数控加工指令生成的优化方法

1.数控加工坐标系的定义

数控加工中的机床和被加工零件的模型都拥有各自的坐标系，统一规定数控机床坐标轴名称及其运动的正、负方向可使编程简便，并使所编程序对同类型机床具有互换性。国际上已对数控机床的标准坐标系进行了统一规定。

（1）标准坐标系 数控机床的标准坐标系（又称基本坐标系）采用笛卡儿直角坐标系（见图5-42）。定义X、Y和Z三者的关系及其正方向用右手法则判定；围绕X、Y、Z各轴的回转运动坐标分别为A、B和C，各正方向用右手螺旋法则判定。

（2）运动方向定义 统一规定标准坐标系X、Y、Z作为刀具（相对于工件）运动的坐标系，定义增大刀具与工件间距离的方向为正方向。按此规定并考虑到刀具与工件是一对相对运动，即刀具向某一方向的运动等同于工件向其反方向运动的特点，图5-42中虚线所示的+X′、+Y′、+Z′必然是工件（相对于刀具）正向运动的坐标系。

图5-42 右手直角笛卡儿坐标系

（3）编程用坐标系 由于+X与+X′、+Y与+Y′、+Z与+Z′是等效的，编程时皆假定工件固定，用刀具运动进行编程。即直接在零件模型上建立一个与标准坐标系平行的工件坐标系，描述刀具在该坐标系中的运动，即可编出正确的程序。

（4）坐标轴的确定

1）Z轴。传递切削动力的主轴规定为Z轴，取远离工件的方向为正方向。当机床有两个以上的主轴时，则取其中一个垂直于工件装夹面的主轴为Z轴。

2）X轴：定义为水平方向，且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。对于工件旋转运动的机床（如车床和磨床），取平行于横向滑座的方向（工件径向）为刀具运动的X坐标，同样取刀具远离工件的方向为正方向；对于刀具旋转运动的机床（如铣床、镗床），当Z轴为水平时，沿刀具主轴后端向工件方向看，向右方向为正；立式主轴时，面对刀具主轴向立柱方向看，向右方向为正。

3）Y轴。与X、Z轴垂直。X轴和Z轴确定后，用右手定则即可确定Y轴方向。

4）主轴回转运动的方向。主轴沿顺时针回转运动的方向是按右手螺旋进入工件的方向。

2.数控程序设计的主要步骤

数控机床加工零件，是将数控加工的运动、工艺参数等按动作顺序，用数控机床特定的代码和程序格式编成加工程序输入CNC装置来控制机床的动作，自动加工出零件。数控加工的程序编制过程如图5-43所示。

图5-43 数控加工程序编制过程

首先，仔细分析零件图样，明确加工内容和技术要求，选择合适的数控机床；然后进行工艺处理和数学处理；最后编写程序。

工艺处理包括确定工艺方案、设计工装夹具、选择刀具、正确选择对刀点、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。

数学处理包括根据零件的几何尺寸、加工路线，设计刀具的运动轨迹，以获得刀位数据。一般的数控系统均具有直线插补和圆弧插补的功能。对于由圆弧和直线组成的简单零件，只需计算出零件轮廓相邻几何元素的交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点和圆弧的圆心坐标值。如果数控系统无刀具补偿功能，还应计算出刀具运动的中心轨迹。对于复杂的零件或当零件的几何形状与控制系统的插补功能不一致时，还需进行较复杂的数值计算。

按照规定的程序格式编写程序后，都要进行空运行和试切，之后才能正式运行程序进行零件的加工。

3.数控加工程序的指令代码

数控编程的方法有两种：手工编程和自动编程。

手工编程多数指在线编程，即由人工完成编制零件加工程序的各个步骤，即从零件图样分析、工艺处理、数值计算到编写NC代码程序。对于几何形状不太复杂的简单零件或者标准零件，所需的加工程序不多，坐标计算也比较简单，不易出错，这时选用手工编程最合适。因此，手工编程至今仍广泛地应用于简单的点位加工及直线与圆弧组成的轮廓加工中。

自动编程即程序编制工作的大部分或全部由计算机完成。编程人员只需根据零件图样和工作要求，使用规定的数控语言或人机对话方式进行计算机输入，计算机就能自动进行处理，并计算出刀具运动轨迹，编制出零件加工的数控代码程序。目前CAM软件为此提供了较强大的支持。

国际上通用的数控编程标准有两种，一种是国际标准化组织（International Standardiza-tion Organization，ISO）标准，另一种是美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）标准。由于各类机床所使用的代码、指令的含义不一定完全相同，因此编程人员还必须按照数控机床使用手册的具体规定来编制程序。

手工编制的加工程序和CAM生产的走刀轨迹必须经过一定的处理转换成G代码，才能驱动加工机床实现规定的加工过程。G代码是使机床建立起某种工作方式的指令，如命令机床走直线或圆弧运动、刀具补偿、固定循环运动等。G代码是数控加工程序的主要内容。G代码由地址G及其后的两位数字组成，从G00～G99共100种。每一个G代码都具有不同的含义，例如，G00表示点定位，G01表示直线差补，G02表示顺时针方向圆弧差补，G03表示逆时针方向圆弧差补。在100个G代码中，尚有一部分未定义。以下是某一零件加工用的部分G代码：

