第3章 数控编程基础.doc

第3章 数控编程基础3.1 数控编程概述3.2 坐标系的确定3.3 编程尺寸的取值方法3.4 程序编制中的数值计算3.5 数控加工程序的一般格式3.6 G功能3.7 刀具功能T、进给功能F、主轴功能S3.8 M功能3.9 程序实例3.1 数控编程概述3.1.1 数控编程的内容及步骤 在数控机床上加工零件时，要把加工零件的全部工艺过程、工艺参数、刀具运动轨迹、位移量、切削参数（如主轴转速、刀具进给量、切削深度等）以及辅助功能（如换刀、主轴正反转、切削液开关等），按照数控机床规定的指令代码和程序格式编写程序，再把程序输入到数控装置，从而控制机床加工零件。 数控机床程序编制的内容包括：分析工件图样、确定加工工艺过程、数值计算、编写零件加工程序单、程序输入数控系统、校对加工程序和首件试加工。312 数控编程种类 （1）手工编程：整个编程过程由人工完成（包括程序单和制作控制介质）。 （2）自动编程：编程人员只需分析零件图纸和制定工艺方案，借助计算机自动完成程序编制的全过程。常用自动编程软件有：UG, Pro/E, Mastercam, CAXA等。3.2 数控机床坐标系的确定321 机床坐标系的确定 为了保证数控机床的运动、操作及程序编制的一致性，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化。 编程时对机床相对运动的规定： 采用假设工件固定不动，刀具相对工件移动的原则。由于机床的结构不同，有的是刀具运动，工件固定不动；有的是工件运动，刀具固定不动。为编程方便，一律规定工件固定，刀具运动。 1）坐标系建立的基本原则 机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系采用右手笛卡儿直角坐标系决定。基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标；相对于各坐标轴的旋转坐标分别记为A、B、C，正方向按右手螺旋法则确定。 2）各坐标轴的确定 确定机床坐标轴时，一般先确定Z轴，然后确定X轴和Y轴。 Z轴： 一般以传递切削力的主轴轴线方向定为Z坐标轴。如果机床有多个主轴，则选尽可能垂直于工件装夹平面的主轴方向为Z轴。刀具远离工件的方向为Z轴正方向。 X轴：为水平的、平行于工件装夹平面的轴。如果工件做旋转运动（车床），则刀具离开工件的方向为X轴正方向；对于刀具旋转的机床，若Z轴为水平时（卧铣），由刀具主轴的后端向工件看，X轴正方向指向右方；若Z轴为垂直时（立铣）， 面对刀具主轴向立柱看，X轴正方向指向右方。对无主轴的机床（如刨床），X轴正方向平行于切削方向。 Y轴：垂直于X及Z轴，按右手定则确定其正方向。 a) 卧式车床 b) 立式升降台铣床 c) 卧式镗床刀具离开工件的方向为X轴正方向：卧式-由刀具主轴的后端向工件看，X轴正方向指向右方：立式-面对刀具主轴向立柱看，X轴正方向指向右方：卧式-由刀具主轴的后端向工件看，X轴正方向指向右方：立式-面对刀具主轴向立柱看，X轴正方向指向右方：d)龙门式轮廓铣床 e)五坐标工作台移动式曲面和轮廓铣床3）机床坐标系的原点 机床坐标系的原点也称机床原点或机床零点，这个原点是机床上一个固定的点。机床一经设计和制造出来，机械原点就已经被确定下来。机床启动时，通常要进行机动或手动回零，就是回到机床原点。数控车床的机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处，数控铣床的机械原点一般在直线坐标或旋转坐标回到正向的极限位置。数控车床的机床原点数控铣床的机床原点4）机床参考点： 数控装置通电后通常要进行回参考点操作，以建立机床坐标系。参考点与机床原点不重合时，需通过参数来指定机床参考点到机床原点的距离。