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第2章数控加工编程基础,2.1、数控编程的基本概念在数控机床上加工零件时,程序员根据加工零件的图样和加工工艺,将零件加工的工艺过程及加工过程中需要的辅助动作,如换刀、冷却、夹紧、主轴正反转等,按照加工顺序和数控机床中规定的指令代码及程序格式编成加工程序单。再将程序单中的全部内容输入到机床数控装置中,自动控制数控机床完成工件的全部加工。根据零件图样和加工工艺编制成加工指令并输入到数控装置的过程称为数控程序编制。1.程序编制的一般内容和过程如图2-1所示。,(1).分析零件图样和工艺处理根据零件图样,对零件的形状、尺寸、精度、表面质量、材料、毛坯种类、热处理和工艺方案等进行详细分析,制定加工工艺。(2).数值计算在编制程序前要进行运动轨迹的基点、圆弧线段的圆心等坐标值计算,这些坐标值是编制程序时需要输入的数据。所谓基点就是运动轨迹相邻几何要素间的交点。(3).编写加工程序单根据计算出的运动轨迹坐标值和已确定的加工顺序、加工路线、切削参数以及辅助动作等,按照数控机床规定使用的功能代码及程序格式,逐段编写加工程序单。(4).制备控制介质并输入加工程序简单程序可以直接使用键盘输入数控装置。比较复杂的程序一般通过通信方式输入数控装置。,(5).程序校验和首件试切校验的一般方法是:1)在不装夹工件情况下起动数控机床,进行空运行,观察运动轨迹是否正确。2)在具有CRT屏幕图形显示功能的数控机床上,进行工件图形的模拟加工,检查工件图形的正确性。然后进行首件试切,进一步考察程序单或控制介质的正确性,并检查是否满足加工精度要求。2.数控编程的方法手工编程和自动编程1)手工编程:数控加工程序编制的各个阶段均由人工完成的编程方法。手工编程多用于数控车和加工中心加工比较简单的产品,广泛用于点位直线和形状简单的轮廓加工。手工编程的优点:是方便快捷,并且可以省略很多走空刀的地方。最大地优化加工路径。缺点:无法编制复杂工件比如非常规曲面的程序,同时手工编程对编程人员有较高的要求,又要水平高,又要细心。,2)自动编程:数控加工程序编制的大部分或全部工作均由计算机完成的编程方法。自动编程多用于加工复杂工件。优点:由软件生成,可信度高,数据准确,可以用软件模拟出来的任意可加工曲面。缺点:前期准备时间长,需要用软件建立模型,再设置刀具和毛坯等等,不适于简单工件的加工。程序冗长,一个复杂曲面的加工程序可能达到几十兆大小,需要在线加工,机床内存无法存储这么大的程序。加工路径不灵活,可能会有很多空行程。自动编程的方法主要有两种:1)用编程语言编程。APT(AutomaticallyProgrammedTools).根据拟定的工艺方案进行编程。特点:程序简练、走刀控制灵活。缺点:编程工作量大,缺乏直观性。2)用CAD/CAM软件自动编程软件编程基本原理及大体步骤:(1)几何造型加工工艺分析刀具轨迹生成刀位验证及刀具轨迹的编辑后置处理数控程序的输出,2.2插补的基本知识1.插补的基本概念1)脉冲当量:刀具或机床的运动部件的最小移动量称为一个脉冲当量。2)插补:数据密化的过程。根据数学函数,在已知点之间进行数据点的密化。3)插补器:完成插补运算的装置。(1)硬件插补器:采用硬件的数据逻辑电路完成插补工作。用在硬件数控系统中。(2)软件插补器:由软件完成插补工作的装置。用在计算机数控系统中。2.常用的插补方法1)根据输出信号方式的不同,软件插补方法分为:脉冲插补法和数字增量插补法。脉冲插补法:模拟硬件插补的原理,把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统,驱动工作台运动。,数字增量插补法:其位置伺服通过计算机和检测装置构成闭环,插补结果输出数据。2)根据插补曲线的形式分类:直线插补、圆弧插补、抛物线插补及高次曲线插补等。2.3程序编制中的数学处理轮廓的基点和节点的坐标、刀具中心运动轨迹的坐标及列表曲线和空间曲面的数学处理。