1.1數控加工程序的結構與格式
普通機床的加工是由操作人員手動操作的，而數控機床的動作指令是由數控程序來控制的。數控程序的編製通常有三種途徑：①手工編程：②用數控語言進行輔助編程：③用CAD/CAM軟體進行計算機自動編程。要熟悉一個數控機床的控制系統，掌握手工編程方法是最為有效的途徑。因為不論是用數控語言進行計算機輔助編程或是利用CAD/CAM軟體進行計算機自動編程，輸出的源程序或刀位文件都必須經過後置處理系統轉換成機床控制系統規定的加工指令程序格式。所以，掌握手工編寫加工指令程序的方法是數控編程人員的基本功。本節主要介紹手工編程的基礎知識。
一、數控加工程序的格式
一個完整的數控加工程序是由若干程序段組成，數控加工程序段的格式有兩種：字地址格式和分隔符格式。
字地址格式：
概念：如果一個程序段是由若干個英文字母且每個字母後面附有數字，則這種程序格式稱為字地址格式。
英文字母稱為字地址，英文字母及其後面的數字組成數控字，簡稱字，字的含義由頭一個字地址確定，每個字表示一種功能。如數控車床編程格式： N002G01X1000Z1500F0150S300T12M03EOB
特點：不需要的字或與商議程序段相同的字均可不寫，字的順序稍有出入時不影響各字的功能。
分隔符格式：
概念：用固定分隔符代替相當於字地址格式種的字地址的格式。如線切割機床編程格式： BXBYBJGZ
特點：代碼順序已固定好，不允許改變。
二、數控加工程序的結構
一個完整的數控加工程序是由若干程序段組成，每個程序段是按照一定順序排列、能使數控機床完成某特定動作的一組指令，每個指令都是由地址字元和數字所組成。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
這表示一個完整的加工程序，它由125個程序段按操作順序排列而成。整個程序以「%」開始，以M02（或M30）作為全程序的結束。每個程序段用序號「N」開頭，用LF結束。具體說明如下：
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
一個完整的程序必須由三部分組成，即：準備程序段、加工程序段和結束程序段。
(1)準備程序段
準備程序段是程序的準備部分，必須位於加工程序段的前面，其內容包括：
①程序號：O01~O99或%，有的數控系統可以沒有程序號；
②確定坐標值的輸入方式：G90或G91；
③建立工件坐標系：G92或G54~G59中的任一個；
④刀具選取：T_或T__；
⑤主軸轉速與旋轉方向：S_、M03或M04；
⑥冷卻液打開：M08；
⑦刀具快速定位： G00X_Y_；
G00Z_；
(2)加工程序段
加工程序段是根據具體要加工零件的加工工藝，按刀具軌跡編寫的。
(3)結束程序段
結束程序段一般包括以下內容：
①刀具快速回退到程序起點；
②主軸停轉M05；
③冷卻液關閉M09；
④取消刀具補償G40或G49；
⑤程序結束代碼M02或M30。
注意：
①當程序是以%開始時，程序的最後一行一般也應以%為結束標誌。
②程序段的結束符號(LF、「；」、「*」、「$」、CR等)在一個程序中應保持統一。
三、主要數控加工功能指令
1. 程序段序號
由字母N和其後幾位數字組成，用來表示程序執行的順序，用作程序段的顯示和檢索。
2. 準備功能字
準備功能字（也稱G指令）由字母G和其後兩位數字組成。G指令是與機床運動有關的一些指令，包括坐標系設定、坐標平面選擇、坐標尺寸表示方法、插補、刀補、固定循環等方面的指令。ISO及我國有關標準中規定的G指令可參考ISO-1975以及JB3208-83。G代碼有G00~G99共100種，下面列出一部分常用的G指令：
