《數(shù)控加工工藝學(xué)》課件第1章

第1章數(shù)控加工技術(shù)概述1.1數(shù)控技術(shù)及數(shù)控加工的基本概念1.2數(shù)控機(jī)床的組成與工作原理1.3數(shù)控機(jī)床的分類1.4數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與發(fā)展方向1.5數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系統(tǒng)與原點(diǎn)偏置1.6現(xiàn)代數(shù)控加工的補(bǔ)償1.7數(shù)控程序常用指令及格式1.8數(shù)控加工編程

1.1數(shù)控技術(shù)及數(shù)控加工的基本概念

1.1.1數(shù)控技術(shù)

數(shù)控技術(shù)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的機(jī)床控制技術(shù)，是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造業(yè)滲透而形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化設(shè)備。數(shù)控技術(shù)是機(jī)械工程與先進(jìn)的微電子技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)等深度結(jié)合的機(jī)電一體化高新技術(shù)。

1.數(shù)控與數(shù)控機(jī)床

數(shù)控即數(shù)字控制（NumericalControl，NC），是用數(shù)字化信息對機(jī)床的運(yùn)動及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法。

數(shù)控機(jī)床（NumericalControlMachineTools）是技術(shù)密集度及自動化程度很高的機(jī)電一體化設(shè)備，也就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國際信息處理聯(lián)盟第五技術(shù)委員會對數(shù)控機(jī)床作了如下定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能邏輯地處理具有特定代碼和其他符合編碼指令規(guī)定的程序。

2.數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控機(jī)床定義中所指的那種程序控制系統(tǒng)，它能邏輯地處理輸入到系統(tǒng)中的具有特定代碼的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床運(yùn)動并加工零件。

數(shù)控系統(tǒng)在本質(zhì)上是一臺計算機(jī)。在硬件方面，它經(jīng)歷了電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路、微處理機(jī)到當(dāng)前PC結(jié)構(gòu)的五代發(fā)展歷程；在體系結(jié)構(gòu)上，它經(jīng)歷了硬件數(shù)控（NC）、計算機(jī)數(shù)控（CNC）到目前的PC數(shù)控（PC[CD*2]NC）三個階段。早期的數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)算速度低，功能處理需要專門硬件來完成，而當(dāng)前計算機(jī)的性能及速度迅速提高，功能處理可以由更為靈活的軟件方法來實(shí)現(xiàn)，特別是能在PC計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，有力地推動了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。在目前應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)中，還存在專用計算機(jī)和通用計算機(jī)兩類結(jié)構(gòu)，其中前者由生產(chǎn)廠家專門設(shè)計，后者則使用與PC兼容和通用的工業(yè)PC機(jī)（IPC）。由于PC的通用性和軟件的柔性，使得當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)正向著PC平臺、軟件方式及開放結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。

3.計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（ComputerizedNumericalControlSystem）是采用通用計算機(jī)元件與結(jié)構(gòu)，并配備必要的輸入/輸出部件構(gòu)成的，它采用控制軟件來實(shí)現(xiàn)加工程序的存儲、譯碼、插補(bǔ)運(yùn)算、輔助動作邏輯連鎖以及其他復(fù)雜功能。計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由裝有數(shù)控系統(tǒng)程序的專用計算機(jī)、輸入/輸出設(shè)備、可編程序控制器（PLC）、存儲器、主軸驅(qū)動及進(jìn)給驅(qū)動裝置等部分組成，習(xí)慣上稱為CNC系統(tǒng)，其原理如圖1－1所示。通常所說的數(shù)控系統(tǒng)，一般均指計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。圖1－1

CNC系統(tǒng)原理1.1.2數(shù)控加工

數(shù)控加工（NCMachining）是根據(jù)零件圖樣及工藝要求等原始條件編制零件數(shù)控加工程序，并輸入數(shù)控系統(tǒng)，以數(shù)值與符號構(gòu)成的信息控制機(jī)床，使之自動運(yùn)轉(zhuǎn)的方法，也就是控制數(shù)控機(jī)床中刀具與工件的相對運(yùn)動，從而完成零件加工的方法。數(shù)控加工經(jīng)歷了半個世紀(jì)的發(fā)展，已成為應(yīng)用于當(dāng)代各個制造領(lǐng)域的先進(jìn)制造技術(shù)。數(shù)控加工的最大特征有兩點(diǎn)：一是可以極大地提高精度，包括加工質(zhì)量精度及加工時間誤差精度；二是具有加工質(zhì)量的重復(fù)性，可以穩(wěn)定加工質(zhì)量，保持加工零件質(zhì)量的一致。也就是說，加工零件的質(zhì)量及加工時間是由數(shù)控程序決定而不是由機(jī)床操作人員決定的。所謂數(shù)控加工，就是用數(shù)控機(jī)床加工零件的方法。數(shù)控加工是伴隨數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生、發(fā)展而逐步完善起來的一種應(yīng)用技術(shù)，它是人們長期從事數(shù)控加工實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。數(shù)控加工具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)提高了生產(chǎn)效率；

(2)不需熟練的機(jī)床操作人員；

(3)能提高加工精度，并且能保持加工質(zhì)量；

(4)可以減少工裝卡具；

(5)可以減少各工序間的周轉(zhuǎn)，原來需要用多道工序完成的工件，用數(shù)控加工可以一次裝卡完成，縮短了加工周期，提高了生產(chǎn)效率；

(6)容易進(jìn)行加工過程管理；

(7)可以減少檢查工作量；

(8)可以降低廢、次品率；

(9)便于設(shè)計變更，加工設(shè)定柔性；

(10)容易實(shí)現(xiàn)操作過程的自動化，一個人可以操作多臺機(jī)床；

(11)操作容易，極大地減輕了體力勞動強(qiáng)度。數(shù)控加工主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：

(1)確定零件上需要數(shù)控加工的表面；

(2)對零件圖樣進(jìn)行數(shù)控加工的工藝分析；

(3)進(jìn)行數(shù)控加工的工藝設(shè)計；

(4)編制加工程序；

(5)輸入加工程序；

(6)對加工程序進(jìn)行校驗(yàn)和修改；

(7)運(yùn)行加工程序，對零件進(jìn)行加工。

1.2數(shù)控機(jī)床的組成與工作原理

1.2.1數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控機(jī)床是由程序載體、輸入裝置（CNC單元）、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)和機(jī)床機(jī)械部件構(gòu)成的，見圖1－2。圖1－2數(shù)控機(jī)床的組成

1.程序載體

數(shù)控機(jī)床是按照輸入的零件加工程序運(yùn)行的。零件加工程序的編制方法在將在第2章作詳細(xì)介紹。零件加工程序包括機(jī)床上刀具和工件的相對運(yùn)動軌跡、工藝參數(shù)（走刀量、主軸轉(zhuǎn)速等）和輔助運(yùn)動等內(nèi)容。一般將零件加工程序用規(guī)定的格式和代碼，儲存在一種載體上，如穿孔紙帶、盒式磁帶或軟磁盤等，再通過數(shù)控機(jī)床的輸入裝置，將程序信息輸入到數(shù)控裝置內(nèi)。

2.輸入裝置

輸入裝置的作用是將程序載體內(nèi)有關(guān)加工的信息讀入數(shù)控裝置。根據(jù)程序載體的不同，有不同的輸入裝置。例如，對于穿孔紙帶，配有光電閱讀機(jī)；對于盒式磁帶，配有錄放機(jī)；對于軟磁盤，配有軟盤驅(qū)動器和驅(qū)動卡。有時為了方便用戶，數(shù)控機(jī)床可以同時具備兩種輸入裝置。

