《金工實習》第13章數(shù)控加工基礎(chǔ)

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1、第13章 數(shù)控加工基礎(chǔ) 13.1 數(shù)控機床的組成、基本加工原理、分類 13.1.1 數(shù)控機床的組成 現(xiàn)代數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、位置測量與反饋系統(tǒng)、輔助控制單元和機床主機組成，如圖13-1所示為各組成部分的邏輯結(jié)構(gòu)簡圖： 　圖13-1 數(shù)控機床邏輯結(jié)構(gòu)示意圖 13.1.2 數(shù)控機床的基本加工原理 數(shù)控機床加工零件時，先將加工過程所需的各種操作(如主軸變速、松夾工件、進刀與退刀、開車與停車、選擇刀具、供給冷卻液等)和步驟以及與工件之間的相對位移等都用數(shù)字化的代碼表示，并按工藝先后順序組織成“NC程序”，通過介質(zhì)(如軟盤、電纜等)或手工將其輸入到機床的

2、NC存儲單元中，NC裝置對輸入的程序、機床狀態(tài)、刀具偏置等信息進行處理和運算，發(fā)出各種驅(qū)動指令來驅(qū)動機床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機床自動加工出尺寸和形狀都符合預(yù)期結(jié)果的零件。 數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程如圖13-2所示： 圖13-2 數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程 一、譯碼(解釋) 譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標值；進給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標志的存放順序和格式。

3、 二、刀補處理(計算刀具中心軌跡) 用戶零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數(shù)控機床在加工過程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。 三、插補計算 本模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期△t定時運行，它將由各種線形（直線，圓弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進給速度F，實時計算出各個進給軸在△t內(nèi)位移指令（△X1、 △Y1、…），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)成形運動。 四、PLC控制 PLC控制是對機床動作的“順序控制”。即以CNC內(nèi)部和機床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯順

4、序?qū)χT如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，冷卻、潤滑系統(tǒng)等的運行等進行的控制。 五、數(shù)控加工軌跡控制原理 1．逼近處理 1）如圖13-3所示，為欲加工的圓弧軌跡L，起點為P0，終點為Pe。CNC裝置先對圓弧進行逼近處理。 ???? 圖13-3? 數(shù)控加工原理圖 2）系統(tǒng)按插補時間⊿t和進給速度F的要求，將 L分割成若干短直線 ⊿L1，⊿L2，…， ⊿Li，…，這里： ⊿Li = F⊿t （i=1，2，…） 其中F：給定的進給速度 ⊿t：數(shù)控系統(tǒng)插補周期 3）用直線⊿Li逼近圓弧存在著逼近誤差δ，但只要δ足夠?。èSLi足夠短），總能滿足零件的加工要求。

5、 4）當F為常數(shù)時，而⊿t對數(shù)控系統(tǒng)而言恒為常數(shù)，則⊿Li的長度也為常數(shù)⊿L，只是其斜率與其在L上的位置有關(guān)。 2．指令輸出 1）將計算出△ti 在時間內(nèi)的和作為指令輸出給Y軸，以控制它們聯(lián)動。即：DXiT X 軸； DYi T Y 軸。 2）只要能連續(xù)自動地控制X，Y 兩個進給軸在△ti時間內(nèi)移動量，就可以實現(xiàn)曲線輪廓零件的加工。 13.1.3 數(shù)控機床的分類與特點 一、數(shù)控機床的分類 1. 按加工路線可分為： 1）點位控制數(shù)控機床：這種機床只能控制工作臺（或刀具）從一個位置（點）精確地移動到另一個位置（或點），在移動過程中不進行加工。 2）輪廓加工數(shù)控機床：

