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第1章 数控编程及加工工艺基础
数控（Numerical Control，NC）定义是：用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制一个方法。数控加工是计算机辅助设计和制造技术中最能显著发挥效益生产步骤之一。它不仅大大提升了含有复杂型面产品制造能力和制造效率，而且确保产品能达成极高加工精度和加工质量。
数控加工技术集传统机械制造、计算机、现代控制、传感检测、信息处理、光机电技术于一体，是现代机械制造技术基础。它广泛应用，给机械制造业生产方法及产品结构带来了深刻改变。数控技术水平和普及程度，已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平关键标志。
本章将关键介绍CAM数控编程实现过程、数控加工基础原理、数控机床和数控程序等数控编程及加工工艺基础知识，以帮助读者快速掌握CATIA V5数控加工所必需首先掌握基础知识。
1.1 数控编程基础过程
数控编程关键任务是计算加工走刀中刀位点（Cutter Location，CL点）。CATIA提供了多个加工类型用于多种复杂零件粗精加工，用户能够依据零件结构、加工表面形状和加工精度要求选择适宜加工类型。对于不一样加工类型，CATIA V5数控编程过程全部需经过获取零件模型、加工工艺分析及计划、完善零件模型、设置加工参数、生成数控刀路、检验数控刀路和生成数控程序七个步骤。其步骤图1-1所表示。
（1）建立或获取零件模型。零件CAD模型是数控编程前提和基础，CATIA数控程序编制必需有CAD模型作为加工对象。CATIA是含有强大CAD系统，用户能够经过模块之间切换，在零件设计、曲面造型等模块中建立所需零件CAD模型，完成后再切换到对应数控加工模块中。CATIA也含有健壮数据转换接口，用户能够首先将其它CAD系统所建立零件模型转换为公共数据转换格式，如iges、step等，再导入CATIA中并得到零件模型。获取零件模型具体方法将在第2章中具体介绍。
（2）加工工艺分析及计划。加工工艺分析和计划在很大程度上决定了数控程序质量，关键是确定加工区域、加工性质、走刀方法、使用刀具、主轴转速和切削进给等项目。加工工艺分析和计划关键包含以下内容。
q 加工对象确实定：经过对模型分析，确定工件哪些部位需要在数控铣床上或数控加工中心加工。数控铣加工工艺适应性也是有一定限制，对于尖角、细小筋条等部位是不适合加工，应使用线切割或电加工来加工；而一些加工内容可能使用一般机床有愈加好经济性，如孔加工能够使用钻床、回转体加工能够用车床来加工。

图 1-1
q 加工区域计划：即对加工对象进行分析，按其形状特征、功效特征及精度、粗糙度要求将加工对象分成若干个加工区域。对加工区域进行合理计划，能够达成提升加工效率和加工质量目标。
q 加工工艺路线计划：从粗加工到精加工，再到清根加工加工步骤计划，和加工余量分配。
q 加工工艺和加工方法确定：如刀具选择、加工工艺参数和切削方法选择等。
（3）完善零件模型。因为CAD造型人员更多地考虑零件设计方便性和完整性，较少顾及零件模型对CAM加工影响，所以要依据加工对象确实定及加工区域划分对模型做部分完善。零件模型完善通常有以下部分内容。
q 确定坐标系。坐标系是加工基准，将坐标系定位在适合机床操作人员确定位置，同时保持坐标系统一。
q 清理隐藏对加工不产生影响元素。
q 修补部分曲面。对于因有不加工部位存在而造成曲面空缺部位，应该补充完整。如钻孔曲面，在狭小凹槽部位等，应该将这些曲面重新做完整，这么取得刀具路径规范而且安全。
q 增加安全曲面。
q 对轮廓曲线进行修整。对于经过公共数据转换格式得到零件CAD模型，看似光滑曲线可能存在断点，看似一体曲面在连接处可能不相交，这么能够经过修整或创建轮廓线结构出最好加工边界曲线。
q 构建刀路限制边界。需要使用边界来限制加工范围加工区域，先构建出边界 曲线。
（4）设置加工参数。参数设置可视为对工艺分析和计划具体实施，它组成了利用CATIA进行数控编程关键操作内容，直接影响生成数控程序质量。参数设置内容关键有以下多个方面。
