第三章 数控编程基础 - 中国工控

第三章数控编程基础,3.1程序编制步骤3.2程序格式3.3主要功能指令3.4编程中的几个重要概念练习与思考,3.1程序编制步骤,所谓程序编制，就是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、工艺参数、加工路线及加工中需要的辅助动作，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，从而指挥数控机床加工。这种根据零件图样和加工工艺转换成加工指令并输入到数控装置的过程称为数控加工的程序编制。程序编制一般包括五个步骤：,分析零件图样确定加工工艺刀具运动轨迹的计算编写加工程序单程序输入程序校验和首件试切,一、分析零件图样确定加工工艺,加工工艺就是零件加工的方法和步骤。内容包括：1.确定加工方法2.排列加工工序（包括毛坯制造、热处理、和检验工序）3.确定定位装夹方法4.进退刀位置5.走刀路线和切削用量等6.合理地选用刀具及切削用量,1.加工方法,一个零件往往有多个可行的加工方案，编程人员应根据零件的尺寸精度、表面粗糙度、工件材料和热处理条件、工件的结构形状和尺寸大小、刀具的形状、机床的行程、零件的安装方法及编程的难易程度，本着合理、经济、可行的原则，选定一个比较好的加工方案，使其在加工过程中，在保证质量的前提下，得到较高的效率，并能充分发挥数控机床的功能。,2.加工工序,定位基准的选择是决定加工顺序的重要因素。在安排加工工序之前，应先找出零件的主要加工表面，并了解它们之间主要的相互位置精度要求。定位基准的选择对零件各主要表面的相互位置精度又有着直接的影响，一些彼此有较高精度要求的表面应尽量在一次安装下加工出来，这样可减少零件的安装误差对它们之间的相互位置精度的影响。,作为精基准的表面应提前加工。因此，当工序的定位基准初步确定之后，便可得到整个工艺过程加工顺序的大致轮廓。一般零件大致的加工顺序是：精基准的加工；主要表面的粗加工；次要表面的加工；主要表面的精加工；最终检查。简单地说，加工顺序是：粗加工全部完成之后再进行精加工。其好处是，粗切时可快速切除余量，精车时又可保证精度和表面粗糙度。,3.定位加紧方式,在数控加工中，即要保证加工质量，又要减少辅助时间，提高加工效率。要注意选用能准确和迅速定位并夹紧工件的装夹方法和夹具，尽量减少装夹次数，以减少定位误差，力争做到在一次装夹后，能加工出全部待加工表面，以充分发挥数控机床的效能。,4.进退刀位置,外轮廓加工时，铣刀的切入切出最好沿零件的周边外延，以保证零件轮廓的光滑，如果铣刀从法向直接切入零件，就会在零件外形上留下明显的刀痕。内轮廓加工时，应在远离切削刀位点一定距离处预先打一个垂直下刀孔，然后再以进给速度接近内轮廓的切削点位。在铣削圆弧时，应从圆弧的切线方向切入。若为整圆，加工完毕时不要在切点处直接退刀，要让刀具沿切线方向多走一段距离，以免取消刀补时，刀具与工件表面相碰撞，造成工件报废。,5.走刀路线,走刀路线与工件的加工精度和粗糙度直接相关。其确定原则是：使数值计算容易，以减少编程工作量；尽量使走刀路线最短，减少刀具空程距离和时间。铣削加工中顺铣和逆铣得到的表面粗糙度是不同的，精铣时应尽量采用顺铣，以利于提高零件的表面质量。,逆铣：指在铣刀与工件相切的点上，刀齿旋转的切线方向与刀具的进给方向相同。顺铣：指在铣刀与工件的相切点，刀齿旋转的切线方向与工件的进给方向相反。逆铣时，每个刀齿从切入至切出，其切削厚度由零增至最大值。