第一章 数控编程与加工技术基础.ppt

数控加工与编程技术 任课教师 朱火美电话 542943宁波大红鹰学院机电学院 引言 21世纪制造业的竞争 实质上是数控技术的竞争 数控技术也是关系我国制造业发展和综合国力提高的关键 数控技术覆盖的领域 1 机械制造技术 2 信息处理 加工 传输技术 3 自动控制技术 4 伺服驱动技术 5 传感器技术 6 软件技术 东芝事件 本课程的主要内容 第一章数控编程基础第二章数控铣削编程技术第三章数控车削编程技术第四章数控编程实例第五章CAD CAM技术 教学方法与考核方式 教学方法课堂教学实践教学学生自学 考核方式期末考试 60 平时成绩 40 作业考勤上机实践 本课程的学习方法 1 基础知识学习 数控加工原理 数控加工工艺 数控程序等方面 2 数控编程技术学习 加强数控编程与加工练习 通过软件进行仿真训练 3 充分利用图书馆资源 网络资源 提高自学能力和学习兴趣 4 注意相关课程知识的复习 熟练掌握金属材料 刀具材料选择 制图知识 公差测量 机械加工工艺 切削参数确定等 第一章数控编程基础 一 数控加工的基础知识二 数控加工坐标系及参考点三 程序的结构与组成四 数控加工工艺设计 主要内容 第一讲数控加工的基础知识 一 数控编程的概念二 数控技术的优点三 数控编程的内容与方法 一 数控编程的概念 随着制造业的不断发展 对机械产品的生产设备提出了 三高 要求 即高性能 高精度和高自动化 通用机床仿形加工存在不足数控机床应运而生 专用设备社会需求是推动生产力发展最有利的因素 1基本概念 什么是数控加工 数控加工 NumericalControlManufacturing 将零件图形和工艺参数 加工步骤等以数字信息的形式 编成程序代码输入到机床控制系统中 进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号 从而控制机床各部件协调动作 动地加工出零件来 2数控加工原理框图 3数控机床加工零件的过程 4数控机床的组成 输入输出装置 计算机数控装置 伺服系统 检测元件 机床本体 5数控机床的应用范围 1 多品种 小批量零件 2 结构较复杂 精度要求较高的零件 3 需要频繁改型的零件 4 价格昂贵 不允许报废的关键零件 5 需要最小生产周期的急需零件 零件的加工主要有以下几个步骤 1 零件图的工艺分析 2 加工方法的选择 3 零件的装夹及切削刀具的选择 4 切削用量的确定 5 切削工件 二 数控技术的优点 1数控加工与传统加工的比较 两者基本步骤相同 主要的区别在于各种数据输入方式的不同 传统加工方法 由于人为因素 加工的零件有较大的不一致性 数控加工 一旦零件程序验证无误 即可行反复多次使用 可以获得更好的零件加工的一致性 2 数控加工的优点 1 缩短加工准备时间2 缩短零件的装夹时间 简化零件的安装3 提高零件加工的精度和重复精度4 可以进行复杂轮廓外形零件加工5 提高切削有效时间的一致性6 提高零件加工的生产效率 三 数控编程内容与方法 程序编制 从零件图样分析开始 到获得数控机床所需的加工程序 或控制介质 的过程 即将零件的加工信息 加工顺序 零件轮廓轨迹尺寸 工艺参数及辅助动作等 用规定的文字 数字 符号组成的代码按一定的格式编写加工程序单 并将程序单的信息变成控制介质的整个过程 1零件程序编制的内容与步骤 程序编制的一般步骤 图纸工艺分析对图纸进行工艺分析 选定机床 加工方法 刀具与夹具 确定零件加工的工艺线路 工步顺序及切削用量等工艺参数 数控机床加工 计算运动轨迹根据零件的几何尺寸及确定的加工路线 切削用量和刀具半径补偿方式等 计算刀具的运动轨迹 计算出数控机床所需输入的刀位数据 主要包括计算零件轮廓的基点和节点坐标等 错误 数控机床加工 编制程序根据制定的加工路线 切削用量 刀具号码 刀具补偿 辅助动作及刀具运动轨迹 按照数控系统规定指令代码及程序格式 编写零件加工程序 并进行初步校核 检查 错误 数控机床加工 输入程序将编制好的程序输入数控系统 1 手动数据输入2 用控制介质输入3 