第二章 数控加工编程基础

黑龙江大学机电工程学院刘国华lgh7511,机床数控技术,第一节概述,第二章数控编程基础,第二节数控编程基础知识,第四节数控编程的工艺处理,第三节常用准备功能指令编程方法,第五节编程中的数值计算,第六节自动编程简介,第一节概述,一.数控编程基本概念,数控编程(NCprogramming)：简单说是从零件图纸到制成控制介质的全过程。根据零件图样，将零件的加工信息：加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数(F、S、T)及辅助动作（变速、换刀、冷却液启停、工件夹紧松开等）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，并将程序单的信息制成控制介质的整个过程。,数控加工程序：按规定的代码及格式，记录加工过程的全部信息（工艺过程、工艺参数、位置数据和方向、操作步骤等）的命令序列的集合。,第一节概述,二.数控编程的内容和步骤,分析零件图纸,工艺处理,数值计算,编写程序单,制作控制介质,首件试切程序校验,数控机床,第一节概述,1.分析图样、确定加工工艺过程,分析图样，根据零件材料、形状、尺寸、精度、毛坯和热处理要求等确定加工方案，选择合适数控机床。确定加工工艺过程：确定加工顺序、加工路线，装夹方式，确定刀具及切削用量、选择对刀点等。,2.数值计算,按确定的加工路线和允许的零件加工误差，计算出输入数控装置的数据，主要是在规定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动轨迹坐标值。不同加工情况，数值计算内容不同,第一节概述,3.编写零件加工程序单,根据数控系统指令、程序段格式，逐段编写零件加工程序；填写数控加工工艺文件，如工序卡片、刀具卡片等。,4.制备控制介质,将编制好程序单上内容记录在控制介质上作为数控装置输入信息，常用穿孔带、磁盘等，也可直接通过数控装置键盘输入。,5.程序校验、试切削,空走刀、空运转画图检查机床运动轨迹与动作正确性；试切削检验加工精度、误差。,第一节概述,常用的校验和试切方法：对于平面轮廓零件，可在机床上用笔代替刀具、坐标纸代替工件进行空运转空运行绘图。对于空间曲面零件，可用蜡块、塑料、木料或价格低材料作工件，进行试切以检查程序正确性。在具有图形显示功能和动态模拟功能的机床上，用图形模拟刀具与工件切削的过程进行检验。首件试切(在允许条件下)不仅可查出程序单和控制介质是否有错，还可检验加工精度是否符合要求。当发现错误时，应分析错误性质，或修改程序单，或调整刀具补偿尺寸，直到符合图纸规定精度要求为止。,三.数控编程的方法,1.手工编程,手工完成程序编制全部工作(包括用计算机进行辅助数值计算)。特点：耗费时间长，易出错，无法胜任复杂形状零件编程。适用情况：几何形状较为简单零件，点位加工及由直线与圆弧组成的轮廓加工。,三.数控编程的方法,2.自动编程,在编程过程中，除分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成，如坐标值计算、零件加工程序单的编写、自动输出加工程序单及制备控制介质等。特点：计算机自动绘制刀具中心运动轨迹，使编程人员可及时检查程序正确性，并及时修改；计算机代替编程人员完成繁琐数值计算，提高编程效率；解决手工编程无法完成复杂零件编程。根据编程信息的输入与计算机处理信息的方式不同，分为语言式自动编程和图形交互式自动编程。适用：形状复杂零件，具有非圆曲线、列表曲线或曲面的零件。,工艺处理,数学处理,加工程序单,程序校验,穿孔,磁盘,工艺处理,磁盘,计算机,直接传输,手工编程,自动编程,三.数控编程的方法,手工编程适用于：几何形状不太复杂的零件。