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1、l 第一節(jié) 數(shù)控程序編制的基礎(chǔ)一、數(shù)控編程的內(nèi)容 零件加工程序編制就是將零件加工順序，刀具與工件相對運動軌跡的尺寸數(shù)據(jù)，工藝參數(shù)（主軸運動、進給運動的速度，切削深度等），以及輔助操作（主軸正、反轉(zhuǎn)，刀具交換，冷卻液開、關(guān)，工件夾緊、松開等）等加工信息，用規(guī)定的代碼（由文字、符號、數(shù)字組成），按照一定格式編寫成加工程序單，并將程序單上的信息通過控制介質(zhì)或直接輸入到CNC裝置中，進行防真、試切、修正，正確無誤后再用其進行自動加工。 二、數(shù)控編程的步驟：分析零件圖紙工藝處理數(shù)值計算編寫程序單制作控制介質(zhì)程序校核修改數(shù)控機床 （一）分析零件圖紙及工藝處理1 確定工件的裝夾方法 數(shù)控加工對夾具的主要要求
2、：一是要保證夾具本身在機床上安裝準確；二是容易協(xié)調(diào)零件和機床坐標系的尺寸關(guān)系。 選用或設(shè)計夾具時，應(yīng)注意以下幾點： （1）盡量選用可調(diào)試、組合式等標準化、通用化和自動化夾具，應(yīng)盡量避免設(shè)計專用夾具。 （2）裝卸工件要迅速，以縮短數(shù)控機床停機時間。 （3）零件的加工部位要敞開，不致因夾具的具體結(jié)構(gòu)影響刀具的走刀。 （4）夾具安裝在機床上要準確可靠，要考慮必要的定位安裝基準，以保證工件在正確位置上按程序進行加工。 （5）在有條件的情況下，盡量選用便于操作的氣動、液壓夾具 。 2 對刀點和換刀點的確定 對刀點是指在數(shù)控機床上加工零件時，刀具相對零件運動的起始點。所以對刀點也稱做程序起點或起刀點。刀具
3、在機床上的位置是由“刀位點”的位置來表示的 刀位點是指確定刀具位置的特征點。對立銑刀、端銑刀和鉆頭是指它們的底面中心；對球頭銑刀是指球頭球心；對車刀和鏜刀是指它們的刀尖。 對刀點的選擇原則：1）零件上或零件外都可作為對刀點，但應(yīng)盡量選在零件的設(shè)計基準或工藝基準上。2）對刀點應(yīng)選在對刀方便的地方。3）對刀點的選擇應(yīng)便于坐標值的計算。換刀點的位置應(yīng)根據(jù)換刀時刀具不碰傷工件、夾具和機床的原則而定。x0y0 x1y1對刀點換刀點機床零點工件零點 3 確定加工路線 加工路線又稱走刀路線，是指數(shù)控機床在加工過程中刀具相對于工件的運動軌跡。 確定加工路線的原則：（1）應(yīng)能保證零件的加工精度和表面粗糙度的要求
4、。（2）應(yīng)盡量縮短加工路線，減少刀具空程移動時間。（3）應(yīng)使數(shù)值計算簡單，程序段數(shù)量少，以減少編程工作量。 例1：對點陣類工件 按（b）所示的加工路線，可節(jié)省定位時間一半左右（a）（b） 例 2：加工如圖（a）所示的凹槽型封閉輪廓類零件(a) (b) (c) (d) 對封閉型凹槽輪廓（c）、（d）方案使凹槽側(cè)面的最終輪廓由最后一次走刀連續(xù)加工而成，可獲得較好的表面質(zhì)量。并且銑刀的切入、切出點最好選在零件輪廓兩幾何元素的交點處， 否則會留下刀痕。 l例 3 加工平面輪廓類零件： l對平面輪廓類零件，刀具應(yīng)避免法向切入或法向切出，一般應(yīng)沿零件輪廓外形的延長線切向切入、切出防止在輪廓的切入、切出處留
