CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平较高，人机交互较复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实体，它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发，是特征加工的基础。实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法（SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。2.基于特征的NC刀具轨迹生成方法参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。特征加工使数控编程人员不再对那些低层次的儿何信息（如：点、线、面、实体进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。特征加工有利于实现从CAD、CAPP及CNC系统的全面集成，实现信息的双向流动，为CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。7.2数控编程技术基础一、数控编程一般步骤1）分析零件图样和工艺处理包括以下内容：A）确定加工方案B）工夹具的选择C）选择编程原点和编程坐标系D）选择合理的走刀路线E）合理选择刀具F）确定合理的切削用量2）数学处理：根据零件的几何尺寸和加工路线，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。3）编写零件加工程序单6
CAD 技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在 的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如 孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平较高，人机交互较复 杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工的加工对象是一个实 体，它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。实体加工不仅可用于零件的 粗加工和半精加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程 系统的研究与开发，是特征加工的基础。 实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。实体加工的实现方法为层切法 （SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨 迹。 2. 基于特征的 NC 刀具轨迹生成方法 参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚 刚开始。特征加工使数控编程人员不再对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体） 进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程 效率。 特征加工有利于实现从 CAD、CAPP 及 CNC 系统的全面集成，实现信息的双向流动，为 CIMS 乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。 7.2 数控编程技术基础 一、数控编程一般步骤 1) 分析零件图样和工艺处理包括以下内容： A) 确定加工方案 B) 工夹具的选择 C) 选择编程原点和编程坐标系 D) 选择合理的走刀路线 E) 合理选择刀具 F) 确定合理的切削用量 2) 数学处理：根据零件的几何尺寸和加工路线，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数 据。 3) 编写零件加工程序单 6
