項目三五軸空間變換定向加工基礎

機械工業出版社《五軸數控系統加工編程與操作》課程安排學習目標：知識目標：了解常用銑削刀具的種類了解刀具補償的相關知識了解刀具幾何參數跟刀具補償對應關系了解設置界面各參數含義及作用技能目標：掌握在操作系統中建立要使用的刀具掌握如何刪除操作系統中已有刀具掌握如何在操作系統中裝載刀具掌握如何在操作系統中卸載刀具掌握CYCLE800指令中直接編程法掌握CYCLE800指令中立體角編程法掌握CYCLE800指令中附加功能編程法本項目主要通過使用“3+2”加工方式對三個零件進行練習編程與加工，訓練零件既具有外形結構較為簡單的特征，又是最常見的零件形面特征，也是學習應用回轉平面CYCLE800循環指令入門的題材。通過對這三個典型零件進行回轉平面加工方向定位、加工的案例分析，結合兩種常用的回轉平面定位編程操作詳細說明，可方便初學者對多軸機床加工中常用的“3+2”定向加工方式有一個系統理解。概況子任務一建立刀具與刪除刀具1子任務二

裝載刀具與卸載刀具2任務一創建五軸機床刀具表子任務一

正四棱臺零件加工任務描述1子任務二

正四棱臺零件編程方式與過程2任務二正四棱臺零件編程與加工子任務一

編程加工任務描述1子任務二

正四方凸臺零件編程方式及過程2任務三正四方凸臺圓形腔與側面孔零件編程與加工子任務一

編程加工任務描述1子任務二

2任務四多角度空間斜面零件編程與加工子任務三3多角度空間斜面零件使用CYCLE800指令中直接編程法編程多角度空間斜面零件使用CYCLE800指令中立體角編程法編程任務一創建五軸機床刀具表

1、任務描述：加工工件必須使用切削刀具。我們首先將本章練習零件加工中所使用的刀具存儲在機床系統上的刀具存儲器中，以備編寫程序時和實際加工中進行調用。序號刀具名稱程序中的刀具名稱規格刀具長度參數1面銑刀FACENILL63φ63mm95.01mm刃長：5mm，刃數:62立銑刀CUTTER12φ12mm149.23mm刃長：32mm，刃數：43立銑刀CUTTER8φ8mm131.10mm100101刃長：20mm，刃數：34倒角刀CENTERDRILL6φ6mm148.48mm480101刃數：25中心鉆CENTERDRILL10φ10mm138.50mm

刀尖頂角：90°6麻花鉆頭DRILL3.5φ3.5mm137.47mm

刀尖頂角：118°7麻花鉆頭DRILL5φ5mm148.48mm刀尖頂角：118°8麻花鉆頭DRILL6.8φ6.8mm152.50mm刀尖頂角：118°9麻花鉆頭DRILL8.5φ8.5mm158.60mm刀尖頂角：118°10麻花鉆頭DRILL12φ12mm195.90mm刀尖頂角：118°學習任務書學習準備任務一創建五軸機床刀具表

序號工作準備內容備注1機床（數控系統）五軸機床SINUMERIK840Dsl數控系統2刀具刀具列表對應刀具

子任務一建立刀具與刪除刀具1子任務二

裝載刀具與卸載刀具2任務一創建五軸機床刀具表

子任務一建立刀具與刪除刀具學習任務書1、建立與刪除刀具本次任務中，首先分別創建銑刀、倒角刀、中心鉆、鉆頭等，并掌握刪除已存在的刀具。子任務一建立刀具與刪除刀具任務操作1——創建銑刀子任務一建立刀具與刪除刀具子任務一建立刀具與刪除刀具任務操作2——創建倒角刀與中心鉆子任務一建立刀具與刪除刀具子任務一建立刀具與刪除刀具任務操作3——刪除刀具子任務一建立刀具與刪除刀具任務操作3——刪除刀具子任務一建立刀具與刪除刀具1子任務二

裝載刀具與卸載刀具2任務一創建五軸機床刀具表

子任務一裝載刀具與卸載刀具任務操作1——裝載刀具子任務一裝載刀具與卸載刀具任務操作1——裝載刀具子任務一裝載刀具與卸載刀具任務操作2——卸載刀具學生提問？任務一創建五軸機床刀具表

