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第2章数控加工程序编制基础第2章数控加工程序编制基础2.1机床坐标系2.2数控加工程序格式2.3编程中的数学处理习题与思考题第2章数控加工程序编制基础2.1机 床 坐 标 系2.1.1机床坐标系和主运动方向1．标准坐标系的规定对数控机床中的坐标系和运动方向的命名，ISO标准和我国JB3052—82部颁标准都统一规定采用标准的右手笛卡儿直角坐标系，一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义一个坐标轴。第2章数控加工程序编制基础标准中规定直线进给运动用右手直角笛卡儿坐标系X、Y、Z表示，常称基本坐标系。X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手定则决定。如图2-1所示，图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示。根据右手螺旋法则，可以方便地确定A、B、C三个旋转坐标轴。以大拇指指向＋X、＋Y、＋Z方向，则食指、中指等的指向是圆周进给运动＋A、＋B、＋C方向。第2章数控加工程序编制基础＋Y＋Z＋X＋Z＋C＋Y′＋A＋X＋Z′＋B＋Y＋X′＋X、＋Y或＋Z＋A、＋B或＋C图2-1右手直角笛卡儿坐标系第2章数控加工程序编制基础如果数控机床的运动多于X、Y、Z三个坐标，则可用附加坐标轴U、V、W分别表示平行于X、Y、Z三个坐标轴的第二组直线运动；如果在回转运动A、B、C外还有第二组回转运动，可分别指定为D、E、F。然而，大部分数控机床加工的动作只需三个直线坐标轴及一个旋转轴便可完成大部分零件的数控加工。第2章数控加工程序编制基础2．运动方向的确定数控机床的进给运动，有的是由刀具向工件运动来实现的，有的是由工作台带着工件向刀具来实现的。为了在不知道刀具、工件之间如何作相对运动的情况下，便于确定机床的进给操作和编程，统一规定标准坐标系X、Y、Z作为刀具(相对于工件)运动的坐标系，增大刀具与工件距离的方向为坐标正方向，即坐标系的正方向都是假定工件静止、刀具相对于工件运动来确定的。考虑到刀具与工件是一对相对运动，即刀具向某一方向运动等同于工件向其相反方向运动的特点，图2-1中虚线所示的＋X'、＋Y'、＋Z'必然是工件(相对于刀具)正向运动的坐标系。第2章数控加工程序编制基础3．坐标轴的确定(1) Z轴的确定。统一规定与机床主轴重合或平行的坐标为Z轴，远离工件的方向为正方向。机床主轴是传递切削动转矩的轴。如数控车床、数控外圆磨床是主轴带动工件旋转，数控铣床、数控钻床等是主轴带动刀具旋转。对于没有主轴的机床，规定垂直于工件装夹表面的方向为Z坐标轴的方向，正向是使刀具离开工件的方向。第2章数控加工程序编制基础(2) X轴的确定。X轴为水平的、平行于工件装夹面的轴。对于加工过程中主轴带动工件旋转的机床，如数控车床、数控磨床等，X轴沿工件的径向并平行于横向拖板，刀具或砂轮离开工件旋转中心的方向为X轴的正向。对于如铣床、钻床、镗床等刀具旋转的机床，若Z轴水平(主轴是卧式的)，当从主轴(刀具)向工件看时，X轴的正向指向右边，如数控卧式镗床、铣床；若Z轴垂直(主轴是立式的)，对于单立柱机床，当从主轴向立柱看时，X轴的正向指向右边，对于双立柱机床，当从主轴向左侧立柱看时，X轴的正向指向右边。第2章数控加工程序编制基础(3) Y轴的确定。根据X、Z轴及其方向，可按右手直角笛卡儿坐标系，利用右手螺旋法则确定轴。根据X、Y、Z轴及其方向，利用右手螺旋法则即可确定A、B、C的方向。一些数控机床的坐标系如图2-2所示。第2章数控加工程序编制基础(b)(a)＋Y(c)＋X＋Z＋YO＋W＋V＋Y＋A＋X′(d)＋Z＋X＋C′＋Z＋Z＋Y＋Z＋Y＋X－X＋X′＋Z＋X＋U＋Y＋Z＋W＋X′＋B′＋C＋ZOO图2-2数控机床坐标系第2章数控加工程序编制基础2.1.2机床原点和机床参考点1．机床原点机床原点是机床基本坐标系的原点，是工件坐标系、机床参考点的基准点，又称机械原点、机床零点，它是机床上的一个固定点，其位置是由机床设计和制造单位确定的，通常不允许用户改变，如图2-3所示。