1、基点计算:二直线的交点、直线与圆弧的交点或切点等。基点:各几何要素之间的连接点。2.节点的计算节点:逼近线段与被加工曲线的交点。3.刀具中心轨迹的坐标计算(刀位点轨迹的计算),列表曲线的数学处理,空间曲面加工的数学处理。4.数控编程允许的误差(1)逼近误差(2)插补误差(3)圆整化误差,2.4数控加工程序1.加工程序中的指令字1)字符与代码字符(Character)是一个关于信息交换的术语,它的定义是:用来组织、控制或表示数据的一些符号,如数字、字母、标点符号、数学运算符等。字符是机器能进行存储或传送的记号。字符也是我们所要研究的加工程序的最小组成单位。常规加工程序用的字符分四类。一类是字母,它由大写26个英文字母组成;第二类是数字和小数点,它由09共10个阿拉伯数字及一个小数点组成;第三类是符号,由正(+)号和负(-)号组成;第四类是功能字符,它由程序开始(结束)符(如“%”)、程序段结束符(如“;”)、跳过任选程序段符(如“/”)等组成。代码由字符组成,数控机床功能代码的标准有EIA(美国电子工业协会)制定的EIARS244和ISO(国际标准化协会)制定的ISORS840两种标准。国际上大都采用ISO代码,现在我国规定新产品一律采用ISO代码。,2)加工程序的指令结构地址字符与地址字:位于字头的字符或字符组,用于识别其后的数据。如X55,F100、G01等。3)指令字的组成与功能(1)顺序号字N10、N20等,后面一10为间隔设置。(2)准备功能字准备功能G指令是用来规定刀具和工件的相对运动轨迹(即插补功能)、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。G指令由地址符G及其后面的二位数字组成,共有100种G指令(G00G99),G代码有模态与非模态两种。,(3)坐标尺寸字X、Y、Z和U、V、W及P、Q、R表示直线坐标;A、B、C表示角度坐标,I、J、K圆弧的圆心坐标,R表示圆弧半径。脉冲数编程:X50。小数点编程:X50.0或X50.坐标字的指令值最大不超过8位。(4)进给功能字由F和若干个数字组成。表示切削进给速度,如F200.单位:mm/r或mm/min.(5)主轴转速功能字由S和若干个数字组成。表示主轴的转速,如S800,表示转速为800r/min,.(6)刀具功能字由T和若干个数字组成,表示指定加工刀具或刀具补偿号。数控车床;常用2位或4位,前面2位表示刀具号,后面2位表示刀具补偿号,T0102,若为0,则为取消刀补。,数控铣床;2位数字,大部分只表示刀具号,刀补一般由D或H指定。加工中心:Txx表示加工时选用的刀具号。(7).辅助功能M指令辅助功能M指令是控制数控机床“开、关”功能的指令,主要用于完成加工操作时的辅助动作。M指令由地址符M及其后面的二位数字组成,共有100种M指令(M00M99),如表2-3所示。1程序暂停指令:M00功能:M00使程序停在本段状态,不执行下段。当按下循环启动键后,可继续执行下一程序段。应用:该指令可应用于自动加工过程中,停车进行某些固定的手动操作,如手动变速、换刀等。2程序计划暂停指令:M01功能:与M00相似。预先按下“任选停止”开关,当执行到M01时,程序即停止。若不按下“任选停止”开关,则M01不起作用,程序继续执行。应用:该指令常用于关键尺寸的抽样或临时停车。,3程序结束指令:M02功能:该指令表示加工程序全部结束。它使主轴、进给、切削液都停止,机床复位。它比M00功能多了一项“复位”功能。应用:该指令必须编在最后一个程序段中。4主轴正转、反转、停指令:M03、M04、M05功能:M03(正转)、M04(反转)、M05(停转)。5换刀指令:M06功能:自动换刀。,应用:用于具有自动换刀装置的机床,加工中心、数控车床等。6冷却液喷雾开M07;冷却液开关M08开启、M09停止。7子程序调用M98.8子程序结束M99.9程序结束:M30,程序段结束字“LF”或“NL”.功能:与M02相似,但M30可使程序返回到加工程序的起始位置。