《金工实习》第13章数控加工基础

第13章 数控加工基础13.1 数控机床的组成、基本加工原理、分类 13.1.1 数控机床的组成现代数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、位置测量与反馈系统、辅助控制单元和机床主机组成，如图13-1所示为各组成部分的逻辑结构简图：图13-1 数控机床逻辑结构示意图13.1.2 数控机床的基本加工原理 数控机床加工零件时，先将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等)和步骤以及与工件之间的相对位移等都用数字化的代码表示，并按工艺先后顺序组织成“NC程序”，通过介质(如软盘、电缆等)或手工将其输入到机床的NC存储单元中，NC装置对输入的程序、机床状态、刀具偏置等信息进行处理和运算，发出各种驱动指令来驱动机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出尺寸和形状都符合预期结果的零件。数控加工中数据转换过程如图13-2所示：图13-2 数控加工中数据转换过程一、译码(解释) 译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。 二、刀补处理(计算刀具中心轨迹) 用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。 三、插补计算 本模块以系统规定的插补周期t定时运行，它将由各种线形（直线，圆弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在t内位移指令（X1、 Y1、），并送给进给伺服系统，实现成形运动。 四、PLC控制 PLC控制是对机床动作的“顺序控制”。即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。五、数控加工轨迹控制原理 1逼近处理1）如图13-3所示，为欲加工的圆弧轨迹L，起点为P0，终点为Pe。CNC装置先对圆弧进行逼近处理。 图13-3 数控加工原理图2）系统按插补时间t和进给速度F的要求，将 L分割成若干短直线 L1，L2， Li，这里： Li = Ft （i=1，2，）其中F：给定的进给速度 t：数控系统插补周期 3）用直线Li逼近圆弧存在着逼近误差，但只要足够小（Li足够短），总能满足零件的加工要求。 4）当F为常数时，而t对数控系统而言恒为常数，则Li的长度也为常数L，只是其斜率与其在L上的位置有关。 2指令输出 1）将计算出ti 在时间内的和作为指令输出给Y轴，以控制它们联动。即：DXi X 轴； DYi Y 轴。 2）只要能连续自动地控制X，Y 两个进给轴在ti时间内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。 13.1.3 数控机床的分类与特点 一、数控机床的分类 1. 按加工路线可分为： 1）点位控制数控机床：这种机床只能控制工作台（或刀具）从一个位置（点）精确地移动到另一个位置（或点），在移动过程中不进行加工。 2）轮廓加工数控机床：这种机床的数控系统能够同时控制多个坐标轴联合动作，不仅控制轮廓的起点和终点，而且还控制轨迹上每一点的速度和位置。对不同形状的工件轮廓表面进行加工，如数控车床能够车削各种回转体表面，数控铣床能铣削轮廓表面。 2. 按伺服系统的控制方式分： 1）开环控制系统 2）闭环控制系统 3）半环控制系统 二、数控机床的特点 控制机床实现自动运转。数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。数控加工的最大特征有两点：首先可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度；其次是加工质量的重复性，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。 13.2 数控编程基础知识 数控加工程序编制就是将加工零件的工艺过程、工艺参数、工件尺寸、刀具位移的方向及其它辅助动作（如换刀、冷却、工件的装卸等）按运动顺序依照编程格式用指令代码编写程序单的过程。所编写的程序单即加工程序单。 13.2.1 数控加工的坐标系与指令系统 数控加工程序的编写方法有两种，手工编程和自动编程，手工编程是由用户根据加工要求，使用该机床的指令代码手工书写数控程序。