数控车床的机床原点一般在卡盘前端面或后端面的中心；数控铣床的机床原点，各生产厂不一致，有的在机床工作台的中心，有的在进给行程的终点。第2章数控加工程序编制基础工件原点＋Z机床参考点＋X机床原点图2-3数控机床的机床原点与参考点第2章数控加工程序编制基础2．机床参考点机床参考点是机床坐标系中一个固定不变的点，是机床各运动部件在各自的正向自动退至极限的一个点(由限位开关精密定位)，如图2-3所示。机床参考点已由机床制造厂测定后输入数控系统，并记录在机床说明书中，用户不得更改。实际上，机床参考点是机床上最具体的一个机械固定点，既是运动部件返回时的一个固定点，又是各轴启动时的一个固定点，而机床零点(机床原点)只是系统内运算的基准点，处于机床何处无关紧要。机床参考点对机床原点的坐标是一个已知定值，可以根据该点在机床坐标系中的坐标值间接确定机床原点的位置。第2章数控加工程序编制基础在机床接通电源后，通常要做回零操作，使刀具或工作台运动到机床参考点。注意，通常我们所说的回零操作，其实是指机床返回参考点的操作，并非返回机床零点。当返回参考点的工作完成后，显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值，表明机床坐标系已经自动建立。机床在回参考点时所显示的数值表示参考点与机床零点间的工作范围，该数值被记忆在CNC系统中，并在系统中建立了机床零点作为系统内运算的基准点。也有机床在返回参考点时，显示为零(X0，Y0，Z0)，这表示该机床零点被建立在参考点上。第2章数控加工程序编制基础2.1.3工件坐标系和工件原点工件坐标系是编程人员在编程时使用的，由编程人员以工件图纸上的某一固定点为原点所建立的坐标系，编程尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定。为保证编程与机床加工的一致性，工件坐标系也应该是右手笛卡儿坐标系，而且工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。工件坐标系的原点称为工件原点或编程原点。工件原点在工件上的位置可以任意选择，为了有利于编程，工件原点最好选在工件图样的基准上或工件的对称中心上，例如回转体零件的端面中心、非回转体零件的角边、对称图形的中心等。第2章数控加工程序编制基础在数控车床上加工零件时，工件原点一般设在主轴中心线与工件右端面或左端面的交点处如图2-4(a)所示；在数控铣床上加工零件时，工件原点一般设在工件的某个角上或对称中心上，如图2-4(b)所示。第2章数控加工程序编制基础(a)工件原点＋Z＋X机床原点(b)＋Z＋Z′＋Y′＋Y工件原点X′X机床原点图2-4工件原点设置(a)数控车床；(b)数控铣床第2章数控加工程序编制基础2.1.4工件坐标系和机床坐标系的关系编程时，尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定，不必考虑工件在机床上的安装位置和安装精度，但在加工时需要确定机床坐标系、工件坐标系、刀具起点三者的位置才能加工。工件装夹在机床上后，可通过对刀确定工件在机床上的位置。所谓对刀，就是确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置关系。在加工时，工件随夹具在机床上安装后，测量工件原点与机床原点之间的距离，这个距离称为工件原点偏置，如图2-5所示。在用绝对坐标编程时，该偏置值可以预存到数控装置中，在加工时工件原点偏置值可以自动加到机床坐标系上，使数控系统可按机床坐标系确定加工时的坐标值。第2章数控加工程序编制基础对刀过程一般从各坐标方向分别进行，可理解为通过找正刀具与一个在工件坐标系中有确定位置的点(即对刀点)来实现。对刀点可以设在工件、夹具或机床上，但必须与工件的定位基准(相当于工件坐标系)有已知的准确关系，这样才能确定工件坐标系与机床坐标系的关系。选择对刀点的原则是：便于确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置，容易找正，加工过程中便于检查，引起的加工误差小。