在开始新零件加工时,只需按下循环启动按钮即可,不需“复位”程序,2、数控程序结构与程序段格式1).程序的结构一个完整的数控加工程序由程序号、程序段和程序结束符三部分组成。2.)程序段格式NGXYZFSTMLF;N为程序地址字;G为准备功能字;XYZ(及UVW)IJK等为坐标轴地址,后面的数字表示刀具在相应坐标轴上的移动距离或坐标值;,F为进给功能字;S为主轴转速功能字;T为刀具功能字;M为辅助功能;LF为程序段结束符。3.主程序和子程序在一个零件的加工程序中,若有一定数量的连续的程序段在几处完全重复出现,可将这些重复的程序段按一定的格式做成子程序,并存入到子程序存储器中。如图2-2,图2-2主程序与子程序关系图,子程序:包含固定的加工路线或多次重复的图形,或在同一部位重复加工,简化编程,任何主程序都可调用,也可多层嵌套。子程序结构和与主程序相同,唯一的区别结束符号不同,子程序用M99,而主程序用M30或M02.子程序调用格式:M98PxxxyyyyP后面七位数字,前3位表示被重复调用的次数(前置零可以省略)后4位表示调用子程序号。如P51212.当只被调用1次时,可以省略不写。如M98P1212,2.5数控机床的坐标系统1.数控机床的坐标系和运动方向的命名原则1).刀具相对于静止工件而运动的原则假定刀具(动)相对于静止的工件(静)运动。2).标准(机床)坐标系的规定(1)机床坐标系的规定标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔坐标系,如图23所示,规定了X、Y、Z三个直角坐标轴的方,这个坐标系的各个坐标轴与机床的主要导轨平行。根据右手螺旋法则,我们可以很方便地确定出A、B、C三个旋转坐标的方向。如图2-3,图2-3右手笛卡儿坐标系,3).运动方向的确定(1)Z坐标的确定Z坐标的运动由传递切削力的主轴所决定,与主轴轴线平行的标准坐标轴即为Z坐标。正方向是刀具远离工件的方向。(2)X坐标的确定X坐标运动一般是水平的,它平行于工件的装夹平面,是刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。A)对于工件旋转的机床,X轴的运动方向是径向的,且平行于横向滑座,以刀具离开旋转中心的方向为正方向。,B)对于刀具旋转的机床,卧式,主轴是水平的,当从主轴向工件看时,X轴的正方向指向右方;若主轴是垂直的,当从主轴向立柱看时,X轴的正方向是向右的;一句话:当面对机床看时,立式铣床和卧式铣床X轴正方向是相反的。(3)Y坐标的确定YXZY轴的判定可以根据右手笛卡尔法则判定。(4)旋转运动坐标系X(A)、Y(B)、Z(C),图2-4数控车床坐标系,图2-5数控铣床坐标系,图2-6数控镗铣床坐标系,2、机床坐标系与工件坐标系机床原点是机床固有的点,以该点为原点与机床的主要坐标建立的直角坐标系,称为机床坐标系。机床坐标系是制造机床时用以确定各零部件相对位置而建立起来的。工件坐标系是指编程人员以零件图纸上的某一点(工件原点或编程原点)为坐标原点建立的坐标系,编程时用来确定编程尺寸。如图2-7所示。,图2-7机床坐标系与工件坐标系,3.对刀点和换刀点的确定1)对刀和刀位点对刀:将刀具移向对刀点,并使刀具的刀位点和对刀点重合的操作。车刀、镗刀的刀位点是指刀尖或刀尖圆弧中心;立铣刀的刀位点指刀具底面的中心,球头铣刀的刀位点是球心;钻头的刀位点是钻尖。对刀方法:人工对刀,对操作者要求较高。专用对刀仪,保证对刀精度。2)对刀点的确定对刀点:数控加工时刀具相对于工件运动的起点,也是程序的起点,编程前,应确定对刀点的位置。选择对刀点的原则(1)选在零件的设计基准或工艺基准上。(2)容易找正、便于检查的位置。(3)便于坐标值的计算,最好选在坐标系的原点或已知坐标值的点上。,3)换刀点的确定加工中心、数控车床等多刀加工机床,设置在被加工零件外面,并具有一定的安全量。一般换刀点选在起刀点,也有把机床参考点作为换刀点的。,2.6常用的编程指令及应用2.6.1进给运动指令概述1.