自动编程是由用户运行编程软件，输入零件图纸和加工参数(如进给量、背吃刀量、切削速度，工件材料、毛坯尺寸等)，由编程软件自动生成数控程序。两种编程方法各有所长。一、坐标系 为了确定机床的运动方向和运动距离，必须在机床上建立坐标系，以描述刀具和工件的相对位置及其变化关系。数控机床的坐标轴的指定方法已经标准化，我国在JB30511982中规定了各种数控机床的坐标轴和运动方向，它按照右手法则规定了直角坐标系中X、Y、Z三个直线坐标轴和A、B、C三个回转坐标轴的关系。如图13-4所示。图13-5(a)为车床的坐标系，装夹车刀的溜板可沿两个方向运动，溜板的纵向运动平行于主轴，定为Z轴，而溜板垂直于Z轴方向的水平运动，定为X轴，由于车刀刀尖安装于工件中心平面上，不需要作竖直方向的运动，所以不需要规定Y轴。图13-5(b)为三轴联动立式铣床的坐标系，图中安装刀具的主轴方向定为Z轴，主轴可以上下移动，机床工作台纵向移动方向定为X轴。与X、Z轴垂直的方向定为Y轴。二、坐标原点 机床原点：由机床生产厂家在设计机床时确定，由于数控机床的各坐标轴的正方向是定义好的，所以原点一旦确定，坐标系就确定了，机床原点也称机械原点或零点，是机床坐标系的原点。机床原点不能由用户设定，一般位于机床行程的极限位置。机床原点的具体位置须参考具体型号的机床随机附带的手册，如数控车的机床原点一般位于主轴装夹卡盘的端面中心点上。图13-4 数控机床的坐标轴 （a）数控车床的坐标系 （b）数控铣床的坐标系图13-5 数控机床的坐标系统 1、机床参考点：机床参考点是相对于机床原点的一个特定点，它由机床厂家在硬件上设定，厂家测量出位置后输入至NC中，用户不能随意改动，机床参考点的坐标值小于机床的行程极限。为了让NC系统识别机床坐标系，就必须执行回参考点的操作，通常称为回零操作。或者叫返参操作，但并非所有的NC机床都设有机床参考点。 2、工件原点：也叫编程原点，它是编程人员在编程前任意设定的，为了编程方便，选择工件原点时，应尽可能将工件原点选择在工艺定位基准上，这样对保证加工精度有利，如数控车一般将工件原点选择在工件右端面的中心点。工件原点一旦确立，工件坐标系就确定了。编写程序时，用户使用的是工件坐标系，所以在启动机床加工零件之前，必须对机床进行设定工件原点的操作，以便让NC确定工件原点的位置，这个操作通常称为对刀。对刀是加工零件前一个非常重要且不可缺少的步骤，否则不但不可能加工出合格的零件还会导致事故的发生，在高档数控系统中，工件原点甚至在一个程序中还可以进行变换，由相应的选择工件原点指令完成。工件原点与机床原点之间的距离叫原点偏置。三、坐标指令 在加工过程中，工件和刀具的位置变化关系由坐标指令来指定，坐标指令的值的大小是与工件原点带符号的距离值。坐标指令包括：X、Y、Z、U、V、W、I、J、K、R等。其中，通常来说X、Y、Z是绝对坐标方式；U、V、W相对坐标方式，但在三坐标以上系统中，有相应的G指令来表示是绝对坐标方式还是相对坐标方式，不使用U、V、W来表示相对坐标方式；I、J、K或R是表示圆弧的参数的两种方法，I、J、K表示圆心与圆弧起点的相对坐标值，R表示圆弧的半径。 以下介绍点的相对坐标与绝对坐标表示法：如图13-6(a)其中A点(10，10)用绝对坐标指令表示为X10 Z10；B点(25，30)用绝对坐标指令表示为X25 Z30； (a)绝对坐标 （b）相对坐标图13-6 绝对坐标和相对坐标需要指出的是：在坐标指令中，有一种特殊情况：即数控车床系统的X轴方向的指令值，X轴方向是零件的半径或直径方向，在工程图纸中，通常标注的是轴类零件的直径，如果按照数控车的工件原点，X轴的指令值应是工件的半径，这样在编程时会造成很多直径值转化为半径值的计算，给编程造成很多不必要的麻烦，因此，数控车的NC系统在设计时通常采用直径指定，所谓直径指定即数控车的X轴的指令值按坐标点在X轴截距的2倍，即表示的是工件的直径，如X20，那么在数控车系统中表示的是X方向刀具与工件原点的距离是10mm而不是20mm。1. 绝对坐标方式： 在某一坐标系中，用与前一个位置无关的坐标值来表示位置的一种方式，坐标原点始终是编程原点，例：A(X10 Z10)2.相对坐标方式(或叫增量坐标方式)：在某一坐标系中，由前一个位置算起的坐标值增量来表示的一种方式。即设定工件坐标系的原点自始至终都和刀尖重合，亦即程序起始点就是工件坐标系的原点，并且和上一程序段中的参考点重合。