《金工實習》第13章數(shù)控加工基礎(chǔ)

1、第13章 數(shù)控加工基礎(chǔ)13.1 數(shù)控機床的組成、基本加工原理、分類 13.1.1 數(shù)控機床的組成現(xiàn)代數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、位置測量與反饋系統(tǒng)、輔助控制單元和機床主機組成，如圖13-1所示為各組成部分的邏輯結(jié)構(gòu)簡圖：圖13-1 數(shù)控機床邏輯結(jié)構(gòu)示意圖13.1.2 數(shù)控機床的基本加工原理 數(shù)控機床加工零件時，先將加工過程所需的各種操作(如主軸變速、松夾工件、進刀與退刀、開車與停車、選擇刀具、供給冷卻液等)和步驟以及與工件之間的相對位移等都用數(shù)字化的代碼表示，并按工藝先后順序組織成“NC程序”，通過介質(zhì)(如軟盤、電纜等)或手工將其輸入到機床的NC存儲單元中，NC裝置對輸入的程序

2、、機床狀態(tài)、刀具偏置等信息進行處理和運算，發(fā)出各種驅(qū)動指令來驅(qū)動機床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機床自動加工出尺寸和形狀都符合預(yù)期結(jié)果的零件。數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程如圖13-2所示：圖13-2 數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程一、譯碼(解釋) 譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標值；進給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標志的存放順序和格式。 二、刀補處理(計算刀具中心軌跡) 用戶零件加工程序通常是

3、按零件輪廓編制的，而數(shù)控機床在加工過程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。 三、插補計算 本模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期t定時運行，它將由各種線形（直線，圓弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進給速度F，實時計算出各個進給軸在t內(nèi)位移指令（X1、 Y1、），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)成形運動。 四、PLC控制 PLC控制是對機床動作的“順序控制”。即以CNC內(nèi)部和機床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，冷卻、潤滑系統(tǒng)等的運行等進行的控制。五

4、、數(shù)控加工軌跡控制原理 1逼近處理1）如圖13-3所示，為欲加工的圓弧軌跡L，起點為P0，終點為Pe。CNC裝置先對圓弧進行逼近處理。     圖13-3  數(shù)控加工原理圖2）系統(tǒng)按插補時間t和進給速度F的要求，將 L分割成若干短直線 L1，L2， Li，這里： Li = Ft （i=1，2，）其中F：給定的進給速度 t：數(shù)控系統(tǒng)插補周期 3）用直線Li逼近圓弧存在著逼近誤差，但只要足夠小（Li足夠短），總能滿足零件的加工要求。 4）當F為常數(shù)時，而t對數(shù)控系統(tǒng)而言恒為常數(shù)，則Li的長度也為常數(shù)L，只是其斜率與其在L上的位置有關(guān)。 2指令輸出

5、1）將計算出ti 在時間內(nèi)的和作為指令輸出給Y軸，以控制它們聯(lián)動。即：DXiÞ X 軸； DYi Þ Y 軸。 2）只要能連續(xù)自動地控制X，Y 兩個進給軸在ti時間內(nèi)移動量，就可以實現(xiàn)曲線輪廓零件的加工。 13.1.3 數(shù)控機床的分類與特點 一、數(shù)控機床的分類 1. 按加工路線可分為： 1）點位控制數(shù)控機床：這種機床只能控制工作臺（或刀具）從一個位置（點）精確地移動到另一個位置（或點），在移動過程中不進行加工。 2）輪廓加工數(shù)控機床：這種機床的數(shù)控系統(tǒng)能夠同時控制多個坐標軸聯(lián)合動作，不僅控制輪廓的起點和終點，而且還控制軌跡上每一點的速度和位置。對不同形狀的工件輪廓表面進行加

