《數(shù)控車床操作工（中級(jí)）》

電子教案主編于萬(wàn)成副主編王桂蓮第7章數(shù)控機(jī)床編程基礎(chǔ)【教學(xué)目標(biāo)】通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，掌握程序編制的內(nèi)容與方法、數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系的分類和坐標(biāo)的確定方法；掌握程序的結(jié)構(gòu)和常用編程指令的使用方法；掌握數(shù)控編程中數(shù)值的計(jì)算方法；通過(guò)學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠根據(jù)零件圖紙要求，熟練地編寫簡(jiǎn)單加工程序。【工具設(shè)備】數(shù)控車床、刀具和量具。【教學(xué)方法與課時(shí)安排】教師講授、演示與學(xué)生討論相結(jié)合的教學(xué)法。共用10學(xué)時(shí)。【教學(xué)過(guò)程及內(nèi)容】7.1程序編制的內(nèi)容與方法7.1.1編程的內(nèi)容與步驟一般說(shuō)來(lái)，數(shù)控機(jī)床程序編制的內(nèi)容主要為:分析零件圖、確定機(jī)床、工藝處理、數(shù)值計(jì)算、編寫程序及檢驗(yàn)和試切工件。1.分析零件圖首先是能正確分析零件圖，確定零件的加工部位，根據(jù)零件圖的技術(shù)要求，分析零件的形狀、基準(zhǔn)面、尺寸公差和粗糙度要求，以及加工面的種類、零件的材料、熱處理等其他技術(shù)要求。2.確定機(jī)床通過(guò)分析，根據(jù)零件形狀和加工的內(nèi)容及范圍，確定該零件或哪些表面適宜在數(shù)控機(jī)床上加工，在數(shù)控車、銑數(shù)控、加工中心和其它機(jī)床上加工，確定加工的機(jī)床。3.工藝處理在對(duì)零件圖進(jìn)行分析并確定好機(jī)床之后，確定零件的裝夾定位方法、加工路線(如對(duì)刀點(diǎn)、換刀點(diǎn)、進(jìn)給路線)、刀具及切削用量等工藝參數(shù)(如進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、切削寬度和切削深度等)。在該階段要確定加工的順序和步驟，一般分粗加工、半精加工、精加工等階段。粗加工一般留lmm的加工余量,半精加工留約0.2mm的余量。精加工直接形成產(chǎn)品的最終尺寸精度和表面粗糙度，對(duì)于要求較高的表面要分別進(jìn)行加工，要求不高時(shí)粗加工留約0.5mm的余量，半精和精加工一次完成。根據(jù)粗、精加工的要求，合理選用刀具，所采用的刀具要滿足加工質(zhì)量和效率的要求。4.數(shù)值計(jì)算根據(jù)零件圖、刀具的加工路線和設(shè)定的編程坐標(biāo)系來(lái)計(jì)算刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的坐標(biāo)值。對(duì)于表面由圓弧、直線組成的簡(jiǎn)單零件，只需計(jì)算出零件輪廓上相鄰幾何元素的交點(diǎn)或切點(diǎn)(基點(diǎn))的座標(biāo)值，得出直線的起點(diǎn)、終點(diǎn)，圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)和圓心坐標(biāo)值。5.編寫程序及檢驗(yàn)根據(jù)所計(jì)算出的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)值和已確定的切削用量以及輔助動(dòng)作，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定使用的指令代碼及程序段指令格式，編寫零件加工程序單。將編好的程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)的方法有二種：一種是通過(guò)操作面板上的按鈕手工直接把程序輸入數(shù)控系統(tǒng)，另一種是通過(guò)計(jì)算機(jī)RS232接口與數(shù)控機(jī)床連接傳送程序。6.試切工件用圖形模擬功能和機(jī)床空運(yùn)行來(lái)檢驗(yàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡，只能檢驗(yàn)刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡是否正確，不能檢查加工精度。因此，還應(yīng)進(jìn)行零件的試切。如果通過(guò)試切發(fā)現(xiàn)零件的精度達(dá)不到要求，則應(yīng)對(duì)程序進(jìn)行修改，以及采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?直至達(dá)到零件的加工精度要求為止。7.1.2編程的方法數(shù)控加工程序的編制方法有兩種:1．手工編程分析零件圖、確定機(jī)床、工藝處理、數(shù)值計(jì)算、編寫程序及檢驗(yàn)等各個(gè)階段均由人工完成的編程方法，稱為手工編程。2．自動(dòng)編程自動(dòng)編程是計(jì)算機(jī)通過(guò)自動(dòng)編程軟件完成對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)計(jì)算，自動(dòng)生成加工程序并在計(jì)算機(jī)屏幕上動(dòng)態(tài)地顯示出刀具的加工軌跡。