q 设置加工对象：用户经过交互手段选择被加工几何体或其中加工分区、毛坯和避让区域等。
q 设置切削方法：指定刀轨类型及相关参数。
q 设置刀具及机械参数：针对每一个加工工序选择适合加工刀具并在CATIA中设置对应机械参数，包含主轴转速、切削进给、切削液控制等。
q 设置加工程序参数：包含对进退刀位置及方法、切削用量、行间距、加工余量、安全高度等设置。这是参数设置中最关键内容之一。
（5）生成数控刀路。在完成参数设置后，CATIA将自动进行刀轨计算。
（6）检验数控刀路。为确保数控程序安全性，必需对生成刀轨进行检验校验，检验刀路是否有显著过切或加工不到位，同时检验是否发生和工件及夹具干涉。对检验中发觉问题，应该调整参数设置，再重新进行计算、校验，直到正确无误。
（7）生成数控程序。前面生成只是数控刀轨，还需要将刀轨以要求标准格式转换为数控代码并输出保留。数控程序文件能够用记事本进行打开。在生成数控程序后，还需要检验这个程序文件，尤其对程序及程序尾部分语句进行检验，如有必需能够修改。数控程序文件能够经过传输软件传输到数控机床控制器上，由控制器按程序语句驱动机床加工。
1.2 数 控 加 工
1.2.1 CAM系统简述
一个经典CAM系统由两个部分组成：一是计算机辅助编程系统，二是数控加工设备。
计算机辅助编程系统任务是依据工件几何信息计算出数控加工轨迹，并编制出数控程序。它由计算机硬件设备和计算机辅助数控编程软件组成。
计算机硬件设备关键有工作站和微机两种。通常而言，工作站图形性能要优于微机，但伴随微机性能飞速提升，它和工作站性能差异也越来越小。而且因为微机价格要远低于工作站，所以其在CAD/CAM系统中应用越来越广泛，其普及率也远高于工作站。
计算机辅助数控编程软件即是通常所说CAM软件，它是计算机辅助编程系统关键。它关键功效包含数据输入输出、加工轨迹计算和编辑、工艺参数设置、加工仿真、数控程序后处理和数据管理等。现在常见CAM软件种类较多，其基础功效大同小异，并在此基础上发展出各自特色。
数控加工设备任务是接收数控程序，并根据程序完成多种加工动作。数控加工技术能够应用在几乎全部加工类型中，如车、铣、刨、镗、磨、钻、拉、切断、插齿、电加工、板材成型和管料成型等。
数控铣床、数控车床、数控线切割机是模具行业中最常见数控加工设备，其中以数控铣床应用最为广泛。
1.2.2 加工原理
机床上刀具和工件间相对运动，称为表面成形运动，简称成形运动或切削运动。数控加工是指数控机床根据数控程序所确定轨迹（称为数控刀轨）进行表面成形运动，从而加工出产品表面形状。图1-2和图1-3分别是一个平面轮廓加工和一个曲面加工切削示意图。

图 1-2 图 1-3
数控刀轨是由一系列简单线段连接而成折线，折线上结点称为刀位点。刀具中心点沿着刀轨依次经过每一个刀位点，从而切削出工件形状。
刀具从一个刀位点移动到下一个刀位点运动称为数控机床插补运动。因为数控机床通常只能以直线或圆弧这两种简单运动形式完成插补运动，所以数控刀轨只能是由很多直线段和圆弧段将刀位点连接而成折线。
数控编程任务是计算出数控刀轨，并以程序形式输出到数控机床，其关键内容就是计算出数控刀轨上刀位点。
在数控加工误差中，和数控编程直接相关有两个关键部分：
（1）刀轨插补误差。因为数控刀轨只能由直线和圆弧组成，所以只能近似地拟合理想加工轨迹，图1-4所表示。
（2）残余高度。在曲面加工中，相邻两条数控刀轨之间会留下未切削区域，图1-5所表示，由此造成加工误差称为残余高度，它关键影响加工表面粗糙度。

图 1-4 图 1-5
刀具表面成形运动通常分为主运动和进给运动。主运动指机床主轴转动，其运动质量关键影响产品表面光洁度。进给运动是主轴相对工件平动，其传动质量直接关系到机床加工性能。
进给运动速度和主轴转速是刀具切削运动两个关键参数，对加工质量、加工效率相关键影响。
1.2.3 刀位计算
如前所述，数控编程关键内容是计算数控刀轨上刀位点。下面简单介绍数控加工刀位点计算原理。
数控加工刀位点计算过程可分为3个阶段。
（1）加工表面偏置。图1-6所表示，刀位点是刀具中心点移动位置，它和加工表面存在一定偏置关系。这种偏置关系取决于刀具形状和大小。比如，当刀具为半径R球头刀时，刀轨（刀具中心移动轨迹）应该在距离加工表面为R偏置面上，图1-7所表示。由此可见，刀位点计算前提是首先依据刀具类型和尺寸计算出加工表面偏置面。