4）制备控制介质，把编制好的程序单上内容记录在控制介质上作为数控装置的输入信息输入到数控系统。控制介质的种类如下：①穿孔纸带：目前常用8单位和5单位穿孔纸带：②数据磁带：③软磁盘。也有数控机床与计算机通过RS-232标准串行接口或网络接口连接起来，则不再采用控制介质传递信息。有的时候，利用数控机床操作面板上的键盘采用手动数据输入，将缩编好的程序直接输入到数控系统中。5）程序检验与首件试切。二、数控编程常用方法数控编程常用方法有两种方法：手工编程和自动编程。手工编程：编制零件数控加工程序的各个步骤均由人工完成。自动编程：利用计算机来完成数控加工程序的编制。按照操作方式的不同，自动编程方法分为APT语言编程和图像编程。1）APT语言编程：编程人员利用该语言书写零件程序，将其输入计算机，经计算机APT编程系统编译，产生数控加工程序（.nc）。2）图像编程：以图形要素为输入方式，不需要数控语言。零件几何形状的输入、刀具相对于工件的运动方式的定义、加工过程的动态仿真显示、刀位验证、数控加工程序的生成等均在图形交互方式下进行。目前在我国应用较多的集成化图像数控编程系统有：CADAM、CATIA、EUKLID、UGII、Mastercam、Pro/Engineering、SurfCAM及NPU/GNCP（西北工业大学开发研制）等。图像数控编程系统实质上是一个集成化的CAD\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。例如SurfCAM是由美国SOFTWARE公司所研制的专门在微机上运行的一个图像数控编程系统，其编程能力包括：多坐标点位加工编程；表面区域加工编程；轮廓加工编程；型槽加工编程。整个系统不同模块之间采用文件传输数据，具有IGES标准接口。特别适用于具有复杂外形及各种空间曲面的模具类零件的自动编程。三、数控编程加工基本原理1.插补运算在数控机床上加工直线或圆弧，实质上是数控装置根据有关的信息指令进行”数据密化的工作。例如要加工一段圆弧，已知条件仅是该圆弧的起点、终点和圆心的坐标及半径值，要想把圆弧段光滑地描述出来，就必须把圆弧段起点到终点之间各点坐标值计算出来，并将它们填补到起点和终点之间。通常把这种填补空白的“数据密化”工作称为插补，把计算插点的运算称为插补运算，把实现插补运算的装置叫做插补器。7
4) 制备控制介质，把编制好的程序单上内容记录在控制介质上作为数控装置的输入信息 输入到数控系统。控制介质的种类如下：①穿孔纸带：目前常用 8 单位和 5 单位穿孔 纸带；②数据磁带；③软磁盘。 也有数控机床与计算机通过 RS-232 标准串行接口或网络接口连接起来，则不再采用 控制介质传递信息。有的时候，利用数控机床操作面板上的键盘采用手动数据输入，将编 好的程序直接输入到数控系统中。 5) 程序检验与首件试切。 二、数控编程常用方法 数控编程常用方法有两种方法：手工编程和自动编程。 手工编程：编制零件数控加工程序的各个步骤均由人工完成。 自动编程：利用计算机来完成数控加工程序的编制。按照操作方式的不同，自动编程 方法分为 APT 语言编程和图像编程。 1） APT 语言编程： 编程人员利用该语言书写零件程序，将其输入计算机，经计算机 APT 编程系统编译， 产生数控加工程序（.nc）。 2） 图像编程： 以图形要素为输入方式，不需要数控语言。零件几何形状的输入、刀具相对于工件的 运动方式的定义、加工过程的动态仿真显示、刀位验证、数控加工程序的生成等均在图形 交互方式下进行。目前在我国应用较多的集成化图像数控编程系统有：CADAM、CATIA、 EUKLID、UGII、Mastercam、Pro/Engineering、SurfCAM 及 NPU/GNCP（西北工业大学开发 研制）等。 图像数控编程系统实质上是一个集成化的 CAD\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。例如 SurfCAM 是由美国 SOFTWARE 公司所研制的专门在微 机上运行的一个图像数控编程系统，其编程能力包括：多坐标点位加工编程；表面区域加 工编程；轮廓加工编程；型槽加工编程。整个系统不同模块之间采用文件传输数据，具有 IGES 标准接口。特别适用于具有复杂外形及各种空间曲面的模具类零件的自动编程。 三、数控编程加工基本原理 1． 插补运算 在数控机床上加工直线或圆弧，实质上是数控装置根据有关的信息指令进行"数据密 化"的工作。例如要加工一段圆弧，已知条件仅是该圆弧的起点、终点和圆心的坐标及半 径值，要想把圆弧段光滑地描述出来，就必须把圆弧段起点到终点之间各点坐标值计算出 来，并将它们填补到起点和终点之间。通常把这种填补空白的"数据密化"工作称为插补， 把计算插点的运算称为插补运算，把实现插补运算的装置叫做插补器。 7