自动编程适用于：形状复杂的零件虽不复杂但编程工作量很大零件（如有数千个孔零件）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）据国外统计：用手工编程时，一个零件的编程时间与机床实际加工时间之比，平均约为30：1。数控机床不能开动的原因中，有2030%是由于加工程序不能及时编制出造成的编程自动化是当今的趋势！,三.数控编程的方法,第二节编程基础知识,一.程序结构,1.程序构成加工程序由程序号(名)和若干个程序段组成。每个程序段又由程序段号和若干个指令字组成，指令字由字母、符号、数字组成。每段程序由；结束。程序段是数控程序的基本组成单元。,程序构成,程序段由程序段号和指令字组成，指令字由字母、符号、数字组成。每段程序由；结束。程序段是数控程序的基本组成单元。,第二节编程的基础知识,Fanuc数控系统程序格式,华中数控系统程序格式,第二节编程的基础知识,说明：不同数控系统，程序号（名）地址码所用字符可不相同；程序段以序号“N”开头，以“；”结束，一个程序段表示一个完整的加工工步或动作；顺序号不是程序段必用字，即可以使用顺序号，也可以不用；建议不以0作为程序号（名），不用N0作为顺序号；地址符N后面的数字应为正整数，最小顺序号为N1；顺序号数字可以不连续使用，也不一定要从小到大使用；对于整个程序，可以每个程序段都设顺序号，也可以只在部分程序段中设顺序号，还可以在整个程序中全不设定顺序号。,第二节编程的基础知识,第二节编程的基础知识,程序段格式指一个程序段内指令字的排列顺序和表达方式，即程序段的书写规则，程序中的字、字符、数据的安排规则。主要有三种：固定顺序程序段格式、带分隔符的固定顺序程序段格式和字地址程序段格式。,2.程序段格式,固定顺序程序段格式：程序段中无地址符，字的顺序和程序段长度固定不变，不能省略。格式简单，但程序长，不直观。带分隔符的固定顺序程序段格式：程序段中也不使用地址符，但字的顺序固定，各字之间用分隔符隔开以表示地址的顺序。由于有分隔符，不需要的字可省略，但须保留相应的分隔符。,第二节编程的基础知识,字地址程序段格式,N0030G01X20Y50F150S300T12M03；,第二节编程的基础知识,目前采用字地址程序段格式，也称地址符可变程序段格式。程序段由顺序号字、准备功能字、尺寸字、进给功能字、主轴功能字、刀具功能字、辅助功能字和程序段结束符组成。每个字都由字母开头，称为“地址”。特点：,程序段中指令字均以字母(地址符)开始，后跟符号和数字。指令字在程序段中的顺序无严格规定，可以任意顺序书写。不需要的指令字或与上段相同的续效代码可省略不写。虽增加了地址译码环节，但程序直观、简单，可读性强，便于检查，广泛应用于现在数控机床。,字地址程序段格式：,N0030G01X20Y50F150S300T12M03；,国际标准和我国标准均推荐使用此种程序段格式,第二节编程的基础知识,第二节编程的基础知识,数控程序分为主程序和子程序。在加工程序中，如果几个连续程序段在多处重复出现，可将其按规定格式独立编号成子程序。程序中子程序以外部分称为主程序。在执行主程序过程中，可多次重复调用子程序。子程序格式：除有子程序名或子程序开头代码外，还要有子程序结束代码，其余与主程序相同。,3.主程序和子程序,主程序是加工程序主体部分，是一个完整的零件加工程序。不同零件或不同的加工要求，都有唯一主程序。为简化编程，可将一个程序或多个程序中的重复动作编写为单独程序，并通过程序调用的形式来执行这些程序，称为子程序。就程序结构和组成而言，子程序和主程序无本质区别，但在使用上，子程序具有以下特点:子程序可被主程序或其他子程序调用，并且可多次循环执行；主程序调用的子程序，还可调用其他子程序，即子程序嵌套；子程序执行结束，能自动返回到调用的程序中；子程序一般不可以作为独立的加工程序使用，只能通过调用来实现加工中局部动作。,3.主程序和子程序,主、子程序结构异同,相同：都是完整的程序，包括程序号、程序段、程序结束指令。