数控专业实训加工中心编程部分.docx
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数控专业实训加工中心编程部分
数控专业实训教材
加工中心编程
部分
天津机电工艺学院
目录
第一部分加工中心基础编程
课题一安全实习教育及机床概述3
课题二数控机床的坐标系11
课题三数控加工中心基本指令15
课题四圆弧插补指令一29
课题五圆弧插补指令二40
课题六刀具半径补偿功能50
课题七刀具长度补偿63
课题八数控加工中心循环指令67
第二部分特殊功能及宏程序
课题一极坐标指令93
课题二任意角度倒角/拐角圆弧99
课题三比例缩放106
课题四坐标系旋转111
课题五螺旋线插补116
课题六宏程序的基本概念121
课题七宏程序中变量的使用122
课题八宏程序的运算指令和控制指令126
课题九宏程序的使用方法和常用数学公式132
课题十宏程序的外轮廓加工136
课题十一圆孔轮廓螺旋加工144
课题十二圆周分布孔的加工149
课题十三倒角的加工154
课题十四华中数控系统宏程序161
第一部分加工中心基础编程
课题一安全实习教育及机床概述
一、组织教学
安全教育：
统计考勤，检查着装——
实习学生进教室必须穿好工作服，并扎紧袖口，女生须戴工作帽，操作过程中不能带手套。
实习学生必须熟悉机床性能，未经过安全操作培训的学生不得动用机床。
操作前要先检查设备，工具是否完好齐全，如有损缺立即报告实习指导老师。
二、讲授新课：
1.1安全操作规程
1.1.1学生实习守则
1.准时上课，按时下班，有秩序地进入实习车间（场地）。
2.上班前要提前十分钟进入车间（场地）作好实习课前准备工作；
3.进入车间（场地）要穿戴好工作服，工作帽，不得穿背心拖鞋或戴围巾、赤背进入车间（场地）
4.操作前要先检查设备、工具是否完好齐全，如有损缺立即报告实习指导老师；
5.操作时要严格遵守操作规程和劳动纪律，不准说笑、打斗，不准随意离开车间（场地）；
6.操作时如有设备发生故障，不要心慌，要保护好现场并及时报告，以便作出恰当处理；
7.未经允许不得开动他人设备，公用工具用完后要放回原处；
8.坚持文明生产，严守操作规程，工作地要保持清洁整齐、卫生、安全；
9.按老师的指导使用工具，要节约原材料，未经老师允许不得把材料、工具拿出场地；
10.下班时要打扫卫生，做好设备保养，放好工，卡，量具；
11.用好，管好所用工具，不得无故损坏，如有损坏或丢失，不得转嫁他人，不得隐瞒，要实事求是地报告老师；
12.下班要锁好工具箱，关好门窗以防不安全因素发生。
1.1.2实习安全十条警语
1.关爱生命，重视安全。
2.安全操作、重在预防。
3.人人讲安全，安全为人人。
4.事故出于麻痹，安全源于警惕。
5.安全是生命之本，违章是事故之源。
6.操作规程是把尺，安全刻在分毫里。
7.严格要求安全在，松松垮垮事故来。
8.劳保用品利用好，遇险可把平安保。
9.时时绷紧安全弦，方可防患于未然。
10.违章违纪不狠抓，害人害己害国家。
1.1.3加工中心实习安全操作规程
1.实习学生进教室必须穿好工作服，并扎紧袖口。
女生须戴工作帽。
操作过程中不能带手套。
2.实习学生必须熟悉机床性能，未经过安全操作培训的学生不得动用机床。
3.机床上的固定防护门，各种的防护罩只有在调式机床时才能打开，NC控制单元及配电箱严禁打开。
4.记住急停按钮的位置，以便于在紧急情况下能够快速按下。
5.工件要装夹牢固，编程后要做一次模拟运行。
6.清理铁屑时，应先停机。
不能用手清理铁屑。
7.在加工过程中，操作者要经常观察，不能离开操作岗位。
8.实习后，要切断电源，然后把机床各部位擦干净，再按使用说明书中的规定做好保养。
1.1.4安全操作规程
由于加工中心结构复杂，科技含量高，在操作上比普通机床复杂得多，必须严格按照操作规程操作，才能保证机床正常运行。
作为一名熟练的操作人员，必须在了解加工零件的要求、工艺路线、机床特性后，方可操纵机床完成各项加工任务。
必须正确合理的使用加工中心，保障加工中心正常运转，必须制订比较完善的加工中心操作规程。
（1）工件加工前的应注意的事项
1.机床通电后，检查各开关、按钮是否正常、灵活、机床是否有异常现象。
2.检查电压、油压、气压是否正常，有手动润滑的部位首先要进行手动润滑。
3.各坐标轴手动回参考点（机床原点）。
若某轴在回参考点前已经处于零点位置，必须先将该轴移动到100mm以外的位置，再进行手动回零点。
4.在进行工作台回转交换时，台面上、护罩上、导轨上不得有异物。
5.NC程序输入完毕后，应认真校对，确保无误。
其中包括代码、指令、地址、数值、正负号、小数点及语法的核对。
