点”重合的操作。每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在 控制系统中设置刀具的基本位置。“刀位点”是指刀具的定位基准点。如图 2.8 所示，圆柱 铣刀的刀位点是刀具中心线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点是球头的球心点或球头顶 点；车刀的刀位点是刀尖或刀尖圆弧中心；钻头的刀位点是钻头顶点。各类数控机床的对刀 方法是不完全一样的，这一内容将结合各类机床分别讨论。 换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在 加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。为防止换刀 时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量。 图 2.7 对刀点 a)钻头的刀位点b)车刀的刀位点c)圆柱铣刀的刀位点d)球头铣刀的刀位点 图 2.8 刀位点 2.2.4 确定切削用量确定切削用量 对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。 这些条件决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济的、有效的加工方式，要求必须合理 地选择切削条件。 编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去 选择。也可以结合实际经验用类比法确定切削用量。在选择切削用量时要充分保证刀具能加 工完一个零件，或保证刀具耐用度不低于一个工作班，最少不低于半个工作班的工作时间。 背吃刀量主要受机床刚度的限制，在机床刚度允许的情况下，尽可能使背吃刀量等于工 序的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高加工效率。对于表面粗糙度和精度要求较高的 零件，要留有足够的精加工余量，数控加工的精加工余量可比通用机床加工的余量小一些。 编程人员在确定切削用量时，要根据被加工工件材料、硬度、切削状态、背吃刀量、进 给量，刀具耐用度，最后选择合适的切削速度。表 2.1 为车削加工时的选择切削条件的参考 数据。 表 2.1 车削加工的切削速度(m/min) 被切削材料名称 轻切削 切深 0.510.mm 进给量 0.050.3mm /r 一般切削 切深 14mm 进给量 0.20.5mm/r 重切削 切深 512mm 进给量 0.40.8mm/r 10# 100250 150250 80220 优质碳素结 构钢 45# 60230 70220 80180 b750M Pa 100220 100230 70220 合金钢 b750MP a 70220 80220 80200 2.3 数控加工走刀路线图数控加工走刀路线图 在数控加工中，常常要注意并防止刀具在运动过程中与夹具或工件发生意外碰撞，为此 必须设法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，表 2.5 为一种常用格式。 表 2. .5 数控加工走刀路线图 数控加工走刀路线图零件图号NC01 工序 号 工步号程序号O100 机床型 号 XK5032 程序段 号 N10N1 70 加工内 容 铣轮廓周边共 1 页第 页 编程 校对 审批 符号 含义抬刀下刀编程原点起刀点走刀方向 走刀线相 交 爬斜坡铰孔行切 2.4 数控刀具卡片数控刀具卡片 数控加工时，对刀具的要求十分严格，一般要在机外对刀仪上预先调整刀具直径和长度。 刀具卡反映刀具编号、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，详见表 2.6。 表 2.6 数控刀具卡片 零件图号 J30102-4使用设备 刀具名称镗刀 数数 控控 刀刀 具具 卡卡 片片 TC-30 刀具编号T13006换刀方式自动程序编号 序号编号刀具名称规格数量备注 1T013960拉钉1 2390、140-50 50 027刀柄1 3391、01-50 50 100接杆501001 刀 具 组 成 4391、68-03650 085镗刀杆1 5R416.3-122053 25镗刀组件41-531 6TCMM110208-52刀片1 72GC435 备注 编制审校批准共页第页 不同的机床或不同的加工目的可能会需要不同形式的数控加工专用技术文件。在工作中， 可根据具体情况设计文件格式。 第三章 数控程序编程数控程序编程 3.1 数控程序编制的概念数控程序编制的概念 在编制数控加工程序前，应首先了解：数控程序编制的主要工作内容，程序编制的工作 步骤，每一步应遵循的工作原则等，最终才能获得满足要求的数控程序。 