进给加工运动的要素(1)确定工件坐标系(2)选择坐标平面(3)运动轨迹的线型(4)进给运动轨迹的位置数据和运动方向2.进给加工运动的速度及速度变化运动速度由F指令给出,每分钟进给速度和每转进给速度分别由G94、G95来区分。,1.与坐标系有关的指令(1)G92、G50设定工件坐标系指令在FANUC-0数控系统中,G92数控铣床;G50数控车床。例如G92X30Y20;G50X80Z100,注意:执行指令前,必须把刀具的刀位点通过手动方式移动到所设定坐标系的指定位置。1执行G92、G50后,机床不产生运动,只是显示坐标发生变化。2后续各程序段中的绝对值坐标均为该工件坐标系中的坐标。3为模态指令。4程序第一段,首次设置,也可用于重新设置。,(2)G53选择机床坐标系指令G53XYZ注意:1G53为非模态指令。2在绝对坐标方式下有效,增量方式下无效。3执行前必须完成返回参考点操作。4快速移动到设定的位置。(3)G54G59选择工件坐标系指令如果零件的加工部位很多,为避免尺寸换算,预先设定辅助工件坐标系,加工时直接调用,将刀具移到该辅助坐标系中进行加工。(4)G17、G18、G19坐标平面设定指令G17XY平面;G18XZ平面;G19YZ平面注意:1)在进行圆弧插补和刀具补偿时必须指定所在平面。2)G17、G18、G19为模态指令,可以相互注销。3)开机默认为XY平面。,2、绝对编程(G90)与增量编程(G91)绝对编程是表示刀具(或机床)运动位置的坐标值,是相对于固定的坐标原点给出的。如图2-8a增量编程所表示的刀具(或机床)运动位置的坐标值是相对于前一位置的,而不是相对于固定的坐标原点的。如图2-8b,图2-8绝对编程系与增量编程,注意几点:(1)程序段开始时,要指定程序中尺寸坐标的模式。(2)机床开机后,一般G90作为默认值被设置的。(3)有些数控系统不用G90或G91规定尺寸坐标,而用X、Y、Z表示绝对坐标,U、V、W表示增量坐标编程,在一个程序段中可以混合编程。(4)在G90/G91模式下,一个程序段只能选用一种。,3.G20、G21英制输入、公制输入G20表示英制输入,G21表示米制输入。G20和G21是两个可以互相取代的代码。注意1)机床出厂前一般设定为G21状态,机床的各项参数均以米制单位设定,所以数控车床一般适用于米制尺寸工件加工,如果一个程序开始用G20指令,则表示程序中相关的一些数据均为英制(单位为英寸);如果程序用G21指令,则表示程序中相关的一些数据均为米制(单位为mm)。2)在程序执行过程中,绝对不能切换G20和G21指令,否则会导致错误结果。3)在一个程序内,不能同时使用G20或G21指令,且必须在坐标系确定前指定。3)G20或G21指令断电前后一致,即停电前使用G20或G21指令,在下次后仍有效,除非重新设定。,(1)快速定位指令G00用G00指定定位点,命令刀具以点位控制方式,从刀具所在点以最快的速度,移动到下一个目标点,程序格式如下:G00XYZ;其中,X、Y、Z、为快速定位终点,在G90时为终点在工件坐标系中的坐标;在G91时为终点相对于起点的位移量。说明如下:1)G00指令刀具相对于工件从当前位置以各轴预先设定的快移进给速度移动到程序段所指定的下一个定位点。,4与刀具运动有关的指令,2)G00指令中的快进速度由机床参数对各轴分别设定,不能用程序规定。由于各轴以各自速度移动,不能保证各轴同时到达终点,因而联动直线轴的合成轨迹并不总是直线3)快移速度可由面板上的快速修调旋钮修正。4)G00一般用于加工前快速定位或加工后快速退刀。5)G00为模态功能,可由G01、G02、G03或G33功能注销。6)当Z轴指令远离工作台时,先Z轴移动,再X、Y轴运动。当Z轴指令接近工作台时,先X、Y轴运动,再Z轴运动;,用G01指令直线插补,其作用是指令两个坐标(或三个坐标)以联动的方式,按指令的进给速度F,插补加工出任意斜率的平面(或空间)直线。程序格式如下:G01XYZF其中,X、Y、Z为终点,在G90时为终点在工件坐标系中的坐标;在G91时为终点相对于起点的位移量。