数控加工工艺3

课题3数控机床的坐标系及编程规则实训3.1实训目的3.13.2相关知识3.23.3实训内容3.33.1实训目的掌握数控机床坐标系的建立，了解手工编程的一般步骤及加工程序的结构，熟悉常用F、S、T、M指令的应用及模态与非模态指令的区别。3.2相关知识数控机床坐标系的确定数控机床的两种坐标系数控编程的种类及步骤FANUC0i系统的编程指令数控加工程序的结构案例如图3.1所示，数控铣床的进给运动由三部分组成，工作台带动工件作横向和纵向进给运动，主轴箱带动刀具作垂直进给运动。当一个零件在数控铣床上加工时，如何用代码来描述刀具与零件的相对运动呢？3.2.1数控机床坐标系的确定1．规定原则（1）右手笛卡尔坐标系（2）刀具运动原则数控机床的坐标系是机床运动部件进给运动的坐标系。进给运动既可以是刀具相对工件的运动（如数控车床），也可以是工件相对刀具的运动（如数控铣床），为了方便程序编制人员能在不知刀具移近工件，或工件移近刀具的情况下确定机床的加工操作。在标准中统一规定：永远假定刀具相对于静止的工件坐标系而运动。（3）运动正方向的规定机床的某一部件运动的正方向，是增大工件和刀具距离（即增大工件尺寸）的方向。2．坐标轴确定的方法及步骤（1）Z轴一般取产生切削力的主轴轴线为Z坐标，刀具远离工件的方向为正向，如图3.3、3.4所示。当机床有几个主轴时，选一个与工件装夹面垂直的主轴为Z坐标。当机床无主轴时，选与工件装夹面垂直的方向为Z坐标，如图3.5所示。(a)带前置刀架的数控车床(b)带后置刀架的数控车床图3.3数控车床坐标系（a）立式数控铣床(b)卧式数控铣床图3.4数控铣床坐标系图3.5牛头刨床坐标系（2）X轴X坐标是水平的，它平行于工件的装卡面。对于工件作旋转切削运动的机床（如车床、磨床等），X坐标的方向是在工件的径向上，且平行于横滑座。对于安装在横滑座的刀架上的刀具，离开工件旋转中心的方向，是X坐标的正方向，如图3.3所示。对于刀具作旋转切削运动的机床（如铣床、钻床、镗床等），当Z坐标垂直时，对于单立柱机床，当从主要刀具主轴向立柱看时，+X运动的方向指向右方，如图3.4（a）所示。当Z坐标水平时，从主要刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方，如图3.4（b）所示。对于无主轴的机床（如牛头刨床），X坐标平行于主要的切削方向，且以该方向为正方向，如图3.5所示。（3）Y轴根据已确定的X、Z轴，按右手笛卡尔坐标系确定。（4）A、B、C轴A、B、C相应地表示其轴线平行于X、Y、Z坐标的旋转运动。正向的A、B、C，相应地表示在X、Y、Z坐标正方向上按照右旋螺纹前进的方向，如图3.6所示。（a）五坐标卧式曲面和轮廓铣床(b)五坐标摆动式铣头曲面和轮廓铣床图3.6多坐标数控铣床坐标系（5）附加的坐标直线运动：如在X、Y和Z主要直线运动之外，另有第二组平行于它们的坐标，可分别指定为U、V和W。如还有第三组运动，则分别指定为P、Q和R。如果在X、Y和Z主要直线运动之外，存在不平行或可以不平行于X、Y或Z的直线运动，亦可相宜地指定为U、V、W、P、Q或R。对于镗铣床，径向刀架滑板的运动，可指定为U或P（如果这个字母合适的话），滑板离开主轴中心的方向为正方向，如图3.7所示。选择最接近主要主轴的直线运动指定为第一直线运动，其次接近的指定为第二直线运动，最远的指定为第三直线运动。图3.7卧式镗铣床坐标系（6）主轴旋转运动的方向主轴的顺时针旋转运动方向，是按照右旋螺纹进入工件的方向。3.2.2数控机床的两种坐标系1．机床坐标系又称机械坐标系，其坐标和运动方向视机床的种类和结构而定。机床坐标系的原点也称机床原点或机械原点，如图3.8、图3.9（a）所示的O点，从机床设计的角度来看，该点位置可任选，但从使用某一具体机床来看，这点却是机床上一个固定的点。