当对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。第2章数控加工程序编制基础工件坐标系工件原点偏置机床坐标系YYXX图2-5机床坐标系与工件坐标系第2章数控加工程序编制基础对刀时直接或间接地使对刀点与刀位点重合。所谓刀位点，是指编制数控加工程序时用以确定刀具位置的基准点。对于平头立铣刀、面铣刀类刀具，刀位点一般取为刀具轴线与刀具底端面的交点；对球头铣刀，刀位点为球心；对于车刀、镗刀类刀具，刀位点为刀尖；钻头取为钻尖等，如图2-6(a)～(d)所示。刀具起始运动的刀位点称为起刀点。第2章数控加工程序编制基础(a)(b)(c)(d)图2-6刀位点(a)平头铣刀；(b)钻头；(c)球头铣刀；(d)车刀、镗刀第2章数控加工程序编制基础数控系统从对刀点开始控制刀位点运动，并由刀具切削部分加工出要求的零件轮廓，如用球头刀加工三坐标立体型面的零件时，数控系统控制球头刀球心轨迹，而由外圆切削刃加工出零件轮廓。对数控车床、加工中心等数控机床，如加工过程中要换刀，在编程时应考虑选择合适的换刀位置，为了防止换刀时刀具碰伤工件，换刀点必须设在零件的外部。第2章数控加工程序编制基础2.2数控加工程序格式2.2.1程序基本格式1．数控加工程序的结构一个完整的数控加工程序可分为程序号、程序段、程序结束指令等几个部分。程序号又名程序名，置于程序开头，用作一个具体加工程序存储、调用的标记。目前的计算机数控(CNC)机床，能将程序存储在内存中，为了区别不同程序，在程序的最前端加上程序号码以区分，以便进行程序检索。程序号码以地址O、P、%以及1～9999范围内的任意数字组成，通常FANUC系统用“O”，SINUMERIC系统用“%”作为程序号的地址码。编程时要根据说明书的规定作指令，否则系统是不会执行的。第2章数控加工程序编制基础工件加工程序由若干个程序段组成，程序段是控制机床的一种语句，表示一个完整的运动或操作。程序结束指令用M02或M30代码，放在最后一个程序段作为整个程序的结束。举例如下，如图2-7所示。第2章数控加工程序编制基础图2-7编程示例第2章数控加工程序编制基础O2001；(程序号)N10G50X200Z150T0100；(建立工件坐标系，选择T01号刀)N20G96S150M03；(恒线速设定，主轴正转)N25G50S2000；(设定主轴最高转速)N30G00X20Z6T0101；(①建立刀具补偿)N40G01Z-30F0.25；(②20圆柱加工)N50X50；(③50轴肩加工)N60X60Z-70；(④50圆锥加工)N70X90；(⑤60轴肩加工)N80G00X200Z150T00M05；(⑥刀具回位)N90M02；(程序结束)第2章数控加工程序编制基础上例为一个完整的零件加工程序，程序号为O2001。以上程序中每一行即称为一个程序段，共由10个程序段组成，每个程序段以序号“N”开头。M02作为整个程序的结束。第2章数控加工程序编制基础2．程序段的组成一个程序段表示一个完整的加工工步或动作。程序段由程序段号、若干程序字和程序段结束符号组成。程序段号N又称程序段名，由地址N和数字组成。数字大小的顺序不表示加工或控制顺序，只是程序段的识别标记。在编程时，数字大小可以不连续，也可以颠倒，也可以部分或全部省略。但一般习惯按顺序并以5或10的倍数编程，以备插入新的程序段。第2章数控加工程序编制基础程序字由一组排列有序的字符组成，如G00、G01、X120、M02等，表示一种功能指令。每个“字”是控制系统的具体指令，由一个地址文字(地址符)和数字组成，字母、数字、符号统称为字符。例如X250为一个字，表示X向尺寸为250mm；F200为一个字，表示进给速度为200mm/min(具体值由规定的代码方法决定)。每个程序段由按照一定顺序和规定排列的“字”组成。程序段末尾的“；”为程序段结束符号，有时也用“LF”表示程序段结束。第2章数控加工程序编制基础3．程序段的格式程序段格式指程序中的字、字符、数据的安排规则。不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符合规定，数控系统便不能接受，则程序将不被执行而出现报警提示，故必须依据该数控装置的指令格式书写指令。程序段的格式可分为固定