6、這種機床的數(shù)控系統(tǒng)能夠同時控制多個坐標軸聯(lián)合動作，不僅控制輪廓的起點和終點，而且還控制軌跡上每一點的速度和位置。對不同形狀的工件輪廓表面進行加工，如數(shù)控車床能夠車削各種回轉(zhuǎn)體表面，數(shù)控銑床能銑削輪廓表面。 2. 按伺服系統(tǒng)的控制方式分： 1）開環(huán)控制系統(tǒng) 2）閉環(huán)控制系統(tǒng) 3）半環(huán)控制系統(tǒng) 二、數(shù)控機床的特點 控制機床實現(xiàn)自動運轉(zhuǎn)。數(shù)控加工經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展已成為應(yīng)用于當代各個制造領(lǐng)域的先進制造技術(shù)。數(shù)控加工的最大特征有兩點：首先可以極大地提高精度，包括加工質(zhì)量精度及加工時間誤差精度；其次是加工質(zhì)量的重復(fù)性，可以穩(wěn)定加工質(zhì)量，保持加工零件質(zhì)量的一致。 13.

7、2? 數(shù)控編程基礎(chǔ)知識 ??? 數(shù)控加工程序編制就是將加工零件的工藝過程、工藝參數(shù)、工件尺寸、刀具位移的方向及其它輔助動作（如換刀、冷卻、工件的裝卸等）按運動順序依照編程格式用指令代碼編寫程序單的過程。所編寫的程序單即加工程序單。 13.2.1 數(shù)控加工的坐標系與指令系統(tǒng) 數(shù)控加工程序的編寫方法有兩種，手工編程和自動編程，手工編程是由用戶根據(jù)加工要求，使用該機床的指令代碼手工書寫數(shù)控程序。自動編程是由用戶運行編程軟件，輸入零件圖紙和加工參數(shù)(如進給量、背吃刀量、切削速度，工件材料、毛坯尺寸等)，由編程軟件自動生成數(shù)控程序。兩種編程方法各有所長。 一、坐標系

8、為了確定機床的運動方向和運動距離，必須在機床上建立坐標系，以描述刀具和工件的相對位置及其變化關(guān)系。 數(shù)控機床的坐標軸的指定方法已經(jīng)標準化，我國在JB3051—1982中規(guī)定了各種數(shù)控機床的坐標軸和運動方向，它按照右手法則規(guī)定了直角坐標系中X、Y、Z三個直線坐標軸和A、B、C三個回轉(zhuǎn)坐標軸的關(guān)系。如圖13-4所示。 圖13-5(a)為車床的坐標系，裝夾車刀的溜板可沿兩個方向運動，溜板的縱向運動平行于主軸，定為Z軸，而溜板垂直于Z軸方向的水平運動，定為X軸，由于車刀刀尖安裝于工件中心平面上，不需要作豎直方向的運動，所以不需要規(guī)定Y軸。 圖13-5(b)為三軸聯(lián)動立式銑床的坐標系，圖中安裝刀具

9、的主軸方向定為Z軸，主軸可以上下移動，機床工作臺縱向移動方向定為X軸。與X、Z軸垂直的方向定為Y軸。 二、坐標原點 機床原點：由機床生產(chǎn)廠家在設(shè)計機床時確定，由于數(shù)控機床的各坐標軸的正方向是定義好的，所以原點一旦確定，坐標系就確定了，機床原點也稱機械原點或零點，是機床坐標系的原點。機床原點不能由用戶設(shè)定，一般位于機床行程的極限位置。機床原點的具體位置須參考具體型號的機床隨機附帶的手冊，如數(shù)控車的機床原點一般位于主軸裝夾卡盤的端面中心點上。 圖13-4 數(shù)控機床的坐標軸 ? （a）數(shù)控車床的坐標系 （b）數(shù)控銑床的坐標系 圖1

10、3-5 數(shù)控機床的坐標系統(tǒng) 1、機床參考點：機床參考點是相對于機床原點的一個特定點，它由機床廠家在硬件上設(shè)定，廠家測量出位置后輸入至NC中，用戶不能隨意改動，機床參考點的坐標值小于機床的行程極限。為了讓NC系統(tǒng)識別機床坐標系，就必須執(zhí)行回參考點的操作，通常稱為回零操作?；蛘呓蟹祬⒉僮鳎⒎撬械腘C機床都設(shè)有機床參考點。 2、工件原點：也叫編程原點，它是編程人員在編程前任意設(shè)定的，為了編程方便，選擇工件原點時，應(yīng)盡可能將工件原點選擇在工藝定位基準上，這樣對保證加工精度有利，如數(shù)控車一般將工件原點選擇在工件右端面的中心點。工件原點一旦確立，工件坐標系就確定了。編寫程序時，