5、下刀痕。并且在加工過程中，還應(yīng)避免進給停頓，因為切削力的變化會引起工件、刀具、夾具和機床工藝系統(tǒng)的彈性變形，進給停頓時切削力減小，刀具會在理論停頓處留下凹痕。l切入點l切出點XlY 4 刀具的選擇 選擇刀具應(yīng)根據(jù)數(shù)控加工要求與材料特性、加工表面的類型、機床的加工能力、機床允許的切削量、刀具的耐用度及其他與加工有關(guān)的因素來確定。 對所選擇刀具的要求： 要使刀具裝夾調(diào)整方便，剛度好，精度高，且使用壽命長等。 5 切削量的確定 切削量包括：主軸轉(zhuǎn)速（切削速度）、切削深度、切削寬度和進給速度等。1）切削深度（ap）的選用。選用時要考慮機床、工件和刀具工藝系統(tǒng)的剛度，在剛度允許時，應(yīng)盡量加大切削深度，以
6、減少走刀次數(shù)，提高工作效率。2）主軸轉(zhuǎn)速（n）的選用。根據(jù)工件材料和刀具材料允許的切削速度（v）和工件（或刀具）的直徑（d）來選定。 公式為：n=1000v/d(m/min) 3）進給速度（f）的選用。粗加工中，在工藝系統(tǒng)強度和剛度允許的情況下應(yīng)盡量選用大一些的進給速度。還要考率排屑的問題，繼續(xù)切削時硬質(zhì)合金刀片的強度等問題。精加工中，進給速度還應(yīng)根據(jù)加工精度和表面粗糙度的要求選定。在輪廓加工中，選擇進給速度時還應(yīng)注意輪廓拐角處的超程和欠程問題。 （二）數(shù)值計算 數(shù)值計算的任務(wù)是根據(jù)零件圖紙和已確定的加工路線及允許的編程誤差，計算數(shù)控系統(tǒng)所需的輸入數(shù)據(jù)。1 基點和節(jié)點 基點：一個零件的輪廓是由
7、若干直線、圓弧、非圓曲線等線組成，構(gòu)成零件輪廓的各相鄰線段之間的連接點被稱為基點。 當加工由直線和圓弧所組成的平面輪廓類零件時，只要計算出零件輪廓中相鄰幾何元素間的交點或切點的坐標值，以及各幾何元素的起點、終點、圓弧圓心坐標值就可編程。 節(jié)點：當零件輪廓由非圓曲線（如二次曲線、漸開線、阿基米德螺線等）組成時，要將輪廓曲線按編程允許誤差分割成若干小段，每一小段用直線或圓弧去逼近，逼近直線或圓弧小段與輪廓曲線的交點或切點被稱為節(jié)點。 這時數(shù)值計算的任務(wù)就是求解節(jié)點坐標值。 2 非圓曲線的節(jié)點計算 用直線或圓弧逼近方程曲線y=f(x)時，應(yīng)考慮在保證逼近精度的前提下，使節(jié)點數(shù)目少，計算簡單。對于曲率
8、半徑大的曲線用直線逼近較為有利，若曲線某段接近圓弧，用圓弧逼近有利。（1）等間距直線逼近法該方法是使每個程序段中一個坐標增量值相等。例：如圖示X方向坐標增量值相等，若已知方程為y=f(x)，且給定等間距（x），則X方向坐標值x 1xn可知，代入方程y=f(x)，可求得Y方向坐標值y1 yn,解得A1 An各節(jié)點的坐標值。x決定了曲線的曲率和允許誤差（允），要求 允。XYO A1 A2 Anx1 x2 xny=f(x)x （2）等弦長直線逼近法 該方法是使所有逼近線段的長度相等。即ab=bc=cd=de=ef=fg。計算時必須使各段的最大誤差小于允，通常零件輪廓曲線的曲率半徑最小的地方，誤差最大
9、。 因此，1）先確定曲率半徑最小的位置；2）在該處按照 允的條件求出弦的長度；3）用此弦長分割零件的輪廓曲線，即可得各節(jié)點坐標。O XY a b c d e f gnl 例：如圖示已知零件輪廓曲線方程為y=f(x)，則曲線的曲率半徑為：r=1+(y) /y” （1）取dr/dx=0,求解x值，并代入（1）中，可得最小曲率半徑（rmin）值。如果允許誤差為允時，其弦長為：L=2 rmin(rmin 允)22 rmin 允即 L=22 rmin 允以曲線的起點a(xa , ya)為圓心，L為半徑作圓，與輪廓曲線相交，交點b即為節(jié)點。則解聯(lián)立方程： （x-x a ）+（y-ya）= L y=f(x)
