第一章第一章数控机床加工程序编制的基础

1、第一章 数控机床加工程序编制的基础内容提要： 本章主要介绍数控机床的基本概念、体系结构、工作原理及分类、数控机床的坐标系与编程的基础知识。第一节 数控机床概述数控技术与数控机床:自从20世纪中叶数控技术创立以来，它给 机械制造业带来了革命性的变化。现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；是国家的战略技术：基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；专家们预言: 二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。1

2、.1.1 常见的数控机床 1. 数控车床一般具有两轴联动功能,Z轴是与主轴方向平行的运动轴,X轴是在水平面内与主轴方向垂直的运动轴2.数控铣床 世界上第一台数控机床就是数控铣床,它适于加工三维复杂曲面。铣床铣床3.加工中心 数控加工中心是“具有自动刀具交换装置(ATC) ,并能进行多种工序加工的数控机床” a)立式加工中心的主轴是垂直的 b)卧式加工中心主轴是水平方向的 在加工中心上,一个工件可以通过夹具安放在回转工作台或交换托盘上,通过工作台的旋转可以加工多面体,通过托盘的交换可更换加工的工件,提高了加工效率。 数控加工中心加工中心的特点是什么？主要是有：刀库刀具交换装置回转工作台其它数控机

3、床数控磨床和数控钻床 数控平面磨床 数控立式钻床 数控磨床主要用于加工高硬度、高精度表面。数控钻床主要完成钻孔、攻螺纹功能,同时也可以完成简单的铣削功能,刀库可存放多种刀具。 数控电火花成形机床和数控线切割机床 数控线切割机床 : 数控电火花成形机床:一种特种加工机床 其工作原理是利用 其工作原理与电火花成形机床一样,其两个不同 极性的电极在绝 电极是电极丝,缘液体中 产生放电现象, 加工液一般采去除材料 进而完成加工。 用去离子水。 此两种数控机床主要适用于形状复杂的模具及难加工材料的加工。 数控机床的分类 数控机床的种类很多,其分类方法尚无统一规定。 数控机床运动控制轨迹的种类 点位控制P

4、ositioning Control 直线控制 (Straight-line Control) 轮廓控制(Contour Control)数控机床 数控机床加工精度的高低，按照对运动执行机构的控制方式分类 开环控制(Open-Loop Control): 一般采用由功率步进电动机驱动 不带反馈装置的控制系统。 闭环控制(Closed-Loop Control) 半闭环控制(Semi-Closed Loop Control) 位置检测装置安装于机床直线运动部 将位置检测装置安装于驱动电动机件上,加工中将测量到的实际位置值反馈。 轴端或安装于传动丝杠端部(如图中虚数控装置将反馈信号与位移指令随时进

5、 线所示),间接地测量移动部件(工作台)行比较,根据其差值与指令进给速度的要 的实际位置或位移 求, 按一定规律转换后,得到进给伺服系统的速度指令。 数控机床加工的特点 数控加工与通用机床加工相比,在许多方面遵循基本一致的原则,在使用方法上也有很多相似之处。但由于数控机床本身自动化程度较高,设备费用较高,设备功能较强,使数控加工相应形成了如下几个特点: . 1.数控加工的工艺内容十分明确而且具体 2.数控加工的工艺工作相当准确而且严密 3.数控加工的工序相对集中 数控机床加工的适应性 数控机床是一种高度自动化的机床,有一般机床所不具备的许多优点,所以数控机床加工技术的应用范围在不断扩大,但数控

6、机床这种高度机电一体化产品,技术含量高,成本高,使用与维修都有较高的要求。根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践,一般可按适应程度将零件分为下列三类: 1.最适应数控加工零件类 2.较适应数控加工零件类 3.不适应数控加工零件类 总之，对于多品种小批量零件;结构较复杂,精度要求较高的零件;需要频繁改型的零件;价格昂贵,不允许报废的关键零件和需要最小生产周期的急需零件易于采用数控加工。 第二节:数控编程的基本概念数控机床与普通机床的区别数控机床：是完全严格按照从外部输入的事先编制好的加工程序自动对被加工工件进行加工的普通机床：虽然也有所谓的“程序”即机械加工工艺规程，但实际上往往是由操作者自行