插補類指令：G00（快速直線）、G01（直線）、G02（順圓）、G03（逆圓）等；
平面選擇類指令：G17（XY平面）、G18（ZX平面）、G19（YZ平面）；
刀補類指令：G40（取消刀補）、G41（左刀補）、G42（右刀補）；
坐標方式指令：G90（絕對坐標）、G91（相對坐標）
固定循環類指令：G80（取消固定循環）、G81~G89（各種循環）。
……
3. 坐標功能字
坐標功能字由坐標的地址代碼、正負號、絕對坐標值或增量坐標值表示的數值等三部分組成，用來指定機床各坐標軸的位移量和方向。坐標的地址代碼為：X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、I、J、K、A、B、C、D、E等。坐標的數量由插補指令決定，數值的位數由數控系統規定。
4. 進給功能字
進給功能字由字母F和其後的幾位數字組成，表示刀具相對於工件的運動速度。進給速度常用的指定方法有直接指定法和時間倒數指定法。
直接指定法：在F後面按照規定的單位直接寫出要求的進給速度，單位為mm/min。在加工螺紋時，進給速度為主軸每轉的走刀量，單位為mm/r。
時間倒數指定法：這種指定發給出F後面的數字是刀具以一定的進給速度走完編程軌跡所用時間的，單位為min-1。
5. 主軸轉速功能字
主軸轉速功能字由字母S和其後的幾位數字組成，用以設定主軸速度。一般採用直接指定法，即在S後面直接寫上要求的主軸速度，單位為r/min。
6. 刀具功能字
刀具功能字由字母T和其後的幾位數字組成，用來指定刀具號和刀具長度補償。不同的數控系統有不同的指定方法和含義，例如T10，可表示選擇10號刀具，刀具長度補償按10號數字撥盤所設定的數字進行補償；又如T1012，表示10號刀具，按存儲在內存中的12號補償值進行長度補償。
7. 輔助功能字
輔助功能字（也稱M代碼）由字母M和其後的兩位數字組成，主要用於數控機床開關量的控制。如主軸的正、反轉，冷卻液通、斷，程序結束等。ISO國際標準中，M代碼有M00~M99共計100種，常用的M指令有：
程序結束類：M00（程序暫停）、M01（計劃停止）、M02（程序結束）等；
主軸控制類：M03（主軸順轉）、M04（主軸逆轉）、M05（主軸停止）；
冷卻液控制類：M08（冷卻液打開）、M09（冷卻液關閉）；
程序調用：M98（調用子程序）、M99（子程序結束、返回主程序）。
……
8. 程序段結束符
程序段的末尾必須有一個程序段結束符號，ISO標準中為LF，EIA標準中為CR。
1.2 數控加工編程舉例
一、FANUC-6M數控系統加工程序格式及編程方法
該系統具有直線、圓弧插補功能和刀具補償功能（含刀具長度方向的補償），可採用相對坐標或絕對坐標編程，脈衝當量為0.001mm／脈衝。指令代碼採用ISO標準或EIA標準規定的代碼。
程序段的一般格式：
N（數字）G△△（一組）X（數字）Y（數字）Z（數字）I（數字）J（數字）K（數字）F（數字）S（數字）T（數字）M△△ D△△ EOB
N 為程序段序號，範圍為1-99999。該序號為任選項，其作用為序號顯示，程序段檢索或作為轉子程序標號。
G 為準備功能指令，該系統一共定義了60多種G指令，但最常用的有下列五組。
(1) 坐標系設定與選擇指令
G92：坐標系設定，即指定起刀點相對工件編程坐標系（簡稱工件坐標系）原點的位置；
G54：工件坐標系選擇，即指定工件坐標系原點離參考點（機床原點，由機床廠設定）的距離。