通过机床的通信接口输入 错误 数控机床加工 程序的校验和试切程序输入后 必须经过进一步的校验和试切削 证明正确无误 才能用于正式加工 1 空运转检验2 以笔代刀 画图模拟加工3 首件试切加工 错误 数控机床加工 2程序编制的方法 可分为手工编程和计算机辅助编程 而计算机辅助编程又分为数控语言自动编程 交互图形编程和CAD CAM集成系统编程等多种 手工编程 整个编程过程由人工完成 对编程人员要求高 适用于 点位加工 几何形状不太复杂的零件 不足 繁琐 费时 易产生错误 优点 快捷 简便 经济 数控语言自动编程 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 各种数据的处理 计算和编程均由计算机来完成 适用于 形状复杂的零件虽不复杂但编程工作量很大的零件 如有数千个孔的零件 虽不复杂但计算工作量大的零件 如轮廓加工时 非圆曲线的计算 1 CAD CAM软件所具有的基本功能 1 三维造型功能 2 参数管理功能 3 刀位点的计算 4 动态仿真 5 刀具轨迹的编辑与修改 6 后置处理 7 生成工艺文件 CAD CAM系统自动编程 2 CAD CAM系统编程的基本步骤 1 建立CAD模型 2 加工工艺分析与规划 3 模型修改 4 参数设置 5 刀具轨迹 6 刀位验证及编辑修改 7 后置处理 3 CAD CAM软件系统编程特点 1 数据处理能力强 可以处理各种复杂零件特别是空间曲面 2 高效快速的生成数控加工程序 3 灵活多变的后置处理 4 程序自检 纠错能力强 5 与数控系统通讯非常便捷 第二讲数控加工坐标系及参考点 机床坐标系机床坐标系 为了确定机床的运动方向和移动距离 在机床上建立的一个坐标系 是机床上固有的坐标系 具有唯一性 机床原点 机床零点 机械零点 M 机床坐标系的原点 它是机床上的一个固定的点 由制造厂家确定 数控车床的机床原点多定在主轴前端面的中心 数控铣床的机床原点多定在进给行程范围的正极限点处 但也有的设置在机床工作台中心 使用前可查阅机床用户手册 机床参考点 机械原点 R 与机床坐标系相关的另一个点 指机床各运动部件在各自正方向自动退至极限的一个固定点 至参考点时所显示的数值则表示参考点与机床零点间的工作范围 XR YR与ZR数值即被记忆在CNC系统中并在系统中建立了机床零点 作为系统内运算的基准点 每次开机启动后 或当机床因意外断电 紧急制动等原因停机而重新启动时 都应该先让各轴返回参考点 进行一次位置校准 以消除上次运动所带来的位置误差 机床参考点 1 数控机床的标准坐标系采用笛卡儿直角坐标系 X Y Z三者的关系及其正方向用右手法则判定 围绕X Y Z各轴的回转运动坐标分别为A B C表示 正方向用右手螺旋法则判定 2 采用假设工件固定不动 刀具相对工件移动的原则 3 正方向的确定原则 增大刀具与工件之间距离的方向为各坐标轴的正方向 反之则为负方向 1 坐标系的确定原则 2 各坐标轴的确定 1 Z轴规定 以传递切削动力的主轴定为Z轴 当机床没有主轴 牛头刨床 或者有多个主轴 则取垂直于工件装夹面的主要轴为Z轴 Z轴的正方向取刀具远离工件的方向 即从工件到刀具夹持的方向 对于钻 镗类加工机床 钻入或镗入方向均是 Z方向 2 X轴规定 X轴为水平方向且垂直于Z轴并平行于工件装夹面 对于工件旋转运动的机床 车床 磨床 取平行于横向滑座的方向 工件径向 为刀具运动的X坐标 取刀具远离工件的方向为正方向 对于刀具旋转运动的机床 如铣床 镗床 Z轴水平 由刀具主轴向工件看 X轴正方向指向右边 Z轴垂直 由刀具向立柱看 X轴正方向指向右边 无主轴的机床 如刨床 X轴正方向平行于切削方向 3 Y轴Y轴与X Z轴垂直 利用已确定的X Z坐标的正方向 用右手定则或右手螺旋法则 确定Y坐标的正方向 右手定则 大姆指指向 X 中指指向 Z 则 Y方向为食指指向 右手螺旋法则 在XZ平面 从Z至X 姆指所指的方向为 Y 典型机床的坐标系 卧式车床坐标系 典型机床的坐标系 Z X Y 立式铣床坐标系 典型机床的坐标系 六轴加工中心 