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置一般用一臺或多臺微型計算機(jī)構(gòu)成，可稱之為CNC（ComputerNumericalControl）系統(tǒng)。這樣，加工程序還可以通過手動方式（MDI方式），用數(shù)控系統(tǒng)的操作面板上的按鍵直接鍵入CNC單元；或者用與上級機(jī)通信的方式直接將其輸入CNC單元。

3.數(shù)控裝置（CNC單元）

CNC單元由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成，其詳細(xì)情況在本書的第4章將作介紹。程序載體通過輸入裝置將加工信息傳給CNC單元，編譯成計算機(jī)能識別的信息，由信息處理部分按照控制程序的規(guī)定逐步存儲并進(jìn)行處理后，通過輸出單元發(fā)出位置和速度指令給伺服系統(tǒng)和主運(yùn)動控制部分。

在數(shù)控系統(tǒng)中，位置信息是作為數(shù)值，亦即數(shù)字量來處理的。例如，10.20mm這個數(shù)值，就是根據(jù)它有多少個最小設(shè)定系統(tǒng)值（0.01mm）來表示的，可表示為1020個最小設(shè)定單位。在機(jī)床加工時，數(shù)控裝置中的運(yùn)算器主要根據(jù)設(shè)定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算器一面運(yùn)算，一面向輸出回路發(fā)送進(jìn)給指令。伺服線路的形式不同時，進(jìn)給指令的形式也不同，最一般的是以進(jìn)給脈沖列形式給出，即一個進(jìn)給脈沖所對應(yīng)的機(jī)床位移量就是一個脈沖當(dāng)量，因此進(jìn)給脈沖列的個數(shù)即為位移量，其重復(fù)頻率即為進(jìn)給速度。運(yùn)算器依照輸入回路指令，把適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給脈沖分配給多個輸出端（如+λ，-λ，+μ，-μ等）。從這個意義上來說，運(yùn)算器就是一個脈沖分配器。但是，在輪廓控制系統(tǒng)中，通常稱這種能正確地產(chǎn)生分配到各坐標(biāo)的脈沖序列的線路為“插補(bǔ)器”，而進(jìn)行這種脈沖分配所需的運(yùn)算稱為插補(bǔ)運(yùn)算。沿直線分配脈沖序列的稱為直線插補(bǔ)，又稱一次插補(bǔ)；沿圓弧分配脈沖序列的稱為圓弧插補(bǔ)；沿拋物線分配脈沖序列的稱為拋物線插補(bǔ)。圓弧插補(bǔ)和拋物線插補(bǔ)總稱為二次插補(bǔ)。各軸向伺服機(jī)構(gòu)通過輸出回路接收運(yùn)算器送來的進(jìn)給脈沖后，驅(qū)動機(jī)床的刀具相對工件在相應(yīng)的軸向移動。各軸向移動的合成即形成了插補(bǔ)器（即運(yùn)算器）所要求的刀具相對工件的運(yùn)動軌跡。當(dāng)然，運(yùn)算器向輸出回路發(fā)送進(jìn)給指令的形式是多種多樣的，除上述的脈沖形式外，還可以是一組數(shù)據(jù)，也可以是模擬電壓信號，或者是繼電器等開關(guān)信號。在早期的數(shù)控裝置中，插補(bǔ)器是用邏輯電路與時序電路等數(shù)字電路組合而成的，稱之為硬件插補(bǔ)器。而在CNC系統(tǒng)中，插補(bǔ)運(yùn)算是通過插補(bǔ)軟件來實(shí)現(xiàn)的，又稱為軟件插補(bǔ)。

數(shù)控機(jī)床的輔助動作，如刀具的選擇與更換、切削液的啟停等能夠用可編程序控制器（PLC）進(jìn)行控制。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中，一般備有PLC附加電路板，形成內(nèi)嵌式PLC。這種結(jié)構(gòu)形式可省去CNC與PLC之間的連線，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性好，操作方便，無論技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都是有利的。

4.伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)由伺服電動機(jī)以及驅(qū)動裝置和伺服控制軟件組成。伺服系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動部件構(gòu)成進(jìn)給伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)根據(jù)CNC單元來的速度及位置指令驅(qū)動機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動部件，完成指令規(guī)定的運(yùn)動。每一坐標(biāo)方向的運(yùn)動部分配備有一套伺服系統(tǒng)。

伺服電動機(jī)的驅(qū)動控制裝置一般僅用于電動機(jī)的速度控制（包括速度反饋），而電動機(jī)的角位移控制一般由CNC單元實(shí)現(xiàn)。

5.位置反饋系統(tǒng)

位置反饋分為伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)角位移反饋和數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)（工作臺）的位移反饋兩種。運(yùn)動部分通過傳感器將上述角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，輸送給CNC單元，與指令位置進(jìn)行比較，并由CNC單元發(fā)出指令，糾正所產(chǎn)生的誤差。位置反饋系統(tǒng)將在本書第6章中作詳細(xì)介紹。

6.機(jī)床的機(jī)械部件

數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)除了主運(yùn)動系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)以及輔助部分，如液壓、氣動、冷卻和潤滑部分等一般部件外，尚有些特殊部件，如儲備刀具的刀庫、自動換刀裝置（ATC）、自動托盤交換裝置等。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的傳動系統(tǒng)更為簡單，但機(jī)床的靜態(tài)和動態(tài)剛度要求更高，傳動裝置的間隙要盡可能小，滑動面的摩擦系數(shù)要小，并要有恰當(dāng)?shù)淖枘?，以適應(yīng)對數(shù)控機(jī)床高定位精度和良好的控制性能的要求。1.2.2數(shù)控機(jī)床的工作原理

數(shù)控機(jī)床的工作原理如圖1－3所示。圖1－3數(shù)控機(jī)床的工作原理在數(shù)控機(jī)床上加工零件通常要經(jīng)過以下步驟：

（1）根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫程序單，并把它記錄在載體上；

（2）把程序載體上的程序輸入到CNC單元中；

（3）CNC單元將輸入的程序處理后，向機(jī)床各個坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出信號；

（4）伺服系統(tǒng)根據(jù)CNC單元發(fā)出的信號，驅(qū)動機(jī)床的運(yùn)動部件，并控制必要的輔助操作；

（5）通過機(jī)床機(jī)械部件帶動刀具與工件的相對運(yùn)動，加工出符合要求的工件；

（6）檢測機(jī)床的運(yùn)動，并將其通過反饋裝置反饋給CNC單元，以減小加工誤差。

1.3數(shù)控機(jī)床的分類

1.3.1按工藝用途劃分

按工藝用途可將數(shù)控機(jī)床分為：

（1）金屬切削類數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床等；

（2）金屬成型類數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等；

（3）數(shù)控特種加工機(jī)床，如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床；

（4）其他類型的數(shù)控機(jī)床，如火焰切割機(jī)、數(shù)控三坐標(biāo)測量機(jī)等。1.3.2按運(yùn)動方式劃分

按運(yùn)動軌跡方式，即刀具與工件的相對運(yùn)動方式，可將數(shù)控機(jī)床分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床、直線控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床和輪廓控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床，如圖1－4所示。圖1－4數(shù)控機(jī)床分類（a）點(diǎn)位控制；（b）直線控制；（c）輪廓控制

1.點(diǎn)位控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是要求保證點(diǎn)與點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位，它只控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，至于點(diǎn)與點(diǎn)之間所經(jīng)過的軌跡，則不加控制。采用這類系統(tǒng)的機(jī)床有鉆床、坐標(biāo)鏜床、沖床等。

2.直線控制系統(tǒng)

