第2章 数控车床编程基本知识

数控车床编程基本知识第二章数控车床编程基本知识2.1数控编程概述2.2数控机床坐标系2.3数控车床编程特点2.1数控编程概述2.1数控编程概述数控编程是实现零件数控加工的关键环节，它包括从零件分析到获得数控加工程序的全过程。如图2－1所示。图2－1数控机床加工过程2.1数控编程概述2.1.1数控编程的内容一般说来，数控编程包括以下工作。2.1.1.1分析零件图，制定加工工艺方案根据零件图样，对零件的形状、尺寸、材料、精度和热处理要求等进行工艺分析，合理选择加工方案，确定工件的加工工艺路线、工序及切削用量等工艺参数，确定所用机床、刀具和夹具。2.1数控编程概述2.1.1.2数学处理根据零件的几何尺寸、工艺要求及编程的方便，设定坐标系，计算工件粗、精加工的轮廓轨迹，获得刀位数据。数控系统一般具有直线和圆弧插补功能，所以对于由直线和圆弧组成的形状简单的零件轮廓加工，只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点坐标值即可，有些要计算刀具中心的运动轨迹；对于由非圆曲线或曲面组成的形状复杂的零件，需要用直线段或圆弧段来逼近曲线，根据加工精度的要求，计算出节点坐标，这个工作一般使用计算机完成。2.1数控编程概述2.1.1.3编写零件加工程序根据制定的加工工艺路线、切削用量、刀具补偿量、辅助动作及刀具运动轨迹等条件，按照机床数控系统规定的功能指令代码及程序格式，逐段编写加工程序。2.1.1.4制备控制介质并输入到数控机床把编制好的程序记录在控制介质上，并输入到数控机床中，这个工作可通过手工在操作面板直接输入，或利用通信方式输入，由传输软件把计算机上的加工程序传输到数控机床。2.1数控编程概述2.1.1.5程序校验和试切输入到数控系统的加工程序在正式加工前需进行验证，以确保程序正确。通常可以采用机床空运行的方法，检查机床动作和运动轨迹是否正确；在有图形显示功能的数控机床上，可以利用模拟加工的图形显示来检查运行轨迹的正确性。需注意的是这些方法只能检验运动轨迹是否正确，不能检验被加工零件的精度。因此，需进行零件的首件试切，当发现加工的零件不符合加工技术要求时，分析产生加工误差的原因，找出问题，修改程序或采取尺寸补偿等措施。2.1数控编程概述2.1.2数控编程方法2.1.2.1手工编程手工编程就是指数控编程内容的工作全部由人工完成。对加工形状较简单的工件，其计算量小，程序短，手工编程快捷、简便。对形状复杂的工件采用手工编程有一定的难度，有时甚至无法实现。一般说来，由直线和圆弧组成的工件轮廓采用手工编程，非圆曲线、列表曲线组成的轮廓采用自动编程。2.1.2.2自动编程自动编程就是利用计算机专用软件完成数控机床程序编制工作。编程人员只需根据零件图样的要求，使用数控语言，由计算机进行数值计算和工艺参数处理，自动生成加工程序，再通过通讯方式传入数控机床。2.1数控编程概述2.1.3程序格式2.1.3.1字符与代码字符是用于组织、控制或表示数据的一些符号，进行信息交换，数字、字母、标点符号、数学运算符都可以用作字符，常规加工程序应用四种字符：英文字母、数字和小数点、正负号、功能字符。2.1.3.2程序字（简称字或指令字）字是一套可以作为一个信息单元进行存储、传递和操作的有规定次序的字符，字符的个数即为字长。常规加工程序中的字都是由英文字及随后的数字组成，这个英文字称为地址符，地址符与后续数字之间可有正负号。如X30Z－15。2.1数控编程概述2.1.3.3字的几种功能（1）语句号N（也称为程序段号）程序是一句一句编写的，一句程序称为程序段。程序段号字用以识别每一程序段，由地址码N和若干位数字组成。例如：N40表示该程序段的语句号为40。（2）准备功能字G（又称G功能、G指令，G代码）顾名思义，准备功能用来建立机床或数控系统工作方式的一种命令，使数控机床做好某种操作准备，用地址码G和两位或三位数字表示。需要指出的是不同生产厂家数控系统的G指令的功能相差大，编程时必须遵照机床使用说明书进行。2.1数控编程概述G指令分为模态指令（续效指令）和非模态指令，非模态指令只在本程序段中有效，模态指令可在连续几个程序段中有效，直到被相同组别的指令取代。