對(duì)于加工零件形狀復(fù)雜，特別是涉及三維立體形狀或刀具運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算繁鎖時(shí)，采用自動(dòng)編程。在自動(dòng)編程中，編程人員只需按零件圖紙的要求，將加工信息輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)在完成數(shù)值計(jì)算和后置處理后，編制出零件加工程序單。所編制的加工程序還可通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行檢查。7.2數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系7.2.1機(jī)床坐標(biāo)系1．?dāng)?shù)控機(jī)床坐標(biāo)系的形式主要有兩種：笛卡兒坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系。（1）笛卡兒坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，用右手法則判斷方向。右手的拇指、食指和中指分別代表X、Y、Z三根直角坐標(biāo)軸的方向；旋轉(zhuǎn)方向按右手螺旋法則規(guī)定，四指順著軸的旋轉(zhuǎn)方向，拇指與坐標(biāo)軸同方向?yàn)檩S的正旋轉(zhuǎn)，反之為軸的反旋轉(zhuǎn)，如圖7.1所示，圖中A、B、C分別代表圍繞X、Y、Z三根坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)方向。圖7.1機(jī)床坐標(biāo)系（2）極坐標(biāo)系一點(diǎn)由指定的到原點(diǎn)的距離和到指定軸的角度而確定，在X、Y坐標(biāo)系中，角度（）以X軸作為參考。如果角度從X方向開(kāi)始使逆時(shí)針測(cè)量，那么角度就為正，反之，就為負(fù)。在數(shù)控加工過(guò)程中，不論是工件靜止不動(dòng)、刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，還是工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、刀具靜止不動(dòng)，數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)指的是刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)，即認(rèn)為刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而工件靜止不動(dòng)。2.機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系由制造廠家確定，不能更改。機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)也稱機(jī)械原點(diǎn)或參考點(diǎn)、零點(diǎn)，是固有的點(diǎn)，不能替換它的位置。機(jī)床坐標(biāo)系是用來(lái)確定工件坐標(biāo)系的基本坐標(biāo)系，其坐標(biāo)和原點(diǎn)方向視機(jī)床的種類和結(jié)構(gòu)而定。機(jī)床起動(dòng)時(shí)，通常要進(jìn)行機(jī)動(dòng)或手動(dòng)將運(yùn)動(dòng)部件回到各軸正向極限位置即回零。這個(gè)極限位置就是機(jī)械原點(diǎn)(零點(diǎn))。7.2.2工件坐標(biāo)系工件坐標(biāo)系是建立在機(jī)床坐標(biāo)系基礎(chǔ)上的，在加工零件時(shí)所使用的加工基準(zhǔn)，也稱為零點(diǎn)偏置。工件坐標(biāo)系的參考點(diǎn)又稱作工件原點(diǎn)，該點(diǎn)可以在工件上任意選定。然而，為了減少加工當(dāng)中的工藝誤差，工件原點(diǎn)的選擇應(yīng)該盡可能遵循基準(zhǔn)重合的原則，即加工基準(zhǔn)應(yīng)該與工藝基準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相統(tǒng)一。工件坐標(biāo)原點(diǎn)的位置也稱工作零點(diǎn)。編制時(shí)一般選擇工件上（如左下角上表面點(diǎn)或中心點(diǎn)）的某一點(diǎn)作為程序的原點(diǎn)，并以這個(gè)原點(diǎn)作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立一個(gè)新的坐標(biāo)系。對(duì)于數(shù)控車來(lái)講只有X、Z軸，如圖7.2、7.3所示。圖7.2前置刀架坐標(biāo)系1圖7.3后置刀架坐標(biāo)系21.絕對(duì)坐標(biāo)系在坐標(biāo)系中，所有點(diǎn)的坐標(biāo)（絕對(duì)尺寸）均以原點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)量的坐標(biāo)系稱為絕對(duì)坐標(biāo)系，絕對(duì)尺寸一直指著工件零點(diǎn)。如圖7.4所示。2.