图 1-6 图 1-7
（2）刀轨形式确实定。把刀位点在偏置面上分布形式称为刀轨形式。图1-8和图1-9所表示是两种最常见刀轨形式。其中图1-8所表示为行切刀轨，即全部刀位点全部分布在一组和刀轴（z轴）平行平面内。图1-9所表示为等高线刀轨（又称环切刀轨），即全部刀位点全部分布在和刀轴（z轴）垂直一组平行平面内。

图 1-8 图 1-9
显然，对于这两种刀轨来说，其刀位点分布在加工表面偏置面和一组平行平面交线上，这组交线称为理想刀轨，平行平面间距称为刀轨行距。也就是说，刀轨形式一旦确定下来，就能够在加工表面偏置面上以一定行距计算出理想刀轨。
（3）刀位点计算。假如刀具中心能够完全根据理想刀轨运动话，其加工精度无疑将是最理想。然而，因为数控机床通常只能完成直线和圆弧线插补运动，所以只能在理想刀轨上以一定间距计算出刀位点，在刀位点之间做直线或圆弧运动，图1-4所表示。刀位点间距称为刀轨步长，其大小取决于编程许可误差。编程许可误差越大，则刀位点间距越大；反之越小。
以上所描述仅仅是刀位点计算基础思绪，而CAM软件中实际采取计算方法要复杂得多，而且伴随软件不一样会有很多具体改变。
然而不管在哪种CAM软件中，刀位点计算有多么复杂多样，其技术关键全部只有一点，即以一定形式和密度在被加工面偏置面上计算出刀位点。刀位点密度不仅指刀轨行距，还指刀轨步长，它们是影响数控编程精度关键原因。
1.3 数 控 机 床
1.3.1 数控机床特点
伴随科学技术和市场经济不停发展，对机械产品质量、生产率和新产品开发周期提出了越来越高要求。即使很多生产企业（如汽车、家用电器等制造厂）已经采取了自动机床和专用自动生产线，能够提升生产效率、提升产品质量、降低生产成本，不过因为市场竞争日趋猛烈，这就要求企业必需不停开发新产品。在频繁开发新产品生产过程中，使用“刚性”（不可变）自动化设备，因为其工艺过程改变极其复杂，所以刚性自动化设备缺点暴露无遗。另外，在机械制造业中，并不是全部产品零件全部含有很大批量。据统计，单件小批量生产约占加工总量75%～80%。对于单件、小批，复杂零件加工，若用“刚性”自动化设备加工，则生产成本高、生产周期长，而且加工精度也极难符合要求。为了处理上述问题，并满足新产品开发和多品种、小批量生产自动化，中国外已研制生产了一个灵活、通用、万能、能适应产品频繁改变数控机床。美国麻省理工学院在20世纪50年代成功地研制出第一台数控铣床。1970年首次展出了第一台用计算机控制数控机床（CNC）。图1-10左图所表示就是CNC数控铣床，右图所表示是数控加工中心。

图 1-10
下面介绍数控机床关键特点。
1．高柔性
数控铣床最大特点是高柔性，即可变性。所谓“柔性”即是灵活、通用、万能，能够适应加工不一样形状工件自动化机床。
数控铣床通常全部能完成钻孔、镗孔、铰孔、铣平面、铣斜面、铣槽、铣曲面（凸轮）和攻螺纹等加工，而且通常情况下，能够在一次装夹中完成所需加工工序。
图1-11所表示齿轮箱，齿轮箱上通常有两个含有较高位置精度要求孔，孔周有安装端盖螺孔，根据老传统加工方法步骤以下：

图 1-11
（1）划线 划底面线A，划φ47JS7、φ52JS7及90±0.03中心线。
（2）刨（或铣）底面A。
（3）平磨（或括削）底面A。
（4）镗加工（用镗模） 铣端面，镗φ52JS7、φ47JS7，保持中心距90±0.03。
（5）划线（或用钻模） 划8-M6孔线。
（6）钻孔攻丝 钻攻8-M6孔。
以上工件最少需要6道工序才能完成。假如用数控铣床加工，只需把工件基准面A加工好，可在一次装夹中完成铣端面、镗φ52JS7、φ47JS7及钻攻8-M6孔，也就是将工序（4）、（5）和工序（6）合并为1道工序加工。
更关键是，假如开发新产品或更改设计需要将齿轮箱上2个孔改为3个孔，8-M6螺孔改为12-M6孔，采取传统加工方法必需重新设计制造镗模和钻模，则生产周期长。假如采取数控铣床加工，只需将工件程序指令改变一下（通常只需0.5h～1h），即可依据新图样进行加工。这就是数控机床高柔性带来特殊优点。
2．高精度
