数控机床编程与操作.docx
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数控机床编程与操作
数控机床编程与操作
（电子教案）
主编：
王世辉
副主编：
黄应勇曾林
第1章概述
一、基本内容
1、数控技术发展的历史沿革
2、数控机床的基本组成及工作原理
3、数控机床的分类
4、数控机床的加工特点及应用
二、教学参考时数：
2
三、授课形式：
理论
四、学习要求
1、了解数控技术发展的历史沿革、基本组成、工作原理、分类
2、掌握数控机床的加工特点及应用
3、了解CNC装置插补原理
1.1数控技术发展的历史沿革
1.1.1数控机床的诞生
1949年美国帕森公司（ParsonsCo）接受空军的委托和麻省理学院（MIT）合作，于1952年3月研制成功世界上第一台有信息存储和处理功能的新型机床。
1.1.2数控机床的发展过程
先后经历了第一代电子管数控系统、第二代晶体管数控系统、第三代集成电路数控系统、第四代小型计算机数控系统和第五代微型机数控系统等五个发展阶段。
1.1.3我国数控机床的发展简介
我国早在1958年就开始研制数控机床，但是发展速度一直缓慢。
直到20世纪80年代以来，在消化吸收国外先进技术的基础上，我国的数控技术有了新的发展，数控机床才真正进入小批量生产的商品化时代。
1.2数控机床的基本组成及工作原理
数控机床又称CNC（ComputerNumericalControl）机床，是由电子计算机或专用电子计算装置对数字化的信息进行处理而实现自动控制的机床。
1.2.1数控机床的组成
数控机床一般由程序输入装置、数控装置、伺服系统、强电控制装置、检测装置和主机
六部分组成。
如图1.1所示。
1.2.2数控机床基本工作原理
工作原理如图1.3所示。
1.3数控机床的分类
1.3.1按加工方式分类
1、普通数控机床2、加工中心3、数控特种加工机床4、其它类型的数控机床
1.3.2按控制运动的方式分类
1、点位控制数控机床2、直线控制数控机床3、轮廓控制数控机床
1.3.3按同时控制轴数分类
1、二坐标机床2、三坐标数控机床3、
坐标数控机床4、多坐标数控机床
1.3.4按伺服系统分类
1、开环伺服数控机床
开环伺服系统，如图1.7所示。
开环伺服系统的结构简单，成本低，调整维修方便，工作可靠，它适用于精度、速度要求不高的场合。
目前，开环控制系统多用于经济型数控机床。
2、闭环伺服数控机床
闭环伺服系统如图1.8所示。
特点是加工精度高、移动速度快。
但是，安装调试比较复杂，且造价高，因此，该系统多用于高精度数控机床和大型数控机床。
3、半闭环伺服数控机床
这种控制方式对移动部件的实际位置不进行检测，如图1.9所示。
半闭坏控制精度介于开环系统与闭环系统之间，对于半闭环伺服系统，其角位移检测装置结构简单，安装方便，系统调试方便，并有很好的稳定性。
因此半闭环伺服系统得到了广泛应用，且成为首选控制方式。
1.4数控机床的加工特点及应用
1.4.1数控机床加工的特点
1、具有高度柔性院
2、加工精度高，尺寸一致性好
3、生产效率高
4、减轻劳动强度，且可能实现一人多机操作
5、经济效益明显
6、利于生产管理现代化
1.4.2数控机床的应用
1、批量小而又多次生产的零件；
2、几何形状复杂的零件；
3、在加工过程中必须进行多种加工的零件；
4、切削余量大的零件；
5、必须严格控制公差的零件；
6.、工艺设计会变化的零件；
7、加工过程中如果发生错误将会造成严重浪费的贵重零件；
8、需全部检验的零件。
1.5CNC装置插补原理简介
1.5.1逐点比较插补法的基本原理
刀具在按要求轨迹加工工件轮廓的过程中，要不断比较实际加工轨迹与给定轨迹之间的相对位置。
1.5.2直线插补计算简介
1、偏差计算公式
偏差计算公式
Fi=
由F的值就可以判断出P点与直线OE的相对位置。
即
若Fi≥0，表明P点在0E直线上或上方；
若Fi＜0，表明P点在0E直线的下方；