相對(duì)坐標(biāo)表示法在坐標(biāo)系中，運(yùn)動(dòng)軌跡終點(diǎn)坐標(biāo)以其起點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)量的坐標(biāo)系稱為增量坐標(biāo)系(亦稱相對(duì)坐標(biāo)系)，在增量坐標(biāo)系中，點(diǎn)的坐標(biāo)用U和W表示。相對(duì)尺寸為絕對(duì)坐標(biāo)值與絕對(duì)坐標(biāo)值的差值。如圖7.5所示。圖7.4絕對(duì)坐標(biāo)系圖7.5相對(duì)坐標(biāo)系有的數(shù)控系統(tǒng)用X、Y、Z表示絕對(duì)坐標(biāo)代碼，用U、V、W表示相對(duì)坐標(biāo)代碼。在一個(gè)加工程序中可以混合使用這二種坐標(biāo)表示法編程。工件坐標(biāo)系原點(diǎn)可以在工件上任意選定。然而，為了減少加工中的工藝誤差，工件原點(diǎn)的選擇應(yīng)該盡可能遵循基準(zhǔn)重合的原則，即加工基準(zhǔn)應(yīng)該與工藝基準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相統(tǒng)一。7.3程序結(jié)構(gòu)與指令格式7.3.1程序的結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的數(shù)控加工程序，由程序號(hào)、程序內(nèi)容、程序結(jié)束指令三部分組成。下面以華中HNC-21T數(shù)控車床的控制系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明程序的結(jié)構(gòu)。%0001（程序號(hào)）N1T0101（調(diào)用加工刀具）N2G00X40Z0（刀具移動(dòng)到工件端面對(duì)刀點(diǎn)的位置）N3M03S400（主軸以400r/min正轉(zhuǎn)）N4G01X0F60（到達(dá)工件中心）N5G03U24W-24R15（加工R15圓弧段）N6G02X26Z-31R5（加工R5圓弧段）N7G01Z-40（加工Φ26外圓）N8X40（退出刀具）N9G00X100Z100（返回到安全位置）N30M30（程序結(jié)束指令）程序號(hào)位于程序主體之前，是程序的開(kāi)始部分，獨(dú)占一行，每個(gè)程序必須要有程序號(hào)。一般由規(guī)定的字母%或O打頭，后面緊跟若干位數(shù)字組成。常用的是二位和四位兩種，前零可以省略。程序主體（程序主要內(nèi)容）由若干個(gè)程序段組成。在書寫和打印時(shí)，一個(gè)程序段一般占一行。程序結(jié)束指令位于程序主體的后面，可用M02(程序結(jié)束)或M30(光標(biāo)返回到開(kāi)始)。7.3.2程序段指令格式程序段是數(shù)控加工程序中的一句，用來(lái)指令機(jī)床執(zhí)行某一個(gè)動(dòng)作或一組動(dòng)作。每個(gè)程序段由若干個(gè)程序字組成。程序字的字首為一個(gè)英文字母，它稱為字的地址如G、M、T、S等，隨后為若千位十進(jìn)制數(shù)字。字的功能類別由字地址決定。根據(jù)功能的不同，程序字可分為程序段序號(hào)、準(zhǔn)備功能字、輔助功能字、尺寸字、進(jìn)給功能字、主軸轉(zhuǎn)速功能字和刀具功能字。各部分名稱如下：1.準(zhǔn)備功能G指令準(zhǔn)備功能G指令由G后一或二位數(shù)值組成，它用來(lái)規(guī)定刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡、機(jī)床坐標(biāo)系、坐標(biāo)平面、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)偏置等多種加工操作。2.主軸功能S指令主軸功能S指令控制主軸轉(zhuǎn)速，其后的數(shù)值表示主軸速度，單位為轉(zhuǎn)/每分鐘(r/min)。恒線速度功能時(shí)S指定切削線速度，其后的數(shù)值單位為米/每分鐘(m/min)。（G96恒線速度有效、G97取消恒線速度）S是模態(tài)指令，S功能只有在主軸速度可調(diào)節(jié)時(shí)有效。S所編程的主軸轉(zhuǎn)速可以借助機(jī)床控制面板上的主軸倍率開(kāi)關(guān)3.進(jìn)給功能F進(jìn)給功能字又稱為F功能或F指令，由地址符F與其后的若干位數(shù)字組成，用來(lái)表示刀具的進(jìn)給速度(或稱進(jìn)給率)，單位一般是mm/min。當(dāng)進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)時(shí)(如車削螺紋)，單位為mm/r,在準(zhǔn)備功能中常使用G98代碼來(lái)指定每分鐘進(jìn)給率、G99代碼來(lái)指定每轉(zhuǎn)進(jìn)給率。4.刀具功能TT表示刀具地址符，T代碼用于選擇刀架或刀具庫(kù)中的刀具，前兩位數(shù)表示刀具號(hào)，后兩位數(shù)表示刀具補(bǔ)償號(hào)。對(duì)于數(shù)控車床，當(dāng)執(zhí)行了Txxxx指令后進(jìn)行換刀，而在加工中心上，Txx通常并不執(zhí)行換刀操作，只是選刀，而M06用于起動(dòng)換刀操作。Txx不一定要放在M06之前，只要放在同一程序段中即可指令功能。5.輔助功能M指令輔助功能由地址字M和其后的一或兩位數(shù)字組成，主要用于控制零件程序的走向，以及機(jī)床各種輔助功能的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。M功能有非模態(tài)M功能和模態(tài)M

