数控车床的操作与编程.doc

第二章 数控车床的操作与编程【教学目标】 通过本章节的理论教学：了解数控车床及其组成；掌握数控车床的位置调整与坐标系设定；基本编程指令与程序调试；车削循环程序编写与调试；螺纹车削程序的编写与调试；刀具补偿与换刀程序的处理；综合车削加工技术。【教学重点】基本编程指令与程序调试；车削循环程序编写与调试；螺纹车削程序的编写与调试；刀具补偿与换刀程序的处理；【教学难点】螺纹车削程序的编写与调试；刀具补偿与换刀程序的处理；综合加工技术。2.1 数控车床及其组成2.1.1 数控车床的类型及基本组成 1数控车床的类型1) 水平床身(即卧式车床) 它有单轴卧式和双轴卧式之分。2) 倾斜式床身它在水平导轨床身上布置三角形截面的床鞍。3) 立式数控车床它分单柱立式和双柱立式数控车床。4) 高精度数控车床5) 四坐标数控车床6) 车削加工中心车削中心可在一台车床上完成多道工序的加工，从而缩短了加工周期，提高了机床的生产效率和加工精度。7) 各种专用数控车床专用数控车床有数控卡盘车床、数控管子车床等。2数控车床的基本组成数控车床的整体结构组成基本与普通车床相同，同样具有床身、主轴、刀架及其拖板和尾座等基本部件，但数控柜、操作面板和显示监控器却是数控机床特有的部件。图2-1 CK7815数控车床图2-2 CK9300数控车床的组成2.1.2 数控车床的传动及速度控制纵向Z轴进给由直流伺服电机直接带动滚珠丝杠实现；横向X轴进给由直流伺服电机驱动；通过同步齿形带带动横向滚珠丝杠实现，这样可减小横轴方向的尺寸。 刀盘转位由电机经过齿轮及蜗杆副实现，可手动或自动换刀。排屑机构由电机、减速器和链轮传动实现。2.1.3 数控车床的控制面板及其功能用PC电脑作控制系统的数控车床，其程序输入、数据设定和NC控制等操作均可由PC键盘进行，文字和图形信息由显示器显示。CK9330数控车床操作面板的布局如图2-5所示。 超程解除当Z轴正负方向出现硬性行程超界时，可同时按此钮和Z轴相反方向的按钮以解除超程。 进给保持和循环启动用于自动运行中暂停进给和持续加工。 单段执行-在自动运行方式下，若按下此钮，则每执行一段程序后都将暂停等待，需按循环启动方可执行下一段程序。 机床锁住若此按钮按下，则程序执行时只是数控系统内部进行控制运算，可模拟加工校验程序，但机械部件被锁住而不能产生实际的移动。 主轴正转、反转和停转用于手动控制主轴的正转、反转和停转。2.2 数控车床的位置调整与坐标系的设定2.2.1 手动位置调整及MDI操作 1回参考点操作(1) 先检查一下各轴是否在参考点的内侧。如不在，则应手动回到参考点的内侧，以避免回参考点时产生超程。 (2) 在主菜单下按F3功能键，选择“回零功能”。 (3) 分别按+X、+Z轴移动方向按键，使各轴返回参考点。返回参考点后，相应的指示灯将点亮。2点动操作 (1) 在主菜单下选择“点动操作”，即按F6功能键，此时屏幕显示如图2-7。3步进功能 (1) 在主菜单下，按F7选择“步进功能”。 (2) 将机床操作面板上的进给倍率修调旋钮旋至所需的倍率(增量1. 10. 100. 1000等4挡)； 例如：1挡即表示移动单位为1个脉冲当量(本系统一个脉冲对应0.001 mm)； 100挡即表示移动单位为100个脉冲当量，即0.1 mm； 10、1000挡即分别为移动0.1 mm、1 mm。 4手摇操作(1) 在主菜单下，按F4键选择“手摇进给”。 (2) 将手持单元上的增量倍率修调旋钮旋至所需的倍率(增量1、10、100等3挡，分别对应于0.001、0.01、0.1 mm的增量值)。 (3) 将手持单元的坐标轴选择开关置于所要移动的“X”轴或“Z”轴挡。 (4) 顺时针/逆时针旋转手摇脉冲发生器一格，可控制相应的轴向正向或负向移动一个增量值。5MDI操作(1) 在主菜单下，按F5键选择MDI功能，此时系统的模态信息将显示在屏幕顶行的“运行状态”处；启动系统时的模态值为G91-增量编程方式，G00快进状态，G20-公制单位，G94每分钟进给速度方式。 (2) 再按F1键，切入到MDI功能的子菜单。 (3) 按F4键，选择“程序进给”菜单项，则在菜单行上部的提示输入行上将出现光标。 (4) 在光标处输入想要执行的MDI程序段，此时可左右移动光标以修改程序。 (5) 如果前面输入的程序都不要，可按 ESC 键全部删除，重新输入。 (6) 按F10键，执行“循环启动”功能，则所输入的程序将立即运行，如图2-9所示。2.2.2 数控车床坐标系统的设定 1车床坐标系统的组成坐标系有机床坐标系、编程坐标系和工件坐标系等坐标系统。 机床坐标系是数控机床安装调试时便设定好的一固定的坐标系统。对带参考点设定功能的车床而言，其机床坐标原点就在车床主轴端头(或卡盘)的中心，沿轴心方向作为Z轴，其正向指向尾座顶尖。以刀架横向拖板运动方向作为X轴，其正向由主轴回转中心指向工件外部。图2-10 车床坐标系(a) 刀架后置式；(b) 刀架前置式2G92指令工件坐标系的建立数控程序中所有的坐标数据都是在编程坐标系中确立的，而编程坐标系并不和机床坐标系重合，所以在工件装夹到机床上后，必须告诉机床，程序数据所依赖的坐标系统，这就是工件坐标系。其指令格式为：G92 ( G50 ) X. Z. ;该指令是声明刀具起刀点(或换刀点) 在工件坐标系中的坐标，通过声明这一参照点的坐标而创建工件坐标系。X、Z后的数值即为当前刀位点(如刀尖)在工件坐标系中的坐标，在实际加工以前通过对刀操作即可获得这一数据。换言之，对刀操作即是测定某一位置处刀具刀位点相对于工件原点的距离。3预置工件坐标系 G54G59具有参考点设定功能的机床还可用工件零点预置G54G59指令来代替G92建立工件坐标系。它是先测定出欲预置的工件原点相对于机床原点的偏置值，并把该偏置值通过参数设定的方式预置在机床参数数据库中，因而该值无论断电与否都将一直被系统所记忆，直到重新设置为止。当工件原点预置好以后，便可用“G54G00 X_ Z_；”指令让刀具移到该预置工件坐标系中的任意指定位置。4图形显示的设定通过在数控软件系统中按“数据设定”“图形参数”层次结构选择菜单功能项，即可设定用于图形跟踪显示的区域，改变图形跟踪显示的效果，如图2-12所示。2.2.3 刀具装夹与对刀调整1刀具类型与装夹图2-13 常用车刀类型图2-14 刀具在刀架上的安装(a) 普通转塔刀架；(b) 12位自动回转刀架2对刀调整 数控车床的对刀可分为基准车刀的对刀和各个刀具相对位置偏差的测定两部分。1) 基准车刀的对刀基准车刀的对刀就是在加工前测定出加工起始点(起刀点)处，刀具刀位点(如刀尖)在预想的工件坐标系(编程坐标系)中的相对坐标位置。其试切对刀的过程大致如下： 先进行手动返回参考点的操作。 试切外圆。 试切端面。图2-15 利用机床坐标数据试切对刀 对刀。方法一 若已经在将要运行的程序中写好了“G92 Xa Zb；”的程序行，那么就应该用手动或MDI方法移动刀具，将刀具移至使显示器上所显示的刀架中心在机床坐标系中的坐标值为(Xt+aD，Zt+bL)的位置。这样就实现了将刀尖放在程序所要求的起刀点位置(a，b)上的对刀要求。 方法二 将刀具移到工件外可作为起刀点的任意某位置，记下此时刀架中心在机床坐标系中的坐标如(X0，Z0)，可以算出该位置在工件坐标系中的坐标值应该是(D+X0Xt，L+Z0Zt)。在运行程序前保持此起刀点位置不变的情况下，根据此计算结果值改写程序中“G92 X_ Z_”，指令为“G92 X (D+X0Xt) Z (L+Z0Zt)”。 建立工件坐标系。可在上述对刀完成后，在保持当前刀具位置不变的情形下，用MDI 方式运行“G92 Xa Zb；”(方法一)或“G92 X (D+X0Xt) Z (L+Z0Zt)；”(方法二)的程序指令，或者直接开始运行编好的程序，则显示器中将显示当前刀尖在工件坐标系中的位置坐标(a，b)或(D+X0Xt，L+Z0Zt)。