第四章 数控加工与编程基础

第一节数控加工的工艺特点第二节数控加工的工艺分析与设计第三节数控加工的程序格式与标准数控代码第四节数控编程中的数值计算第四章数控加工与编程基础一、数控加工工艺的内容第一节数控加工的工艺特点所谓数控加工工艺，就是使用数控机床加工零件的一种工艺方法。数控技术涉及数控加工设备，还包括数控加工工艺、工装和加工过程的自动控制等。其中，拟定数控加工工艺是进行数控加工的一项基础性工作。数控加工工艺的主要内容1)通过数控加工的适应性分析，选择数控加工的零件及内容；2)结合加工表面的特点和数控设备的功能对零件进行数控加工的工艺分析；3)进行数控加工的工艺设计；4)根据编程的需要，对零件图形进行数学处理；5)编写加工程序单（自动编程时为源程序，由计算机自动生成加工程序）；6)校对与修改加工程序；7)首件试加工，并对现场问题进行处理；8)编制数控加工工艺技术文件，如数控加工工序卡，程序说明卡，走刀路线图等。二、数控加工的工艺特点工序内容具体、复杂、严密工序集中加工精度不仅取决于加工过程，还取决于程编阶段（存在逼近误差、圆整化误差、插补误差）1．优点(1)自动化程度高。(2)加工的零件一致性好，质量稳定。(3)生产效率较高。(4)便于产品研制。(5)便于实现计算机辅助设计与制造一体化。2．缺点(1)加工成本一般较高。(2)只适宜于多品种小批量或中批量生产。(3)维修困难。第二节数控加工的工艺分析与设计一、数控加工工艺合理性分析1适合数控加工的零件（1）形状复杂，精度高通用机床难以加工的零件（2）用数学模型描述的曲线曲面轮廓（3）难检测，难控制进给和尺寸的内腔壳体（4）必须一次装夹完成多种工序加工的零件（5）用通用机床加工效率低，劳动强度大的零件（6）需要多次改形的零件2数控机床的选择（1）旋转零件的加工：数控车、数控磨（2）平面与曲面轮廓零件的加工：数控铣、加工中心（3）孔系零件的加工：数控钻床、数控镗床（4）模具型腔的加工：数控铣、数控电火花3零件图工艺性分析（1）加工精度及技术要求分析（2）零件轮廓几何要素分析（3）零件图中尺寸标注分析（4）零件结构的工艺性分析4零件加工条件分析与确定毛坯5选择定位基准，拟定零件加工工艺路线二、零件的工艺性分析1．零件图样上尺寸数据的给出应符合编程方便的原则（1）零件图上尺寸标注方法应适应数控加工的特点。（2）构成零件轮廓的几何元素的条件应充分。2．零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点1）零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸，这样可以减少刀具规格和换刀次数，使编程方便，生产效益提高；2）内槽圆角的大小决定着刀具直径的大小，因而内槽圆角半径不应过小。3）零件铣削底平面时，槽底圆角半径r不应过大。4）应采用统一的基准定位。1．工序的划分(1)按粗、精加工划分工序根据零件的加工精度、刚度和变形等因素来划分工序时，可按粗、精加工分开的原则来划分工序，即先粗加工再精加工。如图7-6所示的零件，应先切除整个零件的大部分余量，再将其表面精车一遍，以保证加工精度和表面粗糙度的要求。三、确定工艺过程(2)按先面后孔的原则划分工序对于既有铣面又有镗孔的零件，可先铣面后镗孔；(3)按所用刀具划分工序为了减少换刀次数，压缩空程时间，减少不必要的定位误差，可按刀具集中工序的方法加工零件，即在一次装夹中，尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位，然后再换另一把刀加工其他部位。如图7－5所示的片状凸轮，按定位方式可分为两道工序，第一道工序可在普通机床上进行。(4)按零件装夹定位方式划分工序一般加工外形时，以内形定位；加工内形时又以外形定位。因而可根据定位方式的不同来划分工序。14主要内容2、加工路线确定加工路线是指刀具相对于被加工工件的运动轨迹，不但包含了工步的内容，而且也反映了工步的顺序。保证零件的加工精度和表面粗糙度要求；简化数值计算，减少程编工作量；缩短加工路线，减少刀具空行程时间，提高加工效率。15孔加工问题：1m以上的深孔如何加工？