数控手工编程的简化.doc

目 录 摘要 1 关键词 1 前 言 1 一 数控机床概述 2 一 数控机床的产生及特点 2 二 数控编程的基本概念 2 三 数控编程发展概况 3 二 数控编程的分类 4 一 手工编程 4 二 自动编程 4 三 手工编程的简化方法 4 一 刀具补偿 5 二 子程序 6 三 用户宏程序 9 四 固定循环 11 五 零点偏移 13 六 参数编程 14 四 手工编程的简化方法注意事项 15 总 结 16 致 谢 17 参考文献 18 1 浅析数控手工编程的简化 郭庆彬 摘要摘要 随着工业经济的高速发展 对生产效率的要求越来越高有效简化数控加工手工编 程 提高编程效率 可以最大效益的发挥经济型数控机床的利用率 本文主要介绍数控手 工编程的方法基本简化和对外开放进一步深化的新环境下 数控手工编程简化 提高生产 效率的重要性 制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料 而数控技术又是 当今先进制造技术和装备最核心的技术 总之 大力发展以数控技术为核心的先进制造技 术已成为世界各发达国家加速经济发展 提高综合国力和国家地位的重要途径 关键词关键词 数控技术 手工编程 简化 前前 言言 本论文是根据数控加工与编程综合设计的 数控机床已成为国家先进制造技术的基础 设备 并关系到国家发展的战略地位 从 20 世纪中叶数控技术出现以来 现代数控加工正 向高速化 高效化 高精度化 高柔性化 高一体化和智能化方向发展 通过此毕业设计 使我了解了在相关学科中的基本理论 基本知识 以及理论实践相结合 同时对本专业有 了较完整的 系统的认识 从而达到巩固 扩大 深化所学知识的目的 培养和提高了综 合分析问题和解决问题的能力 以及培养了科学的研究和创造能力 本毕业设计内容主要是数控手工编程的简化方法及特点 包适了工艺分析 数控编程 机床操作与零件自检过程等 基本含概了我们所学到的所有专业知识 完成毕业设计对于 我来说是一种挑战 更是一个很好的锻炼 我以严谨务实的认真态度进行了此次设计的编写 但由于知识水平与实际经验有限 时间又较为紧迫 在设计中难免会出现一些错误 缺点和疏漏 诚请位评审老师能给于批 评和指正 2 一 数控机床概述一 数控机床概述 一 数控机床的产生及特点 一 数控机床的产生及特点 随着科学技术的发展 机械产品结构越来越合理 其性能 精度和效率日 趋提高更新换代频繁 生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化 因 此 对机械产品的加工相应得提出了高精度 高柔性与高度自动化的要求 为 了满足多品种 小批量的自动化生产 迫切需要一种灵活的 通用的 能够适 用产品频繁变化的柔性自动化机床 数控机床就是在这样的背景下诞生与发展 起来的 它为单件 小批量生产的精密复杂零件提供了自动化的加工手段 数 控机床特点是 1 自动化程度高 具有很高的生产效率 除手工装夹毛坯外 其余全部加工 过程都可由数控机床自动完成 若配合自动装卸手段 则是无人控制工厂的基 本组成环节 数控加工减轻了操作者的劳动强度 改善了劳动条件 省去了划 线 多次装夹定位 检测等工序及其辅助操作 有效地提高了生产效率 2 对加工对象的适应性强 改变加工对象时 除了更换刀具和解决毛坯装夹 方式外 只需重新编程即可 不需要作其他任何复杂的调整 从而缩短了生产 准备周期 3 加工精度高 质量稳定 加工尺寸精度在 0 005 0 01 mm 之间 不受零件 复杂程度的影响 由于大部分操作都由机器自动完成 因而消除了人为误差 提高了批量零件尺寸的一致性 同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置 更加提高了数控加工的精度 4 易于建立与计算机间的通信联络 