数控加工的程序

l 第一节 数控程序编制的基础一、数控编程的内容 零件加工程序编制就是将零件加工顺序，刀具与工件相对运动轨迹的尺寸数据，工艺参数（主轴运动、进给运动的速度，切削深度等），以及辅助操作（主轴正、反转，刀具交换，冷却液开、关，工件夹紧、松开等）等加工信息，用规定的代码（由文字、符号、数字组成），按照一定格式编写成加工程序单，并将程序单上的信息通过控制介质或直接输入到CNC装置中，进行防真、试切、修正，正确无误后再用其进行自动加工。 二、数控编程的步骤：分析零件图纸工艺处理数值计算编写程序单制作控制介质程序校核修改数控机床 （一）分析零件图纸及工艺处理1 确定工件的装夹方法 数控加工对夹具的主要要求：一是要保证夹具本身在机床上安装准确；二是容易协调零件和机床坐标系的尺寸关系。 选用或设计夹具时，应注意以下几点： （1）尽量选用可调试、组合式等标准化、通用化和自动化夹具，应尽量避免设计专用夹具。 （2）装卸工件要迅速，以缩短数控机床停机时间。 （3）零件的加工部位要敞开，不致因夹具的具体结构影响刀具的走刀。 （4）夹具安装在机床上要准确可靠，要考虑必要的定位安装基准，以保证工件在正确位置上按程序进行加工。 （5）在有条件的情况下，尽量选用便于操作的气动、液压夹具 。 2 对刀点和换刀点的确定 对刀点是指在数控机床上加工零件时，刀具相对零件运动的起始点。所以对刀点也称做程序起点或起刀点。刀具在机床上的位置是由“刀位点”的位置来表示的 刀位点是指确定刀具位置的特征点。对立铣刀、端铣刀和钻头是指它们的底面中心；对球头铣刀是指球头球心；对车刀和镗刀是指它们的刀尖。 对刀点的选择原则：1）零件上或零件外都可作为对刀点，但应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。2）对刀点应选在对刀方便的地方。3）对刀点的选择应便于坐标值的计算。换刀点的位置应根据换刀时刀具不碰伤工件、夹具和机床的原则而定。x0y0 x1y1对刀点换刀点机床零点工件零点 3 确定加工路线 加工路线又称走刀路线，是指数控机床在加工过程中刀具相对于工件的运动轨迹。 确定加工路线的原则：（1）应能保证零件的加工精度和表面粗糙度的要求。（2）应尽量缩短加工路线，减少刀具空程移动时间。（3）应使数值计算简单，程序段数量少，以减少编程工作量。 例1：对点阵类工件 按（b）所示的加工路线，可节省定位时间一半左右（a）（b） 例 2：加工如图（a）所示的凹槽型封闭轮廓类零件(a) (b) (c) (d) 对封闭型凹槽轮廓（c）、（d）方案使凹槽侧面的最终轮廓由最后一次走刀连续加工而成，可获得较好的表面质量。并且铣刀的切入、切出点最好选在零件轮廓两几何元素的交点处， 否则会留下刀痕。 l例 3 加工平面轮廓类零件： l对平面轮廓类零件，刀具应避免法向切入或法向切出，一般应沿零件轮廓外形的延长线切向切入、切出防止在轮廓的切入、切出处留下刀痕。并且在加工过程中，还应避免进给停顿，因为切削力的变化会引起工件、刀具、夹具和机床工艺系统的弹性变形，进给停顿时切削力减小，刀具会在理论停顿处留下凹痕。l切入点l切出点XlY 4 刀具的选择 选择刀具应根据数控加工要求与材料特性、加工表面的类型、机床的加工能力、机床允许的切削量、刀具的耐用度及其他与加工有关的因素来确定。 对所选择刀具的要求： 要使刀具装夹调整方便，刚度好，精度高，且使用寿命长等。 5 切削量的确定 切削量包括：主轴转速（切削速度）、切削深度、切削宽度和进给速度等。1）切削深度（ap）的选用。选用时要考虑机床、工件和刀具工艺系统的刚度，在刚度允许时，应尽量加大切削深度，以减少走刀次数，提高工作效率。2）主轴转速（n）的选用。根据工件材料和刀具材料允许的切削速度（v）和工件（或刀具）的直径（d）来选定。 公式为：n=1000v/d(m/min) 3）进给速度（f）的选用。粗加工中，在工艺系统强度和刚度允许的情况下应尽量选用大一些的进给速度。还要考率排屑的问题，继续切削时硬质合金刀片的强度等问题。精加工中，进给速度还应根据加工精度和表面粗糙度的要求选定。在轮廓加工中，选择进给速度时还应注意轮廓拐角处的超程和欠程问题。 （二）数值计算 数值计算的任务是根据零件图纸和已确定的加工路线及允许的编程误差，计算数控系统所需的输入数据。