在零件加工过程中引入数字控制技术后，刀具的运动轨迹完全按照数控系统的指令移动，这些不同指令的组合称为数控程序。在数控加工过程中，刀具切削的基本原理同常规的机械加工没有本质上的区别，但数控程序的引入使得数控加工与常规的机械加工过程有着显著的区别。由于数控程序的使用，使得数控加工过程同机械加工技术、计算机应用技术以及数字计算紧密地结合在一起，从而能够完成各种复杂形状零件的机械加工。

数控加工指令中，刀具运动位置是以运动功能（G指令）、坐标点的方式给出的。刀具的运动轨迹是以一系列与零件轮廓相关的坐标数据点给出的，这些数据点控制着加工过程中刀具移动的位置，依据机床运动的组合形成不同形式的加工轮廓。

数据点是通过直角坐标系表述的。根据工件形状和定位装夹方式设定加工坐标系，编程数值计算包括工件轮廓的基点和节点坐标的计算。

所谓基点是指组成工件轮廓的各几何元素之间的连接点，如二维平面轮廓中的两直线交点、直线与圆弧的交点或切点、圆弧与圆弧之间的交点或切点等。对于平面轮廓是直线和圆以外的非圆曲线，如渐开线、样条曲线等，在数控程序设计时要采用直线或圆弧逼近它们，即将这些曲线按等间距或等弧长分割成许多小段，用直线或圆弧逼近这些小段，从而取代非圆曲线。逼近直线或圆弧小段与曲线的交点或切点称为节点。节点的计算很复杂，手工计算繁琐、效率低，通常借助计算机进行节点计算。

1.程序代码与编程格式

1）程序代码

目前，数控程序代码已经标准化，有ISO、EIA两种格式，其中，绝大多数数控系统采用ISO代码格式。两种代码格式遵循的标准是：

（1）ISO码：标准NFZ68-010、68-030、68-032。

（2）EIA码：标准RS244和273A。

2）编程格式

按照标准中规定（ISO/DIS 6983/1附录C），数控程序中的尺寸数值与数学表达方式一致，例如带有小数部分的尺寸编程：

X+36相当于X=36mm

X-0.3相当于X=-0.3mm

3）ISO、EIA两种代码格式及数控系统数控程度格式的差异

（1）程序开始：

%（ISO标准）

EOR（EIA标准）

一般情况下数控系统阅读时按该字条识别ISO或EIA码。

（2）程序结束：

X 0FF（ISO标准）

BS（EIA标准）

4）程序段格式

变量地址格式

小数点：若所有单位为毫米，.01表示1/100mm。

可省略+号、有效数字前的0、空格、制表符及RUBOUT。

数控程序段是完成某一动作的一组指令，由不同的功能、数据按地址格式组合表达。程序段的格式为：

Nxxxx Gxx Xxx Zxx Fxx Mxx Sxx

其中，N、G、X、Y、X等为地址代码，xxx为数值代码，数值代码有不同的规定格式。表达坐标的地址代码（如X、Y、Z等）称为坐标功能字，F称为进给功能字，G称为准备功能字，M称为辅助功能字，S称为主轴速度功能字，T成为刀具功能字。

 

数控程序设计中一个重要的概念是坐标系，数控机床坐标系是机床加工运动的基本坐标系统，是描述刀具在机床上实际运动位置的基准。机床坐标系采用右手直角坐标系，其基本坐标系包括三个直线轴、三个旋转轴。右手的拇指、食指和中指分别代表X、Y、Z三个直角坐标轴方向，一般情况下主轴的方向为坐标系的Z向坐标轴，轴运动的正方向是增大工件和刀具之间距离的方向；旋转轴方向按右手螺旋法则确定，用A、B、C分别代表围绕X、Y、Z三个轴的旋转轴，四指顺着轴的旋转方向，拇指与直线坐标轴同方向为旋转轴的正向，反之为负向。

