《数控编程与操作》课件-第二章 数控加工编程基础

数控机床编程“十二五”职业教育国家规划教材

经全国职业教育教材审定委员会审定

普通高等教育“十一五”国家级规划教材第3版主编杜国臣副主编刘秉亮毕世英张金峰李传军参编李兴凯李瑞斌王兰红王宝龙主审姜军生机

械

工

业

出

版

社第二章数控加工编程基础

学习目标:本章是数控编程的基础,主要介绍了数控编程的基础知识,常用G代码和M代码功能指令,数控机床坐标系,数控程序段与程序格式等。本章要求熟悉数控加工程序格式以及编程步骤,重点熟悉数控机床坐标系的确定方法和右手笛卡尔直角坐标系的应用。视频机

械

工

业

出

版

社第一节概述2.1.1数控机床编程的内容与步骤

在数控机床上加工零件,首先要编制零件的加工程序,然后才能进行自动加工。通过对零件图的分析,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、进给量等)以及辅助动作(主轴正转或反转、切削液开或关、自动换刀等),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单,再把程序内容输入到数控机床的数控装置中,从而控制机床加工零件。程序编制是数控加工的一项重要工作,理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格工件,同时应能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥,以使数控机床安全可靠及高效地工作。机

械

工

业

出

版

社第一节概述机

械

工

业

出

版

社

数控机床程序编制的内容主要包括:分析被加工零件的零件图,确定加工工艺过程,进行刀具运动轨迹坐标计算,编写程序单,制备控制介质,程序校验和首件试切等,如图2-1所示。其具体步骤与要求如下。视频第一节概述机

械

工

业

出

版

社1.分析零件图样通过对工件材料、形状、尺寸精度及毛坯形状和热处理的分析,确定工件在数控机床上进行加工的可行性。2.工艺处理

选择适合数控加工合理的加工工艺,是提高数控加工技术经济效果的首要因素。制定数控加工工艺除考虑通常的一般工艺原则外,还应考虑充分发挥所有数控机床的指令功能,进给路线要短,换刀次数尽可能少等。工艺处理涉及问题较多,需要考虑如下几点。

(1)确定加工方案此时应按照能充分发挥数控机床功能的原则,使用合适的数控机床,确定合理的加工方法。第一节概述机

械

工

业

出

版

社(2)刀具、工夹具的设计和选择数控加工用刀具由加工方法、切削用量及其他与加工有关的因素来确定。数控机床具有刀具补偿功能和自动换刀功能。

数控加工一般不需要专用的复杂夹具。在设计和选择夹具时应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程,以减少辅助时间,使用组合夹具,生产准备周期短,夹具零件可以反复使用,经济效益好。此外,所用夹具应便于安装,便于协调工件和机床坐标系的尺寸关系。

(3)选择对刀点程序编制时正确地选择对刀点是很重要的。对刀点是指刀具相对零件运动的起始点。对刀点也称作程序起始点或起刀点。对刀点的选择原则是:所选对刀点应使程序编制简单、工件容易找正,并在加工过程中便于检查和减小加工误差的位置。第一节概述机

械

工

业

出

版

社(4)确定加工路线加工路线的选择主要应该考虑:尽量缩短进给路线,减少空进给行程,提高生产率;保证加工零件的精度和表面粗糙度的要求;有利于简化数值计算,减少程序段的数目和编程的工作量。

(5)确定切削用量切削用量包括背吃刀量、侧吃刀量、主轴转速(切削速度)及进给速度等。切削用量的具体数值应根据数控机床使用说明书的规定、被加工工件材料、加工工序以及其他工艺要求等,并结合实际经验来确定,详见第3章内容。

3.进行刀具运动轨迹坐标计算分析零件图,首先找出图样上的设计基准点,然后确定工件原点。工件原点是人为设定的,设定的依据是既要符合零件图尺寸的标注习惯,又要便于编程。一般情况下,零件图的设计基准点就是工件原点。以工件原点为坐标原点建立的坐标系,称为工件坐标系。第一节概述机