這類控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是不僅要控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，還要保證被控制的兩坐標(biāo)間的軌跡是一條直線。采用這類控制系統(tǒng)的機(jī)床有加工中心、車床、銑床、磨床等。

3.輪廓控制系統(tǒng)（連續(xù)控制系統(tǒng)）

這類控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠?qū)蓚€或兩個以上坐標(biāo)方向的同時運(yùn)動進(jìn)行嚴(yán)格的連續(xù)控制，不僅要控制加工的輪廓，而且要將每個坐標(biāo)的行程控制與速度控制聯(lián)系起來。較高性能的數(shù)控機(jī)床，如車床、銑床、磨床、加工中心等均采用此類控制系統(tǒng)。1.3.3按伺服系統(tǒng)類型劃分

按伺服系統(tǒng)類型不同，數(shù)控機(jī)床可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床、閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床和半閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床三類。

1.開環(huán)控制系統(tǒng)

數(shù)控裝置根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)和指令值，經(jīng)過運(yùn)算發(fā)出輸出脈沖列，送到步進(jìn)電動機(jī)，使其轉(zhuǎn)過一定的角度，帶動絲杠螺母使工作臺（或刀具）移動一定的距離。這種沒有信號反饋和位置檢測，也不將被控制量的實(shí)際值和指令值進(jìn)行比較的系統(tǒng)叫開環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1－5所示。圖1－5開環(huán)控制系統(tǒng)

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

此類數(shù)控系統(tǒng)不僅根據(jù)輸入的指令要求，發(fā)出指令值使機(jī)床運(yùn)動，而且通過測量裝置檢測出工作臺與刀具之間的相應(yīng)位移的實(shí)際值，將實(shí)際值與指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制，直到差值等于零為止。閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1－6所示。圖1－6閉環(huán)控制系統(tǒng)

3.半閉環(huán)控制系統(tǒng)

這種控制系統(tǒng)也是有差控制系統(tǒng)的一種，它的特點(diǎn)是對齒輪或絲杠旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量，然后推算出線性位移量，再將此實(shí)際值與指令值進(jìn)行比較，用差值進(jìn)行控制。由于機(jī)床不完全包括在內(nèi)，因而叫半閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1－7所示。圖1－7半閉環(huán)控制系統(tǒng)1.3.4按數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功能劃分

1.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床

此類數(shù)控裝置主要采用低檔計算機(jī)，如單板機(jī)組成，僅具有進(jìn)給控制的功能，其人機(jī)界面是小鍵盤與LED顯示屏。此類機(jī)床采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動，一般為二軸聯(lián)動，價位在每臺1萬元以下，在線切割機(jī)及車床上曾廣泛應(yīng)用。隨著與計算機(jī)技術(shù)有關(guān)的器件的性價比大幅上升，此類數(shù)控裝置現(xiàn)在已基本上被淘汰。

2.普及型數(shù)控機(jī)床

此類數(shù)控裝置由中高檔工業(yè)計算機(jī)或嵌入式計算機(jī)、多個單片機(jī)系統(tǒng)、智能運(yùn)動控制卡及內(nèi)嵌式PLC等組成，其人機(jī)界面采用CRT或LCD顯示屏，已配備完整的操作面板。此類機(jī)床可采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，也可采用直—交流伺服的半閉環(huán)系統(tǒng)；一般可三軸或三軸半聯(lián)動，精度為0.01mm，進(jìn)給速度為5m/min以下，國產(chǎn)機(jī)床的價位在每臺1～4萬元之間，引進(jìn)機(jī)床的價位在每臺10萬元左右。

3.全功能高檔型數(shù)控機(jī)床

此類機(jī)床的數(shù)控裝置及人機(jī)界面的性能略高于普及型的。與普及型數(shù)控機(jī)床相比，主要區(qū)別在于采用直—交流伺服的全閉環(huán)系統(tǒng)，并可實(shí)現(xiàn)三軸以上的聯(lián)動，精度為0.001mm，進(jìn)給速度可達(dá)10m/min以上，國產(chǎn)機(jī)床的價位在每臺10萬元以上，引進(jìn)機(jī)床的價位在每臺20～30萬元左右。

1.4數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與發(fā)展方向

1.4.1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)自動化程度高，具有很高的生產(chǎn)效率。數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和工作進(jìn)給速度比普通機(jī)床要大得多，快速定位和換刀等輔助時間短，冷卻和排屑等都可以控制。主軸輸出扭矩[JP2]大，切削去除量可達(dá)300~450cc/min。特別是近幾年來，由于電主軸、直線電機(jī)等高新技術(shù)的應(yīng)用，高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速都在30000r/min以上，快速移動時的進(jìn)給速度在100m/min以上；換刀速度國外已達(dá)T－T0.9s，1.3，配上內(nèi)冷等先進(jìn)刀具，極大地改善了切削條件，為加工中心高效運(yùn)行提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。目前，日本的超高數(shù)控立式銑床的主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)100000r/min，換刀時間可低至0.9s（刀到刀）和2.8s(切削到切削),工作臺(托盤)交換速度低至6.3s。

此外，數(shù)控機(jī)床一般采用通用夾具或組合夾具，而且加工過程中能進(jìn)行自動換刀，減少了輔助時間。目前，數(shù)控機(jī)床正向高速、復(fù)合加工方向發(fā)展，這些都極大地提高了零件的加工效率。

(2)對加工對象改造的適應(yīng)性強(qiáng),尤其適合于復(fù)雜型面工件的加工。數(shù)控加工的特點(diǎn)是柔性，工件發(fā)生變化，只要改變加工程序即可。另外，不論工件多么復(fù)雜，只要能編寫出相應(yīng)的加工程序，就可以實(shí)現(xiàn)加工，特別是在曲線加工和型腔加工中，數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn)更是普通機(jī)床無法比擬的，比普通機(jī)床有更大的適應(yīng)性。

(3)加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。數(shù)控機(jī)床本身的精度高，而且在操作過程中沒有人的干預(yù)，所以消除了人為的操作誤差。數(shù)控加工通常采用工序集中的原則，在加工過程中，減少了工件多次裝夾對加工精度的影響。數(shù)控機(jī)床加工精度在0.005~0.01mm之間，可生產(chǎn)重復(fù)精度僅為幾微米的表面光潔度的工件。目前，數(shù)控機(jī)床重復(fù)定位精度已精確到1μm，即將進(jìn)入亞微米時代。

(4)易于建立與計算機(jī)間的通信聯(lián)絡(luò)，容易實(shí)現(xiàn)群控。信息通信技術(shù)的應(yīng)用，使現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床自動化程度進(jìn)一步提高，操作者可以通過網(wǎng)絡(luò)等手段對機(jī)床進(jìn)行遠(yuǎn)程程序修改、故障診斷，對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工全過程的網(wǎng)絡(luò)控制。

(5)改善勞動條件，減輕操作者的勞動強(qiáng)度。數(shù)控機(jī)床車間的工作環(huán)境比較好，從事數(shù)控機(jī)床操作的工人，只要正確裝夾工件，掌握正常操作順序就可以使機(jī)床正常加工。比起普通機(jī)床操作，其勞動強(qiáng)度大大減輕了。同時，由于數(shù)控機(jī)床一般具備自動排屑、全封閉防護(hù)等裝置，因此工作環(huán)境得以大大改善。1.4.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向

目前，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床大致向以下幾個方面發(fā)展。

1.高速、高精度化

要提高機(jī)械加工的生產(chǎn)率，其中最主要的方法就是提高速度，但是這樣做會降低加工精度?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在提高加工速度的同時，也在進(jìn)行高精度化，目前在0.1μm的最小設(shè)定單位內(nèi)，進(jìn)給速度可達(dá)24m/min。要做到這一點(diǎn)，應(yīng)對機(jī)械和數(shù)控系統(tǒng)提出更高的要求。