7、考虑和确定，而且是用手工方式进行控制的那么，什么叫编程？怎样编程呢？仿形机床加工，虽然避免了操作者直接操纵机床,但每一个凸轮机构或靠模,只能加工一种零件。当改变被加工零件时,就要更换凸轮、靠模。 数控机床加工过程示意图 1.2.1何谓数控编程怎样编程？在进行数控加工前，把工件的加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数(主轴转数、进给量、背吃刀量等)以及辅助功能(换刀、主轴正转、反转、切削液开和关等),按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序,再把这一或一组程序的内容记录在控制介质上(如软磁盘、U盘、移动硬盘或其它存储器),然后输入到数控机床的数控装置中,或直接输入到数

8、控装置中，从而控制机床进行加工。何谓编程？从零件图的分析到制成加工程序控制介质的全部过程，叫数控程序的编制，即编程。 实现数控加工,编程是关键。而数控加工程序 则在数控机床与数控加工之间起着一种纽带作用。在编程前必须编制数控工艺，所以 严格说来,数控编程也属于数控工艺的范畴。因此,数控加工工艺或数控编程主要包括以下几方面的内容: 1)选择并确定需要进行数控加工的零件及内容。 2)进行数控加工工艺设计。 3)对零件图形进行必要的数学处理。 4)编写加工程序。 5)按程序单制作控制介质（如磁盘等）。 6)对程序进行校验与修改。 7)首件试加工与现场问题处理。 8)数控加工工艺技术文件的编写与归档。

9、 数控人才是综合性人才制图，读图工艺（机床，夹具，刀具，切削原理等）数学电脑编程技巧（代码含义，语法处理，技巧掌握）机床操作（不同机床，不同数控系统）尺寸控制（测量技术，尺寸控制技巧等）等等加工举例1.2.2 编程的一般步骤1.2.3数控加工程序的编制方法有以下两种。1.手工编程分析零件图、确定机床、工艺处理、数值计算、编写程序及检验等各个阶段 均由人工完成的编程方法,称为手工编程。2.自动编程 是计算机通过自动编程软件完成对刀具运动轨迹的自 动计算，自动生成加工程序并在计算机屏幕上动态地显 示出刀具的加工轨迹的方法。 对于加工零件形状复杂，特别是涉及三维立体形状或刀具运动轨迹计算烦琐时，采用

10、自动编程。 手工编程框图一个完整的数控加工程序由3部分组成：序号、程序内容、程序结束指令1.2.4 程序的基本格式一个完整的数控加工程序由若干程序段组成， 每个程序段由若干个指令字组成， 每个指令字又由字母、数字、符号组成。 例如，N20 G01 X30 Y40 F100 S500 T02 M03 ；地址字 N20 G01 X30 Y40 F100 S500 T02 M03 ；N20第20个程序段。便于检索，为整数，为递增，可以不写；G01直线插补。两位数字，其他如G00、G03、有99个；X30X轴向坐标尺寸。X为地址字母，有很多，见表1-1；Y40Y轴向坐标尺寸。Y也为地址字母，同上；F1

11、00进给速度，为100mm/min。为进给量时，单位mm/r；S500主轴转速，为500r/min。恒线速度时，单位m/min；T02选择刀具，为2号刀。如T0201，01为刀具补偿号；M03主轴转向，为正向。反向用M04，用于辅助； ；程序段分割符号。机床输入时，常用“EOB”。说明主轴正反转代码：程序可分为主程序和子程序。 正常情况下，数控机床是按主程序的指令工作的。 重复出现的内容编为“子程序” 主程序和子程序在子程序中遇到返回指令时，才回到主程序继续按主程序的指令进行工作。 （在程序中,若某一固定的加工操作重复出现时,可把这部分操作编制成子程序,然后根据需要调用,这样可使程序变得非常简

