职业技术学校机电技术类专业教材
第一章数控车床编程的入门 第一节：数控机床概述
1.数控定义
数控机床（Numerical Control Machine Tools） 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它数控技术典型应用的例子。
数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。
计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ）以计算机为核心的数控系统。 2.产生背景
从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有： 自动机床；组合机床；专用自动生产线。
这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点：
初始投资大；准备周期长；柔性差 a数控技术产生和发展的内在动力：
市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。 b.数控技术产生和发展的技术基础：
电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。 3.发展沿革
1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。 1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。 从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。 第一代：1955年 NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。 第二代：1959年 NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。
第三代：1965年 NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”
第四代：1970年 NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。
第五代：1974年 NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。这一代又可分为六个发展阶段： 1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。 1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。 1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。
1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑。
自从20世纪中叶数控技术创立以来，它给 机械制造业带来了革命性的变化。
现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；
数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；
是国家的战略技术：基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；专家们预言: 二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。
第二节 ：数控编程的几何基础
1.1 机床坐标系
为了确定机床个运动部件的运动方向和移动距离，需要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就叫做机床坐标系
（1） 机床坐标轴及其方向
a数控机床的运动轴分为平动轴和转动轴
b数控机床各轴的运动，有的是使刀具产生运动，有的则是使工件产生运动。
c鉴于以上两方面情况，标准规定，不论机床的具体运动结果如何，机床的运动统一按工件静止而刀具相对于工件运动来描述，并以右手笛卡尔坐标系表达，其坐标轴用X，Y，Z表示，用来描述机床的主要平动轴，称为基本坐标轴，若机床有转动轴，标准规定绕X，Y和Z轴转动的轴分别用A、B、C表示，其正向
按右手螺旋定则确定。 （2） Z坐标轴
将机床主轴沿其轴线方向运动的平动轴定义为Z轴。
所谓主轴是指产生切削动力的轴，例如铣床、钻床、镗床上的刀具旋转轴和车床上的工件旋转轴。如果主轴能够摆动，即主轴轴线方向是变化的，则以主轴轴线垂直于机床工作台装卡面时的状态来定义Z轴。对于Z轴的方向，标准规定以增大刀具与工件间距离的方向为Z轴的正方向。 （3 ）X坐标轴
将在垂直于Z轴的平面内的一个主要平动轴指定为X轴，它一般位于与工件安装面相平行的水平面内。对于不同类型的机床，X轴及其方向有具体的规定。例如对于铣床、钻床等刀具旋转的机床，若Z轴是水平的，则X轴规定为从刀具向工件方向看时沿左右运动的轴，且向右为正若Z轴是垂直的，则X轴规定为从刀具向立柱 (若有两个立柱则选左侧立柱。方向看时沿左右运动的轴，且向右为正。
（4）Y坐标轴
+Z’
+Y
+X
+C
+Z
Y轴及其方向则是根据X和Z轴按右手法则确定入下图
（5）机床原点
机床原点是机床坐标系的原点。对某一具体的机床来说，机床原点是固定的，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置。 （6）