工件坐标系 编程坐标系 以工件参考点为原点建立的一个坐标系 编程时 所有的尺寸都基于此坐标系计算 其与机床坐标系的关系 相当于机床坐标系平移到某一点 2 工件坐标系 工件参考点 工件坐标系的原点 也叫编程零点 为编程方便在零件 工装夹具上选定的某一点或与之相关的点 一般选择工件图样上的设计基准作为编程零点 车床程序原点位置 车床上程序原点选则只考虑两根轴 轴和 轴 轴程序原点必须在主轴中心线上 轴程序原点一般有三种方式 卡盘表面钳爪表面工件表面 工件坐标系和机床坐标系是不同的两个坐标系 编程时是按照工件坐标系的 而数控机床的加工却要用的机床坐标系来确定位置 这就需要我们将工件坐标系和机床坐标系联系起来 在数控技术中 我们是通过对刀来做到这一点的 注意 机床坐标系不作为编程坐标系 仅作为工件坐标系的参考坐标系 3 对刀和换刀 刀具参考点 刀位点 刀具上表示刀具特征的基准点 为数控编程中表示刀具编程位置的坐标点 起刀点 程序开始执行时的刀位点 对刀点 确定刀具与工件相对位置的点 对刀点始终是刀具相对工件运动的起点 对刀点可以是工件或夹具上的点 或者与它们相关的易于测量的点 对刀 使 对刀点 与 刀位点 重合的操作 选择对刀点的原则 1 便于数学处理和程序编制简单 2 在机床上容易找正 3 加工过程中便于测量检查 4 引起的加工误差小 对刀点应尽量选择在工件的设计基准或工艺基准上 以提高精度 工件坐标系原点 以数控车床加工为例 选择对刀点 常用对刀仪 机械对刀仪对刀 光学对刀仪对刀 第三讲程序的结构与组成 1 基本编程术语2 数据的尺寸输入格式3 程序的结构4 子程序 1 字符 CNC程序中的最小的单元 有三种形式 1 基本编程术语 数字程序中可以使用0 9十个数字 有两种使用模式 一种是整数值 一种是实数 字母英文字母都可以用来编程 但大多数数控系统只接受特定的字母 符号最常见的符号是小数点 负号 百分号 圆括号等 2 程序字 程序字由字符 字母 数字和符号 组成 并形成控制系统中的单个指令 例如G01 F100 S100 3 程序段 数控加工程序中的一句 用来指令机床执行某一个动作或一组动作 每个程序段由若干个程序字组成 每一程序段必须单独占一行 4 程序 CNC程序通常以程序号开始 后面紧跟以逻辑顺序排列的程序段 以程序结束指令结束 2 数据的尺寸输入格式 1 满地址格式例如尺寸0 65mm应用到X轴上时写成X00000650 2 前置零消除格式与后置零消除格式前置零消除格式 尺寸0 65mm应用到X轴上时写成X650 后置零消除格式 尺寸0 65mm应用到X轴上时写成X0000065 3 小数点格式所有现代控制系统的尺寸输入都使用小数点 如公制X1000 0 系统编译认为输入的就是X轴坐标值1000mm 3 程序的结构 一个完整的数控加工程序 由程序号 程序主体内容 程序结束指令三部分组成 加工程序 O0001N01G90 N02G92X40Z20 N03G00X21Z0 N04G01X0F100 N05G00Z1 N06X20 N07G01Z 30F200 N08X30 N09Z 50 N10X40 N11G00X40Z20 N12M02 程序主体内容 程序号 程序结束 数控机床上加工阶梯轴 1 程序名称 程序号 放在程序之首 表示程序开始 程序号使用O地址 程序号的允许范围是1 9999 不允许使用小数点和负号 2 顺序号 程序段号 顺序号位于程序段之首 以便程序段在程序中进行定位 程序段号的地址号是字母N 格式一般为 N 即后面可跟多达5位的数字 顺序号只是程序段的名称 与程序的执行顺序无关 3 程序段的跳转 在程序中使用功能符号 来表示 在机床控制面板上设置了程序段跳过功能 该功能设为开 表示忽略跟在斜杠后的所有程序指令 设为关 表示执行所有程序段指令 程序段跳转主要用在以下几个方面 1 各种毛坯的切削2 改变加工模式3 用于测量的试切4 程序校对 4 准备功能 由G代码表示 将控制系统设置为某种预期的状态 或者某一种加工模式 指令中的数字一般是两位正整数 