10、可得節(jié)點b的坐標值。同理，可依次求出其他各節(jié)點坐標值。O XY a b c d e f gnL y=f(x)2 l3/22 222 2 （3）等誤差直線逼近法 該方法是使所有逼近線段的誤差相等，且小于或等于允許誤差值 允，因此，該方法比前兩種合理，程序段數(shù)少。特別適合曲率變化較大的復(fù)雜曲線輪廓。已知零件輪廓曲線的方程為y=f(x)，則計算方法為：1）以起點a為圓心，以允為半徑畫允差圓，則圓的方程為： ( X-Xa ) + ( Y-Ya ) = 允式中 Xa , Ya 為已知的a點坐標值。2）作允差圓與曲線y=f(x)的公切線MN,則公切線的斜率為： K = (Y N YM) / (XN XM)
11、 O XY y=f(x)允a b c d2 2 2 M N 為求出YN，YM，XN，XM，需解出下面的方程組： YN = f ( XN ) （曲線方程）(YN YM) / (XN XM) = f( XN )（曲線切線方程） YM = F（XM） （允差圓方程）(YN YM) / (XN XM) = F( XM ) （允差圓切線方程）3）過點a作斜率為K的直線（即平行于MN的直線），并與輪廓曲線交于b點，b點即為所求節(jié)點。 則弦ab的直線方程為： Y - Ya = K ( X Xa ) 并與方程 Y = f ( X ) 聯(lián)立 ，即可得b點坐標值。 4）從b點開始重復(fù)上述步驟，依次可得其余各節(jié)點坐
12、標值。O XY y=f(x)允a b c dM N （4）等誤差圓弧逼近法 該方法用于有圓弧插補功能的數(shù)控機床，計算中，需要求出每段圓弧圓心，起點，終點的坐標值以及圓弧段的半徑，并且要使圓弧段與工件輪廓曲線間的誤差小于或等于允許的逼近誤差允。 XYo （三）編寫零件加工程序單及制作控制介質(zhì)該過程是根據(jù)工藝分析和數(shù)值計算后的數(shù)據(jù)，按數(shù)控機床使用的指令代碼，以規(guī)定的程序格式，逐段編寫零件加工程序單。編好加工程序單后，根據(jù)程序單上的程序按標準代碼制作控制介質(zhì)。（四）進行程序校核該過程是對制成的控制介質(zhì)（如穿孔紙帶等）進行校驗和試切檢查，檢查無誤后才能正式用于加工。 三、數(shù)控編程的方法（一）手工編程（
13、Manual programming）即編制零件加工程序的全過程，包括分析零件圖紙及工藝處理，數(shù)學(xué)計算，書寫程序單，制作控制介質(zhì)，程序校驗等均由人工完成。該方法適用于點位加工或幾何形狀不太復(fù)雜的零件加工。（二）自動編程（Automatic Programming）即零件加工程序編制工作的大部分或全部由計算機完成。該方法適用于輪廓形狀不單單由直線段和圓弧構(gòu)成的復(fù)雜零件，特別是空間曲面零件；以及幾何元素雖不復(fù)雜，但程序量大，計算繁瑣，工作量大的零件。 第二節(jié)程序的編制一、機床坐標系和工件坐標系數(shù)控機床的坐標軸及運動方向數(shù)控機床的坐標系規(guī)定已標準化，按右手直角笛卡兒坐標系表示。一般假設(shè)工件靜止，通過
14、刀具相對工件的移動來確定機床各移動軸的方向。（）Z坐標軸：規(guī)定平行于機床主軸（傳遞切削力）的刀具運動坐標軸。并且取刀具遠離工件的方向為正方向（+Z）。當機床有多個主軸時，選垂直于工件裝夾面的主軸為Z軸。 （）X坐標軸：規(guī)定為水平方向，且垂直于Z軸并平行于工件的裝夾面。對工件旋轉(zhuǎn)的機床（如車床、磨床）取平行于橫向滑座的方向（工件徑向）為X坐標，取刀具遠離工件的方向為正方向；對刀具做旋轉(zhuǎn)運動的機床（如銑床、鏜床），當Z軸為水平時，沿刀具主軸向工件方向看，X軸正向指向右邊；當Z軸為垂直的，對于單立柱機床，從主軸向立柱看時，X軸正向指向右邊；對于雙立柱機床，從主軸向左側(cè)立柱看時，X軸正向指向右邊。（）