16带岛屿的型腔加工Hr刀Rltr刀S“行切法”加工(c)(b)(a)17型腔的粗铣加工18主要内容凹槽加工曲面的三坐标和五坐标加工19复杂型腔环切加工由外至内环切加工由内至外环切加工20切向切入径向切入切入切出的选择214321(b)(a)回转体的加工22固定斜角斜面加工23空间曲线曲面加工1．零件的安装•在数控机床上加工零件时，定位安装的基本原则与普通机床相同，要合理选择定位基准和夹紧方案，为了提高数控机床的效率，在确定定位基准与夹紧方案时应注意下列几点：•（1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一。•（2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。•（3）避免采用占用机时的人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。四．确定零件的安装方法和对刀点、换刀点2.对刀点与换刀点的确定刀位点：刀具中心或尖点对刀点：加工零件时刀具运动的起点。对刀：使刀位点和对刀点重合的过程。用对刀来确定刀具和工件的相对位置，建立机床坐标系和工件坐标系的联系。换刀点：更换刀具的位置。各种刀具刀位点对刀点确定准则：1）对刀点应为零件的设计基准或工艺基准2）对刀点应便于观察检测，对刀方便3）对刀点应在坐标系原点上或已知坐标值的点上4）对刀点可用试切法确定5）不重复使用原则刀具与工件原点Y轴方向之距离刀具与工件原点X轴方向之距离刀具与工件原点Z轴方向之距离对刀点与工件坐标系原点重合车削加工零件铣削加工零件××对刀点在加工过程中便于检查对刀点在工件的几何对称中心30主要内容1、刀具的选择应满足：安装调整方便刚性好精度高耐用度高数控车床刀具系统五．选择刀具和切削用量31主要内容数控铣床刀具系统32主要内容切削用量的选择切削深度进给量\进给速度主轴转速2．切削用量选择切削深度也称为吃刀量,主要根据工件的加工余量和由工件、刀具、夹具、机床组成的工艺系统刚度所决定，在刚度允许的情况下，最好在留出精加工余量的基础上，一次切净余量，这样可减少走刀次数，提高加工效率，同时又能提高加工精度和改善表面质量。在数控机床上，精加工余量可小于普通机床，一般可取（0.2～0.5）mm33主要内容进给速度（1）若工件质量能得到保证，为提高生产率，可选较高的进给速度。常在100-200mm/min范围内选取。（2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选较低的进给速度，常在20-50mm/min范围内选取。（3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20-50mm/min范围内选取。（4）刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以选择该机床数控系统给定的最高进给速度。34主要内容主轴转速根据已经选定的切削深度、进给量及刀具耐用度选择切削速度。S＝1000Vc/D第三节数控加工的程序格式与标准数控代码一、常用的数控标准和指令代码1.ISO代码和EIA代码国际标准化协会美国电子工业协会2.数控标准的内容：数控的名词术语；数控机床的坐标轴和运动方向；数控机床的字符编码（ISO代码、EIA代码）数控编程的程序段格式；准备机能（G代码）和辅助机能（M代码）；进给功能、主轴功能和刀具功能。二、程序结构与程序段格式1.加工程序的结构加工程序主程序和子程序程序段(block)字(word)地址和数据2.程序段格式N××××G××X±××××.×××Y±××××.×××F××S××T××M××LF程序段序号准备机能字坐标字进给功能字主轴转速功能字刀具功能字辅助功能字结束符加工程序的结构加工程序：由程序名（号），程序体(若干程序段)和程序结束语3部分组成。每个程序段又由若干个代码字组成，每个代码字则由文字（地址符）数字和符号组成。