31第六章 数控车床的编程与操作

第六章数控车床的编程与操作数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，大约占数控机床总数的25%。本章以FANUC0—TD的MJ—50CNC数控车床为例介绍数控车床的编程与操作。6.1数控车床加工的基本知识6.1.1数控车床的分类1、按主轴的布置形式分类：（1）卧式数控车床：机床主轴轴线处于水平位置数控车床。（2）立式数控车床：机床主轴轴线处于垂直位置数控车床。2、按数控系统控制的轴数分类：（1）两轴控制的数控车床：机床上只有一个回转刀架，可实现X、Z两坐标轴联动控制。（2）四轴控制数控车床：机床上只有两个回转刀架，可实现X、Z和U、W四坐标轴联动控制。（3）多轴控制数控车床：机床除了控制X、Z两坐标轴外，还可以控制其他坐标轴，实现多轴控制，如具有C轴控制功能。对于车削加工中心或柔性制造单元，都具有多轴控制功能。6.1.2数控车床的加工特点1、适应性强，用于单件、小批生产的零件的加工在普通车床上加工不同的零件，一般需要调整车床和附件，以使车床适应加工零件的要求。而数控车床加工不同形状的零件时只要重新编制或修改加工程序就可以迅速达到加工要求，大大缩短了生产准备时间。2、加工精度高，加工出的零件互换性好数控加工的尺寸精度通常在0.005~0.1mm之间，不受零件复杂程度的影响。加工中消除了操作者的人为误差，提高了同批零件尺寸的一致性，使产品质量保持稳定，降低了废品率。3、具有较高的生产率和较低的加工成本机床的生产率主要是指加工一个零件所需要的时间。其中包括机动时间和辅助时间。数控车床的主轴转速和进给速度变化范围大，并可无级调速，加工时可选用最佳切削速度和进给速度，可实现恒转速和恒线速，以使切削参数最优，这就大大的提高生产率，降低了加工成本。6.1.3数控车床的主要用途数控车床主要用于加工精度要求高、表面粗糙度值要求小，零件形状复杂，单件、小批生产的轴套类、盘类等回转表面的加工；还可以钻孔、扩孔、镗孔以及切槽加工；还可以在内、外圆柱面上，内、外圆锥面上加工各种螺距的螺纹。6.1.4数控系统简介数控系统是数控机床的核心。不同数控机床可能配置不同的数控系统。不同的数控系统，其指令代码也有差别。因此，编成时应根据所使用的数控系统指令代码及格式进行编程。目前FANUC（日本）、SIEMENS（德国）、FAGOR（西班牙）、HEIDENHAIN（德国）等公司的数控系统及产品，在数控机床行业占据主导地位，我国数控产品以华中数控、航天数控为代表，也已成为高性能数控系统产业化。本章以FANUC数控系统为主来介绍数控车削编程。6.2数控车削编程的基本知识6.2.1数控车床的坐标系、工件坐标系、机床参考点1、数控车床的坐标系数控车床的坐标系如图6.1所示，其中：(a)为刀架前置的数控车床的坐标系，(b)为刀架后置的数控车床的坐标系，(a)为刀架前置的数控车床的坐标系(b)为刀架后置的数控车床的坐标系图6.1数控车床的坐标系数控车床的坐标系：主轴方向为Z轴方向，且刀具远离工件为正（远离卡盘的方向）；垂直主轴方向的方向为X轴的方向，且刀具远离工件为正（刀架前置X轴的方向朝前，刀架后置X轴的方向朝后）；数控机床坐标系原点也称机械原点，是一个固定点，其位置由制造厂家来确定。数控车床坐标系原点一般位于卡盘端面与主轴轴线的交点上（个别数控车床坐标系原点位于正的极限点上）。2、工件坐标系：是编程人员根据零件图形状特点和尺寸标注的情况，为了方便计算出编程的坐标值而建立的坐标系。工件坐标系的坐标轴方向必须与机床坐标系的坐标轴方向彼此平行，方向一致。数控车削零件的坐标系原点一般位于零件右端面或左端面与轴线的交点上。如图6.2所示。XX机械原点工件坐标原点ZX机械原点工件坐标原点ZZZX(a)图刀架前置的工件的坐标系(b)图刀架后置的工件的坐标系图6.2工件坐标系3、机床参考点：是由机床限位行程开关和基准脉冲来确定的，它与机床坐标系原点有着准确的位置关系。