《数控技术》-第三章

3.1数控编程概述在普通机床上加工零件时，一般是由工艺人员按照零件图事先制定好加工工艺规程。在工艺规程中有零件的加工程序、切削用量、机床的规格及刀具、夹具等内容。操作人员按工艺规程的规定步骤操作机床，加工出图样给定的零件。也就是说零件的加工过程(如开车，停车，改变主轴转速，改变进给速度和方向，切削液开、关等)都是由人工手动操纵来完成的。用数控机床加工零件时，是按照事先编制好的加工程序自动地对被加工零件进行加工的。所谓加工程序，就是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、背吃刀量等)以及辅助功能(换刀，主轴正转、反转，切削液开、关等)。下一页返回3.1数控编程概述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，再把程序单的内容通过控制介质或直接输入到数控机床的数控装置中，从而控制机床加工零件。这种从零件图的分析到生成程序单的全过程称为数控程序的编制。从外观组成来看，数控机床上有CRT屏幕，可以从屏幕上看到加工程序、各种工艺参数等内容；从内部结构来看，数控机床可以没有变速箱，它的主运动和进给运动都是由直流或交流无级变速伺服电动机来完成的。一个数控加工程序，常用指令包括准备功能指令G、辅助功能指令M、刀具功能指令T、主轴转速指令S和进给功能指令F。下面分别介绍各功能指令的编程方法。G指令也称为准备功能指令，简称G功能指令或G代码指令。下一页返回上一页3.1数控编程概述G指令确定的控制功能，可分为坐标系设定类型、插补功能类型、固定循环类型等。该指令的作用是指定机床的加工方式，为数控装置的插补运算和刀具半径补偿后的中心轨迹的计算等作准备。G指令由字母G和其后2位数字组成，G00~G99共100种。我国行业标准JB/T3208-1999非等效于国际标准ISO1056:1975，标准规定了G指令的功能，见表3-1。但不同种类的数控系统的指令代码还不统一，因此，编程人员在编程之前必须参考数控系统的参考手册。G指令通常有两种:1)非模态G指令。这种指令只有在被指定的程序段内才有意义。返回上一页3.2与坐标和坐标系有关的指令2)模态G指令。这种指令在同组其他的G指令出现以前一直有效；不同组的G指令，在同一程序段中可以指定多个。除了2.1节所讲到的机床坐标原点和机床坐标系外，工艺人员在数控编程过程中需要在工件上定义一个几何基准点，称为程序原点，也称为工件原点，用W表示。编程时一般选择工件上的某一点作为工件原点，并以这个原点作为坐标系的原点建立一个新的坐标系，称为编程坐标系(工件坐标系)。加工时工件必须夹紧在机床上，保证工件坐标系各坐标轴平行于机床坐标系的各坐标轴，由此在坐标轴上产生机床零点与工件零点的坐标值偏移量，该值作为可设定的零点偏移量输入到给定的数据区。当NC程序运行时，此值就可以用一个编程的指令(比如G54)选择，如图3-1所示。下一页返回3.2与坐标和坐标系有关的指令现代CNC系统一般都要求机床在回零操作后，即使机床回到机床原点或机床参考点(不同的机床采用的回零操作方式可能不一样，但一般都要求回参考点)之后，才能启动。机床参考点和机床原点之间的偏移值存放在机床参数中。回零操作后机床控制系统进行初始化，使机床运动坐标X、Y、Z、A、B等的显示(计数器)为零。加工开始要设置工件坐标系，即确定刀具起点相对于工件坐标系原点的位置。常用两种方法来设置或建立编程坐标系。下一页返回3.2与坐标和坐标系有关的指令3.2.1坐标系设定指令(G50)G50指令就是用来建立工件坐标系的，有些数控系统采用G92指令。