数控编程概述

1、数控编程概述 4.1 数控编程基础知识 4.2 数控编程中的工艺分析与设计 4.3 零件数控加工工艺设计实例 4.4 数控编程中的数值计算 习题 4.1 数控编程基础知识 4.1.1 数控编程的概念 在普通机床上加工零件时， 一般应由工艺人员按照设计图样事先制定好零件的加工工艺规程， 工艺规程中包括零件的加工工序、 切削用量， 机床的规格及刀具、 夹具等内容。 数控机床则按照事先编制好的加工程序， 自动对被加工零件进行加工。 把零件的加工工艺路线、 工艺参数， 刀具的运动轨迹、 位移量、 切削参数（主轴转速、 进给量、 切削深度等）以及辅助功能（换刀， 主轴正反转， 切削液开、 关等）按照数控

2、机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单， 输入到数控机床的控装置中， 从而控制机床加工零件， 这一过程称为数控程序的编制。 4.1.2 数控编程的内容与步骤 1. 数控编程的内容 数控编程的主要内容有： 分析零件图样， 确定加工工艺过程； 数值计算； 编写零件加工程序单； 输入程序/传送程序； 程序校验， 首件试切。 2. 数控编程的步骤 数控编程的步骤一般如图4.1所示。 图4.1 数控编程步骤 （1） 分析图样， 确定加工工艺过程。 （2） 数值计算。 根据零件的几何尺寸， 确定的工艺路线及设定的坐标系， 计算零件粗、 精加工各运动轨迹， 得到刀位数据。 （3） 编写零件加工程序单。

3、 （4） 输入/传送程序。 （5） 程序校验与首件试切。 4.1.3 零件程序的格式 零件程序是用来描述零件加工过程的指令代码集合， 由程序号、 程序段组成。 如下所示是在一块平板上铣切圆环槽的零件程序： O40 ； 程序号N10 G00 X10 Y25 Z1 S1250 M03； 主轴启动， 快速定位到（10， 25， 1）N20 G01 Z-5 F100 ； 进给到（10， 25， -5）N30 G02 X10 Y25 I20 J0 F125 ； X-Y平面顺时针铣圆弧N40 G00 Z100 M05 ； 快速退回， 主轴停止N50 X-20； 快速退回N60 M30； 程序结束M30 1

4、. 程序号 程序号是零件程序的存储代号， 与文件名的作用相似。 它一般以特殊符号开头， 后续数字码。 2. 程序段 一个程序段由若干个功能指令字组成， 用来指定一个加工步骤， 其一般格式为 4.1.4 数控编程的种类 数控编程一般分为手工编程和自动编程两种。 1. 手工编程 对于手工编程， 图4.1所述各编程步骤都是由人工来完成的。 2. 自动编程 自动编程即用计算机编制数控加工程序。 编程人员只需根据图样的要求， 使用数控语言编写出零件加工源程序， 送入计算机， 由计算机自动进行数值计算、 后置处理， 编写出零件加工程序单， 将加工程序通过直接通信的方式送入数控机床， 指挥机床工作。 4.2

5、 数控编程中的工艺分析与设计 4.2.1 数控加工工艺设计准备 1. 选择并决定进行数控加工的内容 选择并决定对某个零件进行数控加工后， 并不等于要加工该零件的所有加工内容， 而可能只是对其中的一部分进行数控加工。 在选择数控加工内容时， 一般可按下列顺序考虑： (1) 通用机床无法加工的内容应作为优先选择的内容。 (2) 通用机床难加工， 质量也难以保证的内容应作为重点选择的内容。 (3) 通用机床加工效率低， 工人手工操作劳动强度大的内容， 可在数控机床尚存在富余能力的基础上进行选择。 一般来说， 上述这些加工内容采用数控加工后， 产品质量、 生产效率与综合经济效益等方面都会得到明显提高。

6、 相比之下， 下列一些加工内容则不宜选择数控加工： (1) 需要通过较长时间占机调整的加工内容， 如零件的粗加工， 特别是铸、 锻毛坯零件的基准平面、 定位面等部位的加工等。 (2) 必须按专用工装协调的孔及其它加工内容， 因为对这类加工内容来说， 采集编程用的数据有困难， 协调效果也不一定理想。 (3) 按某些特定的制造依据（如样板、 样件、 模胎等）加工的型面轮廓， 因为取数据难， 易与检验依据发生矛盾， 增加了编程难度。 (4) 不能在一次安装中加工完成的其它零星部位， 采用数控加工很繁杂， 效果不明显， 可安排通用机床补加工。 2. 对零件图进行数控加工工艺性分析 （1） 审查与分析零