(1)機(jī)械方面。主要是機(jī)床主軸要高速化；提高主軸和機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)剛度；采用能承受高速的機(jī)械零件，如采用陶瓷球的滾珠軸承等。

(2)數(shù)控系統(tǒng)方面。主要是提高計算機(jī)的運(yùn)算速度。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已從16位的CPU升級到普遍采用的32位的CPU，主機(jī)頻率由5MHz提高到20～33MHz；有的系統(tǒng)還制造了插補(bǔ)器的專用芯片，以提高插補(bǔ)速度；有的采用了多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負(fù)擔(dān)，以進(jìn)一步提高控制速度。

(3)伺服系統(tǒng)方面。

①采用數(shù)字伺服系統(tǒng)，使伺服電動機(jī)的位置環(huán)、速度環(huán)的控制都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。例如，F(xiàn)ANUC15系列數(shù)控機(jī)床采用專用的數(shù)字、信號處理器：位置指令輸入后，此指令與從脈沖編碼器來的位置信息，以及檢出的電動機(jī)電流信息一起，在專用的微處理器芯片內(nèi)，進(jìn)行控制位置、速度和電動機(jī)電流的運(yùn)算，最后向功率放大器發(fā)出指令，以達(dá)到對電動機(jī)的高速、高精度的控制。②采用現(xiàn)代控制理論提高跟隨精度。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出位置指令后，由于機(jī)械部分不能很快響應(yīng)而會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，影響加工精度。現(xiàn)代控制理論中有各種算法能夠?qū)崿F(xiàn)高速和高精度的伺服控制，但是，由于它們的計算方法太復(fù)雜，以往的計算機(jī)運(yùn)算速度不夠，因此很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，計算機(jī)的運(yùn)算速度和存儲容量迅速增大，有時還可采用專用芯片的辦法，使復(fù)雜的計算能夠在線實(shí)現(xiàn)，使得滯后量減少很多，提高了跟隨精度。③采用高分辨率的位置編碼器。一般交流伺服電動機(jī)軸上裝有回轉(zhuǎn)編碼器（脈沖發(fā)生器），用來檢測電動機(jī)的角位移。顯然，編碼器的分辨率越高，則電動機(jī)轉(zhuǎn)動角位移就越精確。現(xiàn)代高分辨率位置編碼器對絕對位置的測量可達(dá)163840脈沖/轉(zhuǎn)。

④采用的數(shù)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償功能，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度和動態(tài)特性。數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能主要用來補(bǔ)償機(jī)械系統(tǒng)帶來的誤差。

2.高可靠性

提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，可大大降低數(shù)控機(jī)床的故障率。新型數(shù)控系統(tǒng)大量使用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，還采用專用芯片提高集成度，以及使用表面封裝技術(shù)等，減少元器件數(shù)量和它們之間的連線和焊點(diǎn)數(shù)目，從而大幅度降低了系統(tǒng)的故障率。

此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)還具有人工智能（AI）功能的故障診斷系統(tǒng)，即把專家們所掌握的各種故障原因及其處置方法作為知識庫儲存到計算機(jī)的存儲器中，以知識庫為依據(jù)來開發(fā)軟件，分析并查找故障原因。通過回答顯示器提出的簡單問題，此系統(tǒng)就能和專家一樣診斷出機(jī)床的故障原因，并且提出排除故障的方法。

3.CNC系統(tǒng)的智能化

由于CNC系統(tǒng)使用的計算機(jī)容量越來越大，運(yùn)算速度越來越快，使得CNC系統(tǒng)不僅能完成機(jī)床的數(shù)字控制功能，而且還可以充分利用軟件技術(shù)，使系統(tǒng)智能化，給操作者以更大的幫助。例如，可將迄今為止必須由編程員決定的零件的加工部位、加工工序、加工順序等，交由CNC系統(tǒng)自動決定。操作者只要將加工形狀和必要的毛坯形狀輸進(jìn)CNC系統(tǒng),就能自動生成加工程序。這樣，NC加工的編程時間大為縮短，即使經(jīng)驗(yàn)不足的操作者也能進(jìn)行操作。

CNC系統(tǒng)如何與人工智能技術(shù)結(jié)合尚待發(fā)展。除了上述在故障診斷和編程方面的應(yīng)用外，還有更大的領(lǐng)域留待我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

4.具有更高的通信功能

越來越多的工廠希望將多臺數(shù)控機(jī)床組成各種類型的生產(chǎn)線或者DNC系統(tǒng)，這就要求提高CNC系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)能力。一般CNC系統(tǒng)都具有RS232和RS422遠(yuǎn)距離串行接口，可以按照用戶的格式要求，與同一級計算機(jī)進(jìn)行多種數(shù)據(jù)交換。

5.多功能化

配有自動換刀機(jī)構(gòu)（刀庫容量可達(dá)100把以上）的各類加工中心，能在同一臺機(jī)床上同時實(shí)現(xiàn)銑削、鏜削、鉆削、車削、鉸孔、擴(kuò)孔、攻螺紋等多種工序加工。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工。

6.控制系統(tǒng)小型化和數(shù)控系統(tǒng)小型化

這便于將機(jī)、電裝置結(jié)合為一體。

1.5數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系統(tǒng)與原點(diǎn)偏置

1.5.1坐標(biāo)系及運(yùn)動方向的規(guī)定

1.機(jī)床相對運(yùn)動的規(guī)定

在機(jī)床上，應(yīng)始終認(rèn)為工件是靜止的，而刀具是運(yùn)動的。

這樣，編程人員在不考慮機(jī)床上工件與刀具具體運(yùn)動的情況下，就可以依據(jù)零件圖樣，確定機(jī)床的加工過程。

2.機(jī)床坐標(biāo)系的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床坐標(biāo)系中，X、Y、Z坐標(biāo)軸的相互關(guān)系用右手笛卡爾直角坐標(biāo)系決定。

在數(shù)控機(jī)床上，機(jī)床的動作是由數(shù)控裝置來控制的，為了確定數(shù)控機(jī)床上的成形運(yùn)動和輔助運(yùn)動，必須先確定機(jī)床上運(yùn)動的位移和運(yùn)動的方向，這就需要通過坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)，這個坐標(biāo)系被稱為機(jī)床坐標(biāo)系。圖1－8立式數(shù)控銑床右手笛卡爾直角坐標(biāo)系規(guī)定：

(1)伸出右手的大拇指、食指和中指，并互為90°，則大拇指代表X坐標(biāo)，食指代表Y坐標(biāo)，中指代表Z坐標(biāo)。

(2)大拇指的指向?yàn)閄坐標(biāo)的正方向，食指的指向?yàn)閅坐標(biāo)的正方向，中指的指向?yàn)閆坐標(biāo)的正方向。

(3)圍繞X、Y、Z坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分別用A、B、C表示，根據(jù)右手螺旋定則，大拇指的指向?yàn)閄、Y、Z坐標(biāo)中任意軸的正向，則其余四指的旋轉(zhuǎn)方向即為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A、B、C的正向,見圖1－9。圖1－9右手笛卡爾直角坐標(biāo)系的判定方法

3.運(yùn)動方向的規(guī)定

增大刀具與工件距離的方向即為各坐標(biāo)軸的正方向。

例如，圖1－10所示為數(shù)控車床上兩個運(yùn)動的正方向。圖1－10機(jī)床運(yùn)動的方向1.5.2坐標(biāo)軸及其運(yùn)動方向

