模块三数控铣床编程.docx
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模块三数控铣床编程
模块三数控铣床编程
本课题学习数控铣床编程，核心就是为了掌握数控铣削技术，并且能够运用它进行数控加工。
以FANUC—0MC系统为主，学习数控铣床编程，并通过大量训练项目，帮助读者掌握数控铣床编程技术。
一、建立工件坐标系、坐标尺寸和平面选择
（一）与坐标系有关的编程指令
1.用G92指令建立工件坐标系
编程格式：
G92X-Y-Z-；
G92指令是将加工原点设定在相对于刀具起始点的某一空间点上。
这一指令通常出现在程序的开头，该指令只改变当前位置的用户坐标，不产生任何机床移动，该坐标系在机床重开机时消失。
若程序格式设置为：
G92X20.0Y10.0Z10.0
其确立的工件原点在距离刀具起始点X=-20，Y=-10，Z=-10的位置上,如图2-68所示。
图2-68G92设定工件坐标系
2.用G54～G59设置程序原点
这些指令可以分别用来建立相应的加工坐标系。
编程格式：
G54G90G00（G01）X-Y-Z-（F-）；
该指令执行后，所有坐标值指定的坐标尺寸都是选定的工件加工坐标系中的位置。
1～6号工件加工坐标系是通过CRT/MDI方式设置的，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。
一旦指定了G54～G59之一，则该工件坐标系原点即为当前程序原点，后续程序段中的工件绝对坐标均为相对此程序原点的值，例如以下程序：
N01G54G90G00X30.0Y40.0;
N02G59;
N03G00X30.0Y40.0;
…
执行N01时，系统会选定G54坐标系作为当前工件坐标系，然后再执行G00移动到该坐标中的A点；执行N02句时，系统又会选择G59坐标系作为当前工件坐标系；执行N03句时，机床就会移动到刚指定的G59坐标系中的B点，见图2-69。
图2-69工件坐标系的使用
G92指令与G54～G59指令都是用于设定工件坐标系的，但它们在使用中是有区别的：
G92指令是通过程序来设定工件坐标系的，G92所设定的加工坐标原点是与当前刀具所在位置有关的，这一加工原点在机床坐标系中的位置是随当前刀具的不同而改变的。
G54～G59指令是通过CRT/MDI在设置参数方式下设定工件坐标系的，一经设定，加工坐标原点在机床坐标系中的位置是不变的，它与刀具的当前位置无关，除非再通过CRT/MDI方式更改。
G92指令程序段只是设定工件坐标系，而不产生任何动作；G54～G59指令程序段则可以和G00、G01指令组合，在选定的工件坐标系中进行位移。
3.选择机床坐标系G53
编程格式：
G53G90X-Y-Z-；
G53指令使刀具快速定位到机床坐标系中的指定位置上，式中X、Y、Z后的值为机床坐标系中的坐标值，其尺寸均为负值。
例：
G53G90X-100Y-100Z-20
则执行后刀具在机床坐标系中的位置如图2-70所示。
图2-70G53选择机床坐标系
（二）坐标尺寸
数控系统的位置/运动控制指令可采用两种坐标方式进行编程，即采用绝对坐标尺寸编程和增量坐标尺寸编程。
1.绝对坐标尺寸编程G90
G90指令规定在编程时按绝对值方式输入坐标，即移动指令终点的坐标值x、y、z都是以工件坐标系坐标原点（程序零点）为基准来计算，见图2-71。
图2-71G90编程
