先进制造技术是近几年提得较多,叫得较响的一个专用词语,而且先进制造技术在机械制造业领域中的应用越来越广泛而深入,并取得了很大的成绩

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1 面向 21 世纪全国高职高专机电类规划教材 数控编程及加工技术 高磊 主编 宗晓李思桥 参编

2 内容简介 我国对数控技术的研究进入了一个十分平稳和快速发展的阶段, 随着数控技术在制造业中应用得越来越广泛, 对此行业专业人才的需求也日益增多, 因此培养相关技术人才也成为教育界工作的重中之重 本书结合 高等职业教育数控技术应用专业领域技能型紧缺人才培养指导方案 中提出的数控技术人员的培养原则, 介绍了数控技术的相关知识, 其中包括数控工艺 数控编程基础 自动编程软件的使用等内容 同时, 本书力求内容的先进性 科学性和正确性, 以保证读者的使用和学习 本书内容丰富, 逻辑层次清楚, 行文流畅, 可作为机电与制造专业高职高专和低层次本科教学使用, 也可供相关工程技术人员参考 图书在版编目 (CIP) 数据 数控编程及加工技术 / 高磊主编. 北京 : 北京大学出版社, ( 面向 21 世纪全国高职高专机电类规划教材 ) ISBN I. 数 II. 高 III.1 数控机床 - 程序设计 高等学校 教材 2 数控机床 应用 金属加工 高等学校 教材 IV.TG659 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2005) 第 号 书 名 : 数控编程及加工技术 著作责任者 : 高磊主编 责任编辑 : 温丹丹赵东辉 标准书号 :ISBN /TH 0011 出版者 : 北京大学出版社 地址 : 北京市海淀区成府路 205 号 电话 : 邮购部 发行部 编辑部 网 址 : 电子信箱 :xxjs@pup.pku.edu.cn 印刷者 : 发行者 : 北京大学出版社 经销者 : 新华书店 定 787 毫米 980 毫米 16 开本 12 印张 259 千字 2006 年 1 月第 1 版 2006 年 1 月第 1 次印刷 价 :19.00 元

3 前 言 如今数控技术在全世界范围内得到了广泛的应用, 它在实际生产中表现出的优越性, 更加引起了世界各国技术和工业产业对它的重视 我国对数控技术的研究也进入了一个十分平稳和快速发展的阶段, 随着数控技术在制造业中应用得越来越广泛, 对此行业专业人才的需求也日益增多, 因此培养相关技术人才也成为了教育界工作的重中之重 结合 高等职业教育数控技术应用专业领域技能型紧缺人才培养指导方案 中提出的数控技术人才的培养原则, 本书介绍了数控技术的相关知识, 其中包括数控工艺 数控编程基础 自动编程软件的使用等内容, 同时力求内容的先进性 科学性和正确性, 以保证读者的使用和学习 本书第 1 章主要介绍了数控技术的产生 ; 第 2 章介绍数控工艺的基础知识 ; 第 3 章着重介绍了数控加工的手工编程 ; 第 4 5 章结合当今使用比较广泛的 CAXA Mastercam 软件和加工实例, 介绍数控加工自动编程的知识 本书由高磊主编并统稿, 参加本书编写的有宗晓 李思桥 范磊等 本书作为教材, 广泛吸取了国内众多专家学者的研究成果, 编写的主要参考书目附后, 未及一一注明, 在此谨表谢意, 并请谅解 由于成书时间仓促, 同时限于编者的水平, 本书存在着种种不足和缺点, 恳切希望得到大家的批评指正 编者 2005 年 11 月

4 目 录 第 1 章绪论 数控加工技术概述 数控加工的内容 数控加工的特点 数控机床简介 中国数控机床的发展现状 数控机床的组成和工作原理 数控机床的特点 数控机床的加工范围 数控机床的分类 数控机床控制系统简介 硬件组成及应用 软件的组成和功能 习题...6 第 2 章数控加工工艺基础 数控加工工艺的基本特点和主要内容 数控加工工艺设计的基本特点 数控加工工艺的主要内容 零件加工工艺性分析 选择并决定所需进行数控加工的内容 零件结构工艺性 零件的定位与装夹 数控加工工艺路线设计 加工方法的选择 工序的划分原则及方法 加工顺序的安排原则 加工路线的确定原则 加工路线确定举例 数控刀具的选择 切削用量的确定...16