6、工，如數(shù)控車床能夠車削各種回轉(zhuǎn)體表面，數(shù)控銑床能銑削輪廓表面。 2. 按伺服系統(tǒng)的控制方式分： 1）開環(huán)控制系統(tǒng) 2）閉環(huán)控制系統(tǒng) 3）半環(huán)控制系統(tǒng) 二、數(shù)控機床的特點 控制機床實現(xiàn)自動運轉(zhuǎn)。數(shù)控加工經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展已成為應(yīng)用于當代各個制造領(lǐng)域的先進制造技術(shù)。數(shù)控加工的最大特征有兩點：首先可以極大地提高精度，包括加工質(zhì)量精度及加工時間誤差精度；其次是加工質(zhì)量的重復(fù)性，可以穩(wěn)定加工質(zhì)量，保持加工零件質(zhì)量的一致。 13.2  數(shù)控編程基礎(chǔ)知識     數(shù)控加工程序編制就是將加工零件的工藝過程、工藝參數(shù)、工件尺寸、刀具位移的方向及其它輔助動作（如換刀、冷卻

7、、工件的裝卸等）按運動順序依照編程格式用指令代碼編寫程序單的過程。所編寫的程序單即加工程序單。 13.2.1 數(shù)控加工的坐標系與指令系統(tǒng) 數(shù)控加工程序的編寫方法有兩種，手工編程和自動編程，手工編程是由用戶根據(jù)加工要求，使用該機床的指令代碼手工書寫數(shù)控程序。自動編程是由用戶運行編程軟件，輸入零件圖紙和加工參數(shù)(如進給量、背吃刀量、切削速度，工件材料、毛坯尺寸等)，由編程軟件自動生成數(shù)控程序。兩種編程方法各有所長。一、坐標系 為了確定機床的運動方向和運動距離，必須在機床上建立坐標系，以描述刀具和工件的相對位置及其變化關(guān)系。數(shù)控機床的坐標軸的指定方法已經(jīng)標準化，我國在JB30511982中規(guī)定了各種

8、數(shù)控機床的坐標軸和運動方向，它按照右手法則規(guī)定了直角坐標系中X、Y、Z三個直線坐標軸和A、B、C三個回轉(zhuǎn)坐標軸的關(guān)系。如圖13-4所示。圖13-5(a)為車床的坐標系，裝夾車刀的溜板可沿兩個方向運動，溜板的縱向運動平行于主軸，定為Z軸，而溜板垂直于Z軸方向的水平運動，定為X軸，由于車刀刀尖安裝于工件中心平面上，不需要作豎直方向的運動，所以不需要規(guī)定Y軸。圖13-5(b)為三軸聯(lián)動立式銑床的坐標系，圖中安裝刀具的主軸方向定為Z軸，主軸可以上下移動，機床工作臺縱向移動方向定為X軸。與X、Z軸垂直的方向定為Y軸。二、坐標原點 機床原點：由機床生產(chǎn)廠家在設(shè)計機床時確定，由于數(shù)控機床的各坐標軸的正方向是

9、定義好的，所以原點一旦確定，坐標系就確定了，機床原點也稱機械原點或零點，是機床坐標系的原點。機床原點不能由用戶設(shè)定，一般位于機床行程的極限位置。機床原點的具體位置須參考具體型號的機床隨機附帶的手冊，如數(shù)控車的機床原點一般位于主軸裝夾卡盤的端面中心點上。圖13-4 數(shù)控機床的坐標軸  （a）數(shù)控車床的坐標系 （b）數(shù)控銑床的坐標系圖13-5 數(shù)控機床的坐標系統(tǒng) 1、機床參考點：機床參考點是相對于機床原點的一個特定點，它由機床廠家在硬件上設(shè)定，廠家測量出位置后輸入至NC中，用戶不能隨意改動，機床參考點的坐標值小于機床的行程極限。為了讓NC系統(tǒng)識別機床坐標系，就必須執(zhí)行回參考點的操作，通常