2.增量坐标尺寸编程G91
G91指令规定在编程时按增量值方式输入坐标，即移动指令终点的坐标值x、y、z都是以起始点为基准来计算，再根据终点相对于始点的方向判断正负，与坐标轴同向取正，反向取负，见图2-72。
图2-72G91编程
（三）平面选择指令G17、G18、G19
G17—选择XY平面编程；
G18—选择XZ平面编程；
G19—选择YZ平面编程。
平面指定指在铣削过程中指定圆弧插补平面和刀具补偿平面。
铣削时在XY平面内进行圆弧插补，则应选用准备功能G17；在XZ平面内进行圆弧插补，应选用准备功能G18；在YZ平面内进行插补加工，则需选用准备功能G19。
如图2-73所示。
平面指定与坐标轴移动无关，不管选用哪个平面，各坐标轴的移动指令均会执行。
图2-73平面选择
二、主轴控制、冷却控制和进给控制
（一）主轴控制
1.主轴旋转方向的确定
一般规定沿主轴中心线，垂直于工件表面往下看，来判断主轴旋转方向。
这种方法可能很不实用，常见标准视图是从操作人员的位置，面向立式机床的前部观看，基于这种视图，可以准确地使用跟主轴选择相关的术语——顺时针（CW）和逆时针（CCW），如图2-74所示。
右旋刀具—顺时针右旋刀具—逆时针
图2-74主轴旋转方向
（图中所示为立式加工中心的前视图）
2.方向说明与主轴启动
如果主轴顺时针旋转，则程序中使用M03;如果是逆时针旋转，则程序中使用M04.程序中的S依赖于主轴旋转功能M03或M04，所以他们在CNC程序中作用非常重要。
主轴地址S和主轴旋转功能M03或M04必须同时使用，只使用其中一个对控制器没有任何意义，尤其是在接通机床电源时。
主轴转速和主轴旋转编程至少有两种正确方法：
（1）如果将主轴转速和主轴旋转方向编写在同一程序段中，主轴转速和主轴旋转方向将同时有效；
（2）如果将主轴转速和主轴旋转方向编写在不同程序段中，主轴将不会旋转，直到将转速和旋转方向指令都处理完毕。
例①：
N1G20
N2G17G40G80
N3G90G00G54X14.0Y9.5
N4G43Z1.0H01S600M03（转速和旋转方向）
N5……
例②：
N1G20
N2G17G40G80
N3G90G00G54X14.0Y9.5S600（只有转速）
N4G43Z1.0H01M03（开始旋转）
N5……
将M03或M04与S地址编写在一起或在它后面编写，不要将它们编写在S地址前。
3.主轴定向M19
与主轴相关的最后一个M功能是M19。
该功能最常见的应用是将机床主轴设置在一个确定位置。
主轴定向功能非常特殊，极少出现在程序中，M19功能主要用在调试过程的手动数据输入模式（MDI）中。
系统在执行M19功能时，将产生以下运动
主轴会在两个方向（顺时针和逆时针）上轻微的转动，并在短时间内会激活内部锁定机构，有时也可听到锁定的声音，这样就将主轴锁定在一个精确位置，如果用手转动，则做不到这一点。
准确的锁定位置由机床生产厂家决定，它用角度表示，如图2-75所示。
警告：
错误的刀架定位可能会导致损坏工件或机床。
A—主轴定向角度
图2-75主轴定向角度由机床生产厂家决定且不可更改
（二）冷却控制
1.M07：
开启雾状冷却液
有喷雾装置的机械，令其开启喷雾泵，喷出雾状冷却液。
2.M08：
开冷却液
程序执行至M08，即启动冷却液泵，但必须配合执行操作面板上的CLNTAUTO键，处于"ON"（灯亮）状态。
（冷却液程序键，处于ON）否则泵不会启动。