与机床原点不同但又很容易混淆的另一个概念是机床零点，它是机床坐标系中一个固定不变的极限点，即运动部件回到正向极限的位置。在加工前及加工结束后，可用控制面板上的“回零”按钮使部件（如刀架）退到该点。例如：对数控车床而言，机床零点是指车刀退离主轴端面和中心线最远而且是某一固定的点，如图3.8所示的O/点，O/点在机床出厂时，就已经调好并记录在机床使用说明书中供用户编程使用，一般情况下，不允许随意变动。图3.8数控车床的机床坐标系图3.9立式数控铣床坐标系和机床原点、工件原点２．编程坐标系又称工件坐标系，是编程时用来定义工件形状和刀具相对工件运动的坐标系。为保证编程与机床加工的一致性，工件坐标系也应是右手笛卡尔坐标系。工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。编程坐标系的原点，也称编程原点或工件原点，其位置由编程者确定，如图3.9（b）所示的O2点，工件原点的设置一般应遵循下列原则：（1）工件原点与设计基准或装配基准重合，以利于编程；（2）工件原点尽量选在尺寸精度高、表面粗糙度值小的工件表面上；（3）工件原点最好选在工件的对称中心上；（4）要便于测量和检验。３.2.3数控编程的种类及步骤（1）确定工艺过程（2）计算刀具轨迹的坐标值（3）编写加工程序（4）将程序输入数控机床（5）程序检验1．数控加工程序编制的步骤2．数控编程的种类（1）手工编程手工编程是指在编程的过程中，全部或主要由人工进行，如图3.8所示。对于加工形状简单、计算量小、程序不多的零件，采用手工编程较简单、经济、效率高。（2）计算机自动编程计算机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。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。３.2.４FANUC0i系统的编程指令1．准备功能G指令2．辅助功能M指令表3.2是中华人民共和国机械行业标准JB/T3208-1999规定的辅助功能M代码的定义表。表3.1是中华人民共和国机械行业标准JB/T3208-1999规定的准备功能G代码的定义表。常用的M指令功能及其应用如下：（1）程序停止指令：M00功能：执行完包含M00的程序段后，机床停止自动运行，此时所有存在的模态信息保持不变，用循环启动使自动运行重新开始。（2）程序计划停止指令：M01功能：与M00类似，执行完包含M01的程序段后，机床停止自动运行，只是当机床操作面板上的任选停机的开关置1时，这个代码才有效。（３）主轴顺时针方向旋转、主轴逆时针方向旋转、主轴停指令：M03、M04、M05功能：开动主轴时，M03指令可使主轴按右旋螺纹进入工件的方向旋转，M04指令可使主轴按右旋螺纹离开工件的方向旋转。M05指令可使主轴在该程序段其它指令执行完成后停转。格式：M03SM04SM05说明：数控机床的主轴转向的判断方法是，沿+Z方向看，顺时针方向旋转为正转，逆时针方向旋转为反转。（４）换刀指令：M06功能：自动换刀。用于具有自动换刀装置的机床，如加工中心、数控车床。格式：M06T说明：当数控系统不同时，换刀的编程格式有所不同，具体编程时应参考操作说明书。（5）程序结束指令：M02或M30功能：该指令表示主程序结束，同时机床停止自动运行，CNC装置复位。M30还可使控制返回到程序的开头，故程序结束使用M30比M02要方便些。说明：该指令必须编在最后一个程序段中。对于BEIJING-FANUC0i系统，一般情况下，在一个程序段中仅能指定一个M代码。但是，设定参数No.3404#7（M3B）=1时，在一个程序段中一次最多可以指定三个M代码。模态指令又称续效指令，一经程序段中指定，便一直有效，直到以后程序段中出现同组另一指令或被其它指令取消时才失效。编写程序时，与上段相同的模态指令可省略不写。不同组模态指令编在同一程序段内，不影响其续效。