数控加工工艺与编程 2012.ppt

1、武汉纺织大学机电学院 教师：胡峰 Email: ,数控加工工艺与编程,课程简介,一、课程内容,课程简介,二、课程的性质及要求,1 性质：考察课 2 要求： 掌握数控编程的基本概念、指令、工艺分析的方法； 掌握数控车床、铣床、加工中心的编程方法； 了解Mastercam软件编程方法。,课程简介,三、教材及参考资料 数控加工工艺与编程 华中科技大学出版社 吴晓光主编 2 现代数控编程技术及应用 国防工业出版社 王爱玲主编 3 数控加工工艺与编程 西安电子科技大学出版社 宋瑞芳主编,课程简介,四、学习目的 1、合理制定数控加工的工艺方案。 2、合理选择机床、刀具及加工余量。 3、掌握编程中数学处理的

2、基本知识及一定的计算机处 理能力。 4、掌握常用准备功能指令、辅助功能指令，手工编写 中等复杂程度零件的数控加工程序。,第一章 数控编程基础,第一节 数控机床概述 第二节 插补原理与计算机数控系统 第三节 程序编制的基本概念 第四节 数控编程几何基础 第五节 程序编制中的基本指令 第六节 程序编制中的数值计算,教学内容,第一节 数控机床概述,1.1 数控机床的组成及工作原理,数控机床与普通机床的区别：程序控制装置,第一节 数控机床概述,1.1.1 数控机床的组成,第一节 数控机床概述,1.1.1 数控机床的组成,第一节 数控机床概述,1.1.2 数控机床工作原理,第一节 数控机床概述,1.1.

3、3 数控加工过程,第一节 数控机床概述,1.2 数控机床的分类 1.2.1 按加工工艺类型的分类,普通数控机床 加工中心 金属成型类数控机床 数控特种加工机床,第一节 数控机床概述,1.2.2 按工作过程运动轨迹分类 点位控制数控机床 点位直线控制数控机床 轮廓控制的数控机床,第一节 数控机床概述,点位控制数控机床,数控钻床 数控冲床 数控镗床,第一节 数控机床概述,点位直线控制数控机床,横向、纵向与坐标轴平行 点与点之间任一点的位置和 速度都要精确控制 两坐标轴间没有联动,第一节 数控机床概述,轮廓控制的数控机床,第一节 数控机床概述,1.2.3 按伺服系统控制方式分类 开环控制数控机床 全

4、闭环控制数控机床 半闭环控制的数控机床,第一节 数控机床概述,开环控制数控机床,第一节 数控机床概述,全闭环控制数控机床,第一节 数控机床概述,半闭环控制数控机床,一、插补的概念 所谓插补就是根据进给速度和给定轮廓线形的要求,在轮廓的已知点之间,确定一些中间点的方法,这种方法称为插补方法或插补原理。而对于每种方法(原理)又可能用不同的计算方法来实现,这种具体的计算方法称为插补计算法。,第二节 插补原理与计算机数控系统,实际加工中的零件形状各式各样： 有由直线、圆弧组成的零件轮廓 有由诸如自由曲线、曲面、方程曲线和曲面体构成的轮廓， ，,对于这些复杂的轮廓最终还要用直线或者圆弧进行逼近，以便数控

5、加工。,为满足几何尺寸精度要求，刀具中心轨迹应与零件轮廓一致，但实际应用时，往往用一小段、一小段的直线或圆弧去逼近，从而使控制算法简单，计算量减少。,第二节 插补原理与计算机数控系统,第二节 插补原理与计算机数控系统,第二节 插补原理与计算机数控系统,对插补概念的理解：,（编程）,（计算中间点）,（座标进给）,根据图41来理解：,第二节 插补原理与计算机数控系统,由于插补方法的重要性, 不少学者都致力于插补方法的研究,使之不断有新的、更有效的插补方法应用于CNC系统。目前常用的插补计算法大致分为两类:,1、脉冲增量插补法(基准脉冲插补),这类插补法的特点是:,1)每次插补的结果仅产生一个单位的

6、行程增量(一个脉冲当量)。以一个脉冲的方式输出给步进电机。其基本思想是用折线来逼近曲线(包括直线)。,2)插补速度与进给速度密切相关,而且还受到步进电机最高运行频率的限制。,3)脉冲增量插补的实现方法较简单,通常仅用加法和移位运算方法就可以完成插补。,脉冲增量插补法有:逐点比较法、数字积分法等。,二、插补方法的分类,脉冲增量插补法主要用在采用步进电机驱动的加工系统。,第二节 插补原理与计算机数控系统,2、数字增量插补法(时间增量 ,数据采样插补),这类插补法的特点是:,1)插补程序以一定的时间间隔(插补周期)定时运行,在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量(数字量)。