15、Y坐標軸：按右手定則來確定。即從+Z轉(zhuǎn)到+X時，拇指確定+Y。 常見機床的坐標軸方向如圖所示： 數(shù)控車床坐標系+Z+X 立式升降臺銑床坐標系“+X,+Y,+Z ”表示對于刀具位置不動的機床，工件相對于刀具的正向運動，兩坐標軸的方向相反）銑刀+Z +X+Y+Z+X +Y 機床坐標系的原點機床坐標系的原點也稱機械原點、參考點或零點。它不僅是機床坐標系的原點，也是其他坐標系和機床內(nèi)的基準點。該點在機床一經(jīng)設(shè)計制造出來便被確定，因此，機械原點是機床坐標中固有的點，不能隨意改變?；亓悖簷C床啟動時，通常要進行機動或手動回零，即直線坐標或旋轉(zhuǎn)坐標（如回轉(zhuǎn)工作臺）回到正向極限位置（機械原點）。 工件坐標系編程
16、時，一般選擇工件上的某一點作為坐標原點，建立一個新的坐標系，該坐標系被稱為工件坐標系，其原點即為工件原點。工件原點偏置：在加工時，工件隨夾具在機床上安裝后，測量工件原點與機械原點間的距離（通過測量某些基準面、線間的距離來確定），該距離稱為工件原點偏置。工件原點偏置需預(yù)存到數(shù)控系統(tǒng)中，在加工中，工件原點偏置便能自動加到工件坐標系上，使數(shù)控系統(tǒng)可按機床坐標系確定加工時的絕對坐標值。附加坐標：如果有第二或第三組坐標平行于X、Y、Z，則分別指定用U、V、W，和P、Q、R。 5 絕對坐標與增量（相對）坐標1）絕對坐標系：在坐標系中，所有坐標點的坐標值均從某一固定坐標原點計量的坐標系，稱為絕對坐標系。如圖
17、示，A、B兩點以絕對坐標計，則XA = 12 , YA = 15 XB = 22 , YB = 32）增量（相對）坐標系：在坐標系中，運動軌跡的終點坐標是以起點計量的坐標系，稱為增量（相對）坐標系。如圖示，A、B兩點以相對坐標計，則XA = 12 , YA = 15 XB = 10 , YB = 17 15 12 10 221732 Xo A BY 二、程序編制的代碼及程序格式穿孔紙帶和代碼）穿孔帶：數(shù)控機床的零件加工程序目前廣泛采用數(shù)控穿孔紙帶作為輸入介質(zhì)，傳到數(shù)控裝置中去。數(shù)控機床上最常用的是八單位穿孔紙帶。規(guī)格如圖示：2.21.830.051.17 0.020.052.540.076 2
18、.742.540.059.960.125.40.08走帶方向前沿(基準邊)第1孔道第2孔道第3孔道第4孔道第5孔道第6孔道第7孔道第8孔道同步孔道 ）代碼代碼是數(shù)控機床傳遞信息的語言，程序單上給出的字母和數(shù)字以及符號都要按照規(guī)定在紙帶上穿出孔來，有孔表示“”，無孔表示“”。在紙帶寬度方向上的一排孔組成代表字符、數(shù)字的符號，這種符號就是通常所說的代碼，也稱字符。 常用字符有：a) 數(shù)字；b) 字母A、B、CX、Y、Z；c) 特殊記號（正號）、（負號）、（跳過任意段）、ER(程序號）、SP（空格）、DEL（注銷碼）、（小數(shù)點）等。）常用的穿孔帶代碼目前國際上有兩種常用的標準代碼，即ISO(Inte
19、rnational Standard Organization)國際標準化組織制定的代碼及EIA(ElectronicIndustries Association)美國電子工業(yè)協(xié)會制定的代碼，我國采用ISO代碼為國家標準。 ）穿孔帶代碼表示方法（如書中圖所示）在ISO標準代碼中，每一代碼由位二進制數(shù)和位補偶位組成，第八位用來補偶。 ISO標準代碼屬于單位編碼，能編碼128個符號。而且，ISO代碼編碼規(guī)律性強，其中第五、第六位有孔為數(shù)字代碼，第七位有孔為字母代碼，第六位有孔為符號代碼。在EIA標準代碼中，每一代碼由位二進制數(shù)和位補奇位組成，第五位孔為補奇孔。 EIA代碼屬于單位編碼，可編碼的符號