如图13-6(b)，若刀具由AB，当刀具位于A点时，编程原点是A点，当刀具位于B点时，编程原点是B点，那么，B点坐标指令值分别是由AB在各坐标轴方向的增量。例：A点用绝对坐标方式表示为：(X10 Z10)B点用增量坐标方式(相对坐标方式)表示为：(U+15 W+20)其中+号可以省略则写成(U15 W20) 可以看到：X 15 Z 20 应用于编写程序时，在图13-6（b）中，假设刀具当前位于A点，要求刀具快速运动到B点(空行程)则：采用绝对指令方式：N1 GOO X25 Z30 采用相对指令方式N1 GOO Ul5 W20。四、指令 也称准备功能(prepare function)指令，简称G功能指令或G代码，C指令确定的功能，可分为坐标系设定类型、插补功能类型、刀具补偿功能类型、固定循环类型等。G指令由字母G和其后两位数字组成，从GOO到G99共100种；其中GOO至G09可简写为G0至G9。表13-1是部分G指令代码简介。表13-1 部分G指令代码及功能 代码 功 能 程序指令类型 功能在出现段有效 备 注 GOO 快速点定位 模态指令 用于空行程 G01 直线插补 模态指令 直线切削进给 G02 顺时针圆弧 模态指令 圆弧或圆切削 G03 逆时针圆弧 模态指令 圆弧或圆切削 G04 暂停 非模态指令 仅本段内有效 用于拐角过渡 G17 XY平面选择 模态指令 用于数控铣 G18 ZX平面选择 模态指令 用于数控铣 G19 ZY平面选择 模态指令 用于数控铣 G32 螺纹单一循环 模态指令 用于数控车 G72 螺纹复合循环 模态指令 用于数控车 G90 绝对方式 模态指令 用于数控铣 G91 增量方式 模态指令 用于数控铣 模态指令：模态指令指具有自保性的指令，即后面的程序段与前面程序段代码相同时，可以不必重复指定，G指令有部分是模态指令，F指令也是模态指令。关于模态指令，有的文献称为续效指令，含义相同。五、指令指令用于指定机床一些辅助动作的开/关功能, 如:机床主轴的正向、停、反向旋转，切削液的开关、程序的启动、停止等。因此也称辅助功能指令，它由字母和后两位数字组成。表13-2是部分代码功能表 表13-2部分代码功能表代 码 功 能 数控车 数控铣 备 注 MOO 程序停止 “模态信息”保存 M01 计划停止 “任选停止”有效 M02 程序结束 不返回 M03 主轴正转 M04 主轴反转 M05 主轴停止 进给不停 M06 换刀 M07 2号冷却开 M08 1号冷却开 M09 冷却关 M41 主轴低速 M42 主轴高速 M30 程序结束 返回程序头部 M98 子程序调用 调出子程序 M99 子程序调用 子程序调用结束 六、F指令 F代码用于指定插补进给速度。F代码编程有两种，每分钟进给量编程和每转进给量编程。在每分钟进给量编程中，F后的数值表示的是主轴每分钟内刀具的进给量，比如：F50，表示每分钟进给量为50mm值得注意的是，F代码是模态指令，但一个程序中至少应该在第一个插补指令后有一个F指令，例： N35 G1 X30 F60*N40 Z-20*N45 U-3 F22 * 注意：N指令表示行号，此外无任何其他意义，机床读到N代码时不产生任何动作，其中N35和N40的F代码是一致的，(G1也是模态指令，N40，N45中对G1也没有重复指定)七、指令 指令用于指定主轴的旋转速度，一个程序段内只能含有一个代码，由字母加数字表示，例如： 1.指定主轴的转速是400rmin，则相应的指令为S400。2.在数控车系统中，根据加工工艺要求，零件端面要求恒线速度加工，因此，数控车系统中，对指令有特殊规定：端面恒线速度切削：如1 96 1000*其中1000是端面的线速度，为1000mmin。速度单位因机床而异，参见机床说明书。 3.端面恒线速度删除：如2 97 1000。八、指令 T指令用于指定所选用的刀具，它由字母T和后接数字组成，在同一程序中，若同时指令坐标移动指令和刀具T指令，执行顺序一般为先执行T指令，但具体由机床厂家确定，参见机床说明书。需要指出的是：有的数控系统如发那科(FANUC OTD)系统，刀具指令采用字母T加四位数字表示，四位数字的高2位表示刀具选择号，低两位表示刀具偏置号。具体表示方法见机床说明书。13.2.2 数控加工程序格式 数控加工程序一般由程序名、程序段、子程序等组成。一、程序名 程序名是数控程序必不可少的第一行，由一个地址符加上后接四位数字组成，第一个字符或字母是具体的数控系统规定的，后接的四位数字是用户任意取的。