数控车床的参考点一般位于行程的正的极限点上。如图6.3所示。通常机床通过返回参考点的操作来找到机械原点。所以，开机后，加工前首先要进行返回参考点的操作。zX机械原点参考点z参考点?xZX机械原点?xZ(a)图刀架前置的机床参考点(b)图刀架后置的机床参考点图6.3机床参考点6.2.2数控车床的编程特点1、既可以采用直径编程也可以采用半径编程，其结果由车床数控系统的内部参数或G指令来决定。所谓直径编程，就是X坐标采用直径值编程；半径编程，就是X坐标采用半径值编程。一般情况都直径值编程，这是因为回转体零件图纸的径向尺寸标注和加工时的测量都是直径值，也便于编程计算。2、FANUC数控系统的数控车床，是用地址符来指令坐标输入形式的，既可以采用绝对坐标编程也可以采用增量坐标编程，还可以采用混合编程。X、Z表示绝对坐标，U、W表示增量坐标，X（U）、W（Z）表示混合坐标。有些数控系统（如华中数控系统）的数控车床是用G代码来指令坐标输入形式的（G90：绝对坐标，G91：增量坐标），在同一程序段内不能采用混合坐标编程。3、具有固定循环加工功能：由于车削的毛坯多为棒料、锻件或铸件，加工余量较大，需要多次走刀加工，而固定循环加工功能可以自动完成多次走刀，因而使程序得到了大大的简化。但不同的数控系统固定循环加工功能的指令及格式可能不同。FANUC数控系统的数控车床固定循环加工功能的指令为G90、G94、G92、G70、G71、G72、G73等。4、圆弧顺逆的判断：圆弧的顺逆应从垂直圆弧所在平面的坐标轴正向观察判断，顺时针走向的圆弧为顺圆弧，逆时针走向的圆弧为逆圆弧，所以，数控车床，刀架在前和刀架在后的圆弧插补指令如图6.4所示。G02XG03ZXG03G02Z(a)图刀架前置(b)图刀架后置图6.4圆弧顺逆的判断6.2.3数控车削的常用编程指令FANUC数控车床系统为例1、通用编程指令在第一章第二节中讲的G00、G01、G02、G03等通用G、M功能指令，在数控车削编程中仍适用，含义和格式完全相同，在这里就不再重复阐述。除此之外，还有下列常用编程指令。2、工件坐标系的设定指令G50（1）含义：G50—建立工件坐标系，确定对刀点。通常用在第一个程序段（2）编程格式：G50XZ其中：X、Z为对刀点的坐标值。如图6.5所示。机械原点X对刀点工件坐标原点ZXZXZ图6.5工件坐标系的设定3、机床自动返回参考点指令G28、G29（1）含义：G28—机床自动返回参考点。即刀架从当前点快速到达中间点，然后从中间点快速到达参考点。G29—从参考点返回到目标点。即刀架从参考点快速到达中间点，然后从中间点快速到达目标点。（2）编程格式：G28X（U）Z（W）G29X（U）Z（W）其中：G28中的X（U）、Z（W）为中间点的坐标，G29中的X（U）、Z（W）为目标点的坐标。如图6.6所示。图5-6X机床参考点G29中间点G28目标点Z图6.64、暂停功能指令G04（1）含义：G04指令使前段指令的进给速度减小到零后，使刀具进给运动暂停一指定时间；暂停时间结束后立即执行G04后面的程序段。该指令常用于车槽工序，当车槽到位后，不要马上退出，让主轴再转一两转后再退刀，使槽底平整。（2）编程格式：G04X（P）；其中：X或P为暂停时间，X为秒，取值范围为0~9999.999，P为毫秒，取值范围为0~9999，不能有小数点。如：G04X2.0表示暂停2秒。5、F功能F功能表示进给速度：（1）在G95状态下，F表示每转进给（mm/r）例G95F0.2表示进给量0.2mm/r（2）在G94状态下，F表示每分进给（mm/min）例G94F100表示进给量100mm/min6、S功能S功能表示主轴转速（1）G50：限制主轴最高转速指令编程格式：G50S例：G50S3000表示主轴最高转速为3000r/min（2）G96：恒线速控制指令编程格式：G96S例：G96S100表示切削线速度为100m/min在加工阶梯轴时，使用恒线速控制指令，可以保证各阶梯表面上的切削线速度一样，从而保证各阶梯表面上的表面粗糙度的一致性。