加工中心的程序编制.docx

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加工中心的程序编制

第8章加工中心的程序编制

　　加工中心（MachiningCenter）简称MC，是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂零件的高效率自动化机床。

加工程序的编制，是决定加工质量的重要因素。

在本模块的教学内容中，我们将研究影响加工中心应用效果的编程特点、工艺及工装、机床功能等因素。

　　加工中心所配置的数控系统各有不同，各种数控系统程序编制的内容和格式也不尽相同，但是程序编制方法和使用过程是基本相同的。

以下所述内容，均以配置FANUC-0i数控系统的XH714加工中心为例展开讨论。

5.1加工中心程序编制的基础　　

加工中心是高效、高精度数控机床，工件在一次装夹中便可完成多道工序的加工，同时还备有刀具库，并且有自动换刀功能。

加工中心所具有的这些丰富的功能，决定了加工中心程序编制的复杂性。

5.1.1加工中心的主要功能

　　加工中心能实现三轴或三轴以上的联动控制，以保证刀具进行复杂表面的加工。

加工中心除具有直线插补和圆弧插补功能外，还具有各种加工固定循环、刀具半径自动补偿、刀具长度自动补偿、加工过程图形显示、人机对话、故障自动诊断、离线编程等功能。

加工中心是从数控铣床发展而来的。

与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能。

　　加工中心从外观上可分为立式、卧式和复合加工中心等。

立式加工中心的主轴垂直于工作台，主要适用于加工板材类、壳体类工件，也可用于模具加工。

卧式加工中心的主轴轴线与工作台台面平行，它的工作台大多为由伺服电动机控制的数控回转台，在工件一次装夹中，通过工作台旋转可实现多个加工面的加工，适用于箱体类工件加工。

复合加工中心主要是指在一台加工中心上有立、卧两个主轴或主轴可90°改变角度，因而可在工件一次装夹中实现五个面的加工。

5.1.2加工中心的工艺及工艺装备

　　加工中心是一种工艺范围较广的数控加工机床，能进行铣削、镗削、钻削和螺纹加工等多项工作。

加工中心特别适合于箱体类零件和孔系的加工。

加工工艺范围如图5.1~图5.4。

图5.1铣削加工 

图5.2钻削加工

图5.3螺纹加工 

图5.4镗削加工

1、工艺性分析

　　一般主要考虑以下几个方面：

（1）选择加工内容

　　加工中心最适合加工形状复杂、工序较多、要求较高的零件，这类零件常需使用多种类型的通用机床、刀具和夹具，经多次装夹和调整才能完成加工。

（2）检查零件图样

图5.5零件加工的基准统一

　　零件图样应表达正确，标注齐全。

同时要特别注意，图样上应尽量采用统一的设计基准，从而简化编程，保证零件的精度要求。

　　例如图5.5中所示零件图样。

在图5.5a中，A、B两面均已在前面工序中加工完毕，在加工中心上只进行所有孔的加工。

以A、B两面定位时，由于高度方向没有统一的设计基准，ф48H7孔和上方两个ф25H7孔与B面的尺寸是间接保证的，欲保证32.5±0.1和52.5±0.04尺寸，须在上道工序中对105±0.1尺寸公差进行压缩。

若改为图5.5b所示标注尺寸，各孔位置尺寸都以A面为基准，基准统一，且工艺基准与设计基准重合，各尺寸都容易保证。

（3）分析零件的技术要求

　　根据零件在产品中的功能，分析各项几何精度和技术要求是否合理；考虑在加工中心上加工，能否保证其精度和技术要求；选择哪一种加工中心最为合理。

（4）审查零件的结构工艺性

　　分析零件的结构刚度是否足够,各加工部位的结构工艺性是否合理等。

2、工艺过程设计

　　工艺设计时，主要考虑精度和效率两个方面，一般遵循先面后孔、先基准后其它、先粗后精的原则。

加工中心在一次装夹中，尽可能完成所有能够加工表面的加工。

对位置精度要求较高的孔系加工，要特别注意安排孔的加工顺序，安排不当，就有可能将传动副的反向间隙带入，直接影响位置精度。

例如,安排图5.6a所示零件的孔系加工顺序时，若按图5.6b的路线加工，由于5.6孔与1.2.3.4孔在Y向的定位方向相反，Y向反向间隙会使误差增加，从而影响5.6孔与其它孔的位置精度。

