教学材料《SINUMERIK 数控系统编程》-2

2-0任务引入与相关任务本单元是数控技术应用专业的基础部分,介绍了数控机床的组成及工作原理、坐标系、常用数学函数表达式以及编程的基础知识;并对数控编程常用指令、编程序格式等内容进行重点介绍。在编制数控加工程序前,应首先了解:数控程序编制的主要工作内容,程序编制的工作步骤,每一步应遵循的工作原则等,这样最终才能获得满足要求的数控程序,SINUMERIK数控系统的程序样本如下:LWQ35郾MPF(M:main主要的,P:program程序,F:function功能)N05G90G23G95G54;程序初始化N10G00X100Z50;刀具到起始位置下一页返回2-0任务引入与相关任务N15T01D01;选刀N20G96S120LIMS=2500;恒线速度120r/min转速上限2500r/minN25X50Z3M3;刀具接近工件,开始加工的位置N30X40;准备车准40外圆,对刀N35G01Z-15F0郾2;开始车准40外圆,进给速度0郾2mm/rN40G01X60Z-33;加工圆锥面N45G01Z-53;开始车准60外圆N50G01X75;加工20的左端面,并开始退刀到X75的位置N55G97X100Z50;取消恒线速度,刀具退回到起始位置N60M02;程序结束上一页下一页返回2-0任务引入与相关任务在数控机床上加工零件,首先要进行程序编制,将零件的加工顺序、工件与刀具相对运动轨迹的尺寸数据、工艺参数(主运动和进给运动速度、切削深度等)以及辅助操作等加工信息,用规定的文字、数字、符号组成代码,按一定的格式编写成加工程序单,并将程序单的信息通过控制介质输入到数控装置,由数控装置控制机床进行自动加工。从零件图纸到编制零件加工程序和制作控制介质的全部过程称为数控程序编制。要进行数控程序编制,必须具备哪些编程基本知识呢?上一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理如图2-1-1

和图2-1-2

所示的数控机床,了解数控机床的组成、工作原理及用途。1郾数控编程的基本知识在编制数控加工程序前,应首先了解数控机床的工作过程、数控程序编制的主要工作内容、程序编制的工作步骤以及每一步应遵循的工作原则等,最终才能获得满足要求的数控程序。首先,进行图样工艺分析,将加工零件所需的机床各种动作及工艺参数写成加工程序,也就是数控系统能辨识的信息代码。下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理其次,通过手工输入方式或者计算机和数控机床接口直接通信等方式,将加工程序输送到数控机床。接着,根据零件的工艺设计方案中所确定的刀具方案和夹具方案,对刀具和夹具进行安装和调节。在上述部分完成之后,数控机床会对加工程序进行译码和运算处理,发出相应的命令,驱动各个运动部件,控制刀具和工件的相对运动,自动完成零件的加工,如图2-1-3

所示。2郾程序编制的主要工作内容(1)分析零件图样和制定工艺方案上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理这项工作的内容包括:对零件图样进行分析,明确加工的内容和要求;确定加工方案;选择适合的数控机床;选择或设计刀具和夹具;确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析,并结合数控机床使用的基础知识,如数控机床的规格、性能、数控系统的功能等,确定加工方法和加工路线。(2)数学处理在确定了工艺方案后,就需要根据零件的几何尺寸、加工路线等,计算刀具中心运动轨迹,以获得刀位数据。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理数控系统一般均具有直线插补与圆弧插补功能,对于加工由圆弧和直线组成的较简单的平面零件,只需要计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值,得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等,就能满足编程要求。当零件的几何形状与控制系统的插补功能不一致时,就需要进行较复杂的数值计算,一般需要使用计算机辅助计算,否则难以完成。(3)编写零件加工程序在完成上述工艺处理及数值计算工作后,即可编写零件加工程序。程序编制人员使用数控系统的程序指令,按照规定的程序格式,逐段编写加工程序。程序编制人员应对数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉,才能编写出正确的加工程序。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理(4)程序检验将编写好的加工程序输入数控系统,就可控制数控机床的加工工作,一般在正式加工之前,要对程序进行检验。3郾基本概念与基本名词术语(1)CNC(ComputerNumericalControl)用数字或符号组成的数值信息实现对设备动作或状态的控制,它是集机、电、液、气、计算机及自动控制等一体的先进制造技术。(2)CNC机床利用数控技术控制的机床称为数控机床。在数控机床上,工件加工的全过程是由数字指令控制的,机床按照指令自动地进行工作。(3)数控加工程序上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理用一定的指令代码,按照一定的格式,根据工件加工工艺要求,编制出的一系列连续控制机床动作和状态的指令集合,称为数控加工程序。工件数控加工程序由若干程序段组合而成,每个程序段中,均有加工工件某一部分所需要的各种数据信息及机床操作的各种指令。(4)点位控制控制点到点的距离。(5)轮廓控制控制轮廓加工,实时控制位移和速度。(6)分辨率闭环数控机床的最小监测单位,也叫设定单位。它代表了数控系统和数控机床的精度。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理(7)脉冲当量数控系统中,一个指令脉冲代表的位移量(开环)。(8)插补数控机床在加工时,刀具的运动轨迹是折线,而不是光滑的曲线,不能严格地沿着要求的曲线运动,只能沿折线轨迹逼近所要加工的曲线运动,如图2-1-4