20、數(shù)為64，而且它的規(guī)律性也不如ISO代碼。 程序的格式程序是由程序號、程序段和符號所組成。如下面的這個程序所示：O 1210 N1 G90G92X0Y0Z0;N2 G42X-60.0Y10.0D5F200; N3 G02X40.0R50.0; N4 G0G40X0Y0; N5 M30;該程序中，程序號是O 1210，并由個程序段（每一行稱為一個單段）和“”、“；”及“”組成。 ）程序號：每個程序都需要進行編號，在編號前面要用程序編號地址碼進行編號指令。 如：O 1210（O為程序號地址，即編號的指令碼；1210為程序的編號，即1210號程序）不同的數(shù)控系統(tǒng)，程序號地址碼也不同。如F6M系統(tǒng)用O
21、、而AB8400系統(tǒng)用P、而SMK8M系統(tǒng)用%，所以編程時，要根據(jù)不同機床的說明書去編程，否則系統(tǒng)會不執(zhí)行。 ）程序段的格式和組成a) 程序段是由程序段號（字）、地址、數(shù)字、符號等組成。如： N1 G90G92X0Y0Z0;式中N-程序段地址碼，用于指令程序段號；為程序段號；G-指令動作方式的準備機能地址，不同的數(shù)字代表不同的指令；X、Y、Z-坐標軸地址，數(shù)字代表刀具的坐標位置；“；”為程序段結(jié)束符號。 b) 程序段也可以認為由程序段號加上若干個程序字組成的。程序字通常由地址字、數(shù)字及符號組成。如： X-60.0其中X表示地址字；表示符號（負號）；60.0表示數(shù)字； c)數(shù)控機床常用的地址符：
22、程序號字：用英文字母O后跟位以內(nèi)的數(shù)字來表示。程序號字必須加在每個程序之首，以區(qū)別不同的程序，其后可在括號內(nèi)加程序名或注釋。如： O 2100 ( GEAR WORK )程序段號字：用字母N后跟位以內(nèi)的數(shù)字來表示，放在程序段前，以區(qū)別各程序段。準備功能字：是指令動作方式的準備性工藝指令，用字母G及位以內(nèi)的數(shù)字表示。 輔助功能字：指令能完成機床操作等輔助性的功能，如主軸的起、停，冷卻液的通、斷，更換刀具等，用字母M及位數(shù)字表示。坐標軸向移動指令字：由坐標軸代碼和該軸位移量數(shù)字碼構(gòu)成。數(shù)字碼根據(jù)數(shù)控機床的直線位移量最小設(shè)定單位而定。如某數(shù)控機床的直線位移量最小設(shè)定單位為0.001mm，若X軸正方向
23、移動15mm,則可寫成：X15000 或X15.0 進給功能字：由地址F與幾位數(shù)字碼組成，用來指定機床主軸的轉(zhuǎn)速。它的單位對于進給速度與主軸轉(zhuǎn)速無關(guān)的直線進給運動用mm/min表示；對于進給速度與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)的直線運動用mm/r表示。主軸轉(zhuǎn)速功能字：由地址S與幾位數(shù)字碼組成，用來指定機床主軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。如S30表示主軸轉(zhuǎn)速為：30r/min 刀具功能字：由地址T與幾位數(shù)字碼組成，主要用來選擇刀具。如T11表示要選擇第11號刀具。程序段結(jié)束字：ISO標準用LF代碼，EIA中用CR代碼，也可用符號“” 或“；”表示。程序的分類程序分為主程序和子程序。在正常情況下，數(shù)控機床是按主程序的指令工作的，當程序段中有調(diào)用為子程序的指令時，數(shù)控機床就按子程序進行工作，當遇到返回主程序的指令時，機床才返回主程序，繼續(xù)按主程序的指令進行工作。 思考題：1 數(shù)控機床坐標系各坐標軸的方向是如何確定的？ 2 什么是機床的工件坐標系？它與機床坐標系有什么不同 ？3 數(shù)控機床常用的地址符有哪些？各如何表示？4 程序段是怎樣組成的？5 ISO及EIA標準代碼能編碼多少個符號？6 什么是絕對坐標與增量（相對）坐標？并如何用這兩種坐標系確定點的坐標？7 數(shù)值計算的任務(wù)是什么？什么是基點、節(jié)點？
數(shù)控加工的程序
