2 数控车床编程基础.docx
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2数控车床编程基础
2数控车床编程基础
2.1概述
数控车床具有加工通用性好，加工精度高、加工效率高和加工质量稳定等特点，是理想的回转体零件的加工机床。
从总体上看,数控车床没有脱离普通车床的结构形式,即由床身、主轴箱、刀架、进给系统以及液压、冷却、润滑系统等部分组成。
进给用伺服电动机驱动，以连续控制刀具纵向（Z轴）和横向（X轴）运动，从而完成各类回转体工件内外形面加工，例如车削圆柱、圆锥、圆弧和各种螺纹加工等，并能进行切槽，钻、扩、镗、铰、攻丝等工序的加工。
2.1.1数控车床进给系统的特点
1.它没有传统的进给箱和交换齿轮架，而是直接用伺服电机通过滚珠丝杆驱动溜板和刀架，实现进给运动，因而进给系统的结构大大简化。
2.数控车床能加工各种螺纹（公制、英制螺纹以及锥螺纹、端面螺纹等），这是因为数控车床主轴与纵向丝杆间虽然没有机械传动联结，但由于安装有与主轴同步回转的脉冲编码器，从而发出检测脉冲信号，使主轴回转与进给丝杆的回转运动相匹配，这是实现螺纹切削的必要条件。
车削螺纹一般都需要多次走刀才能完成，为防止乱扣，脉冲编码器在发出进给脉冲时，还要发出同步脉冲（每转发一个脉冲），以保证每次走刀刀具都在工件的同一点切入。
脉冲编码器一般不直接安装地主轴上，而是通过一对齿轮或同步齿形带（传动比1：
1）同主轴联系起来。
2.1.2数控车床的分类
1．按数控系统功能，可分为全功能型和经济两种。
全功能型机床精度高，进给速度快，进给多采用半闭环直流或交流伺服系统，主轴控制采用全伺服控制，具有自动排屑、冷却、润滑等功能、通常采用全封闭防护。
经济型数控车床通常采用步进电机驱动、不具有位置反馈装置，精度较低。
2．按主轴处于水平位置或垂直位置，可分为卧式和立式数控车床。
如果有两根主轴，则为双轴数控车床。
一般数控车床为两坐标控制，具有两个独立回转刀架的数控车床为四协同控制，车削中心和柔性制造单元，则需要增加其它的附加坐标轴。
目前应用较多的还是中等规格的两坐标连续控制的数控车床。
2.2坐标系
2.2.1机床坐标系
机床坐标系是机床上固有的机械坐标系，是机床出厂前已设定好的。
机床通电后执行手动返回参考点，自动设定机床坐标系。
1.机床原点数控车床的机床原点通常定义在主轴旋转中心线与主轴端面的交点见图2-1，M点即为机床原点。
图2-1坐标系
2.机床参考点是机床上的一个特定位置。
通常当不能到达机床零点时，可接近参考点来设定测量系统为零。
其位置由Z向与X向的机械挡块来确定。
当进行回参考点的操作时，安装在纵向和横向拖板上的行程开关碰到相应挡块后，由数控系统发出信号，控制拖板减速运行，直到位置检测装置发出零位信号，完成回参考点的操作后，相当于数控系统内部建立了一个以机床原点为坐标原点的机床坐标系。
2.2.2工件坐标系
工件坐标系是为了编程方便而设定的坐标系，通常设在工件的设计基准或工艺基准上，也称编程坐标系。
1.工件坐标系X轴的定义：
通常位于旋转轴中心，其正方向是增大刀具和工件距离的方向。
2.X轴方向的定义：
刀架所在位置决定X轴的坐标方向。
前置刀架切削时，X轴正方向指向操作者,常用于平床身机床，如图2-2所示；后置刀架切削时，X轴方向指向其反向，常用于斜床身机床，如图2-3所示。
3.工件坐标系Z轴的定义：
Z轴可以由编程人员根据需要自由选取，尽量设在设计基准或定位基准上。
通常设定在工件右端面。
如图2-4所示。
图2-4坐标系偏置
2.3数控车床常用指令及其特点
2.3.1快速点定位指令G00
该指令命令刀具以快速移动速度到达目标点。
通常用在快速离开工件返回换刀点或快速从换刀点返回时使用。
格式：
G00X_Y_；例：
G00X60Y40；表示快速移动到XY平面上的点（60，40）。
用G00编程时的注意事项：
（1）G00速度很快，不允许用来切入工件，其进给速度F不需写在程序内，由机床厂家规定。
（2）快速移动的轨迹根据控制系统的不同，有一定的区别。
