第2章数控加工的编程基础

第2章数控加工编程基础•2.1、数控编程的基本概念•在数控机床上加工零件时，程序员根据加工零件的图样和加工工艺，将零件加工的工艺过程及加工过程中需要的辅助动作，如换刀、冷却、夹紧、主轴正反转等，按照加工顺序和数控机床中规定的指令代码及程序格式编成加工程序单。再将程序单中的全部内容输入到机床数控装置中，自动控制数控机床完成工件的全部加工。根据零件图样和加工工艺编制成加工指令并输入到数控装置的过程称为数控程序编制。•1.程序编制的一般内容和过程•如图2-1所示。•（1）.分析零件图样和工艺处理•根据零件图样，对零件的形状、尺寸、精度、表面质量、材料、毛坯种类、热处理和工艺方案等进行详细分析，制定加工工艺。•（2）.数值计算•在编制程序前要进行运动轨迹的基点、圆弧线段的圆心等坐标值计算，这些坐标值是编制程序时需要输入的数据。所谓基点就是运动轨迹相邻几何要素间的交点。•（3）.编写加工程序单•根据计算出的运动轨迹坐标值和已确定的加工顺序、加工路线、切削参数以及辅助动作等，按照数控机床规定使用的功能代码及程序格式，逐段编写加工程序单。•（4）.制备控制介质并输入加工程序•简单程序可以直接使用键盘输入数控装置。比较复杂的程序一般通过通信方式输入数控装置。（5）.程序校验和首件试切校验的一般方法是：1）在不装夹工件情况下起动数控机床，进行空运行，观察运动轨迹是否正确。2）在具有CRT屏幕图形显示功能的数控机床上，进行工件图形的模拟加工，检查工件图形的正确性。然后进行首件试切，进一步考察程序单或控制介质的正确性，并检查是否满足加工精度要求。2.数控编程的方法手工编程和自动编程1)手工编程：数控加工程序编制的各个阶段均由人工完成的编程方法。手工编程多用于数控车和加工中心加工比较简单的产品，广泛用于点位直线和形状简单的轮廓加工。手工编程的优点：是方便快捷，并且可以省略很多走空刀的地方。最大地优化加工路径。缺点：无法编制复杂工件比如非常规曲面的程序，同时手工编程对编程人员有较高的要求，又要水平高，又要细心。2）自动编程：数控加工程序编制的大部分或全部工作均由计算机完成的编程方法。自动编程多用于加工复杂工件。优点：由软件生成，可信度高，数据准确，可以用软件模拟出来的任意可加工曲面。缺点：前期准备时间长，需要用软件建立模型，再设置刀具和毛坯等等，不适于简单工件的加工。程序冗长，一个复杂曲面的加工程序可能达到几十兆大小，需要在线加工，机床内存无法存储这么大的程序。加工路径不灵活，可能会有很多空行程。自动编程的方法主要有两种：1）用编程语言编程。APT（AutomaticallyProgrammedTools).根据拟定的工艺方案进行编程。特点：程序简练、走刀控制灵活。缺点：编程工作量大，缺乏直观性。2）用CAD/CAM软件自动编程软件编程基本原理及大体步骤：(1)几何造型加工工艺分析刀具轨迹生成刀位验证及刀具轨迹的编辑后置处理数控程序的输出2.2插补的基本知识1.插补的基本概念1）脉冲当量：刀具或机床的运动部件的最小移动量称为一个脉冲当量。2）插补：数据密化的过程。根据数学函数，在已知点之间进行数据点的密化。3）插补器：完成插补运算的装置。（1）硬件插补器：采用硬件的数据逻辑电路完成插补工作。用在硬件数控系统中。（2）软件插补器：由软件完成插补工作的装置。用在计算机数控系统中。2.常用的插补方法1)根据输出信号方式的不同，软件插补方法分为：脉冲插补法和数字增量插补法。脉冲插补法：模拟硬件插补的原理，把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，驱动工作台运动。数字增量插补法：其位置伺服通过计算机和检测装置构成闭环，插补结果输出数据。2)根据插补曲线的形式分类：直线插补、圆弧插补、抛物线插补及高次曲线插补等。2.3程序编制中的数学处理轮廓的基点和节点的坐标、刀具中心运动轨迹的坐标及列表曲线和空间曲面的数学处理。1、基点计算：二直线的交点、直线与圆弧的交点或切点等。基点：各几何要素之间的连接点。2.节点的计算节点：逼近线段与被加工曲线的交点。