容易实现群控 由于机床采用数字信息 控制 易于与计算机辅助设计系统连接 形成 CAD CAM 一体化系统 并且可以 建立各机床间的联系 容易实现群控 二 二 数控编程的基本概念数控编程的基本概念 数控编程是目前 CAD CAPP CAM 系统中最能明显发挥效益的环节之一 其在 实现设计加工自动化 提高加工精度和加工质量 缩短产品研制周期等方面发 挥着重要作用 在诸如航空工业 汽车工业等领域有着大量的应用 由于生产 3 实际的强烈需求 国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究 并取得了丰硕 成果 下面就对数控编程及其发展作一些介绍 为了使数控机床能根据零件加工的要求进行动作 必须将这些要求以数控 系统能识别的指令告知数控系统 这种数控系统可识别的指令称为程序 制作 程序的过程成为数控编程 它不仅仅指编写数控加工指令代码的过程 还包括 从零件分析到编写加工指令代码 再到制成控制介质以及程序校对全过程 三 数控编程发展概况 三 数控编程发展概况 为了解决数控加工中的程序编制问题 50 年代 MIT 设计了一种专门用于机 械零件数控加工程序编制的语言 称为 APT AutomaticallyProgrammedTool 其后 APT 几经发展 形成了诸如 APTII APTIII 立体切削用 APT 算法改 进 增加多坐标曲面加工编程功能 APTAC Advancedcontouring 增加切削 数据库管理系统 和 APT SS SculpturedSurface 增加雕塑曲面加工编程功能 等先进版 采用 APT 语言编制数控程序具有程序简练 走刀控制灵活等优点 使数控加 工编程从面向机床指令的 汇编语言 级 上升到面向几何元素 APT 仍有许多不 便之处 采用语言定义零件几何形状 难以描述复杂的几何形状 缺乏几何直观 性 缺少对零件形状 刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段 难 以和 CAD 数据库和 CAPP 系统有效连接 不容易作到高度的自动化 集成化 针对 APT 语言的缺点 1978 年 法国达索飞机公司开始开发集三维设计 分析 NC 加工一体化的系统 称为为 CATIA 随后很快出现了象 EUCLID UGII INTERGRAPH Pro Engineering MasterCAM 及 NPU GNCP 等系统 这些系统都有效的解决了几何造型 零件几何形状的显示 交互设计 修改及刀 具轨迹生成 走刀过程的仿真显示 验证等问题 推动了 CAD 和 CAM 向一体化方 向发展 到了 80 年代 在 CAD CAM 一体化概念的基础上 逐步形成了计算机集 成制造系统 CIMS 及并行工程 CE 的概念 目前 为了适应 CIMS 及 CE 发展 的需要 数控编程系统正向集成化和智能化夫发展 4 二 二 数控编程的分类数控编程的分类 数控机床的程序编制是指由分析零件图样到程序检验 加工样件的全部过 程 数控机床程序编制的方法有两种 即手工编程 manual programming 和自 动编程 automatically programming 一 手工编程 一 手工编程 手工编程是指所有编制加工程序的全过程 即图样分析 工艺处理 数值 计算 编写程序 制作控制介质 程序校验都是有手工来完成 手工编程不需要计算机 编程器等设备 只需要有合格的编程人员即可完 成 手工编程具有编程快速及时的优点 其缺点是不能进行复杂的曲面编程 手工编程比较适合批量较大 形状简单 计算方便 轮廓由直线或圆弧组成的 零件的加工 二 二 自动编程自动编程 自动编程是由计算机编制数控加工程序的过程 是由计算机代替人完成一 些计算烦琐 手工编程困难或无法编出的程序 它能够实现对于形状复杂 