7、其基本思想是:用直线(内接玄线、切线等)来逼近曲线(包括直线)。,2)插补运算速度与进给速度无严格的关系。因此采用这类算法可以达到较高的速度。,3)数字增量插补法较脉冲增量插补法复杂,并对计算机的运算速度有一定的要求 。,第二节 插补原理与计算机数控系统,这类算法主要用于交、直流伺服电机为驱动系统的闭环系统及半闭环系统,目前CNC系统中大多采用这种插补算法。,第二节 插补原理与计算机数控系统,逐点比较法的基本思路是被控制对象在按要求的轨迹运动时，每走一步都要和要求的轨迹相比较，由比较结果决策下一步移动的方向。这种算法的特点是运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变

8、化小，调节方便，因此在两座标数控机床中应用较为普片。逐点比较法既可作直线插补，又可作圆弧插补。,逐点比较法的特点在于；每控制机床座标（拖板）走一步时都要完成四个工作节拍，即：,偏差判别。判别加工点对规定几何轨迹的偏离位置，然后决定拖板的走向；,进给。控制某座标工作台进给一步，向规定轨迹靠拢，缩小偏差；,偏差计算。计算新的加工点对规定轨迹的偏差，作为下一步判别走向的依据；,终点判断。判断是否到达程序规定的加工终点？若到达终点，则停止插补，否则再回到第一拍。,第二节 插补原理与计算机数控系统,（以第一象限为例进行分析）,(4-1),令 Fi,jxeyjxiye (4-1),1、位置判别 (如图41

9、所示) 根据式41分析知：,如果 Fi,j0，则点P在直线OA上；,如果 Fi,j0，则点P在直线OA上方；,如果 Fi,j0，则点P在直线OA下方；,因此，可将式（41）作为点P所在区域的判别式，常称为偏差判别式。,第二节 插补原理与计算机数控系统,2、座标进给,如图31所示为使加工点向规定的图形轨迹逼近，那么,如果点P在直线OA上方即Fi,j0时，应向X方向走一步，以逼近直线AB ；,如果点P在直线OA下方即Fi,j0时，应向Y方向走一步，以逼近直线AB ；,如果点P在直线OA上即Fi,j0时，为逼近直线AB 既可以向X方向走一步，也可以向Y方向走一步。,P (xi，yj),第二节 插补原

10、理与计算机数控系统,据上分析，为使加工点向规定的图形轨迹逼近，规定如下：,如果点P在直线OA上方时，向X方向走一步；,如果点P在直线OA下方时向Y方向走一步；,如果点P在直线OA上时，向X方向走一步。,P (xi，yj),第二节 插补原理与计算机数控系统,3、偏差计算,如果直接按偏差公式计算偏差，需作两次乘法、一次减法。由于在数控加工过程中，每一步都需要计算偏差，工作量大，为此采用递推的方法来计算偏差。,偏差判别公式 Fi,jxeyjxiye,如果点P在直线OA上方时， Fi,j0应向X方向走一步，此时新加工点的座标值为 xi+1 xi+1 , yj=yj 新加工点的偏差为 Fi1,jxeyj

11、（xi+1）ye xeyjxiyeye 即 Fi1,j Fi,j ye （4-2）,第二节 插补原理与计算机数控系统,偏差判别公式 Fi,jxeyjxiye,如果点P在直线OA下方时， Fi,j0应向Y方向走一步，此时新加工点的座标值为 xix , yj=yj+1 新加工点的偏差为 Fi,j1 xeyj+1xiye xeyj+xe-xiye 即 Fi,j 1 Fi,j +xe （4-3）,第二节 插补原理与计算机数控系统,4、终点判别 确定加工点是否到达终点。若已到达，则应发出停机或转换新程序段信号。,终点判别用X和Y座标要走的总步数来判断。 令 j xe+ye ,每走一步J1，直到 J0。,

12、由上分析知用逐点比较法进行直线插补每走一步都需要完成四个步骤即：, 位置判别, 座标进给, 偏差计算, 终点判别,第二节 插补原理与计算机数控系统,5、举例： 如图32所示，设要加工直线OA,其终点座标为A(5,3),其终点计算值j xe+ye 538，加工过程的运算节拍如表31所示。,第二节 插补原理与计算机数控系统,6、其它各象限的直线插补简介：,+X,第二节 插补原理与计算机数控系统,(4-4),1、位置判别 (如图34所示) 根据式 4-4 分析知：,如果 Fi,j0，则点P在圆弧上；,如果 Fi,j0，则点P在圆弧外侧；,如果 Fi,j0，则点P在圆弧内侧；,因此，可将式（44）作为