1.Z坐標(biāo)及方向

Z坐標(biāo)的運(yùn)動方向是由傳遞切削動力的主軸所決定的，即平行于主軸軸線的坐標(biāo)軸為Z坐標(biāo)，Z坐標(biāo)的正向?yàn)榈毒唠x開工件的方向。

如果機(jī)床上有幾個主軸，則選一個垂直于工件裝夾平面的主軸方向?yàn)閆坐標(biāo)方向；如果主軸能夠擺動，則選垂直于工件裝夾平面的方向?yàn)閆坐標(biāo)方向；如果機(jī)床無主軸，則選垂直于工件裝夾平面的方向?yàn)閆坐標(biāo)方向。

2.X坐標(biāo)及方向

X坐標(biāo)平行于工件的裝夾平面，一般在水平面內(nèi)。確定X軸的方向時，要考慮兩種情況：

(1)如果工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，則刀具離開工件的方向?yàn)閄坐標(biāo)的正方向。

(2)如果刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，則分為兩種情況：Z坐標(biāo)水平時，觀察者沿刀具主軸向工件看時，+X運(yùn)動方向指向右方；Z坐標(biāo)垂直時，觀察者面對刀具主軸向立柱看時，+X運(yùn)動方向指向右方。

3.Y坐標(biāo)及方向

在確定了X、Z坐標(biāo)的正方向后，可以根據(jù)X和Z坐標(biāo)的方向，按照右手直角坐標(biāo)系來確定Y坐標(biāo)的方向。

例：根據(jù)圖1－11所示的數(shù)控立式銑床結(jié)構(gòu)圖，試確定X、Y、Z直線坐標(biāo)。

（1）Z坐標(biāo)：平行于主軸，刀具離開工件的方向?yàn)檎?/p>

（2）X坐標(biāo)：Z坐標(biāo)垂直，且刀具旋轉(zhuǎn)，所以面對刀具主軸向立柱方向看，向右為正。

（3）Y坐標(biāo)：在Z、X坐標(biāo)確定后，用右手直角坐標(biāo)系來確定。圖1－11數(shù)控立式銑床的坐標(biāo)及其運(yùn)動方向

4.附加坐標(biāo)系

為了編程和加工的方便，有時還要設(shè)置附加坐標(biāo)系。

對于直線運(yùn)動，通常建立的附加坐標(biāo)系有：

(1)指定平行于X、Y、Z的坐標(biāo)軸，可以采用的附加坐標(biāo)系有第二組U、V、W坐標(biāo)和第三組P、Q、R坐標(biāo)。

(2)指定不平行于X、Y、Z的坐標(biāo)軸，可以采用的附加坐標(biāo)系有第二組U、V、W坐標(biāo)和第三組P、Q、R坐標(biāo)。1.5.3坐標(biāo)原點(diǎn)

1.機(jī)床原點(diǎn)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床一般都有一個基準(zhǔn)位置，稱為機(jī)床原點(diǎn)（machineorign或homeposition）。機(jī)床原點(diǎn)是機(jī)床制造商設(shè)置在機(jī)床上的一個物理位置，其作用是使機(jī)床與控制系統(tǒng)同步，建立測量機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)的起始點(diǎn)。它是機(jī)床上設(shè)置的一個固定點(diǎn)，即機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)。它在機(jī)床裝配、調(diào)試時就已確定下來，也是數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工運(yùn)動的基準(zhǔn)參考點(diǎn)。圖1－12車床的機(jī)床原點(diǎn)

1)數(shù)控車床的原點(diǎn)

在數(shù)控車床上，機(jī)床原點(diǎn)一般取在卡盤端面與主軸中心線的交點(diǎn)處，見圖1－12。同時，通過設(shè)置參數(shù)的方法，也可將機(jī)床原點(diǎn)設(shè)定在X、Z坐標(biāo)的正方向極限位置上。

2)數(shù)控銑床的原點(diǎn)

在數(shù)控銑床上，機(jī)床原點(diǎn)一般取在X、Y、Z坐標(biāo)的正方向極限位置上，見圖1－13。圖1－13銑床的機(jī)床原點(diǎn)

2.機(jī)床參考點(diǎn)

與機(jī)床原點(diǎn)相對應(yīng)的還有一個機(jī)床參考點(diǎn)，它是機(jī)床制造商在機(jī)床上用行程開關(guān)設(shè)置的一個物理位置，它與機(jī)床的相對位置是固定的，機(jī)床出廠之前由機(jī)床制造商精密測量確定。機(jī)床參考點(diǎn)一般不同于機(jī)床原點(diǎn)。一般來說，加工中心的參考點(diǎn)為機(jī)床的自動換刀位置。

機(jī)床參考點(diǎn)是用于對機(jī)床運(yùn)動進(jìn)行檢測和控制的固定位置點(diǎn)。

機(jī)床參考點(diǎn)的位置是由機(jī)床制造廠家在每個進(jìn)給軸上用限位開關(guān)精確調(diào)整好的，坐標(biāo)值已輸入數(shù)控系統(tǒng)中。因此，參考點(diǎn)對機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)是一個已知數(shù)。

通常，在數(shù)控銑床上，機(jī)床原點(diǎn)和機(jī)床參考點(diǎn)是重合的，而在數(shù)控車床上，機(jī)床參考點(diǎn)是離機(jī)床原點(diǎn)最遠(yuǎn)的極限點(diǎn)。圖1－14所示為數(shù)控車床的參考點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)。圖1－14數(shù)控車床的參考點(diǎn)

3.程序原點(diǎn)

對于數(shù)控編程和數(shù)控加工來說，還有一個重要的點(diǎn)就是程序原點(diǎn)，它是編程人員在數(shù)控編程過程中定義在工件上的幾何基準(zhǔn)點(diǎn)，有時也稱為工件原點(diǎn)。程序原點(diǎn)一般用G92或G54～G59（對于數(shù)控鏜銑床）和G50（對于數(shù)控車床設(shè)置）寄存器寄存。

4.裝夾原點(diǎn)

除了上述三個基本原點(diǎn)以外，有的機(jī)床還有一個重要的原點(diǎn)，即裝夾原點(diǎn)。裝夾原點(diǎn)[JP3]常見于帶回轉(zhuǎn)（或擺動）工作臺的數(shù)控機(jī)床或加工中心，一般是機(jī)床工作臺上的一個固定點(diǎn)。比如回轉(zhuǎn)中心，與機(jī)床參考點(diǎn)的偏移量可通過測量存入CNC系統(tǒng)的原點(diǎn)偏置寄存器中，供CNC系統(tǒng)原點(diǎn)偏移計算用。圖1－15描述了數(shù)控車床和數(shù)控鏜銑床的坐標(biāo)原點(diǎn)及其相互關(guān)系。圖1－15數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)（a）數(shù)控車床；（b）數(shù)控鏜銑床1.5.4程序原點(diǎn)的設(shè)置與偏移

現(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般都要求機(jī)床回零操作，即機(jī)床回到機(jī)床原點(diǎn)或機(jī)床參考點(diǎn)（不同的機(jī)床采用的回零操作方式可能不一樣，但一般都要求回參考點(diǎn)）之后才能啟動。機(jī)床參考點(diǎn)和機(jī)床原點(diǎn)之間的偏移值存放在機(jī)床參數(shù)中?；亓悴僮骱?，機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行了初始化，即機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)X、Y、Z、A、B等顯示（計數(shù)器）為零。當(dāng)工件在機(jī)床上固定以后，程序原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)的偏移量必須通過測量來確定?，F(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般都配有工件測量頭，在手動操作下能準(zhǔn)確地測量該偏移量，存入G54~G59原點(diǎn)偏置寄存器中，供CNC系統(tǒng)原點(diǎn)偏移計算用。在沒有工件測量頭的情況下，程序原點(diǎn)位置的測量要靠對刀的方式進(jìn)行。