2) 其他各刀具的对刀 其他各刀具的对刀就是测定出每一把刀具转位到加工方位时，其刀位点相对于基准车刀刀位点在X、Z两方向上的位置偏差；然后，将偏差值存入对应的刀具数据库即可。这样，只需要在加工程序中用指令标明所用的刀具，则执行到刀具指令时，机床会自动移动调整刀架，直到新刀具刀位点与前一把刀具刀位点重合。整个程序均可按基准车刀刀位点进行编写。2.3 基本编程指令与程序调试2.3.1 程序中用到的各功能字 1G功能(格式：G2，G后可跟2位数)表2-2 常用G功能指令2M功能(格式：M2，M后可跟2位数) 车削中常用的M功能指令有： M00进给暂停 M01条件暂停 M02程序结束 M03-主轴正转 M04-主轴反转 M05-主轴停转 M07、M08开切削液 M09关切削液 M30-程序结束并返回到开始处 M98子程序调用 M99子程序返回3T功能(格式：T2 或T4 )4S功能(格式：S4，S后可跟4位数)2.3.2 车床的编程方式 1绝对编程方式和增量编程方式 绝对编程是指程序段中的坐标点值均是相对于坐标原点来计量的，常用G90来指定。增量(相对)编程是指程序段中的坐标点值均是相对于起点来计量的，常用G91来指定。图2-17 编程方式示例2直径编程与半径编程当地址X后所跟的坐标值是直径时，称直径编程，如前所述直线AB 的编程例子。 当地址X后所跟的坐标值是半径时，称半径编程，则应写为: G90G01X50.0Z50.0;2.3.3 基本编程指令 1G00、G01-点、线控制 格式：G90 (G91) G00 X. Z. G90 (G91) G01 X. Z. F. G00用于快速点定位、G01用于直线插补加工。说明： (1) 在G00时，X、Z轴分别以该轴的快进速度向目标点移动，行走路线通常为折线。(2) 在G00时，轴移动速度不能由F代码来指定，只受快速修调倍率的影响。一般地，G00代码段只能用于工件外部的空程行走，不能用于切削行程中。(3) 在G01时，刀具以F指令的进给速度由A向B进行切削运动，并且控制装置还需要进行插补运算，合理地分配各轴的移动速度，以保证其合成运动方向与直线重合。HCNC1T系统中G01指令还可用于在两相邻轨迹线间自动插入倒角或倒圆控制功能。在指定直线插补或圆弧插补的程序段尾，若： 加上C.，则插入倒角控制功能； 加上R.，则插入倒圆控制功能。 C后的数值表示倒角起点和终点距未倒角前两相邻轨迹线交点的距离，R后的值表示倒圆半径。2G02、G03圆弧控制 格式：G90 (G91) G02 X. Z. R. ( I. K.) F. G90 (G91) G03 X. Z. R. ( I. K. ) F.图示弧BC，编程计算方法如下：绝对: G90 G03 X xb Z zc R r2 Ff ; R编程 或 G90 G03 X xb Z zc I(x2xb)/2 K(z2zb) Ff ;增量: G91 G03 X(xcxb) Z(zczb) R r2 F f ; 或 G91 G03 X(xcxb) Z(zczb) I(x2xb)/2 K(z2zb) F f ; 说明： (1) G02、G03时，刀具相对工件以F指令的进给速度，从当前点向终点进行插补加工；G02为顺时针方向圆弧插补；G03为逆时针方向圆弧插补。 (2) 圆弧半径编程时，当加工圆弧段所对的圆心角为 0180时，R取正值，当圆心角为180360时，R取负值。同一程序段中I、K、R同时指令时，R优先，I、K无效。(3) X、Z同时省略时，表示起终点重合；若用I、K指令圆心，相当于指令了360的弧；若用R编程时，则表示指令为0的弧。 G02 (G03) I. ; 整圆 G02 (G03) R. ; 不动 (4) 无论用绝对还是用相对编程方式，I、K都为圆心相对于圆弧起点的坐标增量，为零时可省略。(也有的机床厂家指令I、K为起点相对于圆心的坐标增量。)3G04暂停延时 格式：G04 P. 