任務二正四棱臺零件編程與加工學習任務書1、任務描述：在課前依據本任務書，通過查閱機床說明書和相關資料，熟悉西門子840Dsl五軸機床的基本參數及基本操作；初步掌握CYCLE800的基本指令格式內容，按照圖3-1所示正四棱臺斜平面底座零件尺寸核準毛坯，選擇合適刀具及定位方式。通過手動編程方式，在西門子SINUTRAIN仿真軟件上編制并仿真程序，了解刀具加工60度斜面的旋轉及移動編程方式。程序無誤后傳輸至系統，通過裝夾找正，調用程序完成零件程序的編程驗證與正確加工。學習準備任務二正四棱臺零件編程與加工序號工作準備內容備注1機床（數控系統）五軸機床SINUMERIK840Dsl數控系統2毛坯90棒料或70X70X50方料2A123刀具φ12mm立銑刀（1把）或根據小組討論決定4夾具平口鉗為更好避免加工干涉，可使用數控虎鉗5量具游標卡尺測量范圍0-150（mm），精度0.02mm子任務一

正四棱臺零件加工任務描述1子任務二

正四棱臺零件編程方式與過程2任務二正四棱臺零件編程與加工如圖所示的正四棱臺零件的底沿邊長60mm，上沿邊長44mm，棱面與設定G17平面的夾角為60°。設定正四棱臺上平面的中心位置為工件坐標系原點。子任務一正四棱臺零件加工任務描述任務操作1——編程加工任務分析子任務一正四棱臺零件加工任務描述任務操作2——分析正四棱臺斜平面銑削的加工過程子任務一正四棱臺零件加工任務描述任務操作3——分析編程指令及方法本練習使用擺動循環CYCLE800指令完成指定的正四棱臺斜平面定位（即加工平面坐標系參考點定位在每一斜面上的指定位置）后，再使用平面銑削循環CYCLE61指令完成圖示尺寸的斜平面銑削加工。為了簡化學習的過程，本練習僅使用1把φ12mm立銑刀，選用回轉臺運動系統類型P（部件）和人機對話“programGUIDEG”代碼進行編程，總體可以采用三種不同的編程方法思路來完成該零件的加工。子任務一正四棱臺零件加工任務描述任務操作3——分析編程指令及方法特別提示：由于SINUMERIK840Dsl數控系統的強大功能及豐富的編程方式，可以采取多種編程方法來完成編程學習和實踐過程，如“直接（新建回轉平面）編程”、“立體角編程”、“附加功能編程”三種方法。學習提示子任務一正四棱臺零件加工任務描述任務操作4——斜平面定向和定位坐標使用擺動循環CYCLE800回轉平面功能——坐標系平移+坐標系旋轉的方式進行斜平面定向和坐標定位，將坐標位置定位在每一邊所需加工平面位置上，零件圖中的數字指明了四個斜平面加工的先后順序。通過4次回轉平面設定，實現4個不同位置斜平面的銑削編程的過程，詳見任務實操過程。子任務一正四棱臺零件加工任務描述特別提示：銑削平面的五軸定向操作在通常情況下，采取坐標系“平移—旋轉—平移”三個步驟。即首先平移WCS（工件坐標系），然后圍繞新參考點旋轉WCS，回轉后在新建的回轉平面上平移WCS至指定位置。本零件僅需要前兩步即可完成加工坐標系的定向工作。學習提示任務操作4——斜平面定向和定位坐標子任務一正四棱臺零件加工任務描述任務操作5——刀具軌跡分析子任務一