指令表中标有相同字母或数字的为一组。如G00、G01、G02、G03，其中G00为非模态指令，其余为模态指令。（3）尺寸字表示由地址码、符号（＋、－）、绝对（或相对）数值组成。尺寸字的地址码有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、A、B、C、I、J、K、D、H等。例如：X15Y-20。其中“＋”可省略。2.1数控编程概述（4）进给功能字F表示加工时的进给速度，单位由地址码F和后面的若干位数字组成。（5）主轴转速功能字S表示数控机床主轴转速，单位由地址码S和后面的若干位数字组成。（6）刀具功能字T表示由地址码T和后面的若干位数字组成。数字表示刀号，数字位数由数控系统决定。（7）辅助功能字M（又称M功能、M指令、M代码）用来控制机床辅助动作或系统的开关功能，由地址码M和后面的两位数字组成。2.1数控编程概述2.1.3.4程序段格式零件的加工程序由若干个程序段组成。程序段格式是指一个程序段中字、字符、数据的书写规则，目前使用最多的是“字－地址”程序段格式。字－地址程序段格式由程序段号字、数据字和程序段结束组成。各字后有地址，字的排列顺序要求不严格,数据的位数可多可少，不需要的字以及与上一程序段相同的续效字可以不写。排列顺序如下：NGXUAYVBZWCFSTMLF例：N30G01X50Z-20F100S400T01M032.1数控编程概述该格式的优点是程序简短、直观、容易检查和修改。需要说明的是数控加工程序内容、指令和程序段格式虽然在国际上有很多标准，实际上并不是完全统一。所以在编制加工程序前，必须详细了解机床数控系统的编程说明书中的具体指令格式和编程方法。2.1数控编程概述2.1.3.5初识加工程序加工程序可分为主程序和子程序。但不论是主程序还是子程序，每一个程序都是由程序号、程序内容和程序结束三部分组成。表2－1是SINUMERIK802S数控车床的一个加工程序:程序说明SK01.MPFN10G54G95S500M03T01N20G00X18Z2N30G01Z-15F0.2X24Z-30X26N40G00X50Z200N50M05N60M02程序名程序内容程序结束2.2数控机床坐标系2.2数控机床坐标系2.2数控机床坐标系2.2.1坐标和运动方向命名的原则2.2.1.1在数控机床中统一规定采用右手直角笛卡儿坐标轴命名，如图2-2a）所示。图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z的正方向。2.2.1.2坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。2.2.1.3机床在加工过程中不论是刀具移动，还是被加工工件移动，都一律假定被加工工件相对静止不动，而刀具在移动，并规定刀具远离工件的运动方向为坐标轴的正方向。2.2.1.4旋转运动：在图2-2中，围绕X，Y，Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A，B，C表示，其正方向用右手螺旋法则确定，以大姆指指向+X，+Y，+Z方向，则食指、中指等的指向是圆周进给运动的+A，+B，+C，如图2－2c）所示。2.2数控机床坐标系2.2.2坐标运动的规定2.2.2.1Z坐标运动Z坐标的运动由传递切削动力的主轴所决定：（1）与主轴轴线平行的标准坐标轴即为Z坐标。如数控车床、数控立式镗铣床等。（2）若机床没有主轴（如数控刨床等），则Z坐标垂直于工件主要装夹面。（3）若机床有几个主轴，可选择一垂直于工件装夹面的主要轴作为主轴，并以它确定Z标，如数控龙门铣床。（4）Z坐标的正方向是增加刀具和工件之间距离的方向如在钻镗加工中，钻入或镗入工件的方向是Z的负方向。2.2数控机床坐标系2.2.2.2X坐标的运动X坐标运动是水平的，它平行于工件装夹面，是刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。（1）在没有回转刀具和没有回转工件的机床上（如牛头刨床）X坐标平行于主要切削方向，并且以该方向为正方向。