3.刀具中心轨迹的坐标计算（刀位点轨迹的计算），列表曲线的数学处理，空间曲面加工的数学处理。4.数控编程允许的误差（1）逼近误差（2）插补误差（3）圆整化误差2.4数控加工程序1.加工程序中的指令字1）字符与代码•字符（Character）是一个关于信息交换的术语，它的定义是：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。字符是机器能进行存储或传送的记号。字符也是我们所要研究的加工程序的最小组成单位。常规加工程序用的字符分四类。一类是字母，它由大写26个英文字母组成；第二类是数字和小数点，它由0～9共10个阿拉伯数字及一个小数点组成；第三类是符号，由正（+）号和负（-）号组成；第四类是功能字符，它由程序开始（结束）符（如“%”）、程序段结束符（如“；”）、跳过任选程序段符（如“/”）等组成。•代码由字符组成，数控机床功能代码的标准有EIA（美国电子工业协会）制定的EIARS—244和ISO（国际标准化协会）制定的ISORS—840两种标准。国际上大都采用ISO代码，现在我国规定新产品一律采用ISO代码。2）加工程序的指令结构地址字符与地址字：位于字头的字符或字符组，用于识别其后的数据。如X55，F100、G01等。3）指令字的组成与功能（1）顺序号字N10、N20等，后面一10为间隔设置。（2）准备功能字•准备功能G指令是用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（即插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。•G指令由地址符G及其后面的二位数字组成，共有100种G指令（G00~G99），G代码有模态与非模态两种。种类意义模态G代码在同组其它G代码出现前一直有效非模态G代码只在被指令的程序段有效（3）坐标尺寸字X、Y、Z和U、V、W及P、Q、R表示直线坐标；A、B、C表示角度坐标，I、J、K圆弧的圆心坐标，R表示圆弧半径。脉冲数编程：X50。小数点编程：X50.0或X50.坐标字的指令值最大不超过8位。（4）进给功能字由F和若干个数字组成。表示切削进给速度，如F200.单位：mm/r或mm/min.(5)主轴转速功能字由S和若干个数字组成。表示主轴的转速，如S800，表示转速为800r/min,.（6）刀具功能字由T和若干个数字组成，表示指定加工刀具或刀具补偿号。数控车床;常用2位或4位，前面2位表示刀具号，后面2位表示刀具补偿号，T0102，若为0，则为取消刀补。数控铣床;2位数字，大部分只表示刀具号，刀补一般由D或H指定。加工中心：Txx表示加工时选用的刀具号。•（7）.辅助功能M指令•辅助功能M指令是控制数控机床“开、关”功能的指令，主要用于完成加工操作时的辅助动作。M指令由地址符M及其后面的二位数字组成，共有100种M指令（M00~M99），如表2-3所示。•[1]程序暂停指令：M00•功能：M00使程序停在本段状态，不执行下段。•当按下循环启动键后，可继续执行下一程序段。•应用：该指令可应用于自动加工过程中，停车进行某些固定的手动操作，如手动变速、换刀等。•[2]程序计划暂停指令：M01•功能：与M00相似。预先按下“任选停止”开关，当执行到M01时，程序即停止。若不按下“任选停止”开关，则M01不起作用，程序继续执行。•应用：该指令常用于关键尺寸的抽样或临时停车。代码模态功能代码模态功能M00程序暂停M24取消M23指令M01程序计划暂停M30纸带结束M02程序结束M40主轴空档M03主轴正转M41主轴低速M04主轴反转M42主轴高速M05主轴停止M68夹头紧M08切削液开M69夹头松M09切削液关M70接手伸出M19主轴准停M71接手退回、自动送料M20机器人工作起动M98调用子程序M23车螺纹450M99子程序结束并返回主程序•[3]程序结束指令：M02•功能：该指令表示加工程序全部结束。它使主轴、进给、切削液都停止，机床复位。它比M00功能多了一项“复位”功能。•应用：该指令必须编在最后一个程序段中。