数控机床编程基础知识

数控机床编程基础知识一、教学基本要求1.了解数控编程方法和过程；2.熟悉数控机床的编程规则；3.熟悉数控机床的程序结构；4.了解数控编程G、M指令功能表；5.掌握常用M指令应用和F、S、T功能。二、教学提示1．教学重点：数控机床的编程规则和程序结构。2．教学难点：数控机床的程序结构。3．教学手段和方法：课堂讲授结合自学。三、教学内容第一节数控编程方法和过程一、数控编程的基本概念1.数控编程:是指从确定零件加工工艺路线到制成控制介质的整个过程。2.数控程序：有一定格式的加工程序单。3.程序单:记录工艺路线、走刀轨迹、工艺参数等的各种按一定格式组成的代码。二、数控编程的过程分四个阶段：工艺处理阶段、数学处理阶段、制备控制介质阶段、程序校验及首件试切1．工艺处理阶段(1)分析零件图纸a.首先要分析零件的材料、形状、尺寸、精度、批量要求以及毛坯形状和热处理要求等；b.完整地生成零件加工工艺流程；c.合理地生成该零件在相应数控机床上的加工工序及加工面；d.要充分考虑在该工序前后工序部分与数控机床加工特性相匹配。(2)确定零件的安装方法和夹具a.要合理地选择定位基准和夹紧方案；b.要注意尽量减少装夹次数；(3)“对刀点”和“换刀点”的确定1)“对刀点”：就是在数控加工时，刀具相对于工件运动的起点，又称“起刀点”。(程序编制时，不论实际上是刀具相对工件移动，或是工件相对于刀具移动，都看作工件是相对静止的，而刀具在移动)。对刀点选定后，便确定了机床坐标系和零件坐标系的关系，程序就是从这一点开始的。刀具在机床上的位置是由“刀位点”的位置来表示的。a.刀位点:对立铣刀、端铣刀和钻头而言，是指它们的底面中心；对球头铣刀而言，是指球头球心；对车刀和镗刀而言，是指它们的刀尖。图3-1数控机床加工零件的过程b.选择对刀点的原则如下：①为了提高零件加工精度，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。如以孔定位的零件，应将孔的中心作为对刀点；②对刀点应选在对刀方便的位置，以便于观察和检测；③对刀点选择应尽量便于坐标值的计算。对于建立了绝对坐标系统的数控机床，对刀点最好选在该坐标系的原点上，或者选在已知坐标值的点上。2)“换刀点”：是为自动换刀数控机床多刀加工编程时设定的，因为这些机床加工过程中要更换刀具。(4)确定加工路线加工路线(或称走刀路线)就是数控加工中刀具相对于工件运动的轨迹和方向，即指刀位点在加工中的运动轨迹和方向。①对点位控制的数控机床，如钻、镗床，要考虑尽可能缩短走刀路线，以减小空程时间；②在车削和铣削零件时，应尽量避免径向切入和切出，而应沿零件的切向切入和切出；③确定加工路线时，还应使数值计算简单、程序段少，以减少编程工作量。(5)确定加工用量包括切削深度或宽度、主轴转速、进给量等。对粗加工、精加工、钻孔、攻丝等不同的切削用量，都应编写在程序加工单上。其具体数值应根据数控机床使用说明书、切削原理中规定的方法并结合实践经验加以确定。(6)选择切削刀具应考虑以下几方面的问题：a.工件材料的性质b.机床的加工能力，c.数控加工工序的类型，d.切削用量和进给速度，以及与机床、数控装置工作范围有关的许多因素。同时，还应根据选择的刀具和被加工零件的材料，确定选用何种切削冷却手段。2．数学处理阶段主要指的是机床各坐标轴位移数据和插补的计算。(1)数值计算：a.零件形状比较简单,而数控装置的插补功能又与零件形状相符，并能实现刀具半径补偿时。b.零件形状比较复杂或零件形状与数控装置的插补功能不一致时(2)编写零件加工程序单：3．制备控制介质阶段4．程序校验及首件试切三、数控编程方法概述1．手工编程编制零件加工程序的各个步骤，即从零件图样分析及工艺处理、数值计算、书写程序单、制作控制介质直至程序的检验，均由人工完成的即为手工编制程序的过程，亦称为“手工程序编制”。a.对于几何形状不太复杂的较简单的零件，采用手工编程较容易实现。