它规定了工件坐标系原点的位置。就是说它确定了工件坐标系的原点(工件原点)在距刀具刀位点起始位置(起刀点)多远的地方；或者说，以工件原点为基准；确定起刀点的坐标值。编程时通过G50指令将工件坐标系的原点告诉数控装置，并把设定值记忆在数控装置的存储器内。执行该指令后就确定了起刀点与工件原点的相对位置。下一页返回上一页3.2与坐标和坐标系有关的指令格式:工件坐标系原点可以设定在工件基准或工艺基准上；也可以设定在卡盘断面中心(如数控车床)或工件的任意一点上。而刀具刀位点的起始位置(起刀点)可以放置在机床原点或换刀点上，也可以是任意一点，即通过G50可以确定当前工件坐标系的程序原点。G92指令通过设定刀具起点相对于工件坐标系原点的相对位置，建立该坐标系，如图3-2。程序如下:此程序段只是建立在工件坐标系中刀具起点相对于程序原点的位置，该坐标系在机床重开机时消失，执行后刀具(机床)并不产生运动。下一页返回上一页3.2与坐标和坐标系有关的指令注意:1)设定工件坐标系时，机床并未发生运动，只是显示屏上的坐标值发生了变化。2)G50指令通常出现在程序第一段，用于首次设定工件坐标系或用在程序中，用来重新设定工件坐标系。3)在设定工件坐标系前，车床要进行返回参考点和对刀操作。4)若G50用增量值编程，则当前的刀具位置就与原来的刀具位置加上指定的增量值的结果相符；若在刀具偏置期间用G50设定坐标系，那在设定的坐标系中，刀偏前的位置与G50规定的相符。下一页返回上一页3.2与坐标和坐标系有关的指令3.2.2工件坐标系的选取指今(G54~G59)在编程过程中，为了避免尺寸换算，需多次平移工件坐标系。一般数控机床可以预先设定六个(G54~G59)工件坐标系，这些坐标系的坐标原点在机床坐标系中的值可用手动数据输入(MDI)方式输入，存储在机床存储器内，在机床重开机时仍然存在，在程序中可以分别选取其中之一使用。格式:一旦指定了G54~G59之一，则该工件坐标系原点即当前程序原点，后续程序段中的工件绝对坐标均为相对此程序原点的值。例如:下一页返回上一页3.2与坐标和坐标系有关的指令执行N10句时，系统会选定G54坐标系作为当前坐标系，然后再执行G00移动到该坐标系中的A点；执行N20句时，系统又会选择G59坐标系作为当前坐标系；执行N30句时，机床就会移动到刚指定的G59坐标系中的B点(见图3-3)。注意:1)辅助工件坐标系(G54~G59)是通过手动数据输入(MDT)方式，在设定参数方式下进行设定，其坐标系原点在机床坐标系中位置是不变的，它与刀具的当前位置无关；下一页返回上一页3.2与坐标和坐标系有关的指令而G50通过程序设定工件坐标系，其坐标系原点随当前刀具位置的不同而改变。2)G54~G59指令可以和G00/G01指令组合，在选定的加工坐标系中进行位移；G50只设定工件坐标系，而不产生任何动作。3.2.3绝对坐标和相对坐标指令(G90，G91)绝对坐标和相对坐标指令表示使用运动轴的移动方式。使用绝对坐标指令(G90，程序中的位移量用刀具的终点坐标表示；使用相对坐标指令(G91)，程序中的位移量用刀具运动的增量表示，即运动终点或运动起点的坐标值。下一页返回上一页3.2与坐标和坐标系有关的指令格式:如图3-4所示，表示刀具从A点到B点的移动，用以上两种方式的编程分别如下。程序如下:G90/G91为模态功能，可相互注销，G90为默认值。G90/G91可用于同一程序段中，但要注意其顺序所造成的差异。当图样尺寸由一个固定基准给定时，采用绝对方式编程较为方便；而当图样尺寸是以轮廓顶点之间的间距给出时，采用相对方式编程较为方便。