一般CNC机械主轴附近有一阀门可以手动调节冷却液流量大小。
3.M09：
喷雾及冷却液关闭
命令喷雾及冷却剂泵关闭，停止冷却液喷出。
常用于程序执行完毕之前。
（但常可省略，因为一般M02、M30指令皆包含M09）。
（三）进给控制
在轮廓加工中，因为有交点、切点和间隙，切削运动的方向频繁改变，如要加工零件轮廓的直角拐角，就意味着一个程序段中沿X轴的刀具运动，在下一个程序段中要转换成Y轴运动。
要实现这种转换，系统首先得停止X轴的运动，然后再启动Y轴的运动。
如果没有加速就不可能以最大进给率瞬时启动，同样，如果没有减速，也不可能停止进给，这样就可能发生切削错误。
该错误就可能使得表面上的切削超过预期的直角拐点，尤其是在进给速度非常大和角度极小的情况下。
它仅仅发生在G01、G02、G03模式的切削运动中，而不会在G00快速运动模式中。
日常的CNC加工中，很少发生这种错误，即使出现，也是在公差允许范围内。
如果确实要纠正这种错误，FANUC数控系统中有两条指令可以解决。
1.准停指令G09
格式：
G09
说明：
（1）G09为非模态指令（只在一个程序段里有效）。
（2）在G09的程序段中，运动轴停止前要进行定位校验，即减速停止，并使运动轴停止在定位精度允许范围之内。
（3）G09可用于切削出尖角，例如铣削图2-76所示的零件ABCD，若程序为：
G01B→C;
G01C→D；
则在C点有一个小圆弧，铣不出尖叫来，要铣出C点尖角，可以这样编程：
G09G01B→C;
G09G01C→D；
这样在C点就可以铣出一个尖角。
图2-76尖角铣削
2.准停指令G61
格式：
G61;
…
G64；
说明：
（1）这是一组模态指令，G61一经指定一直有效，只有用G64时才能改变。
（2）G61方式时，从G61指令起到G64指令止，每个程序段均作定位校验。
三、直线插补、圆弧插补、螺旋线插补及圆柱插补
（一）直线插补G01
格式：
G01X-Y-Z-F-；
说明：
G01是指令坐标轴按指定进给速度作直线运动。
X、Y、Z坐标位置为切削终点，可三轴联动或二轴联动或单轴移动，而由F值指定切削时的进给速度，单位一般设定为mm/min。
现以图2-77说明G01用法。
假设刀具由程序原点往上铣削轮廓外形。
G90G01Y17.0F80；
X-10.0Y30.0；
G91X-40.0；
Y-18.0；
G90X-22.0Y0；
X0；
F功能具有续效性，故切削速度相同时，下一程序段可省略，如上面程序所示。
图2-77G01指令用法
（二）圆弧插补（G02/G03）
格式：
；
；
；
说明：
X、Y、Z：
终点坐标位置，可用绝对值（G90）或增量值（G91）表示；
I、J、K：
从圆弧起点到圆心位置，在X、Y、Z轴上的分向量。
（以I、J、K表示的称为圆心法）；
X轴的分向量用地址I表示。
I=圆心的X坐标值-起点的X坐标值。
Y轴的分向量用地址J表示。
J=圆心的Y坐标值-起点的Y坐标值。
Z轴的分向量用地址K表示。
K=圆心的Z坐标值-起点的Z坐标值。
R：
圆弧半径，以半径值表示。
（以R表示的称为半径法）。
F：
切削进给速率，单位mm/min。
圆弧的表示有圆心法及半径法两种，现分述如下：
1.圆心法：
I、J、K后面的数值定义为从圆弧起点到圆心的距离，用圆心编程的情况如图2-78所示。
图2-78圆心法编程
2.半径法：
以R表示圆弧半径。
此法以起点及终点和圆弧半径来表示一段圆弧，在圆上会有二段圆弧出现，如图2-78所示。