现在数控装置脉冲当量（即每轮出一个脉冲后滑板移动量）通常为0.001mm，高精度数控系统可达0.0001mm。所以通常情况下，绝对能确保工件加工精度。另外，数控加工还可避免工人操作所引发误差，一批加工零件尺寸统一性尤其好，产品质量能得到确保。
3．高效率
数控机床高效率关键是由数控机床高柔性带来。如数控铣床，通常不需要使用专用夹具和工艺装备。在更换工件时，只需调用储存于计算机中加工程序、装夹工件和调整刀具数据即可，可大大缩短生产周期。更关键是数控铣床万能形带来高效率，如通常数控铣床全部含有铣床、镗床和钻床功效，工序高度集中，提升了劳动生产率并降低了工件装夹误差。
另外，数控铣床主轴转速和进给量全部是无级变速，所以有利于选择最好切削用量。数控铣床全部有快进、快退、快速定位功效，可大大降低机动时间。
据统计，采取数控铣床比一般铣床可提升生产率3～5倍。对于复杂成形面加工，生产率可提升十几倍甚至几十倍。
4．大大减轻了操作者劳动强度
数控铣床对零件加工是按事先编好程序自动完成。操作者除了操作键盘、装卸工件和中间测量及观察机床运行外，不需要进行繁重反复性手工操作，可大大减轻劳动 强度。
1.3.2 数控机床分类
数控机床分类有多个方法。
（1）按机床数控运动轨迹划分
q 点位控制数控机床：指在刀具运动时，只控制刀具相对于工件位移正确性，不考虑两点间路径，如数控钻床。
q 点位直线控制数控机床：在点位控制基础上，还要确保运动一条直线，且刀具在运动过程中还要进行切削加工。
q 轮廓控制数控机床：能对两个或更多坐标运动进行控制（多坐标联动），刀具运动轨迹可为空间曲线。在模具行业中这类机床应用最多，如三坐标以上数控铣或加工中心。
（2）按伺服系统控制方法划分
q 开环控制机床：价格低廉，精度及稳定性差。
q 半闭环控制数控机床：精度及稳定性较高，价格适中，应用最普及。
q 闭环控制数控机床：精度高，稳定性难以控制，价格高。
（3）按联动坐标轴数划分
q 两轴联动数控机床。
X、Y、Z三轴中任意两轴作插补联动，第三轴作单独周期进刀，常称2.5轴联动。图1-12所表示，将X向分成若干段，圆头铣刀沿YZ面所截曲线进行铣削，每一段加工完后进给ΔX，再加工另一相邻曲线，如此依次切削即可加工出整个曲面，故称为行切法。依据表面光洁度及刀头不干涉相邻表面标准选择ΔX。行切法加工所用刀具通常是球刀铣头（即指状铣刀）。用这种刀具加工曲面，不易干涉相邻表面，计算比较简单。球状铣刀刀头半径应选得大部分，有利于提升加工光洁度、增加刀具刚度、散热等。但刀头半径应小于曲面最小曲率半径。
用球头铣刀加工曲面时，总是用刀心轨迹数据进行编程。图1-13所表示为二轴联动三坐标行切法加工刀心轨迹和切削点轨迹示意图。ABCD为被加工曲面，P平面为平行于YZ做表面一个平行面，其刀心轨迹O1O2为曲面ABCD等距面IJKL和行切面Pyz交线，显然，O1O2是一条平面曲线。在这种情况下，曲面曲率改变时会造成球头刀和曲面切削点位置亦随之改变，而切削点连线ab是一条空间曲线，从而在曲面上形成扭曲残留沟纹。因为2.5轴坐标加工刀心轨迹为平面曲线，故编程计算较为简单，数控逻辑装置也不复杂，常见于曲率改变不大和精度要求不高粗加工。
q 三轴联动数控机床。
X、Y、Z三轴可同时插补联动。用三坐标联动加工曲面时，通常亦用行切方法。如 图1-14所表示，三轴联动数控刀轨能够是平面曲线或空间曲线。三坐标联动加工常见于复杂曲面正确加工（如精密锻模）。但编程计算较为复杂，所用数控装置还必需含有三轴联动功效。
q 四轴联动数控机床。
除了X、Y、Z三轴平动之外，还有工作台或刀具转动。图1-15所表示，侧面为直纹扭曲面。若在三坐标联动机床上用圆头铣刀按行切法加工时，不仅生产率低，而且光洁度差。为此，采取圆柱铣刀周围切削，并用四坐标铣床加工，即除三个直角坐标运动外，为确保刀具和工件型面在全长一直贴合，刀具还应绕O1（或O2）作摆角联动。因为摆角运动，造成直角坐标系（图中Y）需作附加运动，其编程计算较为复杂。

图 1-12 图 1-13

图 1-14 图 1-15
q 五轴联动数控机床。