所示。一般情况下,机床数控系统是根据已知的运动轨迹的起点坐标、终点坐标和轨迹的曲线方程,由数控系统实时的计算出各中间点坐标,这就是插补,并用已知线型(已有插补轨迹)代替未知线型,达到数据密化的目的。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理常用的插补方法按插补曲线形状的不同,可分为直线插补法、圆弧插补法、抛物线插补法和高次曲线插补法等。数控机床加工时,刀具运动轨迹是直线的,称为直线插补,如图2-1-4(a)

所示,刀具运动轨迹是圆弧的,称为圆弧插补,如图2-1-4(b)

所示。4郾数控机床的组成数控机床是利用数控技术,准确地按照事先编制好的程序,自动加工出所需工件的机电一体化设备,一般由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成,如图2-1-5

所示。(1)输入、输出装置上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期,输入装置为穿孔纸带,现已趋于淘汰;目前,使用键盘、磁盘、通信等,大大方便了信息输入工作。输出指输出内部工作参数(含机床正常、理想工作状态下的原始参数,故障诊断参数等),一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存,待工作一段时间后,再将输出与原始资料作比较、对照,可帮助判断机床工作是否维持正常。(2)数控装置数控装置是数控机床的核心与主导,完成所有加工数据的处理、计算工作,最终实现数控机床各功能的指挥工作。如图2-1-6

所示,它包含微计算机的电路,各种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理(3)可编程控制器可编程控制器即PLC,它对主轴单元实现控制,将程序中的转速指令进行处理从而控制主轴转速;管理刀库,进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理;控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作;对机床外部开关(如行程开关、压力开关、温控开关等)进行控制;对输出信号(如刀库、机械手、回转工作台等状态)进行控制。(4)检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成,主要作用是检测速度和位移,并将信息反馈于数控装置,实现闭环控制以保证数控机床加工精度。(5)机床主机上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理数控机床的主体,包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。5郾数控机床的工作原理用数控机床加工零件时,首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序,由输入部分送入数控装置,经过数控装置的处理、运算,按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路,经过转换、放大去驱动伺服电动机,带动各轴运动,并进行反馈控制,使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作,从而加工出零件的全部轮廓。(1)数控加工程序的编制上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理在零件加工前,首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等,确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等,然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序单。对于较简单的零件,通常采用手工编程;对于形状复杂的零件,则在编程机上进行自动编程,或者在计算机上用CAD/CAM软件自动生成零件加工程序。(2)输入输入的任务是把零件程序、控制参数和补偿数据输入到数控装置中去。输入的方法有纸带阅读机输入、键盘输入、磁带和磁盘输入以及通信方式输入等。输入工作方式通常有两种:上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理淤边输入边加工,即在前一个程序段加工时,再输入后一个程序段的内容。于一次性地将整个零件加工程序输入到数控装置的内部存储器中,加工时再把一个个程序段从存储器中调出来进行处理。(3)译码数控装置接受的程序是由程序段组成的,程序段中包含零件轮廓信息、加工进给速度等加工工艺信息和其他辅助信息。计算机不能直接识别它们,译码程序就像一个翻译,按照一定的语法规则将上述信息解释成计算机能够识别的数据形式,并按一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。在译码过程中对程序段还要进行语法检查,有错则立即报警。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理(4)刀具补偿零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动,而加工出所需要的零件轮廓。刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。(5)插补运算插补的目的是控制加工运动,使刀具相对于工件做出符合零件轮廓轨迹的相对运动。具体地说,插补就是数控装置根据输入的零件轮廓数据,通过计算把零件轮廓描述出来,边计算边根据计算结果向各坐标轴发出运动指令,使机床在相应的坐标方向上移动,将工件加工成所需的轮廓形状。插补只有在辅助功能(换刀、换挡、冷却液等)完成之后才能进行。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理(6)位置控制和机床加工插补运算的结果是产生一个周期内的位置增量。位置控制的任务是在每个采样周期内,将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较,用其差值去控制伺服电动机,电动机使机床的运动部件带动刀具按规定的轨迹和速度进行加工。在位置控制中通常还应完成位置回路的增量调整、各坐标方向的螺距误差补偿和方向间隙补偿,以提高机床的定位精度。6郾数控机床的分类(1)按工艺及用途分类普通数控机床:数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床等。加工中心:数控镗铣中心、数控车削中心、数控磨削中心等。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理(2)按运动方式分类1）点位控制数控机床。这类数控机床的特点是在刀具相对于工件的移动过程中不进行切削加工,只要求刀具从一点移动到另一点并准确定位,而对运动的速度和轨迹没有严格的要求。如图2-1-7(a)