正四棱臺零件加工任務描述1子任務二

正四棱臺零件編程方式與過程2任務二正四棱臺零件編程與加工子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作1——CYCLE800初始化設置子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作2——初始化設置完成后，進行工件毛坯的設定針對本任務的正四棱臺零件，最方便的毛坯設置是選擇“中心六面體”形式。本練習加工選擇的毛坯是已經經過加工后，符合圖紙外形標注尺寸的零件半成品。這里需要說明的是：編程中創建工件毛坯的步驟不是必須做的。所建立的毛坯僅僅是為了在驗證編寫程序正確性的模擬加工操作中查看毛坯外形，或是在實際加工中的過程查看，以及分析零件實體加工后內部結構。與工件的實際加工可以講沒有必然的關聯。子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作3——直接編程法編程子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作3——直接編程法編程子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作3——立體角編程法編程分析零件的幾何形狀，四個斜平面尺寸與形狀完全一致。在編程過程中可以考慮采用完全相同的銑削循環來完成加工，減少編程過程中的相互位置計算及減少分析坐標平移后的X、Y軸旋轉方向。此時，可以利用擺動循環CYCLE800的回轉平面功能中“立體角”回轉模式來進行參數設定與編制程序。所謂立體角，是指一個空間夾角是在原始坐標系基礎上，通過沿兩坐標軸（Z軸、Y軸）旋轉后形成的空間角度。立體角的應用原則是：工件坐標系首先圍繞Z軸進行指定角度旋轉，再圍繞Y軸進行指定角度旋轉。實現立體角回轉工作臺方式的參數設置見。子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作3——直接編程法編程子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作3——直接編程法編程子任務二零件測量編程方式及過程任務操作4——立體角編程法編程1.根據立體角的應用原則，結合當前工件零點的位置，首先進行工件坐標系零點的平行偏移，再進行立體角的坐標變換。工件坐標系的平行偏移可通過X0、Y0、Z0的實際坐標偏移量來進行設定。坐標系平移參數設定后進行α角（圍繞Z軸旋轉角度）的設定，α角參數確定以后，再進行β角（圍繞Y軸旋轉角度）的設定。采用立體角的方法編寫加工正四棱臺加工中坐標系轉換的過程，如下圖所示。子任務二零件測量編程方式及過程子任務二零件測量編程方式及過程子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作4——立體角編程法編程子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作4——立體角編程法編程子任務二正四棱臺零件編程方式與過程任務操作5——附加功能編程法編程在常規編程中，初學者一般的思路都是先進行工件坐標系的偏移（基礎編程中的框架編程指令，如TRANS、ROT等），然后再進行CYCLE800的立體角旋轉定位。需要說明，利用此種方式在回轉平面中需選擇“附加”的形式才能正確完成定位加工。否則會出現系統調用擺動循環CYCLE800指令后將前一程序段的偏移指令自動替換撤銷。這是因為采用CYCLE800回轉平面定位編程指令中，其功能已經完全覆蓋（包含）基礎編程中的框架編程指令，系統會自動按最新方式進行執行。例如在采用“立體角”定位編程方式中，工件零點坐標已經在回轉平面內設定了偏移量。任務三正四方凸臺圓形腔與側面孔

零件編程與加工學習任務書依據本任務書的要求，掌握SINUMERIK840Dsl數控系統五軸機床的基本參數及基本操作；掌握凸臺銑削，圓形腔銑削循環和鉆孔循環指令，進一步熟悉CYCLE800的編程。按照圖3-6所示的正四方凸臺、圓形腔與側面孔核準零件毛坯尺寸，并選擇合適刀具及夾具。通過手動編程方式，使用擺動循環CYCLE800指令進行“3+2”定向加工，完成周邊四個孔的鉆孔及孔口倒角加工。程序無誤后傳輸至機床數控系統，通過裝夾找正，調用程序完成零件程序的驗證與正確加工。學習準備序號工作準備內容備注1機床（數控系統）五軸機床SINUMERIK840Dsl數控系統2毛坯90棒料或70X70X50方料2A123刀具或根據小組討論決定4夾具平口鉗為更好避免加工干涉，可使用數控虎鉗5量具游標卡尺測量范圍0-150（mm），精度0.02mm任務三正四方凸臺圓形腔與側面孔

零件編程與加工子任務一編程加工任務描述1子任務二

正四方凸臺零件編程方式及過程2任務三正四方凸臺圓形腔與側面孔

零件編程與加工如圖的正四方凸臺圓形腔與側面孔零件是在材質為2A12的φ90mm圓柱毛坯上，加工出尺寸為60mm×60mm×25mm的正方凸臺，中心處有一個φ40mm，深25mm的圓形腔，并在凸臺得四個側面上各加工一個φ12mm通孔。在凸臺邊沿和φ40mm圓形腔邊沿倒角1×45°。設定工件上平面的中心位置為工件坐標系原點。任務操作1——分析工件坐標系原點任務三正四方凸臺圓形腔與側面孔