G92與G54在同一程序中一般不能混用，編製零件加工程序時，根據各人對坐標系指定的習慣而選用。
(2) 絕對／相對坐標編程選擇指令
G90：絕對坐標編程；
G91：相對坐標編程。
(3) 定位與插補指令
G00：定位控制，即刀具從一點快速移動到另一點。
G01、G02、G03：分別為直線插補和圓弧插補（G02為順圓；G03為逆圓）。
(4) 平面選擇指令
G17、G18、G19：分別為XOY、ZOX、YOZ平面選擇。
(5) 刀具半徑補償與取消指令
G41、G42、G40：分別為刀具左偏、右偏與取消刀偏。
刀具半徑補償值的大小，取決於其後D代碼后的刀補號（見後面D代碼的說明）所對應的偏置值（根據所選用的刀具半徑，由操作人員輸入）。
上述G指令均是模態指令，即在後續程序段中只要不被同組G指令替代，則在程序中一直有效。另外，在一個程序段中，根據需要可同時使用多個不同組的G指令。
X、Y、Z 為直線或圓弧終點坐標，其後的數字可用脈衝數值表示，亦可直接用帶小數點的數字錶示，小數點后最多為三位，其範圍為±99999.999mm，但其值受具體機床的限制。編程時若選用G91指令，則為增量坐標，即直線終點相對起點的坐標或圓弧終點相對圓心的坐標。
I、J、K 為圓弧圓心相對圓弧起點的增量坐標，其後的數字錶示方法與範圍同X、Y、Z。
F 為進給速度指令，其後的數字直接表示進給速度，範圍為1～15000mm／分，但其值受具體機床的限制。
S 為主軸轉速指令，其後的數字直接表示主軸轉速，範圍為1～30000 轉／分，但其值受具體機床的限制。
F和S指令中的程編數值根據實際加工的需要，可通過控制面板中所對應的倍率旋扭隨時進行調整。
T 為刀具指令，其後跟有二位數或四位數字代碼。代碼與刀具的相互關係由機床製造廠規定（主要用於加工中心，通常指刀具號。但數控銑床對T指令未定義）。
M 為輔助功能指令，常用的有M02（程序結束），M03（主軸順轉），M04 （主軸反轉），M05（主軸停轉），M08（冷卻液開），M09（冷卻液關）和M30（程序結束並倒帶）。即均符合ISO-1057標準。
D 為刀具半徑補償代碼，其後的二位數碼錶示刀具補償號（簡稱刀補號），範圍為00-32。刀補號所對應的偏置值可由MID（手工數據輸入）方式一一對應地輸入控制系統，該偏置值一般是指所選用的刀具半徑值。D代碼總是與G41或G42 配合使用。
EOB 為程序段結束符號，亦可用「；」或「CR」代替。
上述程序段格式中省略了附加軸等指令字。更詳細的指令說明請參見該系統的程編說明書。
該系統可允許刀具從起刀點沿任意方向切入工件，且刀具中心自動走到下一程序段起點處的法線上。在工件尖角處採用轉接矢量過渡法。具有對跨象限圓弧的直接插補功能。
二．編程舉例
下圖是被加工零件的簡圖(厚12毫米)，源程序清單見下表：
FANUC－6M數控系統加工程序單
ER CR O0100CR N1G92X125000Y-75000Z0CR N2G91G00G18Z－17500S400M03CR N3G90G01G17G42X0D01F600CR N4Y100000F50M08CR N5X－241621Y59448CR N6G03X－269641Y016621J－39448CR N7G01X0CR N8M09CR N9G00G40X125000Y－75000M05CR N10G91G18Z17500CR N11M30CR ER
程序單中的「ER」為倒帶停止碼；程序號的書寫該系統規定以字母O開頭，後跟五位數字，不足五位數時前面補零。