除了X、Y、Z三轴平动外还有刀具旋转、工作台旋转。螺旋桨是五坐标加工经典零件之一，其叶片形状及加工原理图1-16所表示。在半径为Ri圆柱面上和叶面交线AB为螺旋线一部分，螺旋角为φi，叶片径向叶型线（轴向剖面）EF倾角α为后倾角。螺旋线AB用极坐标加工方法并以折线段迫近。迫近线段mn是由C坐标旋转Δθ和Z坐标位移ΔZ合成。当AB加工完后，刀具径向位移ΔX（改变Ri），再加工相邻另一条叶型线，依次逐一加工，即可形成整个叶面。因为叶面曲率半径较大，所以常见端面铣刀加工，以提升生产率并简化程序。所以，为确保铣刀端面一直和曲面贴合，铣刀还应作坐标A和坐标B形成θt和αt摆角运动，在摆角同时，还应作直角坐标附加运动，以确保铣刀端面中心一直处于编程值位置上，所以需要Z、C、X、A、B五坐标加工。这种加工编程计算相当复杂。

图 1-16
q 加工中心。
它是在数控铣床上配置刀库，其中存放着不一样数量多种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选择和更换，从而将铣削、镗削、钻削、攻螺纹等功效集中在一台设备上完成，使其含有多个工艺手段。
1.3.3 数控机床坐标系
机床坐标系是机床上固有坐标系，是机床加工运动基础坐标系。它是考察刀具在机床上实际运动位置基准坐标系。
对于具体机床来说，有是刀具移动工作台（工件）不动，有则是刀具不动而工作台（工件）移动。然而不管是刀具移动还是工件移动，机床坐标系永远假定刀具相对于静止工件而运动。同时，运动正方向是增大工件和刀具之间距离方向。
机床坐标系通常采取图1-17所表示右手直角笛卡儿坐标系。通常情况下主轴方向为Z坐标，而工作台两个运动方向分别为X、Y坐标。
图1-18所表示是经典单立柱立式数控铣床加工运动坐标系示意图。刀具沿和地面垂直方向上下运动，工作台带动工件在和刀具垂直平面（即和地面平行平面）内运动。机床坐标系Z坐标是刀具运动方向，而且刀具向上运动为正方向。当面对机床进行操作时，刀具相对工件左右运动方向为X坐标，而且刀具相对工件向右运动（即工作台带动工件向左运动）时为X坐标正方向。Y坐标方向可用右手法则确定。若以X'、Y'、Z'表示工作台相对于刀具运动坐标，而以X、Y、Z表示刀具相对于工件运动坐标，则显然有x'=-x、y'= -y、z'=z。
对于龙门式机床，当从主轴向左侧立柱看时，刀具相对工件向右运动方向为X坐标正方向。
机床坐标系原点也称机床原点或零点，其位置在机床上是固定不变。
相关数控机床坐标和运动方向命名具体内容，可参阅JB3052-82部颁标准。
为了方便起见，在数控编程时往往采取工件上局部坐标系（称为工件坐标系），即以工件上某一点（工件原点）为坐标系原点进行编程。数控编程采取坐标系称为编程坐标系，数控程序中加工刀位点坐标均以编程坐标系为参考进行计算。

图 1-17 图 1-18
在加工时，工件安装在机床上，这时只要测量工件原点相对机床原点位置坐标（称为原点偏置），并将该坐标值输入到数控系统中，数控系统则会自动将原点偏置加入到刀位点坐标中，使刀位点在编程坐标系下坐标值转化为机床坐标系下坐标值，从而使刀具运动到正确位置。
测量原点偏置实际上就是我们在数控机床操作中通常所说“对刀”操作。
1.4 数 控 程 序
数控编程技术经历了三个发展阶段，即手工编程、APT语言编程和交互式图形编程。因为手工编程难以负担复杂曲面编程工作，所以自第一台数控机床问世很快，美国麻省理工学院即开始研究自动编程语言系统，称为APT（Automatically Programmed Tools）语言。经过不停发展，APT编程能够负担复杂自由曲面加工编程工作。
然而，因为APT语言是开发得比较早计算机数控编程语言，而当初计算机图形处理能力不强，所以必需在APT源程序中用语言形式去描述原来十分直观几何图形信息及加工过程，再由计算机处理生成加工程序，致使其直观性差，编程过程比较复杂不易掌握。现在已逐步为交互式图形编程系统所替换。
图形交互自动编程是一个计算机辅助编程技术。它是经过专用计算机软件来实现。这种软件通常以机械计算机辅助设计（CAD）软件为基础，利用CAD软件图形编辑功效将零件几何图形绘制到计算机上，形成零件图形文件，然后调用数控编程模块，采取人机交互方法在计算机屏幕上指定被加工部位，再输入对应加工参数，计算机便可自动进行必需数学处理并编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具加工轨迹。其含有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检验和修改等优点，已成为现在中国外优异CAD/CAM软件所普遍采取数控编程方法，也是本书讲授关键内容。