由于数控装置具有插补运算的功能，所以控制介质上只要记录有限的信息指令，如加工直线只需记录直线的起点和终点的坐标信息；加工圆弧只需记录圆弧的半径、起点、终点坐标，顺转、逆转等信息，数控装置就能利用这些有限的信息指令进行插补运算，将直线和圆弧的各点数值算出并发送相应的脉冲信号，通过伺服机构控制机床加工出直线和圆弧形状。插补方法有许多，例如逐点比较法、数字积分法、比较积分法、时差法、失量判别法、最小偏差法、直接函数运算法等等。2.平面轮廓的加工一个零件的轮廓往往由许多不同的几何元素所组成，如直线、圆弧、二次曲线、螺旋线等。各几何元素之间的连接点称为基点。目前一般的数控机床均具有直线和圆弧插补功能。因此，可以将组成零件轮廓的曲线，按数控系统插补功能，在满足允许的编程误差的条件下进行分割，即用若干直线段或圆弧段来逼近给定的曲线，逼近线段的交点称为节点。3.曲面轮廓的加工立体曲面可以根据编程允差，将曲面分割成不同的加工截面。各加工截面一般采用二轴半、三轴、四轴、五轴等插补联动加工。四、数控系统简介数控系统是数控机床和数控编程的核心部分。用户在编写数控加工程序之前，必须清楚地了解机床数控系统的功能，只有这样才能编写出正确的加工程序来。常见的数控系统类型有许多种，比如FUNUC、SIEMENS等。1：FUNUC-6M、6T数控系统FUNUC公司创建于1956年。FUNUC-6M数控系统于1979年研制成功，适用于数控铣床和加工中心，FUNUC-6T数控系统适用于数控车床。FUNUC-6M数控系统的主要功能：1）控制轴：X、Y、Z三轴和A、B、C三个辅助轴中的一个，可控制4轴，实现三轴联动。2）加工功能（G代码）参见表6-1。3）辅助功能（M代码）参见表6-2。4)最小设定单位：公制为0.001mm，英制为0.0001in，角度为0.001°。5）外部设备：8单位纸带阅读机，采用RS-232C接口功能后可以实现打印输出具有力具长度补偿和刀具平径补偿功能，可以实现直线、圆弧插补和一些固定加工功能。2.SIEMENS数控系统8
由于数控装置具有插补运算的功能，所以控制介质上只要记录有限的信息指令，如加 工直线只需记录直线的起点和终点的坐标信息；加工圆弧只需记录圆弧的半径、起点、终 点坐标，顺转、逆转等信息，数控装置就能利用这些有限的信息指令进行插补运算，将直 线和圆弧的各点数值算出并发送相应的脉冲信号，通过伺服机构控制机床加工出直线和圆 弧形状。 插补方法有许多，例如逐点比较法、数字积分法、比较积分法、时差法、矢量判别法、最 小偏差法、直接函数运算法等等。 2．平面轮廓的加工 一个零件的轮廓往往由许多不同的几何元素所组成，如直线、圆弧、二次曲线、螺旋 线等。各几何元素之间的连接点称为基点。 目前一般的数控机床均具有直线和圆弧插补 功能。因此，可以将组成零件轮廓的曲线，按数控系统插补功能，在满足允许的编程误差 的条件下进行分割，即用若干直线段或圆弧段来逼近给定的曲线，逼近线段的交点称为节 点。 3．曲面轮廓的加工 立体曲面可以根据编程允差，将曲面分割成不同的加工截面。各加工截面一般采用二 轴半、三轴、四轴、五轴等插补联动加工。 四、数控系统简介 数控系统是数控机床和数控编程的核心部分。用户在编写数控加工程序之前，必须清 楚地了解机床数控系统的功能，只有这样才能编写出正确的加工程序来。常见的数控系统 类型有许多种，比如 FUNUC、SIEMENS 等。 1． FUNUC-6M、6T 数控系统 FUNUC 公司创建于 1956 年。FUNUC-6M 数控系统于 1979 年研制成功，适用于数控铣床 和加工中心，FUNUC-6T 数控系统适用于数控车床。 FUNUC-6M 数控系统的主要功能： 1） 控制轴：X、Y、Z 三轴和 A、B、C 三个辅助轴中的一个，可控制 4 轴，实现三轴联动。 2） 加工功能（G 代码）参见表 6-1。 3） 辅助功能（M 代码）参见表 6-2。 4） 最小设定单位：公制为 0.001mm,英制为 0.0001in,角度为 0.001°。 5） 外部设备：8 单位纸带阅读机，采用 RS-232C 接口功能后可以实现打印输出。 具有刀具长度补偿和刀具半径补偿功能，可以实现直线、圆弧插补和一些固定加工功 能。 2． SIEMENS 数控系统 8