b.对于形状复杂的零件，手工编程难于胜任；甚至无法编出程序(即使编出，也是效率低，出错率也较高)。2．自动编程使用计算机编制数控加工程序，自动地输出零件加工程序单及自动地制作控制介质的过程称作自动编程。3．面向车间的数控编程(WOP)这是一种自动化程度介于手工编程和自动编程之间的一种编程方法。它是在借助计算机进行辅助数学处理的同时，更多地要求现场编程人员的参与，接纳专业技术人员的现场加工经验和生产实际情况，系统地提供较好的人机界面，弱化了对现场编程人员的计算机语言方面的要求，以对话方式同时借助图形提示和图形模拟来完成数控程序编制。第二节数控机床的编程规则一、数控机床的坐标系统机床坐标系:确定机床上移动部件运动方向和距离的坐标系。数控机床的坐标系及其运动方向，在国际标准中有统一规定，我国机械工业部标准JB3051-82与之等效。(一)规定原则1．右手直角坐标系(图3-2):用右手的拇指、食指和中指分别代表X、Y、Z三轴，三个手指互相垂直，所指方向分别为X、Y、Z轴的正方向。围绕X、Y、Z各轴的回转运动分别用A、B、C表示，其正向用右手螺旋定则确定。2．刀具运动坐标与工件运动坐标统一规定：刀具运动坐标：用字母不带“ˊ”的坐标表示刀具相对“静止”工件而运动的刀具运动坐标；工件运动坐标：带“ˊ”的坐标表示工件相对“静止”刀具而运动的工件运动坐标。3．运动的正方向是使刀具与工件之间距离增大的方向图3-2右手直角坐标系(二)坐标轴确定的方法及步骤1．Z轴一般取产生切削力的主轴轴线为Z轴，刀具远离工件方向为正向，如图3-3、图3-4所示。当机床有几个主轴时，选一个垂直工件装卡面的主轴为Z轴(图3-5)。当机床无主轴时，以与装卡工件的工作台面相垂直的直线为Z轴(图3-6)。图3-3车床坐标轴a)b)图3-4铣床坐标系a）立式b）卧式若Z轴方向进给运动部件为工件(工作台)，则用Zˊ表示，其正向与Z轴相反，如图3-7a所示。a)b)图3-5龙门轮廓铣床坐标轴a）工作台移动式铣床b）框架移动式铣床a)b)图3-6刨床坐标系a）龙门刨b）牛头刨a)b)图3-7升降台铣床a)卧式b)立式2．X轴一般位于平行工件装卡面的水平面内。对工件作回转切削运动的机床(如车、磨床)，在水平面内取垂直工件回转轴线(Z轴)的方向为X轴，刀具远离工件方向为正向(图3-3)。对刀具作回转切削运动的机床(如铣、镗床)，当Z轴竖直(立式)时，人面对主轴，向右为正X方向(图3-4a)；当Z轴水平(卧式)时，则向左为正X方向(图3-4b)。对于无主轴的机床(如刨床)，则以切削方向为X正向(图3-6)。若X方向进给运动部件是工作台，则用Xˊ表示，其正向与X正向相反(图3-7)。3．Y轴根据已确定的X、Z轴，按右手直角坐标系确定。同样，Yˊ与Y正向相反，如图3-7所示。4．A、B、C轴此三轴为回转进给运动坐标，根据已确定的X、Y、Z轴，用右手螺旋法则来确定(图3-2、3-3)。当Z轴竖直(立式)时，人面对主轴，向右为正X方向；当Z轴水平(卧式)时，则向左为正X方向。5．附加坐标若机床除有X、Y、Z(第一组)，主要直线运动外，还有平行于它们的坐标运动，则分别命名为U、V、W(第二组)；若还有第三组运动，则命名为P、Q、R。若除了A、B、C(第一组)回转运动外，还有其它回转运动，则命名为D、E、F等。二、数控机床的两种坐标系1．机床坐标系又称机械坐标系，是机床运动部件的进给运动坐标系。即确定机床上运动部件的运动方向和距离的坐标系。其坐标轴及方向按标准规定，其坐标原点的位置则由各机床生产厂设定。数控车床的机床坐标系(XOZ)的原点O：（1）一般位于卡盘端面(图3-8a)；（2）或离卡爪端面一定距离处(图3-8b)；（3）或机床参考点(图3-8c)。数控铣床的机床坐标系(XYZO)的原点O：（1）一般位于机床参考点；（2）机床工作台中心上表面；（3）机床工作台某角上表面，即机床移动部件沿其坐标轴正向的极限位置，如图3-9所示。2．