所示,刀具从A点到B点可以走淤、于或盂中的任意一条路经。2）直线控制数控机床。这类数控机床不仅要控制机床刀具从一点移动到另一点,而且要沿直线轨迹(一般与某一坐标轴平行或成45毅角)以一定速度移动,移动过程中可进行切削加工,加工示例如图2-1-7(b)所示。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理3）轮廓控制数控机床。这类数控机床能够控制机床刀具或工件沿直线、圆弧或抛物线等曲线轨迹移动,移动过程中可进行切削加工,移动速度根据工艺要求由编程确定,可实现曲线或者曲面轮廓加工,加工示例如图2-1-7(c)

所示。4）数控机床的可控轴数与多轴联动。数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目,多个坐标轴按照一定的函数关系同时协调运动,称为多轴联动。按照联动轴数,可分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动和多轴联动数控机床,如图2-1-8

所示。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理世界上最高级数控装置的可控轴数已达到24轴,我国目前最高数控装置的可控轴数为6轴。三轴联动数控机床可以加工空间复杂曲面;四轴联动、五轴联动数控机床可以加工宇航叶轮、螺旋桨等零件。如图2-1-9

所示。数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。目前有两轴联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。(3)按数控控制方式分类1）开环控制系统。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理开环控制系统不具有反馈装置,它是根据输入的数据指令,经过控制运算发出脉冲信号,输送伺服驱动装置(如步进电机)使伺服驱动装置转过相应的角度,然后经过减速齿轮和丝杠螺母机构,转换为移动部件的直线位移图2-1-10

所示为开环控制系统框图。其结构简单、工作稳定、使用维修方便及成本低,但系统精度较低,已不能满足数控机床日益提高的精度要求。2）半闭环控制系统。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理如图2-1-11

所示,半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中,装有角位移检测装置,通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移,然后反馈到数控装置的比较器中,与输入原指令位移值进行比较,用比较后的差值进行控制,使移动部件补充位移,直到差值消除为止的控制系统。由于半闭环控制系统将移动部件的传动丝杠螺母机构不包括在闭环之内,所以传动丝杠螺母机构的误差仍然会影响移动部件的位移精度。半闭环控制系统调试方便,稳定性好,目前应用比较广泛。3）闭环控制系统。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理如图2-1-12

所示,闭环控制系统是在机床移动部位直接装有直线位置检测装置,将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中,与输入的原指令位移值进行比较,用比较后的差值控制移动部件作补充位移,直到差值消除才停止移动,达到精确定位的控制系统。闭环控制系统定位精度高,一般应用在高精度数控机床上,由于系统增加了检测、比较和反馈装置,所以结构比较复杂,调试维修比较困难。7郾数控机床的主要性能指标数控机床的规格指标是指数控机床的基本功能,主要有以下几个方面。(1)行程范围上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理行程范围是指坐标轴可控的运动区间,直接体现机床加工能力,决定了可加工零件的大小。一般是指数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小构成数控机床的空间加工范围。(2)摆角范围摆角范围是指摆角坐标轴可控的摆角区间,其转角大小也直接影响到加工零件空间部位的能力。转角太小,限制加工零件大小,但转角太大又会造成机床的刚度下降,给机床设计带来困难。(3)刀库容量和换刀时间刀库容量和换刀时间对数控机床的生产率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工刀具的数量。目前,常见的中小型加工中心大多为16~60把,大型加工中心达到100把以上。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理换刀时间是指将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需要的刀具进行交换所需要的时间。目前,国内一般为10~20s,国外不少数控机床仅为4~5s。(4)控制轴数与联动轴数数控机床的控制轴数是指机床数控装置能够控制的坐标轴数目。数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目,它反映了数控机床的曲面加工能力。目前有两轴联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。8郾数控机床的精度指标(1)分辨率和脉冲当量上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言,分辨率是可以测量的最小增量;对控制系统而言,分辨率是可以控制的最小位移量。数控装置每发出一个脉冲信号,机床机械运动机构就产生一个相应的位移量,称为脉冲当量。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一,其数值大小决定了数控机床的加工精度和表面质量。脉冲当量越小,数控机床加工精度和加工表面质量越高。简易数控机床的脉冲当量为0郾01mm,普通数控机床的脉冲当量为0郾001mm,最精密的数控系统的分辨力已达0郾0001mm。(2)定位精度和重复定位精度上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度。移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。定位误差包括伺服系统、监测系统、进给系统等误差,还包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。一般数控机床的定位精度为依0郾01mm。重复定位精度是指在相同的条件下,在同一台数控机床上,应用相同程序代码加工一批零件,所得到连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下,重复定位精度是成正态分布的偶然性误差,它影响一批零件加工的一致性,是一项非常重要的性能指标。一般数控机床的重复定位精度为依0郾005mm。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理(3)分度精度分度精度是指分度工作台在分度时,理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度会影响零件加工部位在空间的角度位置,同时还会对孔系加工的同轴度造成一定的影响。9郾数控机床的运动性能指标(1)主轴转速数控机床的主轴一般均采用直流或交流调速主轴电动机驱动,选用高速精密轴承支承,保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗振性。目前,数控机床主轴转速已普遍达到3000~10000r/min,甚至更高。上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理(2)进给速度数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。它受数控装置的运算速度、机床动特性及工艺系统刚度等因素的限制。目前国内数控机床的进给速度可达5~10m/min,国外一般可达10~30m/min。(3)行程数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小,构成数控机床的空间加工范围,行程是直接体现机床加工能力的指标参数。10郾数控机床的结构特点上一页下一页返回2-1