11、用戶使用的是工件坐標系，所以在啟動機床加工零件之前，必須對機床進行設(shè)定工件原點的操作，以便讓NC確定工件原點的位置，這個操作通常稱為對刀。對刀是加工零件前一個非常重要且不可缺少的步驟，否則不但不可能加工出合格的零件還會導(dǎo)致事故的發(fā)生，在高檔數(shù)控系統(tǒng)中，工件原點甚至在一個程序中還可以進行變換，由相應(yīng)的選擇工件原點指令完成。工件原點與機床原點之間的距離叫原點偏置。 三、坐標指令 在加工過程中，工件和刀具的位置變化關(guān)系由坐標指令來指定，坐標指令的值的大小是與工件原點帶符號的距離值。坐標指令包括：X、Y、Z、U、V、W、I、J、K、R等。其中，通常來說X、Y、Z是絕對坐標方式；U、V、W

12、相對坐標方式，但在三坐標以上系統(tǒng)中，有相應(yīng)的G指令來表示是絕對坐標方式還是相對坐標方式，不使用U、V、W來表示相對坐標方式；I、J、K或R是表示圓弧的參數(shù)的兩種方法，I、J、K表示圓心與圓弧起點的相對坐標值，R表示圓弧的半徑。 以下介紹點的相對坐標與絕對坐標表示法： 如圖13-6(a)其中A點(10，10)用絕對坐標指令表示為X10 Z10；B點(25，30)用絕對坐標指令表示為X25 Z30； (a)絕對坐標 （b）相對坐標 圖13-6 絕對坐標和相對坐標 需要指出的是：在坐標指令中，有一種特殊情況：即數(shù)

13、控車床系統(tǒng)的X軸方向的指令值，X軸方向是零件的半徑或直徑方向，在工程圖紙中，通常標注的是軸類零件的直徑，如果按照數(shù)控車的工件原點，X軸的指令值應(yīng)是工件的半徑，這樣在編程時會造成很多直徑值轉(zhuǎn)化為半徑值的計算，給編程造成很多不必要的麻煩，因此，數(shù)控車的NC系統(tǒng)在設(shè)計時通常采用直徑指定，所謂直徑指定即數(shù)控車的X軸的指令值按坐標點在X軸截距的2倍，即表示的是工件的直徑，如X20，那么在數(shù)控車系統(tǒng)中表示的是X方向刀具與工件原點的距離是10mm而不是20mm。 1. 絕對坐標方式： 在某一坐標系中，用與前一個位置無關(guān)的坐標值來表示位置的一種方式，坐標原點始終是編程原點，例：A(X10 Z10)

14、 2.相對坐標方式(或叫增量坐標方式)： 在某一坐標系中，由前一個位置算起的坐標值增量來表示的一種方式。即設(shè)定工件坐標系的原點自始至終都和刀尖重合，亦即程序起始點就是工件坐標系的原點，并且和上一程序段中的參考點重合。如圖13-6(b)，若刀具由A→B，當?shù)毒呶挥贏點時，編程原點是A點，當?shù)毒呶挥贐點時，編程原點是B點，那么，B點坐標指令值分別是由A—>B在各坐標軸方向的增量。 例：A點用絕對坐標方式表示為：(X10 Z10) B點用增量坐標方式(相對坐標方式)表示為： (U+15 W+20)其中+號可以省略則寫成(U15 W20) 可以看到：△X＝ 15 △Z＝ 20

