数控加工的程序编制

1 第二章 数控加工的程序编制 1 程序编制的基本概念 2 数控车 铣床的程序编制 3 计算机零件程序编制 掌握 程序编制的基本概念 理解 计算机辅助编程的基本方法 掌握 简单的手工编程方法 第第 2 章章 数控加工程序数控加工程序 2 2 1 1 程序编制的基本概念程序编制的基本概念 一 数控编程的方法一 数控编程的方法 1 手工编程 手工编程是指在编程的过程中 全部或主要由人工进行 对于加工形状简单 计算量 小 程序不多的零件 采用手工编程较简单 经济 效率高 2 自动编程 APT 语言 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 Automatically Programmed Tool 是编程人员根据零 件图纸要求用一种直观易懂的编程语言 包括几何 工艺等语句定义 手工编写一个简短 的零件源源程序 然后输给计算机 计算机经过翻译处理和刀具运动轨迹处理 再经过后置 处理 自动生成数控系统可以识别的加工程序 由此可见 APT 语言不能直接控制机床 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 Sculptured Surface 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炼 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 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 APT 语言格式举例 点的定义 点的定义 P POINT 10 20 15 直线的定义 直线的定义 L LINE 16 8 0 16 32 0 机床主轴转数及旋转方向的定义 机床主轴转数及旋转方向的定义 SPINDL n CLW 轮廓加工的外容差和内容差的定义 轮廓加工的外容差和内容差的定义 OUTTOL INTOL 刀具起始点为刀具起始点为 P From P 刀具从刀具从 P 点以最短距离运动向点以最短距离运动向 L 运动 直至与运动 直至与 L 相切 相切 GO TO L 2 这里用这里用 语言语言 编写的源程序和手工编程的加工程序有本质差别编写的源程序和手工编程的加工程序有本质差别 手工编程的加工程序可直接控制数控机床手工编程的加工程序可直接控制数控机床 进行零件加工进行零件加工 自动编程的源程序要经编译处理后才可被数控机床接受自动编程的源程序要经编译处理后才可被数控机床接受 3 CAD CAM 采用人机交互功能的计算机图形显示器 在图形显示系统软件和图像编程应用软件的 支持下 只要给出一些必要的工艺参数 发出相应的命令或 指点 菜单 然后根据应用 软件提示的操作步骤 实时 指点 被加工零件的图形元素 就能得到零件的各轮廓点的 位置坐标值 并立即在图像显示屏上显示出刀具加工轨迹 再连接适当的后置处理程序 就能输出数控加工程序单 这种编程方法称为计算机图像数控编程 Computer Graphics Aided NC Programming 简称图像编程 图像编程是目前主要的自动编程方式 国内外图形交互自动编程软件的很多 流行的 集成 CAD CAM Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing 系统大都具 有图形自动编程功能 以下是目前市面上流行的几种 CAD CAM 系统软件 1 Pro Engineer 简称 Pro E 软件 Pro E 是美国 PTC 公司开发的机械设计自动 化软件 也是最早实现参数化技术商品化的软件 在全球拥有广泛影响须我国也是使用最 为广泛的 CAD CAM 软件之一 2 UG 软件 UG 是美国 EDS 公司的产品 多年来 该软件汇集了美国航空航天 以 及汽车工业丰富的设计经验 发展成为一个世界一流的集成化 CAD CAE CAM 系统 在世界 和我国都占有重要的市场份额 3 Solidworks 软件 Solidworks 公司的 CAD CAM 系统从一开始就是面向微机系 统 并基于窗口风格设计的 同时它采用了著名的 Parasolid 为造型引擎 因此该系统的 零件图样零件图样 编写零件编写零件 源程序源程序 制定工艺过程制定工艺过程 前置处理前置处理 后置处理后置处理 加工程序单或纸带加工程序单或纸带 翻译程序翻译程序 数值计算数值计算 按自动编程系统规定的按自动编程系统规定的 语言语言 描述被加工零件的几何描述被加工零件的几何 形状形状 