由于刀齿的刃口不可能磨得绝对锋利，因而每个刀齿切入工件时，总是首先挤压已加工表面，并滑行一小段路程后才切入工件，这样不仅会使工件已加工表面产生硬化，影响表面质量，而且将加速刀具的磨损。此外，逆铣时，刀齿对工件作用力的垂直分力方向向上，这对压紧工件是个不利因素。但逆铣时，其进给运动比顺铣平稳，在工件表面硬度较高时宜采用逆铣。,顺铣时，每个刀齿的切削厚度由最大减小到零，切入时没有挤压和滑行现象，对减小刀齿磨损、工件表面硬化程度和表面粗糙度都比较有利。同时，刀齿对工件作用力的垂直分力方向向下，有利于压紧工件。由于顺铣时刀齿的水平分力与进给运动方向相反，刀齿忽大忽小的水平分力可能会使丝杠牙行与螺母之间忽而左侧出现间隙，忽而右侧出现间隙，导致丝杠与螺母传动时断时续。因此，顺铣时进给运动不平稳，容易发生扎刀或打刀事故。而逆铣则相反，进给运动非常平稳。,在加工内腔轮廓时：用行切法（见图3-2（a）则在每两次走刀的起点与终点处会留下残余高度。用环切法（如图3-2（b）虽可克服上述缺点，但计算量大。先用行切法，最后再环切一刀，可得到较好的效果，如图3-2（c）。,6.合理地选用刀具及切削用量,粗加工时每层的下刀深度应根据刀具及机床的刚度和加工零件的形状及材质而定，一般为25mm，余量为0.20.5mm，由精加工清理。刀径由内轮廓的圆弧半径决定，一般取内圆弧半径的5/108/10。,二、刀具运动轨迹的计算,数控机床对零件的加工是按照零件的几何图形分段进行的。编程前，需要对零件的几何图形进行分段，并根据所确定的工件坐标系，对几何元素之间的交点、切点及插补节点、圆心坐标等进行数值计算，以供编程时使用。,三、编写加工程序单,按照已经确定的加工顺序（其对加工精度和效率有很大的影响）、走刀路线、所用刀具、切削用量及辅助动作，按照所用数控机床规定的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加功程序单。对于加工过程比较复杂的工件还应附上必要的加工示意图、刀具卡片和刀具布置图、机床调整卡、工序卡及必要的说明。,四、程序输入,比较简单的或较短的程序可以用手工直接输入。比较复杂、比较长的程序需先脱机输入，检查无误后存入控制介质（磁盘、磁带或纸带）中，通过自动传输的方式，输入到数控装置中。,五、程序校验和首件试切,输入的程序必须进行校验，校验的方法有：启动数控机床，按照输入的程序进行空运转，即在机床上用笔代替刀具（主轴不转），坐标纸代替工件，进行空运转画图，检查机床运动轨迹的正确性。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。用易加工材料，如塑料、木材、石蜡等，代替零件材料进行试切削。,对程序校验中发现的程序错误，坐标值错误、几何图形错误等必须进行修改，修改之后，必须进行首件试切。即用实际的零件毛坯、实际的刀具及切削用量进行实际切削检查。它不仅可以查出程序单和控制介质的错误，还可以知道加工精度、表面粗糙度是否符合要求。当发现尺寸超差时，应分析原因，或修改程序，或改换、调整刀具或改变装卡方式，或进行尺寸补偿。首件试切之后，方可进行正式切削加工。,3.2程序格式,数控加工程序是由若干程序段构成。程序段是按照一定顺序排例、能使数控机床完成某特定动作的一组指令。指令由地址字符和数字所组成。一、程序段格式二、程序格式,一、程序段格式,简单地说，程序段是由地址、符号、数字等组成。其中，地址是由具有特定意义的字母表示；符号为数字前面的正负号，+号可以省略。