工件坐标系又称编程坐标系，供编程用。是用于确定工件几何图形上个几何要素（点、直线、圆弧）的位置而建立的坐标系。规定：工件坐标系是“刀具相对工件而运动”的刀具运动坐标系。见图3-8中的XpOpZp及图3-9中XpYpZpOp。工件坐标系的原点Op也称工件零点或编程零点，其位置由编程者设定，一般设在工件的设计、工艺基准处，便于尺寸计算。（1）车床工件零点：一般设在主轴中心，工件右端面或左端面。（2）铣床工件零点：一般设在工件外轮廓的某一个角上，进刀深度方向的零点，（工件上表面上）。a)b)c)图3-8车床的两种坐标系a）CK3263b）CK0630c）CK6140XOZ-机床坐标系XpOpZp-工件坐标系图3-9铣床的两种坐标系1一工件2一工作台三、数控机床的零点和参考点定义①机床零点(M):即机床坐标系的原点。机床坐标系统的设计零点，在制造机床时已经被确定下来，原则上是不可改变的。机床坐标系统就是以该点为原点建立的。②工件零点(W)：是为编制加工零件程序而定义的点，可由编程员根据需要来定义。③机床参考点(R)：是由机床制造厂家人为定义的点，机床参考点(R)与机床零点(M)之间的坐标位置关系是固定的，并被存放在数控系统的相应机床数据中，一般是不允许改变的，仅在特殊情况下可通过变动机床参考点(R)的限位开关位置来变动其位置；但同时必须能准确测量出机床参考点(R)相对机床零点(M)的几何尺寸距离并存入放数控系统的相应机床数据中，才能保证原设计的机床坐标系统不被破坏。（通常设在加工空间的边沿）机床参考点(R)的作用：就是在每次数控机床启动时，通过操作机床，执行机床回参考点(R)的运动，使数控系统的坐标系统与机床本身坐标系统相一致。目前，数控机床在运行自动加工功能前都必须预先执行返回机床参考点(R)的操作。图3-10车床的参考点第三节数控机床的程序结构一、程序字一个程序段有若干个“字”组成。程序中字符的集合，称为程序字，简称字。程序字通常由一个地址(用字母表示)和一组数字组成，即“地址+数字”。如G01总称为字，其中G表示地址，01为数字组合，如图3-11所示。二、程序号每一个程序必须先指定程序号。程序号的地址为字母O、P或％，随机床而异，紧接着为4位数字。可编程序的范围从0001-9999。三、程序段号（程序句号）每一个程序段都必须有一个段号；其地址为字母N，程序段编号范围为N000l-N9999。程序段号一般以递增10的方式编号，以便于修改时插入新语句。有些机床具有自动编号功能。四、程序段程序段通常由程序段号及一个或多个程序字组成，如图3-12所示。一个程序段是一条完整的指令。图3-11字的含义图3-12程序段的含义五、程序段格式（1）程序段格式：是指程序段书写规则。包括机床所要求执行的功能和运动所需要的几何数据及工艺参数。（2）加工程序的组成：一个零件的加工程序是由若干以段号大小顺序排列的程序段组成。每个程序段又由几部分组成，如表3-1所示。表3-1程序段组成序号功能地址范围意义1程序号O、P、％*0000-9999指定程序号、子程序号2程序段号N0000-9999指定程序段号3准备功能G00-99指定动作方式4坐标字尺寸字X、Y、ZI，J，K±(0.001-9999.999)*±(0.001-9999.999)*X，Y，Z坐标运动指令圆心坐标、螺距5进给速度Fl-1200mm/min*进给速度指令6主轴功能S150-4000r／min*主轴转速指令7刀具功能T01—20*选择刀具指令8辅助功能M00—99辅助功能注：打*者随机床类型而异，具体规定参照机床说明书。六、自保持功能(1)为了使编程和输入尽可能简单，大多数G代码与M代码都具有自保持功能，除非它们被另一个指令取代或取消，否则总是有效。(2)另外，当X、Y、Z、F、S、T等字的内容不变时，下一程序段会自动接收该内容，因此可不必编写。例如，有程序段：……N0010G00X30.0Z10.0S2000T0202N0020*G00X15.0Z1.0*