加工时刀具相对于工件的运动轨迹加工时刀具相对于工件的运动轨迹 刀具中心轨迹计算刀具中心轨迹计算 选用设计工夹具选用设计工夹具 安排工艺路线安排工艺路线 选择工艺参数选择工艺参数 刀位数据刀位数据 将刀位数据及工艺参数等信息转换成数控机床要求的将刀位数据及工艺参数等信息转换成数控机床要求的 指令代码指令代码 NC 接口接口 图 2 1 APT 自动编程的基本步骤 3 性能先进 主要功能几乎可以和上述大型 CAD CAM 系统相媲美 4 MasterCAM 软件 MasterCAM 是美国 CNC Software NC 公司研制开发的一套 PC 级套装软件 可以在一般的计算机上运行 它既可以设计绘制所要加工的零件 也可以 产生加工这个零件的数控程序 还可以将 AutoCAD CADKEY SolidWorks 等 CAD 软件绘制 的图形调入到 MasterCAM 中进行数控编程 该软件简单实用 5 Catia 软件 5 国内市场信誉较好的 CAD CAM 软件有北航海尔软件有限公司开发 CAXA 和广州红 地公司推出的金银花系统 4 语音编程 语音数控自动编程是利用人的声音作为输入信息 并与计算机和显示器直接对话 令 计算机编出加工程序的一种方法 语音编程系统的构成 如图 2 1 所示 编程时 程编员 只需对着话筒讲出所需的指令即可 编程前应使系统 熟悉 编程员的 声音 即首次 使用该系统时 编程员必须对着话筒讲该系统约定的各种词汇和数字 让系统记录下来并 转换成计算机可以接受的数字指令 小型话筒 显示器 打字机 键盘 外部设备计算机 预信息处理机 5 视觉系统编程 采用计算机视觉系统来自动阅读 理解图样 由程编员在编辑过程中实时给定起刀点 下刀点和退刀点 然后自动计算出刀位点的有关坐标值 并经后置处理 最后输出数控加 工的程序单 视觉系统编程首先由图样扫描器 常用的 CCD 传感器扫描器和扫描鼓两种 扫描图样 取得一幅图像 对该图像进行预处理是为了校正图像的几何畸变和灰度畸变 并将它转化为易处理的二值图像 同时作断口校正 几何交点部分检测 细线化处理 以 消除输入部分分辨率的影响 然后分离并识别图样上的文字 符号 线划等元素 并记忆 它们之间的关系 对线划还需进行矢量化处理 并用直线或曲线拟合 得到端点和分支点 将这些信息综合处理 确定图样中每条线的意义及其尺寸大小 最后作编辑处理及刀位点 坐标计算 再连接适当的后置处理 就能输出数控加工程序单 视觉系统在编程时不需要 零件源程序和编程员 只要事先输入工艺参数即可 操作简单 能直接与 CAD 的数据相 连接 实现高度自动化 下面主要讲解手工编程方法 手工编程方法步骤手工编程方法步骤 分析工件的零件图及技术要求 确定 工艺路线 计算刀具轨迹坐标 用数控代码编程 二 程序代码二 程序代码 国际标准化组织 ISO international standard organization 图 2 2 语音编程系统的构成 4 美国电子工业协会 EIA electronic industries association 国际上通用的数控代码有 ISO EIA 两种 穿孔纸带的系统已过时 三 程序结构三 程序结构 A 加工程序由若干个程序段组成 B 程序段由一个或若干个指令字组成 字是数控程序的最小单位 C 每个指令字由地址符和数字组成 字 地址结构 代表机床的一个位置或一个动作 地址符由字母组成 每个字母 数字 符号 正负号 称为字符 D 程序的起始符 E 程序结束符 M02 或 M30 F 每一行程序以分号结尾 G 注释符 括号 内或分号 后的内容为注释文字 表 2 1 程序段结构 字字字字字字 地址数值地址数值地址数值 例如G 01Z 40F 500 注释直线插补 Z 轴位移或终 点位置 40mm 进给速度 500mm min 具体要求 1 1 程序名 程序名 格式 O 说明 1 O 文件名首字母 如 O001 O002 2 O1 O01 O001 O0001 等价 3 范围 O1 O7999 用户区 O8000 O8999 用户区 加密 加锁 O9000 O9999 扩展区 厂方修改 2 2 顺序号 顺序号 标识作用 标识作用 格式 N 注释 说明 1 范围 N1 N9999 2 N1 N01 N001 N0001 等价 3 3 准备功能 简称 准备功能 简称 G G 功能 功能 由地址符 G 和两位数字组成 G01 G02 等等 G 功能的 代号已标准化 4 4 尺寸字 坐标字 尺寸字 坐标字 由坐标地址符和数字组成 各组数字必须有作为地址代码的字母开 头 X Y Z U V W P Q R A B C D E I J K 5 其中 