第2章 数控编程基

第2章数控编程基础2.1数控编程概述•在数控机床上加工零件时，需要把加工零件的全部工艺过程和工艺参数，以信息代码的形式记录在控制介质上，并用控制介质的信息控制机床动作，以实现零件的全部加工过程。•加工程序编制可分为手工编制和自动编程两类。•手工编程:整个加工程序的编制过程是由人工完成的。要求编程人员不仅要熟悉数控代码及编程规则，而且还必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力。适用较简单零件加工.•自动编程:借助CAD/CAM软件,构造CAD加工模型,再利用CAM进行数据处理后自动生成加工编程,经仿真模拟检测修正无误传输给数控加工机床.2.2数控机床的坐标系•2.2.1坐标轴的运动方向及命名•数控机床坐标轴的命名和运动方向的规定，是一个十分重要的问题。每一个数控机床的编程员和操作者，都必须对坐标轴及其运动方向有一个统一正确的理解，这样将非程序编制和使用维修带来极大的便利。否则，程序编制将发生混乱，操作时会发生事故。•2.2.1坐标轴的运动方向及命名•1.坐标轴和运动方向命名的原则•（1）假定刀具相对于静止的工件面运动，当工件移动时，即在坐标轴字母上加“′”表示。•（2）标准的坐标系是一个右手直角笛卡尔坐标系，如图1-1所示。•（3）刀具远离工件的运动方向为坐标的正方向。•（4）机床主轴旋转运动的正方向是按照右旋螺纹进入工件的方向。•2.机床坐标轴的规定•直线进给运动的直角坐标系采用X.Y.Z坐标轴(以下简称为轴)表示，常称为基本坐标系。X.Y.Z轴的相互关系用右手定则决定，如图1-1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，根据右手螺旋定则，以大拇指指向+X.+Y.+Z方向，则其余手指的指向是圆周进给运动的+A.+B.+C方向。•工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，既有：•+X=-X′；+Y=-Y′；+Z=-Z′•+A=-A′；+B=-B′；+C=-C′•（1）Z轴。规定平行于主轴轴线(即传递切削动力的主轴轴线)的坐标轴为Z轴。对于没有主轴的机床(如数控龙门刨床)规定垂直于工件装夹面的坐标轴为Z轴。如果机床上有几根主轴，可选垂直于工件装夹面的一根主轴作为主要主轴，Z轴则平行于主要主轴的轴线。•Z轴的正方向是使刀具远离工件的方向。•（2）X轴。X轴是水平的，它平行于工件的装夹面。在刀具旋转的机床上，如铣床、钻床、镗床等，若Z轴是水平的，则从刀具(主轴)向工件看时，X轴的正方向指向右边，如图4-4所示。如果Z轴是垂直的，当从主轴向立柱看时，对于单立柱机床，X轴的正方向指向右边；对于双立柱机床，当从主轴向左侧立柱看时，X轴的正方向指向右边，如图4-5所示。在工件旋转的机床上，如车床、磨床等，X轴的运动方向是在工件的径向并平行于横向拖板，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向，如图4-6所示。在刀具或工件均不能旋转的机床上(如刨床)，X轴平行于主要进给方向，并以该方向为X轴的正方向。•（3）Y轴。在确定了X、Z轴的正方向后，可按图4-3的直角坐标系，按右手法则(直角笛卡尔坐标系)来确定Y轴的正方向，即在ZX平面内，从+Z轴转到+X轴时，右螺旋纹应沿+Y方向前进。•2.2.1坐标轴的运动方向及命名•3.机床坐标系的确定方法•一般先确定Z轴，因为它是传递切削动力的主要轴线方向，再按规定确定其X轴，最后用右手螺旋法则确定Y轴。•2.2.2机床坐标系与工件坐标系•1.机床坐标系与机床原点•机床坐标系是机床上固有的坐标系，并设有固定的坐标原点，就是机床原点，又称机械原点，即x=0、y=0、z=0的点。从机床设计的角度来看，该点位置可任选，但从使用某一具体机床来说，这点确是机床固定的点。与机床原点不同但又很容易混淆的另一概念是机床零点，它是机床坐标系中一个固定不变的极限点。