,(2)直线插补指令G01,指令说明1)G01指令刀具从当前位置以联动的方式,按程序段中F指令规定的合成进给速度,按合成的直线轨迹移动到程序段所指定的终点。2)实际进给速度等于指令速度F与进给速度修调倍率的乘积。3)G01和F都是模态代码,如果后续的程序段不改变加工的线型和进给速度,可以不再书写这些代码。4)G01可由G00、G02、G03或G33功能注销。,指令G02(顺时针)、G03(逆时针)使机床在各坐标平面内加工圆弧轮廓。其程序格式如下:,其中用G17代码进行XY平面的指定,省略时就被默认为是G17,但当在ZX(G18)和YZ(G19)平面上编程时,平面指定代码不能省略。,(3)圆弧插补指令G02/G03,1)G02/G03的判断,G02为顺时针方向圆弧插补,G03为逆时针方向圆弧插补。顺时针或逆时针是从垂直于圆弧加工平面的第三轴的正方向看到的回转方向。,2)说明:(1)I,J,K分别表示圆弧起点到圆心点的增量距离,如下图所示。某项为零时可以省略。X、Y、Z为圆弧终点坐标。,(2)当圆弧圆心角小于等于180时,R为正值,当圆弧圆心角大于180时,R为负值,(3)整圆编程时不可以使用R,只能用I、J、K;(4)F为编程的两个轴的合成进给速度。(5)同一程序段中,如I、J、K和R同时出现,则R有效。,(1)刀具半径补偿的过程:,刀补的建立:刀具从起点接近工件时,刀心轨迹从与编程轨迹重合过度到与编程轨迹偏离一个偏置量的过程。,刀补进行:刀具中心始终与编程轨迹相距一个偏置量直到刀补取消。,刀补取消:刀具离开工件,刀心轨迹要过渡到与编程轨迹重合的过程。,5、刀具半径自动偏移补偿G41/G42,(2)刀具半径补偿指令G40,G41,G42,D为刀补号地址,用D00D99来指定,它用来调用内存中刀具半径补偿的数值。G41、G42、G40均为模态指令,可相互注销。,格式:,(3)刀具半径补偿说明,G41刀径左补偿,G42刀径右补偿,刀补位置的左右应是顺着编程轨迹前进的方向进行判断的。G40为取消刀补。进行刀径补偿前,必用G17或G18、G19指定刀径补偿是在哪个平面上进行。在多轴联动控制中,投影到补偿平面上的刀具轨迹受到补偿。平面选择的切换须在补偿取消的方式下进行,否则将产生报警。刀补的引入和取消要求必须在G00或G01程序段,不应在G02/G03程序段上进行。当刀补数据为负值时,则G41、G42功效互换。G41、G42指令不要重复规定,否则产生一种特殊的补偿。G40、G41、G42都是模态代码,可相互注销。,刀具半径补偿图示,编程举例,如图所示零件以30的孔定位,精铣外轮廓,O0001G90G80G40G49G17;G54G00X100.0Y60.0F1000;Z-2.0S100M03;G42G01X75.0D01F100;X35.0;G02X15.0R10.0;G01Y70.0;G03X-15.0R15.0;G01Y60.0;G02X-35.0R10.0;G01X-75.0;Y0;X45.0;X75.0Y20.0;Y65.0;,主程序号设定使机床原有指令处于无效快进到X=100,Y=60Z轴快移到Z=-2,主轴正转加刀具右补偿R=4直线插补至X=75,Y=60直线插补至X=35,Y=60顺圆插补至X=15,Y=60直线插补至X=15,Y=70逆圆插补至X=-15,Y=70直线插补至X=-15,Y=60顺圆插补至X=-35,Y=60直线插补至X=-75,Y=60直线插补至X=-75,Y=0处直线插补至X=45,Y=45直线插补至X=75,Y=20直线插补至X=75,Y=65,轮廓完,G40G00X100.0Y60.0;Z120.0X150.0Y160.0;M05;M30;,取消刀具右补偿R=4快速退至X=100,Y=60的下刀处快速抬刀至Z=120的对刀点平面快速退刀至对刀点程序结束,复位。,程序单2,5刀具长度补偿指令G43、G44刀具长度偏置指令用来补偿刀具长度方向尺寸的变化。