《數(shù)控編程與操作》課件第2章

第2章數(shù)控編程基礎(chǔ)2.1數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系

2.2數(shù)控編程的步驟及種類

2.3數(shù)控編程指令2.4數(shù)控加工程序的結(jié)構(gòu)2.5手工編程中的數(shù)值計(jì)算

思考與訓(xùn)練

2.1數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系

2.1.1數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系的確定

數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系及其運(yùn)動方向，在國際標(biāo)準(zhǔn)中有統(tǒng)一規(guī)定。

1．規(guī)定原則

標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床坐標(biāo)系是一個右手笛卡爾坐標(biāo)系，用右手螺旋法則判定，如圖2-1所示。右手的拇指、食指、中指互相垂直，并分別代表?+X、+Y、+Z軸。圍繞?+X、+Y、+Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動分別用?+A、+B、+C表示，其正向用右手螺旋法則確定。與?+X、+Y、+Z、+A、+B、+C相反的方向用帶“′”的?+X′、+Y′、+Z′、+A′、+B′、+C′表示。

圖2-1右手笛卡爾坐標(biāo)系1)右手笛卡爾坐標(biāo)系

2)刀具運(yùn)動坐標(biāo)與工件運(yùn)動坐標(biāo)

數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系是機(jī)床運(yùn)動部件進(jìn)給運(yùn)動的坐標(biāo)系。由于進(jìn)給運(yùn)動可以是刀具相對工件的運(yùn)動(如數(shù)控車床)，也可以是工件相對刀具的運(yùn)動(如數(shù)控銑床)，因而統(tǒng)一規(guī)定為：用字母不帶“′”的坐標(biāo)表示刀具相對“靜止”工件而運(yùn)動的刀具運(yùn)動坐標(biāo)；用字母帶“′”的坐標(biāo)表示工件相對“靜止”刀具而運(yùn)動的工件運(yùn)動坐標(biāo)。

3)運(yùn)動的方向

國標(biāo)規(guī)定使刀具與工件距離增大的方向?yàn)檫\(yùn)動的正方向；反之，則為負(fù)方向。

2．坐標(biāo)軸確定的方法及步驟

1)?Z軸的確定

一般取產(chǎn)生切削力的主軸軸線為Z軸，刀具遠(yuǎn)離工件的方向?yàn)檎颍鐖D2-2、圖2-3和圖2-4所示。當(dāng)機(jī)床有幾個主軸時，選一個與工件裝夾面垂直的主軸為Z軸；當(dāng)機(jī)床無主軸時，選與工件裝夾面垂直的方向?yàn)閆軸方向。圖2-2數(shù)控車床的坐標(biāo)系圖2-3立式數(shù)控銑床的坐標(biāo)系圖2-4臥式數(shù)控銑床的坐標(biāo)系

2)?X軸的確定

X軸一般位于與工件裝夾面平行的水平面內(nèi)。對于工件作回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動的機(jī)床(如車床、磨床等)，在水平面內(nèi)取垂直工件回轉(zhuǎn)軸線(Z軸)的方向?yàn)閄軸方向，刀具遠(yuǎn)離工件的方向?yàn)檎?，如圖2-2所示。

對于刀具作回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動的機(jī)床(如銑床、鏜床等)，當(dāng)Z軸垂直時，人面對主軸，向右為正X軸方向，如圖2-3所示；當(dāng)Z軸水平時，則向左為正X軸方向，如圖2-4所示。

對于無主軸的機(jī)床(如刨床)，以切削方向?yàn)檎齒軸方向。

3)?Y軸的確定

根據(jù)已確定的X、Z軸，按右手笛卡爾坐標(biāo)系確定Y軸。

4)?A、B、C軸的確定

此三軸為回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動坐標(biāo)，根據(jù)已確定的X、Y、Z軸，用右手螺旋法則可確定。2.1.2機(jī)床坐標(biāo)系與編程坐標(biāo)系