6.按工艺规程安装找正好夹具。
7.正确测量和计算工件坐标系，并对所得结果进行验证和验算。
8.将工件坐标系输入到零点偏置表中，并对坐标、坐标值、正负号及小数点进行认真核对。
9.刀具补偿值（长度、半径）输入到刀具偏置表后，要对刀具补偿号、补偿值、正负号、小数点进行认真核对。
（2）工件加工过程中的注意事项
1.无论是首次加工的零件，还是周期性重复加工的零件，首先必须按照图样工艺、程序和刀具调整卡、进行逐把刀逐段程序的试切。
2.单段试切时，快速倍率开关必须至于较低挡。
3.每把刀具首次使用时，必须先验证它的实际长度与所给补偿值是否相符。
4.在程序运行中，要重点观察数控系统上的几种显示。
5.试切进刀时，在刀具运行到距表面30-50mm处，必须在进给保持下，验证坐标轴剩余坐标值和x、y轴坐标值与图样是否一致。
6.对一些有试刀要求的刀具，采用“渐进”的方法。
如镗孔，可先试镗一小段长度，检测合格后，再镗到整个长度，使用刀具半径补偿功能的刀具数值，可由小到大，边试切边修改。
7.试切和加工中刃磨刀具和更换刀具后，一定要重新测量刀长并修改好刀补值和刀补号。
8.程序检索时应注意光标所指位置是否合理、准确，并观察刀具与机床运动方向坐标是否正确。
9.程序修改后，对修改部分一定要仔细认真核对。
10.手轮进给和手动连续进给操作时，必须检查各种开关所选择的位置是否正确，弄清正负方向，认准按键，然后再进行操作。
（3）零件加工完毕后注意事项
1.全批零件加工完毕后，应核对刀具号、刀补值；使程序、偏置表、调整卡及工艺卡中的刀具号、刀补值完全一样。
2.从刀库卸下刀具，按调整卡或程序，清理编号入库。
磁盘与工艺；刀具调整卡成套入库。
3.卸下夹具，某些夹具应记录安装的位置及方位，并做出记录，存档。
4.将各坐标轴停在中间位置。
1.2数控机床简介
随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。
产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。
尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动强度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。
这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。
数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。
该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。
具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。
1.2.1数控机床工作原理
按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。
1.2.2数控机床结构
数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成，如图1-1-1所示。
图1-1-1数控机床的加工过程
1）控制介质控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。
2）数控装置数控装置是数控机床的控制核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。
3）伺服系统伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。
数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。
每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。
4）机床本体数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。
1.3数控机床分类
数控机床可以根据不同的方法进行分类，常用的分类方法有按数控机床加工原理分类、按数控机床运动轨迹分类和按进给伺服系统控制方式分类。
1.3.1按数控机床加工原理分类
按数控机床加工原理可把数控机床分为普通数控机床和特种加工数控机床。
1）普通数控机床如数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心等各种普通数控机床，其加工原理是用切削刀具对零件进行切削加工。