10、稱為回零操作?；蛘呓蟹祬⒉僮鳎⒎撬械腘C機床都設(shè)有機床參考點。 2、工件原點：也叫編程原點，它是編程人員在編程前任意設(shè)定的，為了編程方便，選擇工件原點時，應(yīng)盡可能將工件原點選擇在工藝定位基準上，這樣對保證加工精度有利，如數(shù)控車一般將工件原點選擇在工件右端面的中心點。工件原點一旦確立，工件坐標系就確定了。編寫程序時，用戶使用的是工件坐標系，所以在啟動機床加工零件之前，必須對機床進行設(shè)定工件原點的操作，以便讓NC確定工件原點的位置，這個操作通常稱為對刀。對刀是加工零件前一個非常重要且不可缺少的步驟，否則不但不可能加工出合格的零件還會導(dǎo)致事故的發(fā)生，在高檔數(shù)控系統(tǒng)中，工件原點甚至在一個程序中還

11、可以進行變換，由相應(yīng)的選擇工件原點指令完成。工件原點與機床原點之間的距離叫原點偏置。三、坐標指令 在加工過程中，工件和刀具的位置變化關(guān)系由坐標指令來指定，坐標指令的值的大小是與工件原點帶符號的距離值。坐標指令包括：X、Y、Z、U、V、W、I、J、K、R等。其中，通常來說X、Y、Z是絕對坐標方式；U、V、W相對坐標方式，但在三坐標以上系統(tǒng)中，有相應(yīng)的G指令來表示是絕對坐標方式還是相對坐標方式，不使用U、V、W來表示相對坐標方式；I、J、K或R是表示圓弧的參數(shù)的兩種方法，I、J、K表示圓心與圓弧起點的相對坐標值，R表示圓弧的半徑。 以下介紹點的相對坐標與絕對坐標表示法：如圖13-6(a)其中A點(

12、10，10)用絕對坐標指令表示為X10 Z10；B點(25，30)用絕對坐標指令表示為X25 Z30； (a)絕對坐標 （b）相對坐標圖13-6 絕對坐標和相對坐標需要指出的是：在坐標指令中，有一種特殊情況：即數(shù)控車床系統(tǒng)的X軸方向的指令值，X軸方向是零件的半徑或直徑方向，在工程圖紙中，通常標注的是軸類零件的直徑，如果按照數(shù)控車的工件原點，X軸的指令值應(yīng)是工件的半徑，這樣在編程時會造成很多直徑值轉(zhuǎn)化為半徑值的計算，給編程造成很多不必要的麻煩，因此，數(shù)控車的NC系統(tǒng)在設(shè)計時通常采用直徑指定，所謂直徑指定即數(shù)控車的X軸的指令值按坐標點在X軸截距的2倍，即表示的是工件的直徑，如X20，那么在數(shù)控車系

13、統(tǒng)中表示的是X方向刀具與工件原點的距離是10mm而不是20mm。1. 絕對坐標方式： 在某一坐標系中，用與前一個位置無關(guān)的坐標值來表示位置的一種方式，坐標原點始終是編程原點，例：A(X10 Z10)2.相對坐標方式(或叫增量坐標方式)：在某一坐標系中，由前一個位置算起的坐標值增量來表示的一種方式。即設(shè)定工件坐標系的原點自始至終都和刀尖重合，亦即程序起始點就是工件坐標系的原點，并且和上一程序段中的參考點重合。如圖13-6(b)，若刀具由AB，當?shù)毒呶挥贏點時，編程原點是A點，當?shù)毒呶挥贐點時，編程原點是B點，那么，B點坐標指令值分別是由A>B在各坐標軸方向的增量。例：A點用絕對坐標方式表示

14、為：(X10 Z10)B點用增量坐標方式(相對坐標方式)表示為：(U+15 W+20)其中+號可以省略則寫成(U15 W20) 可以看到：X 15 Z 20 應(yīng)用于編寫程序時，在圖13-6（b）中，假設(shè)刀具當前位于A點，要求刀具快速運動到B點(空行程)則：采用絕對指令方式：N1 GOO X25 Z30 采用相對指令方式N1 GOO Ul5 W20。四、指令 也稱準備功能(prepare function)指令，簡稱G功能指令或G代碼，C指令確定的功能，可分為坐標系設(shè)定類型、插補功能類型、刀具補償功能類型、固定循環(huán)類型等。G指令由字母G和其后兩位數(shù)字組成，從GOO到G99共100種；其中GOO至