圖1－16描述了一次裝夾加工三個相同零件的程序其原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)之間的關(guān)系及偏移計算方法。采用G92實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)偏移的有關(guān)指令如下：N1

G90

/*絕對坐標(biāo)編程，刀具位于機(jī)床參考點(diǎn)

N2

G92X6.0Y6.0Z0

/*將程序原點(diǎn)定義在第一個零件上的工件原點(diǎn)W1處加工第一個零件

N8

G00X0Y0

/*快速回程序原點(diǎn)

N9

G92X4.0Y3.0

/*將程序原點(diǎn)定義在第二個零件上的工件原點(diǎn)W2處

/*加工第二個零件

N13

G00X0Y0

/*快速回程序原點(diǎn)

N14

G92X4.5Y-1.2

/*將程序原點(diǎn)定義在第三個零件上的工件原點(diǎn)W3

/*處加工第三個零件……圖1－16機(jī)床參考點(diǎn)向多程序原點(diǎn)的偏移

采用G54～G59實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)偏移的方法如下。

首先設(shè)置G54～G56原點(diǎn)偏移寄存器：

對于零件1:G54

X-6.0

Y-6.0

Z0

對于零件2:G55

X-10.0

Y-9.0

Z0

對于零件3:G56

X-14.5

Y-7.8

Z0

然后調(diào)用指令：

N1

G90

G54

/*加工第一個零件

N7

G55

/*加工第二個零件

N10

G56

/*加工第三個零件顯然,對于多程序原點(diǎn)偏移，先采用G54～G59原點(diǎn)偏移寄存器寄存所有程序原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)的偏移量，然后在程序中直接調(diào)用G54～G59進(jìn)行原點(diǎn)偏移是很方便的。

采用程序原點(diǎn)偏移的方法還可以實(shí)現(xiàn)零件的空運(yùn)行試切加工，方法是將程序原點(diǎn)向刀軸（Z軸）方向偏移，使刀具在加工過程中抬起一個安全角度。1.5.5絕對坐標(biāo)編程及增量坐標(biāo)編程

在加工程序中，絕對尺寸指令和增量尺寸指令有兩種表達(dá)方法。

絕對尺寸指機(jī)床運(yùn)動部件的坐標(biāo)尺寸值相對于坐標(biāo)原點(diǎn)給出,如圖1－17所示。增量尺寸指機(jī)床運(yùn)動部件的坐標(biāo)尺寸值相對于前一位置給出，如圖1－18所示。編程時要根據(jù)零件的加工精度要求及編程方便與否選用坐標(biāo)類型。在數(shù)控程序中絕對坐標(biāo)與增量坐標(biāo)可單獨(dú)使用，也可在不同程序段中交叉設(shè)置使用。對于數(shù)控車床，還可以在同一程序段中混合使用這兩種方法，使用原則主要看何種方式編程更方便。圖1－17絕對尺寸圖1－18增量尺寸數(shù)控銑床或加工中心大都以G90指令設(shè)定程序中X、Y、Z坐標(biāo)值為絕對值；用G91指令設(shè)定X、Y、Z坐標(biāo)值為增量值，圖1－19所示為刀具路線分別用絕對坐標(biāo)與增量坐標(biāo)編程的示例，編程指令如下。

G90絕對方式指令：G91增量方式指令：

G90

X50.0

Y50.0；G91

X-20.0

Y30.0；

X-60.0

Y30.0；

X-110.0

Y-20.0；

（X-60）Y-50.0；X0

Y-80.0；

X-20.0

Y-30.0；X40.0

Y20.0；

X50.0

Y-60.0；X70.0

Y-30.0；指令中，括號內(nèi)的內(nèi)容可以省略。一般數(shù)控車床上絕對值的坐標(biāo)以地址X、Z表示；增量值的坐標(biāo)以地址U、W分別表示X、Z軸向的增量。X軸向的坐標(biāo)不論是絕對值還是增量值，一般都用直徑表示（稱為直徑編程，這樣會給編程帶來方便，這時刀具實(shí)際的移動距離是直徑值的一半)。圖1－19絕對坐標(biāo)與增量坐標(biāo)編程示例

1.6現(xiàn)代數(shù)控加工的補(bǔ)償

1.6.1刀具長度補(bǔ)償

刀具長度是一個很重要的概念。我們在對一個零件編程的時候，首先要指定零件的編程中心，然后才能建立工件編程坐標(biāo)系，而此坐標(biāo)系只是一個工件坐標(biāo)系，零點(diǎn)一般在工件上。刀具長度補(bǔ)償只和Z坐標(biāo)有關(guān)，Z坐標(biāo)的零點(diǎn)不像X、Y平面內(nèi)的編程零點(diǎn)那樣，因?yàn)榈毒呤怯芍鬏S錐孔定位而不改變。每一把刀的長度都是不同的。例如，我們要鉆一個深為50mm的孔，然后攻絲深為45mm，分別用一把長為250mm的鉆頭和一把長為350mm的絲錐。先用鉆頭鉆孔深50mm，此時機(jī)床已經(jīng)設(shè)定工件零點(diǎn)，當(dāng)換上絲錐攻絲時，如果兩把刀都從設(shè)定零點(diǎn)開始加工，則絲錐因?yàn)楸茹@頭長而會攻絲過長，損壞刀具和工件。此時如果設(shè)定刀具補(bǔ)償，即把絲錐和鉆頭的長度進(jìn)行補(bǔ)償，則機(jī)床零點(diǎn)設(shè)定之后，即使絲錐和鉆頭長度不同，也會因補(bǔ)償?shù)拇嬖冢谡{(diào)用絲錐工作時，Z坐標(biāo)零點(diǎn)自動向+Z（或Z）移動，補(bǔ)償了絲錐的長度，保證了加工零點(diǎn)的正確。刀具長度補(bǔ)償是通過執(zhí)行G43（G44）和H指令來實(shí)現(xiàn)的，同時我們給出一個Z坐標(biāo)值，這樣刀具在補(bǔ)償之后移動到距工件表面距離為Z坐標(biāo)值的地方。指令G49用于取消G43（G44）指令，一般不必使用這個指令，因?yàn)槊堪训毒叨加凶约旱拈L度補(bǔ)償，當(dāng)換刀時，利用G43（G44）或H指令賦予當(dāng)前刀具的刀長補(bǔ)償值后，前一把刀具的長度補(bǔ)償會自動取消。圖1－20刀具長度補(bǔ)償

(a)車刀刀具長度；(b)棒銑刀刀具長度；(c)球形刀刀具長度刀具長度補(bǔ)償有兩種方式。第一種方式是用刀具的實(shí)際長度作為刀長的補(bǔ)償值（推薦使用這種方式）。使用刀長作為補(bǔ)償就是使用對刀儀測量刀具的長度，然后把這個數(shù)值輸入到刀具長度補(bǔ)償寄存器中，作為刀長補(bǔ)償。使用刀具長度作為刀長補(bǔ)償?shù)睦碛扇缦拢?/p>