12、单）可重复调用子程序 可以由主程序调用,已被调用的子程序还可以调用其他子程序 这种方式，称为子程序嵌套。 （1）子程序调用指令M98及从子程序返回指令M99M98:用来调用子程序。 调用子程序的格式 M98 Pxxxx Lxx（或Pxxxxxx） P:被调用的子程序号。 L:重复调用次数。M99:表示子程序结束,执行M99使控制返回到主程序。（2）子程序的格式O（%）xxxx（子程序名） M99（子程序结束并返回主程序或原先程序指令）第三节:数控系统的功能代码1.3.1 数控系统的准备功能代码(G代码)1.3.2 数控系统的辅助功能(M代码)第四节 数控机床的坐标系 第一章 数控机床加工程序编

13、制的基础数控机床坐标系在数控机床上,机床的动作是由数控装置来控制的,为了确定机床上的成形运动和辅助运动,必须先确定机床上运动的方向和运动的距离,这就需要一个坐标系才能实现,这个坐标系就称为机床坐标系。然而数控机床坐标系统有：.机床坐标系.工件坐标系（编程坐标系）坐标系统及其关系机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系。 工件坐标系是编程时使用的坐标系,又称为编程坐标系。工件坐标系是建立在机床坐标系基础上的, 在数控编程时，应该首先确定工件坐标系和工件原点。 数控机床坐标系的形式主要有两种:笛卡儿坐标系极坐标系 等等直角、极、柱坐标等G90时坐标值 G91时坐标值3540P点: R15 A10

14、 Z70各点坐标值 用角度A代替一个坐标值 角度A的定义是以前一点为起点的线段与横坐标轴之间的夹角那么，标准机床坐标系是怎么样的呢？标准机床坐标系的确定原则为了便于编程时描述机床的运动，简化程序的编制方法及保证记录数据的互换性，数控机床的坐标和运动的方向均已标准化： (1)采用右手笛卡儿直角坐标系。 (2)刀具相对于静止工件而运动的原则。 认为刀具作进给运动，而工件静止不动。 以便根据零件图样来确定机床的加工过程。 (3)运动正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。 为知道刀具相对工件的运动方向， 确定数控机床坐标系坐标轴的正方向为： 增大工件与刀具之间距离的方向，即 刀具靠近工件表面为负方向，

15、远离则为正方向。标准机床坐标系的确定原则为了便于编程时描述机床的运动，简化程序的编制方法及保证记录数据的互换性，数控机床的坐标和运动的方向均已标准化。（1）标准机床坐标系采用上述右手笛卡儿直角坐标系。（2）刀具相对于静止工件而运动的原则。 在数控加工过程中，不论是工件静止刀具作进给运动，还是工件作进给运动刀具静止不动，数控机床的坐标运动均是指刀具相对于工件的运动,即认为刀具作进给运动，而工件静止不动。 这一原则使编程人员可以仅仅根据零件图样来确定机床的加工过程。(注意：这时如果在坐标轴命名时,把刀具看作相对静止不动,而工件移动, 那么工件移动的坐标系就是+X,+Y,+Z等。) （3）运动正方向

16、为增大工件与刀具之间距离的方向。 切削加工是在刀具和工件的相对运动中产生的，所以将右手笛卡儿直角坐标系用于数控机床进行程序编制时，必须知道刀具相对工件的运动方向。 数控机床坐标系坐标轴的正方向（机床的某一运动部件的运动正方向)规定为增大工件与刀具之间距离的方向，即刀具靠近工件表面为负方向，刀具远离工件表面为正方向。坐标系的确定原则右手笛卡儿直角坐标系（1）标准坐标系的规定 直角坐标系的 X, Y, Z 轴，分别用右手的 拇指,食指,中指代表 主轴正，反转的确定： （a）右手的四指旋转方向，为主轴的旋转方向， （b）若拇指方向与坐标轴同向，四指旋转方向则为正转；否则为负转。那么，直角坐标系的 X