7、件图纸中的尺寸标注方法是否适应数控加工的特点。 （2） 审查与分析零件图中构成轮廓的几何元素是否充分。 （3） 审查与分析定位基准的可靠性。 （4） 审查和分析零件所要求的加工精度、 尺寸公差是否都可以得到保证。 3. 零件毛坯的工艺性分析 零件毛坯的工艺性分析一般从下面几个方面考虑： （1） 毛坯的加工余量是否充分， 批量生产时的毛坯余量是否稳定。 （2） 分析毛坯在安装定位方面的适应性。 （3） 分析毛坯的余量大小及均匀性。 4.2.2 数控加工工艺的设计过程 1. 机床的选择 不同类型的零件应在不同的数控机床上加工， 要根据零件的设计要求选择机床。 2. 加工工序的划分 数控加工工序的划

8、分一般有如下三种方法。 （1） 刀具集中分序法： 按所用刀具划分工序， 用同一把刀具加工完零件上所有可以加工的部位， 再用第二把、 第三把刀完成它们可以加工的其它部位。 （2） 加工部位分序法： 对于加工内容很多的零件， 可按其结构特点将加工部位分成几个部分， 如内形、 外形、 曲面或平面等。 （3） 粗、 精加工分序法： 对于易发生加工变形的零件， 由于粗加工后可能发生变形而需要进行校形， 故一般来说凡要进行粗、 精加工的部件都要将工序分开。 3. 加工顺序的安排 安排加工顺序一般应按下列原则进行： (1) 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧， 中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考

9、虑。 (2) 先进行内型腔加工工序， 后进行外形加工工序。 (3) 以相同定位、 夹紧方式或同一把刀具加工的工序， 最好接连进行， 以减少重复定位、 换刀以及挪动压板的次数。 (4) 在同一次安装所进行的多道工序中， 应先安排对工件刚性破坏较小的工序。 4. 工件装夹方式的确定 1） 定位基准与夹紧方案的确定 在确定定位基准与夹紧方案时应注意下列三点： （1） 力求设计、 工艺与编程计算的基准统一。 （2） 尽量减少装夹次数， 尽可能做到在一次定位装夹后就能加工出全部待加工表面。 （3） 避免采用占机人工调整式方案。 2） 夹具的选择 数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求： 一是要保证夹具的

10、坐标方向与机床的坐标方向相对固定； 二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。 除此之外， 还应考虑下列几点： （1） 当零件加工批量小时， 尽量采用组合夹具、 可调式夹具及其它通用夹具。 （2） 当小批或成批生产时， 才考虑采用组合夹具， 但应力求结构简单。 （3） 夹具要开敞， 其定位、 夹紧机构的元件不能影响加工中的走刀(如产生碰撞)。 （4） 应力求夹紧力通过靠近主要支承点或在支承点所组成的三角形内， 或靠近切削部位并在刚性较好的地方， 尽量不要在被加工孔的上方以减少零件变形。 （5） 装卸零件要方便、 可靠， 以缩短准备时间。 有条件时， 批量较大的零件应采用气动或液压夹具、 多工位夹具。

11、 5. 对刀点与换刀点的确定（1） 找正容易。（2） 编程方便。（3） 对刀误差小。（4） 加工时检查方便、 可靠。 6. 走刀路线的选择 工步的划分与安排一般可随走刀路线来进行。 在确定走刀路线时， 主要考虑下列因素： （1） 保证零件的加工精度要求。 （2） 方便数值计算， 减少编程工作量。 （3） 寻求最短加工路线， 减少空刀时间以提高加工效率。 （4） 尽量减少程序段数。 (5) 为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求， 最终轮廓应安排最后一次走刀连续加工出来。 （6） 刀具的进、 退刀(切入与切出)路线要认真考虑， 以尽量减少在轮廓处停刀(切削力突然变化造成弹性变形)而留下刀痕， 也要