举例如下：%O0012（程序名，程序号）N0010G91G00X50Y60LFN0020G01X1000Y5000F150S300T12M03LF······N0100G00X-50Y-60LFN0110M02LF（程序结束语）上例为一个完整的加工程序，它由11个程序段组成，每个程序段以序号“N”开头，用LF结束。M02代表整个程序的结束。有些数控系统还规定，整个程序要求以符号“%”开头，以符号“EM”结尾。常用地址字符地址字意义A、B、C围绕X、Y、Z轴旋转的旋转轴角度尺寸字F、S、T进给速度指定机能、主轴速度机能、刀具机能G准备机能I、J、K插补参数M辅助机能N程序段序号U、V、W与X、Y、Z轴平行的第2移动坐标尺寸字X、Y、Z主坐标轴X、Y、Z移动坐标尺寸字（1）程序段由程序段序号＋若干个程序字＋结束符LF组成。一个程序段表示一个完整的加工工步或动作。（2）字符由英文字母，数字和小数点，正负号和功能符号组成。（3）指令指令结构：程序字(地址符）＋数字和符号程序字分类：分为功能字和坐标字（4）程序名（号）FANUC：O+数字和文字，O0123，O0FILESIEMENS：%+数字和文字，%0012，%NAME12（5）子程序子程序应用范围：1）若干相同轮廓；2）有相同的加工路线；3）一个轮廓需要分多层加工；4）独立的加工工步2程序段格式（1）固定顺序程序段格式这种格式是预先规定了所有可能出现的程序字的固定排列顺序，根据程序字出现的顺序，就可判定其功能。（2）带分隔符的固定顺序程序段格式在上面格式的基础上用分隔符“HT”代替地址符分隔程序字。我国数控线切割机床采用的“3B”或“4B”格式指令就是典型的分隔符固定顺序格式。其3B格式的一般表示为：BXBYBJGZ（3）程序字地址符可变程序段格式特点：程序简单，可读性强，易于检查。现代数控机床广泛采用。（ISO1056—1975E，JB/T3208—1999）N4G2X±4.3Y±4.3Z±4.3I±4.3J±4.3K±4.3(R±4.3)F3S4T4M2LF三、数控程序指令代码1.程序段号N0001～N9999正整数，可不连续2.准备功能字G模态指令（续效指令），非模态指令3.主轴转速功能字SG97S1200主轴转速功能，主轴转速1200r/minG96S200主轴恒线速功能，主轴线速度200m/min4.进给功能字FG94F100每分钟进给100mm/minG95F100每转进给100mm/r5.刀具功能字TT0404选4号刀4号刀偏，T0200选2号刀刀偏取消T5D2选5号刀2号刀偏，T5D7选5号刀7号刀偏6.辅助功能字M7坐标功能字坐标功能字的排列顺序：X,Y,Z,U,V,W,Q,R,A,B,C,D,EFANUCG21公制，G22英制SIEMENSG71公制，G72英制公制单位：0.001mm,1mm,英制单位：0.0001inch,0.001inch8程序结束符EIA：“CR”，ISO：“LF”，书写：“；”，“*”四、数控系统的指令功能1．准备功能准备功能又称“G”功能或“G”代码，它是建立机床或控制数控系统工作方式的一种命令，它由地址G及其后的两位数字组成。G代码分为模态代码和非模态代码两种。代码功能模态备注M03主轴顺时针方向旋转模态从主轴M04主轴逆时针方向旋转模态尾向前M05主轴停止模态M08冷却液开模态M09冷却液关模态M30程序结束非模态M98调用子程序M99程序结束返回主程序（1）选择机床坐标系指令（G53）G53XαYβ；（2）工件坐标系设定指令G92X400.Z250.机床原点参考点βαφ400250zxG代码功能介绍（以FANUC系统为例）1.与坐标系有关的G代码G92X180.Y150.（3）选择工件坐标系指令（G54～G59）基准点xy150180G54G55参考点机床坐标系原点(4)设定局部坐标系指令（G52）G52X100.Y50.⊙●机床坐标系原点参考点局部坐标系局部坐标系G59G58G57G56G55G54(5)坐标平面设定指令（G17，G18，G19）G17----xy平面;G18----zx平面;G19----yz平面.Z/X平面Y/Z平面X/Y平面YXZ2.坐标值尺寸G代码（1）绝对值和增量值编程指令（G90，G91）G90X40.0Y70.0；绝对值编