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    第2章 数控机床编程基础

  • 2012-04-21 18:58:50 数控技术网论坛求助
  • 第2章  数控机床编程基础

    2.1数控编程的方法和内容
    数控机床加工零件的过程是自动进行的,加工过程中不能进行干预人工。所谓数控程序即数控加工程序,是指从数控系统外部输入的直接用于加工的程序,是机床数控系统的应用软件。这种加工程序,含有所要加工零件的全部信息,包括工艺过程、刀具运动轨迹及方向、位移量、工艺参数(主轴转速、进给量、切削深度)以及辅助动作(换刀、变速、冷却、夹紧、松开)等。所谓数控编程,指零件样分析、工艺分析与设计、形数学处理、编写并输入程序清单、程序校验的全部工作。数控编程方法可分为手工编程和自动编程两种。
    2.1.1 手工编程
    若加工如2.1所示零件的内轮廓,因其轮廓形状简单,故通过简单的计算即可找出各点的坐标值,编制相关程序。这种从零件样分析、工艺处理、数据计算、编写程序单、输入程序到程序校检等各步骤主要由人工完成的编程过程称为手工编程。2.2是手工编程的工作过程。

    2.1 简单内轮廓加工零件




    2.2  手工编程的工作过程
    1.分析加工纸  首先明确纸上标明的零件的材料、形状、尺寸、精度和热处理要求,以便确定零件毛坯形状是否适合在数控机床上加工,或适合在哪种类型的数控机床上加工,并明确加工的内容和要求。

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    2.确定加工工艺过程  通过对零件样的全面分析,确定零件的加工方法(如采用的工夹具、装夹定位方法等)、加工路线(如进给路线、对刀点、换刀点等)及工艺参数(如进给速度、主轴转速、切削速度和切削深度等)等。在大多数情况下,选用通用性工夹具,以便于安装及协调工件和机床坐标系的尺寸关系。对刀点应选在容易找正,并在加工过程中便于检查的位置。进给路线应尽量短,并使数值计算容易,使加工安全可靠。
    3.数值计算  数值计算是指根据加工路线计算刀具中心的运动轨迹。对于带有刀补功能的数控系统,只需计算出零件轮廓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、终点和圆弧的圆心坐标值。如果数控系统无刀补功能,还应计算刀具中心运动的轨迹。对于非圆曲线,需要用直线段或圆弧段来逼近,根据要求的精度计算出各节点的坐标值。
    4.编写零件的加工程序单  根据计算出的刀具运动轨迹坐标值和已确定的加工参数及辅助动作,结合数控系统规定使用的坐标指令代码和程序段格式,逐段编写零件加工程序单,并输入CNC装置的存储器中。
    5.运行调试程序   加工前通常需要校对检查程序,也可利用数控机床的空运转功能进行检验,即在数控机床上用笔代替刀具,以坐标纸代替工件进行空运转画,检查机床的动作和运动轨迹的正确性。为了检查出由于编程计算不准确或刀具调整不当造成的加工误差的大小,还需经过试切(用铝件或木件)进行实际检验。根据试切情况可对程序进行修改,采取尺寸补偿措施,直到加工出满意的零件为止。

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    手工编程适于几何形状不太复杂的零件,通常是计算简单、程序段不多、编程易于实现的场合。其特点是耗时长,易出错,不适合几何形状复杂的零件(尤其是空间曲面组成的零件)。为了缩短生产周期,提高数控机床的利用率,有效解决复杂零件的加工问题,应当使手工编程向自动编程方向发展。但也要看到,手工编程是自动编程的基础,自动编程中许多核心的经验都来源于手工编程,二者是相辅相成的。
    2.1.2 自动编程
    若加工如2.3所示零件,因其轮廓形状复杂,通过简单的手工计算无法找出各点的坐标值,故要借助计算机和相关软件才可实现。这种程序编制工作,除了分析零件样和制定工艺方案由人工完成的,其余工作由计算机辅助完成的编程称为自动编程或计算机辅助编程。
    典型的自动编程有人机对话式自动编程及形交互自动编程。在人机对话式自动编程中,从工件的形定义、刀具的选择、起刀点的确定、走刀路线的安排,到各种工艺指令的插入,都可由计算机完成,最后得到所需的加工程序。形交互自动编程是一种可以直接将零件的几何形信息自动转化为数控加工程序的全新的计算机辅助编程技术。它通常以机械计算机辅助设计(CAD)为基础,利用CAD软件的形编辑功能将零件的几何形绘制到计算机上,形成零件的形文件,然后调用数控编程模块,采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位,输入加工参数,计算机便可自动进行数学处理并编制出数控加工程序,同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。自动编程大大减轻了编程人员的劳动强度,提高了效率,同时解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。有关自动编程的内容将在后续章节专门介绍。 dedecms.com

