数控车编程与操作实用教程：第一章概述

1、第一章 概述,一、数控机床 1、数控机床：人们把用电子计算机以数字指令方式控制机床动作的技术成为数字控制技术，简称数控NC（Numerical Control），采用数控技术的机床，称为数控机床。 2、CNC: 计算机数字控制(Compute Numerical Control)。与NC系统（专用控制计算机的硬接线系统）的主要区别是该系统采用微处理器CPU作为数控装置的核心，由于CPU的出现，使数控系统的软件功能大幅度提高。 3、数控系统: 数控设备的数据处理(微型计算机)和控制电路以及伺服机构(数控系统的执行部分，它由速度控制装置，位置控制装置及伺服电机等组成)称数控系统,下一页,返回,第一

2、章 概述,4、NC机床工作原理：把被加工零件的工艺过程，工艺参数，以及刀具与工件的相对位移，用数控语言编写成加工程序，然后将程序输入到数控装置，数控装置根据数控指令，控制机床的各种运动。 数控加工技术是实现产品加工工艺过程自动化的现代化措施之一，应用数控加工技术能提高产品加工质量和生产效率，降低加工成本，提高综合效率，改善工人劳动条件，提高工人的技术素质。数控加工技术的发展伴随数控机床的发展而发展，从技术角度上看，将在普及经济型数控机床的同时，由普通机床发展到加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统，并向自动化工厂发展。毫无疑问，数控加工技术将迅速发展,下一页,返回,上一页,第一章 概述,二、数控

3、机床的分类 1、按工艺用途分类 CNC车床、 CNC铣床 、CNC钻床 、CNC磨床 、CNC镗床 、CNC齿轮加工机床 、CNC电火花加工机床、CNC线切割机床 、CNC冲床 、CNC剪床等。 2、按运动方式分类 点位控制：刀具与工件相对运动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向。如CNC钻床 、CNC冲床 、CNC坐标镗床,下一页,返回,上一页,第一章 概述,直线控制：刀具与工件相对运动时，除了控制从起始点到终点的准确定位以外，还能实现平行与坐标的直线切削运动。不能加工复杂的零件。如CNC车床 、CNC铣床、CNC磨床。 轮廓控制：刀具与工件相对运动时，能对

4、两个或两个以上的坐标轴的运动同时进行控制，可以加工平面曲线轮廓或空间曲面轮廓。如CNC车床、CNC铣床、CNC磨床、加工中心。 3、按伺服控制方式分类 开环控制：机床加工精度主要取决步进电机及传动链的精度。 闭环控制：机床可以通过测量元件测量出工作台的实际位移量与指定指令值相比较，利用差值进行控制，直至差值为零,下一页,返回,上一页,第一章 概述,三、数控机床的特点 与普通机床相比，数控机床具有以下特点。 1、适应性强 由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。当改变加工零件时，数控机床只需更换零件加

5、工的NC程序，不必用凸轮、靠模、样板或其它模具等专用工艺装备，且可采用成组技术的成套夹具。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代。所以，数控机床的适应性非常强,下一页,返回,上一页,第一章 概述,2、加工质量稳定 对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同， 且数控机床是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性好且质量稳定。 3、生产效率高 数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产率

6、高34倍甚至更高,下一页,返回,上一页,第一章 概述,数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大。目前数控机床的最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01m。 一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的三倍，甚至更高。数控机床的时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%50% 。 4、加工精度高 数控机床有较高的加工精度，一般在0.0050.1mm之间。数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，其定位精度比较高，同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿,下一页,返回,上一页,第一章 概述,5、工序集中，

7、一机多用 数控机床特别是带自动换刀的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省车间的占地面积，带来较高的经济效益。 加工中心的工艺方案更与普通机床的常规工艺方案不同，常规工艺以“工序分散”为特点，而加工中心则以工序集中为原则，着眼于减少工件的装夹次数，提高重复定位精度,下一页,返回,上一页,第一章 概述,6、减轻劳动强度 在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。数控机床是一种高技术的设备，尽管机床