下一页返回上一页3.2与坐标和坐标系有关的指令注意:1)有些数控系统不用G指令规定，而用X、Y、Z表示绝对值编程，U、V、W表示增量编程。如图3-4所示用增量值编程可以表示为G00U-120.0W90.0。2)在一个程序段中也可以同时使用绝对值和增量值进行编程，称为混合编程，例如G00X400.0W-20.0。但在G90/G91方式下，一个程序段只能选用绝对值编程和增量值编程中的一种。3.2.4平面选择指令(G17~G19)G17、G18、G19指令分别表示设定选择XY、ZX、YZ平面作为当前工作平面。对于三坐标运动的铣床和加工中心，特别对于可以三坐标控制、任意双坐标联动的机床，即所谓下一页返回3.2与坐标和坐标系有关的指令坐标的机床，常需用这些指令指定机床在哪一平面进行运动。由于XY平面最常用，故G17可省略。对于两坐标控制的机床，如车床，总是在XZ平面内运动，故无须使用平面指令。格式:返回上一页3.3运动路径控制指令3.3.1单位设定指令(G21，G20)工程图样中的尺寸标注有米制和英制两种形式，数控系统利用G21/G20指令表示程序中的数据是米制和英制尺寸。米制尺寸单位是mm，英制尺寸单位是in。米制与英制单位的换算关系为:1mm≈0.394in，1in≈25.4mm。G20指令分辨率为0.0001in，G21指令的分辨率为0.001mm格式:注意:使用米制/英制转换时，必须在程序开头一个独立的程序段中指定上述G代码，然后才能输入坐标尺寸。下列物理量可能因G20、G21指令而变化:①进给速度值；②位置量；下一页返回3.3运动路径控制指令③偏置量；④手摇脉冲发生器的功能单位；⑤步进进给的移动单位；⑥其他有关参数。在米制/英制转换的G代码指定后，输入数值尺寸距离单位发生变换，但角度单位不变。注意:有些系统的米制/英制尺寸不采用G21/G20代码，如SIMENS和FAGOR系统采用G71/G70代码。程序执行时，绝对不能切换G20和G21。机床断电后米制/英制转换的G代码被保存，通电后延续其断电前的设定功能。3.3.2快速定位指令(G00)刀具以点位控制方式从当前所在位置快速移动到指令给出的目标位置。它只用于快速定位，不能用于切削，一般用于空行程运动。其运动轨迹视具体系统的设计而定。格式:下一页返回上一页3.3运动路径控制指令其中，X、Y、Z为目标点的绝对或增量坐标。【例3.1】使用快速点定位指令G00编写一个程序，刀具从A点快速移动到B点，运动轨迹如图3-5所示。其程序如下:其实际运动轨迹为ACB。因此在以G00方式进刀和退刀时要注意确保刀具不与工件、机床和夹具发生碰撞)下一页返回上一页3.3运动路径控制指令注意:1)G00是模态指令，上面例子中，由A点到B点实现快速定位时，因第一条程序段已定义了G00，第二条程序段不再重复定义G00，只写出坐标值即可。2)快速点定位移动速度不能用程序段指令设定，它的速度已由生产厂家预先调定。若在快速点定位程序前设定了进给速度F，指令F对G00程序段无效。3)快速点定位指令G00执行过程是，刀具由程序起始点开始加速移动至最大速度，然后保持快速移动，最后减速到达终点，这样可以提高数控机床的定位精度。4)粗加工前刀具用G00指令快速靠近工件时应与工件保持一小段间距，避免刀具直接切入工件毛面引起刀具崩刃。下一页返回上一页3.3运动路径控制指令3.3.3直线插补指令(G01)直线插补也称直线切削，它的特点是刀具以一定的进给速度从当前所在位置沿直线移动到指令给出的目标位置。该指令一般用于轮廓切削。格式:其中，X、Y、Z为直线终点的绝对或增量坐标；F为沿插补方向的进给速度。