SIEMENS数控系统是SIEMENS公司研制开发的数控系统，7O年代推出SINUMERIK-6T、6M、7T、7M数控系统；80年代推出SINUMERIK-8T、8M、8MC、850T、850M数控系统。例如SINUMERIK-8M数控系统适用于车、铣、镗和其他各种工艺，最多可扩展到12轴，可实现多坐标轴联动。五、数控编程基本概念1.机床坐标系、坐标轴方向机床坐标系（标准坐标系）：机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的。为了确定机床的运动方向、移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系叫做机床坐标系（标准坐标系）。数控机床上的坐标系采用的是右手直角笛卡儿坐标系。机床坐标系方向的确定：Z方向：乙轴平行于主轴轴线。其正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。X方向：X轴水平，当从刀具主轴向立柱看时，X运动的正方向指向右。Y方向：Y轴根据右手直角笛卡儿坐标系判断。2.工件坐标系工件坐标系：工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系工件坐标系的原点即为工件零点。工件零点的位置是任意的，它由编程人员根据零件的特点而定。在机床上可以任意设置若干个工件坐标系。当工件坐标系设定后，如果在程序中写成：G90G54X30.0Y40.0时，机床就会向预先设定的G54工件坐标系中的A点（30.0，40.0）处移动。同样，如果在程序中写成：G90G59X30.0Y40.0时，机床就会向预先设定的G59工件坐标系中的B点（30.0，40.0）处移动。3.编程方式编程有两种方式：1）绝对编程方式：终点的位置是由所设定的坐标系的坐标值所给定的，指令代码为G90。2）相对编程方式：终点的位置是相对前一位置的增量值及移动方向所给定的，指令代码为 G91。4.数控程序的构成数控程序是为使机床运转而给数控装置的一系列指令的集合所构成的。程序由程序段构成，每个程序段由字和”：”构成。而字由地址符（由英文字母AZ构成）和数值构成。例：00001程序号，由0字母加4位数值表示NO1G92X-25.0Y10.0Z40.0；以下为程序段N02G90G0OZ16.0S30OM03;9
SIEMENS 数控系统是 SIEMENS 公司研制开发的数控系统，70 年代推出 SINUMERIK-6T、 6M、7T、7M 数控系统；80 年代推出 SINUMERIK-8T、8M、8MC、850T、850M 数控系统。例 如 SINUMERIK-8M 数控系统适用于车、铣、镗和其他各种工艺，最多可扩展到 12 轴，可实 现多坐标轴联动。 五、数控编程基本概念 1．机床坐标系、坐标轴方向 机床坐标系（标准坐标系）：机床的动作是由数控系统发出的指令来控制的。为了确 定机床的运动方向、移动距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系叫做机床坐标 系（标准坐标系）。数控机床上的坐标系采用的是右手直角笛卡儿坐标系。机床坐标系方 向的确定： Z 方向：Z 轴平行于主轴轴线。其正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。 X 方向：X 轴水平，当从刀具主轴向立柱看时，X 运动的正方向指向右。 Y 方向：Y 轴根据右手直角笛卡儿坐标系判断。 2．工件坐标系 工件坐标系：工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系， 工件坐标系的原点即为工件零点。工件零点的位置是任意的，它由编程人员根据零件的特 点而定。在机床上可以任意设置若干个工件坐标系。 当工件坐标系设定后，如果在程序中写成：G90G54X30.0Y40.0 时，机床就会向预先设定的 G54 工件坐标系中的 A 点（30.0，40.0）处移动。同样，如果在程序中写成：G90G59X30.0Y40.0 时，机床就会向预先设定的 G59 工件坐标系中的 B 点（30.0，40.0）处移动。 3．编程方式 编程有两种方式： 1） 绝对编程方式：终点的位置是由所设定的坐标系的坐标值所给定的，指令代码为 G90。 2） 相对编程方式：终点的位置是相对前一位置的增量值及移动方向所给定的，指令代码 为 G91。 4．数控程序的构成 数控程序是为使机床运转而给数控装置的一系列指令的集合所构成的。程序由程序段 构成，每个程序段由字和";"构成。而字由地址符（由英文字母 A~Z 构成）和数值构成。 例： O0001 程序号,由 O 字母加 4 位数值表示 N01 G92 X-25.0 Y10.0 Z40.0; 以下为程序段 N02 G90 G00 Z16.0 S300 M03; 9
