《金工实习》数控加工基础.docx

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《金工实习》数控加工基础

第13章数控加工基础

13.1数控机床地组成、基本加工原理、分类

13.1.1数控机床地组成

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所示为各组成部分地逻辑结构简图：

图13-1数控机床逻辑结构示意图

13.1.2数控机床地基本加工原理

数控机床加工零件时,先将加工过程所需地各种操作（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地相对位移等都用数字化地代码表示,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地NC存储单元中,NC装置对输入地程序、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地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地零件.

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>

译码程序地主要功能是将用文本格式<通常用ASCII码）表达地零件加项目序,以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求地数据结构<格式）.该数据结构用来描述一个程序段解释后地数据信息.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地存放顺序和格式.

二、刀补处理（计算刀具中心轨迹>

用户零件加项目序通常是按零件轮廓编制地,而数控机床在加工过程中控制地是刀具中心轨迹,因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心地轨迹.刀补处理就是完成这种转换地程序.

三、插补计算

本模块以系统规定地插补周期△t定时运行,它将由各种线形<直线,圆弧等）组成地零件轮廓,按程序给定地进给速度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控制是对机床动作地“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,并按预先规定地逻辑顺序对诸如主轴地起停、换向,刀具地更换,工件地夹紧、松开,冷却、润滑系统等地运行等进行地控制.

五、数控加工轨迹控制原理

1．逼近处理

1）如图13-3所示,为欲加工地圆弧轨迹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地要求,将L分割成若干短直线⊿L1,⊿L2,…,⊿Li,…,这里：

⊿Li=F⊿t

其中F：

给定地进给速度⊿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δ,但只要δ足够小<⊿Li足够短）,总能满足零件地加工要求.

4）当F为常数时,而⊿t对数控系统而言恒为常数,则⊿Li地长度也为常数⊿L,只是其斜率与其在L上地位置有关.

2．指令输出

1）将计算出△ti在时间内地和作为指令输出给Y轴,以控制它们联动.即：

∆Xi⇒X轴；∆Yi⇒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地加工.

13.1.3数控机床地分类与特点

一、数控机床地分类

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：

这种机床地数控系统能够同时控制多个坐标轴联合动作,不仅控制轮廓地起点和终点,而且还控制轨迹上每一点地速度和位置.对不同形状地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.按伺服系统地控制方式分：

1）开环控制系统2）闭环控制系统3）半环控制系统

二、数控机床地特点

控制机床实现自动运转.数控加工经历了半个世纪地发展已成为应用于当代各个制造领域地先进制造技术.数控加工地最大特征有两点：

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；其次是加工质量地重复性,可以稳定加工质量,保持加工零件质量地一致.

13.2 数控编程基础知识

   数控加项目序编制就是将加工零件地工艺过程、工艺参数、工件尺寸、刀具位移地方向及其它辅助动作<如换刀、冷却、工件地装卸等）按运动顺序依照编程格式用指令代码编写程序单地过程.所编写地程序单即加项目序单.

13.2.1数控加工地坐标系与指令系统

数控加项目序地编写方法有两种,手工编程和自动编程,手工编程是由用户根据加工要求,使用该机床地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

为了确定机床地运动方向和运动距离,必须在机床上建立坐标系,以描述刀具和工件地相对位置及其变化关系.

数控机床地坐标轴地指定方法已经标准化,我国在JB3051—1982中规定了各种数控机床地坐标轴和运动方向,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三个回转坐标轴地关系.如图13-4所示.

图13-5（a>为车床地坐标系,装夹车刀地溜板可沿两个方向运动,溜板地纵向运动平行于主轴,定为Z轴,而溜板垂直于Z轴方向地水平运动,定为X轴,因为车刀刀尖安装于工件中心平面上,不需要作竖直方向地运动,所以不需要规定Y轴.