注意:1)G0指令既可双坐标联动插补，又可三坐标联动插补，取决于数控系统的功能。当G01指令后面只有两个坐标值时，刀具将作平面直线插补；下一页返回上一页3.3运动路径控制指令若有三个坐标值时，刀具将作空间直线插补。2)G01程序段中必须含有进给速度F指令，否则机床不动作，或按G00方式进给运动。3)G01和F指令均为续效指令。【例3.2】使用G01指令编程，坐标系原点O是程序起始点，要求刀具O点快速移动到A点，然后沿AB、BC、CA实现直线切削，再由A点快速返回程序起始点O(见图3-6)。用绝对坐标编程方式，其程序如下:下一页返回上一页3.3运动路径控制指令用相对坐标编程方式，其程序如下:3.3.4圆弧插补及螺旋线插补指令(G02，G03)1.圆弧插补指令刀具在各坐标平面内以一定的进给速度进行圆弧插补运动，即从当前位置(圆弧起点)，沿圆弧移动到指令给出的目标位下一页返回上一页3.3运动路径控制指令置，切削出圆弧轮廓。G02为顺时针圆弧插补指令，G03为逆时针圆弧插补指令。圆弧顺、逆的判断方法为:在圆弧插补中，沿垂直于要加工的圆弧所在平面的坐标轴由正方向向负方向看，刀具相对于工件的转动方向是顺时针方向时为G02，是逆时针方向为G03。G02和G03为模态指令，有继承性，继承方式与G01相同。圆弧加工程序段一般应包括圆弧所在的平面、圆弧的顺逆、圆弧的终点坐标以及圆心坐标(或半径)等信息。格式:在XY坐标平面上程序段格式:下一页返回上一页3.3运动路径控制指令在XZ坐标平面上程序段格式:在YZ坐标平面上程序段格式:其中，G02是顺时针方向圆弧插补；G03是逆时针方向圆弧插补；X、Y、Z在绝对值编程中为圆弧终点坐标值，在增量编程中圆弧终点减去圆弧起点的坐标值。R是圆弧半径；Z、J、R是圆心相对于圆弧起点的X、Y、Z方向坐标增量。注意:当机床只有一个平面时，平面指令可以省略；当机床有三个坐标平面因为通常在XY平面内加工平面轮廓曲线，所以开机后自动进入G17指令状态，在编写程序时，也可以省略。下一页返回上一页3.3运动路径控制指令程序段中的X、Y、Z为坐标轴的地址符。其后的数值是圆弧终点的坐标分量，可以按相对坐标或绝对坐标给定，取决于是G91还是G90编程。I、J、K表示圆心相对于圆弧起点在X、Y、Z轴方向上增量值，也可理解为圆弧起点到圆心的矢量在X、Y、Z轴上的投影。当I、J、K的方向与坐标轴方向相同时取正值，反之则取负值。I、J、K的定义与前面的G90和G91没有关系。采用圆弧R编程时，从起点到终点存在两条圆弧线段，它们的编程参数完全一样。途中两条顺时针方向圆弧，不但起点一致，而且圆弧半径相等。为了区分这两种情况，用参数R编程时规定:当圆弧小于或等于180°时，用+R表示圆弧半径；当圆弧大于180°时，用-R表示圆弧半径。下一页返回上一页3.3运动路径控制指令在同一程序段中，如I、J、K和R同时出现，则R有效，而I、J、K被忽略。【例3.3】铣削加工如图3-7所示的曲线轮廓，设A点为起刀点，进给速度为100mm/min。各种方法的程序编制如下。1)使用圆弧半径R编程，绝对坐标编程方式:相对坐标编程方式:下一页返回上一页3.3运动路径控制指令2)使用分矢量I，J编程:程序中的I0和J0可以省略。如果圆弧是一个封闭的整圆，只能使用分矢量编程。图3-8所示是一封闭的整圆，要求由A点逆时针插补并返回A点，其程序段格式为:下一页返回上一页3.3运动路径控制指令2.螺旋线插补指令螺旋线插补指令与圆弧插补指令相同，即G02和G03分别表示顺时针、逆时针螺旋线插补。顺、逆的方向要看圆弧插补平面，方法与圆弧插补相同。