数控机床的组成及工作原理与传统的普通机床相比较,数控机床的整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作系统等方面都发生了很大的变化。归纳起来主要包括以下几个方面:1）采用高性能的主轴及伺服传动系统,具有传递功率大、刚度高、抗振性好及热变形小等优点。2）采用高效传动部件及进给传动系统,机械传动结构得到简化,传动链较短,具有传动效率高、传动精度高等特点,一般采用滚珠丝杠、静压导轨、滚动导轨等。3）数控机床机械结构具有较高的动态特性、动刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能,能够连续地自动化加工。上一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系为了便于编程时描述机床的运动、简化程序的编制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郾坐标系及运动方向(1)坐标系的确定原则我国机械工业部1982年颁布了JB3052—1982标准,其中规定的命名原则如下。1）刀具相对于静止工件而运动的原则。这一原则使编程人员能在不知道是刀具移近工件还是工件移近刀具的情况下,就可依据零件图样,确定机床的加工过程。2）右手笛卡尔直角坐标系。下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔直角坐标系,如图2-2-1

所示。图中规定了X、Y、Z三个直角坐标轴的方向,这个坐标系的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行,它与安装在机床上、并且按机床的主要直线导轨找正的工件相关。根据右手螺旋方法,可以很方便地确定出A、B、C三个旋转坐标的方向。标准坐标(机床坐标)系的规定在数控机床上,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。3）距离增大的方向规定为运动的正方向。数控机床的某一部件运动的正方向,是增大工件和刀具之间距离的方向。上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系(2)Z坐标Z坐标的运动,是由传递切削动力的主轴所规定的。对于铣床、镗床、钻床等,是主轴带动刀具旋转;对于车床、磨床和其他成形表面的机床,是主轴带动工件旋转。如机床上有几个主轴,则选一垂直于工件装夹平面的主轴作为主要的主轴;如主要的主轴始终平行于标准的三坐标系统中的一个坐标,则这个坐标就是Z坐标,如主要的主轴能摆动,在摆动范围内使主轴只平行于三坐标系统中的两个或三个坐标,则取垂直于机床工作台装夹面的方向为Z坐标;如机床没有主轴(如数控龙门刨床),则Z坐标垂直于工件装夹平面。对于钻、镗加工,钻入或镗入工件的方向是Z坐标的负方向。上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系(3)X坐标X坐标一般是水平的,它平行于工件的装夹平面。这是刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。如工件旋转的车床,X坐标的方向是在工件的径向上,且平行于横向滑板,以刀具离开工件旋转中心的方向为正方向。对刀具旋转的机床(如铣、钻、镗床)作如下规定:如Z坐标是水平的,当从主要刀具主轴向工件看时,+X运动的方向指向右方;如Z坐标是垂直的,对于单立柱机床,当从主要刀具主轴向立柱看时,+X的运动方向指向右方如图2-2-1(b)

所示。对于龙门式机床,当从主要主轴向左侧看时,+X运动的方向指向右方。对没有旋转刀具或旋转工件的机床,X坐标平行于主要的切削力方向,且以该方向为正方向。上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系(4)Y坐标根据X和Z坐标的运动方向,按照右手直角笛卡尔坐标系来确定+Y的运动方向。(5)旋转坐标A、B和C旋转运动的A、B和C相应地表示其轴线平行于X、Y和Z坐标的旋转运动。正向的A、B和C,相应地表示在X、Y和Z坐标正方向上按照右旋螺纹前进的方向,如图2-2-1(a)