,主程序：M02或M30,子程序：M99,不同：程序结束指令不同,子程序不能单独运行，由主程序或上层子程序调用执行。,3.主程序和子程序,主程序中调用子程序的指令格式：M98P单次调用指令，P后跟被调用的子程序号。M98PL重复调用子程序指令，L后跟重复调用的次数。子程序的格式：子程序号:是调用入口地址，必须和主程序中的子程序调用指令中指向的程序号一致。在大多数数控系统中，子程序程序号和主程序号的格式相同，即也用O后缀数字组成。子程序结束符：M99。子程序必须有结束标记(M99)，才能实现程序的自动返回功能。主-子程序书写结构:写在一个文件中；主程序写在前，子程序写在后；两者之间空几行作分隔。,主子程序调用关系,二.数控机床的坐标系,根据在切削过程中起的作用不同，机床切削运动分为主运动和进给运动。主运动(Mainmotion):形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动。切下金属必须的最主要运动,速度最高,消耗机床功率最多。进给运动(Feedmotion):使工件的多余材料不断被去除、使新的金属不断投入切削所需的运动。切削过程中主运动只有一个，进给运动可以多于一个。主运动和进给运动可由刀具或工件分别完成，也可由刀具单独完成。进给运动系统，尤其是轮廓控制的进给运动系统，必须对进给运动的位置和速度两方面同时实现自动控制，要求进给系统有较高的定位精度和良好的动态响应特性。,二.数控机床的坐标系,在数控机床上，机床的动作由数控装置控制，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动过程，必须通过坐标系来确定机床运动位移和方向，此坐标系称为机床坐标系。如铣床，机床的纵向运动、横向运动及垂直方向运动,需要用机床坐标系来描述。为了确定机床运动部件的运动方向和移动距离，而在机床上建立的坐标系，即机床坐标系。,1.坐标轴及运动方向的规定（1）坐标轴命名规定机床的一个直线进给运动或圆周进给运动定义一个坐标轴。采用右手直角笛卡尔坐标系，直线进给运动（平移）用直角坐标系X、Y、Z表示，对应的圆周进给（旋转）用A、B、C表示。机床运动统一按工件静止而刀具相对于工件运动来描述。以增大工件与刀具之间距离的方向(即增大工件尺寸的方向)为坐标轴正方向。,二.数控机床的坐标系,二.数控机床的坐标系,（2）机床坐标系确定方法,顺序：先确定Z轴，再确定X轴，最后确定Y轴。,1）Z坐标,将平行于机床主轴的刀具运动坐标定义为Z坐标。主轴指产生切削动力的轴，例如铣床、钻床、镗床上的刀具旋转轴，车床上的工件旋转轴。如果主轴能够摆动，即主轴轴线方向是变化的，则以轴线垂直于机床工作台装夹面时的状态来定义Z轴。对于Z轴的方向，规定以增大刀具与工件间距离的方向为其正方向。,二.数控机床的坐标系,2）X坐标,X轴为水平面方向，垂直于Z轴并平行于工件装夹面。对于不同类型机床，X轴及其方向有具体规定：对于刀具旋转机床，如铣床、钻床等，若Z轴垂直(立式)，X轴为从刀具向立柱方向看向右为正；若Z轴水平(卧式)，X轴为从刀具主轴后端向工件方向看向右为正。对于工件旋转机床，如车床，X轴在工件径向，并平行于横向拖板，刀具离开工件旋转中心方向其正方向。,二.数控机床的坐标系,3）Y坐标,Y轴垂直于X、Z坐标，其方向根据X和Z轴按右手法则确定。,4）A、B、C坐标,A、B、C坐标分别为绕X、Y、Z坐标的回转进给运动，确定X、Y、Z坐标的正方向后，可按右手螺旋定则来确定其正方向。,5）附加运动坐标,X、Y、Z为机床的主坐标系或称第一坐标系；如除第一坐标系外还有平行于主坐标系的其它坐标系则称为附加坐标系。附加的第二坐标系命名为、。附加的第三坐标系命名为P、Q、。,二.数控机床的坐标系,数控车床坐标系,二.数控机床的坐标系,卧式铣床坐标系,立式铣床坐标系,二.数控机床的坐标系,镗铣床坐标系,二.