在进行圆弧插补时，垂直于插补平面的坐标同步运动，构成螺旋线插补运动，如图3-9所示。在XY坐标平面上程序段格式为:在XZ坐标平面上程序段格式:下一页返回上一页3.3运动路径控制指令在YZ坐标平面上程序段格式:下面以在XY坐标平面上程序段格式为例，介绍各参数的意义。另外两种格式中的参数意义类同。X、Y、Z:为螺旋线的终点坐标。I、J:圆心在X,Y轴上相对于螺旋线起点的坐标。R:螺旋线在XY平面上的投影半径。K：螺旋线的导程(单头即为螺距)，取正值。两种格式的区别与平面上的圆弧插补类似，现代CNC系统一般采用第一种格式。下一页返回上一页3.3运动路径控制指令【例3.4】图3-10所示螺旋槽由两个螺旋面组成，前半圆AmB为左旋螺旋面，后半圆AnB为右旋螺旋面，螺旋槽最深处为A点，最浅处为B点。要求用Ф8的立铣刀加工该螺旋槽，编制加工程序。1)计算求得刀心轨迹坐标如下。A点:X=96，Y=60，Z=-40。B点:X=24，Y=60，Z=-1。导程:K=6。2)编程程序如下。下一页返回上一页3.3运动路径控制指令注意:最后三段程序不能写成G00XOYOZ50M30，否则会造成刀具在快速运动过程中与工件或夹具碰撞。下一页返回上一页3.3运动路径控制指令3.3.5暂停指令(G04)在进行锪孔、车槽、车台阶轴清根等加工时，常要求刀具在短时间内实现无进给光整加工，此时可以用G04指令实现暂停，暂停结束后，继续执行下一段程序。格式:符号в是地址，常用X、P等也址表示，大多数机床都采用X，这里的X和坐标系中使用的X没有任何关系。若脉冲当量是0.001mm，则停留时间范围是0.001~99999.999s；也可用工件旋转的转数表示暂停的长短，其含义是执行暂停指令时工件旋转，刀具不动，只有当工件旋转的转数等于设定值时，立即执行下一段程序。下一页返回上一页3.3运动路径控制指令【例3.5】图3-11所示锪孔加工，要求锪孔进给速度100mm/min，进给量7.5mm，停留3s后，快退10mm，其加工程序如下。注意:G04是非模态指令，只在本程序段有效。3.3.6返回参考点指令(G27~G29)这里的参考点是指机床原点或由参数设定的基准点。1.返回参考点校验—G27G27指令可以检验机床是否准确返回参考点:下一页返回上一页3.3运动路径控制指令格式:注意:数控机床执行G27指令时，各坐标轴以快速点定位的方式返回各坐标轴的参考点，同时，参考点指示灯亮。使用G27指令时，应取消刀具补偿功能，否则机床无法返回参考点。G27指令执行后，数控系统继续执行下面程序段，若需要机床停止，应在G27程序段后加M00或M01等辅助功能。2.自动返回参考点—G28G28指令可以使刀具从任何位置以快速定位方式经过中间点返回参考点，到达参考点时，指示灯亮格式:下一页返回上一页3.3运动路径控制指令X、Y中的坐标值只是中间点的坐标值，取值时应避免与工件、机床和夹具相碰撞，参考点的坐标值不需要指定。G28指令常用于刀具自动换刀的程序段，执行前应取消刀具补偿功能。3.从参考点自动返回—G29格式:注意:X、Y中的坐标值是返回点的坐标值，中间点的坐标值不需要指定，由前面程序段G28指令中设定。执行G29指令时，机床从参考点快速移到G28指令设定的中间点，再从中间点快速移到G29指令的指定点。机床刀架在参考点完成自动换刀时，常用G28、G29功能。下一页返回上一页3.4辅助功能及其他功能指令3.4.1辅助功能指令辅助功能指令，也称为M功能或M代码。代码以字母(称为地址符)M为首，后面紧跟一两位数字组成，例如M01，M03，M19等。M代码是控制机床“开-关”功能的指令，主要用于完成加工操作时的一些辅助动作。