15、 應(yīng)用于編寫程序時，在圖13-6（b）中，假設(shè)刀具當前位于A點，要求刀具快速運動到B點(空行程)則：采用絕對指令方式：N1 GOO X25 Z30 采用相對指令方式N1 GOO Ul5 W20。 四、Ｇ指令 也稱準備功能(prepare function)指令，簡稱G功能指令或G代碼，C指令確定的功能，可分為坐標系設(shè)定類型、插補功能類型、刀具補償功能類型、固定循環(huán)類型等。 G指令由字母G和其后兩位數(shù)字組成，從GOO到G99共100種；其中GOO至G09可簡寫為G0至G9。表13-1是部分G指令代碼簡介。 表13-1 部分G指令代碼及功能 ? 代碼 功 能

16、 程序指令類型 功能在出現(xiàn)段有效 備 注 GOO 快速點定位 模態(tài)指令 ? 用于空行程 G01 直線插補 模態(tài)指令 ? 直線切削進給 G02 順時針圓弧 模態(tài)指令 ? 圓弧或圓切削 G03 逆時針圓弧 模態(tài)指令 ? 圓弧或圓切削 G04 暫停 非模態(tài)指令 僅本段內(nèi)有效 用于拐角過渡 G17 XY平面選擇 模態(tài)指令 ? 用于數(shù)控銑 G18 ZX平面選擇 模態(tài)指令 ? 用于數(shù)控銑 G19 ZY平面選擇 模態(tài)指令 ? 用于數(shù)控銑

17、 G32 螺紋單一循環(huán) 模態(tài)指令 ? 用于數(shù)控車 G72 螺紋復(fù)合循環(huán) 模態(tài)指令 ? 用于數(shù)控車 G90 絕對方式 模態(tài)指令 ? 用于數(shù)控銑 G91 增量方式 模態(tài)指令 ? 用于數(shù)控銑 ? 模態(tài)指令：模態(tài)指令指具有自保性的指令，即后面的程序段與前面程序段代碼相同時，可以不必重復(fù)指定，G指令有部分是模態(tài)指令，F(xiàn)指令也是模態(tài)指令。關(guān)于模態(tài)指令，有的文獻稱為續(xù)效指令，含義相同。 五、Ｍ指令 Ｍ指令用于指定機床一些輔助動作的開/關(guān)功能, 如:機床主軸的正向、停、反向旋轉(zhuǎn)，切削液的開關(guān)、程序的啟動、停止等。因此也

18、稱輔助功能指令，它由Ｍ字母和后兩位數(shù)字組成。表13-2是部分Ｍ代碼功能表 表13-2　部分Ｍ代碼功能表 代 碼 功 能 數(shù)控車 數(shù)控銑 備 注 MOO 程序停止 √ √ “模態(tài)信息”保存 M01 計劃停止 √ √ “任選停止”有效 M02 程序結(jié)束 √ √ 不返回 M03 主軸正轉(zhuǎn) √ √ ? M04 主軸反轉(zhuǎn) √ √ ? M05 主軸停止 ? √ 進給不停 M06 換刀 ? √ ? M0

19、7 2號冷卻開 ? √ ? M08 1號冷卻開 √ √ ? M09 冷卻關(guān) √ √ ? M41 主軸低速 √ ? ? M42 主軸高速 √ ? ? M30 程序結(jié)束 √ √ 返回程序頭部 M98 子程序調(diào)用 √ √ 調(diào)出子程序 M99 子程序調(diào)用 √ √ 子程序調(diào)用結(jié)束 六、F指令 F代碼用于指定插補進給速度。 F代碼編程有兩種，每分鐘進給量編程和每轉(zhuǎn)進給量編程。在每分鐘進給量編程中，F(xiàn)后的數(shù)值表示的是主軸每分鐘內(nèi)刀具的進給量