8、价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，但是数控机床的优点很多，它有利于自动化生产和生产管理，使用数控机床的经济效益还是很高的,下一页,返回,上一页,第一章 概述,四、有关名词 1、MC（Machining Center）：加工中心，即带有刀库及换刀机构的数控机床。 2、DNC（Direct Numerical Control）：计算机直接数控，即由一台中央计算机进行编程，直接控制多台数控机床的操作。 3、AC（Adaptive Control）：适应控制，即加工过程中自动校正随机变化的参数（如刀具的磨损、温度变化及刚度不足引起的工艺系统的变形等），以达到最佳工作状态。 4、CA

9、D/CAM（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture）：计算机辅助设计与制造。使产品设计、制造一体化，即对产品可进行三维几何造型、性能分析与仿真、自动制图、编制各种文件、自动编程等,下一页,返回,上一页,第一章 概述,5、FMC（Flexible Manufacturing Cell）：柔性制造单元，即带有多个交换工作台的加工中心机床。 6、FMS（Flexible Manufacturing System）：柔性制造系统。通常认为应具备以下特点： 采用DNC方式控制两台及两台以上的加工中心； 利用交换工作台及工业机器人等装置实现零件的自

10、动上下料; 机床间有工件的自动输送系统； 配有管理信息系统MIS（Management Information System）； 能进行最佳化调度。 7、FA（Automated Factory）:工厂自动化或无人车间,下一页,返回,上一页,第一章 概述,8、CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）：计算机集成制造系统。CIMS的核心是一个公用的数据库，对信息资源进行存储管理，各微机间进行通信。在此基础上，需有三个计算机系统： CAD/CAM系统： CAP/CAC系统：计算机辅助生产与控制系统。 工厂自动化系统：实现产品的自动装配与测试，材料

11、的自动运输与处理等。 在上述三个计算机系统的外围，还需利用计算机进行市场预测，编制产品发展规划，分析财政状况，进行生产管理与人员管理等,下一页,返回,上一页,第一章 概述,9、插补：根据给定的曲线类型（如直线、圆弧等）、起点、终点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。插补是一个适时控制过程，它要求插补运算要快于机床的动作。插补运算工作要使密化的数据点构成的曲线误差在工件允许的公差范围之内。现代计算机数控系统的插补功能主要由软件来实现,下一页,返回,上一页,第一章 概述,五、数控编程概述 1、数控编程定义: 生成用数控机床进行零件加工的数控程序过程，称数控编程或零件编程。 2、数控机床编程

12、的种类可分为: 手工编程: 由人工来完成数控机床的程序编制，应用在工件形状不十分复杂的场合。 自动编程: 由计算机自动编制加工程序，应用在工件形状十分复杂的场合(模具加工和轮廓加工)计算机辅助制造。 在数控加工中，尽管待加工零件是真三维，但是大多数“加工对象”是“二维”的，即刀具在一次切削加工过程中始终在某一坐标平面内运动，对于三维加工对象，手工编程很困难，如球形面加工,下一页,返回,上一页,第一章 概述,3、机床坐标系统 坐标系建立的原则 刀具相对于静止的工件而运动的原则。 坐标系为右手笛卡儿直角坐标系，规定：远离工件的方向为正方向。 机床坐标系（MCS） 机床坐标系是机床上固有的坐标系，是

13、用来确定工件坐标系的基本坐标系，不同的机床有不同的坐标规定。 工件坐标系（WCS） 为了编程方便，可相对机器原点进行坐标平移，得到一编程原点，依规定形成编程（工件）坐标系。工件坐标系的零点也称编程原点由编程人员自由选择，编程原点可重新偏置,下一页,返回,上一页,第一章 概述,机床原点 机床原点又称机械原点，它是机床坐标系的原点。该点是机床上的一个固定的点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，通常用户不允许改变。机床原点是工件坐标系、机床参考点的基准点。车床的机床原点为主轴旋转中心与卡盘后端面之交点 （图1-1中的O点）。 机床参考点 机床参考点是机床制造商在机床上用行程开关设置的一个物理位

14、置，与机床原点的相对位置是固定的，机床出厂之前由机床制造商精密测量确定（图1-2中的O点,下一页,返回,上一页,第一章 概述,程序原点 程序原点是编程员在数控编程过程中定义在工件上的几何基准点，有时也称为工件原点，是由编程人员根据情况自行选择的。在车床上工件原点如下图所示。 轴定义 本系统使用X轴，Z轴组成的直角坐标系进行定位和插补运动。X轴为水平面的前后方向，Z轴为水平面的左右方向。向工件靠近的方向为负方向，离开工件的方向为正方向。如图示，前后刀座的坐标系，X方向正好相反，而Z方向是相同的。在以后的图示和例子中，用前刀座来说明编程的应用，而后刀座车床系统可以类推。 图1-3示：前刀座的坐标系