•[4]主轴正转、反转、停指令：M03、M04、M05•功能：M03（正转）、M04（反转）、M05（停转）。•[5]换刀指令：M06•功能：自动换刀。•应用：用于具有自动换刀装置的机床，加工中心、数控车床等。•[6]冷却液喷雾开M07;冷却液开关M08开启、M09停止。•[7]子程序调用M98.•[8]子程序结束M99.•[9]程序结束：M30,程序段结束字“LF”或“NL”.•功能：与M02相似，但M30可使程序返回到加工程序的起始位置。在开始新零件加工时，只需按下循环启动按钮即可，不需“复位”程序•2、数控程序结构与程序段格式•1).程序的结构•一个完整的数控加工程序由程序号、程序段和程序结束符三部分组成。•2.)程序段格式•N＿G＿X＿Y＿Z＿…F＿S＿T＿M＿LF；•N＿为程序地址字；•G＿为准备功能字；•X＿Y＿Z＿(及U＿V＿W＿)I＿J＿K＿等为坐标轴地址,后面的数字表示刀具在相应坐标轴上的移动距离或坐标值；•F＿为进给功能字；•S＿为主轴转速功能字；•T＿为刀具功能字；•M＿为辅助功能;•LF为程序段结束符。•3.主程序和子程序•在一个零件的加工程序中，若有一定数量的连续的程序段在几处完全重复出现，可将这些重复的程序段按一定的格式做成子程序，并存入到子程序存储器中。如图2-2图2-2主程序与子程序关系图•子程序：包含固定的加工路线或多次重复的图形，或在同一部位重复加工，简化编程，任何主程序都可调用，也可多层嵌套。子程序结构和与主程序相同，唯一的区别结束符号不同，子程序用M99，而主程序用M30或M02.•子程序调用格式：M98PxxxyyyyP后面七位数字，前3位表示被重复调用的次数（前置零可以省略）后4位表示调用子程序号。如P51212.•当只被调用1次时，可以省略不写。如M98P12122.5数控机床的坐标系统1.数控机床的坐标系和运动方向的命名原则1）.刀具相对于静止工件而运动的原则假定刀具(动)相对于静止的工件(静)运动。2）.标准（机床）坐标系的规定（1）机床坐标系的规定标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔坐标系，如图2－3所示，规定了X、Y、Z三个直角坐标轴的方，这个坐标系的各个坐标轴与机床的主要导轨平行。根据右手螺旋法则，我们可以很方便地确定出A、B、C三个旋转坐标的方向。如图2-3图2-3右手笛卡儿坐标系•3）.运动方向的确定•（1）Z坐标的确定•Z坐标的运动由传递切削力的主轴所决定，与主轴轴线平行的标准坐标轴即为Z坐标。•正方向是刀具远离工件的方向。•（2）X坐标的确定•X坐标运动一般是水平的，它平行于工件的装夹平面，是刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。A)对于工件旋转的机床，X轴的运动方向是径向的，且平行于横向滑座，以刀具离开旋转中心的方向为正方向。•B)对于刀具旋转的机床，卧式，主轴是水平的，当从主轴向工件看时，X轴的正方向指向右方；若主轴是垂直的，当从主轴向立柱看时，X轴的正方向是向右的；一句话：当面对机床看时，立式铣床和卧式铣床X轴正方向是相反的。•（3）Y坐标的确定•Y⊥X⊥ZY轴的判定可以根据右手笛卡尔法则判定。•（4）旋转运动坐标系X（A）、Y（B）、Z（C）c图2-4数控车床坐标系+X+X图2-5数控铣床坐标系图2-6数控镗铣床坐标系•2、机床坐标系与工件坐标系•机床原点是机床固有的点，以该点为原点与机床的主要坐标建立的直角坐标系，称为机床坐标系。机床坐标系是制造机床时用以确定各零部件相对位置而建立起来的。•工件坐标系是指编程人员•以零件图纸上的某一点•（工件原点或编程原点）•为坐标原点建立的坐标•系，编程时用来确定编程•尺寸。如图2-7所示。图2-7机床坐标系与工件坐标系3.对刀点和换刀点的确定1）对刀和刀位点对刀：将刀具移向对刀点，并使刀具的刀位点和对刀点重合的操作。车刀、镗刀的刀位点是指刀尖或刀尖圆弧中心；立铣刀的刀位点指刀具底面的中心，球头铣刀的刀位点是球心；钻头的刀位点是钻尖。对刀方法：人工