1.1　數控編程方法

數控編程通常分為手工編程和計算機輔助編程兩類。根據零件加工表面的復雜程度、數值計算的難易程度、數控機床的數量及現有編程條件等因素，數控加工程序可通過手工編程或計算機輔助編程來獲得。對于點位加工或幾何形狀不太復雜的零件，數控編程計算較簡單、程序段不多，手工編程是可行的。但對形狀復雜的零件，特別是具有曲線、曲面（如葉片、復雜模具型腔）或幾何形狀并不復雜但程序量大的零件（如復雜孔系的箱體），以及數控機床擁有量較大而且產品不斷更新的企業，手工編程就很難勝任，需要采用計算機輔助編程。

1.1.1　手工編程的過程

手工編程的一般步驟如圖1-1所示。

（1）分析零件圖、確定加工工藝過程

在確定加工工藝過程時，編程人員要根據被加工零件圖樣對工件的形狀、尺寸、技術要求進行分析，選擇加工方案，確定加工順序、加工路線、裝夾方式、刀具及切削參數等，同時還要考慮所用數控機床的指令功能，充分發揮機床的效能，盡量縮短走刀路線，減少編程工作量。

（2）數值計算

根據零件圖的幾何尺寸確定工藝路線及設定工件坐標系，計算零件粗、精加工運動的軌跡，得到刀位數據（刀位點包括基點和節點）。

①基點的計算　一個零件的輪廓往往是由許多不同的幾何元素組成，如直線、圓弧等。各幾何元素間的連接點稱為基點，如兩直線間的交點、直線與圓弧或圓弧與圓弧之間的交點或切點。數控機床都具有直線插補功能和圓弧插補功能，無論是直線插補還是軟件插補，都需要知道線段的起點和終點。所以手工編程時，在完成零件工藝分析和確定加工路線以后，數值計算就成了程序編制中的一個重要環節 ，而其中的基點計算是數值計算中最繁瑣 、最復雜的計算。

刀位數據中的基點計算可通過手工計算和繪圖軟件的特性菜單欄查詢得到。刀位數據中的基點，使用繪圖軟件特性菜單欄查詢，一般精度高、速度快，在實際的編程中得到廣泛的使用。

例：圖1-2中的A、B、C、D是該零件輪廓上的基點。使用AUTOCAD確定基點坐標的步驟如下。

a.在AUTOCAD軟件中完成圖形的繪制。

b.使用UCS工具欄建立工件坐標系，在AUTOCAD軟件中建立的用戶坐標系的原點與工件坐標系的原點重合，如圖1-3所示。

c.使用特性菜單欄，查詢A、B、C、D點的坐標，如圖1-4所示。

②節點坐標的確定　在只有直線和圓弧插補功能的數控機床上加工零件時，有一些平面輪廓是非圓方程曲線，如漸開線、阿基米德螺線、雙曲線、拋物線等。還有一些平面輪廓是用一系列實驗或經驗數據點表示的，沒有表達輪廓形狀的曲線方程（稱為列表曲線）。這就使被加工的零件輪廓形狀與機床的插補功能出現不一致。對于這類零件的加工就只能采用逼近法。

當采用不具備非圓曲線插補功能的數控機床加工非圓曲線輪廓的零件時，在加工程序的編制時，常常需要用多個直線段或圓弧段去近似代替非圓曲線，這個過程稱為擬合（逼近）處理。擬合線段的交點或切點稱為節點。圖1-5中的G點為圓弧擬合非圓曲線的節點，圖1-6中的A、B、C、D點均為直線逼近非圓曲線時的節點。

③輔助計算

a.無刀具半徑補償功能的數值計算。在銑削加工中，是用刀具中心作為刀位點進行編程。但在平面輪廓加工中，零件的輪廓形狀總是由刀具切削刃部分直接參與切削形成的，因此有時編程軌跡和零件輪廓并不完全重合。對于具有刀具半徑補償功能的機床，只要在程序中加入有關的刀具補償指令，就會在加工中進行自動偏置補償。但對于沒有刀具半徑補償功能的機床，只能在編程時做有關的補償計算。

b.按進給路線進行一些輔助計算。在平面輪廓加工中，常要求切向切入和切向切出。例如銑削圖1-7所示內圓弧時，最好安排從圓弧過渡到圓弧加工路線，以便提高內孔表面的加工精度，這時，過渡圓弧的坐標值也要進行計算。

（3）編制零件加工程序。

加工路線、工藝參數及刀位數據確定以后，編程人員根據數控系統規定的功能指令代碼及程序段格式，逐段編寫加工程序。

（4）輸入加工程序

把編制好的加工程序通過控制面板輸入到數控系統，或通過程序的傳輸（或閱讀）裝置送入數控系統。

（5）程序校驗與首件試切

輸入到數控系統的加工程序必須經過校驗和試切才能正式使用。校驗的方法是直接讓數控機床空運轉，以檢查機床的運動軌跡是否正確。在有CRT圖形顯示的數控機床上，用模擬刀具與工件切削過程的方法進行檢驗更為方便，但這些方法只能檢驗運動是否正確，不能檢驗被加工零件的加工精度。因此，要進行零件的首件試切。當發現有加工誤差時，分析誤差產生的原因，找出問題所在，加以修正。最后利用檢驗無誤的數控程序進行加工。