1.3 數控加工自動編程
數控加工程序編製方法有兩種，即手工編程和利用計算機進行自動編程。由於手工編程效率低、精度低、周期長，特別是對於較複雜零件的數控加工，諸如非圓曲線與曲面等零件的加工，手工編程已無法勝任，即使一般簡單零件的數控加工，若採用自動編程，也可大大提高編程效率與編程精度，因此自動編程在數控加工中佔有越來越重要的位置。
所謂自動編程，就是藉助於電子計算機及外圍設備（如印表機、穿孔機、繪圖儀等）完成數控加工程序的編製，並傳送到數控裝置或存入存儲介質。下面分別介紹幾種自動編程方法。
一、語言自動編程
1．語言式自動編程過程：編程人員根據圖紙要求，用一種書寫比較簡單直觀的數控加工自動編程語言（簡稱數控語言），描述被加工零件加工部位的幾何圖形和加工過程的程序（稱為零件的源程序），把它作為計算機的輸入，其他工作如刀具中心軌跡的計算，數控加工程序的編製以及存儲等均可由計算機及外圍設備自動完成，且可通過繪圖儀或屏幕顯示器繪製刀具中心軌跡圖形，模仿機床加工以檢查數控加工程序的正確性。
2．特點：自動編程既可以減輕勞動強度，縮短編程時間，又可提高編程精度，減少差錯。圖1-8所示是採用「數控語言程序」實現自動編程的過程。
圖 1-8自動編過程
3.幾個概念：
（1）數控語言：是一套規定的基本符號及用這些符號來描述零件幾何形狀和加工過程的規則，這些符號和規則接近於生產中使用的工藝術語和工藝規程。
國際上最流行的數控語言主要由美國的APT(Automatically Programmed Tools)語言。
（2）數控軟體：是事先配備一套解釋程序或編譯程序，完成對輸入的源程序進行識別，並翻譯成計算機能夠計算、處理的可執行程序。
計算機處理可分為前置處理與後置處理，前置處理主要是計算刀具位置數據（即刀具中心軌跡坐標）；後置處理主要是把刀具位置數據轉換成特定數控機床的零件加工程序。
4．自動編程系統簡介
對自動編程系統的研製最早始於美國，1954年推出了APT I系統；1958年推出了APT II；1962年推出了APT III；1970年推出了APT IV且一直沿用到現在。該系統對於各種類型的數控機床都能實現自動編程，但因其編譯系統（數控軟體）龐大，故只能在大型計算機上才能運行。隨著小型機和微機的發展，各國相繼發展了一些較為靈活、針對性較強的小型自動編程系統。如美國的ADAPT系統、日本的FAPT系統、西德的EXAPT系統、法國的IFAPT系統以及我國某高校研製的MPAPT系統。這些系統主要適用於2~2
坐標的數控機床進行點位加工或輪廓加工的自動編程。
（1）基本結構：該系統主要適用於對平面類零件輪廓的數控加工進行自動編程。系統以微機作為自動編程的主機，由MPAPT數控軟體支持，其外設包括印表機、CRT終端顯示器、繪圖機、紙帶穿孔機、紙帶閱讀機和數控機床控制裝置。其結構如圖1-9所示。
系統軟體主要包含前置處理程序、圖形顯示程序、後置處理程序和機床模擬加工程序。
圖1-9MPAPT系統的結構
（2）自動編程系統數控軟體的處理過程：先將數控軟體調入計算機，然後將用數控語言書寫的零件源程序輸入計算機，計算機才能對源程序的語句依次進行處理，直到獲得所要求的數控加工程序為止。從零件源程序到數控加工程序的具體處理過程主要分為兩個階段，即前置處理和後置處理。前置處理主要完成對源程序進行翻譯和計算都中心軌跡，它與具體的數控機床無關，其輸出內容為CL文件中的CLDATA，即為一般的刀具中心軌跡數據和有關的加工參數（如進給量、主軸轉速等）。而CLDATA還不能作為數控機床的控制指令，因此，必須把CLDATA轉換成符合特定數控機床指令要求的加工程序或控制紙帶。這部分工作是由後置處理來完成。所以前置處理程序一般是通用的，而後置處理程序是專用的，針對不同的數控機床其處理方法因指令不同或指令格式不同而不同。