1N12 G00 G40 X-25.0 Y10.0 Z40.0M09;N13M30:5.刀具轨迹与刀位点刀具轨迹：是系统按给定工艺要求生成的、对给定加工图形进行切削时刀具行进的路线，系统以图形方式显示。刀具轨迹由一系列有序的刀位点和连接这些刀位点的直线（直线插补）或圆弧（圆弧插补）组成。刀位点：指车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、端铣刀刀头底面的中心；球头铣刀的球头中心。6.刀具长度补偿与半径补偿在目前CNC系统中，一般都具有刀具长度补偿与半径补偿功能。（1）刀具长度补偿在数控系统中，刀具长度一般都无须考虑。程序运动假设机床主轴轴端相对于工件运动。在加工前，采用对刀仪测量刀尖（或刀心）到刀柄与主轴轴端基础基准的长度（即刀具长度），并将刀具长度值输入CNC系统的刀具寄存器中，当该刀具被采用时，CNC系统自动进行刀具长度补偿，使刀尖（或刀心）沿程序要求的轨迹移动。(2）刀具半径补偿在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓。在进行内轮廓加工时，刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径值。在进行外轮廓加工时，刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移习惯上称为刀具半径补偿。刀具半径补偿通常不是程序编制人员完成的，程序编制人员只是按零件的加工轮廓编制程序，同时使用G41、G42、G40告诉CNC系统刀具是沿零件内轮廓运动还是沿零件外轮廓运动。实际的刀具半径补偿是在CNC系统内部由计算机自动完成的。刀具半径值是通过刀具号H来指定的。刀具半径补偿不仅能自动完成刀具中心轨迹的偏置，而且能自动完成直线与直线的转接、圆弧与圆弧转接和直线与圆弧转接等尖角过度功能。右刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向右边时称为右刀具补偿，用G42表示。左刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向左边时称为左刀具补偿，用G41表示。对于多坐标数控加工，一般的CNC系统还没有刀具半径补偿功能，需要编程人员编程时考虑刀具半径。10
┇ N12 G00 G40 X-25.0 Y10.0 Z40.0 M09; N13 M30; 5. 刀具轨迹与刀位点 刀具轨迹：是系统按给定工艺要求生成的、对给定加工图形进行切削时刀具行进的路 线，系统以图形方式显示。刀具轨迹由一系列有序的刀位点和连接这些刀位点的直线（直 线插补）或圆弧（圆弧插补）组成。 刀位点：指车刀、镗刀的刀尖；钻头的钻尖；立铣刀、端铣刀刀头底面的中心；球头 铣刀的球头中心。 6. 刀具长度补偿与半径补偿 在目前 CNC 系统中，一般都具有刀具长度补偿与半径补偿功能。 (1) 刀具长度补偿 在数控系统中，刀具长度一般都无须考虑。程序运动假设机床主轴轴端相对于工件运 动。在加工前，采用对刀仪测量刀尖（或刀心）到刀柄与主轴轴端基础基准的长度（即刀 具长度），并将刀具长度值输入 CNC 系统的刀具寄存器中，当该刀具被采用时，CNC 系统 自动进行刀具长度补偿，使刀尖（或刀心）沿程序要求的轨迹移动。 (2) 刀具半径补偿 在轮廓加工过程中，由于刀具总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所需加 工零件的实际轮廓。在进行内轮廓加工时，刀具中心偏移零件的内轮廓表面一个刀具半径 值。在进行外轮廓加工时，刀具中心偏移零件的外轮廓表面一个刀具半径值。这种偏移习 惯上称为刀具半径补偿。 刀具半径补偿通常不是程序编制人员完成的，程序编制人员只是按零件的加工轮廓编 制程序，同时使用 G41、G42、G40 告诉 CNC 系统刀具是沿零件内轮廓运动还是沿零件外轮 廓运动。实际的刀具半径补偿是在 CNC 系统内部由计算机自动完成的。刀具半径值是通过 刀具号 H 来指定的。刀具半径补偿不仅能自动完成刀具中心轨迹的偏置，而且能自动完成 直线与直线的转接、圆弧与圆弧转接和直线与圆弧转接等尖角过度功能。 右刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向右边时称为右刀具补偿，用 G42 表 示。 左刀具补偿：当刀具中心轨迹在程序轨迹前进方向左边时称为左刀具补偿，用 G41 表 示。 对于多坐标数控加工，一般的 CNC 系统还没有刀具半径补偿功能，需要编程人员编程 时考虑刀具半径。 10