第1章 数控机床加工程式编制基础.docx
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第1章数控机床加工程式编制基础
第1章数控机床加工程序编制基础
数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动的对被加工工件进行加工。
我们把从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序，简称为数控程序，它是机床数控系统的应用软件。
与数控系统应用软件相对应的是数控系统内部的系统软件，系统软件是用于数控系统工作控制的，它不在本教程的研究范围内。
数控系统的种类繁多，它们使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同，本教程以ISO国际标准为主来介绍加工程序的编制方法。
当针对某一台数控机床编制加工程序时，应该严格按机床编程手册中的规定进行程序编制。
1.1数控程序编制的概念
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，最终才能获得满足要求的数控程序（如图1.1所示的程序样本）。
图1.1 程序样本
1.1.1数控程序编制的定义
编制数控加工程序是使用数控机床的一项重要技术工作，理想的数控程序不仅应该保证加工出符合零件图样要求的合格零件，还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，使数控机床能安全、可靠、高效的工作。
1、数控程序编制的内容及步骤
数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。
如图1.2所示，编程工作主要包括：
程
序
校
验
编
写
程
序
数
学
处
理
分析零件图样和制定工艺方案
修改
图1.2 数控程序编制的内容及步骤
（1）分析零件图样和制定工艺方案
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。
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。
（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。
通常可采用机床空运转的方式，来检查机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。
在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进行检查。
对于形状复杂和要求高的零件，也可采用铝件、塑料或石蜡等易切材料进行试切来检验程序。
通过检查试件，不仅可确认程序是否正确，还可知道加工精度是否符合要求。
若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切，则更能反映实际加工效果，当发现加工的零件不符合加工技术要求时，可修改程序或采取尺寸补偿等措施。
2、数控程序编制的方法
数控加工程序的编制方法主要有两种：
手工编制程序和自动编制程序。
（1）手工编程
手工编程指主要由人工来完成数控编程中各个阶段的工作。
如图1.3所示。
编程手册
工
艺
人
员
加
工
程
序
加
工
程
序
初
稿
编
程
人
员
工
艺
规
程
夹具表
零
件
图
样
机床表
刀具表
修改
图1.3 手工编程
一般对几何形状不太复杂的零件，所需的加工程序不长，计算比较简单，用手工编程比较合适。
手工编程的特点：
耗费时间较长，容易出现错误，无法胜任复杂形状零件的编程。
据国外资料统计，当采用手工编程时，一段程序的编写时间与其在机床上运行加工的实际时间之比，平均约为30：
1，而数控机床不能开动的原因中有20%~30%是由于加工程序编制困难，编程时间较长。
（2）计算机自动编程
自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成。
采用计算机自动编程时，数学处理、编写程序、检验程序等工作是由计算机自动完成的，由于计算机可自动绘制出刀具中心运动轨迹，使编程人员可及时检查程序是否正确，需要时可及时修改，以获得正确的程序。
又由于计算机自动编程代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算，可提高编程效率几十倍乃至上百倍，因此解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。
因而，自动编程的特点就在于编程工作效率高，可解决复杂形状零件的编程难题。
根据输入方式的不同，可将自动编程分为图形数控自动编程、语言数控自动编程和语音数控自动编程等。
图形数控自动编程是指将零件的图形信息直接输入计算机，通过自动编程软件的处理，得到数控加工程序。
目前，图形数控自动编程是使用最为广泛的自动编程方式。
语言数控自动编程指将加工零件的几何尺寸、工艺要求、切削参数及辅助信息等用数控语言编写成源程序后，输入到计算机中，再由计算机进一步处理得到零件加工程序。
语音数控自动编程是采用语音识别器，将编程人员发出的加工指令声音转变为加工程序。
1.1.2字与字的功能
1、字符与代码
字符是用来组织、控制或表示数据的一些符号，如数字、字母、标点符号、数学运算符等。
数控系统只能接受二进制信息，所以必须把字符转换成8BIT信息组合成的字节，用“0”和“1”组合的代码来表达。
国际上广泛采用两种标准代码：
（1）ISO国际标准化组织标准代码
（2）EIA美国电子工业协会标准代码
这两种标准代码的编码方法不同，在大多数现代数控机床上这两种代码都可以使用，只需用系统控制面板上的开关来选择，或用G功能指令来选择。
2、字
在数控加工程序中，字是指一系列按规定排列的字符，作为一个信息单元存储、传递和操作。
字是由一个英文字母与随后的若干位十进制数字组成，这个英文字母称为地址符。