15、 图1-3示：后刀座的坐标系,下一页,返回,上一页,第一章 概述,编程坐标 A.绝对坐标值 “距坐标系原点的距离”即刀具要移到的坐标位置。 图1-4中，刀具从A点移动到B点，使用B点的坐标值，其指令如下： X30.0 Z70.0； B.增量坐标值 指令从前一个位置到下一个位置的距离。 图1-5中，刀具从A点移动到B点，其指令如下： U-30.0 W-40.0,下一页,返回,上一页,第一章 概述,注：A.G90 : 绝对编程,G91 : 增量编程,*G90开机有效。 B.FANUC系统和华中系统可用绝对坐标（X，Z字段），相对坐标（U，W字段），或混合坐标（X/Z，U/W字段，绝对和相对坐标同时

16、使用）进行编程。相对坐标是相对于当前的坐标，对于X轴，还可使用直径编程或半径编程。 C.SIEMENS系统只能用X、Z字段进行编程。 编程尺寸 A.直径指令与半径指令 以车床的控制对象的CNC编程时，因为工件的横剖面一般为圆形，故其尺寸可按直径或半径值两种方法编程。 *直径编程开机有效,下一页,返回,上一页,第一章 概述,注：FANUC系统中的直径编程与半径编程由1006号参数的第三位（DIA）设定。 SIEMENS系统中直径编程与半径编程分别由指令DIAMON和DIAMOF转换。 华中系统中直径编程与半径编程分别由指令G36和G37转换。 B.公制、英制转变 用G代码可选择公制尺寸输入或英制

17、尺寸输入（如表1-1,下一页,返回,上一页,第一章 概述,初态、模态 初态是指运行加工程序之前的系统编程状态。模态是指相应字段的值一经设置，以后一直有效，直至某程序段又对该字段重新设置。模态的另一意义的设置之后，以后的程序段中若使用相同的功能，可以不必再输入该字段,下一页,返回,上一页,第一章 概述,六、常用的功能指令 1、准备功能 概述： 准备功能又称G功能或G指令，是数控机床完成某些准备动作的指令。它由地址符G和后面的两位数字组成，从G00G99共100种，如G01、G41等。目前，随着数控系统功能不断增加等原因，有的系统已采用3位数的功能指令，如SIEMENS系统中的G450、G451等

18、,下一页,返回,上一页,第一章 概述,从G00G99虽有100种G指令，但并不是每种指令都有实际意义，有些指令在国际标准（ISO ）及我国原机械工业部相关标准中并没有指定其功能，这些指令主要用于将来修改其标准时指定新的功能。还有，一些指令，即使在修改标准时也永不指定其功能，这些指令可由机床设计者根据需要自行规定其功能，但必须在机床的出厂说明书上予以说明。 G0G4指令的应用： 1）G00快速点定位 格式：G00 X Z 功能：使刀具从当前点快速移动到程序段中指定的位置,下一页,返回,上一页,第一章 概述,示例：如图1-7所示，A点是刀具的刀位点。使刀具的刀位点从A点快速到达B点的程序段为G00

19、 X28 Z1 （点X28，Z1代表B点在编程坐标系中的坐标值） 说明：A.G00的进给速度可在数控系统参数中设定。 B.G00动作时因速度较快，直接与工件的毛坯接触容易损坏刀具，因此编程时应留有一定的安全余量。 C.并不是所有的数控系统G00的运动轨迹都是按照刀具起点与指定点连线的路径动作的。比如，某些系统的G00动作如图1-8所示。 它先以45方向运动（A点到C点），多余部分单轴运动（C点到B点），这种方式称为非线性插补定位。数控系统一般都提供参数以便于切换非线性插补定位和线性插补定位（图1-8中A点到B点路径,下一页,返回,上一页,第一章 概述,2）G01直线插补 格式：G01 X Z