当Fi≥0时，沿X轴正方向走一步，逼近直线OE；当Fi＜0时，沿Y轴正方向走一步，逼近直线OE。
2、终点判别法
第一种方法：
设置X、Y两个减法计数器，在X坐标（或Y坐标）进给一步时，计数器减l，直到这两个计数器中的数都减到零时，便到达终点。
第二种方法：
用一个终点计数器，寄存X和Y两个坐标，从起点到达终点的总步数
∑=|Xe|+|Ye|，X、Y坐标每进给一步，∑减去1，直到∑为零时，便到达终点。
第2章数控编程基础
一、基本内容
1、数控编程内容、步骤及方法
2、数控机床的程序结构与格式
3、数控机床的坐标系
4、编制程序的工艺处理
二、教学参考时数：
2
三、授课形式：
理论
四、学习要求
1、了解数控编程内容、步骤及方法
2、掌握字地址程序段格式
3、掌握建立工件坐标系的方法
4、了解编制程序的工艺处理方法
2.1数控编程内容、步骤及方法
2.1.1数控编程的内容与步骤
1、加工工艺分析
2、确定加工工艺过程
3、数值计算
4、编写零件加工程序单
5、程序校验与首件试切
2.1.2数控编程的方法
1、手工编程号2、自动编程
2.2数控机床的程序结构与格式
2.2.1加工程序的组成结构
对功能较强的数控系统加工程序可分为主程序和子程序。
不论是主程序还是子程序，每一个程序都是由程序号、程序内容和程序结束三部分组成。
程序的内容则由若干程序段组成，程序段是由若干字组成，每个字代表某一信息单元；每个字又由英文字母（表2.1）和数字组成，这个英文字母称为地址符，它代表机床的一个位置或动作，如图2.2所示。
图2.2字的含义
2.2.2程序段格式
零件的加工程序是由程序段组成。
程序段格式是指同一个程序段中关于字母、数字、符号等各个信息代码的排列顺序和涵义的规定表示方法。
通常有字地址程序段格式、使用分隔符的程序段格式和固定程序段格式，最常用的为字地址程序段格式。
字地址程序段格式的编排顺序如下：
N—G—X—Y—Z—I—J—K—P—Q—R—A—B—C—F—S—T—M—
例如:
N60G01X50.0Y80.0F200S630T02M03
2.2.3程序段内各字的说明
1、程序段顺序号字用以识别程序段的编号，由地址码N和后面的若干位数字组成。
2、准备功能字G是使数控机床作好某种操作准备的指令，用地址G和两位数字表示。
3、尺寸字用来给定机床坐标轴位移的方向和数值，由地址码、＋、－符号及绝对（或增量）数值构成。
4、进给功能字F表示刀具中心或刀尖运动时的进给速度，由地址码F和其后面若干位数字构成。
5、主轴转速功能字S用于指定主轴转速，由地址码S和其后面的若干数字组成。
6、刀具功能字T用于指令加工中所用刀具号，由地址功能码T和其后面的若干位数字组成。
7、辅助功能字M也叫M功能或M代码，用于指令机床或系统中辅助装置的开关动作或状态，由地址码M和后面的两位数字组成。
2.3数控机床的坐标系
2.3.1数控机床的坐标轴
数控机床坐标轴的指定方法已标准化，我国在JB/T305l—1999中规定了各种数控机床的坐标轴和运动方向。
1、坐标轴和运动方向命名的原则
⑴标准的坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，如图2.3所示。
大拇指的方向为X轴正方向，食指为Y轴的正方向，中指为Z轴的正方向。
⑵永远假定刀具相对于静止的工件而运动。
⑶标准规定：
机床某一部件运动的正方向，是增大工件和刀具之间距离的方向。
⑷机床旋转坐标运动的正方向是按照右旋螺纹旋人工件的方向。
2、坐标轴的指定
⑴Z轴
①Z轴是首先要指定的轴。
规定机床的主轴为Z轴，由它提供切削功率。
②如果机床没有主轴（如数控刨床），则取Z轴为垂直于工件装夹表面方向。
③如果一个机床有多个主轴，则取常用的主轴为Z轴。
⑵X轴
①X轴通常是水平轴，它平行于工件的装夹表面。
②对于工件旋转的机床（如车床），X轴的方向取水平的径向。
其正方向为刀具远离工件旋转中心的方向。