X50 X50 0 在相对坐标编程时 都表示沿 X 轴移动 50mm X50000 5 5 进给功能字 进给功能字 F F 由进给地址符和数字组成 单位一般为 mm min 或 mm r F 指令表示刀具中心运动时的进给速度 由 F 和其后的若干数字组成 数字的单位取 决于每个系统所采用的进给速度的指定方法 具体内容见所用机床的编程说明书 注意事项如下 1 当编写程序时 第一次遇到直线 G01 或圆弧 G02 G03 插补指令时 必须编写 进给率 F 如果没有编写 F 功能 CNC 采用 F0 当工作在快速定位 G00 方式时 机床将 以通过机床轴参数设定的快速进给率移动 与编写的 F 指令无关 2 F 指令为模态指令 实际进给率可以通过 CNC 操作面板上的进给倍率旋钮 在 0 120 之间调整 6 6 主轴转速功能字 主轴转速功能字 S S 由主轴地址符和数字组成 单位为 r min S 指令表示机床主轴的转速 由 S 和其后的若干数字组成 其表示方法有以下三种 转速 S 表示主轴转速 单位为 r min 如 S1000 表示主轴转速为 1000r min 线速 在恒线速状态下 S 表示切削点的线速度 单位为 m min 如 S60 表示切削点的线速度 恒定为 60 m min 代码 用代码表示主轴速度时 S 后面的数字不直接表示转速或线速的数值 而只是主轴 速度的代号 如某机床用 S00 S99 表示 100 种转速 S40 表示主轴转速为 1200r min S41 表示主轴转速为 1230r min S00 表示主轴转速为 0r min S99 表示 最高转速 7 7 刀具功能字 刀具功能字 T T 由刀具地址符和数字组成 数字表示刀具库中刀具号 刀具和刀具参数的选择是数控编程的重要内容 其编程格式因数控系统不同而异 主 要格式有以下两种 采用 T 指令编程 由 T 和数字组成 有 T 和 T 两种格式 数字的位数由所用数控系统决定 T 后面的数字用来指定刀具号和刀具补偿号 例如 T04 表示选择 4 号刀 T0404 表示选择 4 号刀 4 号偏置值 T0400 表示选择第 4 号刀 刀具偏置取消 采用 T D 指令编程 利用 T 功能选择刀具 利用 D 功能选择相关的刀偏 在定义这两个参数时 其编程的顺序为 T D T 和 D 可以编写在一起 也可以单独 编写 例如 T4 D04 表示选择 4 号刀 采用刀具偏置表第 4 号的偏置尺寸 D12 表示 仍用 4 号刀 采用刀具偏置表第 12 号的偏置尺寸 T2 表示选择 2 号刀 采用与该刀具 相关的刀具偏置尺寸 6 8 8 辅助功能字 辅助功能字 M M 由辅助操作地址符和两位数字组成 M 功能的代码已标准化 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 功能有非模态 M 功能和模态 M 功能二种形式 非模态 M 功能 当段有效代码 只在书写了该代码的程序段中有效 模态 M 功能 续效代码 一组可相互注销的 M 功能 这些功能在被同一组的另 一个功能注销前一直有效 如 M02 或 M30 M03 M04 M05 等 模态 M 功能组中包含一个缺省功能 系统上电时将被初始化为该功能 M 功能还可分为前作用 M 功能和后作用 M 功能二类 前作用 M 功能 在程序段编制的轴运动之前执行 后作用 M 功能 在程序段编制的轴运动之后执行 M00 M02 M30 M98 M99 用于控制零件程序的走向 是 CNC 内定的辅助功能 不由机床制造商设计决定 也就是说 与 PLC 程序无关 其余 M 代码用于机床各种辅 助功能的开关动作 其功能不由 CNC 内定 而是由 PLC 程序指定 所以有可能因机床 制造商不同而有差异 使用时须参考机床使用说明书 常用的 M 指令功能及其应用如下 1 程序停止 指令 M00 功能 执行完包含 M00 的程序段后 机床停止自动运行 此时所有存在的模态信息保持 不变 用循环启动使自动运行重新开始 对于 Fanuc 系统 M00 为程序无条件暂停指令 程序执行到此进给停止 主轴停转 重 新启动程序 必须先回到 JOG 状态下 按下 CW 主轴正转 启动主轴 接着返回 AUTO 状 态下 按下 START 键才能启动程序 2 程序计划停止 指令 M01 功能 与 M00 类似 执行完包含 M01 的程序段后 机床停止自动运行 只是当机床操作 面板上的任选停机的开关置 1 时 这个代码才有效 M00M00 和和 M01M01 常常用于加工中途工件尺寸的检验或排屑 常常用于加工中途工件尺寸的检验或排屑 3 主轴正转 反转 