机床回到了参考点位置也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点，CNC装置就建立起了机床坐标系。 322 工件坐标系的确定工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系，工件坐标系的原点即为工件原点（也称程序原点）。工件坐标系的原点可由编程人员根据具体情况确定，但坐标轴的方向应与机床相应的坐标轴一致，并且与之有确定的尺寸关系。 工件坐标系原点机床坐标系原点322 工件坐标系的确定工件坐标系的原点可由编程人员根据具体情况确定，但坐标轴的方向应与机床相应的坐标轴一致，并且与之有确定的尺寸关系。 3.3 编程尺寸的取值方法编程尺寸取值方法有以下两大类：1、绝对坐标取值以工件坐标系原点为基准 给出的零件的坐标值。2、增量坐标取值零件上后一点的坐标相对于前一点的增量值。3.4 程序编制中的数值计算根据零件图，按已确定的走刀路线和允许的编程误差，计算数控系统所需输入的数据，称为数控加工的数值计算。包括： 1、基点坐标计算基点：构成零件轮廓的不同几何素线（如直线、圆弧等）的交点或切点称为基点。 基点坐标的计算：计算每条运动轨迹（线段）的起点或终点、在选定坐标系中的坐标值、圆弧运动轨迹的坐标值等。 3.4 程序编制中的数值计算2、节点坐标计算节点:对于平面轮廓是直线和圆以外的非圆曲线（如渐开线、阿基米德螺线等），采用直线或圆弧逼近它们。即将这些非圆曲线按等间距或等弧长分割成许多小段，用直线或圆弧逼近这些小段，从而取代非圆曲线。逼近直线或圆弧小段与曲线的交点或切点称为节点。编程时要根据所允许的误差计算出各线段的长度和节点的坐标值。节点坐标的计算:通常借助于计算机来完成。列表曲线:由一系列实验或经验数据点表示的、没有表达平面轮廓形状的曲线方程的曲线，称为列表曲线。列表曲线的已知点就是节点。已知点不够多时，需进行相应的数学处理。3.5 数控加工程序的一般格式编程时既要尽量采用国际或国家标准代码，又要结合具 体机床的实际情况，这样的编程才能为数控机床接受。目前，国际上数控机床编程和使用标准有两种主要的通用标准，即国际标准化组织标准ISO和美国电子工业协会标准EIA。我国以等效采用和参照采用ISO标准的方式制定了我国的数控标准。 国家标准GB8870-88对零件数控加工程序的结构和格式作出了规定。3.5 数控加工程序的一般格式1、程序的组成加工程序由程序名、程序主体和程序结束符号等组成。程序名：就是给零件数控加工程序一个编号，并说明该零件加工程序开始，以便进行程序检索。程序主体：表示加工程序的全部内容。程序结束：可用指令M02或M30作为整个程序结束的符号来结束程序，程序结束应位于最后一个程序段。如：O1000 N10 G54 G40 G49 G80 G90； N20 G091 G28 X0 Y0 Z0； . N150 M30；程序名程序主体程序结束3.5 数控加工程序的一般格式2、程序段格式程序由若干个程序段组成，程序中的每一行均为一个程序段。每个程序段包含若干个程序字，每个程序字由若干个字符组成。程序段的基本格式如下：N# G# X#.# Y#.# Z#.# #.# F# S# T# M#程序段号准备功能运动坐标其它坐标切削参数辅助功能程序字：能表示某一功能的、按一定顺序和规定排列的字符集合称为程序字。如G01、X30.1等等。 3.5 数控加工程序的一般格式程序段格式是指一个程序段中各自的特定排列顺序及表达形式。不同的数控系统，程序段格式不一定相同。格式不合规定，数控装置会发出出错报警。 目前国内外应用最广泛的是程序字地址可变程序段格式： N10 G01 X80.5 Z-35 F60 S300 T01 M03 程序段序号字 直线插补 坐标字 进给功能字 主轴功能字 刀具功能字 辅助功能字坐标字 特点：在一个程序段中各字的排列顺序并不严格，但习惯上仍按一定顺序排列；尺寸数字可只写有效数字，不必写满规定位数；不需要的字及与上一程序段相同的模态字可以不写。 