数控机床规定传递切削动力的主轴为数控机床的Z轴,所以通常是在Z轴方向进行刀具长度补偿。在编写工件加工程序时,无需考虑实际刀具的长度,而是按照标准刀具长度或确定一个编程参考点进行编程,如果实际刀具长度和标准刀具长度不一致,可以通过刀具长度偏置功能实现刀具长度差值的补偿。G43指令实现正向补偿,G44指令实现负向补偿,它们也是模态指令,用G49指令取消补偿。编程格式为:G91G00G43(G44)ZH;G90G00G43(G44)ZH;,H是存放长度补偿偏置量的地址,用于存放实际刀具长度和标准编程长度的差值,即补偿值或偏置量。下图是刀具长度补偿实例,在编程时以主轴端部为编程参考点,可以认为是标准刀具长度为零。刀具安装在主轴上后,测得刀尖到主轴端部(编程参考点)的距离为100mm,将100mm作为长度偏置量存入H01地址单元中,加工程序为:G92X0Y0Z0;G90G43G00Z0H01;Z250S500;G01Z270F300;G00G40Z0,图2-18刀具长度补偿,6暂停指令G04暂停指令G04可使刀具在短时内实现无进给光整加工,用于锪孔、车槽、车台阶轴清根等加工,暂停结束后,继续执行下一段程序。其程序格式为:G04;符号是地址,常用X、P等表示,停留时间单位是s或ms,也可用工件旋转的转数表示暂停时间的长短,不同的数控系统有不同的规定。G04是非模态指令,只在本程序段有效。例如:图2-19为锪孔加工,孔底有表面粗糙度要求。程序如下:N40G91G01Z-7.F60;N50G04X5.N60G00Z7.;,图2-19锪孔加工,7.返回参考点指令,返回参考点检查指令G27自动返回参考点指令G28从参考点返回指令G29,1)回参考点检查指令G27,格式:G90/G91G27X_Y_Z_;式中:X、Y、Z返回运动中间点的坐标值功能:机床长时间连续运转后,用来检查工件原点的正确性,以提高加工的可靠性及保证工件尺寸的正确性。,2)自动返回参考点指令G28,格式:G90/G91G28X_Y_Z_;式中:X、Y、Z经过的中间点坐标值;功能:使所有受控坐标轴都快速定位到中间点,再自动返回参考点。,G91G28X100.Y150.;G90G28X300.Y250.;,G91G28X0Y0;G91G28Z0;,分别用绝对、增量编程?,3)从参考点返回G29,格式:G90/G91G29X_Y_Z_;式中:X、Y、Z刀具的目标点坐标值;功能:使刀具由机床参考点经过中间点到达目标点。,M06T02;G90G28Z50.0;M06T03;G29X35.Y30.Z5.;,一、子程序,当同样的一组程序被重复使用多次时,经常把它编成一个新的程序单独存储,以便另外的程序调用,这种程序被称之为子程序。一个子程序在执行时还可以调用其它的子程序,这就是子程序嵌套。嵌套次数由具体数控系统所规定。调用第一层子程序的指令所在的程序成为主程序。,(一)子程序格式,Oxxxx;子程序名N10-;程序主体N20-;:M99;子程序结束(二)子程序调用(M98)M98Poooxxxx;P是子程序标识,ooo是调用次数,(三)子程序调用举例,子程序1(钻孔),O1000N10G00G90Z5.0;快速接近工件N20G01Z-35.F100.;钻孔N30G00Z5.0;快速返回参考平面N4015M99;子程序结束,子程序2(从左至右钻4个孔),O1001N10M98P1000;调用子程序1,钻1号孔,返回参考平面N20G91X30.;移动到2号孔N30M98P1000;调用子程序1,钻2号孔,返回参考平面N40G91X30.;移动到3号孔N50M98P1000;调用子程序1,钻3号孔,返回参考平面N60G91X30.;移动到4号孔N70M98P1000;调用子程序1,钻4号孔,返回参考平面N80M99;子程序结束,主程序,O0001N10G92X0Y0Z200.;确定工件坐标系N20G01G4

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