1 基点和节点 基点：一个零件的轮廓是由若干直线、圆弧、非圆曲线等线组成，构成零件轮廓的各相邻线段之间的连接点被称为基点。 当加工由直线和圆弧所组成的平面轮廓类零件时，只要计算出零件轮廓中相邻几何元素间的交点或切点的坐标值，以及各几何元素的起点、终点、圆弧圆心坐标值就可编程。 节点：当零件轮廓由非圆曲线（如二次曲线、渐开线、阿基米德螺线等）组成时，要将轮廓曲线按编程允许误差分割成若干小段，每一小段用直线或圆弧去逼近，逼近直线或圆弧小段与轮廓曲线的交点或切点被称为节点。 这时数值计算的任务就是求解节点坐标值。 2 非圆曲线的节点计算 用直线或圆弧逼近方程曲线y=f(x)时，应考虑在保证逼近精度的前提下，使节点数目少，计算简单。对于曲率半径大的曲线用直线逼近较为有利，若曲线某段接近圆弧，用圆弧逼近有利。（1）等间距直线逼近法该方法是使每个程序段中一个坐标增量值相等。例：如图示X方向坐标增量值相等，若已知方程为y=f(x)，且给定等间距（x），则X方向坐标值x 1xn可知，代入方程y=f(x)，可求得Y方向坐标值y1 yn,解得A1 An各节点的坐标值。x决定了曲线的曲率和允许误差（允），要求 允。XYO A1 A2 Anx1 x2 xny=f(x)x （2）等弦长直线逼近法 该方法是使所有逼近线段的长度相等。即ab=bc=cd=de=ef=fg。计算时必须使各段的最大误差小于允，通常零件轮廓曲线的曲率半径最小的地方，误差最大。 因此，1）先确定曲率半径最小的位置；2）在该处按照 允的条件求出弦的长度；3）用此弦长分割零件的轮廓曲线，即可得各节点坐标。O XY a b c d e f gnl 例：如图示已知零件轮廓曲线方程为y=f(x)，则曲线的曲率半径为：r=1+(y) /y” （1）取dr/dx=0,求解x值，并代入（1）中，可得最小曲率半径（rmin）值。如果允许误差为允时，其弦长为：L=2 rmin(rmin 允)22 rmin 允即 L=22 rmin 允以曲线的起点a(xa , ya)为圆心，L为半径作圆，与轮廓曲线相交，交点b即为节点。则解联立方程： （x-x a ）+（y-ya）= L y=f(x)可得节点b的坐标值。同理，可依次求出其他各节点坐标值。O XY a b c d e f gnL y=f(x)2 l3/22 222 2 （3）等误差直线逼近法 该方法是使所有逼近线段的误差相等，且小于或等于允许误差值 允，因此，该方法比前两种合理，程序段数少。特别适合曲率变化较大的复杂曲线轮廓。已知零件轮廓曲线的方程为y=f(x)，则计算方法为：1）以起点a为圆心，以允为半径画允差圆，则圆的方程为： ( X-Xa ) + ( Y-Ya ) = 允式中 Xa , Ya 为已知的a点坐标值。2）作允差圆与曲线y=f(x)的公切线MN,则公切线的斜率为： K = (Y N YM) / (XN XM) O XY y=f(x)允a b c d2 2 2 M N 为求出YN，YM，XN，XM，需解出下面的方程组： YN = f ( XN ) （曲线方程）(YN YM) / (XN XM) = f( XN )（曲线切线方程） YM = F（XM） （允差圆方程）(YN YM) / (XN XM) = F( XM ) （允差圆切线方程）3）过点a作斜率为K的直线（即平行于MN的直线），并与轮廓曲线交于b点，b点即为所求节点。 则弦ab的直线方程为： Y - Ya = K ( X Xa ) 并与方程 Y = f ( X ) 联立 ，即可得b点坐标值。 4）从b点开始重复上述步骤，依次可得其余各节点坐标值。O XY y=f(x)允a b c dM N （4）等误差圆弧逼近法 该方法用于有圆弧插补功能的数控机床，计算中，需要求出每段圆弧圆心，起点，终点的坐标值以及圆弧段的半径，并且要使圆弧段与工件轮廓曲线间的误差小于或等于允许的逼近误差允。 XYo （三）编写零件加工程序单及制作控制介质该过程是根据工艺分析和数值计算后的数据，按数控机床使用的指令代码，以规定的程序格式，逐段编写零件加工程序单。编好加工程序单后，根据程序单上的程序按标准代码制作控制介质。（四）进行程序校核该过程是对制成的控制介质（如穿孔纸带等）进行校验和试切检查，检查无误后才能正式用于加工。 