G代码基本规则 1 模态 非模态 2 程序段中的指令冲突问题 3 G代码顺序 4 G代码分组 P21 P24 5 辅助功能 由地址符M和其后的二位数字组成 控制机床某一辅助动作 1 强制程序停止M00 M00程序无条件停止 关闭机床所有的自动操作 如主轴 进给 冷却液等 模态信息保持不变 重新按下启动键 程序恢复自动执行 若与运动指令编写在一起 则M00将在运动完成后生效 注意 只有在手动干涉时使用M00 2 可选择程序停止M01 M01与机床控制面板上可选择停止开关按钮选择按钮配合使用 常用于关键尺寸的抽样检查或需要临时停车 3 程序结束M02与M30 这两个指令功能类似 取消所有轴的运动 主轴旋转 冷却液开关 且将系统重新设置为缺省状态 但二者存在区别 M02 终止程序 光标停在程序结束处 M30 终止程序 光标返回到程序开头第一句 可直接再次运行 4 主轴正转M03 反转M04 停转M05 铣削机床 沿主轴中心线 垂直于工件表面往下看 顺时针为M03 逆时针为M04 车床 从床头箱向主轴端面来看 顺时针为M03 逆时针为M04 主轴地址S和主轴旋转功能M03或M04必须同时使用 注意 需要换刀或主轴反转时 必须先停止主轴 5 换刀指令M06 1 N G28Z M06T 程序 N0110G01X Y Z M06T01 N0120 N0130 N0140G28Z M06T02 N0150 N0160 N0170G28Z M06 2 N G28Z T M06 程序 N0110G01X Y Z M03S N0120 N0130G28Z T02M06 T 刀具功能 编程时的两种换刀方法 6 切削液开M08 关M09 M08 打开冷却液 以实现对工件的冷却 排屑以及润滑 M09 关闭冷却液功能 注意 M08与运动指令编写在一起 和轴的运动同时有效 M09和轴的运动指令编写在一起 将在轴运动完成以后有效 冷却液不可以喷到高温的刀具切削刃上 否则易导致刀具的破损 故应该在实际切削程序段的前几个程序段中使用M08指令 6 主轴功能 控制主轴的转速大小和旋转方向 由地址码S及后续若干位数字组成 单位为r min 例如 S3000表示主轴转速为3000r min S地址的编程范围是1 9999 而且不能使用小数点 注意 主轴S功能必须和控制主轴旋转方向的辅助功能M03和M04配合使用 7 进给率控制功能 用于指定刀具的进给速度 由地址码F及其后续数值组成 允许使用小数 进给率有两种类型 每分钟进给和每转进给 1 每分钟进给 用于铣床和加工中心 2 每转进给 用于车床 4 子程序 在编程中子程序经常用在以下场合 重复的加工运动 多孔分布加工 凹槽加工 螺纹加工 与换刀相关的功能等 子程序格式 O 子程序号 M99 子程序内容 返回主程序 M99可以不必出现在一个单独的程序段中 如G90G00X0Y100 M99 在主程序中 调用子程序的程序段格式如下 M98P 调用次数子程序号 M98P51002 调用1002号子程序 重复5次 M98P1002 调用1002号子程序 重复1次 M98P50004 调用4号子程序 重复5次 子程序调用指令可以和运动指令出现在同一程序段中 如 G90G00X 75 Y50 Z53 M98P40035 在M99返回主程序指令中 用地址P来指定一个顺序号 如下例 这种主 子程序的执行方式只有在程序存储器中的程序能够使用 M99指令也可出现在主程序中 大部分情况下 将该功能与可选跳段功能联合使用 如下例 N10 N20 N30 N40M99P20 N50 N60 N70M02 可选跳开关置于上位时 可选跳开关置于上位时 第四讲数控加工工艺设计 机械加工工艺是指用机械加工的方法改变毛坯的形状 尺寸 相对位置和性质使其成为合格零件的全过程 数控加工工艺是指用数字信息控制零件和刀具位移的自动化加工方法改变毛坯的形状 尺寸 相对位置和性质使其成为合格零件的全过程 一 数控加工工艺概述 1 数控加工工艺基本特点2 数控加工工艺分析的主要内容3 数控加工工艺分析的步骤与方法 1 