17、, Y, Z 轴在数控机床上，如何应用呢？直角坐标系的 X, Y, Z 轴在数控机床上的应用一般规定数控车床（轴，轴）：.与机床主轴轴线平行或重合的方向为Z 轴，且规定从卡盘中心至尾座顶尖中心的方向为正方向。.在水平面内或平行于导轨的平面内与车床主轴轴线即轴垂直的方向为X 轴，且规定刀具远离主轴旋转中心的方向为正方向。坐标轴标注示例常用机床的标准坐标系前置刀架后置刀架（数控车床）+X、+Y、+Z表示刀具相对于工件的正向运动指令图中，+X、+Y、+Z则表示工件相对于刀具正向运动的指令。 Z轴坐标的运动： 一般取产生切削力的轴线(即主轴轴线)为Z轴。 （工件静止）具有可编程尾座的双刀架车床 Z坐标

18、轴与车床的主轴同轴线，刀具横向运动方向为X坐标轴的方向，平行于横向拖板;旋转方向C表示主轴的正转。 数控车床主轴旋转方向（右手法则）1机床坐标系 如左下图所示，以机床原点为坐标原点建立起来的X 轴、Z 轴直角坐标系，称为机床坐标系。机床坐标系是机床固有的坐标系，它是制造和调整机床的基础，也是设置工件坐标系的基础。机床坐标系在出厂前已经调整好，通常不允许用户随意变动。机床原点为机床上的一个固定的点。一般情况下，数控车床的机床原点为主轴旋转中心与卡盘后端面之交点。（图中O或点）那么，机床与工件坐标原点位置有何区别呢？数控车床工件坐标系（编程坐标系）工件坐标系与机床坐标系三轴平行，方向一致，只是，原

19、点位置可能不同以上为车床工件坐标系含原点，可以使用机床坐标系含原点，也可任意选择Z轴，传递切削动力的主轴。X轴，平行于工件的装夹平面，一般取水平。Y轴，根据右手法则来定。铣床坐标系卧式铣床坐标系 Z坐标轴与卧式铣床的水平主轴同轴线，面对主轴，向左为X坐标轴的正方向，根据右手直角坐标系的规定确定Y坐标轴的方向朝上。 X、Y 、Z 表示工零件相对刀具正向运动则 : +X= -X ; +Y= -Y ; +Z= - Z +A= - A ; +B= - B ; +C= -C卧式（数控铣床）立式 Z坐标轴与主轴同轴。工件及工作台沿Z轴不移动，刀具上下移动，向上远离工件为正方向。 X坐标轴的正方向，面对主轴

20、向右。工件坐标系工件坐标系与机床坐标系三轴平行，方向一致，只是，原点位置不同工件坐标系原点可以根据需要任意选取也可选择为机床原点规定：垂直于工件装夹表面的方向作为Z轴.框架移动式 工作台移动式 没有主轴的机床a）工作台移动式b）框架移动式 龙门轮廓铣床垂直于工件装夹表面的方向作为Z轴镗铣床立式转塔车床或立式镗铣床垂直于工件装夹表面的方向作为Z轴落地卧式 镗铣床垂直于工件装夹表面的方向作为Z轴牛头刨床垂直于工件装夹表面的方向作为Z轴数控机床回零操作的含义在机床接通电源后，通常都要做回零操作，使刀具或工作台退到机床原点或机床参考点。实际上，回零操作就是找机床原点操作，是对基准的重新核定，可消除由于

21、种种原因产生的基准偏差。数控机床在回零操作，准备就绪后，才能正常操作不能到达零点时，可回参考点机床参考点对机床原点的坐标是一个已知定值，也就是说，可以根据机床参考点在机床坐标系中的坐标值，间接确定机床原点的位置。 因此，回零操作，又称为：返回参考点操作回零或回参考点操作实验实验通过回零或回参考点，实现回零操作进行机床回参考点操作，即寻找机床坐标系原点位置。“选ZEN，按+X或+Z，点灯”或Ref可见具体操作： 机床坐标系在出厂前已经已经由制造厂家调整好，通常不允许用户随意变动。 机床启动时,通常要进行机动或手动将运动部件回到各轴正向极限位置,即回零。 机床参考点通常设置在机床各轴靠近正向极限的