20、F 说明：G01指令刀具以指定的进给速度移动到指定的坐标值。用于对工件进行切削加工。首次使用轴插补指令（G01或G02或G03指令）时需指定进给量的值。若不指定，系统会按缺省速度动作，从而产生与编程者意愿不符的动作。在程序中后面的F值如不加设定会延续前一F代码指定的值。 注意：进给速度字F的单位可以是mm/min或mm/r。某些数控系统提供代码用于调整进给速度的单位。进给速度单位使用mm/r时，若主轴不转动，则轴插补指令没有意义,下一页,返回,上一页,第一章 概述,倒角与倒圆 FANUC系统和华中系统 编程格式： 倒角：G01 X（Z） C F 倒圆：G01 X（Z） R F 例：G01 X2

21、8 F0.1 Z0 X30 C1 Z-30 SIEMENS系统 编程格式,下一页,返回,上一页,第一章 概述,倒角：G01 X（Z） CHF F 表示插入倒角（如图1-9），数值为倒 角长度 G01 X（Z） CHR F 表示插入倒角（如图1-10），数值为倒角的直 角边长 倒圆：G01 X（Z） RND F 表示插入倒圆 （如图1-11），数值为倒圆半径 3）、G02 /G03顺/逆圆弧插补 FANUC系统及华中系统 格式：G02/G03 X Z R F 或G02/G03 X Z I K F 其中：X、Z表示圆弧终点坐标；R表示圆弧半径；I、K表示圆心相对圆弧起点的增量坐标，F为进给速度,下

22、一页,返回,上一页,第一章 概述,SIEMENS系统 格式：G02 /G03 X Z CR F 或G02/G03 X Z I K F 其中：X、Z表示圆弧终点坐标；CR表示圆弧半径； I、K表示圆心相对圆弧起点的增量坐标。 说明：A. 本指令使用绝对坐标或者增量坐标编程均可，采用增量坐标编程时，只需考虑X、Z坐标的增量方式，其他不受影响。 B. 圆弧插补指令可以使用I、K编程，但对于数控车床，因其所加工圆弧的圆心角一般不会超过180，所以没有必要用I、K指令，以免造成计算上的麻烦。I、K指令主要用在某些不支持R方式编程的数控系统中。整圆弧编程（即圆弧起点坐标与圆弧终点坐标重合）中，由于使用R方

23、式定义的圆弧位置有歧义性，因此必须使用I、K方式编程，整圆弧编程主要用于数控铣床,下一页,返回,上一页,第一章 概述,C. R方式编程时，圆弧的圆心角不大于180时，R值为正；大于180时，R值为负。数控车床编程中R值通常为正。 D.不同的数控系统对圆弧插补指令可能有不同的具体规定，需要参照具体的数控系统用户手册进行编程。 E.顺、逆圆的判别：观察者应面对第三轴的正方向来判断，如图1-12所示,下一页,返回,上一页,第一章 概述,编程示例：（以FANUC系统为例） 例：如图1-13所示的工件，编制其圆弧插补的程序段。 相关程序段如下： . N0060 G00 X0 Z2 刀具从起点S进刀至A点

24、 (接近工件) N0070 G01 Z0 F0.1 刀具从A点至B点 (接触工件) N0080 G03 X20 Z-10 R10 逆圆弧插补加工至C点 N0090 G01 Z-25 直线插补加工20外圆至点 (切削工件) N0100 G02 X30 Z-30 R5 顺圆弧插补加工至F点 N0110 G00 X100 Z100 快速退回至起点S点 (离开工件,下一页,返回,上一页,第一章 概述,4)、G04延时暂停 FANUC系统 格式：G04 X G04 U G04 P 指令程序暂停。即执行前一个程序段之后，经过t毫秒之后执行下一个程序段。最大指令时间为9999.999。 SIEMENS系统

25、格式：G04 F 表示暂停时间，S。 G04 S 表示暂停主轴转速。 华中系统 格式：G04 P P表示暂停时间，S,下一页,返回,上一页,第一章 概述,说明：为减少机床的震动，移动开始和结束时用某一时间常数自动的加减速。但是插补后自动加减速时，在切削进给拐角处会加工成园角。此时，为加工出尖角，请在拐角处的程序段中适当插入暂停指令（G04）。一旦插入暂停指令，便按照实际的程序移动。切削速度越快，加减速时间常数越大拐角处圆的误差也随之增大。 G04指令的作用是使程序在所指定的时间内暂停进给动作，比如说刀具切槽时在槽底 的停留动作。延时时间过后，会继续执行后面的程序段。注意它与程序暂停指令M00的

