第一章 数控加工的编程基础

数控编程技术主讲：黄伟玲机电工程系主讲：黄伟玲机电工程系课时分配：理论(40课时)上课时间：13-19周考核方式：(考勤+作业)(30%)+考试(70%)考试：第19周辅导时间：周三（7.8节）联系电话：[phone]江西理工大学应用科学学院机电工程系黄伟玲2009.11.1第一章第1章数控加工的编程基础数控编程概述数控机床的分类与刀具运动数控系统与加工功能数控加工程序的结构与格式数控机床的特点和应用范围数控系统的常用代码1.1.1什么是机床的数字控制数控技术简称数控(NC，NumericalControl)，是指利用数字或数字化的信号构成的程序对控制对象的工作过程实现自动控制的一门技术。例：N003G90G01X+35.Y+279.3Z-429.7S1000T02F500M07；数控系统(NCS，NumericalControlSystem)是指利用数字控制技术实现的自动控制系统。数控设备则是采用数控系统实现控制的机械设备，其操作命令是用数字或数字代码的形式来描述，工作过程是按照指定的程序自动地进行，装备了数控系统的机床称之为数控机床。1.1数控编程概述数控车床数控铣床加工中心加工中心1.1.2数控加工的过程第1章数控加工的编程基础数值计算程序校核工艺分析制备控制介质编程序清单零件图纸输入装置工作台数控装置输出装置伺服机构毛坯工件编程部分机床控制部分利用数控机床完成零件加工的过程如图1.1，1.2所示,主要包括下列步骤。图1.1数控加工的过程图1.2数控加工过程数控加工过程为：1.根据零件加工图样进行工艺分析,确定加工方案、工艺参数和位移数据。2.用规定的程序代码和格式编写零件加工程序单。3.程序的输入或传输。4.将输入到数控单元的加工程序，进行试运行、刀具路径模拟等。5.通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。第1章数控加工的编程基础1.1.3数控程序编制的内容与方法零件图纸加工工艺分析数学处理编写程序清单制备控制介质程序校验、试切加工第1章数控加工的编程基础1.1.4数控机床的组成加工程序输入输出装置数控装置机床本体伺服驱动装置辅助控制装置检测装置图1.3数控机床的基本组成输入输出设备CNC装置伺服系统检测装置机床本体辅助控制装置图1-2数控机床的组成第1章数控加工的编程基础数控机床由七部分组成：1.加工程序：软件组成部分。2．输入输出装置：输入输出装置是操作人员与机床数控系统进行信息交流的载体。零件加工程序、机床参数及刀具补偿等数据通过键盘、U盘、磁盘、磁带、穿孔纸带和串行通信等方式输入到计算机数控装置，通过CRT、LED、LCD、TFT显示器以及各种信号灯、报警器等将信息输出。3.数控装置：由CPU、存储器、总线、功能部件和相应软件组成的专用计算机。数控装置是数控系统的核心。输入设备传送的数控加工程序，经数控装置系统软件进行译码、插补运算和速度预处理，产生位置和速度指令以及辅助控制功能信息等第1章数控加工的编程基础4.伺服驱动装置：伺服驱动装置包括主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置两部分。接受数控装置来的位置指令和速度指令，将信号进行调解、转换、放大后驱动伺服电机，带动机床执行部件运动。5.辅助装置：辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制装置，通过可编程序控制器（PLC）来实现。PLC和数控装置配合共同完成数控机床的控制。6.位置检测装置：位置检测装置与伺服驱动装置配套组成半闭环和闭环伺服驱动系统。时时检测机床上零件的加工信息并反馈到数控系统。可以提高零件的加工精度。7.机床本体：机床本体就是数控机床的机械部件。包括：主运动部件，进给运动部件，如机床工作台、滑板及其传动部件和床身立柱及支承部件等。1.1.5数控编程的种类第1章数控加工的编程基础数控编程，一般分为手工编程和自动编程两种。1.手工编程由人工进行数控编程。适用于加工形状简单、计算量小、程序不多的零件。2.自动编程利用计算机专用软件编制数控程序。