三、数控编程的方法（一）手工编程（Manual programming）即编制零件加工程序的全过程，包括分析零件图纸及工艺处理，数学计算，书写程序单，制作控制介质，程序校验等均由人工完成。该方法适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件加工。（二）自动编程（Automatic Programming）即零件加工程序编制工作的大部分或全部由计算机完成。该方法适用于轮廓形状不单单由直线段和圆弧构成的复杂零件，特别是空间曲面零件；以及几何元素虽不复杂，但程序量大，计算繁琐，工作量大的零件。 第二节程序的编制一、机床坐标系和工件坐标系数控机床的坐标轴及运动方向数控机床的坐标系规定已标准化，按右手直角笛卡儿坐标系表示。一般假设工件静止，通过刀具相对工件的移动来确定机床各移动轴的方向。（）Z坐标轴：规定平行于机床主轴（传递切削力）的刀具运动坐标轴。并且取刀具远离工件的方向为正方向（+Z）。当机床有多个主轴时，选垂直于工件装夹面的主轴为Z轴。 （）X坐标轴：规定为水平方向，且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。对工件旋转的机床（如车床、磨床）取平行于横向滑座的方向（工件径向）为X坐标，取刀具远离工件的方向为正方向；对刀具做旋转运动的机床（如铣床、镗床），当Z轴为水平时，沿刀具主轴向工件方向看，X轴正向指向右边；当Z轴为垂直的，对于单立柱机床，从主轴向立柱看时，X轴正向指向右边；对于双立柱机床，从主轴向左侧立柱看时，X轴正向指向右边。（）Y坐标轴：按右手定则来确定。即从+Z转到+X时，拇指确定+Y。 常见机床的坐标轴方向如图所示： 数控车床坐标系+Z+X 立式升降台铣床坐标系“+X,+Y,+Z ”表示对于刀具位置不动的机床，工件相对于刀具的正向运动，两坐标轴的方向相反）铣刀+Z +X+Y+Z+X +Y 机床坐标系的原点机床坐标系的原点也称机械原点、参考点或零点。它不仅是机床坐标系的原点，也是其他坐标系和机床内的基准点。该点在机床一经设计制造出来便被确定，因此，机械原点是机床坐标中固有的点，不能随意改变。回零：机床启动时，通常要进行机动或手动回零，即直线坐标或旋转坐标（如回转工作台）回到正向极限位置（机械原点）。 工件坐标系编程时，一般选择工件上的某一点作为坐标原点，建立一个新的坐标系，该坐标系被称为工件坐标系，其原点即为工件原点。工件原点偏置：在加工时，工件随夹具在机床上安装后，测量工件原点与机械原点间的距离（通过测量某些基准面、线间的距离来确定），该距离称为工件原点偏置。工件原点偏置需预存到数控系统中，在加工中，工件原点偏置便能自动加到工件坐标系上，使数控系统可按机床坐标系确定加工时的绝对坐标值。附加坐标：如果有第二或第三组坐标平行于X、Y、Z，则分别指定用U、V、W，和P、Q、R。 5 绝对坐标与增量（相对）坐标1）绝对坐标系：在坐标系中，所有坐标点的坐标值均从某一固定坐标原点计量的坐标系，称为绝对坐标系。如图示，A、B两点以绝对坐标计，则XA = 12 , YA = 15 XB = 22 , YB = 32）增量（相对）坐标系：在坐标系中，运动轨迹的终点坐标是以起点计量的坐标系，称为增量（相对）坐标系。如图示，A、B两点以相对坐标计，则XA = 12 , YA = 15 XB = 10 , YB = 17 15 12 10 221732 Xo A BY 二、程序编制的代码及程序格式穿孔纸带和代码）穿孔带：数控机床的零件加工程序目前广泛采用数控穿孔纸带作为输入介质，传到数控装置中去。数控机床上最常用的是八单位穿孔纸带。规格如图示：2.21.830.051.17 0.020.052.540.076 2.742.540.059.960.125.40.08走带方向前沿(基准边)第1孔道第2孔道第3孔道第4孔道第5孔道第6孔道第7孔道第8孔道同步孔道 ）代码代码是数控机床传递信息的语言，程序单上给出的字母和数字以及符号都要按照规定在纸带上穿出孔来，有孔表示“”，无孔表示“”。在纸带宽度方向上的一排孔组成代表字符、数字的符号，这种符号就是通常所说的代码，也称字符。 常用字符有：a) 数字；b) 字母A、B、CX、Y、Z；c) 特殊记号（正号）、（负号）、（跳过任意段）、ER(程序号）、SP（空格）、DEL（注销码）、（小数点）等。）