③对于刀具旋转的机床，若Z轴是垂直的，当从主轴向立柱看时，X轴正方向指向右若Z轴是水平的，当从主轴向工件方向看时，X轴正方向指向右。
④对刀具和工件均不旋转的机床，X坐标平行于主要切削方向，并以切削方向为正方向。
⑶Y轴
①Y轴垂直于X、Z轴。
②Y轴根据X、Z轴，按照右手直角笛卡尔坐标系确定。
⑷旋转坐标A、B、CA、B、C分别表示其轴线平行于X、Y、Z轴的旋转坐标。
A、B、C的正方向，相应地表示在X、Y、Z坐标正方向上，按照右旋螺纹前进的方向。
2.3.2机床坐标系与工件坐标系
1、机床坐标系
机床坐标系是机床上固有的坐标系，并设有坐标原点，该原点称为机床原点。
所谓机床原点是指机床上一个固定不变的点，它一般为各个坐标轴移动的极限位置。
2、工件坐标系
工件坐标系在编程时使用，由编程人员在工件上设定某一点为原点，在其上建立工件坐标系。
2.4编制程序时的工艺处理
2.4.1分析零件图、确定加工路线
1、确定的加工路线应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求。
⑴当加工余量较大时，可采用多次走刀切削的方法。
⑵当铣削平面零件外轮廓时，刀具切入（或切出）工件时，而应沿外轮廓曲线延长线的切向切入（或切出）。
⑶铣削封闭的内轮廓表面时，刀具的切入和切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处。
⑷在数控车床上加工螺纹时，要有引入距离和超越距离。
⑸铣削曲面时，常用球头刀采用“行切法”进行加工。
⑹对于孔系加工，采用单向趋近定位点的方法。
2、为提高生产效率，在确定加工路线时，应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程时间。
3、为减少编程工作量，还应使数值计算简单，程序段数量少。
2.4.2确定零件的安装方法和选择夹具
1、零件定位基准应尽量与设计基准重合，以减少定位误差。
2、尽量减少装夹次数，装夹零件要迅速方便,尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工面。
3、零件上的加工部位要外露，以免因夹具而影响进给。
4、尽量选用组合夹具、通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具。
5、要多采用气动、液压夹具，以减少数控机床停机时间及提高安装可靠性。
2.4.3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。
对刀点应选择在对刀方便、编程简单的地方。
对刀就是使“刀位点”与“对刀点”重合。
所谓“刀位点”是指车刀、镗刀的刀尖钻头的钻尖立铣刀、端铣刀的刀具轴线与刀具底面的交点，球头铣刀的球头中心。
数控车床、数控镗、铣床或加工中心等常需换刀，故编程时还要设置一个换刀点。
一般换刀点选择在程序的起始点或机床零点上。
2.4.4选择刀具和确定切削用量
1、刀具的选择
刀具的选择是包括刀具材料选择、刀具结构选择、刀具几何参数选择。
2、切削用量的选择
⑴背吃刀量的确定背吃刀量是指在垂直于进给方向上，待加工表面与已加工表面间的距离。
它的大小应尽量使背吃刀量等于工件加工余量，为保证加工质量，可留少量的精加工余量以便再精加工一次。
⑵进给速度的确定进给速度是指单位时间内或主轴旋转一周，刀具沿进给方向移动的距离。
它的大小应根据零件加工精度和表面粗糙度的要求来选取。
⑶切削速度的确定切削速度是指切削时，刀具切削刃上某点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度。
切削速度的选择可参考有关切削用量手册制定切削速度。
第3章数控车床编程
一、基本内容
1、数控车床编程基础
2、数控车床程序的编制
二、教学参考时数：
14
三、授课形式：
理论
四、学习要求
1、了解数控车床的用途及分类