械

工

业

出

版

社

根据零件图的几何尺寸、进给路线及设定的工件坐标系,计算工件粗、精加工各种运动轨迹关键点的坐标值。对于形状比较简单的零件(如直线和圆弧组成的零件)的轮廓加工,需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值,有时还要计算刀具中心运动轨迹的坐标值。对于形状比较复杂的零件(如非圆曲线、曲面组成的零件),需要用直线段或圆弧段逼近,计算出逼近线段的交点坐标值,并限制在允许的误差范围以内。这种情况一般要用计算机来完成数值计算的工作。第一节概述机

械

工

业

出

版

社4.编写程序单在完成工艺处理和数值计算工作后,可以编写零件加工程序单,编程人员根据所使用数控系统的指令、程序段格式,逐段编写零件加工程序。编程人员要了解数控机床的性能、程序指令代码以及数控机床加工零件的过程,才能编写出正确的加工程序。5.制备控制介质程序单只是程序设计的文字记录,还必须把编制好的程序单上的内容记录在控制介质上作为数控装置的输入信息。控制介质有穿孔带、磁带、磁盘和U盘等。早期为穿孔带、磁带、磁盘等,现在大都采用U盘。一般数控系统均具有USB接口、RS232C接口输入。但是,规定的穿孔带代码标准没有变。第一节概述机

械

工

业

出

版

社6.程序校验和首件试切编制好的程序通常要进行校验,程序的校验可以采用数控仿真软件(如:德国的Dialog;国产的宇龙、斯沃、金银花数控仿真软件等)或CAM软件在计算机上进行模拟,也可利用数控机床的空运行功能进行检验,以检查机床的动作和运动轨迹的正确性。对带有刀具轨迹动态模拟显示功能的数控机床可进行数控模拟加工,以检查刀具轨迹是否正确。为了检查出由于编程计算不准确或刀具调整不当造成的加工误差的大小,还需经过试切进行实际检验。根据首件试切情况可对程序进行修改,采取尺寸补偿措施,直到加工出满意的零件为止。第一节概述机

械

工

业

出

版

社2.1.2数控机床程序的编制方法

数控机床程序编制方法可分为手工编程和自动编程两种。

1.手工编程

手工编程是指各个步骤均由手工编制,即从零件图分析、工艺处理、数据计算、编写程序单、输入程序到程序检验等各步骤主要由人工完成的编程过程。对形状简单的工件,计算比较简单,程序不多,采用手工编程较容易完成,而且经济、及时。因此在简单的点定位加工及由直线与圆弧组成的轮廓加工中,手工编程仍广泛应用。但对于几何形状复杂的零件,特别是具有非圆曲线及曲面的零件(如叶片、复杂模具等),或者表面的几何元素并不复杂而程序量很大的零件(如复杂的箱体),手工编程就有一定的困难,出错的概率增大,有的甚至无法编出程序,因此必须采用自动编程。不过,手工编程是自动编程的基础,掌握手工编程,对学好自动编程具有重要的作用。第一节概述机

械

工

业

出

版

社2.自动编程

自动编程也称为计算机辅助编程,即程序编制工作的大部分或全部由计算机完成。典型的自动编程有人机对话式自动编程及图形交互式自动编程。在人机对话式自动编程中,从工件的图形定义、刀具的选择、起始点的确定、进给路线的安排,到各种工艺指令的插入等都可由计算机完成,最后得到所需的加工程序。图形交互式自动编程是一种可以直接将零件的几何图形信息自动转化为数控加工程序的计算机辅助编程技术。它以CAD为基础,形成零件的三维图形文件,然后调用CAM数控编程模块,采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位,输入加工参数,计算机便可自动进行数学处理并编制出数控加工程序,同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。自动编程大大减轻了编程人员的劳动强度,提高了效率,同时解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。目前,常用的CAD/CAM自动编程软件主要有:Ug、Catia、Pro/E、Cimatron、MasterCAM、DelCAM、CAXA等。第二节字符与代码机