具 有非圆曲线轮廓 三维曲面等零件编写加工 采用自动编程方法效率高 可靠 性好 程序正确率高 自动编程则是由计算机编制数控加工程序 使一些计算烦琐 手工编程困 难或无法编出的程序能够实现 对于形状复杂 具有非圆曲线轮廓 三维曲面 等零件编写加工程序 采用自动编程方法效率高 可靠性大 但编程软件及相 应微机的购置 需要大量资金而且其技术含量和技术难度也较大 这在一定程 度上影响了自动编程的普及使用 因此 对于大多数简单零件多使用手工编程 来完成 在实际加工中 复杂的零件占加工零件总量的5 lO 大多数的零件 并不复杂 对于点位加工或几何形状不太复杂的零件 程序编制计算比较简单 程序段不多 我们采用手工编程方式 普及型数控机床采用的开环控制方式 数控系统简单 内存容量较小等特点 要求编程人员考虑如何尽量编制较短的 加工程序 合理使用编程技巧 提高程序的使用率 5 三 三 手工编程的简化方法手工编程的简化方法 编程技巧的使用 合理工艺在编制加工工艺时 在满足精度要求的前提下 应使走刀路线最短 以提高生产效率 并且简化数值计算 减少程序段数目 以减少编程工作量 最终轮廓一般应安排最后一次走刀连续加工完成 以确保 轮廓表面质量 例如将对刀点和起刀点分离 减少空行程 合理安排 回零 路 另外可以巧设换刀点 退刀点和刀具工序集中等 一个好的加工工艺 不 但可减少程序段数目 而且可以简化计算 使编程工作量大大简化 下面就简 单介绍一下编程中的技巧及简化编程的方法 一 刀具补偿 一 刀具补偿 若在编程过程中 直接写出刀具的具体值 半径值或长度值 一旦刀具磨 损了 或者是卸下来重新磨锋 或者是更换新的刀具 不管采用哪种办法 刀 具其具体数据 半径值或长度值 均会发生变化 这样一来 必须重新计算 重 新编程 显然会影响生产率 目前的车 铣类数控系统一般都具有刀具长度 又 称刀具的偏移 和刀尖圆弧半径补偿功能 加工中应充分灵活在使用这些功能 刀具长度补偿是指当车刀刀尖位置与编程位置存在差值时 通过补偿值的设定 使刀具得以补偿 并事前将补偿值存入预先设定好的寄存器中 sinumerik802s 系统对每一把刀具提供9个刀沿 EP9个刀具补偿值 每个刀沿对应有刀具长度 补偿和半径偿 通常采用Tx Dx形式调用 例如T4D2 表示调用4号刀的D2刀补 值 同一把刀 调用一个刀沿 则其前一个刀沿将被覆盖 利用刀具补偿在编 程时 编程者直接按图样所给的尺寸编程 只要在实际加工时 输入刀具的具 体实际数值即可 另外 巧用刀具补偿还可使加工程序简化 在程序中有意识 的改变刀具补偿量 则可用同一把刀具 同一程序 不同的切削余量来完成零 件的加工 例如用一把刀对工件进行分层切削加工时 可在程序中用刀具长度 补偿指令补偿刀具尺寸的变化 即对同一把刀可用几个刀补号写入几个补偿量 将其输入到数控装置的刀补内存表相应的单元内 而不必重新调整刀具或重新 对刀 数控系统在运行程序时根据存人的对应补偿量进行修正 从而实现进刀 完成对工件的分层切削 1 刀具半径补偿 G41 G42 G40 刀具的半径值预先存入存储器DXX中 XX 6 为存储器号 执行刀具半径补偿后 数控系统自动计算 并使刀具按照计算结 果自动补偿 例 如图3 1为建立和取消刀具半径补偿示例 图3 1 运用刀具半径补偿功能进行编程轮廓 程序如下 G17 G90 G54 GOO XO Y0 S400 G41 GOO X30 0 Y15 0 D01 M03 G01 Y50 0 F150 X65 O Y25 0 X20 0 G40 G00 XO YO M05 M30 以上看 来节省了计算 简化了程序 并且在实际加工中还能重复利用该 程序根据修改刀具补偿的半径值的大小对零件进行粗 精加工和进行多工步和 多次走刀 减少了编程量提高了生产效率 而且刀具补偿还可以避免因刀具磨 损造成的加工误差 2 