如：
“X2500”是一个字，X为地址符，数字“2500”为地址中的内容。
3、字的功能
组成程序段的每一个字都有其特定的功能含义，以下是以FANUC-0M数控系统的规范为主来介绍的，实际工作中，请遵照机床数控系统说明书来使用各个功能字。
（1）顺序号字N
顺序号又称程序段号或程序段序号。
顺序号位于程序段之首，由顺序号字N和后续数字组成。
顺序号字N是地址符，后续数字一般为1～4位的正整数。
数控加工中的顺序号实际上是程序段的名称，与程序执行的先后次序无关。
数控系统不是按顺序号的次序来执行程序，而是按照程序段编写时的排列顺序逐段执行。
顺序号的作用：
对程序的校对和检索修改；作为条件转向的目标，即作为转向目的程序段的名称。
有顺序号的程序段可以进行复归操作，这是指加工可以从程序的中间开始，或回到程序中断处开始。
一般使用方法：
编程时将第一程序段冠以N10,以后以间隔10递增的方法设置顺序号，这样，在调试程序时，如果需要在N10和N20之间插入程序段时，就可以使用N11、N12等。
（2）准备功能字G
准备功能字的地址符是G，又称为G功能或G指令，是用于建立机床或控制系统工作方式的一种指令。
后续数字一般为1～3位正整数，见表1.1。
表1.1G功能字含义表
G功能字
FANUC系统
SIEMENS系统
G00
快速移动点定位
快速移动点定位
G01
直线插补
直线插补
G02
顺时针圆弧插补
顺时针圆弧插补
G03
逆时针圆弧插补
逆时针圆弧插补
G04
暂停
暂停
G05
---
通过中间点圆弧插补
G17
XY平面选择
XY平面选择
G18
ZX平面选择
ZX平面选择
G19
YZ平面选择
YZ平面选择
G32
螺纹切削
---
G33
---
恒螺距螺纹切削
G40
刀具补偿注销
刀具补偿注销
G41
刀具补偿——左
刀具补偿——左
G42
刀具补偿——右
刀具补偿——右
G43
刀具长度补偿——正
---
G44
刀具长度补偿——负
---
G49
刀具长度补偿注销
---
G50
主轴最高转速限制
---
G54～G59
加工坐标系设定
零点偏置
G65
用户宏指令
---
G70
精加工循环
英制
G71
外圆粗切循环
米制
G72
端面粗切循环
---
G73
封闭切削循环
---
G74
深孔钻循环
---
G75
外径切槽循环
---
G76
复合螺纹切削循环
---
G80
撤销固定循环
撤销固定循环
G81
定点钻孔循环
固定循环
G90
绝对值编程
绝对尺寸
G91
增量值编程
增量尺寸
G92
螺纹切削循环
主轴转速极限
G94
每分钟进给量
直线进给率
G95
每转进给量
旋转进给率
G96
恒线速控制
恒线速度
G97
恒线速取消
注销G96
G98
返回起始平面
---
G99
返回R平面
---
（3）尺寸字
尺寸字用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置。
其中，第一组X，Y，Z，U，V，W，P，Q，R用于确定终点的直线坐标尺寸；第二组A，B，C，D，E用于确定终点的角度坐标尺寸；第三组I，J，K用于确定圆弧轮廓的圆心坐标尺寸。
在一些数控系统中，还可以用P指令暂停时间、用R指令圆弧的半径等。
多数数控系统可以用准备功能字来选择坐标尺寸的制式，如FANUC诸系统可用G21/G22来选择米制单位或英制单位，也有些系统用系统参数来设定尺寸制式。
采用米制时，一般单位为mm，如X100指令的坐标单位为100mm。
当然，一些数控系统可通过参数来选择不同的尺寸单位。
（4）进给功能字F
进给功能字的地址符是F，又称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。
对于车床，F可分为每分钟进给和主轴每转进给两种，对于其它数控机床，一般只用每分钟进给。
F指令在螺纹切削程序段中常用来指令螺纹的导程。
（5）主轴转速功能字S
主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速。
单位为r/min。
对于具有恒线速度功能的数控车床，程序中的S指令用来指定车削加工的线速度数。
（6）刀具功能字T
刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号。
对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用。
（7）辅助功能字M
辅助功能字的地址符是M，后续数字一般为1～3位正整数，又称为M功能或M指令，用于指定数控机床辅助装置的开关动作，见表1.2。
表1.2M功能字含义表
M功能字
含义
M00
程序停止
M01
计划停止
M02
程序停止
M03
主轴顺时针旋转
M04
主轴逆时针旋转
M05
主轴旋转停止
M06
换刀
M07
2号冷却液开
M08
1号冷却液开
M09
冷却液关
M30
程序停止并返回开始处
M98
调用子程序
M99
返回子程序
1.1.3程序格式
1、程序段格式
程序段是可作为一个单位来处理的、连续的字组，是数控加工程序中的一条语句。
一个数控加工程序是若干个程序段组成的。
程序段格式是指程序段中的字、字符和数据的安排形式。
现在一般使用字地址可变程序段格式，每个字长不固定，各个程序段中的长度和功能字的个数都是可变的。
地址可变程序段格式中，在上一程序段中写明的、本程序段里又不变化的那些字仍然有效，可以不再重写。
这种功能字称之为续效字。
程序段格式举例：
N30G01X88.1Y30.2F500S3000T02M08
N40X90（本程序段省略了续效字“G01，Y30.2，F500，S3000，T02，M08”，但它们的功能仍然有效）
在程序段中，必须明确组成程序段的各要素：
移动目标：
终点坐标值X、Y、Z；
沿怎样的轨迹移动：
准备功能字G；
进给速度：
进给功能字F；
切削速度：
主轴转速功能字S；
使用刀具：
刀具功能字T；
机床辅助动作：
辅助功能字M。
2、加工程序的一般格式
（1）程序开始符、结束符
