第2章数控加工与编程基础.

第1章数控加工与编程基础1.1数控加工程序编制概念1.2机床坐标系、编程坐标系和加工坐标系1.3数控加工工艺基础1.4程序格式1.5常用编程指令1.6轮廓编程训练目录1.1数控加工程序编制概念1.1.1数控加工程序编制的定义和步骤数控机床是严格按照从外部输入的程序来自动地对被加工工件进行加工的。为了与数控系统的内部程序（系统软件）及自动编程用的零件源程序相区别，我们把从外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序。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。数控程序的编制包括如下几个步骤：(1)分析零件图纸。(2)确定工艺过程。(3)数值计算。(4)编写程序。(5)程序调试和检验。1.1.2数控加工程序编制的方法（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。（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。1.2机床坐标系、编程坐标系和加工坐标系1.2.1机床坐标系1.2.2编程坐标系1.2.3加工坐标系1.2.4编程坐标系、加工坐标系的选择训练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。数控机床上的坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系。（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1.2.1机床坐标系图1-1右手直角笛卡尔坐标系+Z+Y+Z+C+X+Y+B+X+A+A、+B或+C+X、+Y或+Z图1-2数控机床坐标系示例２、数控机床各坐标轴及其正方向的确定（1）先确定Z轴。Z轴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轴，Z轴的正方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。（2）再确定X轴。X轴为水平方向且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。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轴的正方向。2）如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：Z轴水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z轴垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。（3）最后确定Y轴。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，按照右手直角笛卡尔坐标系来确定Y轴正方向。３、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。通过设置参数的方法也可将机床原点设定在X、Z轴的正方向极限位置上。（2）数控铣床的原点在数控铣床上，机床原点一般设在X、Y、Z轴的正方向极限位置上。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。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，在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。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。（a）数控车床机床原点（b）数控铣床机床原点图1－3机床原点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。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机床坐标系的坐标轴方向一致。如图2－4所示为车削零件的编程原点。编程原点10049ZX图2－4编程原点1.2.3加工坐标系加工坐标系：也称为工件坐标系，是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。加工原点：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。把程序应用到机床上时，要将编程原点转换为加工原点，通过对刀操作设定加工坐标系，确定编程原点放在工件毛坯中的位置及其在机床坐标系中的坐标值。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。数控车床的加工原点一般设在主轴中心线上，大多定在工件的左端面或右端面。数控铣床或加工中心的加工原点，一般设在工件外轮廓的某一个角上或工件对称中心处，Z轴方向上的零点，通常取在工件表面上。对于形状较复杂的工件，有时为编程方便可根据需要通过相应的程序指令随时改变新的工件坐标原点。1.2.4编程坐标系、加工坐标系的选择训练1、数控车削加工编程坐标系、加工坐标系的选择例2－1车削加工如图2－5形状的工件，请选择编程坐标系和加工坐标系。编程原点ZX图2－5例2－1图机床原点ZX图2－6卧式前置刀架数控车床坐标系加工原点ZX切除材料图2－7加工坐标系2、数控铣削加工编程坐标系、加工坐标系的选择例1－2在数控铣床上加工如图1－8零件，请选择编程坐标系和加工坐标系。图1－8例1－2图XYZMRW参考点R机床原点MW加工原点图1－9例2－2机床坐标系、加工坐标系1.3数控加工工艺基础1.3.1数控加工工艺处理的内容1.3.2数控加工工艺性分析1.3.3加工工艺路线的拟定1.3.4工件的安装与夹具的选择1.3.5切削用量的选择1.3.1数控加工工艺处理的内容数控加工工艺处理的主要内容有：1、分析被加工零件的工艺性；2、拟定加工工艺路线，包括划分工序、选择定位基准、安排加工顺序和组合工序等；3、设计加工工序，包括选择工装夹具与刀具、确定走刀路径、确定切削用量等；4、编制工艺文件。