20、，比如：F50，表示每分鐘進給量為50mm．值得注意的是，F(xiàn)代碼是模態(tài)指令，但一個程序中至少應(yīng)該在第一個插補指令后有一個F指令，例： N35 G1 X30 F60　* N40 Z-20　* N45 U-3 F22 * 注意：N指令表示行號，此外無任何其他意義，機床讀到N代碼時不產(chǎn)生任何動作，其中N35和N40的F代碼是一致的，(G1也是模態(tài)指令，N40，N45中對G1也沒有重復(fù)指定) 七、Ｓ指令 Ｓ指令用于指定主軸的旋轉(zhuǎn)速度，一個程序段內(nèi)只能含有一個Ｓ代碼，由字母Ｓ加數(shù)字表示，例如： 1.指定主軸的轉(zhuǎn)速是400r／min，則相應(yīng)的指令為S400。 　2.在數(shù)控

21、車系統(tǒng)中，根據(jù)加工工藝要求，零件端面要求恒線速度加工，因此，數(shù)控車系統(tǒng)中，對Ｓ指令有特殊規(guī)定：端面恒線速度切削：如Ｎ1 Ｇ96 Ｓ1000　*其中1000是端面的線速度，為1000m／min。速度單位因機床而異，參見機床說明書。 3.端面恒線速度刪除：如Ｎ2 Ｇ97 Ｓ1000。 八、Ｔ指令 T指令用于指定所選用的刀具，它由字母T和后接數(shù)字組成，在同一程序中，若同時指令坐標移動指令和刀具T指令，執(zhí)行順序一般為先執(zhí)行T指令，但具體由機床廠家確定，參見機床說明書。 需要指出的是：有的數(shù)控系統(tǒng)如發(fā)那科(FANUC O—TD)系統(tǒng)，刀具指令采用字母T加四位數(shù)字表示，四位數(shù)字的

22、高2位表示刀具選擇號，低兩位表示刀具偏置號。具體表示方法見機床說明書。 13.2.2 數(shù)控加工程序格式 數(shù)控加工程序一般由程序名、程序段、子程序等組成。 一、程序名 程序名是數(shù)控程序必不可少的第一行，由一個地址符加上后接四位數(shù)字組成，第一個字符或字母是具體的數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的，后接的四位數(shù)字是用戶任意取的?？梢孕∮谒奈?，但不能大于四位，根據(jù)具體數(shù)控系統(tǒng)要求，打頭的字符或字母一般為％、或字母Ｏ。 例：％123，％7788，(CJK6236A2數(shù)控車床)是合法的程序名。 　　 01111，08888，(MV—5數(shù)控銑床)是合法的程序名。 子程序也有程

23、序名，其程序名是主程序調(diào)用的入口。子程序的命名規(guī)則與主程序一樣，視不同的數(shù)控系統(tǒng)有不同的規(guī)則。 二、程序字 程序字由地址符及其后面的數(shù)字組成，在數(shù)字前可以加上+、-號。程序字是構(gòu)成程序段的基本單位，也稱指令字。+號通?？梢允÷圆粚?。 例：X-100．0，前面字母X為地址，必須是大寫，地址規(guī)定其后數(shù)值的意義。-100．0為數(shù)值。合在一起稱程序字。根據(jù)程序中G指令的不同，同一個地址也許會有不同的含義。 三、程序段 程序段由多個程序字組成，在程序段的結(jié)尾有結(jié)束符號，一般是“；”或“*”，IS0標準為“LF'’，顯示為“*”，EIA標準為“CR'’，顯示為“；”。

24、 程序段的格式為： N X X X G X X X土X X X．X X Z±X X X．X X F X X S X X T X X M X X * 數(shù)控系統(tǒng)一般采用一行為一個程序段，也有的采用多行為一段。 例：N1 G01 X-100.0 Z20.0 ；是一個合法程序段(適用于MV—5數(shù)控銑床)。 N10 G1 X-100.0 Z20.0 * 是一個合法程序段(適用于CJK6236A2數(shù)控車床)。 四、小數(shù)點與子程序 小數(shù)點用于距離、時間作單位的數(shù)，但有的地址不能用小數(shù)點輸入。如F10表示10mm／min或10mm／r，速度不能用小數(shù)點輸入。而有的地址必

