1.1 数控编程方法
数控编程通常分为手工编程和计算机辅助编程两类。根据零件加工表面的复杂程度、数值计算的难易程度、数控机床的数量及现有编程条件等因素，数控加工程序可通过手工编程或计算机辅助编程来获得。对于点位加工或几何形状不太复杂的零件，数控编程计算较简单、程序段不多，手工编程是可行的。但对形状复杂的零件，特别是具有曲线、曲面（如叶片、复杂模具型腔）或几何形状并不复杂但程序量大的零件（如复杂孔系的箱体），以及数控机床拥有量较大而且产品不断更新的企业，手工编程就很难胜任，需要采用计算机辅助编程。
1.1.1 手工编程的过程
手工编程的一般步骤如图1-1所示。
图1-1 数控编程的步骤
（1）分析零件图、确定加工工艺过程
在确定加工工艺过程时，编程人员要根据被加工零件图样对工件的形状、尺寸、技术要求进行分析，选择加工方案，确定加工顺序、加工路线、装夹方式、刀具及切削参数等，同时还要考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能，尽量缩短走刀路线，减少编程工作量。
（2）数值计算
根据零件图的几何尺寸确定工艺路线及设定工件坐标系，计算零件粗、精加工运动的轨迹，得到刀位数据（刀位点包括基点和节点）。
①基点的计算 一个零件的轮廓往往是由许多不同的几何元素组成，如直线、圆弧等。各几何元素间的连接点称为基点，如两直线间的交点、直线与圆弧或圆弧与圆弧之间的交点或切点。数控机床都具有直线插补功能和圆弧插补功能，无论是直线插补还是软件插补，都需要知道线段的起点和终点。所以手工编程时，在完成零件工艺分析和确定加工路线以后，数值计算就成了程序编制中的一个重要环节 ，而其中的基点计算是数值计算中最繁琐 、最复杂的计算。
刀位数据中的基点计算可通过手工计算和绘图软件的特性菜单栏查询得到。刀位数据中的基点，使用绘图软件特性菜单栏查询，一般精度高、速度快，在实际的编程中得到广泛的使用。
例：图1-2中的A、B、C、D是该零件轮廓上的基点。使用AUTOCAD确定基点坐标的步骤如下。
图1-2 利用AUTOCAD软件求基点
a.在AUTOCAD软件中完成图形的绘制。
b.使用UCS工具栏建立工件坐标系，在AUTOCAD软件中建立的用户坐标系的原点与工件坐标系的原点重合，如图1-3所示。
图1-3 建立用户坐标系
c.使用特性菜单栏，查询A、B、C、D点的坐标，如图1-4所示。
图1-4 基点坐标的查询
②节点坐标的确定 在只有直线和圆弧插补功能的数控机床上加工零件时，有一些平面轮廓是非圆方程曲线，如渐开线、阿基米德螺线、双曲线、抛物线等。还有一些平面轮廓是用一系列实验或经验数据点表示的，没有表达轮廓形状的曲线方程（称为列表曲线）。这就使被加工的零件轮廓形状与机床的插补功能出现不一致。对于这类零件的加工就只能采用逼近法。
当采用不具备非圆曲线插补功能的数控机床加工非圆曲线轮廓的零件时，在加工程序的编制时，常常需要用多个直线段或圆弧段去近似代替非圆曲线，这个过程称为拟合（逼近）处理。拟合线段的交点或切点称为节点。图1-5中的G点为圆弧拟合非圆曲线的节点，图1-6中的A、B、C、D点均为直线逼近非圆曲线时的节点。
图1-5 圆弧拟合与节点
图1-6 直线拟合与节点
③辅助计算
a.无刀具半径补偿功能的数值计算。在铣削加工中，是用刀具中心作为刀位点进行编程。但在平面轮廓加工中，零件的轮廓形状总是由刀具切削刃部分直接参与切削形成的，因此有时编程轨迹和零件轮廓并不完全重合。对于具有刀具半径补偿功能的机床，只要在程序中加入有关的刀具补偿指令，就会在加工中进行自动偏置补偿。但对于没有刀具半径补偿功能的机床，只能在编程时做有关的补偿计算。
b.按进给路线进行一些辅助计算。在平面轮廓加工中，常要求切向切入和切向切出。例如铣削图1-7所示内圆弧时，最好安排从圆弧过渡到圆弧加工路线，以便提高内孔表面的加工精度，这时，过渡圆弧的坐标值也要进行计算。
图1-7 内圆弧铣削路线
（3）编制零件加工程序。
加工路线、工艺参数及刀位数据确定以后，编程人员根据数控系统规定的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序。
（4）输入加工程序
把编制好的加工程序通过控制面板输入到数控系统，或通过程序的传输（或阅读）装置送入数控系统。
（5）程序校验与首件试切
输入到数控系统的加工程序必须经过校验和试切才能正式使用。校验的方法是直接让数控机床空运转，以检查机床的运动轨迹是否正确。在有CRT图形显示的数控机床上，用模拟刀具与工件切削过程的方法进行检验更为方便，但这些方法只能检验运动是否正确，不能检验被加工零件的加工精度。因此，要进行零件的首件试切。当发现有加工误差时，分析误差产生的原因，找出问题所在，加以修正。最后利用检验无误的数控程序进行加工。