2）特种加工数控机床如线切割数控机床，对硬度很高的工件进行切割加工；如电火花成型加工数控机床，采用电火花原理对工件的形腔进行加工。
1.3.2按数控机床运动轨迹分类
数控机床运动轨迹主要有三种形式：
点位控制运动、直线控制运动和连续控制运动。
1）点位控制运动点位控制运动指刀具相对工件的点定位，一般对刀具运动轨迹无特殊要求，为提高生产效率和保证定位精度，机床设定快速进给，临近终点时自动降速，从而减少运动部件因惯性而引起的定位误差。
2）直线控制运动直线控制运动指刀具或工作台以给定的速度按直线运动。
3）连续控制运动连续控制运动也称为轮廓控制运动，指刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其它函数关系的曲线。
这种数控系统有一个轨迹插补器，根据运动轨迹和速度精确计算并控制各个伺服电机沿轨迹运动。
1.3.3按进给伺服系统控制方式分类
由数控装置发出脉冲或电压信号，通过伺服系统控制机床各运动部件运动。
数控机床按进给伺服系统控制方式分类有三种形式：
开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。
1）开环控制系统这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图1-1-2所示，这种控制方式对执行机构不检测，无反馈控制信号，因此称之为开环控制系统。
开环控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机的限制。
图1-1-2开环控制系统
2）闭环控制系统这种控制系统绝大多数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电路。
如图1-1-3所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。
位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作，直至到达实际位置，误差值消除，此称之为闭环控制。
闭环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试较复杂，而且设备的成本高。
图1-1-3闭环控制系统
3）半闭环控制系统（图1-1-4）这种控制系统的位置测量元件不是测量工作台的实际位置，而是测量伺服电机的转角，经过推算得出工作台位移值，反馈至位置比较电路,与指令中的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作。
这种用推算方法间接测量工作台位移，不能补偿数控机床传动链零件的误差，因此称之为半闭环控制系统。
半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。
图1-1-4半闭环控制系统
三、机床练习
练习要求：
1.熟悉加工中心车间的工作环境。
2.熟读《加工中心实习安全操作规程》
《实习安全十条警语》
《学生实习守则》
四、小结：
1．下班时要打扫卫生，放好工，卡，量具；
2．实习后，要切断电源，然后把机床各部位擦干净，再按使用说明书中的规定做好保养。
3．锁好工具箱，关好门窗以防不安全因素发生。
4．新课题安排——数控机床的坐标系
课题二数控机床的坐标系
一、组织教学
安全教育：
统计考勤，检查着装——
实习学生进教室必须穿好工作服，并扎紧袖口，女生须戴工作帽，操作过程中不能带手套。
实习学生必须熟悉机床性能，未经过安全操作培训的学生不得动用机床。
操作前要先检查设备，工具是否完好齐全，如有损缺立即报告实习指导老师。
二、讲授新课：
1.1数控机床的坐标系
在编写数控加工程序过程中，为了确定刀具与工件的相对位置，必须通过机床参考点和坐标系描述刀具的运动轨迹。
在国际ISO标准中，数控机床坐标轴和运动方向的设定均已标准化，我国机械工业部1982年颁布的JB3052-82标准与国际ISO标准等效。
1.1.1坐标系及运动方向
1.坐标系的确定原则
1）刀具相对于静止工件而运动的原则 这个原则规定不论数控机床是刀具运动还是工件运动，编程时均以刀具的运动轨迹来编写程序，这样可按零件图的加工轮廓直接确定数控机床的加工过程。
2）标准坐标系的规定 标准坐标系是一个直角坐标系，如图2-1-1（a）所示，按右手直角坐标系规定，右手的拇指、食指和中指分别代表X、Y、Z三根直角坐标轴的方向；如图2-1-1（b）所示，旋转方向按右手螺旋法则规定，四指顺着轴的旋转方向，拇指与坐标轴同方向为轴的正旋转，反之为轴的反旋转，图中A、B、C分别代表围绕X、Y、Z三根坐标轴的旋转方向。