25、須用小數(shù)點輸入。如G04 X1．0暫停1秒。 要用小數(shù)點輸入的地址如下： X， Y， Z， A， B， C， U， V， W， I，J， K， R， Q 通常情況下NC按主程序的指令進行移動，當程序中有調(diào)用子程序指令時，以后NC就按子程序移動，當在子程序中有返回主程序指令時，NC就返回主程序，繼續(xù)按照主程序指令移動。調(diào)用子程序使用如下格式： 例：M98 P X X X L X X； 編寫程序時，試采用表格形式，可以提高編程效率，減少差錯。試驗零件程序單如表13-3所示。 表13-3 試驗零件程序單 名 稱 零 件 圖 形 或

26、 工 藝 說 明 日 期 頁 試驗程序 2005.4 1 1 程 序 名 編 寫 者 審 核 %123 小 泉 小 林 Ｎ Ｇ Ｘ Ｚ Ｕ Ｗ R/C Ｆ Ｓ Ｔ Ｍ Ｐ Ｑ * ? N10 G00 X20 Z99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? * ? N11 ? ? ? ? ? ? ? ? T01 M03 ? ? * ? N12 G00 X18 Z0 ? ? ? ? ? ? ? ? ?

27、 * ? N13 G02 Z-10 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? * ? N14 G01 ? ? ? W-10 ? ? ? ? ? ? ? * ? N15 ? ? ? ? ? ? ? ? ? M02 ? ? * ? 13.2.3 數(shù)控加工程序編制的步驟 一、工藝方案分析 1. 確定加工對象是否適合于數(shù)控加工（形狀較復(fù)雜、精度一致性要求高）。 2. 毛坯的選擇（對同一批量的毛坯和質(zhì)量應(yīng)有一定的要求）。

28、 3. 工序的劃分（盡可能采用一次裝夾、集中工序的加工方法）。 4 .選用適合的數(shù)控機床。 二、工序詳細設(shè)計 1. 工件的定位與夾緊。 2. 工序劃分（先粗后精、先面后孔、先主后次、盡量減少換刀）。 3. 刀具選擇（應(yīng)符合標準刀具系列、較高的剛性和耐用度、易換易調(diào)）。 4. 切削參數(shù)（盡可能取高一點）. 5. 走刀分配（走刀路線要短、次數(shù)要少、盡量避免法向切入、零件輪廓的最終加工應(yīng)盡 可能一次連續(xù)完成）。 6. 工藝文件編制（工序卡、工具卡、走刀路線示意圖）。 7. 工序卡包括：工步與走刀的序號、加工部位與尺寸、刀號及補償號刀具型式與規(guī)格、 主軸

29、轉(zhuǎn)速、進給量及工時等。 三、運動軌跡的坐標值計算 1. 基點：兩個幾何元素（線、弧及樣條曲線）的交點。 2. 節(jié)點：對非圓曲線用圓弧段來逼近，節(jié)點數(shù)的多少取決于逼近誤差、逼近方法及曲線 本身的性質(zhì)。 3. 輔助計算：刀具的引入與退出路線的坐標值計算，坐標系的計算（絕對值、增量值）。 四、編寫數(shù)控加工程序 1. 用數(shù)控機床規(guī)定的指令代碼（G、S、M）與程序格式，編寫加工程序。 2. 編制機床調(diào)整卡，供操作者調(diào)整機床用。 3. 輸入程序。 4. 校驗與試切。 13.2.4 數(shù)控加工生產(chǎn)流程 使用數(shù)控機床進行零件加工，一般包括如下過程 一、審圖并確定加工要求； 二、決定使用何種刀具； 三、確定工件的裝夾方法和夾具； 四、編寫加工程序； 五、打開機床電源； 六、輸入程序到機床的NC中； 七、裝刀、裝工件； 八、測量刀具長度和直徑偏置量； 九、對齊工件和設(shè)置工件原點； 十、檢查程序(試空車，修正程序錯誤)； 十一、通過試切來檢查切削狀態(tài)(如有必要, 修正錯誤、修正刀具偏置)； 十二、機床自動運行切削工件； 十三、產(chǎn)品完成。 ?