1．機(jī)床坐標(biāo)系

機(jī)床坐標(biāo)系又稱機(jī)械坐標(biāo)系，其坐標(biāo)和運(yùn)動方向視機(jī)床的種類和結(jié)構(gòu)而定。

機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)也稱機(jī)床原點(diǎn)或機(jī)械原點(diǎn)，如圖2-5、圖2-6(a)所示的O點(diǎn)，從機(jī)床設(shè)計(jì)的角度來看，該點(diǎn)位置可任選，但從使用某一具體機(jī)床來看，這點(diǎn)卻是機(jī)床上一個固定的點(diǎn)。圖2-5數(shù)控車床的機(jī)床坐標(biāo)系與機(jī)床原點(diǎn)不同但又很容易混淆的另一個概念是機(jī)床零點(diǎn)，它是機(jī)床坐標(biāo)系中一個固定不變的極限點(diǎn)，即運(yùn)動部件回到正向極限的位置。在加工前及加工結(jié)束后，可用控制面板上的“回零”按鈕使部件(如刀架)退到該點(diǎn)。例如：對數(shù)控車床而言，機(jī)床零點(diǎn)是指車刀退離主軸端面和中心線最遠(yuǎn)而且是某一固定的點(diǎn)，如圖2-5所示的O′點(diǎn)。O′點(diǎn)在機(jī)床出廠時就已經(jīng)調(diào)好并記錄在機(jī)床使用說明書中，一般情況下，不允許隨意變動。

數(shù)控銑床的坐標(biāo)系(XYZ)原點(diǎn)O和機(jī)床零點(diǎn)O′是重合的，如圖2-6(a)所示。圖2-6立式數(shù)控銑床坐標(biāo)系和機(jī)床原點(diǎn)、工件原點(diǎn)

2．編程坐標(biāo)系

編程坐標(biāo)系又稱工件坐標(biāo)系，是編程時用來定義工件形狀和刀具相對工件運(yùn)動的坐標(biāo)系。為保證編程與機(jī)床加工的一致性，工件坐標(biāo)系也應(yīng)是右手笛卡爾坐標(biāo)系。工件裝夾到機(jī)床上時，應(yīng)使工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向保持一致。

編程坐標(biāo)系的原點(diǎn)，也稱編程原點(diǎn)或工件原點(diǎn)，其位置由編程者確定，如圖2-6(b)所示的O2點(diǎn)。工件原點(diǎn)的設(shè)置一般應(yīng)遵循下列原則：

(1)工件原點(diǎn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或裝配基準(zhǔn)重合，以利于編程。

(2)工件原點(diǎn)盡量選在尺寸精度高、表面粗糙度值小的工件表面上。

(3)工件原點(diǎn)最好選在工件的對稱中心上。

(4)工作原點(diǎn)的設(shè)置位置要便于測量和檢驗(yàn)。

2.2數(shù)控編程的步驟及種類

所謂編程，即把零件的全部加工工藝過程及其他輔助動作，按動作順序用數(shù)控機(jī)床上規(guī)定的指令、格式編成加工程序。

1．?dāng)?shù)控加工程序編制的步驟

(1)確定工藝過程。

在數(shù)控機(jī)床上加工零件，操作者拿到的原始資料是零件圖。根據(jù)零件圖，可以對零件的形狀、尺寸、精度、表面粗糙度、材料、毛坯種類、熱處理狀況等進(jìn)行分析，從而選擇機(jī)床、刀具，確定定位夾緊裝置、加工方法、加工順序及切削用量的大小。在確定工藝過程中，應(yīng)充分考慮數(shù)控機(jī)床的所有功能，做到加工路線短、走刀次數(shù)少、換刀次數(shù)少等。

(2)計(jì)算刀具軌跡的坐標(biāo)值。

根據(jù)零件的形狀、尺寸、進(jìn)給路線，計(jì)算出零件輪廓線上各幾何元素的起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓弧的圓心坐標(biāo)。若數(shù)控系統(tǒng)沒有刀補(bǔ)功能，則應(yīng)計(jì)算刀具中心軌跡。當(dāng)用直線、圓弧來逼近非圓曲線時，應(yīng)計(jì)算曲線上各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。若某尺寸帶有上下偏差，編程時應(yīng)取尺寸的平均值。

(3)編寫加工程序。

根據(jù)工藝過程的先后順序，按照指定數(shù)控系統(tǒng)的功能指令代碼及程序段格式，逐段編寫加工程序。編程員應(yīng)對數(shù)控機(jī)床的性能、程序代碼非常熟悉，這樣才能編寫出正確的零件加工程序。

(4)將程序輸入數(shù)控機(jī)床。

目前常用的輸入程序的方法是通過鍵盤直接將程序輸入數(shù)控機(jī)床。

(5)程序檢驗(yàn)。

對有圖形模擬功能的數(shù)控機(jī)床，可進(jìn)行圖形模擬加工，對無此功能的數(shù)控機(jī)床可進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)檢驗(yàn)，以此檢查出刀具運(yùn)動軌跡的正確性。但圖形模擬加工檢驗(yàn)不出對刀誤差和因某些計(jì)算誤差引起的加工誤差，因此還要進(jìn)行首件試切。試切后若發(fā)現(xiàn)工件不符合要求，可修改程序或進(jìn)行刀具尺寸補(bǔ)償。