所示。(6)附加坐标上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系为了编程和加工的方便,有时还要设置附加坐标,对于直线运动,如在X、Y、Z主要运动之外另有第二组平行于它们的坐标,可分别指定为U、V和W,如还有第三组运动,则分别指定为P、Q和R,如果主要直线运动之外存在不平行于X、Y或Z的直线运动,也可相应地指定为U、V、W或P、Q、R。对于旋转运动,如在第一组旋转运动A、B和C的同时,还有平行或不平行于A、B和C的第二组旋转运动,可指定为D、E和F。2郾坐标系的设定在确定了机床各坐标轴及方向后,还应进一步确定坐标系原点的位置。(1)机床原点上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系机床原点是指在机床上设置的一个固定的点。它在机床装配、调试时就已确定下来了,其位置是由机床设计和制造单位确定的,通常不允许用户改变。机床原点是工件坐标系、编程坐标系、机床参考的基准点。这个点不是一个硬件点,而是一个定义点。数控车床的机床原点一般设在卡盘前端面或后端面的中心,数控铣床的机床原点,各生产厂不一致,有的设在机床工作台的中心,有的设在进给行程终点。如图2-2-2

所示。(2)机床参考点机床参考点是采用增量式测量的数控机床所特有的,机床原点是由机床参考点体现出来的。机床参考点是一个硬件点。上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系机床参考点是机床坐标系中一个固定不变的位置点,是用于对机床工作台、滑板与刀具相对运动的测量系统进行标定和控制的点。机床参考点通常设置在机床各轴靠近正向极限的位置,通过减速行程开关粗定位而由零位点脉冲精确定位。机床参考点对机床原点的坐标是一个已知定值。采用增量式测量的数控机床开机后,都必须做回零操作,即利用CRT/MDI控制面板上的功能键和机床操作面板上的有关按钮,使刀具或工作台退回到机床参考点中。回零操作又称为返回参考点操作。当返回参考点的工作完成后,显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值,表明机床坐标系已自动建立。如图2-2-3

所示。(3)编程原点上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系编程原点是指根据加工零件图样选定的编制零件程序的原点,即编程坐标系的原点。编程原点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上,并考虑到编程的方便性,编程坐标系中各轴的方向应该与所使用数控机床相应的坐标轴方向一致。(4)加工原点工件原点也称程序原点,是指零件被装卡好后,相应的编程原点在机床原点坐标系中的位置。即编程坐标系的工件原点。在加工过程中,数控机床是按照工件装卡好后的加工原点及程序要求进行自动加工的。(5)零点偏置加工坐标系原点与机床坐标系原点在X、Y、Z方向的距离分别称为X、Y、Z向的零点偏置。上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系零点偏置由加工人员确定。工件在机床上固定后,程序原点与机床参考点的偏移量必须通过测量来确定,并在数控系统中给予设定(即给出原点设定值),这样数控机床才能按照准确的加工坐标系位置开始加工。如图2-2-3所示。3郾对刀点的确定在数控加工中,还要注意对刀的问题,也就是对刀点的问题。对刀点是加工零件时刀具相对于零件运动的起点,因为数控加工程序是从这一点开始执行的,所以对刀点也称为起刀点,选择对刀点的原则是:1）便于数学处理(基点和节点的计算)和使程序编制简单。2）在机床上容易找正。3）加工过程中便于测量检查。上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系4）引起的加工误差小。4郾刀位控制点“刀位控制冶点是在编制加工程序时用以表示刀具位置的特征点。对于端铣刀、立铣刀和钻头来说,是指它们的底面中心;对于球头铣刀,是指球头球心;需要指出的是,球形铣刀的刀位点在铣刀轴线上,刀刃上不同的点切削时,所表现出的刀具半径不一样。数控加工程序控制刀具的运动轨迹,实际上是控制刀位点的运动轨迹,如图2-2-4

所示。5郾工作平面选择上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系工作平面由两个坐标轴来设定,第三个坐标轴即刀具轴与该平面垂直,确定刀具的进给方向,如图2-2-5

所示,工作平面用来确定圆弧插补的平面和刀具补偿平面。G17、G18、G19分别指令机床进行XY、ZX、YZ平面上的加工。在数控车床上,一般默认为在ZX平面内加工;在数控铣床上,数控系统一般默认为在XY平面内加工。若要在其他平面上加工,则应使用坐标平面选择指令。6郾视角方向沿着刀具轴方向,由负向正看去的方向为视角方向。7郾刀具轴与角度铣头与旋转刀具轴线平行的坐标轴为刀具轴,角度铣头用于改变刀具轴的方向。如图2-2-6

所示。上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系8郾绝对坐标系和增量坐标系(1)绝对坐标系刀具(或机床)运动位置的坐标值是相对于固定的坐标原点给出的,即称为绝对坐标,该坐标系称为绝对坐标系。如图2-2-7(a)所示,A、B点的坐标均以固定的坐标原点计算的,其坐标值为XA=10,YA=12,XB=30,YB=37。(2)增量坐标系刀具(或机床)运动位置的坐标值是相对于前一点的坐标给出的,称为增量坐标系统。常使用代码表中的第二坐标U、V、W表示。U、V、W分别与X、Y、Z平行且同向。上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系图2-2-7(b)中,B点的坐标是相对于前面的A点给出的其增量坐标为UB=20,VB=25,U-V坐标系统称为增量坐标系统。在程序编制过程中,使用绝对坐标系还是使用增量坐标系,可以根据需要和方便用G指令来选择。9极坐标在坐标系中用点的坐标来定义点的方法叫“笛卡尔坐标系。另外还有另外一种定义点的方法叫做“极坐标系。无论是工件还是工件的一部分,用半径和角度来测量的尺寸表示点的位置的方法叫做“极坐标系。当图面采用极坐标方式时,采用极坐标方式编程极为方便,省去了换算及由此可能产生的差错。极坐标由极心、极半径、极角组成,如图2-2-8(a)