12、避免在工件轮廓面上垂直下刀而划伤工件。 在选择走刀路线时， 下述情况应充分注意： （1） 孔加工。 图4.2是精镗孔4-30H7孔的加工示意图。 由于孔的位置精度要求较高， 因此安排镗孔路线问题就显得比较重要， 安排不当就有可能带入机床进给机构的反向间隙， 直接影响孔的位置精度。 图4.3是图4.2的加工路线示意图。 从图4.3不难看出， 方案a由于孔与、 、 孔的定位方向相反， 因而机床X向进给机构的反向间隙会使定位误差增加， 而影响孔与孔的位置精度。 图4.2 镗孔加工示意图 图4.3 镗孔加工路线示意图 (a) 方案a; (b) 方案b (2) 铣削内、 外轮廓。 铣切外轮廓时， 要安排

13、刀具从切向进入轮廓进行铣削加工。 在外轮廓加工完毕之后， 不要在切点处取消刀补和退刀， 要安排一段沿切线方向继续运动的辅助路线， 这样可以避免在取消刀补时刀具与工件相撞而造成刀具和工件的报废。 例如， 铣削外圆的加工路线如图4.4所示。 图4.4 铣削外圆的加工路线 图4.5 铣削内圆的加工路线 (3) 曲面轮廓加工。 曲面轮廓的加工工艺较平面轮廓要复杂得多， 加工时要根据曲面形状、 刀具形状以及零件的精度要求选择合理的走刀路线。 图4.6 曲面轮廓加工走刀路线 (4) 型腔加工。 型腔是指以封闭曲线为边界的平底或曲底凹坑。 加工平底型腔时一律用平底铣刀， 且刀具边缘部分的圆角半径应符合型腔的

14、图样要求。 型腔的切削分两步， 第一步切内腔， 第二步切轮廓。 切轮廓通常又分为粗加工和精加工两步。 粗加工的走刀路线如图4.7所示， 从型腔轮廓线向里偏置铣刀半径R并且留出粗加工余量y。 图4.7 型腔轮廓粗加工图 图4.8 型腔区域加工走刀路线 7. 加工刀具的选择 在数控机床上进行铣削加工时选择刀具要注意如下要点： （1） 平面铣削时应选用不重磨硬质合金端铣刀或立铣刀。 （2） 一般铣削时， 尽量采用二次走刀加工， 第一次走刀最好用端铣刀粗铣， 沿工件表面连续走刀。 （3） 选好每次走刀的宽度和铣刀的直径， 使接刀痕不影响精切走刀精度。 （4） 精加工时， 铣刀直径要选大些， 最好能包容

15、加工面的整个宽度。 （5） 立铣刀和镶硬质合金刀片的端铣刀主要用于加工凸台、 凹槽和箱口面。 图4.9 数控机床用的立铣刀(a) 轴向进给加工的立铣刀； (b) 非等距立铣刀； (c) 加强刚度的立铣刀 （6） 为了提高槽宽的加工精度， 减少铣刀的种类， 加工时可采用直径比槽宽小的铣刀， 先铣槽的中间部分， 然后用刀具半径补偿功能铣槽的两边。 （7） 铣削平面零件的周边轮廓一般采用立铣刀， 刀具的结构参数估算如下： 刀具半径R应小于零件内轮廓的最小曲率半径， 一般取R(0.80.9)； 零件的加工高度H(1/41/6)R， 以保证刀具有足够的刚度； 粗加工内型面时， 刀具直径可按下式估算(参考

16、图4.10)：式中：1槽的精加工余量； 加工内型面时的最大允许精加工余量； 零件内壁的最小夹角； D工件内型面最小圆弧直径。 图4.10 刀具直径估算 图4.11 曲面轮廓加工常用刀具 8. 切削用量的确定 在确定切削用量时需注意以下一些内容： （1） 在选择切削用量时要保证刀具能加工完一个零件， 或者能保证刀具的耐用度不低于一个班， 最小也不能低于半个班的作业时间。 （2） 切削深度主要受机床、 工件和刀具的刚度限制， 在刚度允许的情况下， 尽可能使切削深度等于零件的加工余量， 这样可以减少走刀次数， 提高效率。 （3） 对于精度和表面粗糙度有较高要求的零件， 应留有足够的加工余量。 一般加

17、工中心的精加工余量较普通机床的精加工余量小。 主轴转速n要根据允许的切削速度v来选择， 即式中： n主轴转速(r/min)； D刀具直径(mm); v切削速度(m/min)， 受刀具耐用度的限制。 程序编制中， 在选择进给量或进给率时需要注意零件加工中的某些特殊情况。 例如， 当加工圆弧时， 切削点的实际进给速度并不等于编程数值。 从图4.12(a)可知， 当刀具中心的进给速度为v， 零件轮廓的圆弧半径为R， 刀具半径为r时， 加工外圆弧的切削点实际进给速度为 即实际进给速度小于编程值。 而在加工内圆弧时， 有 当Rr时， 切削点的实际进给速度将变得非常大， 有可能引起刀具损伤或工件破坏。 采