数控机床的坐标系,说明：加工过程中不论是刀具移动还是工件移动，一律假定工件静止不动，而刀具移动，并规定刀具远离工件运动方向为坐标轴正方向。编程人员在不知道机床加工时是刀具移动还是工件移动的情况下，可以根据零件图纸确定机床的加工工艺过程。如果把刀具看作静止不动，工件移动，则在坐标轴的字母上加“”；加“”字母表示工件运动正方向，与不加“”表示的刀具运动正方向相反。,二.数控机床的坐标系,2.机床坐标系、工件坐标系(编程坐标系)(1)机床坐标系、机床原点及机床参考点,机床坐标系是机床固有的坐标系，具有唯一性，其坐标系的原点称为机床原点(MachineOrigin)，通常用M表示。机床原点是机床设计制造、装配调试时就已设置的固定点，是数控装置控制机床运动的基准参考点，也是进行位置测量、控制的统一基准，不能直接测量，用户无修改权限。数控车床的机床原点多定在主轴前端面中心，数控铣床的机床原点多定在进给行程范围的正极限点处(X、Y、Z坐标轴正方向极限位置处)，有的设置在工作台中心，可查阅机床用户手册。,二.数控机床的坐标系,机床坐标系可以通过操作刀具或工件返回机床零点M建立。但在多数情况下，当已装好刀具和工件时，机床的零点已不能返回，因而设参考点R。机床参考点R是由机床制造厂家定义的一个点，R和M的位置关系是固定的，其位置参数存储在数控系统中。当数控系统启动时，通过返回参考点R，从而建立机床坐标系。参考点是用于对机床工作台与刀具相对运动的测量系统进行定标与控制的点，一般设定在各轴正向行程极限点的位置，在每个轴上用挡块和限位开关精确地预先调整好。通常在数控铣床上机床原点和参考点重合，而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。,二.数控机床的坐标系,回参考点建立机床坐标系后，机床测量系统即可在机床坐标系中对测量目标点进行测量控制。通常在没有任何偏置与补偿的情况下，数控车床坐标系的测量目标是刀架参考点，数控铣床坐标系的测量目标是主轴端面中心。机床开机启动后，或因意外断电、紧急制动等原因停机而重新启动时，都应先让各轴返回参考点，进行位置校准，测量系统置零，以消除前次运动带来位置误差，之后测量系统即以机床坐标系为基准，测量运动部件位置。“回零操作”机床坐标系一般不作为编程坐标系，仅作为工件坐标系的参考坐标系。,二.数控机床的坐标系,为什么要返回参考点？数控机床开机时，必须先回零以确定机床原点，而确定机床原点的运动就是刀架返回参考点的操作，这样通过确认参考点，就确定了机床原点。只有机床参考点被确认后，刀具（或工作台）移动才有基准。大多数数控机床的位置反馈系统都使用增量式的旋转编码器或者增量式的光栅尺作为测量元件，因而机床在通电开机后，无法确定运动部件当前在机床坐标系中的真实位置，所以都必须首先返回参考点，从而确定机床的坐标系原点。,二.数控机床的坐标系,数控车床回零,数控铣床回零,机床原点与参考点设置,参考点与原点重合,二.数控机床的坐标系,数控车床,数控铣床,(2)工件坐标系（编程坐标系）和工件原点工件坐标系是编程人员在编程时使用的，以工件图纸上某一固定点为原点（工件原点）建立的坐标系，编程尺寸都按工件坐标系中尺寸确定，也称编程坐标系。工件坐标系的各坐标轴与机床坐标系相应的坐标轴平行。在对零件图进行编程计算时，必须首先建立编程坐标系，其坐标原点即为程序原点。要把程序应用到机床上，必须让数控系统知道程序原点在机床坐标系中的坐标，这需通过”对刀操作”完成。编程坐标系在机床上就表现为工件坐标系，坐标原点就称为工件原点。,二.数控机床的坐标系,工件原点一般按如下原则选取（一般原则）：工件原点选在工件图样的尺寸基础上；能使工件方便装夹、测量和检验；工件原点尽量选在尺寸精度高、粗糙度较细的工件表面上；对于有对称形状的几何零件，工件原点最好选在对称中心上。,二.