图13-5（b>为三轴联动立式铣床地坐标系,图中安装刀具地主轴方向定为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轴垂直地方向定为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,因为数控机床地各坐标轴地正方向是定义好地,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,是机床坐标系地原点.机床原点不能由用户设定,一般位于机床行程地极限位置.机床原点地具体位置须参考具体型号地机床随机附带地手册,如数控车地机床原点一般位于主轴装夹卡盘地端面中心点上.

图13-4数控机床地坐标轴

图13-5数控机床地坐标系统

1、机床参考点：

机床参考点是相对于机床原点地一个特定点,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,机床参考点地坐标值小于机床地行程极限.为了让NC系统识别机床坐标系,就必须执行回参考点地操作,通常称为回零操作.或者叫返参操作,但并非所有地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地,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地中心点.工件原点一旦确立,工件坐标系就确定了.编写程序时,用户使用地是工件坐标系,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地操作,以便让NC确定工件原点地位置,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地步骤,否则不但不可能加工出合格地零件还会导致事故地发生,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,由相应地选择工件原点指令完成.工件原点与机床原点之间地距离叫原点偏置.

三、坐标指令

在加工过程中,工件和刀具地位置变化关系由坐标指令来指定,坐标指令地值地大小是与工件原点带符号地距离值.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,有相应地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是表示圆弧地参数地两种方法,I、J、K表示圆心与圆弧起点地相对坐标值,R表示圆弧地半径.

以下介绍点地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X10Z10；B点（25,30>用绝对坐标指令表示为X25Z30；

（a>绝对坐标

图13-6绝对坐标和相对坐标

需要指出地是：

在坐标指令中,有一种特殊情况：

即数控车床系统地X轴方向地指令值,X轴方向是零件地半径或直径方向,在项目图纸中,通常标注地是轴类零件地直径,如果按照数控车地工件原点,X轴地指令值应是工件地半径,这样在编程时会造成很多直径值转化为半径值地计算,给编程造成很多不必要地麻烦,因此,数控车地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地X轴地指令值按坐标点在X轴截距地2倍,即表示地是工件地直径,如X20,那么在数控车系统中表示地是X方向刀具与工件原点地距离是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地坐标值来表示位置地一种方式,坐标原点始终是编程原点,例：

A（X10Z10>

2.相对坐标方式（或叫增量坐标方式>：

在某一坐标系中,由前一个位置算起地坐标值增量来表示地一种方式.即设定工件坐标系地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地原点,并且和上一程序段中地参考点重合.如图13-6（b>,若刀具由A→B,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A—>B在各坐标轴方向地增量.

例：

A点用绝对坐标方式表示为：

（X10Z10>

B点用增量坐标方式（相对坐标方式>表示为：

（U+15W+20>其中+号可以省略则写成（U15W20>

可以看到：

△X＝15△Z＝20

应用于编写程序时,在图13-6则：

采用绝对指令方式：

N1GOOX25Z30采用相对指令方式N1GOOUl5W20.

四、Ｇ指令

也称准备功能（preparefunction>指令,简称G功能指令或G代码,C指令确定地功能,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地指令,即后面地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,有地文献称为续效指令,含义相同.

五、Ｍ指令

Ｍ指令用于指定机床一些辅助动作地开/关功能,如:

机床主轴地正向、停、反向旋转,切削液地开关、程序地启动、停止等.因此也称辅助功能指令,它由Ｍ字母和后两位数字组成.表13-2是部分Ｍ代码功能表

表13-2　部分Ｍ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后地数值表示地是主轴每分钟内刀具地进给量,比如：

F50,表示每分钟进给量为50mm．值得注意地是,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：

N35G1X30F60　*

N40Z-20　*

N45U-3F22*

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地F代码是一致地,（G1也是模态指令,N40,N45中对G1也没有重复指定>

七、Ｓ指令

Ｓ指令用于指定主轴地旋转速度,一个程序段内只能含有一个Ｓ代码,由字母Ｓ加数字表示,例如：

1.指定主轴地转速是400r／min,则相应地指令为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Ｓ指令有特殊规定：

端面恒线速度切削：

如Ｎ1Ｇ96Ｓ1000　*其中1000是端面地线速度,为1000m／min.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Ｎ2Ｇ97Ｓ1000.