3.1.1 数控程序编制的定义数控程序编制的定义 编制数控加工程序是使用数控机床的一项重要技术工作，理想的数控程序不仅应该保证 加工出符合零件图样要求的合格零件，还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发 挥，使数控机床能安全、可靠、高效的工作。 1、数控程序编制的内容及步骤 数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。 （1）分析零件图样和制定工艺方案 这项工作的内容包括：对零件图样进行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案； 选择适合的数控机床；选择或设计刀具和夹具；确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量 等。这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求进行分 分析零分析零 件图样件图样 和制定和制定 工艺方工艺方 案案 数数 学学 处处 理理 编编 写写 程程 序序 程程 序序 校校 验验 修 改 析，并结合数控机床使用的基础知识，如数控机床的规格、性能、数控系统的功能等，确定 加工方法和加工路线。 （2）数学处理 在确定了工艺方案后，就需要根据零件的几何尺寸、加工路线等，计算刀具中心运动轨 迹，以获得刀位数据。数控系统一般均具有直线插补与圆弧插补功能，对于加工由圆弧和直 线组成的较简单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值， 得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。当零件的几何形 状与控制系统的插补功能不一致时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅 助计算，否则难以完成。 （3）编写零件加工程序 在完成上述工艺处理及数值计算工作后，即可编写零件加工程序。程序编制人员使用数 控系统的程序指令，按照规定的程序格式，逐段编写加工程序。程序编制人员应对数控机床 的功能、程序指令及代码十分熟悉，才能编写出正确的加工程序。 （4）程序检验 将编写好的加工程序输入数控系统，就可控制数控机床的加工工作。一般在正式加工之 前，要对程序进行检验。通常可采用机床空运转的方式，来检查 机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通 过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。对于形状复杂和要求高的 零件，也可采用铝件、塑料或石蜡等易切材料进 行试切来检验程序。通过检查试件，不仅可确认程序是否正确，还可知道加工精度是否符合 要求。若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切，则更能反映实际加工效果，当发现 加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿等措施。 3.2、数控程序编制的方法、数控程序编制的方法 数控加工程序的编制方法主要有两种：手工编制程序和自动编制程序。 （1）手工编程 手工编程指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作。 一般对几何形状不太复杂的零件，所需的加工程序不长，计算比较简单，用手工编程比较合 适。 手工编程的特点：耗费时间较长，容易出现错误，无法胜任复杂形状零件的编程。据国 外资料统计，当采用手工编程时，一段程序的编写时间与其在机床上运行加工的实际时间之 比，平均约为 30：1，而数控机床不能开动的原因中有 20%30%是由于加工程序编制困难， 编程时间较长。 （2）计算机自动编程 自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工 作均由计算机辅助完成。 采用计算机自动编程时，数学处理、编写程序、检验程序等工作是由计算 机自动完成的，由于计算机可自动绘制出刀具中心运动轨迹，使编程人员可及时检查程序是 否正确，需要时可及时修改，以获得正确的程序。又由于计算机自动编程代替程序编制人员 完成了繁琐的数值计算，可提高编程效率几十倍乃至上百倍，因此解决了手工编程无法解决 的许多复杂零件的编程难题。因而，自动编程的特点就在于编程工作效率高，可解决复杂形 状零件的编程难题。 根据输入方式的不同，可将自动编程分为图形数控自动编程、语言数控自动编程和语音 数控自动编程等。