3）坐标轴正负的规定 使刀具与工件之间距离增大的方向规定为轴的正方向，反之为轴的反方向。
2.机床坐标轴的确定方法
Z轴表示传递切削动力的主轴，X轴平行于工件的装夹平面，一般取水平位置，根据右手直角坐标系的规定，确定了X和Z坐标轴的方向，自然能确定Y轴的方向。
1）立式铣床坐标系
如图2-1-2所示，Z坐标轴与立式铣床的直立主轴同轴线，面对主轴，向右为X坐标轴的正方向，根据右手直角坐标系的规定确定Y坐标轴的方向朝前。
图2-1-2 立铣床坐标系
2）卧式铣床坐标系
如图2-1-3所示，Z坐标轴与卧式铣床的水平主轴同轴线，面对主轴，向左为X坐标轴的正方向，根据右手直角坐标系的规定确定Y坐标轴的方向朝上。
图2-1-3 卧铣床坐标系
2.1.2数控机床的两种坐标系
数控机床坐标系有机床坐标系和工件坐标系，其中工件坐标系又称为编程坐标系。
1.机床坐标系
现代数控机床一般都有一个基准位置，称为机床原点或机床绝对原点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。
机床坐标系是生产厂家在机床上设定的坐标系，其原点是机床上的一个固定点，作为数控机床运动部件的运动参考点，在一般数控立铣床中，机床坐标系是建立在机床原点上的固有坐标系，在各坐标轴的正向最大极限处。
2.工件坐标系
对于数控编程和数控加工来说，还有一个编程原点，是编程员在数控编程过程中定义在工件上的几何基准点，有时也称工件原点。
工件坐标系是建立在工件原点上的坐标系。
设置工件坐标系原点的原则尽可能选择在工件的设计基准和工艺基准上，工件坐标系的坐标轴方向与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。
在数控铣床中，如图2-1-4所示，Z轴的原点一般设定在工件的上表面，对于非对称工件，X、Y轴的原点一般设定在工件的左前角上；对于对称工件，X、Y轴的原点一般设定在工件对称轴的交点上。
图2-1-4 数控铣床工件坐标系的原点
3．附加运动坐标
一般称X、Y、Z为主坐标或第一坐标，平行于第一坐标的第二组指定为U、V、W，第三组指定为P、Q、R。
三、机床练习
分组进行机床操作练习：
练习内容1、判断加工中心坐标系及运动方向
2、熟悉加工中心操作面板。
四、小结：
1．下班时要打扫卫生，放好工，卡，量具；
2．实习后，要切断电源，然后把机床各部位擦干净，再按使用说明书中的规定做好保养。
3．锁好工具箱，关好门窗以防不安全因素发生。
4．新课题安排——数控加工中心基本指令
课题三数控加工中心基本指令
一、组织教学
安全教育：
统计考勤，检查着装——
实习学生进教室必须穿好工作服，并扎紧袖口，女生须戴工作帽，操作过程中不能带手套。
实习学生必须熟悉机床性能，未经过安全操作培训的学生不得动用机床。
操作前要先检查设备，工具是否完好齐全，如有损缺立即报告实习指导老师。
二、复习
1.程序段格式
2.加工程序的组成
3.编程方法
加工程序简介
加工程序使用数控装置能识别的指令代码和数字代码描述数控机床的工艺过程，国际上广泛使用ISO标准G指令和M指令，我国机械工业部制订的标准JB3208－83与国际ISO标准等效。
1.程序段格式
程序段由程序段序号、地址符、数字值和程序段结束符组成。
例如：
N＿＿ G＿＿ F＿＿ T＿＿ S＿＿ M＿＿ ；
式中：
N程序序号地址符；
G 准备功能地址符；
F 进给速度地址符；
T 刀具号地址符；
S 主轴转速地址符；
M 辅助功能地址符；
； 程序段结束地址符。
2.加工程序的组成
一个完整的加工程序由程序名、程序段和程序结束指令组成。
其中程序名由符号（如%、O、P或其它符号）与后面的4位数字组成；程序结束指令一般为M02或M30。
例如：
%0001
N0010G00X0Y0Z2T01S2000M03；
N0020G01Z-10F200 ；
…
…
N0100M30 ；
3.编程方法
编程方法有手工编程与自动编程二种方法。
1）手工编程 直接在数控机床上进行编程的方法为手工编程，一般加工简单零件用这种方法编程。
2）自动编程 对于复杂的零件，其轮廓线不是在简单的平面上，而是由复杂的空间曲线和空间曲面组成，用手工编程方法编程很困难，则需要使用自动编程方法编程。
即使用专用软件进行编程，过去用APT软件描述加工过程，称为自动编程，现代自动编程是指通过CAD/CAM处理后自动生成NC程序的编程方法。
三、讲授新课：
数控加工中心基本指令
1.1数控加工中心编程基础
数控加工中心主要能铣削平面、沟槽和曲面，还能加工复杂的型腔和凸台。