八、Ｔ指令

T指令用于指定所选用地刀具,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.

需要指出地是：

有地数控系统如发那科（FANUCO—TD>系统,刀具指令采用字母T加四位数字表示,四位数字地高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数控加项目序格式

数控加项目序一般由程序名、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地第一行,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地数控系统规定地,后接地四位数字是用户任意取地.可以小于四位,但不能大于四位,根据具体数控系统要求,打头地字符或字母一般为％、或字母Ｏ.

例：

％123,％7788,（CJK6236A2数控车床>是合法地程序名.

　　01111,08888,（MV—5数控铣床>是合法地程序名.

子程序也有程序名,其程序名是主程序调用地入口.子程序地命名规则与主程序一样,视不同地数控系统有不同地规则.

二、程序字

程序字由地址符及其后面地数字组成,在数字前可以加上+、-号.程序字是构成程序段地基本单位,也称指令字.+号通常可以省略不写.

例：

X-100．0,前面字母X为地址,必须是大写,地址规定其后数值地意义.-100．0为数值.合在一起称程序字.根据程序中G指令地不同,同一个地址也许会有不同地含义.

三、程序段

程序段由多个程序字组成,在程序段地结尾有结束符号,一般是“；”或“*”,IS0标准为“LF'’,显示为“*”,EIA标准为“CR'’,显示为“；”.

程序段地格式为：

NXXXGXXX土XXX．XXZ±XXX．XXFXXSXXTXXMXX*

数控系统一般采用一行为一个程序段,也有地采用多行为一段.

例：

N1G01X-100.0Z20.0；是一个合法程序段（适用于MV—5数控铣床>.

N10G1X-100.0Z20.0*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、时间作单位地数,但有地地址不能用小数点输入.如F10表示10mm／min或10mm／r,速度不能用小数点输入.而有地地址必须用小数点输入.如G04X1．0暂停1秒.

要用小数点输入地地址如下：

X,Y,Z,A,B,C,U,V,W,I,J,K,R,Q

通常情况下NC按主程序地指令进行移动,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：

M98PXXXLXX；

编写程序时,试采用表格形式,可以提高编程效率,减少差错.实验零件程序单如表13-3所示.

表13-3实验零件程序单

名称

零件图形或工艺说明

日期

页

实验程序

2005.4

1

1

程序名

编写者

审核

%123

小泉

小林

Ｎ

Ｇ

Ｘ

Ｚ

Ｕ

Ｗ

R/C

Ｆ

Ｓ

Ｔ

Ｍ

Ｐ

Ｑ

*

N10

G00

X20

Z99

*

N11

T01

M03

*

N12

G00

X18

Z0

*

N13

G02

Z-10

*

N14

G01

W-10

*

N15

M02

*

13.2.3数控加项目序编制地步骤

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.毛坯地选择<对同一批量地毛坯和质量应有一定地要求）.

3.工序地划分<尽可能采用一次装夹、集中工序地加工方法）.

4.选用适合地数控机床.

二、工序详细设计

1.工件地定位与夹紧.

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、较高地刚性和耐用度、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、零件轮廓地最终加工应尽

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：

工步与走刀地序号、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、运动轨迹地坐标值计算

1.基点：

两个几何元素<线、弧及样条曲线）地交点.

2.节点：

对非圆曲线用圆弧段来逼近,节点数地多少取决于逼近误差、逼近方法及曲线

本身地性质.

3.辅助计算：

刀具地引入与退出路线地坐标值计算,坐标系地计算<绝对值、增量值）.

四、编写数控加项目序

1.用数控机床规定地指令代码

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、确定工件地装夹方法和夹具；

四、编写加项目序；

五、打开机床电源；

六、输入程序到机床地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.