刀具长度补偿 在一个加工程序内使用几把刀具时 由于每把刀具长度总会 不同 因而在用一个坐标系内 在程序 Z 值相同的情况下 不同刀具的的端面 刀位点 在 Z 方向的实际位置有所不同 编程过程中需要改变 Z 指令值 是 程序繁杂 而刀具长度补偿功能补偿这个差值而不用修改程序 刀具长度补偿 还可以避免因换刀造成的加工误差 7 二 子程序 二 子程序 在一个加工中 若零件有多处相同现状的结构时 即一个工件中有几处形状 相同 或刀具运动轨迹相同 为了缩短程序量简化编程 可把加工相同结构的 程序重复段单独抽出编成子程序 让 主程序 反复调用 这样便可使程序结 构简单清楚 简化了编程的难度 因此在出现一个零件中有几处形状相同 或 刀具运动轨迹相同时 我们可以采用子程序进行编程 在编程过程中 子程序 可以嵌套使用 可以嵌套四层 合理使用子程序可大大简化编程过程 提高程 序使用效率 例 用直径为 5mm 的立铣刀 加工如图 3 2 所示零件 其中凸台的高 度为 4mm 圆槽的深度为 4mm 图 3 2 用子程序编程加工例题 工艺分析工艺分析 该零件的工艺过程由两个独立的工序组成 为了便于程序的检查 修改和 工序的优化 把各工序的加工轨迹编写成子程序 主程序按工艺过程分别调用 各子程序 设零件上表面的对称中心为工件坐标系的原点 O0001 主程序号 G90 G49 G80 G54 G21 程序初始化 M03 S600 主轴旋转 转速 600r min 8 G00 X 30 5 Y 50 快速进给至 30 5 50 Z30 G01 Z0 F200 M98 P2L2 调用子程序 O0002 G01 Z30 X0 Y0 G01 Z0 F200 M98 P4L4 调用子程序 O0004 G49 G92 G28 Z0 M05 M30 O0002 子程序 G91 G01 Z 2 F200 M98 P3D01 子程序嵌套 M98 P3D02 M98 P3D03 M99 O0003 子程序 G41 G01 X 30 5 Y 17 609 X 30 5 Y17 609 X0 Y35 218 X24 5 Y21 073 G02 X30 5 Y10 681 R12 G01 X30 5 Y 10 681 G02 X24 5 Y 21 073 R12 G01 X0 Y 35 218 9 X 30 5 Y 17 609 X 51 688 Y 5 376 G40 G01 X 30 5 Y 50 M99 O0004 子程序 G91 Z01 G91 G01 X6 F200 G03 X0 I 6 Z 1 G03 X0 I 6 G90 G41 G01 X20 D01 G03 X20 I 20 G40 G01 X0 Y0 M99 子程序结束并返回主程序 上题看出子程序即可以单独调用 也可以嵌套使用 十分灵活 在实际生 产中 其相同的部分越多 越能体现子程序编程的优势 子程序能实现零件的 分层切削 优化程序 三 用户宏程序 三 用户宏程序 一组以子程序的形式存储并带有变量的程序称为用户宏程序 简称宏程序 宏程序常常用于圆台 椭圆台等带有变量和节点不易计算或者计算繁杂的曲面 或球形零件中 与普通程序相比较 一般程序的程序字为常量 一个程序只能 描述一个几何图形 所以缺乏灵活性和适用性 而用户宏程序本体中可以使用 变量进行编程 还可以用宏指令对这些变量进行赋值 运算等处理 从而可以 使用宏程序执行一些有规律的变化的动作 一些以角度为变量或者有一定变化规律的零件圆台 椭圆台以及球形零件 等的加工常常会用用户宏程序来加工 例 图 3 3 用宏程序和子程序功能顺序加工椭圆凸台 10 图 3 3 宏程序加工例题 分析 该零件为椭圆形凸台 以角度 a 为变量 椭圆各点坐标为 18COSa 24SINa 坐标值随角度变化而变化 对于椭圆的锥度加工 高度方 向上用抬高的 Z 值作为自变量 