第三章 数控机床手工程序编制

第三章数控机床手工程序编制第一节程序编制基础我们知道数控机床与普通机床在加工零件时的根本区别是：数控机床是按照事先编制好的加工程序自动地完成对零件的加工，而普通机床是由操作者按照工艺规程通过手动操作来完成零件的加工。机床操作工的熟练技巧与普通机床的加工工效和质量关系很大。而数控机床对所加工零件的质量与效率，很大程度上取决于所编程序的合理与否。理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥，以使数控机床能安全可靠及高效地工作。在程序编制前，程序员应了解所用数控机床的规格、性能，CNC系统所具备的功能及编程指令格式等。程序编制时，需先对图样规定的技术特性，零件的几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，确定加工方法和加工路线，再进行数值计算，获得刀位数据。然后，按数控机床规定采用的代码和程序格式，将工件的尺寸，刀具运动轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、刀具进给量、切削深度等）以及辅助功能（换刀、主轴正转、反转、冷却液开、关等）编制成加工程序。也就是说，零件加工程序是用规定代码来详细描述整个零件加工的工艺过程和机床的每个动作步骤。一般来说，数控机床程序编制过程主要包括：分析零件图样、工艺处理、数学处理、编写程序单、输入程序及程序检验。所谓“数控机床的程序编制”是指由分析零件图样到程序检验的全部过程。一、程序编制的方法与步骤(一)在线编程与离线编程由于微电子技术的发展，目前一块很小的存储器芯片，其存储容量可达几十～几百K，微处理机数控系统内的软件存储容量已得到极大的提高，因此，一些编程软件可很方便地直接存入CNC系统内，即可实现所谓的在线编程，使得编程和控制一体化，操作者可在机床操作台上直接通过键盘进行编程，并利用CRT显示实现人机对话，也可实现刀具轨迹动态模拟显示，便于检查和修改程序，对调试和加工带来极大的方便。相比之下，以前硬线联结的数控（指前三代：电子管、晶体管、集成电路的NC）系统的零件编程需要利用另一台电子计算机，采用专用的数控语言（如APT）进行编程，得到源程序后，再通过计算机内的主信息处理软件和后置处理软件处理后输出，并制作成控制介质——程序纸带，由程序纸带再来实时控制数控机床加工。所以这种离线编程给程序修改、加工调试带来许多麻烦和不便。当然，现代的计算机辅助编程也应属于离线编程，但它与以前硬线联结的数控系统只能用离线编程的方法是有本质区别的。即可采用一台专用的数控编程系统为多台数控机床编制程序，编程时就不会占用各台数控机床的工作时间，并且专用编程系统的功能往往多而强，同时也可作为数控编程培训的实验教学设备。(二)手工编程从零件图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序单、键盘输入程序直至程序校验等各步骤均由人工完成，即为手工程序编制的过程，称为手工编程。目前，大部分采用ISO标准代码书写。手工编程适于点位加工或几何形状不太复杂的零件，即二维或不太复杂的三维加工、程序编制坐标计算较为简单、程序段不多、程序编制易于实现的场合。这时，手工编程显得经济而且及时。对于几何形状复杂，尤其是需用三轴以上联动加工的空间曲面组成的零件，编程时数值计算繁琐，所需时间长，且易出错，程序校验困难，用手工编程难以完成。据有关统计表明，对于这样的零件，编程与机床加工时间之比平均约为30：1。所以，为了缩短生产周期，提高数控机床的利用率，有效的解决各种模具及复杂零件的加工问题，手工编程已不能满足要求，必须想办法提高编程的效率，也就是采用计算机辅助编程。(三)数控加工程序编制的一般过程与步骤手工在线编程是目前数控编程中最常用的方法之一，图3-1是其数控程序编制到加工运行的过程框图。结合该框图我们来具体说明数控机床程序编制的步骤和要求：编写程序单操作键盘输入校验加工生产复制程序储存介质（纸带、磁带、磁盘）分析零件图纸工艺处理数学处理出错返回图3-1数控程序编制的过程框图⒈分析零件图样和工艺处理这一步骤的内容包括：对零件图样进行分析以明确加工的内容及要求，确定加工方案、选择适合的数控机床、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。