N001 G01 G17 G42 X— Y—

N002 X— Y—

N003 G03 X— Y—

N004 X— Y—

N005 G01 X— Y—(www.xing528.com)

N006 G00 G40 X— Y—

作为辅助代码，M代码主要控制机床的辅助动作，如机床主轴的开和停、冷却液的开和关、转位部件的夹紧与松开等。以下的加工程序中，N002程序段的M03是指直线差补（G01）进给运动一开始就命令主轴按顺时针方向转动至每分钟800转（S800），N015则是指在快速点定位（G00）运动至（X200，Z400）位置后，M05才命令主轴停止运转。

N002 G01 X30 Z50 S800 M03

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N015 G00 X200 Z400 M05

一个完整的加工程序由若干程序段组成；程序段由一个或若干字组成；每个字又由字母和数字数据组成（有时还包括代数符号）；每一个字母、数字、符号称为字符。

（1）程序段的格式 一个程序段是由程序字组成的，程序字通常是由地址符及其后面的数字或符号组成的；如X-12.34，表示在X轴的负方向运动12.34mm。程序段格式可分为固定程序段格式和可变程序段格式。

（2）程序段的组成 程序段由程序段序号、地址符、数据字、符号和结束符号组成。

例如：N10 G00 G54 X25.00 Z20.00 LF

其中，N为程序段序号地址符，G为准备功能地址符，X、Z为坐标轴地址符，10、00、54、25.00、20.00均为数据字，LF为程序段结束符号。

值得注意的是：有些数控系统（如FANUC数控系统）的程序段结束符号不用“LF”，而是用“：”。还有的CNC机床程序段结束仅用硬回车，不用其他任何结束符号。

在程序段中，表示地址符的英文字母可分为尺寸字地址符和非尺寸字地址符，尺寸字地址符常用以下字母表示：X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、I、J、K、A、B、C等。非尺寸字地址符常用以下字母表示：N、G、F、S、T、M、L等。对于非尺寸字地址符，其后面的数字串不可为小数，也没有正、负之分。

（3）程序结构 一个完整的程序必须包括程序开始部分、程序内容部分和程序结束部分。

1）程序开始部分。常用“%”表示程序开始，随后写上程序号，最后是程序段结束符号LF，例如，%10 LF。有些数控系统不用“%”表示程序开始，而是用数字“0”表示。

2）程序内容部分。这部分是整个程序的核心部分，由若干程序段组成，表示数控机床要完成的全部动作。

3）程序结束部分。这部分以程序结束指令构成一个最后的程序段。程序结束指令常用M02或M30。

下面的例子清楚的描述了程序的组成。

（4）主程序和子程序 与计算机程序一样，数控编程程序也可分为主程序和子程序。在通常情况下，数控机床按主程序的指令进行工作，当在程序中有调用子程序的指令时，数控机床就按子程序进行工作，遇到子程序中有返回主程序的指令时，返回主程序后继续按主程序的指令工作。在程序中把某些固定顺序或重复出现的程序，可以作为子程序进行编程，并预先存储在存储器中，需要时可直接调用，这样可简化主程序的设计。子程序的结构同主程序一样，也有开始部分、内容部分和结束部分。一个子程序还可以调用另一个子程序，称为嵌套，但嵌套次数不能太多。程序执行过程如图5-44所示。

图5-44 程序执行过程

由于计算机技术的发展，计算机的图形处理功能有了很大的增强，图形交互自动编程已成为自动编程的主流手段。图形交互自动编程系统实质上是一个集成化的CAD/CAE/CAM系统，一般由几何造型、刀具轨迹生成、刀具轨迹编辑、刀位验证、后置处理、计算机图形显示、数据库管理、运行控制及用户界面等部分组成。几何造型属于CAD方面的内容，当人们进行编程时，只需将零件图形文件调出即可。

当刀具轨迹生成以后，CAM软件就生成一个刀具位置文件，要将它变为数控加工所用的NC代码，还需经过后置处理系统。后置处理就是把刀位文件转换成指定数控机床能执行的数控程序的过程。现在的通用后置处理系统比较完善，能够生成针对任何类型数控系统的后置处理程序，并且生成的后置处理程序可以从不同的CAM系统刀位文件中读取刀位数据，且有很好的兼容性，其工作原理如图5-45所示。

图5-45 后置处理系统

根据刀位文件的格式，可将刀位文件分为两类：一类是符合IGE5标准的标准格式刀位文件，如各种通用APT系统及商品化的数控图像编程系统输出的刀位文件；另一类是非标准刀位文件，如某些专用（或非商品化的）数控编程系统输出的刀位文件。

图5-46 后置处理过程

后置处理过程原则上是解释执行，即每读出刀位文件中的一个完整的记录，便分析该记录的类型，根据记录类型确定是进行坐标变换还是进行文件代码转换，然后根据所选数控机床进行坐标变换或文件代码转换，生成一个完整的数控程序段，并写到数控程序文件中去，直到刀位文件结束。其中，坐标变换与加工方式及所选数控机床类型密切相关。后置处理过程可用图5-46所示的框图表示。现在影响较大、使用较广的自动编程系统主要有APT、FAPT和EXAPT系统等。