3.5 数控加工程序的一般格式3、主程序与子程序在一个加工程序中，如果有几个一连串的程序段完全相同，为缩短程序，可将这些重复的程序段串单独抽出，编成一个程序供调用，这个程序称为子程序。相对于子程序，程序的本体就称为主程序。子程序可以被主程序调用，同时子程序也可调用另外子程序。调用子程序例子如下：% O0011 (主程序号) O0001（子程序号） N010 N201 N020 N202 N030 M98 P0001 ； N040 N208 M99 ；（返回主程序）3.5 数控加工程序的一般格式3、主程序与子程序子程序可以多重嵌套:主程序子程序子程序多层嵌套在一个加工程序中，如果被加工零件中有几处的几何形状相同，可以采用调用子程序的方法进行加工，即子程序的“嵌套”和“多层嵌套”。3.6 准备功能G指令（JB3208-83）G指令（准备功能）： 用来规定刀具和工件的相对运动插补方式、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种设置，它由G字母和后跟两位数字组成；G00，G01，G99共100个，其中有些功能待开发。见P84表3-1。 模态代码（续效代码）： a）功能保持到被取消或被同样字母表示 的程序指令所代替； G 代码 b）字母相同为一组，一个程序段当中不能 出现同组中任意两代码。 非模代码（非续效代码）： 只有在书写了该代码的程序段中才有效 。常用准备功能G指令：（1） G90、G91: 绝对坐标编程与增量坐标编程指令G90：绝对坐标编程指令。刀具运动过程中所有的位置坐标均以固定的坐标原点为基准来给出。如下图中，A点坐标为XA=20，YA=32。B点坐标为XB=60，YB=77。A B绝对坐标编程：G90 G00 X60 Y77；常用准备功能G指令：（1） G90、G91: 绝对坐标编程与增量坐标编程指令G91：增量（或相对）坐标编程指令。刀具运动的位置坐标是以刀具前一点的位置坐标与当前位置坐标之间的增量给出的，终点相对于起点的方向与坐标轴相同取正、相反取负。 A B相对坐标编程：G91 G00 X40 Y45；常用准备功能G指令：（2） G92: 工件坐标系设定指令（亦称编程原点设定指令）G92：程序编制时，使用的是工件坐标系，必须先将刀具的起刀点坐标及工件坐标系的绝对坐标原点（也称编程原点）告诉数控系统 。G92指令用于实现此功能。 格式：G92 X YZ 式中：X、Y、Z为当前刀位点在工件坐标系中的绝对坐标，由此也就确定了工件的绝对坐标原点位置。G92指令只是设定工件原点，并不产生运动，为模态指令。无断电记忆功能。 G92X20 Y10Z10 在使用G92指令前，必须保证机床处于加工起始点，该点称为对刀点。常用准备功能G指令：（3） G54-G59: 零点偏置指令（亦称编程原点偏置指令）在某些零件的编程过程中，为了避免尺寸换算，需多次把工件坐标系平移。将工件坐标(编程坐标)原点平移至工件基准处，称为编程原点（或工件零点）的偏置。 G54-G59：数控机床可以预先设定6个(G54-G59)工件坐标系，这些坐标系的坐标原点在机床坐标系中的值可用手动数据输入方式输入，存储在机床存储器内，在机床重开机时仍然存在，一旦指定了G54-G59之一，则该工件坐标系原点即为当前程序原点，后续程序段中的工件绝对坐标均为相对此程序原点的值。 （3） G54-G59: 零点偏置指令（亦称编程原点偏置指令）YN10 G54 G00 G90 X30 Y40； N20 G59； N30 G00 X30 Y30；下图中，用 CRT/MDI在参数设置方式下设置了两个加工坐标系： G54：X-50Y-50Z-10 G55：X-100Y-100Z-20 这时，建立了原点在O的G54加工坐标系和原点在O的G55加工坐标系。