数控机床的坐标系,车削工件原点一般设在主轴中心线上，多定在工件的左端面或右端面；铣削工件原点一般设在工件外轮廓的某一角上或工件对称中心处，进刀深度方向上的零点多取工件上表面。对于形状较复杂工件，有时为编程方便可根据需要通过相应程序指令随时改变工件坐标原点；对于在一个工作台上装夹加工多个工件的情况，在机床功能允许条件下，可分别设定编程原点独立编程，再通过工件原点预置的方法在机床上分别设定各自的工件坐标系。,二.数控机床的坐标系,二.数控机床的坐标系,工件原点,工件坐标系设定,二.数控机床的坐标系,工件坐标系（编程坐标系）：由编程人员在编程时设定的坐标系。工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。,二.数控机床的坐标系,通常，工件坐标系的坐标轴与机床坐标系相应的坐标轴平行，方向相同，但原点不同。在加工中，工件随夹具在机床上安装后，要测量工件原点与机床原点之间的距离，该距离称为工件原点偏置，该偏置值需预置到数控系统中，在加工时自动加到工件坐标系上，使数控系统按机床坐标系确定加工时坐标值。,(3)机床坐标系与工件坐标系的关系,二.数控机床的坐标系,3.绝对坐标系与相对坐标系(1)绝对坐标系位置点的坐标值以固定的坐标原点为起点确定的坐标系，所用编程指令称为绝对指令。绝对坐标常用X、Y、Z代码表示。(2)增量坐标系运动轨迹的终点坐标值以起点开始计算的坐标系，坐标原点是移动的，所用的编程指令称为增量指令。增量坐标常用U、V、W代码表示。,说明：同样的加工轨迹，既可用绝对编程也可用相对编程，或者二者混用；采用恰当的编程方式，可以大大简化程序编写。因此，实际编程时应根据实际状况选用合适的编程方式。,二.数控机床的坐标系,例：如图加工直线AB，在绝对坐标系中表示B点坐标值：XB30，YB50；在增量坐标系中表示B点坐标值为：UB20，VB30。,二.数控机床的坐标系,4.最小设定单位与编程尺寸的表示法(1)最小设定单位机床的最小设定单位即数控系统能实现的最小位移量，称脉冲当量（0.01-0.0001）。(2)编程尺寸的两种表示法1）以最小设定单位为最小单位来表示；2）以毫米为单位，用有效位小数来表示。例：X=524.295，Y=36.52，最小设定单位为0.01，1）最小设定单位表示：X52430Z36522）毫米表示：X524.30Z36.52说明：以上两种方法都有应用，具体情况视具体机床而定。,二.数控机床的坐标系,穿孔带及代码,载有数控机床加工所用全部信息的控制介质有穿孔带、磁带、磁盘等。随着计算机数控技术的发展，磁盘用得越来越多，穿孔带趋于淘汰，现在多采用存储卡。不管采用什么控制介质和输入方式，加工信息的格式和代码都是一样的。数控系统中常用的代码有ISO代码和EIA代码，ISO代码是由7位二进制数和一个偶校验位组成。EIA代码是由6位二进制数和一位奇校验位组成的。ISO代码为7位编码，EIA代码为6位编码（去掉偶、奇校验位），故ISO代码表示信息比EIA代码大一倍。另外，ISO代码编码方法与ASCII代码完全一致。,八单位穿孔纸带标准规格,穿孔带及代码,1.准备功能G代码(PreparatoryFunction)使机床或数控系统建立起某种加工方式的指令。在数控系统插补运算之前或进行加工之前预先设定，为插补运算或某种加工方式作好准备，如刀具沿哪个坐标平面运动，是直线插补还是圆弧插补，是在直角坐标系下还是极坐标系下等。模态代码（续效代码）：代码在一个程序段中被使用后就一直有效，直到出现同组中的其它任一G代码才失效。非模态代码（非续效代码）：只在有该代码的程序段中有效。组成：G后带二位数字组成，即G*。,三.功能指令简介,三.功能指令简介,例：N010G90G00X16S600T01M03；N020G01X8Y6F100；N030X0Y0；,2.辅助功能M指令(MiscellaneousFunction)功能：指令与数控系统插补运