功能二種形式。非模態(tài)M功能(當(dāng)段有效代碼)：只在書寫了該代碼的程序段中有效。常用代碼有：（1）MOO指令程序段之后，主軸停轉(zhuǎn)、進(jìn)給停止、冷卻液關(guān)閉、程序停止。（2）選擇程序停止指令(M01)。（3）程序結(jié)束指令(M02)。（4）M03，M04，M05分別為主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)及主軸停止指令。（5）換刀指令(M06)該指令用于具有刀庫(kù)的數(shù)控機(jī)床(如加工中心)的換刀功能。（6）冷卻液開(kāi)指令(M08)。（7）冷卻液關(guān)指令(M09)。（8）程序結(jié)束并返回指令(M30)。7.3.3主程序和子程序在程序中，若某一固定的加工操作重復(fù)出現(xiàn)時(shí)，可把這部分操作編制成子程序，然后根據(jù)需要調(diào)用，這樣可使程序變得非常簡(jiǎn)單。調(diào)用第一層子程序的指令所在加工程序叫做主程序。一個(gè)子程序調(diào)用語(yǔ)句，可以多次重復(fù)調(diào)用子程序。子程序可以由主程序調(diào)用，已被調(diào)用的子程序還可以調(diào)用其他子程序，這種方式稱為子程序嵌套。子程序嵌套可達(dá)四次。如圖7.6所示。圖7.6主程序和子程序1.子程序調(diào)用命令M98及從子程序返回命令M99M98用來(lái)調(diào)用子程序。M99表示子程序結(jié)束，執(zhí)行M99使控制返回到主程序。2.子程序的指令格式O（%）xxxx……M99在子程序開(kāi)頭，必須規(guī)定子程序號(hào)，以作為調(diào)用入口地址。在子程序的結(jié)尾用M99，以控制執(zhí)行完該子程序后返回主程序。3.調(diào)用子程序的指令格式M98P_L_P：被調(diào)用的子程序號(hào)L：重復(fù)調(diào)用次數(shù)西門子系統(tǒng)在程序段中直接調(diào)用子程序,只需寫上子程序的文件名，但在編寫子程序時(shí)文件名的后綴為:“.SPF”。7.4常用編程G指令數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中的動(dòng)作，都是事先由編程人員在程序中用指令的方式給以規(guī)定的，當(dāng)程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，刀具便把工件加工成圖紙上要求的形狀。機(jī)床的工藝指令大體分為G指令、M指令和其它指令。7.4.1快速移動(dòng)指令G001.指令格式：G00X（U）_