    2.3  复杂轮廓加工零件
    2.2 数控机床的坐标轴与运动方向
    在数控编程时,为描述机床的运动,简化程序编制的方法及保证记录数据的互换性,数控机床的坐标系、加工指令、辅助功能及程序段格式等方面的标准已逐步趋向统一。目前已形成两种国际通用的标准,即ISO国际标准化组织标准和EIA(Electronic Industries Association)美国电子工业协会标准。
    关于数控机床的坐标轴和运动方向,国际标准ISO 841规定了《机床数字控制坐标——坐标轴和运动方向命名》,我国也颁布了相应的标准。
    2.2.1 机床坐标系的确定
    1、机床相对运动的规定
    在机床上,我们假定工件静止不动而刀具是相对运动的。这样,编程人员在不知道机床加工时是刀具移动还是工件移动的情况下,可以根据零件纸确定机床的加工工艺过程。
    2、机床坐标系的规定
    机床标准的直角坐标系是一个右手笛卡儿坐标系,如2.4所示。

    2.4  机床的右手笛卡儿坐标系
    伸出右手大拇指、食指和中指,并互为90°,则大拇指代表x坐标,食指代表y坐标,中指代表z坐标;各手指的指向为其相应的正方向。
    在2.4中,A、B、C表示轴线平行于x、y、z的旋转运动坐标,其正方向是按右手螺旋确定的前进方向。 内容来自dedecms
    3、运动方向的确定
    使工件和刀具距离增大的方向为机床沿坐标轴运动的正方向。
    2.2.2 各坐标轴的方向确定
    1、z轴的方向
    z轴的正方向通常取平行于机床主轴的方向,且增大工件和刀具距离的方向为正方向。对于没有主轴的机床(如牛头刨床),则z轴垂直于工件装夹平面。
    2、x轴的方向
    x轴是水平的,且平行于工件装夹面。在没有回转轴或没有回转工件的机床(如牛头刨床)上,x轴平行于主要切削方向,且以该方向为正向。在刀具旋转的机床上,如果z轴是水平的(如卧式铣床),则由主轴向工件看时,x轴的正方向指向右方;如果z轴是垂直的(如立式铣床),则由主要主轴向左侧立柱看时,x轴的正方向指向右方。在工件旋转的机床上(如车床),主刀架上的刀具离开工件旋转中心的方向为x轴的正方向。
    3、y轴的方向
    y轴及方向是依据x和z的运动按右手直角坐标系确定。
    4、主轴的方向
    主轴的顺时针旋转运动方向(正转)是按照右手螺旋确定的进入工件的方向。
    2.2.3 附加坐标系
    除x、y、z坐标系中的主要直线运动之外,若有第二组平行于它们的坐标运动时,可分别指定为u、v、w,若还有第三组直线运动,则分别指定为p、q、r。如果在第一组旋转运动A、B、C存在的同时,还有平行于或不平行于A、B、C的第二组旋转运动,可命名为D和E。 织梦好,好织梦
    2.2.4 几种常见的机床坐标系
    对于工件静止而刀具相对运动的坐标系用x、y、z表示;而对于工件运动而刀具不运动的机床,则用带“′”的字母表示工件相对刀具正向运动的指令,如“+x′”。
    2.5~2.10给出了不同类型的机床坐标系简,中字母表示运动的坐标,箭头表示正方向,带“′”的字母表示刀具固定工件运动坐标。
     
    2.5  卧式车床                      2.6  卧式升降台铣床
      
           

    2.7  立式升降台铣床                     2.8  主轴摆动式数控铣床
     
    2.9 牛头刨床                              2.10  数控转盘式冲床 织梦好,好织梦
    2.3 数控机床坐标系的原点与参考点
    2.3.1机床坐标系原点
    数控机床坐标系是机床的基本坐标系,机床坐标系的原点也称机械原点或零点,这个零点是机床固有的点,由生产厂家事先确定,不能随意改变,它也是其他坐标系和机床内参考点的出发点。机床启动时通常都要回零,即运动部件回到正向一个固定的位置,而这个位置就是机床坐标系的原点。
    不同数控机床坐标系的零点也不同。2.11所示为数控车床的机床零点,它在主轴(z轴)前端面的中心上;2.12所示为数控铣床的机床零点,位于机床的左前上方;2.13所示为加工中心的机床零点,一般在机床最大加工范围平面的左前角。
           