首先，使用刀具長度作為刀長補(bǔ)償，可以避免在不同的工件加工中不斷地修改刀長偏置。這樣，一把刀具用在不同的工件上也不用修改刀長偏置。在這種情況下，可以按照一定的刀具編號規(guī)則，給每一把刀具作檔案，用一個小標(biāo)牌寫上每把刀具的相關(guān)參數(shù)，包括刀具的長度、半徑等資料。事實(shí)上許多大型機(jī)械加工型企業(yè)對數(shù)控加工設(shè)備的刀具管理都采用這種辦法。這對于那些專門設(shè)有刀具管理部門的公司來說，就用不著和操作工面對面地告訴刀具的參數(shù)了，同時即使因刀庫容量原因把刀具取下來，等下次重新裝上時，只需根據(jù)標(biāo)牌上的刀長數(shù)值作為刀具長度補(bǔ)償即可，而不需再進(jìn)行測量。其次，使用刀具長度作為刀長補(bǔ)償，可以讓機(jī)床一邊加工運(yùn)行，一邊在對刀儀上進(jìn)行其他刀具的長度測量，而不必因?yàn)樵跈C(jī)床上對刀而占用機(jī)床運(yùn)行時間，這樣可以提高加工中心的效率。當(dāng)主軸移動到編程Z坐標(biāo)點(diǎn)時，補(bǔ)償值就是主軸坐標(biāo)加上（或減去）刀具長度補(bǔ)償后的Z坐標(biāo)數(shù)值。另一種方式是利用刀尖在Z方向上與編程零點(diǎn)的距離值（有正負(fù)之分）作為補(bǔ)償值。這種方法適用于機(jī)床只有一個人操作而沒有足夠的時間來用對刀儀測量刀具的長度的場合。這樣做就使得當(dāng)用一把刀加工另外的工件時，需要重新設(shè)置刀長補(bǔ)償。使用這種方法進(jìn)行刀長補(bǔ)償時，補(bǔ)償值就是主軸從機(jī)床Z坐標(biāo)零點(diǎn)移動到工件編程零點(diǎn)時的刀尖移動距離，因此此補(bǔ)償值總是負(fù)值，而且很大。1.6.2刀具半徑補(bǔ)償

使用刀具長度補(bǔ)償，在編程時基本上不用考慮刀具的長度，而有了刀具半徑補(bǔ)償，在編程時也可以不用考慮刀具的直徑大小。刀長補(bǔ)償對所有的刀具都適用，而刀具半徑補(bǔ)償則一般只用于銑刀類刀具。當(dāng)用銑刀加工工件的外輪廓或內(nèi)輪廓時，就可用刀具半徑補(bǔ)償；當(dāng)用端面銑刀加工工件的端面時則不能用刀具半徑補(bǔ)償。因?yàn)榈毒甙霃窖a(bǔ)償是一個比較難以理解和使用的指令，所以在編程中很多人不愿使用它。但是一旦理解和掌握了它，使用起來將給編程和加工帶來很大的方便。例如，當(dāng)編程者準(zhǔn)備編寫用銑刀加工一個工件的外形的程序時，首先要根據(jù)工件的外形尺寸和刀具的半徑細(xì)致地計算坐標(biāo)值，以明確刀具中心所走的路線。此時所用的刀具半徑是所用銑刀的半徑值，但如果編完程序后發(fā)現(xiàn)所用銑刀不太適合，要換用其他直徑的刀具，此時編程員就要重新計算刀具中心所走的路線的坐標(biāo)值。這對于一個簡單的工件來說問題不太大，但對于外形復(fù)雜的模具來說，重新計算則非常困難。一個工件的外形加工分粗加工和精加工，經(jīng)過粗加工，工件外形尺寸發(fā)生了變化，接下來要計算精加工的刀具中心坐標(biāo)值，工作量較大。此時如果使用刀具半徑補(bǔ)償，這些麻煩就都迎刃而解了。我們可以忽略刀具半徑，而根據(jù)工件尺寸進(jìn)行編程，然后把刀具半徑作為半徑補(bǔ)償放在半徑補(bǔ)償寄存器里。這樣，無論臨時更換銑刀也好，進(jìn)行粗精加工也好，只需更改刀具半徑補(bǔ)償值，就可以控制工件外形尺寸的大小，而程序基本不用修改。刀具半徑補(bǔ)償如圖1－21所示。圖1－21刀具半徑補(bǔ)償

(a)外輪廓刀補(bǔ)；(b)內(nèi)輪廓刀補(bǔ)刀具半徑補(bǔ)償是通過指令G41、G42來完成的。補(bǔ)償有兩個方向，即沿刀具切削進(jìn)給方向的垂直方向的左面或右面進(jìn)行補(bǔ)償，符合左、右手定則。G41是左補(bǔ)償，符合左手定則；G42是右補(bǔ)償，符合右手定則，如圖1－22所示。在使用G41、G42進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償時，應(yīng)特別注意使補(bǔ)償有效的刀具移動方向與坐標(biāo)的確定。圖1－22刀具半徑補(bǔ)償指令

(a)刀具半徑左補(bǔ)償；(b)刀具半徑右補(bǔ)償1.6.3夾具偏置補(bǔ)償

刀具長度補(bǔ)償和半徑補(bǔ)償讓編程者可以不用考慮刀具的長短和大小，即夾具偏置補(bǔ)償可以讓編程者不必考慮工件夾具的位置。當(dāng)一臺加工中心加工小的工件時，一次可以裝夾幾個工件，編程者不用考慮每一個工件在編程時的坐標(biāo)零點(diǎn)，而只需按照各自的編程零點(diǎn)進(jìn)行編程，然后使用夾具偏置來移動機(jī)床在每一個工件上的編程零點(diǎn)即可。夾具偏置是使用夾具偏置指令G54～G59來執(zhí)行的。還有一種方法就是使用G92指令設(shè)定坐標(biāo)系，即當(dāng)一個工件加工完成之后，加工下一個工件時使用G92來重新設(shè)定新的工件坐標(biāo)系。

上面是在數(shù)控加工中常用的三種補(bǔ)償，它給我們的編程和加工帶來了很大的方便，能大大提高工作效率。

1.7數(shù)控程序常用指令及格式

1.7.1程序段的一般格式

數(shù)控程序是由為使機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)而給予數(shù)控裝置的一系列指令的有序集合所構(gòu)成的。這些指令使刀具按直線、圓弧或其他曲線運(yùn)動，控制主軸的回轉(zhuǎn)及停止、切削液的開關(guān)、自動換刀裝置和工作臺自動交換裝置的動作等。

程序由程序段（Block）組成，每個程序段由字（word）和“；”所組成。字是由地址符和數(shù)值所構(gòu)成的，如X（地址符）100.0（數(shù)值）、Y（地址符）50.0（數(shù)值）。程序由程序號、程序段號、準(zhǔn)備功能、尺寸字、進(jìn)給速度、主軸功能、刀具功能、輔助功能、刀補(bǔ)功能等構(gòu)成。圖1－23數(shù)控程序結(jié)構(gòu)示意圖一般情況下，一個基本的數(shù)控程序由以下幾個部分組成：

（1）程序起始符，一般為“%”、“$”等，不同的數(shù)控機(jī)床起始符可能不同，應(yīng)根據(jù)具體的數(shù)控機(jī)床說明使用。程序起始符單列一行。

（2）程序名，單列一行，有兩種形式：一種是以規(guī)定的英文字母（通常為O）為首，后面接若干位數(shù)字（通常為2位或者4位），如O0600，也可稱為程序號；另一種由英文字母、數(shù)字和符號“－”混合組成，比較靈活。程序名具體采用何種形式由數(shù)控系統(tǒng)決定。（3）程序主體，由多個程序段組成。程序段是數(shù)控程序中的一句，單列一行，用于指揮機(jī)床完成某一個動作。每個程序段又由若干個程序字（word）組成，每個程序字表示一個功能指令，因此又稱為功能字，它由字首及隨后的若干個數(shù)字組成（如X100）。字首是一個英文字母，稱為字的地址，它決定了字的功能類別。一般字的長度和順序不固定。在程序末尾一般有程序結(jié)束指令，如M30，用于停止主軸、冷卻液和進(jìn)給，并使控制系統(tǒng)復(fù)位。