Z（W）_

2.指令說(shuō)明：（1）表示刀具以機(jī)床給定的快速進(jìn)給速度移動(dòng)到程序段指定點(diǎn)的位置，又稱為點(diǎn)定位指令。（2）采用絕對(duì)坐標(biāo)編程，X、Z表示快速移動(dòng)的終點(diǎn)位置在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。（3）采用增量坐標(biāo)編程，U、W表示快速移動(dòng)的終點(diǎn)位置相對(duì)于起點(diǎn)位置的位移量。7.4.2直線插補(bǔ)指令G011.指令格式：G01X（U）_

Z（W）_

F

2.指令說(shuō)明:（1）G01指令使刀具以程序中設(shè)定的進(jìn)給速度從所在點(diǎn)出發(fā)，直線插補(bǔ)至指定點(diǎn)。（2）采用絕對(duì)坐標(biāo)編程時(shí)，X、Z表示程序段指定點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置；采用增量坐標(biāo)編程U、W表示程序段指定點(diǎn)相對(duì)當(dāng)前點(diǎn)的移動(dòng)距離與方向，其中F表示合成進(jìn)給速度，在無(wú)新的F指令替代前一直有效。如圖7.7所示零件，用G01指令可加工外圓。（3）G01是模態(tài)代碼，可由G00、G02、G03或G32功能注銷。圖7.7零件簡(jiǎn)圖7.4.3圓弧插補(bǔ)指令G02、G031.指令格式：（1）用圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)和圓心坐標(biāo)表示時(shí)指令格式：G02/G03X（U）_

Z（W）I_

K_

F_

（2）用圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)和圓弧半徑R表示時(shí)指令格式：G02/G03X（U）_

Z（W）R_

F_

2.指令說(shuō)明:（1）G02、G03指令表示刀具以Ｆ進(jìn)給速度從圓弧起點(diǎn)向圓弧終點(diǎn)進(jìn)行圓弧插補(bǔ)。（2）G02為順時(shí)針圓弧插補(bǔ)指令，即凹圓弧的加工；G03為逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)指令，即凸圓弧的加工。（3）采用絕對(duì)坐標(biāo)編程，X、Z為圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)值；采用增量坐標(biāo)編程，U、W為圓弧終點(diǎn)相對(duì)圓弧起點(diǎn)的坐標(biāo)增量，R是圓弧半徑，當(dāng)圓弧所對(duì)圓心角為0°～180°時(shí)，Ｒ取正值；當(dāng)圓心角為180°～360°時(shí)，R取負(fù)值。I、K為圓心在X、Z軸方向上相對(duì)圓弧起點(diǎn)的坐標(biāo)增量（用半徑值表示），I、K為零時(shí)可以省略。如圖7.8所示。（4）注意G02、G03在G17（XY）、G18（ZX）、G19（YZ）平面上的變化。圖7.8圓弧插補(bǔ)7.4.4刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令1.指令格式G41（G42、G40）G01（G00）X（U）_

Z（W）_

2.指令說(shuō)明如圖7.9所示。順著刀具運(yùn)動(dòng)方向看，刀具在工件的左邊為刀尖圓弧半徑左補(bǔ)償G41；刀具在工件的右邊為刀尖圓弧半徑右補(bǔ)償G42；取消刀尖圓弧半徑補(bǔ)償G40。只有通過(guò)刀具的直線運(yùn)動(dòng)才能建立和取消刀尖圓弧半徑補(bǔ)償，刀尖半徑補(bǔ)償?shù)慕⑴c取消只能用G00或G01指令，不能用GO2或G03指令。圖7.9左刀補(bǔ)和右刀補(bǔ)（a）前置刀架，刀架在操作者的內(nèi)側(cè)（b）后置刀架，刀架在操作者的外側(cè)（1）刀具半徑補(bǔ)償參數(shù)及設(shè)置補(bǔ)償?shù)都鈭A弧半徑大小后，刀具自動(dòng)偏離零件輪廓半徑距離。因此，必須將刀尖圓弧半徑尺寸值輸入系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。一般粗加工取0.8mm，半精加工取0.4mm，精加工取0.2mm。若粗、精加工采用同一把刀，一般刀尖半徑取0.4mm。注意:G41/不帶參數(shù)，其補(bǔ)償號(hào)(代表所用刀具對(duì)應(yīng)的刀尖半徑補(bǔ)償值定)由T代碼指定。其刀尖圓弧補(bǔ)償號(hào)與刀具偏置補(bǔ)償號(hào)對(duì)應(yīng)。（2）刀尖方位設(shè)置車刀形狀不同，決定刀尖圓弧所處的位