若执行下述程序段： N0020G54G90G01X50Y0Z0F100； N0030G55G90G01X100Y0Z0F100；则刀尖点的运动轨迹如图中OAB所示。机床坐标系G92与G54G59的区别： G92指令与G54G59指令都是用于设定工件坐标系的，但在使用中是有区别的。G92指令是通过程序来设定、选用工件加工坐标系的，须单独一个程序段指定。该程序段中尽管有位置指令值，但并不产生运动。另外，在使用G92指令前，必须保证机床处于加工起始点（即对刀点）上。 G54G59指令程序段可单独指定，亦可和G00、G01指令组合，如G54 G90 G01 X 10 Y10时，运动部件在选定的工件坐标系中进行移动。程序段运行后，无论刀具当前点在哪里，它都会移动到选定的工件坐标系中的X 10 Y 10 点上。使用该指令前，先用MDI方式输入该坐标系的坐标原点 。（4）程序单位指令G20与G21用来规定程序中各个坐标尺寸的单位：G20英制单位G21公制单位（5）平面插补指令G17、G18与G19编程格式：G17；指定XY平面进行插补加工，刀具半径补偿在X,Y坐标方向上进行。G18；指定ZX平面进行插补加工，刀具半径补偿在Z,X坐标方向上进行。G19；指定YZ平面进行插补加工，刀具半径补偿在Y,Z坐标方向上进行。1英寸=25.4mmG17、G18、G19：指定机床在某一平面内进行加工（圆弧插补、刀补），G17、G18、G19分别代表XY，XZ，YZ三个平面。G17G18G19XYZ（6）快速点定位指令G00编程格式：G00 X_ Y_ Z_ ；（增量值或绝对值编程）（7）直线插补指令G01编程格式：G01 X_ Y_ Z_ F_；（增量值或绝对值编程）此时，刀具处于非加工状态。此时，刀具一般处于加工状态。编程练习：分别用绝对值和增量编程指令完成下图刀具中心运动轨迹，起刀点为A点。ABCD4040XY（8）圆弧插补指令G02、G03使机床在各坐标平面内执行圆弧运动，加工出圆弧轮廓。 G02-顺圆插补；G03-逆圆插补。 方向判别：沿垂直于圆弧所在平面（如XY平面）的坐标轴向负方向（-Z）看，刀具相对于工件的转动方向是顺时针方向为G02，逆时针方向为G03。 （8）圆弧插补指令G02、G03圆弧插补指令格式：（XY平面为例） 用圆弧终点坐标和圆心坐标表示。G02 指令格式： XYIJF； G03 式中：X、Y是圆弧终点坐标，可以用绝对值，也可以用终点相对于起点的增量值，取决于程序段中的 G90、G91指令。I、J是圆心坐标，一般均用圆心相对于起点的增量坐标来表示，而不受G90控制。对于XZ平面，坐标参数相应为X、Z、I、K。YZ平面则为Y、Z、J、K。 （8）圆弧插补指令G02、G03 用圆弧终点坐标和圆弧半径R表示 。G02 指令格式： XYRF； G03 式中：为圆弧半径。用+R表示小于或等于180度的圆弧，用-R表示大于180度的圆弧。（9）刀具半径补偿指令G40、G41、G42指令格式：G40 ；/刀具半径补偿取消G41 D_ ；/刀具在工件左侧偏置的刀具半径补偿G42 D_ ；/刀具在工件右侧偏置的刀具半径补偿说明：G41/G42中的左侧或右侧是指沿切削方向看，刀具在工件的左侧或右侧。刀具半径值用D01D16调用。3.7 刀具功能T、进给功能F、主轴功能S刀具功能T：用于选择刀库中的刀具a.格式1（数控车床用）：TXXXXT+四位数字组成。前两位数字代表刀具号，后两位数字代表刀具偏置地址号。如：T0100调用“00”号刀具，刀具的偏置量存放在00暂存器中。“00”地址中通常存放的数字为“0”。b.格式2（加工中心用）：TXX DXXT+二位以内数字组成调用刀具号；D+2位数字组成刀具偏置号。T、D控制字可写在同行，也可分行写。如：T16D19调用“16”号刀具，刀具的偏置尺寸存放在地址“19”中。