13、点P所在区域的判别式，常称为偏差判别式。,Fi,j xi2 + yj2 R2 （4-4）,第二节 插补原理与计算机数控系统,如果点P在圆弧外侧即Fi,j0，则应向X方向进给一步；,如果 则点P在圆弧内侧即Fi,j0，则应向Y方向进给一步；,2、座标进给,如图 3-4 所示为使加工点向规定的图形轨迹逼近，那么,如果点P在圆弧上即Fi,j0，则既可向X方向进给一步，也可向Y方向进给一步。,Fi,j xi2 + yj2 R2 （4-4）,第二节 插补原理与计算机数控系统,据上分析，为使加工点向规定的图形轨迹逼近，规定如下：,如果点P在圆弧外侧或圆弧上即Fi,j0时，向X方向进给一步；,如果 则点P在

14、圆弧内侧即Fi,j0，向Y方向进给一步；,第二节 插补原理与计算机数控系统,3、偏差计算,(4-6),(4-5),第二节 插补原理与计算机数控系统,4、终点判别 确定加工点是否到达终点。若已到达，则应发出停机或转换新程序段信号。,终点判别用X和Y座标要走的总步数来判断,由上分析知用逐点比较法进行圆弧插补每走一步都需要完成四个步骤即：, 位置判别, 座标进给, 偏差计算, 终点判别,第二节 插补原理与计算机数控系统,第一象限逆圆弧插补程序框图，如图35所示。,第二节 插补原理与计算机数控系统,5、举例：,设要加工圆弧为第一象限逆圆弧AB，如图36所示。原点为圆心，起点为A(6，0)，终点为B(0

15、，6)请画出其插补轨迹。,终点计算：,加工步骤对照图36及表33分析。,A (6,0),B (0,6),第二节 插补原理与计算机数控系统,偏差计计算：,Fi,j0时 向-X方向前进一步后,Fi1,jFi,j2xi1,Fi,j1Fi,j2yj1,Fi,j0时 向y方向前进一步后,Fi1,jFi,j2xi1,Fi,j1Fi,j2yj1,Fi1,jFi,j2xi1,Fi,j1Fi,j2yj1,6、其它各象限的圆弧插补简介：,注意区分： 不同的象限； 逆圆弧 NR1、NR2、NR3、NR4 顺圆弧 SR1、SR2、SR3、SR4,第二节 插补原理与计算机数控系统,6、圆弧过象限的插补方法： 圆弧过象限

16、的特点 在过象限前后动点的某一个座标的符号会发生改变。 过象限前后圆弧的走向不变，即逆时针圆弧过象限的转换顺序为：NR1 NR2 NR3 NR4 NR1 ， 顺时针圆弧过象限的转换顺序为：SR1 SR4 SR3 SR2 SR1 ， 圆弧过象限过程中，当动点处于坐标轴上时，必有一个座标值为零。,第二节 插补原理与计算机数控系统,6、圆弧过象限的插补方法：,如下图所示，一条圆弧可能会分布在两个或多个象限内，对于这种圆弧的处理有两种方法；,按圆弧所在象限分段编程。,如可将下图圆弧AC分成第一象限的逆圆弧AB和第二象限的逆圆弧BC，然后按各象限的圆弧插补方法编程。,第二节 插补原理与计算机数控系统,按

17、整段圆弧处理编程,此时要在该程序中考虑自动过象限问题。要使圆弧自动过象限，必须解决如下两个问题：, 何时变换象限；变换象限点必然发生在座标值上，亦即发生在有一个座标值为0时，故又称检零切换。,当象限由,或时必有X=0,或时必有Y=0,因此在圆弧插补时，每走一步X或Y，需分别计算X10？以及Y10？当X=0或Y=0而0时，就要变换象限了。,第二节 插补原理与计算机数控系统, 变换象限后的走向，即原来的象限要更换，统一规定如下：,经过检零检查后自动切换象限就不必分段编程了，但应在加工程序的译码程序段取得所分布象限的进给方向和插补运算公式。,第二节 插补原理与计算机数控系统,第二节 插补原理与计算机

18、数控系统,计算机数控系统,第三节 程序编制的基本概念,3.1 程序编制的内容与方法 3.2 零件加工程序的输入方法 3.3 程序结构与格式,第三节 程序编制的基本概念,3.1.1 数控编程的内容 分析零件图纸 确定工艺过程 数值计算 编写零件加工程序单 制备控制介质 程序校对与首件试切,3.1 数控编程的内容与方法,第三节 程序编制的基本概念,3.1.2 数控编程的方法 数控程序的编制方法有： 手工编程和自动编程两种。,第三节 程序编制的基本概念,手工编程的步骤：,第三节 程序编制的基本概念,自动编程的步骤：,第三节 程序编制的基本概念,3.2 零件加工程序的输入方法,穿孔纸带 磁带 磁盘 手