械

工

业

出

版

社2.2.1字符与代码的概念

字符(Character)是用来组织、控制或表示数据的一些符号,如数字、字母、标点符号、数学运算符等。它是加工程序的最小组成单位。常规加工程序用的字符分四类。第一类是字母,它由26个大写字母组成。第二类是数字和小数点,它由0~9共10个数字及一个小数点组成。第三类是符号,由正号(+)和负号(-)组成。第四类是功能字符,它由程序开始(结束)符“%”、程序段结束符“;”、跳过任选程序段符“/”等组成。

代码由字符组成,数控机床功能代码的标准有美国电子工业协会(EIA)制定的EIARS—244和国际标准化组织(ISO)制定的ISORS—840两种标准。国际上大都采用ISO代码,我国根据ISO标准制定了JB/T3208—1999《数控机床穿孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M的代码》,但该标准涉及的产品已退出市场,该标准现已废止。第二节字符与代码机

械

工

业

出

版

社2.2.2数控机床功能代码

1.准备功能

准备功能(G功能)是使数控机床建立起某种加工方式的指令,如插补、刀具补偿、固定循环等。G功能由地址符G和其后的两位数字组成,从G00~G99共100种功能。JB/T3208—1999标准中规定G代码及其功能如表2-1所示。不同数控系统的G代码及其功能将略有不同,详见第4章表4-1、第5章表5-1、第6章表6-2。第二节字符与代码机

械

工

业

出

版

社第二节字符与代码机

械

工

业

出

版

社第二节字符与代码机

械

工

业

出

版

社2.辅助功能

辅助功能(M功能)是用于指定主轴的旋转方向、起动、停止、切削液的开关,工件或刀具的夹紧和松开,刀具的更换等功能。辅助功能字由地址符M和其后的两位数字组成。从M00~M99共100种功能。JB/T3208—1999标准中规定M代码及其功能如表2-2所示。不同数控系统的M代码及其功能将略有不同,详见第4章表4-2、第5章表5-1、第6章表6-4。第二节字符与代码机

械

工

业

出

版

社第三节数控机床的坐标系机

械

工

业

出

版

社2.3.1坐标系及运动方向的规定目前,国际标准化组织已经统一了标准的坐标系。我国已制订了数控标准GB/T19660—2005《工业自动化系统与集成机床数值控制坐标系和运动命名》,它与ISO841等效。第三节数控机床的坐标系机

械

工

业

出

版

社

标准的坐标系采用右手笛卡儿直角坐标系,如图2-2所示。这个坐标系的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。直角坐标系X、Y、Z三者的关系及其方向用右手定则判定;围绕X、Y、Z各轴回转的运动及其正方向+A、+B、+C分别用右手螺旋定则确定。通常在坐标轴命名或编程时,不论机床在加工中是刀具移动,还是被加工工件移动,都一律假定被加工工件相对静止不动,而刀具在移动,即刀具相对运动的原则,并同时规定刀具远离工件的方向为各坐标的正方向。第三节数控机床的坐标系机

械

工

业

出

版

社2.3.2机床坐标轴的确定

确定机床坐标轴时,一般是先确定Z轴,再确定X轴,最后确定Y轴。

1.Z轴的确定

Z轴的方向是由传递切削力的主轴确定的,标准规定:与主轴轴线平行的坐标轴为Z轴,并且刀具远离工件的方向为Z轴的正方向,如图2-3~图2-6所示。对于没有主轴的机床,如牛头刨床等,则以与装夹工件的工作台面相垂直的直线作为Z轴方向。如果机床有几根主轴,则选择其中一个与工作台面相垂直的主轴,并以它来确定Z轴方向(如龙门铣床)。第三节数控机床的坐标系机