除了少量的M指令代码是通用的以外，大部分的M指令都是机床厂家根据所设计的机床的特殊功能来设定的。因此，在编制工件程序时必须要参照机床使用说明书的具体说明。一些通用的M指令功能见表3-2。M00是程序停止指令，被编辑在一个单独的程序段中。当完成该程序段其他指令后，运行该指令时，机床的主轴、进给及切削液等全部进入停止状态，而现存的所有模态信息保持不变，相当于单程序段停止。下一页返回3.4辅助功能及其他功能指令只有当重新按下操作面板上的循环启动键(CYCLESTARTO)后，方可继续执行下一程序段。该指令主要用于加工过程中测量刀具和工件的尺寸、工件调头、手动变速等固定手工操作。加工程序送入数控后，虽然通过试运行可以校验程序语法有无错误，加工轨迹正确与否，但对于控制介质等的准确性，以及能否满足加工精度的要求，则必须通过首件试切削检验才能实现。对于试切削，一般采用单段运行的方式进行。在该工作状态下，每按一次自动循环键，系统只执行一段程序的动作，即机床工件只走一段程序，停一下；通过一段一段地运行来检验每执行一段程序的动作。发现错误时，应分析错误的性质，或修改程序单，或调整刀具补偿尺寸，直到符合图样规定的精度要求为止。下一页返回上一页3.4辅助功能及其他功能指令M01指令是选择停止，和M00指令相似，所不同的是:只有当面板上“选择停止”按钮被按下时，M01才有效，否则机床仍不停地继续执行后续的程序段。该指令常用于工件关键尺寸的停机抽样检查等情况。当检查完毕后，按“启动”键将继续执行以后的程序。M02和M30是程序结束指令，执行时使主轴、进给、冷却全部停止，并使系统复位，加工结束。M30指令还兼有控制返回零件程序头的作用，所以使用M30的程序段结束后，若再次按循环启动键，将从程序的第一段重新执行；而使用M02的程序段结束后，若要重新执行该程序，就得再进行调整。M03、M04指令使主轴正、反转，与同段其他指令一起开始执行。所谓正转，是沿主轴轴线向正Z方向看：下一页返回上一页3.4辅助功能及其他功能指令顺时针方向旋转；逆时针方向则为反转。也可用右手定则判断:用右手拇指代表正Z方向，紧握四指则代表主轴正转方向。M05指令使主轴停止，是在该程序段其他指令执行完成后才停止的。格式:注意:其中字母S表示主轴速度，大小用其后面的数字表示，表示方法有三种。1)转速。S表示主轴转速，单位为:r/min。如S1500表示主轴转速为1500r/min。2)线速。在恒线速状态下，S表示切削点的线速度，单位是m/min。如S50表示切削点的线速度为50m/min。下一页返回上一页3.4辅助功能及其他功能指令3)代码。用代码表示主轴速度时，S后面不直接表示转速或线速的数值，而只是主轴速度的代号。如某机床用S00~S99表示100种转速，S40表示转速为200r/min，S41表示转速为1230r/min，S00表示转速为0，S99表示最高转速。M06是自动换刀指令，用于具有自动换刀装置的机床，如加工中心和有回转刀架的数控车床。M07、M08分别命令2号切削液(雾状)和1号切削液(液状)开，而M09则命令切削液停。M98用来调用子程序。M99指令表示子程序结束。执行M99使控制返回到主程序。下一页返回上一页3.4辅助功能及其他功能指令3.4.2刀具功能指令刀具功能指令由地址功能码T和其后面的若干数字组成。其中T表示所换刀具，刀具号用T后面的数字表示，常见的表示方法有以下两种。1)T后面的数字表示刀具号，如T00~T99。2)T后面的数字表示刀具号和刀具补偿号(刀尖位置补偿、半径补偿、长度补偿量的补偿号)，如T0812表示选择8号刀具，用12号补偿量。3.