1.1.2　計算機輔助編程

計算機輔助編程又分為數控語言自動編程（Automatically Programmed Tools，APT）、交互圖形編程和CAD/CAM集成系統編程等多種，目前制造類企業主要采用CAD/CAM系統自動編程。自動編程是用計算機把人工輸入的零件圖紙信息改寫成數控機床能執行的數控加工程序，即數控編程的大部分工作由計算機來完成。

（1）CAD/CAM系統自動編程原理和功能

20世紀80年代以后，隨著CAD/CAM技術的成熟和計算機圖形處理能力的提高，出現了CAD/CAM自動編程軟件，可以直接利用CAD模塊生成的幾何圖形，采用人機交互的實時對話方式，在計算機屏幕上指定零件被加工部位，并輸入相應的加工參數，計算機便可自動進行必要的數據處理，編制出數控加工程序，同時在屏幕上動態地顯示出刀具的加工軌跡。從而有效地解決了零件幾何建模及顯示、交互編輯以及刀具軌跡生成和驗證等問題，推動了CAD和CAM向集成化方向發展。

目前比較優秀的CAD/CAM功能集成型支撐軟件，如UG、Pro/E、CATIA等，均提供較強的數控編程能力。這些軟件不僅可以通過交互編輯方式進行復雜三維型面的加工編程，還具有較強的后置處理環境。此外還有一些以數控編程為主要應用的CAD/CAM支撐軟件，如美國的Master CAM、SurfCAM以及英國的Del CAM等。

CAD/CAM軟件系統中的CAM部分有不同的功能模塊可供選用，如：二維平面加工、3軸至5軸聯動的曲面加工、車削加工、電火花加工（EDM）、鈑金加工及線切割加工等。用戶可根據實際應用需要選用相應的功能模塊。這類軟件一般均具有刀具工藝參數設定、刀具軌跡自動生成與編輯、刀位驗證、后置處理、動態仿真等基本功能。

（2）CAD/CAM系統編程的基本步驟

不同CAD/CAM系統的功能、用戶界面有所不同，編程操作也不盡相同。但從總體上講，其編程的基本原理及基本步驟大體是一致的，如圖1-8所示。

①幾何造型。利用CAD/CAM系統的幾何建模功能，將零件被加工部位的幾何圖形準確地繪制在計算機屏幕上。同時在計算機內自動形成零件圖形的數據文件。也可借助于三坐標測量儀CMM或激光掃描儀等工具測量被加工零件的形體表面，通過反求工程將測量的數據處理后送到CAD系統進行建模。

②加工工藝分析。這是數控編程的基礎。通過分析零件的加工部位，確定裝夾位置、工件坐標系、刀具類型及其幾何參數、加工路線及切削工藝參數等。目前該項工作主要仍由編程員采用人機交互方式輸入。

③刀具軌跡生成。刀具軌跡的生成是基于屏幕圖形以人機交互方式進行的。用戶根據屏幕提示通過光標選擇相應的圖形目標，確定待加工的零件表面及限制邊界，輸入切削加工的對刀點，選擇切入方式和走刀方式。然后軟件系統將自動地從圖形文件中提取所需的幾何信息，進行分析判斷，計算節點數據，自動生成走刀路線，并將其轉換為刀具位置數據，存入指定的刀位文件。

④刀位驗證及刀具軌跡的編輯。對所生成的刀位文件進行加工過程仿真，檢查驗證走刀路線是否正確合理，是否有碰撞干涉或過切現象，根據需要可對已生成的刀具軌跡進行編輯修改、優化處理，以得到用戶滿意的、正確的走刀軌跡。

⑤后置處理。后置處理的目的是形成具體機床的數控加工文件。由于各機床所使用的數控系統不同，其數控代碼及其格式也不盡相同。為此必須通過后置處理，將刀位文件轉換成具體數控機床所需的數控加工程序。

⑥數控程序的輸出。由于自動編程軟件在編程過程中可在計算機內部自動生成刀位軌跡文件和數控指令文件，所以生成的數控加工程序可以通過計算機的各種外部設備輸出。若數控機床附有標準的DNC接口，可由計算機將加工程序直接輸送給機床控制系統。

（3）CAD/CAM軟件系統編程特點

CAD/CAM系統自動數控編程是一種先進的編程方法，具有以下的特點。

①將被加工零件的幾何建模、刀位計算、圖形顯示和后置處理等過程集成在一起，有效地解決了編程的數據來源、圖形顯示、走刀模擬和交互編輯等問題，編程速度快、精度高，彌補了數控語言編程的不足。

②編程過程是在計算機上直接面向零件幾何圖形交互進行，不需要用戶編制零件加工源程序，用戶界面友好，使用簡便、直觀，便于檢查。

③有利于實現系統的集成，不僅能夠實現產品設計與數控加工編程的集成，還便于工藝過程設計、刀夾量具設計等過程的集成。