19、工输入,第三节 程序编制的基本概念,第三节 程序编制的基本概念,第三节 程序编制的基本概念,固定顺序程序段格式,分隔符固定顺序程序段格式,第三节 程序编制的基本概念,第三节 程序编制的基本概念,第三节 程序编制的基本概念,第三节 程序编制的基本概念,第三节 程序编制的基本概念,3.3.3、主程序和子程序 程序可由主程序和若干子程序组成。,在一个加工程序中如果有几个一连串的程序段完全相同则可将其编成子程序。 子程序的结构也和主程序一样，也有开始部分、内容部分和结束部分。,主程序与子程序关系图,第三节 程序编制的基本概念,子程序的开始部分由子程序开始符号加两位或三位数字组成。子程序的开始符号由生产

20、厂家确定，例如西门子公司的系统规定字母 L 作子程序的开始符号，如24号子程序写为L2400.,子程序的内容部分和主程序一样。子程序的结束部分是以子程序结束符单独构成一个程序段。子程序结束符是由生产厂家决定的，例如西门子公司系统规定为 M17 ,FANUC 6M 系统规定为M99。主程序与子程序的关系举例如下：,第三节 程序编制的基本概念,第四节 数控编程几何基础,教学内容,第四节 数控编程几何基础,4.1 数控机床坐标系和运动方向,为了确定机床的运动方向和移动距离，需要在机床上建立一个坐标系，这就是机床坐标系。机床坐标系是为了确定工件在机床上的位置、机床运动部件的特殊位置（如：换刀点、参考点

21、）以及运动范围等而建立的几何座标系，是机床上固有的坐标系。,第四节 数控编程几何基础,第四节 数控编程几何基础,第四节 数控编程几何基础,4.1.2 坐标轴及其方向确定的方法及步骤 (1) Z轴的确定,Z轴指主轴的方向或与主轴平行的轴的方向。,第四节 数控编程几何基础,4.1.2 坐标轴及其方向确定的方法及步骤 (2)X轴的确定 对于工件旋转机床,在水平面； 垂直于Z轴； 沿着径向,第四节 数控编程几何基础,4.1.2 坐标轴及其方向确定的方法及步骤 (2)X轴的确定 对于刀具旋转机床(如铣、钻、镗床) 当Z轴水平时,此处，工件动刀具不移动，判断工件X轴正方向的方法：站在主轴末端，从工件向主轴

22、看，右手方向 为工件正方向。,第四节 数控编程几何基础, 当Z轴为铅垂方向时(立式主轴) a.对于单立柱机床,判别方法：面对主轴，右手方法即为X轴方向（刀具X轴正方向）。注意：此处主轴可上下移动，即可看成刀具动，工件不动。,第四节 数控编程几何基础,b.对于单立柱机床,判别方法：站在操作台一侧立柱，向另一立柱看，右手方向即为X)正方向(刀具的X轴正方向）。,第四节 数控编程几何基础,(3) Y轴的确定,第四节 数控编程几何基础,(4) 旋转方向的确定,第四节 数控编程几何基础,4.2 绝对坐标与相对坐标(或增量坐标系),绝对坐标系 相对坐标系,第四节 数控编程几何基础,例：刀具由A点运动到B点

23、，分别计算B点的绝对坐标和 相对坐标。,解：以绝对坐标计算： XB=30，YB=35 以相对坐标计算： XB=18， YB=20,第四节 数控编程几何基础,4.3 工件坐标系和工件原点,4.3.1、机床原点与参考原点, 机床原点 (机械原点) 是指机床坐标系的原点，即 X=0,Y=0,Z=0的点。,机床原点是机床的最基本的点，它是其它所有座标的基准点。,机床原点是由制造厂确定的。例如数控车床的原点一般设在主轴前端的中心。 机床原点常用“M”表示。,(M),第四节 数控编程几何基础,第四节 数控编程几何基础,第四节 数控编程几何基础,第四节 数控编程几何基础,第四节 数控编程几何基础,第五节 程序编制中的基本指令,教学内容 5.1 准备功能指令G指令 5.2 辅助功能指令M指令 5.3 F、S、T指令续效代码,5.1、准备功能指令(G功能指令) 准备功能指令又称“G”功能指令。它由字母“G”和后面的两位数字组成，从G00G99共有100种，如表23所示。,第五节 程序编制中的基本指令,G指令的功能是：规定刀具和工件相对运动的轨迹、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿等多种功能，它为数控系统的插补运算作准备，故G指令一般位于程序段中坐标尺寸的前面。 G指令有如下几种：,与坐标系有关指令 选择工件坐标系指令指令 坐标平面选择指令 快速点定位指令