我们知道数控机床是用数字信息来自动控制加工的机床。这个数字信息实际上就是从所编程序中得到，加工过程中机床的每一步动作都由该程序来决定。因此其加工工艺需制定的非常细腻、详尽。它与普通机床不同，工艺员对普通机床的工艺编制只要考虑大致方案，具体操作细节均由机床操作者根据技能、经验，在现场自行决定，并可随时根据实际加工情况进行改进。而对于数控加工，则必须由编程员预先对零件加工的每一工步均在程序中安排好。整个工艺中的每一细节都应事先确定，并安排合理。因此要求编程人员除熟练掌握编程指令功能、书写格式、键盘输入等基本编程技能外，关键还要全面掌握有关加工工艺，熟悉数控机床的加工特性。工艺处理涉及问题很多，编程人员需要注意如下几点：(1)确定加工方案此时应考虑数控机床使用的合理性及经济性。并充分发挥数控机床的功能。(2)工夹具的设计和选择应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程，以减少辅助时间。使用组合夹具，生产准备周期短，夹具零件可以反复使用，经济效果好。此外，所用夹具应便于安装，便于协调工件和机床坐标系的尺寸关系。(3)正确选择工件坐标原点也就是建立工件坐标系，确定工件坐标系与机床坐标系的相对尺寸。这主要是对于绝对值编程来讲，一般根据图纸所标尺寸，便于刀具轨迹和有关几何尺寸计算，并且也要考虑零件的形位公差要求，避免产生累积误差等。(4)确定机床换刀点这主要是根据所用的各把刀具尺寸，即要考虑避免换刀时，刀具与工件及有关部件产生干涉、碰撞，又要尽量减少换刀时的空行程距离。(5)选择合理的走刀路线合理地选择走刀路线对于数控加工是很重要的。走刀路线的选择应从下面几个方面考虑：①尽量缩短走刀路线，减少空走刀行程，提高生产效率。②保证加工零件的精度和表面粗糙度的要求。③有利于简化数值计算，减少程序段数目和编制程序工作量。(6)合理选择刀具应根据工件材料的性能，机床的加工能力，加工工序的类型，切削用量以及其它与加工有关的因素来正确的选择刀具。对刀具总的要求是：安装调整方便、刚性好，精度高，使用寿命长等。(7)确定合理的切削用量在工艺处理中必须正确确定切削用量，即切削深度、进给速度及主轴转速等。切削用量的具体数值应根据数控机床使用说明书的规定、被加工工件材料类型（如铸铁、钢材、铝材等）、加工工序（如车、铣、钻等、粗加工、半精加工、精加工等）以及其它工艺要求，并结合实际经验来确定。(8)确定有关辅助装置在加工过程中的先后动作要求如冷却液开关，液压系统中有关电磁阀的动作顺序要求等。⒉数学处理在完成了工艺处理的工作后，下一步需根据零件的几何尺寸、加工路线，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。一般的数控系统均具有直线插补与圆弧插补的功能。对于加工由圆弧与直线组成的较简单的平面零件，只需计算出零件轮廓的相邻几何元素的交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点，圆弧的圆心坐标值。当零件图纸所标尺寸的坐标系与所编程序的工件坐标系不一致时，需要进行相应的换算。如果数控系统无刀补功能时，还需根据刀具直径，计算刀具运动的中心轨迹坐标值，对于有些特殊曲线、曲面的零件加工，若数控系统本身没有该类曲线的插补功能时，还必须根据其曲线方程（如渐开线、阿基米德螺旋线等）采用小直线段或圆弧段拟合逼近法，按精度要求计算出其各节点坐标值，当然对较复杂的数字处理往往需利用计算机进行辅助计算。⒊编写零件加工程序单在加工顺序、工艺参数以及刀位数据确定后，就可按数控系统的指令代码，程序段格式，逐段编写零件加工程序单。这要求编程人员对该数控机床的技术性能、指令功能、代码书写格式等非常熟悉，才能正确编写程序。我们将在本节第二部分具体讲解程序编制的指令代码和基本格式。⒋操作键盘输入程序按所编程序清单内容，通过操作数控系统键盘上各数字、字母、符号键进行逐段程序输入。