后跟整数值，单位ms(微秒) 或 G04 X ( U ) . 后跟带小数点的数，单位s(秒)4G20、G21-输入数据单位设定，即单位制式(英制和公制)的设定 G20和G21是两个互相取代的G代码，机床出厂时将根据使用区域设定默认状态，但可按需要重新设定。2.3.4 编程实例该零件车削的整体程序由程序头、程序主干和程序尾组成。 一般地，程序头包括程序番号，建立工件坐标系，启动主轴，开启切削液，从起刀点快进到工件要加工的部位附近等准备工作。程序主干则是由具体的车削轮廓的各程序段组成，有必要的话可含子程序调用。程序尾包括快速返回起刀点，关主轴和切削液，程序结束停机等。2.3.5 程序输入及上机调试 现以HCNC1T系统为例讲述程序输入与上机调试。 1程序输入及编辑修改 方法一 利用一般的文本编辑器，输入编辑程序。程序编写完成后以O0001作文件名保存，不要带后缀(扩展名)。 方法二 可直接在CNC软件环境中进行。由第二层菜单中的“零件程序”“编辑程序”“打开程序”进行。之后在光标处输入程序号并回车，然后即可开始输入编辑程序。程序编写完成后可按F3功能键保存。2程序调用要想调入已编写好的程序，应按“自动方式”“内存方式”菜单层次项，至出现程序列表后，再移动光标到需调入的程序号处并回车即可；若当前页没有所需程序，可按“Pgup”、“Pgdn”前后翻页查找。 只要修改过程序，就必须重新用内存方式调用，才可按修改后的程序内容运行；否则，运行的还是修改前的程序内容。如果程序执行时被非正常中止，则必须先按F9键取消自动运行状态，然后才可进行其他操作，如点动、步进和程序编辑等。3自动运行当用上述方法调入某程序，并对好刀后，即可按F10键或按机床上的“循环启动”键，开始自动运行。2.4 车削循环程序编写与调试2.4.1 简单车削循环 1G80-外圆车削循环格式：G90 ( G91 ) G80 X. Z. I. F. 算法：G90 G80 X xb Z zb I (xc/2xb/2) F f 或 G91 G80 X(xbxa) Z(zbza)I(xc/2xb/2) F f 图2-22 外圆车削循环图2-23 不同I值时的情形2G81端面车削循环 格式：G90 ( G91 ) G81 X. Z. K. F. 算法：G90 G81 X xb Z zb K (zczb) F f 或 G91 G81 X(xbxa) Z(zbza) K (zczb) F f 图2-24 端面车削循环例1 如图2-26及图2-27所示零件。切削路线： 第一刀 ABCDA 第二刀 AEFDA 第三刀 AGHDA2.5.2 螺纹车削的简单固定循环G82格式：G90(G91)G82 X. Z. I. F.算法：G90 G82 X xb Z zb I (xc/2 xb/2) F f G91G82 X(xbxa) Z(zbza) I(xc/2 xb/2) F f2.5.3 车螺纹复合循环G76 格式：G76 C(m) R(r) E(e) A(a) X(U) Z(W) I(i) K(k) U(d) V(dmin) Q(d) F(f)其中： m精整次数(取值0199); r螺纹Z向退尾长度(0099); e螺纹X向退尾长度(0099); a牙型角(取80，60，55，30，29，0)通常为60; U、W绝对编程时为螺纹终点的坐标值；相对编程时，为螺纹终点相对于循环起点A的有向距离； i锥螺纹的始点与终点的半径差;k螺纹牙型高度(半径值)； d精加工余量； Dd第一次切削深度(半径值)； f螺纹导程(螺距)； dmin最小进给深度，当某相邻两次的切削深度差小于此值时，则以此值为准。 2.5.4 程序调试说明 程序调试说明以CK9330数控车、HCNC1T系统为例。(1) 由于CK9330数控车床主轴转速不能自动调控，并且由于皮带传动会引起主轴转速产生很大的波动，所以，在车螺纹时的切削进给速度是由连接在主轴上的编码器检测到实际转速后反馈到数控装置内，再由数控装置控制Z轴的进给速度，从而保证主轴每转一圈，Z轴行进一个螺距。