在数控加工过程中要考虑三个不同的坐标系，分别是机床坐标系、工件坐标系、程序坐标系，相应的有三个原点：机床原点、工件原点和程序原点。

1）机床原点

机床原点（Om）是由机床制造厂通过机床参数预先定义在每个轴上的点（通常在机床行程范围内），它决定机械参考点。

2）工件原点

工件原点（Ow）是工件上可以直接或通过比较确定的一点，是工件在机床上安装、高速的参考点。

3）程序原点

程序原点（Op）是数控程序设计人员编制数控程序时使用的参考坐标系原点。

手工编程是编程人中直接根据零件设计图纸，计算刀具移动的数据点，并直接书写数控指令代码程序。

这种编程方式适合形状简单的零件或刀具移动控制简单的加工，并且要求编程人员对数控系统非常了解。手工编制的数控程序结构简单，并可充分利用数控系统提供的功能，可以编制出适用性较强的数控程序和一些特殊控制程序。

手工编程的基本过程如下：

1）分析零件图样

对零件图样进行分析，明确加工的内容及加工要求，确定加工方案，选择合理的数控机床，确定夹具的基本形式。

2）工艺设计

在对零件图样进行分析的基础上，进行零件加工工艺设计，确定零件加工工艺路线，明确零件定位装夹方法，安排工序内容，选择加工机床，选择刀具及工艺参数，形成工艺堆积文件，需要时进行夹具设计形成夹具设计文件。

3）数学处理

根据零件装夹特点确定零件加工的原点及加工坐标系，根据零件的几何尺寸、加工路线和刀具尺寸计算刀具运动轨迹的控制点（节点），获得刀位数据。

4）零件加工数控程序编制

根据使用机床数控系统的指令格式及得到的刀位数据，逐段编写程序代码。编程人员应对数控机床的性能、数控指令系统非常熟悉，才能编写出合格的零件加工程序。对于比较复杂的数控程序，需要经过试切检查才能开始正式零件加工。

对于复杂形状的零件或大型零件，由于几何元素增多或具有复杂的几何元素使得数据计算工作量大大增加，若再采用手工编程的方式其工作效率根本大法不能满足生产需要。计算机辅助编程特点是采用计算机代替人工劳动，编程人员在计算机上建立零件模型，通过简单的人机关交互确定必要的参数数据，由计算机完成数据计算、指令处理、加工程序生成工作，大大减轻了编程人员的劳动量并提高了计算数度，使得数控程序编制效率得到极大提高。

计算机辅助编程系统经过几十年的发展已经达到了比较完善的程序，有许多商品化的软件可供选择，用户可根据实际需要选用，如UG、CATIA、Pro/Engineer、MasterCAM等。计算机辅助数控编程技术的发展主要经历了以下几个阶段：

（1）APT（Automatically Programmed Tool）语言，20世纪50年代由美国麻省理工学院（MIT）开发。APT语言采用专用语句书写源程序，通过计算机中的APT处理程序经过编译和运动，输出刀位数据，再经过后置处理，把通用的刀位数据转换成适应数控系统要求的指令格式。

（2）APT II、APT III：20世纪60年代，麻省理工学院组织美国各大飞机公司共同开发。

（3）APT IV、APT-AC：20世纪70年代后继续开发，同时世界各国也衍生出一系列数似系统。

（4）CADAM系统：基于图形交互终端，具有图形设计、绘图和数控编程一体化的系统，1972年由美国洛克希德加利福尼亚飞机公司开发。

（5）CATIA系统：具有三维设计、分析与数控编程一体化功能，1978年由法国达索飞机公司开发并持续发展至今。

（6）UG系统：1983年由美国McDonnel Douglas Automation（后合并到其他公司）开发的三维CAD/CAM系统，并持续发展至今。

（7）20世纪80年代后，以三维线框、实体造型、特征造型为基础的CAD/CAM系统不断发展，出现多种不同形式的商品化软件。

计算机辅助编程过程中加工方法选择是根据工件的工序加工要求，选择对应的加工方式，如平面铣、槽腔铣、轮廓铣等；几何元素选择是确定被加工区的边界，包括轮廓、底面、约束等；加工轨迹定义是根据选定的加工方法和加工区几何元素，确定刀具移动的方向、路径、终到位置等。定义了必要的参数后，刀位轨迹数据由软件系统进行计算，同时，软件系统提供了必要的刀位轨迹检查手段供使用者对刀位轨迹的正确性进行检查。