1.3.2数控加工工艺性分析一般来说，适合数控加工的零件具有如下特点：(1)多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件，短期急需的零件。(2)轮廓形状复杂，对加工精度要求较高的零件。(3)用普通机床加工较困难或无法加工(需昂贵的工艺装备)的零件。(4)价值昂贵，加工中不允许报废的关键零件。数控加工工艺性分析主要包括以下内容：1、结构工艺性分析2、轮廓几何要素分析3、精度、技术要求分析1.3.3加工工艺路线的拟定（一）工序的划分常见的数控加工工序划分的方法有以下几种：1、按安装次数划分工序以每一次装夹作为一道工序。此种划分工序的方法适用于加工内容不多的零件。专用数控机床和加工中心常用此方法。2、按加工部位划分工序按零件的结构特点分成几个加工部分，每一部分作为一道工序。3、按所用刀具划分工序为了减少换刀次数，减少换刀时间和尽可能缩短走刀路线，减少不必要的定位误差，可按刀具集中工序的方法加工零件，即用同一把刀具或同一类刀具加工完成零件上所有需要加工的部位，以达到节省时间、提高效率的目的。4、按粗、精加工划分工序对易变形或精度要求较高的零件常按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗加工再精加工。此时，可用不同的机床或不同的刀具顺次同步进行加工。对单个零件要先粗加工、半精加工，而后精加工。或者一批零件，先全部进行粗加工、半精加工，最后再进行精加工。通常在一次安装中，不允许将零件某一部分表面粗、精加工完毕后，再加工零件的其他表面；否则，可能会在对新的表面进行大切削量加工过程中，因切削力太大而引起已精加工完成的表面变形。（二）加工顺序的安排机械加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位、安装与夹紧的需要来考虑，一般应遵循以下原则：1、上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧。2、以相同的安装方式或使用同一把刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重新定位或换刀所引起的误差。3、先进行内腔加工，后进行外形加工。4、在同一次安装中，应先进行对工件刚性影响比较小的工序，确保工件在足够刚性条件下逐步加工完毕。（三）加工路线的确定加工路线是指刀具相对于工件运动的轨迹和方向。确定走刀路线时应注意以下几点：1、尽量缩短加工路线，减少空刀时间以提高加工效率。如加工图2－10（a）上的孔系，图2－10（c）的加工路线要比图2－10（b）的加工路线减少空刀时间。（a)零件图样（b)路线1（c)路线2图2－10最短走刀路线的设计2、加工方式、路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度。3、选择好刀具的切入和切出方向。4、选择使工件在加工后变形小的路线。5、能够使数值计算简单，程序段数量少，简化程序，减少编程工作量。1.3.4工件的安装与夹具的选择1．定位装夹的基本原则(1)力求设计、工艺与编程计算的基准统一。(2)尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。(3)避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。2．选择夹具的基本原则数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要协调零件和机床坐标系的尺寸关系。除此之外，还要考虑以下几点：(1)当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。当达到一定批量生产时才考虑用专用夹具，并力求结构简单。(2)零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。(3)夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工。1.3.5切削用量的选择对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、切削刀具、切削用量是三大要素。编程人员在确定每道工序的切削用量时，应根据刀具的耐用度和机床说明书中的规定去选择。也可以结合实际经验用类比法确定切削用量。对于表面粗糙度和精度要求较高的零件，要留有足够的精加工余量，数控加工的精加工余量可比通用机床加工的余量小一些。数控车削加工和铣削加工中切削用量的选择方法将在后面的章节进行介绍。1.4程序格式1.4.1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。国际上广泛采用国际标准化组织标准代码（ISO）和美国电子工业协会标准代码（EIA），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：“Y50”是一个字，Y为地址符，数字“50”为地址中的内容。3、字的功能（1）顺序号字N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。（2）准备功能字G也称为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。（3）尺寸字用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置。（4）进给功能字F也称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。（5）主轴转速功能字