尽管交互式图形编程已成为数控编程关键手段，但作为一名数控编程工程师，仍然有必需掌握一定手工编程知识。这是因为：
（1）手工编程是自动编程基础，自动编程中很多关键经验全部是起源于手工编程。掌握手工编程对深刻了解自动编程相关键作用。
（2）掌握手工编程有利于提升程序可靠性。尽管现有CAD/CAM软件全部含有对数控程序进行仿真功效，但部分有经验程序员往往还是会对编制好程序进行一次人工检验，以确定其正确性。
（3）在一些特殊情况下无法实现自动编程，需要采取手工方法进行。
1.4.1 数控程序结构
数控程序是由为使机床运转而给和数控装置一系列指令有序集合所组成。靠这些指令使刀具按直线或圆弧及其它曲线运动，控制主轴回转、停止、切削液开关、自动换刀装置和工作台自动交换装置动作等。
程序是由程序段（Block）所组成，每个程序段是由字（word）和“；”所组成。而字是由地址符和数值所组成，如：X（地址符）100.0（数值）Y（地址符）50.0（数值）。程序由程序号、程序段号、准备功效、尺寸字、进给速度、主轴功效、刀具功效、辅助功效、刀补功效等组成。
图1-19所表示是一个数控程序结构示意图。

图 1-19
通常情况下，一个基础数控程序由以下多个部分组成：
（1）程序起始符。通常为“%”、“$”等，不一样数控机床起始符可能不一样，应依据具体数控机床说明使用。程序起始符单列一行。
（2）程序名。单列一行，有两种形式，一个是以要求英文字母（通常为O）为首，后面接若干位数字（通常为2位或4位），如O0600，也可称为程序号。另一个是以英文字母、数字和符号“－”混合组成，比较灵活。程序名具体采取何种形式由数控系统决定。
（3）程序主体。由多个程序段组成，程序段是数控程序中一句，单列一行，用于指挥机床完成某一个动作。每个程序段又由若干个程序字（word）组成，每个程序字表示一个功效指令，所以又成为功效字，它由字首及随即若干个数字组成（如X100）。字首是一个英文字母，称为字地址，它决定了字功效类别。通常字长度和次序不固定。在程序末尾通常有程序结束指令，如M30，用于停止主轴、冷却液和进给，并使控制系统 复位。
（4）程序结束符。程序结束标识符，通常和程序起始符相同。
1.4.2 数控指令
数控程序指令由一系列程序字组成，而程序字通常由地址（address）和数值（number）两部分组成，地址通常是某个大写字母。数控程序中地址代码意义如表1-1 所表示。
表 1-1
功 能
地 址
意 义
程序号
：(ISO)，O (EIA)
程序序号
次序号
N
次序号
准备功效
G
动作模式（直线、圆弧等）
尺寸字
X、Y、Z
坐标移动指令
A、B、C、U、V、W
附加轴移动指令
R
圆弧半径
I、J、K
圆弧中心坐标
进给功效
F
进给速率
主轴旋转功效
S
主轴转速
刀具功效
T
刀具号、刀具赔偿号
辅助功效
M
辅助装置接通和断开
赔偿号
H、D
赔偿序号
暂停
P、X
暂停时间
子程序号指定
P
子程序序号
子程序反复次数
L
反复次数
参数
P、Q、R
固定循环
数控程序中每一个指令全部有一定固定格式，使用不一样数控机床指令格式也不一样，所以需要根据该数控机床指令格式来编写数控指令。通常数控机床能够选择公制单位毫米（mm）或英制单位英寸（inch）为数值单位。公制能够正确到0.001mm，英制能够正确到0.0001in，这也是通常数控机床最小移动量。表1-2列出了通常数控机床所能输入指令数值范围，而数控机床实际使用范围受到机床本身限制，所以需要参考数控机床操作手册而定。比如表中X轴能够移动±99999.999mm，但实际上数控机床X轴行程可能只有650mm，进给速率F最大可输入100000.0mm/min，但实际上数控机床可能限制在3000mm/min以下。所以在编制数控程序时，一定要参考数控机床使用说明书。
表 1-2
功 能
地 址
公制单位
英制单位
程序号
：(ISO) O (EIA)