2．?dāng)?shù)控編程的方法

常見的數(shù)控編程方法有手工編程和計(jì)算機(jī)自動編程。

1)手工編程

手工編程是指在編程的過程中，全部或主要由人工進(jìn)行，如圖2-7所示。對于加工形狀簡單、計(jì)算量小、程序不多的零件，采用手工編程較簡單、經(jīng)濟(jì)且效率高。圖2-7手工編程

2)計(jì)算機(jī)自動編程

計(jì)算機(jī)自動編程是指在編程過程中，除了分析零件圖樣和制定工藝方案由人工進(jìn)行外，其余工作均由計(jì)算機(jī)輔助完成。

采用計(jì)算機(jī)自動編程時，數(shù)學(xué)處理、編寫程序、檢驗(yàn)程序等工作是由計(jì)算機(jī)自動完成的。由于計(jì)算機(jī)可自動繪制出刀具中心運(yùn)動軌跡，因此編程人員能及時檢查程序是否正確，需要時可及時修改，以獲得正確的程序。又由于計(jì)算機(jī)自動編程代替程序編制人員完成了繁瑣的數(shù)值計(jì)算，可提高編程效率幾十倍乃至上百倍，因此解決了手工編程無法解決的許多復(fù)雜零件的編程難題。根據(jù)輸入方式的不同，可將自動編程分為圖形數(shù)控自動編程、語言數(shù)控自動編程和語音數(shù)控自動編程等。圖形數(shù)控自動編程是指將零件的圖形信息直接輸入計(jì)算機(jī)，通過自動編程軟件的處理，得到數(shù)控加工程序。語言數(shù)控自動編程是指將加工零件的幾何尺寸、工藝要求、切削參數(shù)及輔助信息等用數(shù)控語言編寫成源程序后，輸入到計(jì)算機(jī)中，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理得到零件加工程序。語音數(shù)控自動編程是指采用語音識別器，將編程人員發(fā)出的加工指令聲音轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸こ绦?。目前，圖形數(shù)控自動編程是使用最為廣泛的自動編程方式。

2.3數(shù)控編程指令

在數(shù)控加工程序中，主要有準(zhǔn)備功能G指令和輔助功能M指令。G指令是用來規(guī)定刀具和工件的相對運(yùn)動軌跡(即插補(bǔ)功能)、機(jī)床坐標(biāo)系、坐標(biāo)平面、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)偏置等多種加工操作的指令。M指令是控制數(shù)控機(jī)床“開、關(guān)”功能的指令，主要用于完成加工操作時的輔助動作。數(shù)控系統(tǒng)不同時，編程指令的功能也有所不同，編程時需參考機(jī)床制造廠的編程說明書。

現(xiàn)在國際上廣泛采用ISO1056—1975E標(biāo)準(zhǔn)的G、M指令，我國機(jī)械工業(yè)部制訂的標(biāo)準(zhǔn)JB/T3208—1999與國際標(biāo)準(zhǔn)等效。表2-1、表2-2分別是JB/T3208—1999定義的G、M指令功能表。表2-1JB/T3208—1999的G指令功能表表2-2JB/T3208—1999的M指令功能表2.3.1模態(tài)與非模態(tài)指令

G、M指令有模態(tài)與非模態(tài)之分，表2-1中模態(tài)欄標(biāo)有字母的指令及表2-2模態(tài)欄標(biāo)有“*”的指令均為模態(tài)指令。模態(tài)G指令按功能分為若干組，標(biāo)有相同字母的為同組。

模態(tài)指令又稱續(xù)效指令，一經(jīng)程序段中指定，便一直有效，直到以后程序段中出現(xiàn)同組另一指令或被其他指令取消時才失效。編寫程序時，與上段相同的模態(tài)指令可省略不寫。不同組模態(tài)指令編在同一程序段內(nèi)，不影響其續(xù)效。例如：

N0010G91G01X20Y20Z－5F150；

N0020X35；

N0030G90G00X0Y0Z100M02；上例中，第一段出現(xiàn)兩個模態(tài)指令，即G91、G01，因它們不同組而均續(xù)效，其中G91功能延續(xù)到第三段出現(xiàn)G90時失效；G01功能在第二段中繼續(xù)有效，至第三段出現(xiàn)G00時才失效。

表2-1和表2-2模態(tài)欄標(biāo)有“-”的指令為非模態(tài)指令，又稱非續(xù)效指令，其功能僅在出現(xiàn)的程序段中有效，如表2-1中的G04，表2-2中的M00、M01、M02等指令。2.3.2常用M指令介紹