故以R是正值时，表示圆心角小于等于180°的圆弧；R是负值时，表示圆心角为大于180°的圆弧。
假设图2-79中，R＝50mm，终点坐标绝对值为（100，80）则：
（1）圆心角大于180°的圆弧（即路径B）为：
G90G02X100.0Y80.0R-50.0F80；
（2）圆心角小于等于180°的圆弧（即路径A）
G90G02X100.0Y80.0R50.0F80；
图2-79半径法编程
CNC铣床上使用半径法或圆心法来表示某一圆弧，要从工作图上的尺寸标示而定，以使用较方便者（即不用计算，即可看出数值者）为取舍。
但若要铣削一整圆时，只能用圆心法表示，半径法无法执行。
若用半径法以两个半圆相接，其真圆度误差会太大。
如图2-80铣削一整圆的指令写法如下：
G91G02I-50.F80；
图2-80整圆程序的编写
现以图2-81为例，说明G01、G02、G03指令的用法。
假设刀具由程序原点向上沿轮廓铣削。
图2-81G01、G02、G03应用例图
程序单
G90G01Y12.0F80.0；（程序原点→A）
G02X38.158Y40.0I38.158J-12.0；（A→B）
G91G01X11.0；（B→C）
G03X24.0R12.0；（C→D）
G01X8.0；（D→E）
G02X10.0Y-10.0R10.0；（E→F）
G01G90Y10.0；（F→G）
G91X-15.Y-10.0；（G→H）
X-20.0；（H→I）
G90G03X20.158R18.0；（I→J）
G01X0.；（J→程序原点）
3.使用G02、G03圆弧切削指令时应注意下列几点：
（1）一般CNC铣床或MC开机后，即设定为G17（XY平面），故在XY平面上铣削圆弧，可省略G17指令。
（2）当某一程序段中同时出现I、J和R时，以R为优先（即有效），I、J无效
（3）I0或J0或K0时，可省略不写。
（4）省略X、Y、Z终点坐标时，表示起点和终点为同一点，是切削整圆，如图2-80所示。
若用半径法则刀具无运动产生。
（5）当终点坐标与指定的半径值未交于同一点时，会报警显示。
（6）直线切削后面接图弧切削时，其G指令必须转换为G02或G03，若再执行直线切削时，则必须再转换为G01指令，这些是很容易被疏忽的。
（7）使用切削指令（G01，G02，G03）须先指令主轴转动，且须指令进给速度F。
（三）螺旋线插补
螺旋线的形成是刀具作圆弧插补运动的同时与之同步地作轴向运动，其指令格式为：
式中：
G02、G03为螺旋线的旋向，其定义同圆弧；X、Y、Z为螺旋线的终点坐标；I、J为圆弧圆心在X-Y平面上X、Y轴上相对于螺旋线起点的坐标；R为螺旋线在X-Y平面上的投影半径；K为螺旋线的导程。
另两式的意义类同，见图2-82所示。
图2-82螺旋线插补图2-83螺旋线插补示例
如图2-83所示螺旋线，其程序为：
G17G03X0.Y0.Z50.I15.J0.K5.F100
或G17G03X0.Y0.Z50.R15.K5.F100
（四）圆柱插补G07.1
格式：
G7.1旋转轴名称圆筒半径；
（1）
G7.1旋转轴名称0；
（2）
说明：
以
（1）的指令进入圆柱插补模式，指令圆柱插补的旋转轴名称。
以
（2）的指令解除圆柱插补模式。
例如：
O0001
N1G28
N2…..
.
.
.
N6G7.1C125.0;进行圆柱插补的旋转轴为C轴，圆柱半径为125mm。
.
.
.