例如:N0010G91G01X20Y20Z-5F150M03S1000；N0020X35；N0030G90G00X0Y0Z100M02；上例中，第一段出现三个模态指令，即G91、G01、M03，因它们不同组而均续效，其中G91功能延续到第三段出现G90时失效；G01功能在第二段中继续有效，至第三段出现G00时才失效；M03功能直到第三段M02功能生效时才失效。3．G、M指令说明（1）模态与非模态指令表3.2第（2）栏有“*”的M指令，其功能与同段其它指令的动作同时开始，如上例第一段中，M03功能与G01功能同时开始，即在直线插补运动开始的同时，主轴开始正转，转速为1000r/min。表3.2第（3）栏有“*”的M指令，其功能在同段其它指令动作完成后才开始。如上例第三段中，M02功能在G00功能完成后才开始，即在移动部件完成G00快速点位动作后，程序才结束。（2）M功能开始时间4．F、S、T代码F代码表示刀具中心运动时的进给速度。由F和其后的若干数字组成。数字的单位取决于每个系统所采用的进给速度的指定方法。具体内容见所用机床的编程说明书。注意事项如下：①当编写程序时，第一次遇到直线（G01）或圆弧（G02/G03）插补指令时，必须编写进给率F，如果没有编写F功能，CNC采用F0。当工作在快速定位（G00）方式时，机床将以通过机床轴参数设定的快速进给率移动，与编写的F指令无关。②F代码为模态指令，实际进给率可以通过CNC操作面板上的进给倍率旋钮，在0～120%之间调整。（1）进给功能F代码S代码表示机床主轴的转速。由S和其后的若干数字组成，其表示方法有以下三种：①转速S表示主轴转速，单位为r/min。如S1000表示主轴转速为1000r/min。②线速在恒线速状态下，S表示切削点的线速度，单位为m/min。如S60表示切削点的线速度恒定为60m/min。③代码用代码表示主轴速度时，S后面的数字不直接表示转速或线速的数值，而只是主轴速度的代号。如某机床用S00～S99表示100种转速，S40表示主轴转速为1200r/min，S41表示主轴转速为1230r/min，S00表示主轴转速为0r/min，S99表示最高转速。（2）主轴转速功能S代码①采用T代码编程由T和数字组成。有T××和T××××两种格式，数字的位数由所用数控系统决定，T后面的数字用来指定刀具号和刀具补偿号。例如：T04表示选择4号刀；T0404表示选择4号刀，4号偏置值；T0400表示选择第4号刀，刀具偏置取消。②采用T、D代码编程利用T功能选择刀具，利用D功能选择相关的刀偏。在定义这两个参数时，其编程的顺序为T、D。T和D可以编写在一起，也可以单独编写，例如：T4D04表示选择4号刀，采用刀具偏置表第4号的偏置尺寸；T4D12表示用4号刀，采用刀具偏置表第12号的偏置尺寸；T2表示选择2号刀，采用与该刀具相关的刀具偏置尺寸。（3）刀具功能T代码3.2.5数控加工程序的结构1．数控加工程序的构成一个完整的数控加工程序由程序开始部分、若干个程序段、程序结束部分组成。一个程序段由程序段号和若干个“字”组成，一个“字”由地址符和数字组成。下面是一个完整的数控加工程序，该程序由程序号开始，以M02结束。程序说明O1122程序开始N5G90G92X0Y0Z0；程序段1N10G42G01X-60.0Y10.0D01F200；程序段2N15G02X40.0R50.0；程序段3N20G00G40X0Y0；程序段4N25M02；程序结束（1）程序号为了区分每个程序，对程序要进行编号，程序号由程序号地址和程序的编号组成，程序号必须放在程序的开头。如：O1122程序的编号（1122号程序）程序号地址（编号的指令码）不同的数控系统，程序号地址也有所差别。如SMK8M系统用％，而FANUC系统用Ｏ作为程序号的地址码。编程时一定要参考说明书，否则程序无法执行。（2）程序段