1～9999
1～9999
次序号
N
1～9999
1～9999
准备功效
G
0～99
0～99
尺寸
X、Y、Z、Q、R、 I、J、K
±99999.999mm
±9999.9999inch
A、B、C
±99999.999deg
±9999.9999deg
进给功效
F
1～100000.0mm/min
0.01～400.0inch/min
主轴转速功效
S
0～9999
0～9999
刀具功效
T
0～99
0～99
辅助功效
M
0～99
0～99
暂停
X、P
0～99999.999sec
0～99999.999sec
子程序号
P
1～9999
1～9999
反复次数
L
1～9999
1～9999
赔偿号
D、H
0～32
0～32
下面简明介绍多种数控指令使用方法。
1．次序号字
次序号字也称程序段号。在程序段之首，以字母N开头，其后为一个2～4位数字。需要注意是，数控程序是按程序段排列次序实施，和次序段号大小次序无关，即程序段号实际上只是程序段名称，而不是程序段实施前后次序。
2．准备功效字
以字母G开头，后接一个两位数字，所以又称为G指令。它是控制机床运动关键功效类别。常见G指令有以下多个。
（1）G00：快速点定位，即刀具快速移动到指定坐标，用于刀具在非切削状态下快速移动，其移动速度取决于机床本身技术参数。如刀具快速移动到点（100，100，100）指令格式为：
G00 X100.0 Y100.0 Z100.0
（2）G01：直线插补，即刀具以指定速度直线运动到指定坐标位置，是进行切削运动两种关键方法之一。如刀具以250mm/min速度直线插补运动到点（100，100，100）指令格式为：
G01 X100.0 Y100.0 Z100.0 F250
（3）G02、G03：顺时针和逆时针圆弧插补，即刀具以指定速度以圆弧运动到指定位置。G02/G03有两种表示格式，一个为半径格式，使用参数值R，如G02 X100 Y100 Z100 R50 F250表示刀具以250mm/min速度沿半径50顺时针圆弧运动至终点（100，100，100）。其中R值正负影响切削圆弧角度，R值为正时，刀位起点到刀位终点角度小于或等于180°；R值为负值时，刀位起点到刀位终点角度大于或等于180°。另一个为向量格式，使用参数I、J、K给出圆心坐标，并以相对于起始点坐标增量表示。比如G02 X100 Y100 Z100 I50 J50 K50 F250表示刀具以250mm/min速度沿一顺时针圆弧运动至点（100，100，100），该圆弧圆心相对于起点坐标增量为（50，50，50）。
（4）G90、G91：绝对指令/增量指令。其中G90指定NC程序中刀位坐标是以工作坐标系原点为基准来计算和表示。而G91则指定NC程序中每一个刀位点坐标全部是以其相对于前一个刀位点坐标增量来表示。
（5）G41、G42、G40：刀具半径左赔偿、右赔偿和取消半径赔偿。用半径为R刀具切削工件时，刀轨必需一直和切削轮廓有一个距离为R偏置，在手工编程中进行这种偏置计算往往十分麻烦。假如采取G41、G42指令，刀具路径会被自动偏移一个R距离，而编程只要按工件轮廓考虑即可。在G41、G42指令中，刀具半径是用其后D指令指定。所谓左赔偿，是指沿着刀具前进方向，刀轨向左侧偏置一个刀半径距离。
（6）G54、G92：加工坐标系设置指令。G54是数控系统上设定寄存器地址，其中存放了加工坐标系（通常是对刀点）相对于机床坐标系偏移量。当数控程序中出现该指令时，数控系统即依据其中存放偏移量确定加工坐标系。G92是依据刀具起始点和加工坐标系相对关系确定加工坐标系，其格式示例为G92 X20 Y30 Z40。它表示刀具目前位置（通常为程序起点位置）处于加工坐标系（20，30，40）处，这么就等于经过刀具目前位置确定了加工坐标系原点位置。
表1-3是FANUC数控系统准备功效G代码列表。
表 1-3
G代码
功 能
G代码
功 能
G00☆
快速定位（快速进给）
G01☆
直线插补（切削进给）
G02
顺时针（CW）圆弧插补
G03
逆时针（CCW）圆弧插补
G04
暂停、正确停止
G09
正确停止
G10
资料设定
G11
资料设定模式取消
G15
极坐标指令取消