适用于形状复杂的零件，特别是具有非圆曲线、列表曲线及曲面组成的零件。1.2数控机床的分类与刀具运动1.2.1刀具沿工件的加工轮廓插补第1章数控加工的编程基础数控加工的过程是刀具沿工件所要加工的轮廓移动(注：某些机床实际上是工作台移动而不是刀具运动，但为了编程方便，假定刀具相对于工件移动）---插补过程。1.2.2数控机床的分类第1章数控加工的编程基础1.按加工方式分类(1)切削机床类。如数控车床、铣床、镗床、钻床和加工中心等。(2)成型机床类。如数控冲压机、弯管机、折弯机等。(3)特种加工机床类。如数控电火花、线切割、激光加工机床等。(4)其它机床类。如数控等离子切割、火焰切割、点焊机、三坐标测量机等。2.按运动的控制轨迹分类第1章数控加工的编程基础(1)点位控制数控机床图1-3按加工控制路线分类(1)点位控制；(2)直线控制；(3)轮廓控制第1章数控加工的编程基础3．轮廓控制数控机床按控制坐标轴数目分类(1)二轴联动(2)二轴半联动(3)三轴联动(4)四轴联动(5)五轴联动4.按伺服控制方式分类第1章数控加工的编程基础(1)开环控制数控机床减速器数控装置控制电路步进电机工作台输入图1.4开环控制系统框图第1章数控加工的编程基础(2)闭环控制数控机床数控装置控制电路伺服电机工作台输入图1.5闭环控制系统框图位置检测元件速度检测元件速度反馈位置反馈第1章数控加工的编程基础(3)半闭环控制数控机床数控装置控制电路伺服电机工作台输入图1.6半闭环控制系统框图速度检测元件速度反馈位置反馈转角检测元件5.按数控系统的功能水平分类第1章数控加工的编程基础功能低档中档高档分辨率（μm）1010.1进给速度（m/min）8～1515～2415～100驱动进给类型开环半闭环或闭环的直流或交流伺服系统联动轴数（轴）2～32～43～5以上通信功能一般无RS-232或DNC接口可有MAP通信接口①，有联网能力显示功能LED或简单的CRT较齐全的CRT显示②还有三维图形显示内装PLC无有有强功能的PLC主CPU8位、16位32位以上或32位以上的多CPU注:①MAP—ManufacturingAutomationProtocol制造自动化协议②较齐全的CRT显示是指具有字符、图形、人机对话、自诊断等功能的显示。1.2.3数控机床的坐标系和运动方向第1章数控加工的编程基础为了确定机床的运动方向、移动的距离，要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就是标准坐标系，也叫机床坐标系。数控机床上的坐标系是采用右手直角笛卡尔坐标系。如图1-7所示，X、Y、Z直线进给坐标系按右手定则规定，而围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴A、B、C则按右手螺旋定则判定。机床各坐标轴及其正方向的确定原则是：(1)先确定Z轴。以平行于机床主轴的刀具运动坐标为Z轴，若有多根主轴，则可选垂直于工件装夹面的主轴为主要主轴，Z坐标则平行于该主轴轴线。若没有主轴，则规定垂直于工件装夹表面的坐标轴为Z轴。Z轴正方向是使刀具远离工件的方向。如立式铣床，主轴箱的上、下或主轴本身的上、下即可定为Z轴，且是向上为正；若主轴不能上下动作，则工作台的上、下便为Z轴，此时工作台向下运动的方向定为正向。第1章数控加工的编程基础+Z+Y+Z+C+X+Y+B+X+A+A、+B或+C+X、+Y或+Z图1-7笛卡尔直角坐标系统第1章数控加工的编程基础(2)再确定X轴。X轴为水平面内且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。在工件旋转的机床(如车床、外圆磨床)上，X轴的运动方向是径向的，与横向导轨平行。刀具离开工件旋转中心的方向是正方向。对于刀具旋转的机床，若Z轴为垂直(如立式铣、镗床，钻床)，则从刀具主轴向床身立柱方向看，右手平伸出方向为X轴正向。(3)最后确定Y轴。在确定了X、Z轴的正方向后，即可按右手定则定出Y轴正方向。如图1-8是机床坐标系示例。