数控加工工艺基本特点 1 工序内容更加具体 复杂 一 数控加工工艺概述 2 数控加工的工序相对集中 3 数控加工工艺要求更严密 精确 2 数控加工工艺分析的主要内容 1 选择并确定进行数控加工的零件及内容 2 零件图形的数值计算与编程尺寸的设定 3 分析被加工零件图样 明确加工内容和技术要求 选择合适的数控机床 确定加工方案 制定数控加工工艺路线 如工序的划分 加工顺序的安排与传统加工工序的衔接等 2 数控加工工艺分析的主要内容 4 设计数控加工工序 如工步的划分 零件的装夹 选择和设计刀具 夹具与量具 切削用量的确定等 5 编写 校验和修改加工程序 6 首件试切与现场问题的处理 7 数控加工工艺技术文件的定型与归档 3 数控加工工艺分析的步骤与方法 1 要保证加工零件的技术要求 2 有利于提高生产率 3 尽可能降低生产成本 1 数控机床的合理选用 3 数控加工工艺分析的步骤与方法 2 数控加工零件工艺性分析 1 数控加工零件图样分析 零件图上尺寸给出应符合编程方便的原则 2 零件的结构工艺性分析 加工部位结构工艺性应符合数控加工的特点 1 数控加工零件图样分析 包括哪些内容 1 尺寸标注方法分析 2 零件图样的完整性与正确性分析 3 零件技术要求分析 4 零件材料分析 1 尺寸标注方法分析1 尺寸标注应符合数控加工的特点2 用同一基准标注尺寸 定位基准可靠3 统一几何类型及尺寸 a b 零件尺寸标注方法示例 3 零件技术要求分析1 尺寸精度2 形状精度3 位置精度4 表面粗糙度5 热处理 4 零件材料分析1 满足零件功能要求2 廉价 切削性能好3 资源丰富 2 零件图样的完整性与正确性分析几何要素的条件应完整 准确 2 零件的结构工艺性分析 可行性 经济性 1 零件的内腔和外形采用统一的几何类型和尺寸 b 内槽结构工艺性 2 内槽圆角半径不应太小 3 槽底圆角半径不要过大 零件铣槽底平面圆弧对加工工艺的影响 4 应采用统一的基准定位 减少二次装夹产生的误差 5 注意零件设计的合理性 必要时 可对零件的结构形状与尺寸进行修改 修改原则 1 基本不改变零件性能 2 尽量使工序集中 提高精度与效率 3 利于采用标准刀具 减少刀具规格与种类 4 简化程序 减少编程工作量 5 减少机床调整 缩短辅助时间 6 保证定位刚度与刀具刚度 提高加工精度 3 加工方法的选择与加工方案的确定 机械零件的结构形状是多种多样的 但它们都是由平面 外圆柱面 内圆柱面或曲面 成形面等基本表面组成的 每一种表面都有多种加工方法 具体选择时应根据零件的加工精度 表面粗糙度 材料 结构形状 尺寸及生产类型等因素 考虑生产率和经济性的要求 选用相应的加工方法和加工方案 4 工序与工步的划分 工序的划分 两种原则 工序分散原则和工序集中原则 1 工序分散原则 将工件的加工分散在较多的工序内进行 每道工序的加工内容很少 2 工序集中原则 每道工序包括尽可能多的加工内容 从而使工序的总数减少 按粗 精加工划分工序 先粗后精 按所用刀具划分工序 按定位方式划分工序 工序可以最大限度集中 按加工部位划分工序 数控机床上的工序划分方法 工步的划分 先粗后精的原则 先面后孔的原则 先内后外的原则 按刀具划分工步的原则 5 零件的安装与夹具的选择 组成 定位装置 夹紧装置 夹具体和其它装置或元件分类 通用夹具 专用夹具 可调夹具 组合夹具等 平口虎钳 连杆加工专用夹具 1 选择合适的定位方式基准重合原则 夹具安装位置的定位基准与设计基准一致 定位方式应具有较高的定位精度 便于工件的安装 尽量减少装夹次数 尽可能实现一次装夹加工出全部待加工表面 选择 安装夹具时应注意 2 确定合适的夹紧方法注意夹紧力的作用点和方向 夹紧力作用点应靠近主要支撑点或在支撑点所组成的三角形内 力求靠近切削部位及刚性较好的地方 3 夹具结构要有足够的刚度和强度以减小其变形对加工精度的影响 6 刀具的选择与切削用量的确定 1 刀具的选择 数控机床具有高速 高效的特点 它对刀具的要求 具有高精度 切削性能好 高可靠性和耐用度 断屑 排屑可靠 可以快速更换 刀具具有标