按图5.6c所示路线，可避免反向间隙的引入。

a）零件图样

b）加工路线1

c）加工路线2

图5.6镗孔加工路线

　　加工过程中，为了减少换刀次数，可采用刀具集中工序，即用同一把刀具把零件上相应的部位都加工完，再换第二把刀具继续加工。

但是，对于精度要求很高的孔系，若零件是通过工作台回转确定相应的加工部位时，因存在重复定位误差，不能采取这种方法。

3、零件的装夹

图5.7　编程原点与定位基准

（1）定位基准的选择

　　在加工中心加工时，零件的定位仍应遵循六点定位原则。

同时,还应特别注意以下几点：

1）进行多工位加工时，定位基准的选择应考虑能完成尽可能多的加工内容，即便于各个表面都能被加工的定位方式。

例如，对于箱体零件，尽可能采用一面两销的组合定位方式。

2）当零件的定位基准与设计基准难以重合时,应认真分析装配图样，明确该零件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的尺寸位置精度要求，确保加工精度。

3）编程原点与零件定位基准可以不重合，但两者之间必须要有确定的几何关系。

编程原点的选择主要考虑便于编程和测量。

例如，图5.7中的零件在加工中心上加工Φ80H7孔和4-Φ25H7孔，其中4-ф25H7都以ф80H7孔为基准，编程原点应选择在ф80H7孔的中心线上。

当零件定位基准为A、B两面时，定位基准与编程原点不重合，但同样能保证加工精度。

（2）夹具的选用

　　在加工中心上,夹具的任务不仅是装夹零件,而且要以定位基准为参考基准，确定零件的加工原点。

因此，定位基准要准确可靠。

（3）零件的夹紧

　　在考虑夹紧方案时，应保证夹紧可靠，并尽量减少夹紧变形。

4、刀具的选择

　　加工中心对刀具的基本要求是：

　　1）良好的切削性能：

能承受高速切削和强力切削并且性能稳定；

　　2）较高的精度：

刀具的精度指刀具的形状精度和刀具与装卡装置的位置精度；

　　3）配备完善的工具系统：

满足多刀连续加工的要求。

　加工中心所使用刀具的刀头部分与数控铣床所使用的刀具基本相同，请参见本教程中关于数控铣削刀具的选用。

加工中心所使用刀具的刀柄部分与一般数控铣床用刀柄部分不同，加工中心用刀柄带有夹持槽供机械手夹持。

5.1.3加工中心编程的特点

　　由于加工中心的加工特点，在编写加工程序前，首先要注意换刀程序的应用。

　　不同的加工中心，其换刀过程是不完全一样的，通常选刀和换刀可分开进行。

换刀完毕启动主轴后，方可进行下面程序段的加工内容。

选刀动作可与机床的加工重合起来，即利用切削时间进行选刀。

多数加工中心都规定了固定的换刀点位置，各运动部件只有移动到这个位置，才能开始换刀动作。

　　XH714加工中心装备有盘形刀库，通过主轴与刀库的相互运动，实现换刀。

换刀过程用一个子程序描述，习惯上取程序号为O9000。

换刀子程序如下：

O9000

N10G90//选择绝对方式

N20G53Z-124.8//主轴Z向移动到换刀点位置（即与刀库在Z方向上相应）

N30M06//刀库旋转至其上空刀位对准主轴，主轴准停

N40M28//刀库前移，使空刀位上刀夹夹住主轴上刀柄

N50M11//主轴放松刀柄

N60G53Z-9.3//主轴Z向向上，回设定的安全位置（主轴与刀柄分离）

N70M32//刀库旋转，选择将要换上的刀具

N80G53Z-124.8//主轴Z向向下至换刀点位置（刀柄插入主轴孔）

N90M10//主轴夹紧刀柄

N100M29//刀库向后退回

N110M99//换刀子程序结束，返回主程序。

　　需要注意的是，为了使换刀子程序不被随意更改，以保证换刀安全，设备管理人员可将该程序隐含。

当加工程序中需要换刀时，调用O9000号子程序即可。

调用程序段可如下编写：

N～T～M98P9000

　　其中：

N后为程序顺序号；T后为刀具号，一般取2位；M98为调用换刀子程序；P9000为换刀子程序号。

　　加工中心的编程方法与数控铣床的编程方法基本相同，加工坐标系的设置方法也一样。

因而，下面将主要介绍加工中心的加工固定循环功能、B类宏程序应用、对刀方法等内容。

5.2FANUC系统固定循环功能

　　在前面介绍的常用加工指令中，每一个G指令一般都对应机床的一个动作，它需要用一个程序段来实现。

为了进一步提高编程工作效率，FANUC-Oi系统设计有固定循环功能，它规定对于一些典型孔加工中的固定、连续的动作，用一个G指令表达，即用固定循环指令来选择孔加工方式。