在常用的控制系统中，程序段格式一般如下：N_G_X_Y_Z_I_J_K_T_H_S_M_F_；U_V_W_R_D_LF(或*、或$、或回车符),N表示程序段的顺序号，N0000N9999，有的控制系统可以省略程序段的顺序号。G表示准备功能指令，范围是G00G99，主要是控制刀具的走刀方式、补偿方式及加工环境的设定。详见表3-1。X、Y、Z为刀具的位移数据，其中，未发生改变的坐标分量可省略不写。U、V、W为刀具位移的增量坐标值。I、J、K为圆弧的圆心相对于圆弧起点的增量坐标值。R表示圆弧的半径，当圆弧大于180时，R用负值表示。注意：在程序中，R与I、J、K只能取其中一种，当用R表示圆弧半径时，则不能用I、J、K表示圆心的相对位置。反之依然。,T表示所选用的刀具，范围是T00T99。其中，T00表示空刀，T01T99表示刀具在刀具库中的顺序号。其常与M06配合使用，表示换刀操作。有的控制系统T后面有四位数字，其前两位表示刀具的顺序号，后两位表示刀具的补偿地址。H或D表示刀具的补偿地址，在地址中存放的是刀具半径补偿量或刀具长度补偿量。S表示主轴转速指令，用整数表示。单位是：转/分（即r/min或RPM）。M表示辅助功能指令，主要用于指定机床的操作方式和工作条件。如机床主轴的启停、冷却液的开关、主轴的旋转方向等。详见表3-2。F表示刀具进给指令，单位分别为：毫米/分或毫米/转（即mm/min或mm/r、又为MMPM或MMPR）。；、*、$、或LF是程序段结束的标志控制系统不同，结束标志也不尽相同，有的控制系统是直接以回车表示程序段的结束。,二、程序格式,一个完整的程序必须有三部分组成：1准备程序段2.加工程序段3.结束程序段,1准备程序段准备程序段是程序的准备部分，必须位于加工程序段的前面，其内容包括：1）程序号O01O99或%，有的数控系统可以没有程序号；2）确定输入方式G90或G91；3)工件坐标系的建立G92或G54G59中的任一个；4)刀具选取T_或T_；5）主轴转速与旋转方向S_、M03或M04；6）冷却液打开M08；7）刀具快速定位G00X_Y_；G00Z_；8）建立第一个刀具补偿点G41/G42或G43/G44。,2.加工程序段加工程序段是根据具体要加工零件的加工工艺，按刀具切削点位轨迹编写加工程序段的。3.结束程序段结束程序段一般包括以下内容：刀具快速回退到程序起点；主轴停转M05；冷却液关闭M09；取消刀具补偿G40或G49；程序结束代码M02或M30。注意当程序是以%开始时，程序的最后一行也应以%为结束标志。程序段的结束符号，在一个程序中应保持统一。,3.3主要功能指令,一、准备功能指令准备功能指令又称G代码指令，是使数控机床准备好某种运动方式的指令。如快速定位、直线插补、圆弧插补、刀具补偿、固定循环等。G代码由地址G及其后的两位数字组成。几点说明：准备功能指令的组准备功能指令的模态固定循环指令的禁忌缺省设置,1.准备功能指令的组准备功能指令按其功能分为若干组，不同组的指令可以出现在同一程序段中，如果两个或两个以上同组指令出现在同一程序段中，只有最后面的指令有效。2.准备功能指令的模态准备功能指令按其有效性的长短分属于两种模态：00组的指令为非模态指令；其余组的指令为模态指令。模态指令具有长效性、延续性，即在同组其它指令未出现以前一直有效，不受程序段多少的限制。而非模态指令只在当前程序段有效。,3固定循环指令的禁忌在固定循环指令中，如果使用了01组的代码，则固定循环将被自动取消或为G80状态（即取消固定循环）；但在01组指令中则不受固定循环指令的影响。4缺省设置缺省设置是指在机床开机时，控制系统自动所处的初始状态。