机床参考点
是用于对机床工作台、滑板以及刀具相对运动的测量系统进行定标和控制的点，也称为机床零点。
参考点相对于机床原点来讲是一个固定值。它是在加工之前和加工之后，用控制面板上的回零按钮使移动部件移动到机床坐标系中的一个固定不变的极限点。数控机床在工作时，移动部件必须首先返回参考点，测量系统置零，之后测量系统即可以以参考点作为基准，随时测量运动部件的位置。
（7）
工件坐标系和工件零点用于确定工件几何图形上各几何要素的位置而建立的坐标系。工件坐标系的
原点就是工件零点
a工件零点的一般选用原则：
工件零点选在工件图样的尺寸基准上，这样可以直接用图纸标注的尺寸作为编程点的坐标值，减少计算工作量；能使工件方便地装卡、测量和检验；工件零点尽量选择尺寸精度较高、粗糙度比较低地工件表面上，以提高加工精度和同一批零件的一致性；对于有对称形状地几何零件，工件零点最好选择对称中心上。 （8）程序原点
为了编程方便，在图纸上选择一个适当位置作为程序原点，也叫编程原点或程序零点。对于简单零件，工件零点就是程序零点，这时的编程坐标系就是工件坐标系。对于形状复杂的零件，需要编制几个程序或子程序，为了编程方便和减少许多坐标值的计算，编程零点就不一定设在工件零点上，而设在便于程序编制的位置。 1.2编程的概述 一.程序编制的基本概念
1.数控加工程序编制：从零件图纸到制成控制介质的全过程。
将零件的加工信息：加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数(F、S、T)及辅助动作（变速、换刀、冷却液启停、工件夹紧松开等）等，用规定的文字、数字、符号组成的代码按一定的格式编写加工程序单，并将程序单的信息变成控制介质的整个过程。
2.常用的程序编制方法有：手工编程和自动编程两种。
手动编程：整个编程过程由人工完成。对编程人员的要求高（不仅要熟悉数控代码和编程规则，而且还必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力）
自动编程：编程人员只要根据零件图纸的要求，按照某个自动编程系统的规定， 将零件的加工信息用较简便的方式送入计算机，由计算机自动进行程序的编制，编程系统能自动打印出程序单和制备控制介质。手工编程适用于：几何形状不太复杂的零件。 自动编程适用于：
形状复杂的零件，
虽不复杂但编程工作量很大的零件（如有数千个孔的零件）
虽不复杂但计算工作量大的零件（如轮廓加工时，非圆曲线的计算）
二、手工编程的内容和步骤
图纸工艺分析：这一步与普通机床加工零 件时的工艺分析相同，即在对图纸进行工艺分析的基础上，选定机床、刀具与夹具；确定零件加工的工艺线路、工步顺序及切削用量等工 艺参数等。
计算运动轨迹: 根据零件图纸上尺寸及工艺线路的要求，在选定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动轨迹的坐标值，并且按NC机床的规定编程单位（脉冲当量）换算为相应的数字量，以这些坐标值作为编程尺寸。
编制程序及初步校验:根据制定的加工路线、切削用量、刀具号码、刀具补偿、辅助动作及刀具运动轨迹，按照数控系统规定指令代码及程序格式，编写零件加工程序，并进行校核、检查上述两个步骤的错误。 制备控制介质:将程序单上的内容，经转换记录在控制介质上，作为数控系统的输入信息，若程序较简单，也可直接通过键盘输入。
程序的校验和试切：所制备的控制介质，必须经过进一步的校验和试切削，证明是正确无误，才能用于正
式加工。如有错误，应分析错误产生的原因，进行相应的修改。如图 三、数控加工的工艺分析和数控加工方法 1.数控加工的工艺分析
数控机床加工零件和工艺除按一般方式对零件进行分析外，还 必须注意以下几点： 选择合适的对刀点
对刀点：确定刀具与工件相对位置的点（起刀点）。对刀点 可以是工件或夹具上的点，或者与它们相关的易于测量的点。对刀点 确定之后，机床坐标系与工件坐标系的相对关系就确定了. 四、编程规则
1．绝对编程与增量编程 (1)绝对编程
绝对值编程是根据预先设定的编程原点计算出绝对值坐标尺寸进行编程的一种方法。即采用绝对值编程时，首先要指出编程原点的位置，并用地址X，Z进行编程(X为直径值)。 (2)增量值编程
增量值编程是根据与前一个位置的坐标值增量来表示位置的一种编程方法。即程序中的终点坐标是相对于起点坐标而言的。
采用增量编程时，用地址U，W代替X，Z进行编程。U，W的正负方向由行程方向确定，行程方向与机床坐标方向相同时为正；反之位负。 (3)混合编程
绝对值编程与增量值编程混合起来进行编程的方法叫混合编程。编程时也必须先设定编程原点。
2．直径编程与半径编程
当用直径值编程时，称为直径编程法。车床出厂时设定为直径编程，所以，在编制与X轴有关的各项尺寸时，一定要用直径值编程。用半径值编程时，称为半径编程法。如需用半径编程，则要改变系统中相关的参数。
第三节 数控编程常用的指令及其格式
3.1 程序的结构与构成 （1） 程序的结构
程序的组成：程序名：O2000 刀具T01 程序名是该加工程序的标识；程序段是一个完整的加工工步单元，它以N（程序段号）指令开头，LF指令结尾； M02作为整个程序结束的指令，有些数控系统可能还规定了一个特定的程序开头和结束的符号，如% 、EM等 例如下图：
（2）程序的构成
第二章：MSFT指令
2.1M指令——辅助功能指令
作用：用于控制CNC机床开关量，如主轴正反转、冷却液的开停、工件的夹紧松开等。 组成：M后带二位数字组成。
2.2.2恒线速度控制G96与恒转速控制
G97.