常用M指令的功能及其應(yīng)用如下：

(1)程序停止。

指令：M00

功能：執(zhí)行完包含M00的程序段后，機(jī)床停止自動運(yùn)行，此時所有存在的模態(tài)信息保持不變，按下機(jī)床操作面板的循環(huán)啟動按鈕使自動運(yùn)行重新開始。

(2)程序計(jì)劃停止。

指令：M01

功能：與M00類似，執(zhí)行完包含M01的程序段后，機(jī)床停止自動運(yùn)行，只有當(dāng)機(jī)床操作面板上的任選停機(jī)的開關(guān)置1時，這個代碼才有效。

(3)主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。

指令：M03、M04、M05

功能：M03、M04指令可使主軸正、反轉(zhuǎn)，與同段程序其他指令一起開始執(zhí)行。M05指令可使主軸在該程序段其他指令執(zhí)行完成后停轉(zhuǎn)。

格式：

M03S

M04S

M05

(4)換刀。

指令：M06

功能：自動換刀，用于具有自動換刀裝置的機(jī)床，如加工中心、數(shù)控車床等。

格式：

M06T

說明：當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)不同時，換刀的編程格式有所不同，具體編程時應(yīng)參考操作說明書。

(5)程序結(jié)束。

指令：M02或M30

功能：M02或M30均表示主程序結(jié)束，M30還可使控制返回到程序的開頭，故程序結(jié)束使用M30比M02要方便些。

說明：該指令必須編在最后一個程序段中。

一般情況下，在一個程序段中僅能指定一個M代碼。 2.4數(shù)控加工程序的結(jié)構(gòu)

2.4.1數(shù)控加工程序的組成

在數(shù)控機(jī)床上加工零件，首先要編制程序，然后用該程序控制機(jī)床的運(yùn)動，數(shù)控指令的集合稱為程序。在程序中根據(jù)機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動順序書寫這些指令。

一個完整的數(shù)控加工程序由程序開始部分、若干個程序段、程序結(jié)束部分組成，在程序開頭指定程序號，在程序的結(jié)尾指定程序結(jié)束代碼。一個程序段由程序段號和若干個“字”組成，一個“字”由地址符和數(shù)字組成。下面是一個完整的數(shù)控加工程序，該程序由程序號開始，以M02結(jié)束。

1)程序號

為了區(qū)分每個程序，對程序要進(jìn)行編號，程序號由程序號地址和程序的編號組成，如O1122，其中字母O表示程序號地址，1122表示程序的編號，即1122號程序。

不同的數(shù)控系統(tǒng)，程序號地址也有所差別。如SMK8M系統(tǒng)用％作為程序號的地址碼，而FANUC系統(tǒng)用O作為程序號的地址碼。編程時一定要參考說明書，否則程序無法執(zhí)行。

2)程序段的格式和組成

程序段的格式可分為地址格式、分隔地址格式、固定程序段格式和可變程序段格式等。其中以可變程序段格式應(yīng)用最為廣泛，所謂可變程序段格式，就是程序段的長短是可變的。

例如：

N10G01X40.0Z-25.4F200；

其中，Ｎ是程序段地址符，N10表示程序段號；G是指令動作方式的準(zhǔn)備功能地址，G01為直線插補(bǔ)；X、Z是坐標(biāo)軸地址；F是進(jìn)給速度指令地址，其后的數(shù)字表示進(jìn)給速度的大小，F(xiàn)200表示進(jìn)給速度為200mm/min。

3)“字”

一個“字”的組成如下所示：

程序段號加上若干個程序“字”就可組成一個程序段。在程序段中表示地址的英文字母可分為尺寸地址和非尺寸地址兩種。表示尺寸地址的英文字母有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、I、J、K、A、B、C、D、E、R、H共18個字母；表示非尺寸地址的英文字母有N、G、F、S、T、M、L、O等８個字母。2.4.2數(shù)控加工程序的分類

數(shù)控加工程序可分為主程序和子程序，子程序的結(jié)構(gòu)同主程序的結(jié)構(gòu)一樣。在通常情況下，數(shù)控機(jī)床是按主程序的指令進(jìn)行工作的，但是，當(dāng)主程序中遇到調(diào)用子程序的指令時，控制轉(zhuǎn)到子程序執(zhí)行。當(dāng)子程序遇到返回主程序的指令時，控制返回到主程序繼續(xù)執(zhí)行。在編制程序時，若相同模式的加工在程序中多次出現(xiàn)，可將這個模式編成一個子程序，使用時只需通過調(diào)用子程序指令進(jìn)行調(diào)用，這樣就簡化了程序的設(shè)計(jì)。

