数控机床与编程 第3章 数控编程基础

第三章数控编程基础教学提示数控编程是数控机床使用中很重要的一环,它对控制产品质量有着重要的作用。数控编程技术涉及制造工艺、计算机技术、数学、人工智能等多学科领域。手工编程广泛用于点位加工和形状简单的轮廓加工，自动编程可加工形状复杂或由空间曲面组成的零件。教学要求了解数控程序编制的基本概念和方法分类，熟悉数控加工程序的内容，掌握程序字与代码。了解数控机床的坐标系，熟悉工件坐标系及编程坐标系，掌握绝对坐标和相对坐标。了解程序字的含义，熟悉程序结构和格式，掌握常用准备功能字和辅助功能字含义。3.1概述数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动的对被加工工件进行加工。数控系统的种类繁多，它们使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同，本教程以ISO国际标准为主来介绍加工程序的编制方法。3.1.1数控加工程序编制的概念数控机床按照事先编制好的加工程序，自动对被加工零件进行加工。把零件的加工工艺路线、工艺参数，刀具的运动轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、进给量、切削深度等）以及辅助功能（换刀，主轴正反转，切削液开、关等）按照数控机床规定的指令代码及程序格式编写成加工程序单，输入到数控机床的数控装置中，从而控制机床加工零件，我们把从零件图分析到获得数控机床所需的控制介质的全过程称为数控加工程序的编制。（如下所示的程序样本）。O2000N01G91G17G00X85Y-25N02Z-15S400M03M08N03G01X85F300N04G03Y50I25N05G01X-75N06Y-60N07G00Z15M05M09N08X75Y35N09M303.1.2数控加工程序的内容加工程序可分为主程序和子程序，无论是主程序还是子程序，每一个程序都是由程序名、程序内容和程序结束三部分组成。程序的内容则由若干程序段组成，程序段是由若干程序字组成，每个程序字又由地址符和带符号或不带符号的数值组成，程序字是程序指令中的最小有效单位。3.1.3数控程序编制的步骤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。其编程步骤为：分析零件图样和制定工艺方案，数值计算，编写零件加工程序，制作控制介质，程序检验与首件试切。如图3.1所示。（1）分析零件图样和制定工艺方案通过对零件材料、形状、尺寸、技术要求等进行分析，选择合适的数控机床，确定加工顺序、加工路线、装夹方式、刀具、切削用量等。（2）数值计算根据已确定的加工路线和加工误差，计算出数控机床所需输入数据。数值计算的复杂程度取决于零件的复杂程度和数控系统的功能。对于由直线和圆弧组成的简单轮廓，只需计算出几何元素的交点或切点、起点、终点和圆弧的圆心坐标等，这可由人工来完成。对于形状较复杂的零件，如非圆曲线等，就需要用直线段或圆弧段来逼近求节点(逼近线段与非圆曲线的交点)坐标，这需要借助计算机和专门软件来进行计算。（3）编写零件加工程序根据工艺过程、数值计算结果以及辅助操作要求，按照数控系统规定的程序指令及格式编写出加工程序。（4）制作控制介质制作控制介质就是将编写好的程序记录在控制介质上，并通过机床的输入装置，将控制介质上的数控加工程序输入到数控机床。（5）程序检验与首件试切为了保证零件加工的正确性，数控程序必须经过校验和试切才能用于正式加工。通常可以采用机床空运行和模拟加工的方法来检查加工程序，但这些方法不能检验被加工零件的精度。要检验被加工零件的加工精度，通常通过首件试切，若发现加工精度达不到要求，应分析其误差产生原因，采取措施加以纠正。3.1.4数控程序编制的方法数控加工程序的编制方法主要有两种：手工编制程序和自动编制程序。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。分析零件图样制定工艺路线、选用工艺参数、进行数值计算、编写加工程序单等都由人工来完成。手工编程要求编程人员不仅熟悉所用数控机床数控指令及编程规则，而且还要具备一定的数控加工工艺知识和数值计算能力。一般而言，对于形状简单的零件，计算量小、程序短，用手工编程快捷、简便、经济。因而手工编程广泛用于点位加工或由直线与圆弧组成的平面轮廓。2.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，用计算机及相应编程软件(如CAD/CAM软件)编制数控加工程序的过程。自动编程主要有语言编程、图形交互式编程和语音编程等方法，图形交互式编程基于CAD／CAM软件。常见CAD／CAM软件有MasterCAM、Pro／E、UG、CAXA、Cimatron、SolidWorks等。自动编程时，编程人员只需根据零件图样及工艺要求，对加工过程与要求进行较简便的描述，而由编程系统自动计算出加工运动轨迹、并输出零件数控加工程序。例如使用CAD／CAM软件自动编程时，先利用CAD功能模块进行造型，然后再利用CAM模块产生刀具路径，进而再利用后置处理程序产生数控加工程序，最后通过DNC传输软件将数控加工程序传给数控机床，实现边传边加工。自动编程与手工编程相比，具有编程时间短、编程人员劳动强度低、出错几率小、编程效率高等优点。因此，它适用于加工形状复杂或由空间曲面组成的零件的编程3.2数控机床坐标系在数控编程时，为了描述机床的运动，简化程序编制，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化。3.2.1标准坐标系1.标准坐标系的确定原则我国原机械工业部颁布了JB/T3051－1999标准，其中规定的确定原则如下：1）机床相对运动的规定机床的结构不同，有的机床是刀具运动，零件静止不动；有的刀具不动，零件运动。无论机床采用什么形式，都假设工件静止，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。标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定，如图3.2。A、B、C三个旋转坐标如图3.3所示，用右手螺旋法则确定。