2.3切削进给（G98/G99、F指令）
2.4刀具功能（T指令）
3.2快速移动
G00 这个命令把刀具从当前位置移动到命令指定的位置 (在绝对坐标方式下)， 或者移动到某个距离处 (在增量坐标方式下)。
3.5暂停指令
G04
例如：在下图中，按图示尺寸编写粗车循环加工程序。
程序：
N10 G54 ； N20 S800 M03; N30 N40 N50 N60 N70
G90 G00 G42 D01 X160.0 Z180.0 M08; G96 S120;
G71 P60 Q120 U4.0 W2.0 D7.0 F0. 3 S600； G00 X40.0 S800 ； G01 W－40.0 F0.15；
N80 X60.0 W－30.0； N90 W－20.0；
N100 X100.0 W－10.0； N110 W－20.0；
N120 X140.0 W－20.0； N130 G70 P60 Q120；
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第一章数控车床编程的入门 第一节：数控机床概述
1.数控定义
数控机床（Numerical Control Machine Tools） 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它数控技术典型应用的例子。
数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。
计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ）以计算机为核心的数控系统。 2.产生背景
从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有： 自动机床；组合机床；专用自动生产线。
这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点：
初始投资大；准备周期长；柔性差 a数控技术产生和发展的内在动力：
市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。 b.数控技术产生和发展的技术基础：
电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。 3.发展沿革
1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。 1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。 从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。 第一代：1955年 NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。 第二代：1959年 NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。
第三代：1965年 NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”
第四代：1970年 NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。
第五代：1974年 NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。这一代又可分为六个发展阶段： 1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。 1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。 1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。
1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑。
自从20世纪中叶数控技术创立以来，它给 机械制造业带来了革命性的变化。
现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；