主轴的转速的变化（工阶梯轴的直径增大，主轴的转速变慢），是由数控系统自动控制的。（3）G97：取消恒线速控制指令（恒转速控制指令）编程格式：G97S例：G96S1800表示主轴转速为1800r/min主轴转速与线速度的关系式为：n=1000v/(πd)式中：n：主轴转速（r/min）V：切削线速度（m/min）d：工件上切削点的直径（mm）例1：在卧式数控车床加工图6.7所示的轴类零件，试利用常用编程指令编写其精加工程序。1504070?40SR20?50?70?70?75图5-79785634XP2125301015OAZ图6.7若对刀点坐标P（100，100），A点坐标A（0，3）。走刀路线为：P→A→O→1→2→3→4→5→6→7→8→9→P其程序单位：O1234；（采用直径编程）N10G50X100.0Z100.0；N20M03S1000；N30G00X0Z3.0M08；N40G01Z0F200；N50G03X40.0Z-20.0R20.0；N60G01Z-40.0；N70X50.0；N80Z-70.0；N90X70.0W-25.0；N100W-15.0；N110G02X70.0W-30.0R70.0；N120G01X70.0Z-150.0；N130X75.0M09；N140G00X100.0；N150Z100.0；N160M05；N170M30；6.3数控车削的刀具补偿指令数控车削的刀具补偿指令包括刀具位置补偿和刀尖圆弧半径补偿，在程序中分别用T指令和G41、G42、G40指令来设定。6.3.1刀具位置补偿指令数控车削采用多把刀具加工时，各把刀具在X和Z方向上的尺寸可能不同，选择其中一把刀具为基准刀，其它刀具与基准刀具在X和Z方向上的尺寸差值ΔX和ΔY，称为刀具位置偏差，如图6.8所示。在加工时采用刀具位置补偿来弥补刀具位置偏差。刀具位置补偿指令由刀具功能字T来指令。T后跟四位数，其中前两位为刀具号，后两位为刀具位置补偿号，用于选择刀具和设定刀具位置补偿。一般规定后两位刀具位置补偿号为0，表示撤消刀具位置补偿。所以，编程格式为：Txxxx建立刀具位置补偿Txx00撤消刀具位置补偿图5-80204xXT010103zT02Z图6.8另外，刀具在加工过程中也会有不同程度的磨损，为了减少加工误差，也应进行位置补偿。刀具在加工过程中除了X、Z方向有不同程度的磨损外，刀尖也会磨损，可能出现小圆弧，必要时应考虑刀尖圆弧半径补偿。6.3.2刀尖圆弧半径补偿1、刀尖圆弧半径补偿的目的数控车床的编程和对刀操作通常是以理想刀尖为基准的，为了提高刀具寿命和降低表面粗糙度，实际加工中的车刀刀尖不是理想的尖锐，总是有个小圆弧；刀尖的磨损还会改变小圆弧半径。刀尖圆弧半径补偿的目的就是解决刀尖圆弧可能引起的加工误差。图6.9所示，是一带圆弧的刀尖及方位。编程和对刀使用的是理想刀尖点P，由于刀尖圆弧的存在，实际切削点是刀尖圆弧和加工表面的相切点。车端面时，刀尖圆弧的实际切削点与理想刀尖点P的Z坐标值相同；车内、外圆柱面时，实际切削点与理想刀尖点P的X坐标值相同。因此，车端面和内、外圆柱面时不需要对刀尖圆弧半径进行补偿。图5-9X端面切削点外径切削点理想刀尖点POZ图6.9当加工轨迹与坐标轴不平行时（斜线或圆弧）时，则实际切削点与理想刀尖点之间在X、Z轴方向都存在位置偏差，如图6.10所示。以理想刀尖点P编程进给轨迹为实线P1~P8，刀尖圆弧的实际切削轨迹为图中虚线所示，有少切和过切现象，造成加工误差。刀尖圆弧半径越大，加工误差就越大。RX图5-10P8P6P7P5过切少切P4P3O少切P2P1Z图6.102、刀尖圆弧半径补偿的基本原理当编制零件加工程序时，不需要计算刀尖圆心的运动轨迹，使用刀尖圆弧半径补偿指令（刀具半径补偿指令），只按零件轮廓编程，并在操作面板上手工输入刀尖圆弧半径值和刀具方位号，数控系统便能自动计算出刀尖圆弧圆心的轨迹，并按刀尖圆弧圆