2.5手工編程中的數(shù)值計(jì)算

手工編程的數(shù)值計(jì)算是指根據(jù)被加工零件圖樣，按照已經(jīng)確定的加工工藝路線和允許的編程誤差，直接通過數(shù)學(xué)方法(如三角函數(shù)法、幾何與解析幾何法等)計(jì)算出編程所需要的數(shù)據(jù)。

零件的輪廓是由許多不同的幾何要素所組成的，如直線、圓弧、二次曲線等，各幾何要素之間的連接點(diǎn)稱為基點(diǎn)。基點(diǎn)坐標(biāo)是編程中必需的重要數(shù)據(jù)。

例：如圖2-8所示，A、B、C、D、E為基點(diǎn)。A、B、D、E的坐標(biāo)值從圖中很容易找出，C點(diǎn)是直線與圓弧的切點(diǎn)，要聯(lián)立方程求解。圖2-8零件圖樣對于復(fù)雜的零件，基點(diǎn)的計(jì)算一般比較麻煩，其計(jì)算工作量相當(dāng)大，為提高編程效率，可應(yīng)用CAD軟件的查詢點(diǎn)功能得出基點(diǎn)的坐標(biāo)。

如果工件輪廓是非圓曲線，數(shù)控系統(tǒng)就無法直接實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，而需要通過一定的數(shù)學(xué)處理。數(shù)學(xué)處理的方法是，用直線段或圓弧段去逼近非圓曲線，逼近線段與被加工曲線的交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。

如圖2-9所示，用直線逼近曲線時，其交點(diǎn)A、B、C、D、E、F等即為節(jié)點(diǎn)。編程時，首先要計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算一般都比較復(fù)雜，靠手工計(jì)算已很難勝任，必須借助CAD軟件處理。求得各節(jié)點(diǎn)后，就可按相鄰兩節(jié)點(diǎn)間的直線來編寫加工程序。

加工非圓曲線時，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目決定了程序段的數(shù)目。如圖2-9中有6個節(jié)點(diǎn)，即用五段直線逼近了曲線，因而就有五個直線插補(bǔ)程序段。節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，由直線逼近曲線產(chǎn)生的誤差就越小，程序的長度則越長?？梢?，節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，決定了加工的精度和程序的長度。因此，正確確定節(jié)點(diǎn)數(shù)目是個關(guān)鍵問題，對于復(fù)雜的零件，可采用CAD/CAM軟件輔助編程。圖2-9零件輪廓的節(jié)點(diǎn)

思?考?與?訓(xùn)?練

一、選擇題(請將正確答案的序號填寫在括號內(nèi))

1．?dāng)?shù)控機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸之一B軸是繞()旋轉(zhuǎn)的軸。

(A)?X軸 (B)?Y軸 (C)?Z軸 (D)?W軸

2．?dāng)?shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸確定的步驟為()。

(A)?X→Y→Z (B)?X→Z→Y

(C)?Z→X→Y (D)?Y→X→Z

3．根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)控機(jī)床在編程時采用()規(guī)則。

(A)刀具相對靜止，工件運(yùn)動 (B)工件相對靜止，刀具運(yùn)動

(C)按實(shí)際運(yùn)動情況確定 (D)按坐標(biāo)系確定

4．為確定工件在機(jī)床中的位置，要確定()。

(A)機(jī)床坐標(biāo)系 (B)工件坐標(biāo)系

(C)局部坐標(biāo)系 (D)笛卡爾坐標(biāo)系

5．確定機(jī)床X、Y、Z坐標(biāo)時，規(guī)定平行于機(jī)床主軸的刀具運(yùn)動坐標(biāo)為()，取刀具遠(yuǎn)離工件的方向?yàn)?)方向。

(A)?X軸正 (B)?Y軸正

(C)?Z軸正 (D)?Z軸負(fù)

6．只在本程序段有效，下一程序段需要時必須重寫的代碼稱為()。

(A)模態(tài)代碼 (B)續(xù)效代碼

(C)非模態(tài)代碼 (D)準(zhǔn)備功能代碼7．下列指令屬于準(zhǔn)備功能字的是()。

(A)?G01 (B)?M08 (C)?T01 (D)?S500

8．輔助功能M01的作用是()。

(A)有條件停止 (B)無條件停止

(C)程序結(jié)束 (D)程序段

9．主軸反轉(zhuǎn)的命令是()。

(A)?M03 (B)?M04 (C)?M05 (D)?M06

10．程序結(jié)束并復(fù)位的指令是()。

(A)?M02 (B)?M30 (C)?M17 (D)?M0011．輔助功能M00的作用是()。

(A)條件停止