所示。上一页下一页返回2-2

直角坐标系与极坐标系极心位置是用两个直角坐标轴值来确定;极半径是指目标点至极心的距离,无正负号;极角是以第一编程轴的正向为始边,极半径为终边,逆时针方向为正角。极角地址用AP表示,有正负。常用绝对尺寸编程。极心、极半径、极角是确定点位的三要素,缺一不可。如图2-2-8(b)所示,图中的P1点至P2点用极坐标值来确定其位置。P1:半径100,角度30毅,则表示为:RP=100,AP=30。P2:半径60,角度75毅,则表示为:RP=60,AP=75。上一页返回2-3

常用数学函数及表达式1常用函数SINUMERIK数控编程系统常用函数见表2-3-1。2常用的数学方程(1)直线方程1）直线方程的一般形式:Ax+By+C=0式中,A、B、C为任意实数,并且不能同时为零。2）直线方程的标准形式(斜截式):y=kx+b式中,k为直线的斜率,即直线与x轴正向夹角的正切值;b为直线在y轴上的截距。下一页返回2-3

常用数学函数及表达式3）直线方程的点斜式:y-y1=k(x-x1)式中,x1、y1

为直线上已知点的坐标。4）直线方程的两点式:式中,x1、y1

为直线上已知点1的坐标;x2、y2

为直线上已知点2的坐标。直线方程的截距式:上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式式中,a、b为分别为直线在x、y轴上的截距。(2)常用的圆方程圆的标准方程:(x-a)2+(y-b)2=R2式中,a、b分别为圆心的横、纵坐标;R为圆的半径。于圆的一般方程:(x-a)2+(y-b)2=R2式中,a、b分别为圆心的横、纵坐标;上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式R为圆的半径。2）圆的一般方程:将圆的标准方程展开后,即可得到圆的一般方程x2+y2+Dx+Ey+F=0式中,D为常数,其值等于-2a,a为圆心的横坐标;E为常数,其值等于-2b,b为圆心的纵坐标;F为常数,其值等于a2+b2-R2。其圆半径R为:上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式盂圆的参数方程:x=a+rcos,y=b+rsin式中,(a,b)为圆心坐标,r为圆半径,兹为参数。(3)常见的椭圆方程淤椭圆的标准方程:形式一上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式说明:此方程表示的椭圆焦点在x轴上,焦点是F1(-c,0)、F2(c,0),其中c2=a2-b2。形式二说明:a此方程表示的椭圆焦点在y轴上,焦点是F1(0,-c),F2(0,c),其中c2=a2-b2。b两种形式中,总有a>b>0。c两种形式中,椭圆焦点始终在长轴上。上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式d郾a、b、c始终满足c2=a2-b2。于椭圆的参数方程:x=acos,y=bsin式中,a为长半轴,b为短半轴,兹为参数。(4)抛物线的标准方程由于焦点和准线在坐标系下的不同分布情况,抛物线的标准方程有四种情形,见表2-3-2。设KF=p,则焦点F的坐标为(p/2,0),准线的方程为x=-p/2。由三角几何关系可知,x=cos;y=sin上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式抛物线:y=a(x-b)2+c极坐标为简单抛物线y=x2极坐标:(5)双曲线的参数方程x=asec(正割),y=btan式中,a为实半轴,b为虚半轴,为参数。3郾三角函数公式在手工编程工作中,三角计算法是进行数学处理时应重点掌握的方法之一。三角函数常用公式见表2-3-3,表4,表5,表6表2-3-7。上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式常用的三角函数定理有正弦定理与余弦定理。正弦定理a/sinA=b/sinB=c/sinC=2R余弦定理cosA=（b2+c2-a2）/2bc式中,a、b、c分别为角A、B、C所对边的边长;R为三角形外接圆半径。4郾基点与节点计算一个零件的轮廓往往是由许多不同的几何元素组成,如直线、圆弧、二次曲线以及阿基米德螺线等,各元素间的连接点称为基点。如两直线间的交点、直线与圆弧或圆弧与圆弧间的交点或切点、圆弧与二次曲线的交点或切点等。上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式对于由直线和圆弧组成的平面轮廓,编程时数值计算的主要任务是求各基点的坐标。由直线和圆弧组成的零件轮廓,可以归纳为直线与直线相交、直线与圆弧相交或相切、圆弧与圆弧相交或相切、一直线与两圆弧相切等几种情况。计算的方法可以是联立方程组求解,也可利用几何元素间的三角函数关系求解,计算比较方便。(1)联立方程组法求解基点坐标1）直线与圆弧相交或相切。如图2-3-1所示,已知直线方程为y=kx+b,求以点(x0,y0)为圆心,半径为R的圆与该直线的交点坐标(xC,yC)。上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式直线方程与圆方程联立,得联立方程组:y=kx+b于圆弧与圆弧相交或相切。如图2-3-2所示,已知两相交圆的圆心坐标及半径分别为(x1,y1),R1;(x2,y2),R2,求其交点坐标(xC,yC)。上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式(2)三角函数法求解基点坐标对于由直线和圆弧组成的零件轮廓,也可以直接利用图形间的几何三角关系求解基点坐标,计算过程相对简单一些。淤直线与圆相切求切点坐标。如图2-3-3所示,已知条件:通过圆外一点(x1,y1)的直线L与一已知圆相切,已知圆的圆心坐标为(x2,y2),半径为R,求切点坐标(xC,yC),计算公式如下。上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式△x=x2-x1,△y=y2-y1上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式于直线与圆相交求交点坐标。如图2-3-4所示,已知条件:设过已知点(x1,y1)的直线L与X轴的夹角为1,已知圆的圆心坐标为(x2,y2),半径为R,求已知直线与圆的交点C的坐标(xC,yC),计算公式如下:

△x=x2-x1,△y=y2-y1上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式盂两圆相交求交点坐标。如图2-3-5所示,已知条件:两已知圆的圆心坐标及半径分别为(x1,y1),R;(x2,y2),R2,求交点坐标(xC,yC),计算公式如下。△x=x2-x1,△y=y2-y1上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式直线与两圆相切求切点坐标。如图2-3-6

所示,已知条件:两已知圆圆心坐标及半径分别为(x1,y1),R1;(x2,y2),R2,一直线与两圆相切,求交点坐标(xC,yC),计算公式如下。△x=x2-x1,△y=y2-y1上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式1加工如图2-3-7

所示的工件,工件厚度为10mm,试计算图C点坐标。设R01=,R02=,R03=BO2。角及斜边计算:在直角三角形BKO2中,R01=ATAN[(26-12)/80],ATAN为反正切函数。斜边BO2:R03=SQRT[POT(26-12)+POT(80)],SQRT求平方根函数。茁角计算:在直角三角形BCO2

中,R02=ASIN(30/R03),ASIN为反余弦函数。2利用三角函数法求解图2-3-8

所示的直线和圆弧的切点求切点A的坐标。试题分析:上一页下一页返回2-3

常用数学函数及表达式在RtOEC中,已知R01=0E=OA+AE=31+38=69R02=CE=CD+DE=5+38=43,R03=OC=45在RtAOB中,已知R04=OA=31,直角RtAOBRtOEC得到:OA/OE=AB/CE,即R04/R01=AB/R02,即AB=(R02·R04)/RA点的X坐标为:2·AB=2·(R02·R04)/R01A点的Z坐标为:65-OB=65-(R03·R04)/R01上一页返回2-4

数控编程基础在数控机床上加工工件时,要把加工工件的全部工艺过程、工艺参数和位移数据,以信息的形式记录在控制介质(数控电脑)上,用控制介质上的信息控制机床,实现工件的全部加工过程。这里,把从工件图样到获得数控机床所需控制介质的全部过程,称为程序编制。1程序编制的内容及过程使用数控机床加工工件时,程序编制是一项重要的工作。迅速、正确而经济地完成程序编制工作,对于有效地利用数控机床是具有决定意义的一环。(1)数控编程及程序调试利用数控机床完成零件数控加工的过程如图2-4-1所示,主要包括下列步骤。下一页返回2-4

数控编程基础1）根据零件加工图样进行工艺分析,确定加工方案、工艺参数和坐标计算。2）用规定的程序代码和格式编写零件加工程序单,或用自动编程软件进行CAD/CAM工作,直接生成零件的加工程序文件。3）程序的输入或传输,由手工编写的程序,可以通过数控机床的操作面板输入程序;由编程软件生成的程序,通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元(MCU)。4）将输入/传输到数控单元的加工程序,进行试运行、刀具路径模拟等。5）校对程序,检查由于人工造成的错误。上一页下一页返回2-4

数控编程基础6）首件试加工,根据加工情况测试编写的程序,直到加工出满足要求的工件为止。用数控机床对零件进行加工时,首先对零件进行加工工艺分析,以确定加工方法、加工工艺路线;正确地选择数控机床刀具和装卡方法。(2)数控编程的内容与方法程序编制一般包括以下几个方面的工作,如图2-4-2