O120 110 0 111 18 101 18 102 24 0 N200 103 360 G01 Z 111 F100 刀尖 X 坐标 N300 104 101 COS 103 105 102 COS 103 刀尖 Y 坐标 G41 G01 X 104 Y 105 DO1 103 103 1 0 IF 103CE0 0 GOTO 300 循环加工椭圆 G40 G01 X40 Y0 110 110 0 1 111 111 0 1 11 101 18 0 110 TAN 30 0 短半轴半径变量 102 24 0 110 TAN 30 0 长半轴半径变量 IF 111LE0 0 GOTO 200 循环加工圆锥台 M99 由上可见 宏程序功能强大 灵活多变 能大大缩短编程时间 提高生产 效率 宏程序比较简短 但要注意宏程序运算的顺序以及控制指令的用法 加 工过程中注意切削条件的改善 四 四 固定循环固定循环 数控系统的固定循环功能是使用一个程序段并对相应的程序字进行赋值后 就可以完成一种特定加工的全部动作 如孔加工的钻孔进给 孔底暂停 退刀 等 若更改程序段中变量的赋值 使用该程序又能加工其他形状相似但尺寸大小 又不同的加工对象或零件 因此 使用固定循环编制加工程 例 如图 3 4 所示的零件 其毛坯为四周已加工的铝锭 厚为 20mm 槽深 2mm 编写该零件孔加工程序 60 80 301020 80 40 6 M6深8 图 3 4 固定循环编程加工例题 槽形零件的加工程序 程 序 N10 G21 设定单位为 mm N20 G40 G49 G80 H00 取消刀补和循环加工 12 N30 G28 X0 Y0 Z50 回参考点 N40 M00 开始 5mm 钻孔 N50 M03 S1500 N60 G90 G43 H0l G00 X0 Y20 0 Z10 0 快速进到 R 点 建立长度 补偿 N70 G8l G99 X0 Y20 0 Z 7 0 R2 0 F80 G81 循环钻孔 孔深 7mm 返回 R 点 N80 G99 X17 32 Y10 0 N90 G99 Y 10 0 N100 G99 X0 Y 20 0 N110 G99 X 17 32 Y 10 0 N120 G98 Y10 0 N130 G80 M05 取消循环钻孔指令 主轴 停 N140 G28 X0 Y0 Z50 回参考点 N150 G49 M00 开始扩孔 N160 M03 S2000 N170 G90 G43 H02 G00 X0 Y20 0 Z10 0 N180 G83 G99 X0 Y20 0 Z 12 0 R2 0 Q7 0 F100 G83 循环扩孔 N190 G99 X17 32 Y10 0 N200 G99 Y 10 0 N210 G99 X0 Y 20 0 N220 G99 X 17 32 Y 10 0 N230 G98 Y10 0 N240 G80 M05 取消循环扩孔指令 主轴 停 N250 G28 X0 Y0 Z50 N260 G49 M00 开始攻螺纹 13 N270 M03 S200 N280 G90 G43 H03 G00 X0 Y20 0 Z10 0 N290 G84 G99 X0 Y20 0 Z 8 0 R5 0 F200 G84 循环攻螺纹 N300 G99 X17 32 Y10 0 N310 G99 X0 Y 20 0 N320 G99 X 17 32 Y 10 0 N330 G98 Y10 0 N340 G80 M05 取消螺纹循环指令 主轴 停 优点 它拥有固定的循环指令 使程序更加简化 减少了编程量 但要注 意为了提高加工效率 在指令之前应先使主轴旋转 由于固定循环是模态指令 在循环有效期间 随意更改 X Y Z R 中的任意一个 就会进行一次孔加工 在 固定循环方式过程中 刀具半径补偿机能无效 