械

工

业

出

版

社第三节数控机床的坐标系机

械

工

业

出

版

社2.X轴的确定

平行于导轨面,且垂直于Z轴的坐标轴为X轴。X坐标是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。对于工件旋转的机床(如车床、磨床等),X轴的方向是在工件的径向上,且平行于横滑座导轨面。刀具远离工件旋转中心的方向为X轴正方向,对刀架前置数控车床如图2-3所示;对刀架后置数控车床(标准型)如图2-4所示。对于刀具旋转的机床(如数控铣床、数控钻床、加工中心等),如果Z轴是垂直的,则面对主轴看立柱时,右手所指的水平方向为X轴的正方向,如图2-5所示。如果Z轴是水平的,则面对主轴看立柱时,左手所指的水平方向为X轴的正方向,如图2-6所示。第三节数控机床的坐标系机

械

工

业

出

版

社3.Y轴的确定

Y轴垂直于X、Z轴。Y轴的正方向根据X坐标和Z坐标的正方向,按照右手笛卡尔直角坐标系来判断。4.旋转运动的确定围绕坐标轴X、Y、Z旋转的运动,分别用A、B、C表示。它们的正方向用右手螺旋定则判定,如图2-2所示。5.附加轴如果在X、Y、Z主要坐标以外,还有分别平行于它们的坐标,可分别指定为U、V、W,I、J、K和P、Q、R等。第三节数控机床的坐标系机

械

工

业

出

版

社6.工件运动方向对于工件旋转类机床,如数控车床等,刀具的实际运动就是刀具相对工件运动;而对刀具旋转类机床,如数控铣床、数控镗床、数控钻床和加工中心等,实际上是工件运动而不是刀具运动,为了编程,只能看成是刀具相对工件运动。如图2-3~图2-6所表示的X、Y、Z方向都是刀具相对工件的运动方向。对于类机床,还必须表明工件的实际运动方向,它与刀具相对工件的运动方向正好相反,为了区别,用带“'”的字母表示,如“X'、Y'、Z'”等。在编程时不要考虑X'Y'Z'坐标,一律按照XYZ坐标编程,即按照刀具相对运动的原则进行。第三节数控机床的坐标系机

械

工

业

出

版

社2.3.3数控机床坐标系的原点与参考点

1.数控机床坐标系的原点

数控机床坐标系是机床的基本坐标系,其原点又称机床原点或机械零点(M),这个点是机床固有的点,由生产厂家确定,不能随意改变,它是其他坐标系和机床参考点的出发点。不同的数控机床,其原点也不同,数控车床的原点在主轴前端面的中心上,如图2-7所示M点。数控铣床和立式加工中心的原点,在机床工作台的左前下方,如图2-8所示M点。第三节数控机床的坐标系机

械

工

业

出

版

社2.数控机床参考点

数控机床参考点R也称基准点或零点,是大多数具有增量位置测量系统的数控机床所必须具有的。它与机床原点有确定的尺寸联系,也是最远的两点。机床原点M是对机床而言,而机床参考点R是对刀具来说的。机床每次通电后,都要让刀具返回参考点R,只有这样机床才能建立起坐标系。对数控铣床和立式加工中心来说,其运动件是工作台,而不是刀具,当工作台回到机床原点M,相应地刀具也就处在参考点R上。参考点在各轴以硬件方式用固定的凸块和限位开关实现。数控车床的参考点R在M点的右上方,如图2-7所示。数控铣床和立式加工中心的参考点R在机床工作台的右后上方,如图2-8所示。用机床原点计算被加工零件上各点的坐标并进行编程是很不方便的,在编写零件的加工程序时,常常还要选择一个工件坐标系(又称编程坐标系)。关于工件坐标系将在以后几节内容中进行详细介绍。第四节程序段与程序格式机