3.7 刀具功能T、进给功能F、主轴功能S进给功能F：用于指定刀具的进给速度格式：FXXXXF+四位以内数字组成，可含小数点。F的单位可为mm/min或mm/r，由G功能字来指定。FANUC 0iM：G94-mm/min；G95-mm/r主轴功能S：用于指定主轴转速格式：SXXXXS+若干个数字组成。当为主轴伺服控制系统时，S的单位可为m/min或r/min，由G功能字来指定。如：G96 S200；/表示切削速度为200m/minG97 S200；/取消恒线速度控制，切削速度为200r/min3.8 M功能（辅助功能指令）辅助功能指令主要是控制机床开/关功能的指令，如主轴的启停、冷却液的开停等等辅助动作。M功能常因生产厂及机床的结构和规格不同而各异。下面为常用的M代码：（1）M00：程序停止（2）M01：选择停止（3）M02 ：程序结束（4）M03、M04、M05：主轴旋转方向指令（5）M06：换刀指令（6）M08：冷却液开（7）M09：冷却液关（8）M30：程序结束（9）M98：子程序调用 （10）M99：子程序返回 当同一程序段中同时有G代码和M代码时，M代码有段前执行和段后执行之分。P89表3-2XYABC编程练习：完成下图刀具中心轨迹，起刀点为A点。A（200，40）B（160，40）C（120，40）BR20N0005 G92 X200. Y40. Z0；N0010 G90 G03 X160. Y40. I-20. J0 F300；N0020 G02 X120. Y40. R20.；N0030 G03 X120. Y40. I-20. J0；N0040 M02；N0005 G92 X200. Y40. Z0；N0010 G91 G17 G03 X-40. Y0 R20. F300；N0015 G02 X-40. Y0 R20.；N0020 G03 X0 Y0 I-20. J0；N0025 M02；a.绝对坐标编程b.相对坐标编程ABCBA（200，40）B（160，40）C（120，40）XYABO1(0, 0)(0, -30)(30, -5)YXR20R30编程练习：完成下图刀具中心轨迹，起刀点为A点。ABO1(0, 0)(0, -30)(30, -5)YXR20R30编程练习：完成下图刀具中心轨迹，起刀点为A点。N0000 G92 X0 Y-30. Z0;N0010 G90 G17 G02 X30. Y-5. R20. F100;N0020 G03 X0 Y-30. R-30. F100;N0030 M02;YA(30,10)B(30,35)C(45,50)D(75,50)E(90,35)F(90,10)G(60,20)R15X编程练习：用增量坐标编程完成下图刀具中心轨迹，起刀点为A点。程序内容N0000 G92 X30. Y10. Z0;N0010 G91 G01 Y25. F200;N0030 G17 G03 X15. Y15. R15.;N0040 G02 X30. Y0 R15.;N0050 G03 X15. Y-15. R15.;N0060 G01 Y-25.;N0070 X-30. Y10.;N0080 X-30. Y-10.;N0090 M02;编程练习：用圆弧插补功能完成刀具在XY、ZX、YZ三平面内的圆弧插补运动轨迹，并在图中标出。起刀点为球心（0，0，0）。球的半径为80mm。N0000 G92 X0 Y0 Z0;N0010 G00 G90 X80. Y0 Z0;N0020 G03 X80. Y0 I-80. J0 F200;/XY平面逆圆插补N0030 G18 G02 Z0 X80. K0 I-80. ;/ZX平面顺圆插补N0040 G17 G03 X0 Y80. R80. ;/沿XY平面赤道转90度N0050 G19 G03 Y80. Z0 J-80. K0 ;/YZ平面顺圆插补N0060 G00 Y0;/返回球心N0070 M02;参考程序R80