2、掌握数控车床的坐标系统
3、掌握绝对编程与增量编程的方法
4、掌握M、F、S、T功能指令
5、掌握准备功能指令
6、掌握数控车床编程的基本方法
3.1数控车床编程基础
3.1.1数控车床概述
1、数控车床的用途
车削加工一般是通过工件旋转和刀具进给完成切削过程的。
其主要加工对象是回转体零件。
由于数控车床是自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，所以数控车床特别适合加工形状复杂的轴类或盘类零件。
2、数控车床的分类
（1）按机床的功能分类
①全功能型数控车床
②经济型数控车床
（2）按主轴的配置形式分类
①卧式数控车床
②立式数控车床
（3）按数控系统控制的轴数分类
①两轴控制的数控车床
②四轴控制的数控车床
③两轴加C轴控制的数控车床（即车削中心）
3.1.2数控车床坐标系统
1、机床的坐标轴
数控车床是以主轴轴线方向为Z轴方向，刀具远离工件的方向为Z轴的正方向。
X轴位于与工件安装面相平行的水平面内，垂直于主轴轴线的方向，且刀具远离工件的方向为X轴的正方向。
2、机床坐标系
机床原点为机床上的一个固定点，不能改变。
车床的机床原点定义为主轴旋转中心线与卡盘体端面的交点。
参考点也是机床上一固定点，它是X、Z轴最远离工件的那一个点。
以机床原点为坐标原点，建立一个Z轴与X轴的直角坐标系，则此坐标系就称为机床坐标系。
3、工件坐标系
以基准点作为坐标系的坐标原点建立一个X轴与Z轴的直角坐标系，此坐标系称为工件坐标系。
通常工件原点选择在工件右端面、左端面或卡爪的前端面与主轴的交点处。
将工件安装在卡盘上，则机床坐标系与工件坐标系是不重合的。
而工件坐标系的Z轴与主轴轴线重合、X轴随工件原点位置不同而异；各轴正方向与机床坐标系相同。
4、绝对编程与增量编程
数控车床编程时，可采用绝对值编程、增量值编程和两者混合编程。
绝对值编程是以工件坐标系的原点作为起点来表示终点位置进行编程的一种方法。
增量值编程是根据与前一位置的坐标值增量来表示位置的一种编程的方法；即终点坐标是相对起点坐标而言的。
绝对编程和增量编程可在同一程序段中混合使用，称之为混合编程，这样可免去编程时一些尺寸值的计算。
5、直径编程与半径编程
当用直径值编程时，称为直径编程法；用半径值编程时，称为半径编程法。
车床出厂时设定为直径编程，如需用半径编程，则要改变系统中相关的设定参数，使系统处于半径编程状态。
6、脉冲数编程与小数点编程
当使用脉冲数编程时，与数控系统最小设定单位（脉冲当量）有关，当脉冲当量为0.001时，表示一个脉冲运动部件移动0.001mm。
程序中移动距离数值以μm为单位，例如：
X50000表示移动50000μm，即移动50mm。
当使用小数点输入编程时，以mm为单位，要特别注意小数点的输入。
例如，X50.0表示移动距离为50mm，而X50则表示采用脉冲数编程，移动距离为50μm（0.05mm）。
7、为了提高工件的径向尺寸精度，X向的脉冲当量取Z向的一半。
3.2数控车床程序的编制
3.2.1M、F、S、T功能指令
1、辅助功能（M功能）
辅助功能是用地址M及两位数字表示的。
它主要用于机床加工操作时的工艺性指令。
其特点是靠继电器的通断来实现其控制过程，下面介绍常用的M功能指令。
（1）M00——程序暂停。
（2）M01——任选暂停。
（3）M02——程序结束。
（4）M03——主轴正转。
（5）M04——主轴反转。
（6）M05——主轴停止。
（7）M06——刀塔转位。
（8）M08——冷却液开。
（9）M09——冷却液关。
（10）M30——纸带结束。
（11）M98——调用子程序。
（12）M99——子程序结束返回主程序。
2、F功能
F功能——指定进给速度，由地址F和其后面的数字组成。
每转进给G99：
在一条含有G99的程序段后面，遇到F指令时，则认为F所指定的进给速度单位为mm／r。
系统开机状态为G99状态。
每分钟进给G98：