停止 指令 M03 M04 M05 功能 M03 M04 指令可使主轴正 反转 与同段程序其它指令一起开始执行 M05 指令 可使主轴在该程序段其它指令执行完成后停转 格式 M03S M04S M05 说明 数控机床的主轴转向的判断方法是 对于铣床而言 沿 Z 方向看 从主轴头向 工作台看 顺时针方向旋转为正转 逆时针方向旋转为反转 对于车床 沿着 Z 方向看 从主轴向尾座看 顺时针方向旋转为正转 逆时针方向旋转为反转 4 换刀 7 指令 M06 功能 自动换刀 用于具有自动换刀装置的机床 如加工中心 数控车床 格式 M06T 说明 当数控系统不同时 换刀的编程格式有所不同 具体编程时应参考操作说明书 5 程序结束 指令 M02 或 M30 功能 1 M02 为主程序结束指令 执行到此指令 进给停止 主轴停止 冷却液关闭 但程序光标停在程序末尾 2 M30 为主程序结束指令 功能同 M02 不同之处是 光标返回程序头位置 不管 M30 后是否还有其他程序段 说明 该指令必须编在最后一个程序段中 对于 BEIJING FANUC 0i系统 一般情况下 在一个程序段中仅能指定一个 M 代码 但 是 设定参数 No 3404 7 M3B 1 时 在一个程序段中一次最多可以指定三个 M 代码 O0001 N0001G90G54G00X0Y0Z100 0S300M03 N0002G00X0Y 50 0 N0003G01Z 50 0F100 N0004X100 0 N0005Y50 0 N0006X 100 0 N0007Y 50 0 N0008X0 N0009Z100 0 N0010Y0M05 N0011M30 图 2 3 程序格式构成 8 图 2 4 右手笛卡儿直角坐标系 2 2 2 2 程序的编制程序的编制 一 机床坐标系和工件坐标系的建立一 机床坐标系和工件坐标系的建立 数控机床的坐标系规定已标准化 按右手直角坐标系确定 假定工件静止 通过刀具相对工件的移动来确定机床各坐标轴 的方向 右手笛卡尔坐标系 标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔 坐标系 用右手螺旋法则判定 如图 2 2 所示 右手的拇指 食指 中指互相垂直 并分别代表 X Y Z轴 围绕 X Y Z轴的回转运动分别用 A B C表示 其正向用 右手螺旋定则确定 与 X Y Z A B C相反的方向用带 的 X Y Z A B C 表示 难点理解 难点理解 1 1 机床坐标系是针对刀具而言的 假定工件不动 刀具运动 机床坐标系是针对刀具而言的 假定工件不动 刀具运动 2 2 机床坐标系符合右手定则 机床坐标系符合右手定则 3 3 按下操作面板上的 按下操作面板上的 则刀具相对于工件向 则刀具相对于工件向 X X 方向运动 方向运动 1 1 机床坐标系机床坐标系 a a 机床原点 机床原点 机床坐标系的原点也称为机床原点 又称机械原点 或者机床零点 在机床经过设计制 造和调整后这个原点便被确定下来 是由机床生产厂家设置的一个固定不变的基准点 在机 床说明书上有说明 一般地对于铣床来说 机械原点的位置是各坐标轴的正向最大极限处 数控装置通电后通常要进行回参考点操作 以建立机床坐标系 参考点可以与机床零点重 合 也可以不重合 通过参数来指定机床参考点到机床零点的距离 机床回到了参考点位 置也就知道了该坐标轴的零点位置 找到所有坐标轴的参考点 CNC 就建立起了机床坐标 系 参考点可以通过调整挡块被改变 图 2 6 铣床的机床原点 X 图 2 5 车床的机床原点 9 b b 机床坐标系 机床坐标系 先确定先确定 Z 轴轴 在标准中 规定平行于机床主轴的刀具运动坐标轴为 Z 轴 取刀具远离 工件的方向为正方向 Z 当机床有多个主轴时 选一个垂直于工件装夹面的主轴为 Z 轴 再确定再确定 X 轴轴 X 轴为水平方向 且垂直于 Z 轴并平行于工件的装夹面 对于工件做旋 转运动的机床 取平行于横向滑座的方向为刀具运动的 X 轴坐标 同样 取刀具远离工件 的方向为 X 的正方向 对于刀具做旋转运动的机床 当 Z 轴为水平方向时 沿刀具主轴后 端向工件方向看 向右为 X 轴的正方向 如 Z 轴是垂直的 则从主轴向立柱看时 对于单 立柱机床 X 轴的正方向指向右边 对于双立柱机床 当从主轴向立柱看时 X 轴向的正 方向指向右边 上述的正方向都是刀具相对于工件运动而言 最后确定最后确定 Y 轴 轴 在确定了 X Z 正方向后 可以按照右手直角笛卡儿坐标系确定 Y 轴 的正方向 2 参考点 参考坐标系参考点 参考坐标系 数控装置上电时并不知道机床原点 为了正确