            2.11 数控车床的机床零点                 2.12 数控铣床的机床零点
    2.3.2机床参考点
    参考点也称基准点,用于对数控机床运动进行监测和控制的位置固定点。它是数控机床工作区确定的一个点,与机床零点有确定的尺寸联系。参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的,坐标值已经输入在数控系统中,相对机床零点的坐标是一个已知数。 织梦好,好织梦
    数控机床每次开机后,首先必须进行返回参考点的操作,这样,数控装置通过参考点则确认出机床原点的位置。
    数控车床的的参考电通常是离机床零点最远的极限点,如2.11和2.14;数控铣床的参考点大多与机床零点重合,如2.12和2.13位数控铣床和加工中心的参考点。

    2.13 加工中心的机床零点
    2.3.3工件坐标系原点
    工件坐标系是编程人员根据零件样机加工工艺等建立的坐标系。因为在通常情况下,用机床坐标系原点计算被加工零件上各点的坐标并进行编程不是很方便,因此在编写零件加工程序时,常常要选择工件坐标系或称编程坐标系。工件坐标系的原点(编程零点)最好选择在工件的定位基准或夹具的适当位置上。
    在加工时,工件随夹具安装在机床上,并建立起工件坐标系,其原点与机床零点间的尺寸联系可以通过指令设定(G92),也可通过各控制面板的操作设定(G54~G59)。所以编程人员可以不考虑工件上各点与机床零点的关系,而且可根据工件坐标系确定刀具的轮廓轨迹。数控车床的工件坐标系原点常选在零件轮廓右端面或左端面的主轴线上,如2.14中的W。数控铣床的工件坐标系原点一般选在工件的一个外角如2.15中的W。

    2.14 数控车床工件坐标系原点位置 本文来自织梦

    2.15 数控铣床工件坐标系零点设置         
    2.3.4 机床加工坐标系的设定
    下面以数控铣床(FANUC—0M)加工坐标系的设定为例,说明工作步骤
    在选择了2.16所示的被加工零件样,并确定了编程原点位置后,可按以下方法进行加工坐标系设定:
    1、准备工作
    机床回参考点,确认机床坐标系。
    2、装夹工件毛坯
    通过夹具使零件定位,并使工件定位基准面与机床运动方向一致。

    2.16 零件样
    3、对刀测量   
    用简易对刀法测量方法如下:
    用直径为¢10的标准测量棒、塞尺对刀,得到测量值为X1,Y1,Z1如2.17和2.18所示。

    2.17  x 、y向对刀方法

    2.18  z向对刀方法
    4、计算设定值
    按2.17所示,将前面已测得的各项数据,按设定要求运算。
    (1)X坐标设定值:
    X=X1+Φ/2+δ+X0
    注:X1为x坐标方向的显示值,为负值;
       Φ/2为测量棒半径值;
       δ为塞尺厚度;
       X0为编程原点到工件定位基准面在x坐标方向的距离,2.16中X0=6.0 mm。
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    (2)Y坐标设定值:
    Y=Y1+Φ/2+δ+Y0
    注:如2.17所示,Y1为坐标显示值,为负值;Φ/2为测量棒半径值;δ为塞尺厚度;Y0为编程原点到工件定位基准面在y坐标方向的距离,2.16中Y 0=10.5 mm。
    (3)Z坐标设定值:   
    Z=Z1—δ
    注:Z1为坐标显示值,为负值;δ为塞尺厚度,如2.18所示。
    5、设定加工坐标系
    将开关放在MDI方式下,进入加工坐标系设定页面。输入上述通过计算得到X、Y、Z的数据,则表示加工原点设置在机床坐标系的X、Y、Z位置上。
    2.4 程序的结构与格式
    零件加工程序的结构与格式通常遵循ISO或EIA标准。但由于国内外各类数控机床生产厂家所使用的代码、指令及含义尚未完全统一,所以编程时还要严格按照所使用的数控机床使用说明书及编程手册的具体规定进行程序编制。
    2.4.1零件加工程序的结构
    一个完整的零件程序由若干程序段组成,每个程序段由若干个指令字组成。指令字表示一个信息单元,每个指令字又由字母(地址符)、数字、符号组成。下面是某一零件的加工程序:
        O0003
        N0001 G90 G00 S300 M03 M08;