图形数控自动编程是指将零件的图形信息直接输入计算机，通过自动编程 软件的处理，得到数控加工程序。目前，图形数控自动编程是使用最为广泛的自动编程方式。 语言数控自动编程指将加工零件的几何尺寸、工艺要求、切削参数及辅助信息等用数控语言 编写成源程序后，输入到计算机中，再由计算机进一步处理得到零件加工程序。语音数控自 动编程是采用语音识别器，将编程人员发出的加工指令声音转变为加工程序。 3.2.1数控程序的指令代码：数控程序的指令代码： （1）准备功能字 G 准备功能字 G 指令是使数控机床建立起某种加工方式的指令，如 插补、刀具补偿、固定循环等。 表 1.1 G 功能字含义表 G 功能字FANUC 系统SIEMENS 系统 G00快速移动点定位快速移动点定位 G01直线插补直线插补 G02顺时针圆弧插补顺时针圆弧插补 G03逆时针圆弧插补逆时针圆弧插补 G04暂停暂停 G05-通过中间点圆弧插补 G17XY 平面选择XY 平面选择 G18ZX 平面选择ZX 平面选择 G19YZ 平面选择YZ 平面选择 G32螺纹切削- G33-恒螺距螺纹切削 G40刀具补偿注销刀具补偿注销 G41刀具补偿左刀具补偿左 G42刀具补偿右刀具补偿右 G43刀具长度补偿 正 - G44刀具长度补偿 负 - G49刀具长度补偿注销- G50主轴最高转速限制- G54G59加工坐标系设定零点偏置 G65用户宏指令- G70精加工循环英制 G71外圆粗切循环米制 G72端面粗切循环- G73封闭切削循环- G74深孔钻循环- G75外径切槽循环- G76复合螺纹切削循环- G80撤销固定循环撤销固定循环 G81定点钻孔循环固定循环 G85绝对值编程绝对尺寸 G91增量值编程增量尺寸 G92螺纹切削循环主轴转速极限 G94每分钟进给量直线进给率 G95每转进给量旋转进给率 G96恒线速控制恒线速度 G97恒线速取消注销 G96 G98返回起始平面- G99返回 R 平面- （2）尺寸字 尺寸字用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置。 其中，第一组 X，Y，Z，U，V，W，P，Q，R 用于确定终点的直线坐标尺寸；第二组 A，B，C，D，E 用于确定终点的角度坐标尺寸；第三组 I，J，K 用于确定圆弧轮廓的圆心 坐标尺寸。在一些数控系统中，还可以用 P 指令暂停时间、用 R 指令圆弧的半径等。 多数数控系统可以用准备功能字来选择坐标尺寸的制式，如 FANUC 诸系统可用 G21/G22 来选择米制单位或英制单位，也有些系统用系统参数来设定尺寸制式。采用米制时，一般单 位为 mm，如 X100 指令的坐标单位为 100 mm。当然，一些数控系统可通过参数来选择不同的 尺寸单位。 （3）进给功能字 F 进给功能字的地址符是 F，又称为 F 功能或 F 指令，用于指定切削的进给速度。对于车 床，F 可分为每分钟进给和主轴每转进给两种，对于其它数控机床，一般只用每分钟进给。 F 指令在螺纹切削程序段中常用来指令螺纹的导程。 （4）主轴转速功能字 S 主轴转速功能字的地址符是 S，又称为 S 功能或 S 指令，用于指定主轴转速。单位为 r/min。对于具有恒线速度功能的数控车床，程序中的 S 指令用来指定车削加工的线速度数。 （5）刀具功能字 T 刀具功能字的地址符是 T，又称为 T 功能或 T 指令，用于指定加工时所用刀具的编号。 对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用。 （6）辅助功能字 M 辅助功能字的地址符是 M，后续数字一般为 13 位正整数，又称为 M 功能或 M 指令，用 于指定数控机床辅助装置的开关动作，见表 1.2。 表 1.2 M 功能字含义表 M 功能字 含 义 M00 程序停止 M01 计划停止 M02 程序停止 M03 主轴顺时针旋转 M04 主轴逆时针旋转 M05 主轴旋转停止 M06 换刀 M07 2 号冷却液开 M08 1 号冷却液开 M09 冷却液关 M30 程序停止并返回 开始处 M98 调用子程序 M99 返回子程序 3.3程序格式程序格式 1、程序段格式 程序段是可作为一个单位来处理的、连续的字组，是数控加工程序中的一条语句。一个 数控加工程序是若干个程序段组成的。 程序段格式是指程序段中的字、字符和数据的安排形式。现在一般使用字地址可变程序 段格式，每个字长不固定，各个程序段中的长度和功能字的个数都是可变的。地址可变程序 段格式中，在上一程序段中写明的、本程序段里又不变化的那些字仍然有效，可以不再重写。 这种功能字称之为续效字。 程序段格式举例： N30 G01 X88.1 Y30.2 F500 S3000 T02 M08 N40 X85（本程序段省略了续效字“G01，Y30.2，F500，S3000，T0