在加工前及加工结束后，可用控制板面上的“回零”按钮使部件(如刀具)退离到该点。对车床而言，机床零点是指车刀退离主轴端面和中心线最远而且是某一固定的点。该点在机床制造厂产品出厂时，就已经调好并记录在机床使用说明书中供用户编程使用，一般情况下，不允许随意变动。•CK0630数控车床的机床坐标系形式如所示。图中Z轴与机床导轨平行(取卡盘中心线)，X轴与Z轴垂直，机床原点O′取在卡盘后端面与中心线的交点之处。而机床零点O则是机床上一个固定的参考点，该点在机床坐标系中的坐标为：x=200mm，z=400mm。当刀架回到机床零点时，刀架上的对刀参考点便与机床零点重合。•2.2.2机床坐标系与工件坐标系•2.工件坐标系和工件原点•编程时，为了编程方便，需要在零件图样上适当选定一个编程原点，即程序原点(或称程序零点)。并以这个原点作为坐标系的原点，再建立一个新的坐标系，称编程坐标系或工件坐标系，故此原点又称为工件原点。为了建立机床坐标系和工件坐标系的关系，需要设立“对刀点”。所谓“对刀点”就是用刀具加工零件时，刀具相对于工件运动的起点。•以为例对刀点相对于机床原点的坐标为(X0，Y0)，而工件原点相对于机床原点的坐标为(X1+X0，Y0+Y1)，这样就把机床坐标系、工件坐标系和对刀点之间的关系明确地表达出来了。编程时，根据需要，有时把对刀点视为编程起点；也有时把程序原点(即工件原点)视为编程起点，这时程序的第一段内容就是使刀具从工件原点走到对刀点。•运动轨迹的终点坐标是相对于起点计量的坐标系，称为增量坐标系(或相对坐标系)。•所有坐标系的坐标值均从某一固定坐标原点计量的坐标系，称为绝对坐标系。在图2-6中的A、B两点，若以绝对坐标计，则：绝对尺寸X=xa=30，Y=ya=35；X=xb=12，Y=yb=15。•若以增量坐标计，则B点的坐标是在以A为原点建立起来的坐标系内计量的，则终点B的增量尺寸为X=xa-xb=-18，Y=ya-yb=-20，其中负号表示B点在X1、Y1轴的负向。2.2.3绝对尺寸(绝对坐标)与增量尺寸(增量坐标)2.3常用编程指令•在普通机床的零件加工工艺卡片上，只规定过程、工步等内容，并不需要对机床上的各个操作作详细的规定。但数控机床在编程时，对机床操作的各个动作，如机床主轴的开、停、换向，刀具的进给方向，必要的端点停留，测量时间的安排，冷却液的开、关等，都要用指令的形式给予规定。我们称这类指令为工艺指令(或功能指令)。工艺指令是程序段的基本单元，也是程序编制中的核心问题。这类指令分为准备功能指令G和辅助功能指令M两大类。•2.3.1准备功能G指令•准备功能G指令，用来规定刀具和工件的相对运动轨迹(即指令插补功能)、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。JB3208-83标准中规定：G指令由字母G及其后面的两位数字来组成，从G00到G99共有100种代码(见表2-1)。•2.3.1准备功能G指令•1.坐标系有关指令•(1)绝对尺寸与增量尺寸指令——G90、G91。绝对尺寸指令和增量尺寸指令分别用G90和G91准备功能代码指令表示。G90表示程序段中的尺寸字为绝对尺寸，G91则表示尺寸字为增量尺寸。绝对尺寸与增量尺寸关系•（2）坐标系设定指令——G92。当用绝对尺寸编程时，必须先用指令G92设定机床坐标与工件编程坐标的关系，确定零件的绝对坐标原点，同时要把这个原点设定值存贮在数控装置中的存贮器内，以作为后续各程序对尺寸的基准。•G92为续效指令，即只要后边没有重新设定机床坐标与工件坐标之间的关系（在整个程序中可设定一次或多次），那么先前的设定继续有效，直到后边重新设定时先前的设定才无效。•图2-8中绝对坐标系原点O为程序原点。设刀具T01的初始位置在A点，工件坐标系就可以用G92来设定，其坐标为(400，250)。当刀架回到原位改换T02号刀具时，此时刀尖的位置处在B点而不在A点，可按B点重新设定工件坐标系(再用G92指令)，其值为(450，150)。