（3）數控軟體的結構與特點：前置處理程序的處理對象是用數控語言書寫的源程序，輸出的結果是CLDATA；而後置處理程序的處理對象是前置處理程序的輸出結果（CLDATA），輸出的結果則是特定數控機床的加工程序。
把前、後置處理分開，即前置處理不針對具體的數控機床，只輸出具有通用性的刀具中心軌跡數據和有關的加工工藝參數信息，而由後置處理把這些信息轉換成具體的數控機床的加工程序或紙帶。
一個較大的自動編程系統（如APT IV），可由上千個後置處理程序與它配合，因此，整個系統隨著數控裝置和機床的配組改變時，只需要更換後置處理程序，即可適用於不同數控機床的自動編程，其具體設計方法均大同小異。
二、圖形交互自動編程
CAD/CAM集成系統數控編程，是以待加工零件的CAD模型為基礎的集加工工藝規劃及數控編程為一體的自動編程方法。適用於數控編程的零件CAD模型的描述方法主要有表面模型和實體模型。其中以表面模型在數控編程中應用較廣。以表面模型為基礎的CAD/CAM集成數控編程系統又稱為圖像數控編程系統。
CAD/CAM集成系統數控編程的主要特點是：零件的幾何形狀可在零件設計階段採用CAD/CAM集成系統的幾何設計模塊在圖形交互方式下進行定義、顯示和修改，最終得到零件的幾何模型。數控編程的一般過程包括刀具的定義或選擇、刀具相對於零件表面的運動方式的定義、切削加工參數的確定、刀具軌跡的生成、加工過程的動態圖形模擬、程序驗證直到後置處理等，一般都是在屏幕菜單即命令驅動圖形交互方式下完成的，具有形象、直觀和高效等優點。
1. CAD/CAM集成系統自動編程的特點
CAD/CAM集成系統數控編程是一種全新的編程方法，與手工編程及APT語言編程比較，具有以下特點：
（1）這種編程方法既不象手工編程那樣需要用複雜的數學計算來算出各節點的坐標數據，也不需要向APT語言編程那樣，用數控編程語言去編寫描繪零件幾何形狀、加工走刀過程及後置處理的源程序，而是在計算機上直接面向零件的幾何圖形以游標指點、菜單選擇、交互對話的方式進行編程，其編程結果也以圖形的方式顯示在計算機上。因此，該方法具有簡單、直觀、準確、便於檢查等優點。
（2）CAD/CAM集成系統自動編程軟體常常是和相應的CAD軟體有機的聯在一起的一體化軟體系統，該系統既可用來進行計算機輔助設計，又可以直接用設計好的零件圖進行交互編程，對實現CAD/CAM一體化極為有利。
（3）系統整個編程過程是交互進行的，這種交互方式的編程方法簡單易學，在編程過程中可以隨時發現問題並進行修改。
（4）編程過程中圖形數據的提取、節點數據的計算、程序的編製及輸出都是由計算機自動進行的，因此編程的速度快、效率高、準確性好。
（5）這些軟體都是在通用計算機上運行的，不需要專用的編程機，因此便於普遍推廣。
2. CAD/CAM集成系統編程的基本步驟
歸納起來分為五步：零件圖樣及加工工藝分析、幾何造型、刀位軌跡的計算及生成、後置處理、程序輸出。
（1）零件圖樣及加工工藝分析
零件圖樣及加工工藝分析是數控編程的基礎。CAD/CAM集成系統自動編程同手工編程、APT語言編程一樣也首先進行這項工作。由於國內計算機輔助工藝過程設計（CAPP）技術還沒有達到普及應用階段，該項工作不能由計算機承擔。
（2）幾何造型