注意：不同的控制系统，准备功能指令G代码的定义可能有所差异，在实际加工编程之前，一定要搞清楚所用控制系统每个G代码的实际意义。,二、辅助功能指令,辅助功能指令又称M代码指令，主要用于数控机床开、关量的控制。如主轴的正、反转，冷却液的开、停，工件的加紧、松开，程序结束等。数控机床控制系统常用的辅助功能指令：1.程序暂停指令M002.计划停止指令M013.程序结束指令M024.纸带结束指令M30,1程序暂停指令M00程序暂停指令M00可使主轴停转、冷却液关闭、刀具进给停止而进入程序停止状态。如果操作者要继续执行下面的程序，就必须按控制面板上的“循环启动”按钮。2计划停止指令M01计划停止指令M01功能与M00相同，但在程序执行前须按下“任选停止”或“计划停止”按钮，否则M01功能不起作用，程序将继续执行下去。,3程序结束指令M02程序结束指令M02能使主轴停转、冷却液关闭、刀具进给停止，并将控制部分复位到初始状态。可见，M02比M00的功能多了一项“复位”，它编在程序的最后一条程序段中，用以表示程序的结束。4纸带结束指令M30纸带结束指令M30能使主轴停转、冷却液关闭、刀具进给停止、将控止部分复位到初始状态并倒带。它比M02多了一个“倒带”功能。它的位置与M02相同，是程序结束的标志。只用于由纸带输入加工指令程序的方式。注意：M02与M30不能出现在同一程序中。,3.4编程中的几个重要概念,一、数控机床的坐标系统二、坐标计算单位三、位移指令方式四、暂停指令G04使用格式五、G27、G28、G29指令的区别六、定位指令G09、G60、G61、G64的使用,一、数控机床的坐标系统1.坐标代码2.数控机床的坐标系统3.工件坐标系的建立,1.坐标代码机床的运动形式是多种多样的，但编程时规定：把工件看成是固定的，运动的只是刀具。在数控铣、数控钻镗、加工中心、线切割等数控机床中，其机床坐标系和工件坐标系均为右手坐标系。其回转轴绕X轴为A向，绕Y轴为B向，绕Z轴为C向，方向的正负按右手螺旋法则确定，即迎着坐标轴方向，逆时针旋转为正向，顺时针旋转为负向。,2.数控机床的坐标系统数控机床的坐标系统有两个：机床坐标系和工件坐标系。1）机床坐标系又称机械坐标系，用以确定工件、刀具等在机床中的位置，是机床运动部件的进给运动坐标系，其坐标轴及运动方向按标准规定，是机床上固有的坐标系，用G53表示。机床坐标系原点又叫机床零点见图3-4中的M点。它是其它所有坐标系如工件坐标系以及机床参考点的基准点。其原点的位置则由各机床生产厂设定。机床参考点是用于对机床工作台（或滑板）与刀具相对运动的测量系统进行定标和控制的点。换刀点是加工过程中自动换刀装置的换刀位置。该点可以是固定的（如加工中心），也可以是任意点（如数控车床）。,2）工件坐标系又称编程坐标系，供编程人员使用。程序员在编程时可选择工件上的某一点作为坐标原点。工件零点是工件坐标系的原点，只定义一个工件坐标系时又称编程零点，由编程者确定。编程时，可根据切削点计算方便的原则，把工件零点确定在工件的任何位置上。,3.工件坐标系的建立1）使用G54、G55、G56、G57、G58、G59指令工件装卡好后，先测出工件零点在机床坐标系中的位置（X、Y、Z），把测出的数据输入偏置寄存器PSO中，G54、G55、G56、G57、G58、G59可存放六个不同的工件零点，编程时需用不同的工件零点时，调用相应寄存器存放的偏置量即可。