（4）程序結(jié)束符，即程序結(jié)束的標(biāo)記符，一般與程序起始符相同。1.7.2常用的編程指令

數(shù)控程序的指令由一系列的程序字組成，而程序字通常由地址（address）和數(shù)值（number）兩部分組成，地址通常是某個大寫字母。數(shù)控程序中的地址代碼意義如表1－1所示。表1－1數(shù)控程序中的地址代碼意義

數(shù)控程序中的每一個指令都有固定的格式，使用不同的數(shù)控機(jī)床，其指令格式也不同，因此需要按照該數(shù)控機(jī)床的指令格式來編寫數(shù)控指令。一般的數(shù)控機(jī)床可以選擇公制單位毫米（mm），或者英制單位英寸（inch）為數(shù)值單位。公制可以精確到0.001mm，英制可以精確到0.0001inch，這也是一般數(shù)控機(jī)床的最小移動量。表1－2列出了一般數(shù)控機(jī)床所能輸入的指令數(shù)值范圍，而數(shù)控機(jī)床實(shí)際使用范圍受到機(jī)床本身的限制，因此需要參考數(shù)控機(jī)床的操作手冊而定。例如表中X軸可以移動±99999.999mm，但實(shí)際上數(shù)控機(jī)床的X軸行程可能只有650mm，進(jìn)給速率F最大可輸入100000.0mm/min，但實(shí)際上數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速率可能限制在3000mm/min以下。因此在編制數(shù)控程序時，一定要參考數(shù)控機(jī)床的程序員編程說明書。表1－2數(shù)控機(jī)床所能輸入的指令數(shù)值范圍

下面簡要介紹各種數(shù)控指令的用法。

1.順序號字

順序號字也稱程序段號，在程序段之首，以字母N開頭，其后為一個2～4位的數(shù)字。需要注意的是，數(shù)控程序是按程序段的排列次序執(zhí)行的，與順序段號的大小無關(guān)，即程序段號實(shí)際上只是程序段的名稱，而不是程序段執(zhí)行的先后次序。

2.準(zhǔn)備功能字

準(zhǔn)備功能字以字母G開頭，后接一個兩位數(shù)字，又稱為G指令。它是控制機(jī)床運(yùn)動的主要功能類別。常用的G指令有以下幾種。

（1）G00：快速點(diǎn)定位，即刀具快速移動到指定坐標(biāo)，用于刀具在非切削狀態(tài)下的快速移動，其移動速度取決于機(jī)床本身的技術(shù)參數(shù)。如刀具快速移動到點(diǎn)（100，100，100）的指令格式為

G00X100.0Y100.0Z100.0

（2）G01：直線插補(bǔ)，即刀具以指定的速度直線運(yùn)動到指定的坐標(biāo)位置，是進(jìn)行切削運(yùn)動的兩種主要方式之一。如刀具以250mm/min的速度直線插補(bǔ)運(yùn)動到點(diǎn)（100，100，100）的指令格式為

G01X100.0Y100.0Z100.0F250（3）G02、G03：順時針和逆時針圓弧插補(bǔ)，即刀具以指定的速度圓弧運(yùn)動到指定的位置。G02/G03有兩種表達(dá)格式。一種為半徑格式，使用參數(shù)值R，如G02X100Y100Z100R50F250表示刀具以250mm/min的速度沿半徑50的順時針圓弧運(yùn)動至終點(diǎn)（100，100，100）。其中R值的正負(fù)影響切削圓弧的角度，R值為正時，刀位起點(diǎn)到刀位終點(diǎn)的角度小于或等于180°；R值為負(fù)時，刀位起點(diǎn)到刀位終點(diǎn)的角度大于或等于180°。另一種為向量格式，使用參數(shù)I、J、K給出圓心坐標(biāo)，并以相對于起始點(diǎn)的坐標(biāo)增量表示。例如G02X100Y100Z100I50J50K50F250表示刀具以250mm/min的速度沿一順時針圓弧運(yùn)動至點(diǎn)（100，100，100），該圓弧的圓心相對于起點(diǎn)的坐標(biāo)增量為（50，50，50）。（4）G90、G91：絕對指令/增量指令。其中G90指定NC程序中的刀位坐標(biāo)是以工作坐標(biāo)系原點(diǎn)為基準(zhǔn)來計算和表達(dá)的，而G91則指定NC程序中每一個刀位點(diǎn)的坐標(biāo)都是以其相對于前一個刀位點(diǎn)的坐標(biāo)增量來表示的。（5）G41、G42、G40：刀具半徑左補(bǔ)償、右補(bǔ)償和取消半徑補(bǔ)償。用半徑為R的刀具切削工件時，刀軌必須始終與切削輪廓有一個距離為R的偏置。在手工編程中，進(jìn)行這種偏置計算往往十分麻煩。如果采用G41、G42指令，刀具路徑會被自動偏移一個R距離，而編程只要按工件輪廓考慮即可。在G41、G42指令中，刀具半徑是用其后的D指令指定的。所謂左補(bǔ)償，是指沿著刀具前進(jìn)的方向，刀軌向左側(cè)偏置一個刀半徑的距離。（6）G54、G92：加工坐標(biāo)系設(shè)置指令。G54是數(shù)控系統(tǒng)上設(shè)定的寄存器，其中存放了加工坐標(biāo)系（一般是對刀點(diǎn)）相對于機(jī)床坐標(biāo)系的偏移量。當(dāng)數(shù)控程序中出現(xiàn)該指令時，數(shù)控系統(tǒng)即根據(jù)其中存放的偏移量確定加工坐標(biāo)系。G92是根據(jù)刀具起始點(diǎn)與加工坐標(biāo)系的相對關(guān)系確定加工坐標(biāo)系的指令，其格式示例為G92X20Y30Z40，它表示刀具當(dāng)前位置（一般為程序起點(diǎn)位置）處于加工坐標(biāo)系的（20，30，40）處，這樣就等于通過刀具當(dāng)前位置確定了加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置。表1－3

G代碼列表

3.輔助功能字

輔助功能字一般由字符M及隨后的2位數(shù)字組成，因此也稱為M指令。它用來指定數(shù)控機(jī)床輔助裝置的接通和斷開（即開關(guān)動作），表示機(jī)床各種輔助動作及其狀態(tài)。常用的M指令有以下幾種。

（1）M02、M30：程序結(jié)束。

（2）M03、M04、M05：主軸順時針轉(zhuǎn)、主軸逆時針轉(zhuǎn)、主軸停止轉(zhuǎn)動。

（3）M08、M09：冷卻液開、關(guān)。表1－4

M代碼列表

4.其他功能字

（1）尺寸字：也叫尺寸指令，主要用來指定刀位點(diǎn)坐標(biāo)位置。如X、Y、Z主要用于表示刀位點(diǎn)的坐標(biāo)值，而I、J、K用于表示圓弧刀軌的圓心坐標(biāo)值（參見G02、G03指令中的內(nèi)容）。

（2）進(jìn)給功能字：以字符F開頭，因此又稱為F指令，用于指定刀具插補(bǔ)運(yùn)動（即切削運(yùn)動）的速度，稱為進(jìn)給速度，單位是毫米/分鐘（