22、位置（见上图左、右），通过减速行程开关粗定位而由零位点脉冲精确定位。机床参考点位置机床原点位置机床坐标系原点和机床参考点 数控铣床的机械原点与机床参考点 数控车床（前置刀架）的机械原点与参考点 进行机床回参考点操作，即寻找机床坐标系原点位置。具体操作：“选ZEN，按+X或+Z，点灯”或Ref工件坐标系（编程坐标系） 一般，工件坐标系原点的选择如何选择工件坐标系原点呢？工件坐标系原点在机床坐标系中，称为调整点那么， 工件坐标系（编程坐标系） 工件原点的选择一般应遵循以下原则：选择原则： (1)工件原点选在工件图样的基准上，以利于编程。 (2)工件原点尽量选在尺寸精度高、粗糙度值低的工件表面上。

23、(3)工件原点最好选在工件的对称中心上。 (4)要便于测量和检验。工件坐标系（编程坐标系） 一般，工件坐标系原点的选择？数控铣床工件坐标系的原点选择左前角对称中心N000 G54 Z90.0 N0120 G53 Z-90.0 ;组 3G53取消G54G55G54调用偏置寄存器1G55调用偏置寄存器2组 5G56取消G57G58G59G57调用偏置寄存器3G58调用偏置寄存器4G59调用偏置寄存器5同组偏置,后调用的有效异组偏置,则尺寸相加取消偏置尺寸时,必须编入G53、G56来分别取消两个不同组的指令6数控车床工件坐标系的原点选择偏置寄存=18+40+46.2 第一种是：通过对刀将刀偏值写入参

24、数从而获得工件坐标系。这种方法操作简单，可靠性好，它通过刀偏与机械坐标系紧密的联系在一起，只要不断电、不改变刀偏值，工件坐标系就会存在且不会变，即使断电，重启后回参考点，工件坐标系还在原来的位置。 第二种是：用G50设定坐标系，对刀后将刀移动到G50设定的位置才能加工。对刀时先对基准刀，其他刀的刀偏都是相对于基准刀的。 第三种方法是MDI参数，运用G54G59可以设定六个坐标系，这种坐标系是相对于参考点不变的，与刀具无关。这种方法适用于批量生产且工件在卡盘上有固定装夹位置的加工。 FANUC系统确定工件坐标系的三种方法:具体在此不展开一、直接用刀具试切对刀 1.用外园车刀先试车一外园，记住当前

25、X坐标，测量外园直径后，用X坐标减外园直径，所的值输入offset界面的几何形状X值里。2.用外园车刀先试车一外园端面，记住当前Z坐标，输入offset界面的几何形状Z值里。二、用G50设置工件零点 1.用外园车刀先试车一外园，测量外园直径后，把刀沿Z轴正方向退点，切端面到中心（X轴坐标减去直径值）。2.选择MDI方式，输入G50 X0 Z0，启动START键，把当前点设为零点。3.选择MDI方式，输入G0 X150 Z150 ，使刀具离开工件进刀加工。4.这时程序开头：G50 X150 Z150 .。5.注意：用G50 X150 Z150，你起点和终点必须一致即X150 Z150，这样才能保

26、证重复加工不乱刀。6.如用第二参考点G30，即能保证重复加工不乱刀，这时程序开头 G30 U0 W0 G50 X150 Z150三、 用工件移设置工件零点 1.在FANUC0-TD系统的Offset里，有一工件移界面，可输入零点偏移值。2.用外园车刀先试切工件端面，这时Z坐标的位置如：Z200，直接输入到偏移值里。3.选择“Ref”回参考点方式，按X、Z轴回参考点，这时工件零点坐标系即建立。4.注意：这个零点一直保持，只有从新设置偏移值Z0，才清除。四、用G54-G59设置工件零点 1.用外园车刀先试车一外园，测量外园直径后，把刀沿Z轴正方向退点，切端面到中心。2.把当前的X和Z轴坐标直接输入