如图2-5所示，从A到B有四种方式，路径a是折线形式，路径b是直线形式，路径c由AD，DB组成，路径d由AC，CB组成，不同的系统采用不同的方式。
如：
FAUNC0i系统采用的是路径a（非线性插补定位）和路径b（直线插补定位），可通过系统参数设置来选择两种方式中的一种。
在使用该指令时，必须小心确保刀具不与工件发生碰撞。
图2-5快速点定位G00
（3）由于加工零件的图样尺寸及测量尺寸都是直径值，所以通常采用直径编程。
但有些系统也可用半径编程。
在用直径尺寸编程时：
如采用绝对尺寸编程，X表示直径值；如采用增量尺寸编程，X表示径向位移量的两倍。
在用半径尺寸编程时，如采用绝对尺寸编程，X表示半径值；如采用增量尺寸编程，X表示径向位移量。
具体由系统参数设定。
2.3.2直线插补指令G01
该指令使刀具能在各个坐标平面内切削任意斜率的直线轮廓和用直线段逼近的曲线轮廓。
如图2-6所示。
格式：
G01X_Y_F_；
图2-6直线插补功能
例：
G01X50Z30F100；表示以进给速度100mm/min直线插补至XZ平面上的点（50，30）
用G01编程时的注意事项：
1.用此功能时，如果进给速度F代码不指定，被当作零处理。
2.进给速度F的单位有两种：
mm/min或mm/r。
编程时，具体要按系统规定来选用。
2.3.3圆弧插补指令G02、G03
该指令使刀具能在各个坐标平面内切削任意半径的圆弧轮廓和用圆弧段逼近的曲线轮廓。
G02为顺时针圆弧插补；G03为逆时针圆弧插补。
格式：
图2-7圆弧插补
注意事项：
1.在数控车床中要注意前置刀架和后置刀架方式切削圆弧，插补方向是不同的。
圆弧插补方向的判断方法：
在直角坐标系中，当从编程坐标系的ZP轴（YP轴或XP轴）的正方向看XPYP平面（XPZP平面或YPZP平面）时，决定XPYP平面（XPZP平面或YPZP平面）的“顺时针”（G02）和“逆时针”（G03）方向的方法如图2-8所示。
2.用圆心I、J编程，无论绝对或增量方式，通常是取圆心坐标始终相对于圆弧起点坐标。
用半径R编程，当圆心角大于180度时，R为负；当圆心角小于或等于180度时，R为正；如图2-9所示。
3.有些数控系统编程时只能用圆心编程，不用半径R编程。
要根据数控系统规定来选用。
2.3.4绝对值与增量值坐标方式编程指令G90、G91
在一个程序段中，根据被加工零件的图样标注尺寸，从便于编程的角度出发，可采用绝对尺寸编程，也可采用增量尺寸编程。
在一个程序中，也可采用绝对、增量的混合编程。
对于开环控制系统数控车床没有位置检测装置，为避免增量尺寸编程可能造成的的累积误差，在此类数控车床加工尺寸精度要求高的零件时，尽量采用绝对尺寸编程。
绝对值指令格式：
G90G01X_Y_；
增量值指令格式：
G91G01X_Y_；
在绝对值方式下编程，所有坐标尺寸取决于当前坐标系的零点位置。
如图2-10（a）中，P1，P2，P3点的坐标均相对于坐标系的零点。
在增量值方式下编程，所有坐标尺寸取决于前一坐标点的尺寸。
如图2-10（b）中，P2点的坐标相对于P1点,P3点的坐标相对于P2点。
图2-10绝对和增量方式编程
注意事项：
1.通常数控机床开机后默认G90方式。
2．有些数控系统（如FANUC0i）也可不用G90/G91指令，直接改变坐标字符号。
将在下一章讲述。
2.3.5工件坐标系设定指令G54~G59
工件坐标系1（G54）
工件坐标系2（G55）
工件坐标系3（G56）
工件坐标系4（G57）
工件坐标系5（G58）
工件坐标系6（G59）
用户可以从6个工件坐标系指令中任意选择，通过该指令给出工件零点在机床坐标系中的位置，如图2-4所示。
当工件装夹到机床上时求出偏移量，通过操作面板输入到规定的数据区，并在程序中选择相应的G54—G59激活此值。
2.3.6坐标平面的选择G17、G18、G19
G17：
XY平面
G18：
XZ平面
G19：
YZ平面
对于数控铣床编程时，通常要进行平面选择，指令机床在哪一平面进行运动。
如图2-11所示。
对于数控车床编程时，只选择G18——XZ平面。