并利用CRT显示内容进行逐段检查，如有输入错误，就及时改正。⒌校验程序送入数控系统后，还需经过试运行和试切削两步校验后，才能进行正式加工。通过试运行其程序，主要是校验程序语法有否错误，加工轨迹正确与否。而通过试切削是实际考核其加工工艺及有关切削参数制定得合理与否，加工精度能否满足零件图纸要求，以及加工工效如何，以便进一步改进。试运行方法对带有刀具轨迹动态模拟显示功能的数控系统比较方便，只要在刀具轨迹模拟工作状态下运行所编程序，如果程序存在语法或计算错误，运行中会自动显示编程出错报警，根据报警号内容，编程员可对相应出错程序段进行检查、修改，并根据所显示的刀具轨迹是否符合要求等，进行检查整改。对于经济型数控系统，通常不带有刀具轨迹模拟显示功能，可采用关闭伺服驱动功放开关，进行空运行其程序来自动检查所编程序有否语法错误等。也可采用不装工件、刀具进行自动循环空运行来检查程序执行中机床的动作过程。对两坐标联功的平面轨迹，也可采用以笔代替刀具，用坐标纸代替工件，通过运行其程序来自动绘出刀具轨迹，以检验程序的对错。⒍加工生产与复制程序储存介质零件程序调试合格后，就可投入正常批量加工生产。此时，操作者一般只要进行工件上下料装夹，再揿一下自动循环按钮，就可自动循环加工，但由于刀具磨损等，需适时通过对工件测量检验后，进行刀具补偿等。有时由于工厂均衡生产的需要，对某些零件需分阶段生产一批，这样对一些调试合格的零件程序，但又暂时不用的可通过纸带穿孔机、录音机等，制作程序储存介质，即把合格的零件程序储存在纸带、磁带等介质上，这样可不占用数控系统的内存，当以后生产需要时再通过光电阅读机、录音机等，把相应的程序送入数控系统即可加工生产。二、程序编制的代码与基本格式我们在前面数控加工程序编制的过程与步骤中讲到，根据零件图纸，通过加工工艺方案确定和有关数学处理后，就可以具体编写零件加工程序单，它是用规定的指令代码和固定格式来描述零件加工的整个过程。数控系统一段一段地执行其程序，按步骤控制机床每个执行部件的动作，来完成对零件的加工。因此零件程序的正确与否，直接关系到数控机床是否能正常工作和加工出合格产品。程序所用的指令代码和编写格式一定要符合数控系统所规定的要求。(一)数控程序的指令代码零件程序所用的代码，主要有准备功能G指令、进给功能F指令、主轴速度S指令、刀具功能T指令、辅助功能M指令。一般数控系统中常用的G功能和M功能都与国际ISO标准中的功能一致，对某些特殊功能，ISO标准中未指定的，按其数控机床的控制功能要求，数控生产厂家按需要进行自定义。并在数控编程手册中予以具体说明定义。我国机械工业部制定的有关G指令和M指令的JB3208－83标准，也与国标上使用的ISO1056－1975E标准基本一致。⒈准备功能G指令用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（即插补功能指令）、机床坐标系、插补坐标平面、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及其后面的二位数字组成，从G00到G99共有100种代码，如表3-1所示。表内第2栏中，标有字母a、c、d…等是表示第1栏中所对应的G代码为模态代码（又称续效代码），字母相同的为一组，同组的任意两个代码不能同时出现在一个程序段中。模态代码是表示，这种代码一经在一个程序段中指定，便保持有效到以后的程序段中出现同组的另一代码时才失效，在某一程序段中一经应用某一模态G代码，如果其后续的程序段中还有相同功能的操作，且没有出现过同组的G代码时，则在后续的程序段中可以不再指令和书写这一功能代码。表内第2栏没有字母的表示对应的G代码为非模拟代码，即只有书写了该代码时才有效。表中第4栏功能说明中的“不指定”代码，用作将来修订标准时供指定新的功能之用。“永不指定”代码，说明即使将来修订标准时，也不指定新的功能。但是这两类代码均可由数控系统设计者根据需要自行定义表中所列功能以外新的功能，但必须在机床编程说明书中予以说明，以便用户使用。一般在G指令后还需用x、y、z等字母和具体数字来表示相应的尺寸、规格等设定值，所跟字母的含义见后述表3-4地址符定义表