•注意：坐标系设定指令程序段只设定程序原点的位置，它并不产生运动，即刀具仍在原位置。•（3）坐标平面指令——G17，G18，G19。用G17，G18，G19分别表示在XY，ZX，YZ坐标平面内进行加工，这种指令用作直线与圆弧插补及刀具补偿时的平面选择。有的数控系统只有在一个坐标平面内加工的功能，则在程序中，只写出坐标地址符及其后面的尺寸，不必书写坐标平面指令。•（4）最小命令增量。最小命令增量就是脉冲当量，它表示数控装置每输出一个命令脉冲时，机床移动部件的位移量，即最小位移量。最小命令增量一般为0.001~0.01mm，视具体数控机床而定。在编程时，所有编程尺寸都应转换成与最小位移量相应的数量。•2.快速点定位指令——G00•G00指令使刀具以点位控制方式从刀具所在点用最快速度移动到坐标系的另一点。它只是快速到位，而其运动轨迹则根据具体控制系统的设计情况，可以是多种多样的。在图2-9中，从A点移到B点可有四种运动轨迹。•注意：G00是续效指令。一旦指令了G01、G02或G03时，G00才无效。另外，指定了G00的程序段不需再指定进给速度F。•3.直线补插指令——G01•G01为直线补插指令，用以指令两个坐标(或三个坐标)以联动的方式，按程序段中规定的合成进给速度F，插补加工出任意斜率的直线。工件相对于刀具的现时位置是直线的起点，该点为已知点。因此在程序段中只要指定终点的坐标分量，就给定了加工出直线的必要条件。•在图2-10中，刀具由P点运动至A点，然后沿AB、BO、OA切削，再返回到P点。该运动轨迹应用G01指令来完成。•在G01程序段中必须有F指令，且G01与F都是续效指令。•4.圆弧插补指令——G02、G03•圆弧插补指令为G02、G03，分别用于顺时针及逆时针的圆弧加工。圆弧的顺、逆方向可按图2-11给出的方法判断，沿圆弧所在平面（如ZX平面）的坐标轴的负方向（如-Y）观察，刀具相对于工件的移动方向为顺时针时用G02指令，逆时针时用G03指令。•圆弧插补程序段应包括圆弧的顺逆、圆弧的终点坐标以及圆心坐标(或半径)，其程序格式为：•当机床只有一个坐标平面时，平面指令可省略；当机床具有三个坐标时，G17可省略。•终点坐标可以用绝对值，也可以用终点相对于起点的增量值，这取决于程序中以指定的G90或G91。•圆心坐标I.J.K，一般用圆心相对于圆弧起点在X.Y.Z坐标的分矢量确定，且总是为增量尺寸，而与指定的G90无关。圆心参数也可以用半径R值表示。规定小于等于180°的圆弧，R值取正；大于180°的圆弧，R值取负。但应注意，用R参数时，不能描述整圆。图2-12为封闭圆，即整圆，只能用圆心坐标I.J.K编程，而图2-13可用半径值R来编程。•5.暂停(延迟)指令——G04•G04可使刀具做短时间的无进给运动，它是用于车削环槽、锪平面、钻孔等光整加工，其编程格式为：G04β□□LF•其中β为地址符，常用X或P表示。“□□”为暂停时间，单位为ms；•也可以是刀具或工件的转数，如何选用，要视具体数控系统的规定而定。•图2-14的锪平底孔加工，孔底有粗糙度要求，为满足要求，可应用G04指令，使锪钻在锪到孔底时空转几转。•6.刀具半径补偿指令——G41、G42、G40•G41为左偏指令，是指顺着刀具前进方向看，刀具偏在工件轮廓的左边；若偏在右边，则用G42表示，即为右偏指令。G40为注销指令，也就是当G41或G42程序完成后用G40程序段消去偏置值，从而使刀具中心与偏程轨迹重合。图2-15是刀具半径补偿示例，由于机床具备了刀具半径补偿功能，所以按已知的起刀点P和轮廓中的A.B.C.D的图样数据进行编程时，利用G41、G42和G40指令，刀具中心将沿图中虚线运行。•有了刀具半径补偿，除了可免去刀心轨迹的人工计算外，还可利用同一加工程序(即纸带不变)去适应不同的情况。•7.刀具长度补偿指令——G43、G44、G40•G43为刀具长度正补偿指令，它的作用是对刀具编程终点坐标值做加上一个刀具偏差量e的运算，也就是使编程终点坐标正方向移动一个偏差量。G44为刀具长度负补偿指令，它的作用与G43正好相反。G