2.3.7暂停指令G04经过被指令时间的暂停之后，再执行下一个程序段。
通常用在切槽或镗孔时，为了使槽底或孔底平整，让程序进给暂停几秒钟。
格式：
G04地址符；不同的系统地址符可能有所不同。
如：
P，U，F等
例：
G04P1.5表示进给暂停1.5秒钟
2.4刀具功能
2.4.1刀具选择功能
当一个零件在进行粗加工、精加工、螺纹加工、切槽时，需选择各种刀具，每把刀具都指定了特定的刀具号。
在程序中如果指定了刀具号和刀偏号，便可自动换刀，选择相应的刀具和刀偏（如图2-12）。
格式：
T××××
刀具偏置号（当偏置号为零时，意味着取消）
刀具选择
例：
N1G00X1000Z1000（退回换刀点）
N2T0303（选择3号刀具，使用03号偏置量）
或N2T0313（选择3号刀具，使用13号偏置量）图2-12选择刀具
注意事项：
1.刀具号T后的位数可能是四位，也可能是三位或两位数，要根据具体系统规定。
2.刀具的偏置量可通过对刀操作方式得到。
2.4.2刀具位置补偿功能
通常加工一个工件要使用多把刀具，而每把刀的长度不同（如图2-13），这样就必须选择一把基准刀具（也可以是刀架参考点），通过“对刀”测出基准刀具的刀尖位置和其他所使用的各刀刀尖位置差，即刀具偏置量（如图2-14），并把测定出的值设定在数控系统中。
通过刀具指令（如：
T0101）调出刀具偏置量。
刀架参考点是刀架上的一个固定点。
当刀架上没有安装刀具时，机床坐标系显示的是刀架参考点的坐标。
而加工时是用刀尖不是用刀架参考点，所以必须通过“对刀”方式确定刀尖在机床坐标系中的位置。
刀位点：
图2-13不同长度刀具位置图2-14刀具位置偏置
2.4.3刀尖圆弧半径补偿功能
刀具在进行轮廓车削时，刀位点假设为一个刀尖（如图2-15）。
而为了提高刀具强度和工件表面加工质量，刀尖处都必须有圆弧，不可能为尖点。
因此，在切削锥面和圆弧时，就会出现过切或欠切现象（如图2-16）。
当工件表面加工精度要求较高时，就达不到精度要求。
图2-15假想刀尖图2-16刀尖圆弧半径补偿轨迹
这些由刀尖圆弧半径而造成的过切或欠切问题，可通过数控装置自动补偿功能来解决。
即假设刀尖圆弧中心的运动轨迹是沿工件轮廓运动的，而实际的刀尖圆弧中心运动轨迹与工件轮廓有一个偏移量即为刀具半径。
因此在编写程序时，加入刀具半径补偿功能（G41或G42），刀具便会自动地沿轮廓方向偏置一个刀尖圆弧半径值（如图2-17）。
G41----左补（沿刀具加工方向看，刀具位于工件左侧时为左补）
G42----右补（沿刀具加工方向看，刀具位于工件左侧时为左补）
G40----取消刀补
前置刀架与后置刀架方式下刀补的方向及假想刀尖方位有一定的区别，图2-18，图2-19所示。
图2-17刀补轨迹
图2-18后置刀架刀补方向
图2-19前置刀架刀补方向
2.4.4假想刀尖位置
前置刀架与后置刀架方式下的不同形状的刀具假想刀尖方位也有所不同。
如图2-20，2-21所示是各种刀具的假想刀尖位置及编号。
当用假想刀尖编程时，假想刀尖号设为1~8；当用假想刀尖圆弧中心编程时，假想刀尖号设为0或9。
注意事项：
使用刀补时，应注意以下几个方面。
（1）由于刀具在起刀程序段中，进行偏置过渡运动，因此建议该段程序不要切入工件轮廓，以免对工件产生误切。
（2）刀补指令G41，G42或G40必须跟在直线段上，否则会出现语法错误。
例：
G42G01X100Z80
（3）必须在刀具补偿页内（刀具偏置所在内存区）的刀尖半径处填入该把刀具的刀尖圆弧半径值，系统会自动计算应该移动的补偿量，做为刀尖圆弧半径补偿之依据。
（4）必须在刀具补偿页内的假想刀尖位置处填入该把刀具的假想刀尖位置号码，以做为刀尖圆弧半径补偿之依据，
（5）指令刀尖半径补偿G41或G42的过渡直线段长度必须大于刀尖圆弧半径。
（如刀尖半径为0.3，则Z轴移动量必须大于0.3mm）；在X轴的切削移动量必须大于2倍刀尖半径值（如刀尖半径为0.6，则X轴移动量必须大于2×0.6=1.2mm，因为X轴用直径值表示）。