　　常用的固定循环指令能完成的工作有：

钻孔、攻螺纹和镗孔等。

这些循环通常包括下列六个基本操作动作：

图5.8固定循环的基本动作

1、在XY平面定位

2、快速移动到R平面

3、孔的切削加工

4、孔底动作

5、返回到R平面

6、返回到起始点。

　　图5.8中实线表示切削进给，虚线表示快速运动。

R平面为在孔口时，快速运动与进给运动的转换位置。

　　常用的固定循环有高速深孔钻循环、螺纹切削循环、精镗循环等。

　　编程格式G90/G91G98/G99G73～G89X～Y～Z～R～Q～P～F～K～

　　式中：

G90/G91--绝对坐标编程或增量坐标编程；

　　G98--返回起始点；

　　G99--返回R平面。

　　G73～G89--孔加工方式，如钻孔加工、高速深孔钻加工、镗孔加工等；

　　X、Y--孔的位置坐标；

　　Z--孔底坐标；

　　R--安全面（R面）的坐标。

增量方式时，为起始点到R面的增量距离；在绝对方式时，为R面的绝对坐标；

　　Q--每次切削深度；

　　P--孔底的暂停时间；

　　F--切削进给速度；

　　K--规定重复加工次数。

　　固定循环由G80或01组G代码撤消。

5.2.1高速深孔钻循环指令G73

　　G73用于深孔钻削，在钻孔时采取间断进给，有利于断屑和排屑，适合深孔加工。

图5.9所示为高速深孔钻加工的工作过程。

其中Q为增量值，指定每次切削深度。

d为排屑退刀量，由系统参数设定。

a）G73（G98）

b）G73（G99）

图5.9高速深孔钻循环

图5.10应用举例

　　例，对图5.10所示的5-ф8mm深为50mm的孔进行加工。

显然，这属于深孔加工。

利用G73进行深孔钻加工的程序为：

O40

N10G56G90G1Z60F2000//选择2号加工坐标系，到Z向起始点

N20M03S600//主轴启动

N30G98G73X0Y0Z-50R30Q5F50//选择高速深孔钻方式加工1号孔

N40G73X40Y0Z-50R30Q5F50//选择高速深孔钻方式加工2号孔

N50G73X0Y40Z-50R30Q5F50//选择高速深孔钻方式加工3号孔

N60G73X-40Y0Z-50R30Q5F50//选择高速深孔钻方式加工4号孔

N70G73X0Y-40Z-50R30Q5F50//选择高速深孔钻方式加工5号孔

N80G01Z60F2000//返回Z向起始点

N90M05//主轴停

N100M30//程序结束并返回起点

　　加工坐标系设置：

G56X=-400，Y=-150，Z=-50。

　　上述程序中，选择高速深孔钻加工方式进行孔加工，并以G98确定每一孔加工完后，回到R平面。

设定孔口表面的Z向坐标为0，R平面的坐标为30，每次切深量Q为5，系统设定退刀排屑量d为2。

5.2.2螺纹加工循环指令（攻螺纹加工）

1、G84（右旋螺纹加工循环指令）

G84指令用于切削右旋螺纹孔。

向下切削时主轴正转，孔底动作是变正转为反转，再退出。

F表示导程，在G84切削螺纹期间速率修正无效，移动将不会中途停顿，直到循环结束。

G84右旋螺纹加工循环工作过程见图5.11。

a）G84（G98）

b）G84（G99）

图5.11螺纹加工循环

2、G74（左旋螺纹加工循环指令）

G74指令用于切削左旋螺纹孔。

主轴反转进刀，正转退刀，正好与G84指令中的主轴转向相反，其它运动均与G84指令相同。

5.2.3精镗循环指令G76

　　G76指令用于精镗孔加工。

镗削至孔底时，主轴停止在定向位置上，即准停，再使刀尖偏移离开加工表面，然后再退刀。

这样可以高精度、高效率地完成孔加工而不损伤工件已加工表面。

　　程序格式中，Q表示刀尖的偏移量，一般为正数，移动方向由机床参数设定。

G76精镗循环的加工过程包括以下几个步骤：

1、在X、Y平面内快速定位；

2、快速运动到R平面；

3、向下按指定的进给速度精镗孔；

4、孔底主轴准停；

5、镗刀偏移；

6、从孔内快速退刀。

图5.12所示为G76精镗循环的工作过程示意图。

a）G76（G98）

b）G76（G99）

图5.12精镗循环的加工

5.2.4应用举例

图5.13　零件图样

图5.14　刀具图

　　使用刀具长度补偿功能和固定循环功能加工如图5.13所示零件上的12个孔。

1、分析零件图样，进行工艺处理

　　该零件孔加工中，有通孔、盲孔，需钻、扩和镗加工，故选择钻头T01、扩孔刀T02和镗刀T03，加工坐标系Z向原点在零件上表面处。

由于有三种孔径尺寸的加工，按照先小孔后大孔加工的原则，确定加工路线为：