(2) 对HCNC1T系统而言，G82固定循环指令不是一个模态指令，应该在每一起作用的程序行中都必须书写；否则就要出错。(3) 和G71、G72、G73等复合循环不一样的是，G76指令可在MDI方式下直接执行。(4) 由于车螺纹时进给速度依赖于主轴转速，所以，含车螺纹的程序在上机空行调试时，一定不能让主轴停转。(5) 车螺纹时不要使用“进给保持”功能，也不要修调进给速度，以避免产生变螺距的可能。2.6 刀具补偿与换刀程序的处理2.6.1 刀具的几何补偿和磨损补偿图2-38 刀具的几何补偿和磨损补偿刀补指令用T代码表示。常用T代码格式为：T xx xx，即T后可跟4位数，其中前2位表示刀具号，后两位表示刀具补偿号。当补偿号为0或00时，表示不进行补偿或取消刀具补偿。若设定刀具几何补偿和磨损补偿同时有效时，刀补量是两者的矢量和。对于不能自动换刀的车床来说，在用T指令前应先用M00指令暂停程序的执行。此时，便可进行手动转位换刀，然后按循环启动，执行T指令，进行自动刀补移动，如图2-39所示。图2-39 换刀时的自动调整2.6.2 刀尖半径补偿 虽然采用尖角车刀对加工及编程都很方便，但由于刀头越尖就越容易磨损，并且当刀具太尖而进给速度又较大时，可明显地感觉出一般的轮廓车削将产生车螺纹的效果，即使减小进给速度，也会影响到加工表面的粗糙度。为此，精车时常将车刀刀尖磨成圆弧过渡刃。图2-40 刀尖半径补偿的情形利用机床自动进行刀尖半径补偿时，需要使用G40、G41、G42指令。 当系统执行到含T代码的程序指令时，仅仅是从中取得了刀具补偿的寄存器地址号(其中包括刀具几何位置补偿和刀具半径大小)，此时并不会开始实施刀尖半径补偿。只有在程序中遇到G41、G42、G40指令时，才开始从刀库中提取数据并实施相应的刀径补偿。 G41刀尖半径左补偿。沿着进给方向看，刀尖位置应在编程轨迹的左边。 G42刀尖半径右补偿。沿着进给方向看，刀尖位置应在编程轨迹的右边，如图2-41所示。 G40取消刀尖半径补偿。刀尖运动轨迹与编程轨迹一致图2-41 刀补方式的确定1刀位点与刀尖方位刀位点即是刀具上用于作为编程相对基准的参照点。当执行没有刀补的程序时，刀位点正好走在编程轨迹上；而有刀补时，刀位点将可能行走在偏离于编程轨迹的位置上。2刀径补偿的引入(初次加载) 由没有设定刀径补偿的运动轨迹到首次执行含G41、G42的程序段，即是刀尖半径补偿的引入过程。见图2-43，编程时书写格式为：.G40； 先取消以前可能加载的刀径补偿(如果以前未用过G41或G42，则可以不写这一行)G41(G42) G01(G00) .Dxx； 在要引入刀补的含坐标移动的程序 行前加上G41或G423刀径补偿的取消(卸载) 执行过刀径补偿G41或G42的指令后，刀补将持续对每一编程轨迹有效；若要取消刀补，则需要在某一编程轨迹的程序行前加上G40指令，或单独将G40作一程序行书写。注意： (1) 刀径补偿的引入和卸载不应在G02、G03圆弧轨迹程序行上实施。 (2) 刀径补偿引入和卸载时，刀具位置的变化是一个渐变的过程。 (3) 当输入刀补数据时给的是负值，则G41、G42互相转化。 (4) G41、G42指令不要重复规定，否则会产生一种特殊的补偿。2.6.3 刀具参数的设置输入 从控制软件菜单表中按F2、F3、F4等选任一种工作方式，都会出现“刀具参数”菜单项，按F2键切入到“刀具参数”下层菜单，即可看到其中有“刀具偏置”“几何补偿”和“磨损补偿”等功能设定项。如再按F2键选择“刀具偏置”，则屏幕显示如图2-45所示。 1刀偏数据的测定 事实上，这里所称的刀偏数据就是前面所讲到的各刀具相对于基准刀具的几何补偿。可通过下述方法获得其偏置数据。 (1) 用点动或步进操作移动拖板并结合旋动小刀架手柄，使基准刀具的刀尖对准工件上的一基准点(如右端面轴心)，按F7、F9键使屏幕上显示的X轴、Z轴坐标清零，再点动使刀具