15、G09可簡寫為G0至G9。表13-1是部分G指令代碼簡介。表13-1 部分G指令代碼及功能   代碼 功 能 程序指令類型 功能在出現(xiàn)段有效 備 注 GOO 快速點定位 模態(tài)指令   用于空行程 G01 直線插補 模態(tài)指令   直線切削進給 G02 順時針圓弧 模態(tài)指令   圓弧或圓切削 G03 逆時針圓弧 模態(tài)指令   圓弧或圓切削 G04 暫停 非模態(tài)指令 僅本段內(nèi)有效 用于拐角過渡 G17 XY平面選擇 模態(tài)指令   用于數(shù)控銑 G18 ZX平面選擇 模態(tài)指令   用于數(shù)控銑 G19 ZY平面選擇 模態(tài)指令  

16、; 用于數(shù)控銑 G32 螺紋單一循環(huán) 模態(tài)指令   用于數(shù)控車 G72 螺紋復(fù)合循環(huán) 模態(tài)指令   用于數(shù)控車 G90 絕對方式 模態(tài)指令   用于數(shù)控銑 G91 增量方式 模態(tài)指令   用于數(shù)控銑   模態(tài)指令：模態(tài)指令指具有自保性的指令，即后面的程序段與前面程序段代碼相同時，可以不必重復(fù)指定，G指令有部分是模態(tài)指令，F(xiàn)指令也是模態(tài)指令。關(guān)于模態(tài)指令，有的文獻稱為續(xù)效指令，含義相同。五、指令指令用于指定機床一些輔助動作的開/關(guān)功能, 如:機床主軸的正向、停、反向旋轉(zhuǎn)，切削液的開關(guān)、程序的啟動、停止等。因此也稱輔助功能指令，它由字母和后兩位數(shù)字

17、組成。表13-2是部分代碼功能表 表13-2部分代碼功能表代 碼 功 能 數(shù)控車 數(shù)控銑 備 注 MOO 程序停止 “模態(tài)信息”保存 M01 計劃停止 “任選停止”有效 M02 程序結(jié)束 不返回 M03 主軸正轉(zhuǎn)   M04 主軸反轉(zhuǎn)   M05 主軸停止   進給不停 M06 換刀     M07 2號冷卻開     M08 1號冷卻開   M09 冷卻關(guān)   M41 主軸低速     M42 主軸高速     M30 程序結(jié)束 返回程序頭部 M98 子程序調(diào)用

18、調(diào)出子程序 M99 子程序調(diào)用 子程序調(diào)用結(jié)束 六、F指令 F代碼用于指定插補進給速度。F代碼編程有兩種，每分鐘進給量編程和每轉(zhuǎn)進給量編程。在每分鐘進給量編程中，F(xiàn)后的數(shù)值表示的是主軸每分鐘內(nèi)刀具的進給量，比如：F50，表示每分鐘進給量為50mm值得注意的是，F(xiàn)代碼是模態(tài)指令，但一個程序中至少應(yīng)該在第一個插補指令后有一個F指令，例： N35 G1 X30 F60*N40 Z-20*N45 U-3 F22 * 注意：N指令表示行號，此外無任何其他意義，機床讀到N代碼時不產(chǎn)生任何動作，其中N35和N40的F代碼是一致的，(G1也是模態(tài)指令，N40，N45中對G1也沒有重復(fù)指定)七、指令 指令用于指