数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；
是国家的战略技术：基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；专家们预言: 二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。
第二节 ：数控编程的几何基础
1.1 机床坐标系
为了确定机床个运动部件的运动方向和移动距离，需要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就叫做机床坐标系
（1） 机床坐标轴及其方向
a数控机床的运动轴分为平动轴和转动轴
b数控机床各轴的运动，有的是使刀具产生运动，有的则是使工件产生运动。
c鉴于以上两方面情况，标准规定，不论机床的具体运动结果如何，机床的运动统一按工件静止而刀具相对于工件运动来描述，并以右手笛卡尔坐标系表达，其坐标轴用X，Y，Z表示，用来描述机床的主要平动轴，称为基本坐标轴，若机床有转动轴，标准规定绕X，Y和Z轴转动的轴分别用A、B、C表示，其正向
按右手螺旋定则确定。 （2） Z坐标轴
将机床主轴沿其轴线方向运动的平动轴定义为Z轴。
所谓主轴是指产生切削动力的轴，例如铣床、钻床、镗床上的刀具旋转轴和车床上的工件旋转轴。如果主轴能够摆动，即主轴轴线方向是变化的，则以主轴轴线垂直于机床工作台装卡面时的状态来定义Z轴。对于Z轴的方向，标准规定以增大刀具与工件间距离的方向为Z轴的正方向。 （3 ）X坐标轴
将在垂直于Z轴的平面内的一个主要平动轴指定为X轴，它一般位于与工件安装面相平行的水平面内。对于不同类型的机床，X轴及其方向有具体的规定。例如对于铣床、钻床等刀具旋转的机床，若Z轴是水平的，则X轴规定为从刀具向工件方向看时沿左右运动的轴，且向右为正若Z轴是垂直的，则X轴规定为从刀具向立柱 (若有两个立柱则选左侧立柱。方向看时沿左右运动的轴，且向右为正。
（4）Y坐标轴
+Z’
+Y
+X
+C
+Z
Y轴及其方向则是根据X和Z轴按右手法则确定入下图
（5）机床原点
机床原点是机床坐标系的原点。对某一具体的机床来说，机床原点是固定的，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置。 （6）
机床参考点
是用于对机床工作台、滑板以及刀具相对运动的测量系统进行定标和控制的点，也称为机床零点。
参考点相对于机床原点来讲是一个固定值。它是在加工之前和加工之后，用控制面板上的回零按钮使移动部件移动到机床坐标系中的一个固定不变的极限点。数控机床在工作时，移动部件必须首先返回参考点，测量系统置零，之后测量系统即可以以参考点作为基准，随时测量运动部件的位置。
（7）
工件坐标系和工件零点用于确定工件几何图形上各几何要素的位置而建立的坐标系。工件坐标系的
原点就是工件零点
a工件零点的一般选用原则：
工件零点选在工件图样的尺寸基准上，这样可以直接用图纸标注的尺寸作为编程点的坐标值，减少计算工作量；能使工件方便地装卡、测量和检验；工件零点尽量选择尺寸精度较高、粗糙度比较低地工件表面上，以提高加工精度和同一批零件的一致性；对于有对称形状地几何零件，工件零点最好选择对称中心上。 （8）程序原点
为了编程方便，在图纸上选择一个适当位置作为程序原点，也叫编程原点或程序零点。对于简单零件，工件零点就是程序零点，这时的编程坐标系就是工件坐标系。对于形状复杂的零件，需要编制几个程序或子程序，为了编程方便和减少许多坐标值的计算，编程零点就不一定设在工件零点上，而设在便于程序编制的位置。 1.2编程的概述 一.程序编制的基本概念
1.数控加工程序编制：从零件图纸到制成控制介质的全过程。
将零件的加工信息：加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数(F、S、T)及辅助动作（变速、换刀、冷却液启停、工件夹紧松开等）等，用规定的文字、数字、符号组成的代码按一定的格式编写加工程序单，并将程序单的信息变成控制介质的整个过程。
2.常用的程序编制方法有：手工编程和自动编程两种。
手动编程：整个编程过程由人工完成。对编程人员的要求高（不仅要熟悉数控代码和编程规则，而且还必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力）