常用的穿孔带代码目前国际上有两种常用的标准代码，即ISO(International Standard Organization)国际标准化组织制定的代码及EIA(ElectronicIndustries Association)美国电子工业协会制定的代码，我国采用ISO代码为国家标准。 ）穿孔带代码表示方法（如书中图所示）在ISO标准代码中，每一代码由位二进制数和位补偶位组成，第八位用来补偶。 ISO标准代码属于单位编码，能编码128个符号。而且，ISO代码编码规律性强，其中第五、第六位有孔为数字代码，第七位有孔为字母代码，第六位有孔为符号代码。在EIA标准代码中，每一代码由位二进制数和位补奇位组成，第五位孔为补奇孔。 EIA代码属于单位编码，可编码的符号数为64，而且它的规律性也不如ISO代码。 程序的格式程序是由程序号、程序段和符号所组成。如下面的这个程序所示：O 1210 N1 G90G92X0Y0Z0;N2 G42X-60.0Y10.0D5F200; N3 G02X40.0R50.0; N4 G0G40X0Y0; N5 M30;该程序中，程序号是O 1210，并由个程序段（每一行称为一个单段）和“”、“；”及“”组成。 ）程序号：每个程序都需要进行编号，在编号前面要用程序编号地址码进行编号指令。 如：O 1210（O为程序号地址，即编号的指令码；1210为程序的编号，即1210号程序）不同的数控系统，程序号地址码也不同。如F6M系统用O、而AB8400系统用P、而SMK8M系统用%，所以编程时，要根据不同机床的说明书去编程，否则系统会不执行。 ）程序段的格式和组成a) 程序段是由程序段号（字）、地址、数字、符号等组成。如： N1 G90G92X0Y0Z0;式中N-程序段地址码，用于指令程序段号；为程序段号；G-指令动作方式的准备机能地址，不同的数字代表不同的指令；X、Y、Z-坐标轴地址，数字代表刀具的坐标位置；“；”为程序段结束符号。 b) 程序段也可以认为由程序段号加上若干个程序字组成的。程序字通常由地址字、数字及符号组成。如： X-60.0其中X表示地址字；表示符号（负号）；60.0表示数字； c)数控机床常用的地址符：程序号字：用英文字母O后跟位以内的数字来表示。程序号字必须加在每个程序之首，以区别不同的程序，其后可在括号内加程序名或注释。如： O 2100 ( GEAR WORK )程序段号字：用字母N后跟位以内的数字来表示，放在程序段前，以区别各程序段。准备功能字：是指令动作方式的准备性工艺指令，用字母G及位以内的数字表示。 辅助功能字：指令能完成机床操作等辅助性的功能，如主轴的起、停，冷却液的通、断，更换刀具等，用字母M及位数字表示。坐标轴向移动指令字：由坐标轴代码和该轴位移量数字码构成。数字码根据数控机床的直线位移量最小设定单位而定。如某数控机床的直线位移量最小设定单位为0.001mm，若X轴正方向移动15mm,则可写成：X15000 或X15.0 进给功能字：由地址F与几位数字码组成，用来指定机床主轴的转速。它的单位对于进给速度与主轴转速无关的直线进给运动用mm/min表示；对于进给速度与主轴转速有关的直线运动用mm/r表示。主轴转速功能字：由地址S与几位数字码组成，用来指定机床主轴的转速，单位为r/min。如S30表示主轴转速为：30r/min 刀具功能字：由地址T与几位数字码组成，主要用来选择刀具。如T11表示要选择第11号刀具。程序段结束字：ISO标准用LF代码，EIA中用CR代码，也可用符号“” 或“；”表示。程序的分类程序分为主程序和子程序。在正常情况下，数控机床是按主程序的指令工作的，当程序段中有调用为子程序的指令时，数控机床就按子程序进行工作，当遇到返回主程序的指令时，机床才返回主程序，继续按主程序的指令进行工作。 思考题：1 数控机床坐标系各坐标轴的方向是如何确定的？ 2 什么是机床的工件坐标系？它与机床坐标系有什么不同 ？3 数控机床常用的地址符有哪些？各如何表示？4 程序段是怎样组成的？5 ISO及EIA标准代码能编码多少个符号？6 什么是绝对坐标与增量（相对）坐标？并如何用这两种坐标系确定点的坐标？7 数值计算的任务是什么？什么是基点、节点？