27、到G54-G59里,程序直接调用如:G54X50Z50。3.注意:可用G53指令清除G54-G59工件坐标系。 Fanuc系统数控车床设置工件零点常用方法偏置就是确定在加工工件时所使用的加工基准点。该偏置值需要预存到数控系统中,在加工时,工件原点偏置值便能自动附加到工作坐标系（工件坐标系）上,使数控系统可按机床坐标系确定加工时的坐标值。工件原点偏置值，即工件原点到机床原点的距离偏置值预存时，若刀具不在工件原点，要将该点到原点的距离考虑进去第三种方法：运用G54G59设定六个坐标系加工多个“图样”时： 用零点偏置指令：G54G59建立不同工件坐标系其他方法，在此不展开第三种方法：运用G54G59

28、设定坐标系数控机床编程时，可采用绝对值编程、增量值编程或二者混合编程。1 绝对值编程绝对值编程是根据预先设定的编程原点计算出绝对值坐标尺寸进行编程的一种方法。即采用绝对值编程时，首先要指出编程原点的位置，并用地址X 、Z 进行编程（X 为直径值）。有的数控系统（数控铣床多半）用G90 指令指定绝对值编程。2 增量值编程增量值编程是根据与前一个位置的坐标值增量来表示位置的一种编程方法。即程序中的终点坐标是相对于起点坐标而言的。采用增量值编程时，用地址U、W代替X 、Z 进行编程。U、W的正负由行程方向确定，行程方向与机床坐标系方向相同时为正，反之为负。有的数控系统（数控铣床多半）用G91 指令指

29、定增量值编程。3 混合编程绝对值编程与增量值编程混合起来(X,U和Z,W在同一程序段中）进行编程的方法叫混合编程。编程时也必须先设定编程原点。采用G90,G91编程时，二者不能出现在同一程序段。绝对值编程与增量值编程绝对坐标参照坐标原点增量坐标参照当前点相对坐标系编程回转体两位平面参照为：当前点或前一点绝对坐标系编程参照为：坐标原点如图所示，用上述三种不同方法编程时程序如下: 解:（1 ）绝对值编程N04 G01 X30.0 Z0 F60 ; N05 X40.0 Z-25.0 ; （绝对值编程）N06 X60.0 Z-40.0 ; （绝对值编程） ( 2 )增量值编程 N04 G01 X30.

30、0 Z0 F60 ; N05 G0l U10.0 W-25.0 ; （增量值编程） N06 U20.0 W-15.0 ; （增量值编程） ( 3 )混合编程 N04 G01 X30.0 Z0 F60 ; N05 G01 Ul0.0 Z25.0 F60 ; （混合编程） N06 X60.0 W-15.0 ; （混合编程） 由上可知，虽然三个程序中的坐标尺寸不同，但都表示从P0 点经Pl 运动到P2点。在此不展开数控车床，混合编程可混合使用和，和适合G90编程 适合G91编程适合绝对坐标编程适合绝对坐标编程有的数控系统，一般数控铣床，使用/增量显示绝对尺寸编程G90和相对尺寸编程G91 绝对值编程

31、时,使用X、Y、Z；不用G90，为机床默认状态;相对值编程时,使用第二坐标U、V、W不用G91；使用G91，不使用U、V、W 。U、V、W分别与X、Y、Z平行而且同向。N010G00Z5.0T01M03S1000;N020G00X0Y0;N030G01Z-1.0F300;N040G91X10.0Y20.0;N050 X20.0Y20.0;N060 X10.0Y20.0;N070 X10.0Y-40.0;N080 X20.0Y-20.0;N090G90G00Z5.0;N100G00X0Y0;N110M02;混合法编程:绝对尺寸编程G90和相对尺寸编程G91 混合法编程:15 绝对值编程时,使用第一坐标X、Y、Z不用G90，为机床默认状态;相对值编程时,使用第二坐标U、V、W不用G91；使用G91，不使用U、V、W 。U、V、W分别与X、Y、Z平行而且同向。N10G0