零件編程與加工子任務一編程加工任務描述任務操作2——分析正四方凸臺圓形腔與側面孔

及邊沿倒角銑削的加工過程子任務一編程加工任務描述任務操作3——分析編程指令及方法本練習先使用循環CYCLE63指令完成指定的四方凸臺銑削后，然后使用擺動循環CYCLE800指令完成指定的鉆孔平面定位，接著使用鉆孔循環CYCLE82指令完成圖示側孔的鉆削加工，最后進行倒角加工。為了簡化學習的過程，本練習只進行外形尺寸的粗加工。選用人機對話“programGUIDEG”代碼進行編程。子任務一編程加工任務描述1子任務二

正四方凸臺零件編程方式及過程2任務三正四方凸臺圓形腔與側面孔

零件編程與加工子任務二正四方凸臺零件編程方式及過程任務操作1——編程前初始設置完成五軸擺動循環CYCLE800初始化設置工作，其操作步驟及參數設定見上一節表3-10。初始化設置完成后，進行工件毛坯的設定。針對該任務的零件，應選在“圓柱體”形式，尺寸Φ90mm×50mm。本練習加工選擇的毛坯是已經經過加工后，符合圖紙外形標注尺寸的零件半成品。任務操作2——調用Φ12mm立銑刀再手動輸入M6;S5000M3;G54G90G0X0Y0M8;子任務二正四方凸臺零件編程方式及過程任務操作3——創建60mm×60mm凸臺輪廓和Φ90mm圓輪廓的加工程序塊子任務二正四方凸臺零件編程方式及過程任務操作4——使用CYCLE62調用指令、CYCLE63循環指令進行四方凸臺的銑削子任務二正四方凸臺零件編程方式及過程任務操作5——使用圓形腔銑削循環POCKET4指令銑削Φ40mm圓形腔子任務二正四方凸臺零件編程方式及過程任務操作6——鉆削4個Φ12mm通孔子任務二正四方凸臺零件編程方式及過程任務操作7——邊沿倒角加工倒角加工時，只需要把“銑削”對話框的加工方式從“粗加工”改為“倒角”，所以不需要重新編寫，只需把前面銑削四方外輪廓、銑削Φ40mm圓形腔、鉆削Φ12mm孔的程序全復制，粘貼到N310G54G90G0X0Y0M8之后。進入到CYCLE63（凸臺銑削）、POCKET4（Φ40圓形腔銑削）中，把“粗加工”改為“倒角”。另外，4個鉆孔程序X0Y0，CYCLE82(100,0,5,,15,0.6,10,1,11)，替換為POCKET4〖圓形腔〗命令來做，同樣把“粗加工”改為“倒角”。子任務二正四方凸臺零件編程方式及過程任務四多角度空間斜面零件編程與加工學習任務書本任務要求加工多角度空間斜面零件，如圖3-10所示，該零件是在50mm×50mm×25mm矩形凸臺的基礎上，頂部的四個邊沿分別被加工成30°空間傾斜面、45°標準倒角和15°指定斜面。掌握CYCLE800指令和平面銑削指令的配合使用。按照圖3-11所示的多角度空間斜面零件尺寸核準毛坯，選擇合適刀具及夾具。通過手動編程方式，使用擺動循環CYCLE800指令進行“3+2”定向加工，完成四個斜面及鉆孔加工。程序無誤通過后傳輸至系統，通過獨立裝夾找正，調用程序完成零件程序的編程驗證與正確加工。學習準備序號工作準備內容備注1機床（數控系統）五軸機床SINUMERIK840Dsl數控系統2毛坯60mm×60mm×50mm的方料2A123刀具或根據小組討論決定4夾具平口鉗注意加工干涉5量具游標卡尺測量范圍0-150（mm），精度0.02mm萬能角度尺測量范圍0-320（度），精度2′任務四多角度空間斜面零件編程與加工子任務一

編程加工任務描述1子任務二

2任務四多角度空間斜面零件編程與加工子任務三3多角度空間斜面零件使用CYCLE800指令中直接編程法編程多角度空間斜面零件使用CYCLE800指令中立體角編程法編程如圖3-11示的多角度空間斜面零件是在50mm×50mm×25mm方形立柱的基礎上，頂部的四個邊沿被切割成空間30°傾斜面、15°傾斜斜面和5×45°倒角。設定零件上平面的中心位置為工件坐標系原點。任務操作1——分析工件坐標系原點任務四多角度空間斜面零件編程與加工子任務一加工任務描述任務操作2——分析編程思路多角度空間斜面零件的編程思路是：首先是在三軸基礎上編寫50mm×50mm×25mm矩形凸臺的加工程序，然后編寫30°空間傾斜面、兩個45°標準倒角、15°指定斜面和30°空間傾斜面上鉆孔的加工程序。子任務一加工任務描述任務操作3——分析多角度空間斜面零件銑削的加工過程子任務一