,图3-5所示，预先将G54、G59在机床坐标系中的位置（X1、Y1、Z1）和（X2、Y2、Z2）输入到G54、G59相应的偏置寄存器中，使用时，在程序中G54、G59指令可直接调用相应偏置寄存器中存储的偏置量，而在G54、G59后直接跟的是刀具在该工件坐标系（G54、或G59）下的目标位置。,如图3-6所示，当工件坐标系G54、G59设置以后，要把刀具移到A点，程序指令为：G90G54X30.0Y40.0同样，要把刀具移到B点，程序指令为：G90G59X30.0Y30.0,2）使用G92指令G92是一种较灵活的工件坐标系零点设置方法，其步骤为：先确定刀具中心（数控车中为刀尖）在机床坐标系中的位置，并存入偏置寄存器中，再给出刀具中心在工件坐标系中的位置，即建立了该工件坐标系。如图3-7所示，建立该工件坐标系的指令为：G92X30.0Y40.0Z25.0,二、坐标计算单位,数控机床中，相对于控制系统发出的每个脉冲信号，机床移动部件的位移量叫脉冲当量。坐标计算的最小单位是一个脉冲当量，它标志着数控机床的精度。如果机床的脉冲当量为0.001mm/脉冲，则沿XYZ轴移动的最小单位为0.001mm。如向X正方向移动50mm，则可写成X50000，+号可以省略。此外也可用小数点方式输入，上例也可写为X50.0。,例如，若脉冲当量为0.001，向X轴正方向12.34mm、Y轴负方向5.6mm移动时，下列几种坐标输入方式都是正确的。X12340Y-5600X12.34Y-5.6X12.34Y-5600当输入最小设定单位以下位数坐标时，则进行四舍五入。如X1.2345，就变为X1.235。另外，最大指令位数不能超过8位数（包括小数点在内）。,注意：数控机床控制系统的脉冲当量一般有0.01mm/脉冲、0.005mm/脉冲、0.001mm/脉冲等几种类型。为防止输入错误，提倡用带小数点的坐标输入方式。这样可以不必考虑机床控制系统的脉冲当量是多少。,三、位移指令方式,刀具移动量的输入有两种方式：绝对值输入方式：下一刀位点的位置是由在所设定的工件坐标系中的坐标值给定，代码为G90。增量值输入方式：下一刀位点的位置是由相对于当前刀位点的增量值及移动方向所给定，代码为G91,图3-8中若刀具由原点按顺序向1、2、3点移动时，两种不同指令为：,绝对值输入方式G90G00X20.0Y15.0G00X45.0Y55.0G00X70.0Y35.0,增量值输入方式G91G00X20.0Y15.0GOOX25.0Y40.0G00X25.0Y-20.0,编程中采用哪种方式都是可行的，但却有方便与否之区别。当加工零件尺寸标注如图3-8所示，显然采用绝对指令方式是方便的。而当加工零件尺寸标注是以图3-9所示形式，给出了各孔之间的间距时，采用增量指令方式则是方便的。,四、暂停指令G04使用格式,G04可使刀具作短暂无进给加工，在数控车床上可使工件空转使车削面光整以达到光洁度要求。常用于车槽、镗平面、锪孔等场合。不同的控制系统，其使用格式也有所不同，常见的有以下几种形式：G04X_或G04P_或G04U_用X地址时，单位为秒，可以用小数点；用P地址时，单位为毫秒，不能用小数点，如P1000表示暂停1秒；用地址时，其单位为转，其值为U/F转。如U40（若进给速度为F10），表示工件空转40/10=4转,五、G27、G28、G29指令的区别,1.G27X_Y_Z_该指令用于定位校验，其坐标值为参考点在工件坐标系中的坐标值。执行此指令，刀具快速移动，自动减速并在指定坐标值处作定位校验，当指令轴确实定位在参考点时，该轴参考点信号灯亮。若程序中有刀具偏置或补偿时，应先取消偏置或补偿后再作参考点校验。在连续程序段中，即使未到参考点，也要继续执行程序，