程序开始符、结束符是同一个字符，ISO代码中是%，EIA代码中是EP，书写时要单列一段。
（2）程序名
程序名有两种形式：
一种是英文字母O和1～4位正整数组成；另一种是由英文字母开头，字母数字混合组成的。
一般要求单列一段。
（3）程序主体
程序主体是由若干个程序段组成的。
每个程序段一般占一行。
（4）程序结束指令
程序结束指令可以用M02或M30。
一般要求单列一段。
加工程序的一般格式举例：
%//开始符
O1000//程序名
N10G00G54X50Y30M03S3000
N20G01X88.1Y30.2F500T02M08
N30X90//程序主体
……
N300M30//结束符
%
1.2数控机床的坐标系
在数控编程时，为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证纪录数据的互换性，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化，ISO和我国都拟定了命名的标准。
通过这一部分的学习，能够掌握机床坐标系、编程坐标系、加工坐标系的概念，具备实际动手设置机床加工坐标系的能力。
1.2.1机床坐标系
１、机床坐标系的确定
（1）机床相对运动的规定
在机床上，我们始终认为工件静止，而刀具是运动的。
这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。
（2）机床坐标系的规定
标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。
在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。
例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动，如图1.4所示。
在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。
图1.4 立式数控铣床
标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定：
图1.5 直角坐标系
1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。
则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。
2）大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。
3）围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向,见图1.5。
（3）运动方向的规定
增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向，如图1.6所示为数控车床上两个运动的正方向。
图1.6 机床运动的方向
２、坐标轴方向的确定
（1）Z坐标
Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。
如果机床上有几个主轴，则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为Z坐标方向；如果主轴能够摆动，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向；如果机床无主轴，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向。
图1.7所示为数控车床的Z坐标。
图1.7 数控车床的坐标系
（2）X坐标
X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。
确定X轴的方向时，要考虑两种情况：
1）如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。
2）如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：
Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。
图1.7所示为数控车床的X坐标。
（3）Y坐标
在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。
图1.7所示为数控车床的Y坐标。
图1.8 数控立式铣床的坐标系
例：
根据图1.8所示的数控立式铣床结构图，试确定X、Y、Z直线坐标。
（1）Z坐标：
平行于主轴，刀具离开工件的方向为正。
（2）X坐标：
Z坐标垂直，且刀具旋转，所以面对刀具主轴向立柱方向看，向右为正。
（3）Y坐标：
在Z、X坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。
３、附加坐标系
为了编程和加工的方便，有时还要设置附加坐标系。
对于直线运动，通常建立的附加坐标系有：
（1）指定平行于X、Y、Z的坐标轴
可以采用的附加坐标系：
第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。
（2）指定不平行于X、Y、Z的坐标轴
也可以采用的附加坐标系：
第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。
４、机床原点的设置
机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。
它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。
（1）数控车床的原点
在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处，见图1.9。
同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X、Z坐标的正方向极限位置上。