N7G7.1C0;圆柱插补模式解除。
注意：
1.G7.1必须在单独程序段中。
2.圆柱插补模式中，不可再设定圆柱插补模式。
再设定时，须将原设定先解除。
3.圆柱插补可设定的旋转轴只有1个。
因此G7.1不可指令2个以上的旋转轴。
4.定位模式（G00）中，不可指令圆柱插补。
5.圆柱插补模式中，不可指定钻孔用固定循环（G73、G74、G76、G81～G89）。
6.刀具长度补偿必须在进入圆柱插补模式前写入。
在圆柱插补模式中，不可进行补偿的变更。
7.分度盘机能使用中，不可使用圆柱插补指令。
例：
加工图2-84所示的零件，刀具T01为φ8mm的刀具，半径补偿号为D01。
图2-84例题图
程序如下：
O0001
N01G00G90Z100.0C0;
N02G01G91G18Z0C0;
N03G07.1C57.299;
N04G90G01G42Z120.0D01F250;
N05C30.0;
N06G02Z90.0C60.0R30.0;
N07G01Z70.0;
N08G03Z60.0C70.0R10.0;
N09G01C150.0;
N10G03Z70.0C190.0R75.0;
N11G01Z110.0C230.0;
N12G02Z120.0C270.0R75.0;
N13GO1C360.0;
N14G40Z100.0;
N15G07.1C0;
N16M30;
四、回参考点、快速定位、刀具选用及补偿
（一）自动返回参考点（G27、G28、G29）
G27、G28、G29为非模态指令，必须在使用它的所有程序段中重复编写。
1.返回参考点校验功能G27
格式：
G27X_Y_Z_；
其中，X、Y、Z是程序原点到机床原点的距离。
程序中使用G27时，切削刀具将自动快进（不需要G00）到由G27程序段中的轴指定的位置，这一运动可以是绝对模式或增量模式。
使用G27指令时，应取消刀具的补偿功能。
现代数控机床通常是24小时运转做切削加工，为了提高加工的可靠性及工件尺寸的正确性，可用此指令检查（也就是确认），看包含G27程序段中的编程位置是否在机床原点参考位置。
如果是，控制面板上的指示灯亮，表示每根轴均能到达该位置；如果到达的点不是机床原点，屏幕上，将显示错误条件警告，并中断程序执行。
程序如下：
M06T01；（换1号刀）
…
G40G49；（将刀具补偿取消）
G27X-38.612Y21.812Z42.226；（其中X、Y、Z值是指1号刀的程序原点到机床原点的距离）
2.自动返回参考点G28
格式：
G28X_Y_Z_;
其中，X、Y、Z为中间点位置坐标，指令执行后，所有的受控轴都将快速定位到中间点，然后再从中间点返回到参考点。
图2-85机床回原点的中间点——以XY轴为例
设置中间点的目的有两个，其一，可以缩短程序，通常可缩减一个程序段；其二，是为防止刀具返回参考点时与工件或夹具发生干涉。
如图2-85所示从工件中间孔开始的刀具运动。
这样一个运动，如果直接编写到原点位置的运动，刀具在到达机床原点的过程中，可能会跟右上角的夹具碰撞。
故在不加长程序的情况下，可以在一个安全的位置编写中间点，可使刀具安全返回机床原点。
程序构造如下：
G90
…
G00X5.0Y4.0（已加工孔）
G28X12.0Y4.0（机床经中间点回原点的运动）
G28指令一般用于自动换刀，所以使用G28指令时，应取消刀具的补偿功能。
3.自动从参考点返回（G29）
格式：
G29X_Y_Z_；
G29通常跟在G28之后，执行这条指令可以使刀具从参考点出发，经过由G28指定的中间点到达由G29指令的目标点。
指令中X_Y_Z_是到达点的坐标，由G90/G91状态决定是绝对值还是增量值，若为增量值时，则是指到达点相对于G28中间点的增量值。
在选择G28之后，这条指令不是必须的，使用G00定位有时可能更为方便。
使用G29之前应取消刀具半径补偿功能和固定循环。
G28和G29的应用举例如图2-86所示：
M06T01;
…
G90G28Z50.0;由A点经中间点B回到机床参考点（Z轴）；
M06T02;换2号刀；
G29X35.0Y30.0Z5.0;2号刀由机床参考点经中间点B快速定位到C点。
图2-86G28、G29指令应用示例