在一条含有G98的程序段后面，再遇到F指令时，则认为F所指定的进给速度单位为mm／min。
3、S功能
S功能——指主轴功能，其是表示主轴转速或速度。
主轴功能用字母S和其后面的数字来表示。
（1）主轴最高速度限定G50G50除有坐标系设定功能外，还有主轴最高速度设定的功能，即用S指定的数值设定主轴每分钟最高转速。
（2）恒线速度控制G96G96是接通恒线速度控制的指令，系统执行G96指令后，便认为S后的数值表示切削速度的大小（单位为m／min）。
（3）主轴转速控制G97G97是取消恒线速度控制的指令，此时，S指定的数值表示主轴每分钟的转数。
（4）T功能
T功能——指刀具功能，表示选刀或换刀。
用地址T和后面的四位数字来指定刀具号和刀具补偿号，其中前两位为刀具号，后两位为既是刀具长度补偿号，又是刀尖圆弧半径补偿号。
3.2.2准备功能指令
准备功能又称“G功能”或“G代码”，是由地址字和后面的两位数来表示的。
G代码有两种模态：
模态代码和非模态代码。
G代码按其功能的不同分为若干组，00组的G代码属于非模态代码，只限定在被指定的程序段中有效，其余组的G代码属于模态G代码，具有续效性，在后续程序段中，只要同组其他G代码未出现之前一直有效。
在同一程序段中可以指令多个不同组的G代码，但如果在同一程序段中指令了两个或两个以上属于同一组的G代码时，只有最后的G代码有效。
如图3.5工件坐标系设定
3.2.3数控车床编程的基本方法
1、坐标系设定
工件坐标系设定G50
其指令格式：
G50XαZβ；
该指令是规定刀具起刀点距工件原点的距离。
坐标值α、β为刀位点在工件坐标系中的起始点（即起刀点）位置。
如图3.5所示，假设以工件右端面的中心为工件原点，则刀尖的起始点距工件原点的X向尺寸和Z向尺寸分别为α（直径值）和β，则执行程序段G50后，系统内部即对α、β进行记忆，并显示在面板显示器上，就相当于系统内部建立了一个以工件原点为坐标原点的工件坐标系。
2、快速定位指令G00
G00指令命令刀具以点定位控制方式从刀具所在点快速运动到下一个目标位置，它只是快速定位，而无运动轨迹要求，也无切削加工过程。
指令格式：
G00X（U）Z（W）；
采用绝对编程时，刀具分别以各轴快速进给速度移动到工件坐标系中坐标值为X、Z的点上；采用增量编程时，则刀具移动到距始点（当前点）距离为U、W值的点上。
注意的事项有：
（1）G00为模态指令；
（2）移动速度不能用程序指令设定，由厂家预调；
图3.10直线插补实例
（3）G00的执行过程：
刀具由程序起始点加速到最大速度，然后快速移动，最后减速到终点，实现快速点定位；
（4）刀具的实际运动路线不是直线，而是折线，这与参数设定的各轴快速进给速度及实际移动距离有关。
使用时注意刀具是否和工件发生干涉。
3、直线插补G01
G01指令是直线运动的命令，规定刀具在两坐标间以插补联动方式按指定的F进给速度作任意斜率的直线运动。
指令格式：
G01X（U）Z（W）F；
采用绝对编程时，刀具以F指令的进给速度进行直线插补，运动到坐标值为X、Z的点上；采用增量编程时，刀具则移至距当前点（始点）的距离为U、W值的点上。
其中F代码是进给路线的进给速度指令代码。
例2：
如图3.10所示：
使用绝对编程时：
从A→B→C
N10G01Z－12.0F0.3；
N20X50.0Z－52.0；
使用增量编程时：
从A→B→C
N10G01W－12.0F0.3；
N20U20.0W－40.0；
使用混合编程时：
从A→B→C
N10G01Z－12.0F0.3；
N20X50.0W－40.0；
注意事项：
（1）G01为模态指令；
（2）G01指令后的坐标值取绝对值编程还是取增量值编程，由尺寸字决定；
（3）进给速度由F指令决定。
4、倒角、倒圆编程
回转体类零件的台阶和端面可用G01指令来实现倒角与倒圆。
（1）45°倒角
由轴向切削向端面切削倒角。
编程格式：
G01Z（W）I±i；
由端面切削向轴向切削倒角。