幾何造型就是利用CAD/CAM集成系統自動編程軟體的圖形編輯功能，互動式地進行圖形建構、編輯修改、曲線曲面造型等工作，將零件被加工部位準確地繪製在計算機屏幕上，與此同時，在計算機內自動形成零件圖形資料庫。這就相當於APT語言編程中，用幾何定義語句定義零件幾何圖形的過程。不同點在於它不是用語言，而是用計算機交互繪圖的方法，將零件的圖形數據輸入到計算機中。這些圖形數據將作為下一步刀位軌跡計算的依據。自動編程過程中，軟體將根據加工要求提取這些數據，進行分析判斷和必要的數學處理，以形成加工的刀具位置數據。
（3）刀具軌跡的計算及生成
圖形互動式自動編程系統的刀具軌跡的生成是面向屏幕的圖形交互進行的。首先調用刀具路徑生成功能，然後根據屏幕提示，用游標選擇相應的圖形目標，點取相應的坐標點，輸入所需的各種參數。軟體將自動從圖形中提取編程所需的信息，進行分析判斷，計算節點數據，並將其轉換為刀具位置數據，存入指定的刀位文件中或直接進行後置處理並生成數控加工程序，同時在屏幕上模擬顯示出零件圖形和刀具運動軌跡。
（4）後置處理
後置處理的目的是形成不同機床所需的數控加工程序文件。由於各種機床使用的控制系統不同，其數控加工程序指令代碼及格式也有所不同。為了解決該問題，軟體通常為各種數控系統設置一個後置處理用的數控指令對照表。在進行後置處理前，編程人員應根據具體數控機床指令代碼及程序的格式事先編輯好這個文件，後置處理利用該文件處理輸出符合數控加工格式要求的NC加工文件。
（5）程序輸出
由於CAD/CAM集成系統自動編程軟體在編程過程中，可在計算機內自動生成刀位軌跡圖形文件和數控指令文件，因此程序的輸出可以通過計算機的各種外部設備進行。如使用印表機列印出數控加工程序單，並可在程序單上用繪圖機繪製出刀具軌跡圖。有標準通信介面的機床控制系統可以和計算機直接聯機，由計算機將加工程序直接送至機床控制系統。
三、實物編程
這種方法是利用待加工零件的樣件或模型，通過數控機床的仿形測量裝置或三坐標測量機測出其輪廓的幾何尺寸，再由數控系統或通用計算機根據測量頭的測量路線進行數據處理，然後數控系統自動生成數控加工程序或由通用計算機輸出數控加工程序，其工作流程見圖1-11。
圖 1-11 實物編程流程
數控系統或通用計算機之所以能把測量的數據自動生成數控加工程序，是因為其內部配置了一套完成上述工作的轉換程序，即實物自動編程系統軟體。
在編程開始之前，測量裝置的球頭探棒相對樣件或模型的初始位置與刀具加工零件的初始位置一致。若模型是實際尺寸，為了避免刀具中心軌跡的換算，所選用的探棒球頭形狀和尺寸應與實際加工中所使用的球頭銑刀完全相同，探棒球頭在樣件或模型上移動的路線與加工零件時的走刀路線一致，測量裝置測得的原始數據就是探棒球頭的中心位置數據，經數控系統或通用計算機處理后便可獲得數控加工程序。球頭銑刀加工出來的零件外形與被測的楊健或模型的外形一模一樣，當然測量裝置的精度直接影響零件的加工精度。
用這種方法測量立體面時，不需要計算曲面的法線，因球頭銑刀的中心位置是由探棒球頭的中心位置決定的。
有時待加工零件的模型不是實際尺寸，也只需選用探棒球頭半徑與球頭銑刀的比值等於模型與被加工零件的比值即可。例如模型是1：4的，選用半徑為16mm的球頭銑刀，那麼選用的探棒球頭的半徑應為4mm，數控系統或通用計算機在處理所測數據時，將所有坐標值按4倍比例增大。
對於型面較大、精度要求較高的零件，測量的步距與行距則要求密，故採集的數據相當多，自動生成的數控加工程序也相當長，若數控系統的內存有限，則應考慮分段處理。如果零件的曲面上有溝槽或凹陷，由於探棒不能深入，故使用這種方法也受到一定的限制。