G16
极坐标指令
G17☆
XY平面选择
G18
ZX平面选择
G19
YZ平面选择
G20
英制输入
G21
公制输入
G22☆
行程检验功效打开（ON）
G23
行程检验功效关闭（OFF）
G27
机械原点复位检验
G28
机械原点复位
G29
从参考原点复位
G30
第二原点复位
G31
跳跃功效
G33
螺纹切削
G39
转角补正圆弧切削
G40☆
刀具半径赔偿取消
G41
刀具半径左赔偿
G42
刀具半径右赔偿
G43
刀具长度正赔偿
G44
刀具长度负赔偿
G49☆
刀具长度赔偿取消
G52
局部坐标系设定
G53
机械坐标系选择
续表
G代码
功 能
G代码
功 能
G54☆
第一工件坐标设置
G55
第二工件坐标设置
G56
第三工件坐标设置
G57
第四工件坐标设置
G58
第五工件坐标设置
G59
第六工件坐标设置
G65
宏程序调用
G66
宏程序调用模态
G67
宏程序调用取消
G73
高速深孔钻孔循环
G74
左旋攻螺纹循环
G76
精镗孔循环
G80☆
固定循环取消
G81
钻孔循环、钻镗孔
G82
钻孔循环、反镗孔
G83
深孔钻孔循环
G84
攻螺纹循环
G85
粗镗孔循环
G86
镗孔循环
G87
反镗孔循环
G90☆
绝对指令
G91☆
增量指令
G92
坐标系设定
G98
固定循环中起始点复位
G99
固定循环中R点复位

注：☆记号G码在电源开时是这个G码状态。
3．辅助功效字
辅助功效字通常由字符M及随即2位数字组成，所以也称为M指令。它用来指令数控机床辅助装置接通和断开（即开关动作），表示机床多种辅助动作及其状态。常见M指令有以下多个。
（1）M02、M30：程序结束。
（2）M03、M04、M05：主轴顺时针转、主轴逆时针转、主轴停止转动。
（3）M08、M09：冷却液开、关。
表1-4所表示是部分辅助功效M代码。
表 1-4
M代码
功 能
M代码
功 能
M00
程序停止
M01
计划停止
M02
程序结束
M03
主轴顺时针旋转
M04
主轴逆时针旋转
M05
主轴停止旋转
M06
换刀
M08
冷却液开
M09
冷却液关
M30
程序结束并返回
M74
错误检测功效打开
M75
错误检测功效关闭
M98
子程序调用
M99
子程序调用返回
4．其它功效字
（1）尺寸字：也叫尺寸指令，关键用来指令刀位点坐标位置。如X、Y、Z关键用于表示刀位点坐标值，而I、J、K用于表示圆弧刀轨圆心坐标值（参见G02、G03指令中内容）。
（2）进给功效字：以字符F开头，所以又称为F指令，用于指定刀具插补运动（即切削运动）速度，称为进给速度，单位是毫米/分钟（mm/min）。
（3）主轴转速功效字：以字符S开头，所以又称为S指令。用于指定主轴转速，以其后数字给出，单位是转/分钟（r/min）。
（4）刀具功效字：用字符T及随即号码表示，所以也称为T指令。用于指定加工时采取刀具号，该指令在加工中心上使用。
1.4.3 手工编程
尽管交互式图形编程已成为目前数控编程主流方法，但在一些场所下手工编程仍有其应用必需性。
数控手工编程关键内容包含分析零件图样、确定加工过程、数学处理、编写程序清单、程序检验、输入程序和工件试切。
1．分析零件图样和工艺处理
首先依据图纸对零件几何形状尺寸、技术要求进行分析，明确加工内容，决定加工方案、加工次序，设计夹具，选择刀具、确定合理走刀路线和切削用量等。同时还应充足发挥数控系统性能，正确选择对刀点及进刀方法，尽可能降低加工辅助时间。
2．数学处理
编程前依据零件几何特征，建立一个工件坐标系，依据图纸要求制订加工路线，在工件坐标系上计算出刀具运动轨迹。对于形状比较简单零件（如直线和圆弧组成零件），只需计算出几何元素起点、终点、圆弧圆心、两几何元素交点或切点坐标值。对于形状复杂零件（如非圆曲线、曲面组成零件），数控系统插补功效不能满足零件几何形状时，必需计算出曲面或曲线上一定数量离散点，点和点之间用直线或圆弧迫近，依据要求精度计算出节点间距离。
3．编写零件程序单
加工路线和工艺参数确定以后，依据数控系统要求指令代码及程序段格式，逐段编写零件程序。
4．程序输入
以前数控机床程序输入通常使用穿孔纸带，穿孔纸带上程序代码经过纸带阅读装置送入数控系统。现代数控机床关