所示。(1)加工工艺分析编程人员首先要根据零件图纸,对零件的材料、形状、尺寸、精度和热处理要求等,进行加工工艺分析。1）合理地选择加工方案,确定加工顺序、加工路线、装卡方式、刀具及切削参数等。上一页下一页返回2-4

数控编程基础2）考虑所用数控机床的指令功能,充分发挥机床的效能,加工路线要短。3）正确地选择对刀点、换刀点,减少换刀次数。(2)数值计算根据零件图的几何尺寸确定工艺路线及设定坐标系,计算零件粗、精加工运动的轨迹,得到刀位数据。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,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,有的还要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。2数控程序编制的基本规则(1)数控程序语言的构成元素上一页下一页返回2-4

数控编程基础(1)数控程序语言的构成元素1)文字设置。下列文字在数控程序中是有效的。大写字母:A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、(O)、P、Q、R、S、T、U、V、W、X、Y、Z。小写字母:a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q、r、s、t、u、v、w、x、y、z。注:大、小写字母之间没有明显的区别。阿拉伯数字:0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。特殊字符见表2-4-1。上一页下一页返回2-4

数控编程基础2)功能字。数控程序是由程序段组成的,每一个程序段是由功能字组成的。数控语言中的一个功能字包含一个地址字符和一个数字或表达一个数值的数字变量。1）地址功能字。地址有固定地址或可变地址。例如轴(X、Y、Z)、主轴转速(S)、进给速度(F)、圆的半径(CR)等。2）模态地址/非模态地址。在编程中,同一地址在出现新的数值以前一直有效的地址叫做模态地址。3)扩展地址。扩展地址使在一个系统中同时存在几个坐标轴和几个主轴成为可能。一个扩展地址由一个具有引申意义的数字或由一个包含在中括号中的有效名称和一个有“=冶的算术表达式组成。例如:上一页下一页返回2-4

数控编程基础X7或X=7不需要“=冶,7是一个数值,但在这儿有一个赋值号“=“也是允许的。X4=20将值赋给X4轴(需要“=“)CR=7.3两个字母的地址(需要“=“)M3=53#主轴停止4)系统固定地址。表2-4-2

所列地址是系统固定的地址。4)系统固定地址。表2-4-2所列地址是系统固定的地址。程序举例:N10G54T9D2;N10G54T9D2;5)地址变量。地址也可以用一个地址字母(或地址字母以外的具有引申意义的数字)或者一个空余的符号定义。上一页下一页返回2-4

数控编程基础变量地址在一个程序的控制中必须是唯一的。相同的地址名称不允许用于不同类型的地址。注意下列地址类型的区别:轴值和终点地址A、B、C、X、Y、Z、U、V、W。6)地址名称。这种地址的标记可以通过增加具有特征含义的字母加以扩展。例如:CR圆弧半径。操作/算术功能见表2-4-3。7)地址赋值。如果地址名是一个单一的字母及数值只有一个常量,则“=“号可以省略。在地址字母的后面加引导字符和分隔符也是允许的。地址赋值见表2-4-4。上一页下一页返回2-4

数控编程基础(2)重要地址地址名称也可以用一个单词来描述(根据标准DIN66025),在同一个NC程序中,这个单词具有相同的含义,这个地址名称必须是唯一的。同一个地址名称不能用于其他的地址。地址名代表含义见表2-4-5。(3)程序段和程序结构一个NC程序由各个独立的NC程序段组成,一个NC程序段一般由各功能字组成。一个NC程序段包含一个操作步骤的所有需要的数据和一个检测字符“;”(换行)。“;”字符不必手动插入,它一般在换行时自动生成。上一页下一页返回2-4

数控编程基础“(换行)。“;”字符不必手动插入,它一般在换行时自动生成。一个程序段最多包含242个字符(包括注释和结束字符“;冶在内)。为了程序段结构的清晰,程序段中功能字一般按下列顺序排列。例如:N10G__X__Y__Z__F__S__T__D__M__H__;各功能字说明见表2-4-6。(4)主程序段/子程序段在以主程序段开始的NC程序部分中,主程序段必须包含所有的完成操作所需要信息的功能字。一个子程序段包含每一个操作步骤的所有需要的信息。上一页下一页返回2-4

数控编程基础主程序段通过一个主程序段序号来定义。一个NC主程序段的顺序号包含字符“:冶和一个整数(程序段顺序号),这个程序段序号总是出现在程序段的开始。注:主程序段顺序号在一个程序文档中必须是唯一的。例如::10D2F200S900M3;子程序段通过一个程序段顺序号来定义。一个NC子程序段的顺序号包含字符“N”和一个整数(程序段顺序号),这个程序段顺序号总是出现在程序段的开头。例如:N20G1X14Y35;N30X20Y40;上一页下一页返回2-4

数控编程基础子程序段顺序号在一个程序中必须是唯一的。例如::10D2F200S900M3;N20G1X14Y35;N30X20Y40;N40Y-10;上一