数控加工中心主轴安装铣削刀具，在加工程序控制下，安装工件的工作台沿着X、Y、Z三根坐标轴的方向运动，通过不断改变铣削刀具与工件之间的相对位置，加工出符合图纸要求的工件。
由于数控加工中心配置的数控系统不同，使用的指令在定义和功能上有一定的差异，但其基本功能和编程方法还是相同的。
1.1.1数控加工中心编程基础
1.数控加工中心的主要功能
1）点位控制功能 数控加工中心的点位控制主要用于工件的孔加工，如中心钻定位、钻孔、扩孔、锪孔、铰孔和镗孔等各种孔加工操作。
2）连续控制功能 通过数控加工中心的直线插补、圆弧插补或复杂的曲线插补运动，铣削加工工件的平面和曲面。
3）刀具半径补偿功能
如果直接按工件轮廓线编程，在加工工件内轮廓时，实际轮廓线将大了一个刀具半径值；在加工工件外轮廓时，实际轮廓线又小了一个刀具半径值。
使用刀具半径补偿的方法，数控系统自动计算刀具中心轨迹，使刀具中心偏离工件轮廓一个刀具半径值，从而加工出符合图纸要求的轮廓。
利用刀具半径补偿的功能，改变刀具半径补偿量，还可以补偿刀具磨损量和加工误差，实现对工件的粗加工和精加工。
4）刀具长度补偿功能 改变刀具长度的补偿量，可以补偿刀具换刀后的长度偏差值，还可以改变切削加工的平面位置，控制刀具的轴向定位精度。
5）固定循环加工功能 应用固定循环加工指令，可以简化加工程序，减少编程的工作量。
6）子程序功能 如果加工工件形状相同或相似部分，把其编写成子程序，由主程序调用，这样简化程序结构。
引用子程序的功能使加工程序模块化，按加工过程的工序分成若干个模块，分别编写成子程序，由主程序调用，完成对工件的加工。
这种模块式的程序便于加工调试，优化加工工艺。
7）特殊功能 在数控加工中心上配置仿形软件和仿形装置，用传感器对实物扫描及采集数据，经过数据处理后自动生成NC程序，进而实现对工件的仿形加工，实现反向加工工程。
总之，配置一定的软件和硬件之后，能够扩大数控加工中心的使用功能。
2.数控加工中心加工范围
1）平面加工 数控机床铣削平面可以分为对工件的水平面（XY）加工，对工件的正平面（XZ）加工和对工件的侧平面（YZ）加工。
只要使用两轴半控制的数控加工中心就能完成这样平面的铣削加工。
2）曲面加工 如果铣削复杂的曲面则需要使用三轴甚至更多轴联动的数控加工中心。
3.数控加工中心的装备
1）夹具 数控加工中心的通用夹具主要有平口钳、磁性吸盘和压板装置。
对于加工中、大批量或形状复杂的工件则要设计组合夹具，如果使用气动和液压夹具，通过程序控制夹具，实现对工件的自动装缷，则能进一步提高工作效率和降低劳动强度。
2）刀具 常用的铣削刀具有立铣刀、端面铣刀、成形铣刀和孔加工刀具。
4．编程方式：
数控编程可分为手工编程、自动编程和计算机高级语言编程三种方法。
手工编程:
利用一般的计算工具，通过各种教学方法，人工进行刀具轨迹的计算，并编制指令。
特点:
比较简单，容易掌握。
适应性较大。
用途:
适用于中等复杂程度程序或计算量不大的零件编程。
程序结构格式：
程序：
一个完整的程序由程序号程序内容和程序结束三部分组成。
（1）程序号：
程序的开始部分,FANUC系统采用“Oxxxx”。
（2）程序内容：
整个程序的主要部分，它由各个程序段组成。
（3）程序结束：
一般用M30或M02结束程序。
格式：
O0001;程序号
N1G90G54G00X0Y0;程序内容
N2G91G28Z0;
N3T01M06;
N4G90G00X10.Y10.S1000M03;
：
：
N10M30;程序结束
2自动编程：
指借助数控语言系统或图形编程系统由计算机来自动生成零件加工程序的过程。
在我国广泛应用是这种方式。
特点:
速度快，质量好，灵活性较大。
3计算机高级语言编程：
由于计算机速度的不断提高，最近出现了计算机高级语言编程。
特点:
软件资源丰富，便于移植，开放性好，透明度好。
1.1.2数控加工中心基本指令
1.设定工件坐标系G54指令和G92指令
指令格式G92X__Y__Z__
G54X__Y__Z__
指令功能设定工件坐标系
指令说明1.在机床上建立工件坐标系（也称编程坐标系）；
2.如图3-1-1所示，坐标值X、Y、Z为刀具刀位点在工件坐标系中的坐标值（也称起刀点或换刀点）；
3.操作者必须于工件安装后检查或调整刀具刀位点，以确保机床上设定的工件坐标系与编程时在零件上所规定的工件坐标系在位置上重合一致；
4.对于尺寸较复杂的工件，为了计算简单，在编程中可以任意改变工件坐标系的程序零点。
5.G92与G54～G59指令的使用差别：
G
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