19、定主軸的旋轉(zhuǎn)速度，一個程序段內(nèi)只能含有一個代碼，由字母加數(shù)字表示，例如： 1.指定主軸的轉(zhuǎn)速是400rmin，則相應(yīng)的指令為S400。2.在數(shù)控車系統(tǒng)中，根據(jù)加工工藝要求，零件端面要求恒線速度加工，因此，數(shù)控車系統(tǒng)中，對指令有特殊規(guī)定：端面恒線速度切削：如1 96 1000*其中1000是端面的線速度，為1000mmin。速度單位因機床而異，參見機床說明書。 3.端面恒線速度刪除：如2 97 1000。八、指令 T指令用于指定所選用的刀具，它由字母T和后接數(shù)字組成，在同一程序中，若同時指令坐標移動指令和刀具T指令，執(zhí)行順序一般為先執(zhí)行T指令，但具體由機床廠家確定，參見機床說明書。需要指出的是：

20、有的數(shù)控系統(tǒng)如發(fā)那科(FANUC OTD)系統(tǒng)，刀具指令采用字母T加四位數(shù)字表示，四位數(shù)字的高2位表示刀具選擇號，低兩位表示刀具偏置號。具體表示方法見機床說明書。13.2.2 數(shù)控加工程序格式 數(shù)控加工程序一般由程序名、程序段、子程序等組成。一、程序名 程序名是數(shù)控程序必不可少的第一行，由一個地址符加上后接四位數(shù)字組成，第一個字符或字母是具體的數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的，后接的四位數(shù)字是用戶任意取的。可以小于四位，但不能大于四位，根據(jù)具體數(shù)控系統(tǒng)要求，打頭的字符或字母一般為、或字母。 例：123，7788，(CJK6236A2數(shù)控車床)是合法的程序名。 01111，08888，(MV5數(shù)控銑床)是合法的程

21、序名。子程序也有程序名，其程序名是主程序調(diào)用的入口。子程序的命名規(guī)則與主程序一樣，視不同的數(shù)控系統(tǒng)有不同的規(guī)則。二、程序字 程序字由地址符及其后面的數(shù)字組成，在數(shù)字前可以加上+、-號。程序字是構(gòu)成程序段的基本單位，也稱指令字。+號通常可以省略不寫。 例：X-1000，前面字母X為地址，必須是大寫，地址規(guī)定其后數(shù)值的意義。-1000為數(shù)值。合在一起稱程序字。根據(jù)程序中G指令的不同，同一個地址也許會有不同的含義。三、程序段 程序段由多個程序字組成，在程序段的結(jié)尾有結(jié)束符號，一般是“；”或“*”，IS0標準為“LF'，顯示為“*”，EIA標準為“CR'，顯示為“；”。程序段的格式為：

22、N X X X G X X X土X X XX X Z±X X XX X F X X S X X T X X M X X *數(shù)控系統(tǒng)一般采用一行為一個程序段，也有的采用多行為一段。例：N1 G01 X-100.0 Z20.0 ；是一個合法程序段(適用于MV5數(shù)控銑床)。N10 G1 X-100.0 Z20.0 * 是一個合法程序段(適用于CJK6236A2數(shù)控車床)。四、小數(shù)點與子程序 小數(shù)點用于距離、時間作單位的數(shù)，但有的地址不能用小數(shù)點輸入。如F10表示10mmmin或10mmr，速度不能用小數(shù)點輸入。而有的地址必須用小數(shù)點輸入。如G04 X10暫停1秒。要用小數(shù)點輸入的地址如下：

23、 X， Y， Z， A， B， C， U， V， W， I，J， K， R， Q 通常情況下NC按主程序的指令進行移動，當程序中有調(diào)用子程序指令時，以后NC就按子程序移動，當在子程序中有返回主程序指令時，NC就返回主程序，繼續(xù)按照主程序指令移動。調(diào)用子程序使用如下格式：例：M98 P X X X L X X； 編寫程序時，試采用表格形式，可以提高編程效率，減少差錯。試驗零件程序單如表13-3所示。表13-3 試驗零件程序單名 稱零 件 圖 形 或 工 藝 說 明日 期頁試驗程序2005.411程 序 名編 寫 者審 核%123小 泉小 林R/C*  N10G00X20Z99 

24、;                 *   N11                T01M03    *   N12G00X18Z0                  *   N13G02Z-10                    *   N14G01      W-10              *   N15                  M02    *   13