数控铣床编程

243第八章数控铣床编程第一节数控铣床编程基础数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，在数控加工中占据了重要地位。世界上首台数控机床就是一部三坐标铣床，这主要因于铣床具有X、Y、Z三轴向可移动的特性，更加灵活，且可完成较多的加工工序。现在数控铣床已全面向多轴化发展。目前迅速发展的加工中心和柔性制造单元也是在数控铣床和数控镗床的基础上产生的。当前人们在研究和开发数控系统时，也一直把铣削加工作为重点。一、数控铣床的坐标系统（一）机床坐标系数控铣床的机床坐标系统同样遵循右手笛卡尔直角坐标系原则。由于数控铣床有立式和卧式之分，所以机床坐标轴的方向也因其布局的不同而不同，如图8-1所示。(b)(a)+X+Y+Z+Z′+Y′+X′+W′+X′+Y′+Z+Y+X+Z图8-1数控铣床的坐标系统图8-1a)所示为立式升降台铣床的坐标方向。其Z轴垂直（与主轴轴线重合），且向上为正方向；面对机床立柱的左右移动方向为X轴，且将刀具244向右移动（工作台向左移动）定义为正方向；则根据右手笛卡尔坐标系的原则，Y轴应同时与Z轴和X轴垂直，且正方向指向床身立柱。图8-1b)所示为卧式升降台铣床的坐标方向。其Z轴水平，且向里为正方向（面对工作台的平行移动方向）；工作台的平行向左移动方向为X轴正方向；Y轴垂直向上。以上所述的坐标轴方向均是刀具相对于工件的运动方向（即工件不动，刀具运动）而言，在图8-1中以+X，+Y，+Z表示。+X＇，+Y＇，+Z＇指的是工件相对于刀具运动的坐标轴方向。+X＇，+Y＇，+Z＇的方向与+X，+Y，+Z的方向相反。（二）机床零点与机床坐标系的建立机床坐标系是机床固有的坐标系，机床坐标系的原点也称为机床原点或机床零点。在机床经过设计制造和调整后这个原点便被确定下来，它是固定的点。数控装置通电后通常要进行回参考点操作，以建立机床坐标系。参考点可以与机床零点重合，也可以不重合，通过参数来指定机床参考点到机床零点的距离。机床回到了参考点位置也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点，CNC就建立起了机床坐标系。（三）工件坐标系与加工坐标系工件坐标系是编程人员在编程时相对工件建立的坐标系，它只与工件有关，而与机床坐标系无关。但考虑到编程的方便性，工件坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床的坐标轴方向一致。通常编程人员会选择某一满足编程要求，且使编程简单、尺寸换算少和引起的加工误差小的已知点为原点，即编程原点。编程原点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上。在程序开头就要设置工件坐标系，大多的数控系统可用G92指令建立工件坐标系，或用G54～G59指令选择工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。245当零件在机床上被装卡好后，相应的编程原点在机床坐标系中的位置就成为加工原点，也称为程序原点。由程序原点建立起的坐标系就是加工坐标系。因此，编程人员在编制程序时，只要根据零件图样就可以选定编程原点，建立工件坐标系、计算坐标数值，而不必考虑工件毛坯装卡的实际位置。对加工人员来说，则应在装卡工件、调试程序时，确定加工原点的位置，并在数控系统中给于设定（即给出原点设定值），这样数控机床才能按照准确的加工坐标系位置开始加工。二、数控铣床的主要功能与加工范围（一）数控铣床的主要功能数控铣床从结构上可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，配置不同的的数控系统，其功能也有差别。除各自特点之外，一般具有的主要功能有以下几方面。1．点位控制功能利用这一功能，数控铣床可以进行只需要作点位控制的钻孔、扩孔、绞孔和镗孔等加工。2．连续轮廓控制功能数控铣床通过直线插补和圆弧插补，可以实现对刀具运动轨迹的连续轮廓控制，加工出有直线和圆弧两种几何要素构成的平面轮廓工件。对非圆曲线构成的平面轮廓，在经过直线和圆弧逼近后也可以加工。除此之外，还可以加工一些空间曲面。