第1章数控加工的编程基础YZZXXZXXZXZXZY(a)(b)图1-8数控机床坐标系示例(a)卧式车床；(b)立式铣床第1章数控加工的编程基础上述坐标轴正方向，均是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动而确定的方向，即刀具运动坐标系。但在实际机床加工时，有很多都是刀具相对不动，而工件相对于刀具移动实现进给运动的情况。此时，应在各轴字母后加上“ ’ ”表示工件运动坐标系。按相对运动关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：+X=−X’+Y=−Y’+Z=−Z’+A=−A’+B= −B’+C=−C’(4)旋转运动A、B和CA、B和C相应地表示其轴线平行于X、Y和Z坐标的旋转运动。A、B和C的正方向，相应地表示在X、Y和Z坐标正方向上按照右手螺旋前进的方向。1.3数控系统与加工功能1.3.1典型数控系统第1章数控加工的编程基础1.FANUC公司的主要数控系统(1)高可靠性的powerMate0系列(2)普及型CNC0-D系列(4)高性/价比的0i系列(5)具有网络功能CNC16i/18i/21i系列(6)个性化CNC16/18/160/180系列(3)全功能型的0-C系列2.SIEMENS公司的主要数控系统第1章数控加工的编程基础(1)SINUMERIK802S/C(2)SINUMERIK802D(4)SINUMERIK840D(3)SINUMERIK810D3.FAGOR公司的数控系统第1章数控加工的编程基础(1)CNC8070(2)8055系列数控系统(4)8040/8055-i/8055TCO/MCO系列(5)8040/8055-i/8055TC/MC系列(6)8025/8035系列(3)8040/8055-i标准系列4.华中数控系统5.北京航天数控1.3.2数控系统的主要功能第1章数控加工的编程基础1.准备功能准备功能是使数控机床作好某种操作准备的指令，地址G和数字表示，ISO标准中规定准备功能有G00至G99共100种。G代码分为模态代码和非模态代码，其中00组（或没标字母）的G代码为非模态代码，其余为模态代码，模态代码可在连续多个程序段中有效，直到被相同组别的代码取代，非模态代码只在本程序段有效。第1章数控加工的编程基础代码组意义代码组意义代码组意义*G00快速点定位*G40刀补取消G73车闭环复合循环G01直线插补G41左刀补G7600车螺纹复合循环G02顺圆插补G4207右刀补G80车外圆固定循环G03逆圆插补G5200局部坐标系设置G81车端面固定循环G3201螺纹切削零点G8201车螺纹固定循环G0400暂停延时G54～G5911偏置*G90绝对坐标编程G20英制单位G6500简单宏调用G9103增量坐标编程*G2102公制单位G66宏指令调用G9200工件坐标系指定G27回参考点检查G6712宏调用取消*G98每分钟进给方式G28回参考点G71车外圆复合循环G9905每转进给方式G2906参考点返回G7200车端面复合循环表1-1常用G功能指令第1章数控加工的编程基础2.刀具功能刀具功能字T。由地址功能码T和数字组成，刀具功能的数字是指定的刀号，数字的位数由所用的系统决定，有2位的和4位的。T后跟2位，直接表示刀具号，补偿则由其他指令指定；有的机床T后则允许跟4位数字，前2位表示刀具号，后2位表示刀具补偿号。例如：T0211表示用第二把刀具，其刀具偏置及补偿量等数据在第11号地址中。第1章数控加工的编程基础3.主轴速度功能主轴转速功能字S，由地址码Ｓ和数字组成，数字表达的含义有两种：主轴切削线速度和主轴的转速。(1)主轴速度以转速设定（单位：r/min）指令格式：G97S____(2)主轴速度以线速度设定（单位：m/min）指令格式：G96S____(3)车床主轴转速的确定方法。已知要求的圆周切削速度为VC（单位为m/min）时，车床主轴的转速（r/min）为：式中d----工件的外经，单位为mm。dVnC1000第1章数控加工的编程基础4.进给功能进给功能字F表示刀具中心运动时的进给速度，进给功能用F代码和数字构成。数字表达的方式有三种：每转进给量（mm/r，用G99指定），每分钟进给