（2）在有回转工件的机床上，如车床、磨床等，X坐标方向是在工件径向，而且平行于横向滑座，对于安装在横向滑座的主要刀架上的刀具，离开工件回转中心的方向是X的正方向。2.2数控机床坐标系（3）在有刀具回转的机床上（如铣床），若Z坐标是水平的（主轴是卧式的），当由主要刀具主轴向工件看时，X运动的正方向指向右方。如Z坐标是垂直的（主轴是立式的），当由主要刀具主轴向立柱看时，X运动的正方向指向右方。2.2.2.3Y坐标的运动：正向Y坐标的运动，根据X和Z的运动，按照右手笛卡儿坐标系来确定。2.2.2.4机床坐标系的原点：机床坐标系的原点位置是任意选择的，由生产厂家调定的。A，B，C的运动原点（0°的位置）也是任意的，但A，B，C原点的位置最好选择为与Y，Z，X坐标平行。2.2数控机床坐标系2.2.2.5附加坐标如果在X，Y，Z主要直线运动之外另有第二组平行与它们的坐标运动，就称为附加坐标。它们分别被规定为U，V和W，如图2－2a）所示。如果在第一组回转运动A，B，C之外，还有平行或不平行于A，B，C的第二组回转运动，可指定为D，E或F。2.2数控机床坐标系2.2.2.6工件的运动：对于移动部分是工件而不是刀具的机床，必须将前面所介绍的移动部分是刀具的各项规定，在理论上作相反的安排。若用+X，+Y、+Z表示刀具相对于工件正向运动的指令，则如果是工件移动则用加“′”的字母表示，按相对运动的关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：+X=-X′,+Y=-Y′,+Z=-Z′+A=-A′,+B=-B′,+C=-C′同样两者运动的负方向也彼此相反,如图2－2d）所示。2.2数控机床坐标系2.2.3机床坐标系、机床原点和机床参考点2.2.3.1机床坐标系机床坐标系是机床上固定有的坐标系，并设有固定的坐标原点，就是机床原点，又称机械原点，即x=0、y=0、z=0的点。对某一具体机床来说，在经过设计、制造和调整后，这个原点便被确定下来，它是机床上固定的点。2.2数控机床坐标系2.2.3.2机床参考点为了正确地建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点作为测量起点，它是机床坐标系中一个固定不变的极限点，其固定位置由各轴向的机械挡块来确定。一般数控机床开机后，通常要进行机动或手动回参考点以建立机床坐标系。2.2数控机床坐标系机床参考点可以与机床零点重合也可以不重合，通过参数指定机床参考点到机床零点的距离。机床回到了参考点位置也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点，机床坐标系就建立起来了。机床参考点在数控机床出厂时，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。2.2数控机床坐标系2.2.3.3工件坐标系与原点工件坐标系是编程人员在编程时使用的，编程人员选择工件上的某一已知点为原点（也称工件原点、程序原点），建立一个新的坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。工件坐标系的原点是人为设定的，设定的依据是要尽量满足编程简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等条件。一般情况下，程序原点应选在尺寸标注的基准或定位基准上。对称零件或以同心圆为主的零件，编程原点应选在对称中心线或圆心上；Z轴的程序原点通常选在工件的表面。2.2数控机床坐标系2.2.4数控车床坐标系2.2.4.1数控车床坐标系数控车床坐标系如图2-3所示，Z轴与车床导轨平行（取卡盘中心线），正方向是远离车床卡盘的方向，X轴与Z轴垂直，平行于横向滑座，正方向是刀具远离主轴轴线的方向，坐标原点0定在卡盘后端面与中心线交点处。2.2数控机床坐标系a）2.2数控机床坐标系数控车床坐标系的表示形式如图2-4所示，机床原点为主轴轴线与卡盘后端面的交点，如图2－4中的o点。机床参考点为刀具退离到一个固定不变的极限点，如图2－4中的o′点，其位置由机械挡铁或行程开关确定。2.2数控机床坐标系2.2.4.2工件坐标系和工件原点工件坐标系原点可选在工件轴线与工件的前