3．刀具半径自动补偿功能各数控铣床大都具有刀具半径补偿功能，为程序的编制提供方便。总的来说，该功能有以下几方面的用途：(1)利用这一功能，在编程时可以很方便地按工件实际轮廓形状和尺寸进246行编程计算，而加工中使刀具中心自动偏离工件轮廓一个刀具半径，加工出符合要求的轮廓表面。(2)利用该功能，通过改变刀具半径补偿量的方法来弥补铣刀制造的尺寸精度误差，扩大刀具直径选用范围和刀具返修刃磨的允许误差。(3)利用改变刀具半径补偿值的方法，以同一加工程序实现分层铣削和粗、精加工，或者用于提高加工精度。(4)通过改变刀具半径补偿值的正负号，还可以用同一加工程序加工某些需要相互配合的工件，如相互配合的凹凸模等。4．镜像加工功能镜像加工也称为轴对称加工。对于一个轴对称形状的工件来说，利用这一功能，只要编出一半形状的加工程序就可完成全部加工了。5．固定循环功能利用数控铣床对孔进行钻、扩、铰和镗加工时，加工的基本动作是相同的，即刀具快速到达孔位——慢速切削进给——快速退回。对于这种典型化动作，可以专门设计一段程序，在需要的时候进行调用来实现上述加工循环。特别是在加工许多相同的孔时，应用固定循环功能可以大大简化程序。在利用数控铣床的连续轮廓控制功能时，也常常遇到一些典型化的动作，如铣整圆、方槽等，也可以实现循环加工。固定循环功能是一种子程序，采用参数方式进行编制。在加工中根据不同的需要对子程序中设定的参数赋值并调用，以此加工出大小不同和形状不同的工件轮廓及孔径、孔深不同的孔。目前，已有不少数控铣床的数控系统附带有各种已编好的子程序，并可以进行多重嵌套，用户可以直接加以调用，编程就更加方便。除以上的常备功能外，有些数控铣床还加入了一些特殊功能，如增加了计算机仿形加工装置，使铣床可以在数控和靠模两种控制方式中任选一种来247进行加工，从而扩大了机床使用范围；具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中根据感受到的切削状况（如切削力、温度等）的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量，使铣床及刀具始终保持最佳状态，从而可获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命；配置了数据采集系统的数控铣床可以通过传感器（通常为电磁感应式、红外线或激光扫描式）对工件或实物（样板、模型等）进行测量和采集所需要的数据。这种功能为那些必须按实物依据生产的工件实现数控加工带来了很大的方便，大大减少了对实样的依赖，为仿制与逆向设计──制造一体化工作提供了有效手段。目前已出现既能对实物扫描采集数据，又能对采集到的数据进行自动处理并生成数控加工程序的系统，简称录返系统。(二)数控铣床的加工工艺范围铣削是机械加工中最常用的加工方法之一，主要包括平面铣削和轮廓铣削，也可以对零件进行钻、扩、铰和镗孔加工与攻丝等。适于采用数控铣削的零件有箱体类零件、变斜角类零件和曲面类零件。1．平面类零件平面类零件的特点是各个加工表面是平面，或可以展开为平面。目前在数控铣床上加工的绝大多数零件属于平面类零件。平面类零件是数控铣削加工对象中最简单的一类，一般只须用三坐标数控铣床的两坐标联动（即两轴半坐标加工）就可以加工。2．变斜角类零件加工面与水平面的夹角成连续变化的零件称为变斜角类零件。加工变斜角类零件最好采用四坐标或五坐标数控铣床摆角加工，若没有上述机床，也可在三坐标数控铣床上采用两轴半控制的行切法进行近似加工。3．曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件。曲面类零件的加工面与铣刀248始终为点接触，一般采用三坐标数控铣床加工，常用的加工方法主要有下列两种：(1)采用两轴半坐标行切法加工。行切法是在加工时只有两个坐标联动，另一个坐标按一定行距周期行进给。这种方法常用于不太复杂的空间曲面的加工。(2)采用三轴联动方法加工。所用的铣床必须具有X、Y、Z三坐标联动加工功能，可进行空间直线插补。这种方法常用于发动机及模具等较复杂空间曲面的加工。三、数控铣床的工艺装备数控铣床的工艺装备主要包括夹具和刀具两类。(一)夹具在数控机床上加工零件，由于工序集中往往是在一次装卡中完成全部工序。