18、用进给率编程， 切削点的进给速度与编程时一致， 但是刀具中心的运动速度将随着刀具半径的变化而变化。 如图4.12(b)所示， 如果R=1 mm， r=20 mm， 取编程进给速度为200 mm/min， 则进给率FRN=200 mm/min。 这时刀具中心的运动速度为 v0=FRN(R+r)=4200 mm/min图4.12 进给速度的确定 9. 编程误差的控制 程序编制中的误差主要由以下三部分组成： (1) 逼近误差。 这是用近似计算方法逼近零件轮廓时所产生的误差， 也称一次逼近误差。 (2) 插补误差。 这是用直线或圆弧段逼近零件轮廓曲线所产生的误差。 (3) 圆整化误差。 这是将工件尺寸

19、换算成机床的脉冲当量时由于圆整化所产生的误差。 4.2.3 数控加工专用技术文件的编写 (1) 数控加工工序卡。 数控加工工序卡与普通加工工序卡有许多相似之处， 其不同之处是： 工序图中应注明编程原点与对刀点， 要进行编程简要说明(所用控制机型号、 程序编号、 镜像加工对称方式、 刀具半径补偿界限等)及切削参数(即程序编入的主轴转速、 进给速度、 最大切削深度或宽度等)的选定。 在工序加工内容不十分复杂的情况下， 用数控加工工序卡的形式较好， 可以把零件工序图、 尺寸、 技术要求、 工序内容及程序要说明的问题集中反映在一张卡片上， 令使用者一目了然。 工序卡的格式见表4.1。 表4.1 工艺过

20、程卡 (2) 数控加工程序说明卡。 实践证明， 仅用加工程序单、 工艺规程来进行实际加工还有许多不足之处。 (3) 数控加工走刀路线图。 (4) 编写要求。 4.3 零件数控加工工艺设计实例 1. 零件结构及工艺性分析 该工件结构复杂， 精度要求较高， 各加工表面之间有较严格的位置度和垂直度等要求； 铸件毛坯有较大的加工余量， 零件的工艺刚性差。 图4.13 支架零件图 图4.13 支架零件图 图4.13 支架零件图 2. 采用加工中心加工的工艺方案 通过零件的工艺分析， 确定该零件在卧式加工中心上加工。 根据零件外形及图纸要求， 支架在加工时， 以75js6外圆及26.50.15尺寸上面定位

21、(两定位面均在前面车床工序中先加工完成)。 工件安装简图如图4.14 所示。 图4.14 工件装夹示意图 3. 支架零件工步设计 支架零件的加工方法、 工步内容、 刀辅具选择、 切削用量的确定等如表4.2的工艺规程卡所示。 表4.2 支架数控加工工艺规程卡(略） 零件工步设计的几点说明： (1) 由于工件不是精密铸造件， 加工余量大， 尤其是40h8部分由于结构限制， 它的刚性较差， 加工中产生的变形较大， 因而在粗加工和半精加工全部完成之后再进行精加工。 (2) 所选卧式加工中心本身采用编码器进行位置检测， 利用鼠牙盘进行工作台分度定位， 多次回转加工， 能有效保证各面之间的垂直度要求。 （

22、3） 在精镗62J7孔之前切2-2.2 槽及倒角， 可防止精加工后孔内产生毛刺。 4. 数控加工程序设计 加工支架时， 共设定三个工件坐标系： B270G54， X0、 Y0设在62J7孔轴线上， Z0设在72.5尺寸上面60 mm处； B180G55， X0、 Y0设在55H7孔轴线上， Z0设在(B-B)视图90尺寸右面上； B0 G56， X0、 Y0设在U型槽R22尺寸中心上， Z0设在U型槽3尺寸右面上。 4.4 数控编程中的数值计算 4.4.1 计算零件几何元素的基点坐标 任何一个零件的轮廓都是由不同的几何元素(如直线、 圆弧及特形曲线等)组成的， 各个元素间的连接点称为基点， 如直线与直线的交点、 直线与圆弧的交点或切点、 圆弧与圆弧的交点与切点等。 图4.15中的A、 B、 C、 D、 E等即为基点。 基点的坐标是编程中的主要数据。 基点的坐标值可依据零件图