（二）快速点定位G00
格式：
G00X_Y_Z_;
说明：
G00指令刀具相对于工件以各轴预先设定的快移速度，从当前位置快速移动到程序段指令的定位终点（目标点）。
其中：
X、Y、Z：
快速定位终点，在G90时为定位终点相对于起点的位移量。
注意：
在执行G00指令时，由于各轴以各自速度移动，不能保证各轴同时到达终点，因而联动直线轴的合成轨迹不一定是直线。
操作者必须格外小心，以免刀具与工件发生碰撞。
常见的做法是，将Z轴移动到安全高度，再执行G00指令。
例：
如图2-87所示，使用G00编程：
要求刀具从A点快速定位到B点。
图2-87G00编程
（三）刀具选用及补偿
1.刀具选用
格式：
M06T××；
说明：
数控铣床无自动换刀装置，必须用手换刀，所以该功能是用于加工中心的。
M06为换刀功能，T功能以地址T后面接2位数字组成表示所选刀号。
加工中心的刀库有二种：
一种是圆盘型，另一种为链条型。
换刀的方式分无臂式及有臂式两种。
无臂式换刀方式是刀具库靠向主轴，先卸下主轴上的刀具，再旋转至欲换的刀具，上升装上主轴。
此种刀具库大都用于圆盘型较多，且是固定刀号式（即1号刀必须插回1号刀具库内），故换刀指令的书写方式如下：
M06T02；
执行时，主轴上的刀具先装回刀具库，再旋转至2号刀，将2号刀装入主轴孔内。
如图2-88所示是一个典型的可存放20把刀具的刀库。
图2-88可存放20把刀具的刀库侧视图
有臂式换刀大都配合链条型刀具库且是无固定刀号式【即1号刀不一定插回1号刀具库内，其刀具库上的刀号与设定的刀号由控制器的PLC（可程控器）管理】。
此种换刀方式的T指令后面所接数字代表欲呼叫刀具的号码。
当T功能被执行时，被呼叫的刀具会转至准备换刀位置，但无换刀动作，因此T指令可在换刀指令M06之前即以设定，以节省换刀时等待刀具的时间。
故有臂式的换刀程序指令书写如下：
T01；1号刀至换刀位置。
…
M06T03；将1号刀换到主轴孔内，3号刀至换刀位置。
…
M06T04；将3号刀换到主轴孔内，4号刀至换刀位置。
…
M06T05；将4号刀换到主轴孔内，5号刀至换刀位置。
执行刀具交换时，并非刀具在任何位置均可交换，各制造厂商依其设计不同，均在一安全位置，实施刀具交换动作，以避免与床台、工件发生碰撞。
Z轴的机床原点位置是远离工件最远的安全位置，故一般以Z轴先回机床原点后，才能执行换刀指令。
通常加工中心的换刀程序如下书写：
G91G28Z0；Z轴回HOME点。
M06T03；主轴更换为3号刀。
…
G91G28Z0；
M06T04；主轴更换为4号刀。
…
G91G28Z0；
M06T05；主轴更换为5号刀。
…
2.刀具半径补偿功能（G40、G41、G42）
格式：
G40：
刀具半径补偿撤消指令；
G41：
刀具半径左刀补偿指令；
G42：
刀具半径右刀补偿指令；
说明：
X、Y、Z：
G00/G01的参数，即刀补建立或取消的终点。
D：
G41/G42的参数，即刀补号码（D00～D99），它代表了刀补表中对应的半径补偿值存放的地址。
这是一组模态指令，默认为G40。
建立和取消刀具半径补偿必须与G01或G00指令组合来完成，实际编程时建议与G01组合。
D以及后面的数字表示刀具半径补偿号。
刀具半径左、右补偿的判断依据以下定义：
站在程序路径上，向铣削前进方向看，铣刀位于零件轮廓左边时为刀具半径左补偿（如图2-89所示）；反之，为刀具半径右补偿（如图2-90所示）。
图2-89G41刀具半径左补偿
图2-90G42刀具半径右补偿
（1）刀具半径补偿的意义
本节以前所举例书写的程序均以刀具端面中心点为刀尖点，以此点沿工件轮廓铣削。
但实际情形，铣刀有一定的直径，故以此方式实际铣削的结果，外形尺寸会减少一个铣刀直径值；内形尺寸会增加一铣刀直径值，如图2-91所示。
（a）无刀具补偿铣削外轮廓（b）无刀具补偿铣削内轮廓
图2-91无刀具补偿情况
由以上得知若刀具沿工件轮廓铣削，因刀具有一定的直径，故铣削的结果会增加或减少一个刀具直径值。
若以图2-92铣刀的刀尖点向内偏一个半
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