因此，对零件的定位、夹紧方式要注意以下几个方面。（1）在选用夹具时应综合考虑产品的生产批量、生产效率、质量保证及经济性等问题。在小批量时应尽量采用组合夹具；当工件批量较大、精度要求较高时可以考虑设计专用夹具，或采用多工位夹具及气动、液压夹具。但此类夹具结构较复杂，造价往往较高，而且制造周期较长。（2）零件定位、夹紧的部位应不妨碍各部位的加工、刀具更换以及重要部位的测量。尤其要避免刀具与工件、刀具与夹具相撞的现象。（3）夹紧力应力求通过靠近主要支撑点或在支撑点所组成的三角形内。应力求靠近切削部位，并在刚性较好的地方。尽量不要在被加工孔径的上方，以减少零件变形。（4）零件的装卡、定位要考虑到重复安装的一致性，以减少对刀时间，提高同一批零件加工的一致性。一般同一批零件采用同一定位基准，同一装卡方式。249(二)刀具数控机床，特别是加工中心，其主轴转速较普通机床的主轴转速高1～2倍，某些特殊用途的数控机床、加工中心主轴转速高达数万转，因此数控刀具的强度与耐用度至关重要。目前硬质合金涂镀刀具已广泛用于加工中心，陶瓷刀具与立方氮化硼等刀具也开始在加工中心上运用。一般说来，数控机床所用刀具应具有较高的耐用度和刚度，刀具材料抗脆性好，有良好的断屑性能和可调、易更换等特点。（1）平面铣削应选用不重磨硬质合金端铣刀或立铣刀。一般采用二次走刀，第一次走刀最好用端铣刀粗铣，沿工件表面连续走刀。注意选好每次走刀宽度和铣刀直径，使接刀刀痕不影响精切走刀精度。因此加工余量大又不均匀时，铣刀直径要选小些。精加工时铣刀直径要选大些，最好能包容加工面的整个宽度。（2）立铣刀和镶硬质合金刀片的端铣刀主要用于加工凸台、凹槽和箱口面。为了提高槽宽的加工精度，减少铣刀的种类，加工时可采用直径比槽宽小的铣刀，先铣槽的中间部分，然后用刀具半径补偿功能铣槽的两边。（3）铣削平面零件的周边轮廓一般采用立铣刀。（4）加工型面零件和变斜角轮廓外形时常采用球头刀、环形刀、鼓形刀和锥形刀等，如图8-2所示。另外，对于一些成型面还常使用各种成型铣刀。OOORR2R1R2R1d1:6～1:20(a)(b)(c)(d)图8-2轮廓加工常用刀具250四、数控铣床的工艺性分析数控铣削加工的工艺性分析是编程前的重要工艺准备工作之一，关系到机械加工的效果和成败，不容忽视。由于数控机床是按照程序来工作的，因此对零件加工中所有的要求都要体现在加工中，如加工顺序、加工路线、切削用量、加工余量、刀具的尺寸及是否需要切削液等都要预先确定好并编入程序中。根据加工实践，数控铣削加工工艺分析所要解决的主要问题大致可归纳为以下几个方面.(一)选择并确定数控铣削加工部位及工序内容数控铣削加工有着自己的特点和适用对象，若要充分发挥数控铣床的优势和关键作用，就必须正确选择数控铣床类型、数控加工对象与工序内容。通常将下列加工内容作为数控铣削加工的主要选择对象：（1）工件上的曲线轮廓，特别是有数学表达式给出的非圆曲线与列表曲线等曲线轮廓；（2）已给出数学模型的空间曲面；（3）形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位；（4）用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内外凹槽；（5）以尺寸协调的高精度孔或面；（6）能在一次安装中顺带铣出来的简单表面或形状；（7）采用数控铣削后能成倍提高生产率，大大减轻体力劳动强度的一般加工内容。此外，立式数控铣床和立式加工中心适于加工箱体、箱盖、平面凸轮、样板、形状复杂的平面或立体零件，以及模具的内、外型腔等；卧式数控铣床和卧式加工中心适于加工复杂的箱体类零件、泵体、阀体、壳体等；多坐标联动的卧式加工中心还可以用于加工各种复杂的曲线、曲面、叶轮、模具等。251(二)加工工序的划分在数控机床上特别是在加工中心上加工零件，工序十分集中，许多零件只需在一次装卡中就能完成全部工序。但是零件的粗加工，特别是铸、锻毛坯零件的基准平面、定位面等的加工应在普通机床上完成之后，再装卡到数控机床上进行加工。这样可以发挥数控机床的特点，保持数控机床的精度，延长数控机床的使用寿命，降低数控机床的使用成本。在数控机床上加工零件其工序划分的方法有：1．刀具集中分序