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，如图3.4所示为数控车床上两个运动坐标轴。图3.5数控铣床有三个运动坐标轴。２.坐标轴方向的确定先确定Z轴，再确定X轴，然后确定Y轴，最后确定回转轴A、B、C。1）先确定Z坐标轴Z坐标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坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。2）再确定X坐标轴X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。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坐标的正方向。如图3.6（a）所示。（2）如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。如图3.6（b）所示；Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方，如图3.6（c）所示。（3）最后确定Y坐标轴在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。如图3.4所示为数控铣床的Y坐标。（4）回转轴A、B、C根据已确定的X、Y、Z轴，用右手螺旋法则确定回转轴A、B、C三轴坐标。3.2.2数控机床的两种坐标系数控机床的坐标系包括机床坐标系和工件坐标系。1.机床坐标系、机床原点、机床参考点1）机床坐标系通常数控车床中，根据刀架相对工件的位置，其机床坐标系可分为前置刀架和后置刀架两种形式，图3.7（a）所示为普通数控车床的机床坐标系(前置刀架式)，图3.7（b）所示为带卧式刀塔的数控车床的机床坐标系(后置刀架式)。前后置刀架式数控车床的机床坐标系，X方向正好相反，而Z方向是相同的。2）机床原点机床坐标系的原点称为机床原点或机械原点，如图3.8、图3.9所示的O点，机床原点就是机床坐标系的原点。它是机床上的一个固定的点，由制造厂家确定。机床坐标系是通过回参考点操作来确立的。3）机床参考点机床参考点是机床坐标系中的一个固定不变的位置点，是用于对机床运动进行检测和控制的点，大多数机床将刀具沿其坐标轴正向运动的极限点作为参考点，其位置用机械行程挡块来确定。参考点位置在机床出厂时已调整好，一般不作变动，必要时可通过设定参数或改变机床上各挡块的位置来调整。数控铣床的机床坐标系原点一般都设在机床参考点上，如图3.8所示。数控铣床的机床原点参考点是用于对机床工作台(或滑板)与刀具相对运动的测量系统进行定位与控制的点，一般都是设定在各轴正向行程极限点的位置上。该位置是在每个轴上用挡块和限位开关精确地预先调整好的，它相对于机床原点的坐标是一个已知数，一个固定值。而数控车床的机床坐标原点则一般位于卡盘端面与主轴中心线的交点处，如图3.9（a）所示。或离卡盘有一定距离处，如图3.9（b）所示，或机床参考点处，如图3.9（c）所示。4）机床回参考点与机床坐标系的建立数控系统通电时并不知道机床原点的位置，也就无法在机床工作时准确地建立坐标系。由于机床参考点对机床原点的坐标是一个已知定值，因此可以根据机床坐标系中的坐标值来间接确定机床原点的位置。当执行返回参考点的操作后，刀具（或工作台）退离到机床参考点，使装在X、Y、Z轴向滑板上的各个行程挡块分别压下对应的开关，向数控系统发出信号，系统记下此点位置，并在显示器上显示出位于此点的刀具中心在机床坐标系中的各坐标值，这表示在数控系统内部已自动建立起了机床坐标系，这样，通过确认参考点就确定了机床原点。因此，在数控机床起动时，通常要进行机动或手动回参考点操作。对于将机床原点设在参考点上的数控机床，参考点在机床坐标系中的各坐标值均为零，见图3.9（c），因此参考点又称为机床零点，由此通常把回参考的操作称为“机械回零。回参考点除了用于建立机床坐标系外，还可用于消除漂移、变形等引起的误差，机床使用一段时间后，工作台会造成一些漂移，使加工有误差，进行回参考点操作，就可以使机床的工作台回到准确位置，消除误差。所以在机床加工前，也需进行回机床参考点的操作。应注意的是，当机床开机回参考点之后，无论刀具运动到哪一点，数控系统对其位置都是已知的。2.工件坐标系、程序原点1）工件坐标系工件坐标系是编程人员为方便编程，在工件、工装夹具上或其他地方选原点所建立的编程坐标系。图3.10（a）所示为数控铣床的工件坐标系，图3.10（b）为数控车床的工件坐标系。编程员在工件坐标系内编程，编程时不必考虑工件在机床中的装夹位置，但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一致，并且与之有确定的尺寸关系。为保证编程与机床加工的一致性，工件坐标系也应采用右手笛卡尔直角坐标系。2）程序原点工件坐标系的原点称为程序原点，也称编程原点或工件原点。当采用绝对坐标编程时，工件上所有的点的编程坐标值都是基于工件原点计量的（CNC系统在处理零件程序时，自动将相对于工件原点的任一点的坐标统一转换为相对于机床零点的坐标）。程序原点在工件上的位置虽可由编程员任意选择，但一般应遵循下列原则：（1）应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。（2）应尽量选在尺寸精度高、表面粗糙度小的工件表面上，以提高被加工零件的加工精度。（3）要便于测量和检验。（4）最好选在工件的对称中心上。例如，车削加工的编程原点一般选在主轴中心线与工件右端面(或左端面)的交点处，如图3.11所示。铣削加工时，X、Y向的工件原点一般选在进刀方向一侧工件外轮廓表面的某个角上或对称中心上；Z向的工件原点，一般设在工件顶面。3.2.3绝对值的确定1.几何点位置的表示方法数控加工程序中表示几何点的坐标位置有绝对值和增量值两种方式。1）绝对坐标值绝对坐标值是以公共点(原点，即是工件原点)为依据来表示坐标位置。2）增量坐标值增量(相对)坐标值是以相对于前一点位置坐标尺寸的增量来表示坐标位置，即是在坐标系中，运动轨迹的终点坐标是以起点计量的，各坐标点的坐标值是相对于前一点所在位置之间的距离。2.坐标位置的表示方法数控