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        N0002 G41 GO1 X50.0 D01;
        N0003 X20.0 Y15.0;
        N0004 Z2.O;
        N0005 GO1 Z-10.0 F100;
         ……
        N0011 G40 G00 Z100.0 ;
    N0012 M05 M09;
        N0013 M30;
    该程序由13个程序段组成。O0003是程序编号,放在程序的开头,便于区别其他程序和从数控装置的程序存储器中检索、调用该加工程序。M30是程序的结束指令,放在程序的结尾。每个程序段完成一种动作,由若干指令字构成,每个指令字表示数控机床的一个位置或一个动作,例如N0001表示程序段号,由N后跟2~4位数字组成。G90为准备功能字,由G后跟2位正数组成。X20.0、Y15.0、Z-10.0等为尺寸指令字,表示刀具的位置。F100为进给功能字,指定切削的进给速度。S300表示主轴转速功能字,指定主轴加工时的转速。M03代表辅助功能字,控制主轴启动、旋转、停止及辅助装置的开关等。此外还有刀具功能T(用来表示刀具选择)、刀具补偿功能D或H等。指令字是程序中指令的最小单位。每个程序段的结束处要用“;”或LF、CR、EOB等结束符。不同的数控机床对于一个程序段的字符数有不同的限制。 本文来自织梦
    2.4.2程序段格式
    程序段的格式是指在同一程序段中的指令字、字符和数字的排列顺序的规则。不同数控系统的程序格式往往不同,所以编程时必须按数控系统要求的格式编写程序段,否则会产生出错报警,停止运行。数控机床有三种程序段格式:字地址可变程序段格式、固定顺序程序段格式和带分隔符可变程序段格式。
    1、字地址可变程序段格式
    字地址可变程序段格式的每一个指令字段均以字母、数字和符号表示,字首是一个英文字母,称为字的地址,字的功能类别由地址字母决定。目前国内外数控系统广泛采用的字地址可变程序段格式的一般表达形式为:
        N4 G2 X±53 Y±53 Z±53 F22 S4 T4 M2  *
    其中:(1)N4——程序段序号,用4位数表示;
    (2)G2——准备功能字,用2位数表示;
    (3)X±53、Y±53、Z±53分别为X、Y、Z坐标指令字,可带正负号,数值长度为8位,小数点前最多用5位,小数点后用3位;
    (4)F22——进给速度功能字,用4位数表示,小数点前2位,小数点后2位;
    (5)S4——主轴转速功能字,用4位数表示;
    (6)T4——刀具功能字,用4位数表示;
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    (7)M2——辅助功能字,用2位数表示;
    (8)* ——程序段结束符号。
    坐标指令字的数值长度以及表示进给功能、主轴转速功能、刀具功能等数位的大小与不同的数控系统有关。
    表2.1 常用的地址字母表
    符号
          含  意
      符号
          含  意

    A
      绕x坐标的角度尺寸
      F
      进给功能

    B
      绕y坐标的角度尺寸
      G
      准备功能

    C
      绕z坐标的角度尺寸
      M
      辅助功能

    X
      主x坐标轴运动尺寸 S
      主轴速度功能
    Y
      主y坐标轴运动尺寸 T
      刀具功能
    Z
      主z坐标轴运动尺寸 N
      序号
    U
      平行于x坐标轴的第二个运动尺寸   
    V
      平行于y坐标轴的第二个运动尺寸   
    W
      平行于z坐标轴的第二个运动尺寸   

    织梦好,好织梦


    P
      平行于x坐标轴的第三个运动尺寸   
    Q
      平行于y坐标轴的第三个运动尺寸   
    R
      平行于z坐标轴的第三个运动尺寸   
    表2.1是常用的国际标准化组织规定的地址字母的意义。各字的先后排列顺序不严格,每个字的长度不固定,而且不需要的指令字或与上一程序段相同的指令字可以省略不写。表示坐标的数据可取正亦可取负,可以带小数点(单位min)或不带小数点(单位为最小设定单位,参见后文)。字地址可变程序段格式简单、直观、易检查修改,可缩短数控加工程序穿孔纸带长度。
    下面是几个不同形式的字地址可变程序段的例子:
    % 程序开始
    O0025 表示程序号
    N0010 G90 G00 X-10.5 Y26.0; 刀具快速移到x为-10.5 mm,y为+26.0 mm处
    N0020 G91 G01 X-70 Y100.5; 表示刀具从当前位置起,往x轴负方向移动70mm,往y轴方向移动100 mm

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