从编程原点开始，先加工6个φ6的孔，再加工4个φ10的孔，最后加工2个φ40的孔。

T01、T02的主轴转数S=600r/min，进给速度F=120mm/min；T03主轴转数S=300r/min，进给速度F=50mm/min。

选刀方法参见。

2、加工调整

　　T01、T02和T03的刀具补偿号分别为H01、H02和H03。

对刀时，以T01刀为基准，按图5.13中的方法确定零件上表面为Z向零点，则H01中刀具长度补偿值设置为零，该点在G53坐标系中的位置为Z-35。

对T02，因其刀具长度与T01相比为140-150=-10mm，即缩短了10mm，所以将H02的补偿值设为-10。

对T03同样计算，H03的补偿值设置为-50，如图5.14所示。

换刀时，采用O9000子程序实现换刀。

根据零件的装夹尺寸，设置加工原点G54：

X=-600，Y=-80，Z=-35。

3、数学处理

　　在多孔加工时，为了简化程序，采用固定循环指令。

这时的数学处理主要是按固定循环指令格式的要求，确定孔位坐标、快进尺寸和工作进给尺寸值等。

固定循环中的开始平面为Z=5，R点平面定为零件孔口表面+Z向3mm处。

4、编写零件加工程序

N10G54G90G00X0Y0Z30//进入加工坐标系

N20T01M98P9000　//换用T01号刀具

N30G43G00Z5H01　//T01号刀具长度补偿

N40S600M03//主轴起动

N50G99G81X40Y-35Z-63R-27F120//加工#1孔（回R平面）

N60Y-75//加工#2孔（回R平面）

N70G98Y-115//加工#3孔（回起始平面）

N80G99X300//加工#4孔（回R平面）

N90Y-75//加工#5孔（回R平面）

N100G98Y-35//加工#6孔（回起始平面）

N110G49Z20　//Z向抬刀，撤消刀补

N120G00X500Y0　//回换刀点，

N130T02M98P9000　//换用T02号刀

N140G43Z5H02//T02刀具长度补偿

N150S600M03//主轴起动

N160G99G81X70Y-55Z-50R-27F120//加工#7孔（回R平面）

N170G98Y-95//加工#8孔（回起始平面）

N180G99X270//加工#9孔（回R平面）

N190G98Y-55//加工#10孔（回起始平面）

N200G49Z20//Z向抬刀，撤消刀补

N210G00X500Y0//回换刀点

T220M98P9000　//换用T03号刀具

N230G43Z5H03//T03号刀具长度补偿

N240S300M03//主轴起动

N250G76G99X170Y-35Z-65R3F50//加工#11孔（回R平面）

N260G98Y-115//加工#12孔（回起始平面）

N270G49Z30//撤消刀补

N280M30//程序停

参数设置：

H01=0，H02=-10，H03=-50；

G54：

X=-600，Y=-80，Z=-35。

5.3SIEMENS系统固定循环功能

5.3.1主要参数

SIEMENS系统固定循环中使用的主要参数见表5.1。

参数赋值方式：

若钻底停留时间为2秒，则R105=2。

表5.1主要参数

参数

含义

R101

起始平面

R102

安全间隙

R103

参考平面

R104

最后钻深（绝对值）

R105

钻底停留时间

R106

螺距

R107

钻削进给量

R108

退刀进给量

5.3.2钻削循环

调用格式LCYC82

功能：

刀具以编程的主轴转速和进给速度钻孔，到达最后钻深后，可实现孔底停留，退刀时以快速退刀。

循环过程如图5.15所示。

图5.15钻削循环过程及参数

参数：

R101，R102，R103，R104，R105

例：

用钻削循环LCYC82加工图5.16所示孔，孔底停留时间2秒，安全间隙4mm。

试编制程序。

N10G0G17G90F100T2D2S500M3

N20X24Y15

N30R101=110R102=4R103=102R104=75R105=2

N40LCYC82

N50M2

图5.16钻削循环应用例

5.3.3镗削循环

调用格式LCYC85

功能：

刀具以编程的主轴转速和进给速度镗孔，到达最后镗深后，可实现孔底停留，进刀及退刀时分别以参数指定速度退刀。

如图5.17所示。

图5.17镗削循环过程及参数

参数：

R101，R102，R103，R104，R105，R107，R108