（6）在某个刀补有效的程序段之后，若有两个以上不运动的程序段时，刀具可能会对工件下一个轮廓产生过切。
（7）当用假想刀尖圆弧中心编程时，假想刀尖号设为0或9。
编程时要用刀具半径补偿，对刀时要考虑刀尖圆弧半径。
例如图2-22所示：
1）G42G01X60
2）G01X120W-150F60
3）G40G00X300W150I40K-30（I，K为最后一个斜面的终点坐标。
这样编程,刀补对最后一个斜面不会产生干涉）
图2-22刀补轮廓切削
2.5恒切削速度控制
在加工端面、圆弧、圆锥以及阶梯直径相差较大的零件时，随着X轴的进给，切削线速度在不断的变化，而进给速度不变，导致加工表面质量不一。
为了保证加工表面质量，数控车床一般都具有恒切削速度控制功能，如图2-23所示。
利用恒切削速度控制功能，数控系统能根据刀尖所处的X坐标值，作为工件的直径值来计算主轴转速。
同时用恒切削速度控制加工端面、圆弧、圆锥时，当刀具逐渐移近工件旋转中心时，主轴转速越来越高，工件有可能从卡盘中飞出，为了防止出现事故，数控车床具有主轴最高转速限定功能。
注意：
不同的数控系统表示恒切削速度的指令可能不同。
图2-23恒切削速度
2.6螺纹车削加工
螺纹切削加工指令是数控车床中常用的加工指令。
可以加工直螺纹、锥螺纹、端面螺纹和变螺距螺纹。
如图2-24所示。
（1）数控车床加工螺纹的前提条件是主轴有位置测量装置。
对于多头螺纹加工通过主轴起点偏移来实现。
如图2-25所示。
（2）车削螺纹时不能使用恒切削速度功能，因为车削时X轴的直径值是渐次减少，随工件直径减少，转速会增加，从而会导致F导程产生变动而发生乱牙现象。
（3）为防止产生非定值导程螺纹，车削螺纹之前后，需有适当的空刀进入量L1和空刀退出量L2。
传统车床车削螺纹是靠半开口螺帽与丝杆啮合后，以等速移动车削螺纹，故传统车床车削螺纹时，螺纹刀可尽量靠近工件。
但数控车床的螺纹刀是靠伺服电机转动，带动滚珠螺杆，再驱动螺纹刀移动。
由于伺服系统的滞后，电机由静止状态必须先加速再达到等速移动，此段时间所移动的距离切削的螺距在变化，应予以避开。
此即为空刀进入量L1，如图2-25。
同理，伺服电机等速回转后须先减速再达到静止，故需有空刀退出量L2。
（4）螺纹牙型高度（螺纹总切深）是指在螺纹牙型上，牙顶到牙底之间垂直于螺纹轴线的距离，它是车削时车刀总切入深度，如图2-26所示。
根据GB192~197-81普通螺纹国家标准规定，普通螺纹的牙型理论高度H=0.866P，实际加工时，由于螺纹车刀刀尖半径的影响，螺纹的实际切深有变化。
根据GB197-81规定螺纹车刀可在牙底最小削平高度H/8处削平或倒圆。
则螺纹实际牙型高度可按下式计算：
式中：
H——螺纹原始三角形高度，H=0.866P；
P——螺距。
（5）螺纹加工中，径向起点的确定决定于螺纹大径。
例如要加工M30×2-6g外螺纹，由GB197-81知：
螺纹大径基本偏差为ES=-0.038mm，公差为Td=0.28mm，则螺纹大径尺寸为30-0.038-0.318，所以螺纹大径应在此范围内选取，并在加工螺纹前，由外圆车削来保证。
径向终点的确定决定于螺纹小径。
因此编程大径确定后，螺纹总切深在加工时由编程小径（螺纹小径）来控制的。
螺纹小径的确定应考虑满足螺纹中径公差要求。
设牙底由单一圆弧形状构成（圆弧半径为R），则编程小径d1可用下式计算：
式中：
d——螺纹公称直径，单位为mm；
H——螺纹原始三角形高度，单位为mm；
R——牙底圆弧半径，单位为mm，一般取R=（1/8~1/6）H；
ES——螺纹中径基本偏差，单位为mm；
Td2——螺纹中径公差，单位为mm。
对于普通螺纹也可用粗略估算法来编制程序。
通常螺纹大径D为公称尺寸-0.1mm,螺纹小径根据公式d1=D-2h来确定。
（6）如果螺纹牙型较深，螺距较大，可分几次进给。
每次进给的背吃刀量用螺纹深度减精加工背吃刀量所得的差按递减规律分配，如图2-27所示。
部分常用螺纹参数表见附录。
图2-27分段切削深度
附表
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