图1.9车床的机床原点
图1.10 铣床的机床原点
（2）数控铣床的原点
在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上，见图1.10。
５、机床参考点
机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。
图1.11数控车床的参考点
机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。
因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数。
通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的；而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。
图1.11所示为数控车床的参考点与机床原点。
数控机床开机时，必须先确定机床原点，而确定机床原点的运动就是刀架返回参考点的操作，这样通过确认参考点，就确定了机床原点。
只有机床参考点被确认后，刀具（或工作台）移动才有基准。
1.2.2编程坐标系
编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。
编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。
如图1.12所示，其中O2即为编程坐标系原点。
图1.12编程坐标系
编程原点是根据加工零件图样及加工工艺要求选定的编程坐标系的原点。
编程原点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上，编程坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致，如图1.13所示为车削零件的编程原点。
图1.13确定编程原点
1.2.3加工坐标系
1、加工坐标系的确定
加工坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。
加工原点也称为程序原点，是指零件被装夹好后，相应的编程原点在机床坐标系中的位置。
在加工过程中，数控机床是按照工件装夹好后所确定的加工原点位置和程序要求进行加工的。
编程人员在编制程序时，只要根据零件图样就可以选定编程原点、建立编程坐标系、计算坐标数值，而不必考虑工件毛坯装夹的实际位置。
对于加工人员来说，则应在装夹工件、调试程序时，将编程原点转换为加工原点，并确定加工原点的位置，在数控系统中给予设定（即给出原点设定值），设定加工坐标系后就可根据刀具当前位置，确定刀具起始点的坐标值。
在加工时，工件各尺寸的坐标值都是相对于加工原点而言的,这样数控机床才能按照准确的加工坐标系位置开始加工。
图1.12中O3为加工原点。
2、加工坐标系的设定
方法一：
在机床坐标系中直接设定加工原点。
例：
以图1.12为例，在配置FANUC-OM系统的立式数控铣床上设置加工原点03。
（1）加工坐标系的选择
编程原点设置在工件轴心线与工件底端面的交点上。
设工作台工作面尺寸为800mm×320mm，若工件装夹在接近工作台中间处，则确定了加工坐标系的位置，其加工原点03就在距机床原点O1为X3、Y3、Z3处。
并且X3=-345.700mm,Y3=-196.220mm,Z3=-53.165mm。
（2）设定加工坐标系指令
1）G54～G59为设定加工坐标系指令。
G54对应一号工件坐标系，其余以此类推。
可在MDI方式的参数设置页面中，设定加工坐标系。
如对已选定的加工原点O3，将其坐标值
X3=-345.700mm
Y3=-196.220mm
Z3=-53.165mm
设在G54中，则表明在数控系统中设定了1号工件加工坐标。
设置页面如图1.14。
图1.14加工坐标系设置
2）G54～G59在加工程序中出现时，即选择了相应的加工坐标系。
方法二：
通过刀具起始点来设定加工坐标系。
（1）加工坐标系的选择
加工坐标系的原点可设定在相对于刀具起始点的某一符合加工要求的空间点上。
应注意的是，当机床开机回参考点之后，无论刀具运动到哪一点，数控系统对其位置都是已知的。
也就是说，刀具起始点是一个已知点。
（2）设定加工坐标系指令
图1.15 设定加工坐标系
G92为设定加工坐标系指令。
在程序中出现G92程序段时，即通过刀具当前所在位置即刀具起始点来设定加工坐标系。
G92指令的编程格式：
G92XaYbZc
该程序段运行后，就根据刀具起始点设定了加工原点，如图1.15所示。
从图1.15中可看出，用G92设置加工坐标系，也可看作是：
在加工坐标系中，确定刀具起始点的坐标值，并将该坐标值写入G92编程格式中。
例题：
在图1.16中，当a=50mm,b=50mm,c=10mm时，试用G92指令设定加工坐标系。
设定程序为G92X50Y50Z10
图1.16 设定加工坐标系应用
1.2.4机床加工坐标系设定的实例
下面以数控铣床（FANUC0M）加工坐标系的设定为例，说明工作步骤
图1.17零件图样
图1.18X、Y向对刀方法
在选择了图1.17所示的被加工零件图样，并确定了编程原点位置后，可按以下方法进行加工坐标系设定：
1、准备工作
机床回参考点，确认机床坐标系；
2、装夹工件毛坯
通过夹具使零件定位，并使工件定位基准面与机床运动方向一致；
3、对刀测量
用简易对刀法测量,方法如下:
用直径为φ10的标准测量棒、塞尺对刀，得到测量值为X=-437.726,Y=-298.160,如图1.18所示。
Z=-31.833，如图1.19所示。
4、计算设定值
按图1.18所示,将前面已测得的各项数据,按设定要求运算。
X坐标设定值：
X=-437.726+5+0.1+40=-392.626mm
注：
-437.726mm为X坐标
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