編程加工任務描述1子任務二

2任務四多角度空間斜面零件編程與加工子任務三3多角度空間斜面零件使用CYCLE800指令中直接編程法編程多角度空間斜面零件使用CYCLE800指令中立體角編程法編程為了實現零件的安全、正確加工，首先要完成CYCLE800循環初始設置的設定工作，使工作臺處在“零位”任務操作1——編程前初始設置點子任務二直接編程法編程針本題所示的正四棱臺零件，最方便的毛坯設置是選擇“中心六面體”形式，尺寸60mm×60mm×50mm。本練習加工選擇的毛坯是已經經過加工后，符合圖紙外形標注尺寸的零件半成品。任務操作2——工件毛坯的設定子任務二直接編程法編程任務操作3——程序頭的編寫和矩形凸臺的加工子任務二直接編程法編程加工程序頭的編寫任務操作3——程序頭的編寫和矩形凸臺的加工子任務二直接編程法編程凸臺加工使用凸臺銑削循環CYCLE76指令進行矩形凸臺的銑削任務操作4——定向加工30°

空間傾斜面子任務二直接編程法編程工作臺回退方向選擇“最大刀具方向”，回轉平面選擇“新建”，回轉模式選擇“沿軸”，軸序列選擇“ZYX”，方向選擇“-”，刀具選擇“不跟蹤”。工件坐標系首先沿Y軸負方向平移25mm，然后繞Z軸旋轉-30°（順時針轉動），最后繞Y軸旋轉30°，完成“三個步驟”定位后（見表3-30），根據圖3-14中所示的尺寸條件，通過三角函數進行計算：銑削寬度X1=cos30°×25mm=21.65mm,Y1=25mm/sin30°=50mm,銑削深度Z0=21.65×sin30°×cos30°=9.37mm。任務操作5——定向加工標準

倒角1子任務二直接編程法編程工件坐標系先沿Y軸負方向平移20mm，然后繞X軸旋轉45°，最后沿旋轉后的X軸正方向平移25mm后（見表3-31）。根據圖3-13中所示的尺寸條件,X1=50mm，通過三角函數進行計算：銑削寬度Y1=5mm/sin45°=7.07mm，銑削深度Z0=5mm×sin45°=3.54mm任務操作6——定向加工標準

倒角2子任務二直接編程法編程工件坐標系先沿X軸負方向平移20mm，然后繞Y軸旋轉-45°，最后沿旋轉后的Y軸負方向平移25mm后（見表3-32）。根據圖3-16中所示的尺寸條件，Y1=50mm，通過三角函數進行計算：銑削寬度X1=5mm/sin45°=7.07mm，銑削深度Z0=5mm×sin45°=3.54mm任務操作7——定向加工15°

指定斜面子任務二直接編程法編程工件坐標系先沿Y軸正方向平移15mm，然后繞X軸旋轉-15°，最后沿旋轉后的X軸負方向平移25mm后（見表3-33）。根據圖3-11所示的尺寸條件，按照相同方法計算的出：銑削面積為10.5mm×50mm，深度Z0=2.58mm。任務操作8——定向加工30°

空間傾斜面子任務二直接編程法編程根據圖紙所示，在工件坐標系定位后孔的位置為：X方向坐標為9，Y向坐標為20，即GOX9Y20子任務一

編程加工任務描述1子任務二

2任務四多角度空間斜面零件編程與加工子任務三3多角度空間斜面零件使用CYCLE800指令中直接編程法編程多角度空間斜面零件使用CYCLE800指令中立體角編程法編程使用回轉模式“立體角”時，坐標系首先圍繞Z軸旋轉（α角），然后繞Y軸旋轉（β角）。具體編程方法參照回轉模式“沿軸”的編程過程。子任務三立體角編程法編程（2）定向加工30°空間傾斜面編程參數說明：工件坐標系首先沿Y軸負方向平移25mm，然后繞α角（Z軸）旋轉-30°，最后繞β角（Y軸)旋轉30°。完成“三個步驟”定位后定義如圖3-21a所示的CYCLE61平面銑削循環參數。（3）定向加工標準倒角1編程參數說