例：

用镗削循环LCYC85加工图5.18所示孔，无孔底停留时间，安全间隙2mm。

试编写程序。

N10G0G18G90F1000T2D2S500M3

N20X50Y105Z70

N30R101=105R102=2R103=102R104=77R105=0R107=200R108=100

N40LCYC85

N50M2

图5.18镗削循环应用例

5.3.4线性孔排列钻削

调用格式LCYC60

功能：

加工线性排列孔如图5.19所示，孔加工循环类型用参数R115指定，如表5.2所示。

表中各参数使用如图5.20所示。

图5.19线性孔排列钻削功能

表5.2线性孔排列钻削循环中使用参数表

参数

含义

R115

孔加工循环号：

如82（LCYC82）

R116

横坐标参考点

R117

纵坐标参考点

R118

第一个孔到参考点的距离

R119

钻孔的个数

R120

平面中孔排列直线的角度

R121

孔间距

图5.20参数的使用

例：

用钻削循环LCYC82加工图5.21所示孔，孔底停留时间2秒，安全间隙4mm。

图5.21线性孔排列钻削循环应用

N10G0G18G90F100T2D2S500M3

N20X50Y110Z50

N30R101=105R102=4R103=102R104=22R105=2

N40R115=82R116=30R117=20R118=20R119=0R120=0R121=20

N50LCYC60

N60M2

5.3.5矩形槽、键槽和圆形凹槽的铣削循环

1、循环功能

通过设定相应的参数，利用此循环可以铣削矩形槽、键槽及圆形凹槽，循环加工可分为粗加工和精加工，见图5.22。

循环参数见表5.3，表中参数使用情况见图5.23。

图5.22铣削循环

调用格式LCYC75

加工矩形槽时通过参数设置长度、宽度、深度；如果凹槽宽度等同于两倍的圆角半径，则铣削一个键槽；通过参数设定凹槽长度=凹槽宽度=两倍的圆角半径，可以铣削一个直径为凹槽长度或凹槽宽度的圆形凹槽。

加工时，一般在槽中心处已预先加工出导向底孔，铣刀从垂直于凹槽深度方向的槽中心处开始进刀。

如果没有钻底孔，则该循环要求使用带端面齿得铣刀，从而可以铣削中心孔。

在调用程序中应设定主轴的转速和方向，在调用循环之前必须先建立刀具补偿。

表5.3循环参数表

参数

含义、数值范围

R101

起始平面

R102

安全间隙

R103

参考平面（绝对坐标）

R104

凹槽深度（绝对坐标）

R116

凹槽圆心X坐标

R117

凹槽圆心Y坐标

R118

凹槽长度

R119

凹槽宽度

R120

圆角半径

R121

最大进刀深度

R122

Z向进刀进给量

R123

铣削进给量

R124

平面精加工余量：

粗加工（R127=1）时留出的精加工余量。

在精加工时（R127=2），根据参数R124和R125选择“仅加工轮廓”或者“同时加工轮廓和深度”

R125

Z向深度精加工余量：

粗加工（R127=1）时留出的精加工深度余量。

精加工时（R127=2）利用参数R124和R125选择“仅加工轮廓”或“同时加工轮廓和深度”。

R126

铣削方向（G2或G3）

数值范围：

2（G2），3（G3）

R127

加工方式：

1．粗加工：

按照给定参数加工凹槽至精加工余量。

精加工余量应小于刀具直径。

2．精加工：

进行精加工的前提条件是凹槽的粗加工过程已经结束，接下去对精加工余量进行加工。

图5.23参数使用

2、加工过程

出发点：

位置任意，但需保证从该位置出发可以无碰撞地回到平面的凹槽中心点。

（1）粗加工R127=1

用G0到起始平面的凹槽中心点，然后再同样以G0到安全间隙的参考平面处。

凹槽的加工分为以下几个步骤：

1）以R122确定的进给量和调用循环之前的主轴转速进刀到下一次加工的凹槽中心点处。

2）按照R123确定的进给量和调用循环之前的主轴转速在轮廓和深度方向进行铣削，直至最后精加工余量。

3）加工方向由R126参数给定的值确定。

4）在凹槽加工结束之后，刀具回到起始平面凹槽中心，循环过程结束。

（2）精加工R127=2

1）如果要求分多次进刀，则只有最后一次进刀到达最后深度凹槽中心点（R122）。

为了缩短返回的空行程，在此之前的所有进刀均快速返回，并根据凹槽和键槽的大小无需回到凹槽中心点才开始加工。

通过参数R124和R125选择“仅进行轮廓加工”或者“同时加工轮廓和工件”。

仅加工轮廓：

R124〉0，R125=0

轮廓和深度：