编程格式：
G01X（U）K±k；
（2）任意角度倒角
在直线进给程序段部加上C，可自动插入任意角度的倒角功能。
（3）倒圆角
由Z轴向X轴倒圆角
编程格式：
G01Z（W）R±r；
由X轴向Z轴倒圆角
编程格式：
G01X（U）R±r；
5、圆弧插补指令G02、G03
圆弧插补指令是命令刀具在指定平面内按给定的F进给速度作圆弧运动，切削出圆弧轮廓。
（1）圆弧顺逆的判断
圆弧插补指令分为顺时针圆弧插补指令G02和逆时针圆弧插补指令G03，按如图3.18所示，可正确判断出圆弧的顺逆。
注意事项：
图3.18圆弧顺逆的判断
①对于前置刀架圆弧顺逆的判断刚好与时针方向判断相反。
②对于后置刀架圆弧顺逆的判断刚好与时针方向判断一致。
2、G02/G03指令的格式
①用I、K指定圆心位置，其格式为：
G02/G03X（U）Z（W）IKF；
②用圆弧半径R指定圆心位置，其格式为：
G02/G03X（U）Z（W）RF；
注意事项：
·用绝对值编程时，用X、Z表示圆弧终点在工件坐标系中的坐标值；采用增量值编程时，用U、W表示圆弧终点相对于圆弧起点的增量值。
·I、K为圆心坐标相对于圆弧起点坐标的增量。
·用半径R指定圆心位置时规定：
圆心角小于或等于180°的圆弧R值为正；圆心角大于180°的圆弧R值为负。
·程序段中同时给出I、K和R值，以R值优先，I、K无效。
图3.21顺圆插补
·G02/G03用半径R值指定圆心位置时，不能描述整圆；要描述整圆，只能使用I、K指定圆心编程。
（3）编程举例
例3顺时针圆弧插补，插补过程A→B→C→D，见图3.21。
方法一：
用I、K表示圆心位置。
①绝对值编程
……
N20G00X12.0Z2.0；
N30G01Z－16.0F0.3；
N40G02.X24.0Z－22.0I6.0K0F0.25；
N50G01X32.0F0.3；
……
②混合值编程
……
N20G00X12.0Z2.0；
N30G01Z－16.0F0.3；
N40G02X24.0W－6.0I6.0K0；
N50G01X32.0；
……
方法二：
用R表示圆心位置。
……
N20G00X12.0Z2.0；
N30G01Z－16.0F0.3；
N40G02X24.0W－6.0R6.0；
N50G01X32.0；
……
6、暂停指令G04
该指令为非模态指令，用于实现无进给光整加工。
程序格式为：
G04P；或G04X（U）；
其中X、U、P为暂停时间，P后面的数值为整数，单位为ms，X（U）后面为带小数点的数，单位为s。
7、米制输入与英制输入G21、G20
G21和G20是两个互相取代的G代码，米制输入G21，英制输入G20，机床出厂时一般设为G21状态。
8、刀具补偿功能
刀具的补偿功能由程序中指定的T代码来实现。
T代码由字母T后面跟4位数码组成，其中前两位为刀具号，后两位为刀具补偿号。
刀具补偿号可以是00－32中的任一数，刀具补偿号为00时，表示不进行补偿或取消刀具补偿。
刀具的补偿有以下几种形式。
（1）刀具的偏移
（2）刀具的几何磨损补偿
图3.31刀具半径左补偿方向图3.32刀具半径左补偿方向
（3）刀具半径补偿
G41——刀具半径左补偿，即沿刀具运动方向看（假设工件不动），刀具位于工件左侧
时的刀具半径补偿，如图3.31所示。
G42——刀具半径右补偿，即沿刀具运动方向看（假设工件不动），刀具位于工件右侧时的刀具半径补偿，如图3.32所示。
G40——刀具半径左补偿取消，即使用该指令后，G41、G42指令无效。
（4）车刀的形状和位置参数
（5）刀具补偿量的设定
9、子程序调用指令
在一个加工程序的若干位置上，如果存在某一固定、顺序且重复出现的内容或者几个程序中都要使用它时，可以把这类程序作为固定程序，并事先存储起来，使程序简化，这组程序叫子程序。
主程序在执行过程中如果需要某一子程序，可
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