1.1.2 计算机辅助编程
计算机辅助编程又分为数控语言自动编程（Automatically Programmed Tools，APT）、交互图形编程和CAD/CAM集成系统编程等多种，目前制造类企业主要采用CAD/CAM系统自动编程。自动编程是用计算机把人工输入的零件图纸信息改写成数控机床能执行的数控加工程序，即数控编程的大部分工作由计算机来完成。
（1）CAD/CAM系统自动编程原理和功能
20世纪80年代以后，随着CAD/CAM技术的成熟和计算机图形处理能力的提高，出现了CAD/CAM自动编程软件，可以直接利用CAD模块生成的几何图形，采用人机交互的实时对话方式，在计算机屏幕上指定零件被加工部位，并输入相应的加工参数，计算机便可自动进行必要的数据处理，编制出数控加工程序，同时在屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。从而有效地解决了零件几何建模及显示、交互编辑以及刀具轨迹生成和验证等问题，推动了CAD和CAM向集成化方向发展。
目前比较优秀的CAD/CAM功能集成型支撑软件，如UG、Pro/E、CATIA等，均提供较强的数控编程能力。这些软件不仅可以通过交互编辑方式进行复杂三维型面的加工编程，还具有较强的后置处理环境。此外还有一些以数控编程为主要应用的CAD/CAM支撑软件，如美国的Master CAM、SurfCAM以及英国的Del CAM等。
CAD/CAM软件系统中的CAM部分有不同的功能模块可供选用，如：二维平面加工、3轴至5轴联动的曲面加工、车削加工、电火花加工（EDM）、钣金加工及线切割加工等。用户可根据实际应用需要选用相应的功能模块。这类软件一般均具有刀具工艺参数设定、刀具轨迹自动生成与编辑、刀位验证、后置处理、动态仿真等基本功能。
（2）CAD/CAM系统编程的基本步骤
不同CAD/CAM系统的功能、用户界面有所不同，编程操作也不尽相同。但从总体上讲，其编程的基本原理及基本步骤大体是一致的，如图1-8所示。
图1-8 CAD/CAM系统数控编程原理
①几何造型。利用CAD/CAM系统的几何建模功能，将零件被加工部位的几何图形准确地绘制在计算机屏幕上。同时在计算机内自动形成零件图形的数据文件。也可借助于三坐标测量仪CMM或激光扫描仪等工具测量被加工零件的形体表面，通过反求工程将测量的数据处理后送到CAD系统进行建模。
②加工工艺分析。这是数控编程的基础。通过分析零件的加工部位，确定装夹位置、工件坐标系、刀具类型及其几何参数、加工路线及切削工艺参数等。目前该项工作主要仍由编程员采用人机交互方式输入。
③刀具轨迹生成。刀具轨迹的生成是基于屏幕图形以人机交互方式进行的。用户根据屏幕提示通过光标选择相应的图形目标，确定待加工的零件表面及限制边界，输入切削加工的对刀点，选择切入方式和走刀方式。然后软件系统将自动地从图形文件中提取所需的几何信息，进行分析判断，计算节点数据，自动生成走刀路线，并将其转换为刀具位置数据，存入指定的刀位文件。
④刀位验证及刀具轨迹的编辑。对所生成的刀位文件进行加工过程仿真，检查验证走刀路线是否正确合理，是否有碰撞干涉或过切现象，根据需要可对已生成的刀具轨迹进行编辑修改、优化处理，以得到用户满意的、正确的走刀轨迹。
⑤后置处理。后置处理的目的是形成具体机床的数控加工文件。由于各机床所使用的数控系统不同，其数控代码及其格式也不尽相同。为此必须通过后置处理，将刀位文件转换成具体数控机床所需的数控加工程序。
⑥数控程序的输出。由于自动编程软件在编程过程中可在计算机内部自动生成刀位轨迹文件和数控指令文件，所以生成的数控加工程序可以通过计算机的各种外部设备输出。若数控机床附有标准的DNC接口，可由计算机将加工程序直接输送给机床控制系统。
（3）CAD/CAM软件系统编程特点
CAD/CAM系统自动数控编程是一种先进的编程方法，具有以下的特点。
①将被加工零件的几何建模、刀位计算、图形显示和后置处理等过程集成在一起，有效地解决了编程的数据来源、图形显示、走刀模拟和交互编辑等问题，编程速度快、精度高，弥补了数控语言编程的不足。
②编程过程是在计算机上直接面向零件几何图形交互进行，不需要用户编制零件加工源程序，用户界面友好，使用简便、直观，便于检查。
③有利于实现系统的集成，不仅能够实现产品设计与数控加工编程的集成，还便于工艺过程设计、刀夹量具设计等过程的集成。