自动编程：编程人员只要根据零件图纸的要求，按照某个自动编程系统的规定， 将零件的加工信息用较简便的方式送入计算机，由计算机自动进行程序的编制，编程系统能自动打印出程序单和制备控制介质。手工编程适用于：几何形状不太复杂的零件。 自动编程适用于：
形状复杂的零件，
虽不复杂但编程工作量很大的零件（如有数千个孔的零件）
虽不复杂但计算工作量大的零件（如轮廓加工时，非圆曲线的计算）
二、手工编程的内容和步骤
图纸工艺分析：这一步与普通机床加工零 件时的工艺分析相同，即在对图纸进行工艺分析的基础上，选定机床、刀具与夹具；确定零件加工的工艺线路、工步顺序及切削用量等工 艺参数等。
计算运动轨迹: 根据零件图纸上尺寸及工艺线路的要求，在选定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动轨迹的坐标值，并且按NC机床的规定编程单位（脉冲当量）换算为相应的数字量，以这些坐标值作为编程尺寸。
编制程序及初步校验:根据制定的加工路线、切削用量、刀具号码、刀具补偿、辅助动作及刀具运动轨迹，按照数控系统规定指令代码及程序格式，编写零件加工程序，并进行校核、检查上述两个步骤的错误。 制备控制介质:将程序单上的内容，经转换记录在控制介质上，作为数控系统的输入信息，若程序较简单，也可直接通过键盘输入。
程序的校验和试切：所制备的控制介质，必须经过进一步的校验和试切削，证明是正确无误，才能用于正
式加工。如有错误，应分析错误产生的原因，进行相应的修改。如图 三、数控加工的工艺分析和数控加工方法 1.数控加工的工艺分析
数控机床加工零件和工艺除按一般方式对零件进行分析外，还 必须注意以下几点： 选择合适的对刀点
对刀点：确定刀具与工件相对位置的点（起刀点）。对刀点 可以是工件或夹具上的点，或者与它们相关的易于测量的点。对刀点 确定之后，机床坐标系与工件坐标系的相对关系就确定了. 四、编程规则
1．绝对编程与增量编程 (1)绝对编程
绝对值编程是根据预先设定的编程原点计算出绝对值坐标尺寸进行编程的一种方法。即采用绝对值编程时，首先要指出编程原点的位置，并用地址X，Z进行编程(X为直径值)。 (2)增量值编程
增量值编程是根据与前一个位置的坐标值增量来表示位置的一种编程方法。即程序中的终点坐标是相对于起点坐标而言的。
采用增量编程时，用地址U，W代替X，Z进行编程。U，W的正负方向由行程方向确定，行程方向与机床坐标方向相同时为正；反之位负。 (3)混合编程
绝对值编程与增量值编程混合起来进行编程的方法叫混合编程。编程时也必须先设定编程原点。
2．直径编程与半径编程
当用直径值编程时，称为直径编程法。车床出厂时设定为直径编程，所以，在编制与X轴有关的各项尺寸时，一定要用直径值编程。用半径值编程时，称为半径编程法。如需用半径编程，则要改变系统中相关的参数。
第三节 数控编程常用的指令及其格式
3.1 程序的结构与构成 （1） 程序的结构
程序的组成：程序名：O2000 刀具T01 程序名是该加工程序的标识；程序段是一个完整的加工工步单元，它以N（程序段号）指令开头，LF指令结尾； M02作为整个程序结束的指令，有些数控系统可能还规定了一个特定的程序开头和结束的符号，如% 、EM等 例如下图：
（2）程序的构成
第二章：MSFT指令
2.1M指令——辅助功能指令
作用：用于控制CNC机床开关量，如主轴正反转、冷却液的开停、工件的夹紧松开等。 组成：M后带二位数字组成。
2.2.2恒线速度控制G96与恒转速控制
G97.
2.3切削进给（G98/G99、F指令）
2.4刀具功能（T指令）
3.2快速移动
G00 这个命令把刀具从当前位置移动到命令指定的位置 (在绝对坐标方式下)， 或者移动到某个距离处 (在增量坐标方式下)。
3.5暂停指令
G04
例如：在下图中，按图示尺寸编写粗车循环加工程序。
程序：
N10 G54 ； N20 S800 M03; N30 N40 N50 N60 N70
G90 G00 G42 D01 X160.0 Z180.0 M08; G96 S120;
G71 P60 Q120 U4.0 W2.0 D7.0 F0. 3 S600； G00 X40.0 S800 ； G01 W－40.0 F0.15；
N80 X60.0 W－30.0； N90 W－20.0；
N100 X100.0 W－10.0； N110 W－20.0；
N120 X140.0 W－20.0； N130 G70 P60 Q120；