可以小于四位，但不能大于四位，根据具体数控系统要求，打头的字符或字母一般为、或字母。 例：123，7788，(CJK6236A2数控车床)是合法的程序名。 01111，08888，(MV5数控铣床)是合法的程序名。子程序也有程序名，其程序名是主程序调用的入口。子程序的命名规则与主程序一样，视不同的数控系统有不同的规则。二、程序字 程序字由地址符及其后面的数字组成，在数字前可以加上+、-号。程序字是构成程序段的基本单位，也称指令字。+号通常可以省略不写。 例：X-1000，前面字母X为地址，必须是大写，地址规定其后数值的意义。-1000为数值。合在一起称程序字。根据程序中G指令的不同，同一个地址也许会有不同的含义。三、程序段 程序段由多个程序字组成，在程序段的结尾有结束符号，一般是“；”或“*”，IS0标准为“LF，显示为“*”，EIA标准为“CR，显示为“；”。程序段的格式为：N X X X G X X X土X X XX X ZX X XX X F X X S X X T X X M X X *数控系统一般采用一行为一个程序段，也有的采用多行为一段。例：N1 G01 X-100.0 Z20.0 ；是一个合法程序段(适用于MV5数控铣床)。N10 G1 X-100.0 Z20.0 * 是一个合法程序段(适用于CJK6236A2数控车床)。四、小数点与子程序 小数点用于距离、时间作单位的数，但有的地址不能用小数点输入。如F10表示10mmmin或10mmr，速度不能用小数点输入。而有的地址必须用小数点输入。如G04 X10暂停1秒。要用小数点输入的地址如下： X， Y， Z， A， B， C， U， V， W， I，J， K， R， Q 通常情况下NC按主程序的指令进行移动，当程序中有调用子程序指令时，以后NC就按子程序移动，当在子程序中有返回主程序指令时，NC就返回主程序，继续按照主程序指令移动。调用子程序使用如下格式：例：M98 P X X X L X X； 编写程序时，试采用表格形式，可以提高编程效率，减少差错。试验零件程序单如表13-3所示。表13-3 试验零件程序单名 称零 件 图 形 或 工 艺 说 明日 期页试验程序2005.411程 序 名编 写 者审 核%123小 泉小 林R/C* N10G00X20Z99 * N11 T01M03 * N12G00X18Z0 * N13G02Z-10 * N14G01 W-10 * N15 M02 * 13.2.3 数控加工程序编制的步骤 一、工艺方案分析 1. 确定加工对象是否适合于数控加工（形状较复杂、精度一致性要求高）。 2. 毛坯的选择（对同一批量的毛坯和质量应有一定的要求）。 3. 工序的划分（尽可能采用一次装夹、集中工序的加工方法）。 4 .选用适合的数控机床。 二、工序详细设计 1. 工件的定位与夹紧。 2. 工序划分（先粗后精、先面后孔、先主后次、尽量减少换刀）。 3. 刀具选择（应符合标准刀具系列、较高的刚性和耐用度、易换易调）。 4. 切削参数（尽可能取高一点）. 5. 走刀分配（走刀路线要短、次数要少、尽量避免法向切入、零件轮廓的最终加工应尽 可能一次连续完成）。 6. 工艺文件编制（工序卡、工具卡、走刀路线示意图）。 7. 工序卡包括：工步与走刀的序号、加工部位与尺寸、刀号及补偿号刀具型式与规格、 主轴转速、进给量及工时等。 三、运动轨迹的坐标值计算 1. 基点：两个几何元素（线、弧及样条曲线）的交点。 2. 节点：对非圆曲线用圆弧段来逼近，节点数的多少取决于逼近误差、逼近方法及曲线 本身的性质。 3. 辅助计算：刀具的引入与退出路线的坐标值计算，坐标系的计算（绝对值、增量值）。 四、编写数控加工程序 1. 用数控机床规定的指令代码（G、S、M）与程序格式，编写加工程序。 2. 编制机床调整卡，供操作者调整机床用。 3. 输入程序。 4. 校验与试切。 13.2.4 数控加工生产流程 使用数控机床进行零件加工，一般包括如下过程一、审图并确定加工要求；二、决定使用何种刀具；三、确定工件的装夹方法和夹具；四、编写加工程序；五、打开机床电源；六、输入程序到机床的NC中；七、装刀、装工件；八、测量刀具长度和直径偏置量；九、对齐工件和设置工件原点；十、检查程序(试空车，修正程序错误)；十一、通过试切来检查切削状态(如有必要, 修正错误、修正刀具偏置)；十二、机床自动运行切削工件；十三、产品完成。