械

工

业

出

版

社2.4.1程序段在数控机床上,把程序中出现的英文字母及其字符称为“地址”,如X、Y、Z、A、B、C、%等;数字0~9(包含小数点、“+”、“-”号)称为“数字”。“地址”和“数字”的组合称为“程序字”(亦称代码指令),程序字是组成数控加工程序的最基本单位,如N10、G01、X100、Z-20、F0.1等。

数控加工程序是由若干个程序段组成,而程序段是由若干程序字和段结束符组成。如“N10G01X100Z-20F0.1;”就是一个程序段,它是由5个程序字(其中程序字N10为程序段顺序号,简称段号;程序字G01、X100、Z-20和F0.1称为功能代码)和段结束符“;”组成。在书写和打印程序段时,每个程序段要占一行,在屏幕显示程序时也是如此。程序段格式是指一个程序段中程序字、字符、数据的书写规则。不同的数控系统,往往有不同或大同小异的程序段格式。程序段格式通常有以下三种。第四节程序段与程序格式机

械

工

业

出

版

社1.可变程序段格式

在这种格式中,程序字的字长不是固定的,程序字的个数也是可变的,所以各程序段的长度是可变的。可变程序段格式中,每个程序字前都有表示地址的字母;在一个程序段内,坐标字和各种功能字常按一定顺序排列(有个别的数控系统不按顺序排列),不需要的程序字以及与上一程序段相同的程序字都可以不写;数据的位数可多可少(但不得大于规定的最大允许位数)。这种格式编程直观灵活,程序简短,不容易出错。现代数控机床大都采用这种格式。2.固定程序段格式

在固定程序段格式中,各程序字无地址码,各程序字的顺序及位数是固定的,任何一个数字(包括“0”)都不能省略,所以各程序段长度都一样。采用这种格式的控制系统简单,早期的数控机床使用这种格式。由于使用这种格式编程不直观,且程序段长,目前很少使用。第四节程序段与程序格式机

械

工

业

出

版

社3.使用分隔符的固定程序段格式

这种格式预先规定了程序中可能出现的字的书写顺序,各程序字间用分隔符“HT”或“,”隔开,以表示地址的顺序。由于有分隔符,不需要的字或与上一段相同的字可以省略,但必须保留响应的分隔符,因此各程序段的分隔符数目相等。这种格式较第二种格式清晰,易于检查和核对,常用于功能不多的装置,如数控线切割机床等。第四节程序段与程序格式机

械

工

业

出

版

社2.4.2常规加工程序的格式

数控机床的加工程序,以程序字作为最基本的单位,程序字的集合构成了程序段,程序段的集合构成了完整的加工程序。加工零件不同,数控加工程序也不同,但有的程序段是所有程序都必不可少的,有的却是可以根据需要选择使用的。下面是一最简单的加工程序实例:O1000;

N01

G00

G90

G54;

N02

M04

S800;

N03

G00

X100

Y60;

N04

Z5;

N05

G01

Z-10

F60;

N06

G00

Z50;

N07

M30;第四节程序段与程序格式机

械

工

业

出

版

社

从上面的程序中可以看出;程序以O1000开头,以M30结束。在数控机床上,将O1000称为程序号,M30称为程序结束符。程序中的每一行以“;”作为程序段结束符。程序号、程序结束符、加工程序段是任何加工程序都必须具备的三个要素。

1.程序号程序号又称程序名,它是零件加工程序的代号,是加工程序的识别标记。不同程序号对应着不同的零件加工程序,程序号必须位于程序的开头。根据采用的标准和数控系统的不同,程序号的格式也不一样,如FANUC系统一般由字母O后缀4位数字组成。第四节程序段与程序格式机

械

工

业

出

版

社2.程序结束符

程序的结束符用M代码(辅助功能代码)表示,它必须写在程序的最后,代表着一个加工程序的结束。可以作为程序结束符的M代码有M02和M30,它们代表零件加工主程序的结束。此外M99、RET(Siemens常用)也可以用做程序结