如果孔的 XY 平面的定位你距离 较短 且需要连续加工 为了防止孔加工时主轴不能达到制动转速应使用 G04 暂停指令进行延时 五 五 零点偏移零点偏移 FANUC 系统的零点偏置 G54 G59 是系统预定的 6 个工件坐标系 可根据 需要任意选用 这 6 个预定工件坐标系的原点在机床坐标系中的值 工件零点 偏置值 可用 MDI 方式输入 系统自动记忆 工件坐标系一旦选定 后续程序 段中绝对值编程时的指令值均为相对此工件坐标系原点的值 利用零点偏 置 可以一次装夹加工多个相同工件或加工一个工件有重复图案的工件 以编 程原点的选择应尽量使工艺基准和设计基准重合 可以避免尺寸链的计算 西 门子系统 提供四个零点偏值 G54 一 G57 和可编程的零点偏值 G158 可编程的 旋转 G258 附加可编程的旋转 G259 在实际加工过程中 为了提高加工效率 经常一次装夹多个零件 利用零点偏置对不同零件设定独立零点 在程序中多 次调用零件加工子程序 从而简化编程 对于形状相似 位置 角度不同的 我们可以利用零点偏置灵活的编制程序 其效果很好 零点偏置是数控系统的 一种特性 即允许把数控测量系统的原点在相对机床基准的规定范围内移动 14 而永久原点的位置被存贮在数控系统中 用 G54 G59 指令设定六个工件坐 标系即通过设定机床所特有的六个坐标系原点 即工件坐标系 1 6 的原点 在机床坐标系中的坐标值 即工件零点偏移值 该值可用 MDI 方式输人 相应项中 例 Y X Y G54 G59 机床原点 Z X X A B 30 40 30 30 0009 N10 G54 G00 G90 X30 Y40 N20 G59 N30 G00 X30 Y30 当前点 A B a b 图 3 5 零点偏移实例 FANUC 系统的零点偏置有以下特点 G54 G59 六个不同的坐标系的指令为 同一组的模态代码 该指令具有记忆功能 适用于大批量的生产加工 其实质 就是确定工件坐标系在机床坐标系中的位置 六 参数编程 六 参数编程 在数控铣床与加工中心的编程中 为了实现简化编程的目的 常常除了固 定循环指令外 还采用了一些特殊的功能指令 如 镜像 比例缩放 极坐标 等 例 如图 3 6 先进行比例缩放 使其 X 轴方向的比例为 2 0 倍 Y 轴方向 的比例为 1 5 比例缩放中心是 10 10 缩放后得到图形 C 图形 C 绕坐 标点 20 20 进行旋转 旋转角度为 300 旋转后得到图形 D 试编程 D 的加 工程序 15 图 3 6 参数编程例题 程序 O0001 程序号 G51 X10 Y10 I2 0 J1 5 比例缩放 G17 G68 X20 Y20 R300 坐标系旋转 G41 G01 X 20 Y20 F100 D01 刀具半径补偿 X20 Y 20 X 20 X0 Y20 Z30 G40 G69 G51 取消刀补 取消比例缩放 取消坐标系旋 转 这样简化了节点繁杂的计算量 直接用给出的坐标点节能进行编程 提高了工 作率 四 四 手工编程的简化方法注意事项手工编程的简化方法注意事项 在我们日常生产加工过程中 各种手工编程的简化方法给我们带来了很大 的方便 但是有很多问题需是要我们注意的 如 1 在刀具补偿过程中需要注 意刀具半径补偿的建立和取消程序段只能在 G00 或 G01 移动指令模式下才有效 在刀具补偿模式下不允许存在两段以上的非补偿平面内的指令 如只有 G M S 16 F T 代码的程序段 2 使用子程序时需要注意子程序间的模态代码的变换 在 半径补偿模式中的程序是不能被分支的 3 在宏程序的使用中可以采用刀具半 径补偿进行编程 但是采用刀具半径补偿时要特别注意切入与切出点的选择 变量赋值时 I J K 顺序不能颠倒 G L N O P 不能作为引数等 4 参数编程的 过程中需要注意编程顺序 要以先