26、区别。表示时间的地址字P在不同的数控系统中有不同的规定，使用时需参考具体的数控系统操作手册,下一页,返回,上一页,第一章 概述,例：FANUC系统：暂停2.5秒 G04 X2.5 或G04 U2.5 或G04 P2500 注：使用地址P时，不能使用小数点。暂停从前一个程序段的指令速度为零开始 2、进给功能 进给功能用来指定刀具相对于工件运动速度的功能称为进给功能，由地址符F和其后面的数字组成。根据加工的需要，进给功能分为每分钟进给和每转进给两种，并以其对应的功能字进行转换,下一页,返回,上一页,第一章 概述,不同系统的进给功能指令，如表1-2所示。 注：G99、G98、及G94、G95为模态指

27、令 *G99、G95开机有效 1）、每分钟进给直线运动的单位为毫米/分钟（mm/min）。每分钟进给通过准备功能字G98（SIEMENS系统用G94）来指定，其值为大于零的常数。如以下程序段所示： G98 G01 X20.0 F100；（进给速度为100mm/min,下一页,返回,上一页,第一章 概述,2）、如在加工米制螺纹过程中，常使用每转进给来指定进给速度（该进给速度即表示螺纹的螺距或导程），其单位为毫米/转（mm/r），通过准备功能字G99（SIEMENS系统用G95）来指定。如以下程序所示： G99 G33 W-50.0 F2 （进给速度为2mm/r，即加工的螺距或导程为2mm） G9

28、9 G01 X20 F0.2 （进给速度为0.2mm/r,下一页,返回,上一页,第一章 概述,在编程时，进给速度不允许用负值来表示，一般也不允许用F0来控制进给停止。但在除车削螺纹外的实际操作过程中，均可通过机床操作面板上的进给倍率开关来对进给速度值进给实时修正。这时，通过倍率开关，可以控制其进给速度的值为0。至于机床开始与结束进给过程中的加速、减速运动，则由数控系统自动实现，编程时不用考虑。 3、主轴功能（S功能） 用以控制主轴转速的功能称为主轴功能，亦称为S功能，由地址符S及其后面的一组数字组成。 主轴速度由S后的两位代码指令。指令方法如下： 主轴速度由S后的两位代码指定,下一页,返回,上

29、一页,第一章 概述,主轴速度由S后的五位代码指定。 主轴速度由S后的两位代码指定 主轴的转速可由S后的两位代码指定。一个程序段内只能含有一个S 代码，代码的输入方法见说明书。 主轴转速直接指定（S后5位数） 主轴的转速可由S后的五位十进制的数值指定，5位数值直接表示转速（rpm）。 工件端面恒切削速度控制（G96、G97） 由S后的数值指定工件横端面的线速度，运行时根据刀尖的位置主轴转速相应变化，保持切削速度不变,下一页,返回,上一页,第一章 概述,指令格式： 端面恒速的控制指令： G96 S 00000 端面的线速度（m/min或尺/min） 端面恒速控制删除指令：G97 S 00000 主

30、轴转速（rpm） 最高转速的钳制：G50 S 00000 S值为允许的最高主轴转速 例： G00 X80 Z100 G50 S3000 （允许的最高主轴转速） G96 S200 （工件端面线速度200m/min） G01 Z-50 F0.3 X50 G97 S1000 (主轴转速1000 rpm/min),下一页,返回,上一页,第一章 概述,4、刀具功能（T功能） 刀具功能是指系统进行选（转）刀或换刀的功能指令，亦称为T功能。刀具功能用地址符T及后面的一组数字表达。常用刀具功能的指定方法有T4位数法和T2位数法。 T4位数法可以同时指定刀具和选择刀补，其4位数的前两位数用于指定刀具号，后两位数用于指定刀具补偿存储器号。刀具号与刀具补偿存储器号不一定要求相同。如T0101表示选用1号刀具及选用1号刀具补偿存储器号中的补偿值；而T0102则表示选用1号刀具及选用2号刀具补偿存储器号中补偿值。FANUC数控系统及部分国产系统多采用T4位数法,下一页,返回,上一页,第一章 概述,T2位数法对某些系统，仅能指定其刀具号，刀具存储器号则由其他指令（如D或H指令）进行选择。这时