5 II 数控编程及加工技术 2.6 对刀点和换刀点的确定 数控加工工艺文件 习题...19 第 3 章数控编程基础 数控编程概述 数控编程的内容及步骤 数控编程的方式 零件加工程序的结构 数控机床的坐标系 机床坐标系 编程坐标系 加工坐标系 常用编程指令 准备功能 G 指令 辅助功能 M 指令 F S T 指令 手工编程实例 习题...52 第 4 章 CAXA 使用简介 CAXA 制造工程师 基本知识 刀具库 生成刀具轨迹前的参数设置 CAXA 加工操作 平面轮廓加工 平面区域加工 导动面加工 参数线加工 限制线加工 曲面轮廓加工 曲面区域加工 投影加工 曲线加工 等高粗加工 等高精加工 钻孔...89

6 目录 III 轨迹批处理 生成加工工艺单 加工轨迹仿真 知识加工 知识库参数设置 知识加工 轨迹编辑 刀位裁剪 刀位反向 插入刀位 删除刀位 清除抬刀 轨迹打断 轨迹连接 两点间抬刀 轨迹仿真 后置处理 后置设置 生成 G 代码 校验 G 代码 生成工艺单 CAXA 加工实例 叶轮的造型实例 连杆的造型与加工实例 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 Mastercam 概述 Mastercam 简介 Mastercam 的特点 Mastercam 9.0 的操作基础 Mastercam 的车削编程 功能介绍 加工实例 习题 参考文献

7 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 5.1 Mastercam 概述 Mastercam 简介 Mastercam 是美国 CNC Software 公司研制出来的, 专门应用于微型计算机数控机床的自动编程系统 Mastercam 特别适合于具有复杂外形和各种空间曲面的模具类零件的自动编程 它可以在微软的各种 Windows 环境下运行, 自 1984 年诞生以来, 就以其强大的加工功能闻名于世 根据国际 CAD/CAM 领域的权威调查公司 CIMdata Inc 的最新数据显示, 它的装机量在 CAM 领域居世界第一 Mastercam 系统的 CAD 模块中所有的几何造型功能都是为了数控加工的自动编程准备的, 具有灵活的线框造型和曲面造型功能, 可以构建二维平面图形 曲线 三维曲面 三维实体 Mastercam 的 CAM 模块可以实现数控车床 铣床 加工中心 线切割机床的刀具路径生成 图形模拟和 NC 代码生成 它能生成二至五轴的数控机床加工程序, 并能传送数控加工程序至数控机床立即加工, 大大地节省了时间 资源和生产成本 本章中介绍的是 Mastercam 的最新版本 Mastercam 9.0, 主要介绍它的数控车削模块 Mastercam -Lathe Mastercam 的特点 1. 设计 造型功能 Mastercam 具有方便直观的几何造型, 它提供了设计零件外形所需的理想环境, 其强大稳定的造型功能可设计出复杂的曲线 曲面零件 它采用了先进的 NURBS 样条, 具有熔解曲面的功能 ; 提供了立方体 圆锥 球 环等封闭的曲面, 可以将实体模型转化为曲面模型 ; 可以转化 ACIS 实体文件, 还可以接收 AutoCAD 的 DXF 和 DWG 文件, 另外与许多参数化实体造型软件有专门的数据接口 2. 数控加工功能 Mastercam 具有强劲的曲面粗加工功能, 它提供了多种先进的粗加工技术, 以提高零件加工的效率和质量 ; 还具有丰富而灵活的曲面精加工功能, 可以从中选择最好的方法,

8 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 149 加工最复杂的零件 Mastercam 的多轴加工功能, 为零件的加工提供了更多的灵活性 对于不规则的零件,Mastercam 可以先做二维刀具路径, 然后把刀具路径投影到多重曲面进行加工 Mastercam 具有批次加工功能, 当有多个刀具路径生成时, 可以设置好每个任务的加工参数, 调整加工次序, 可以让系统按照设定的次序自动执行每一个处理过程 3. 与机床的通信 Mastercam 提供了 400 种以上的后置处理文件以适用于各种类型的数控系统 Mastercam 可以实现 DNC( 直接数控 ) 加工, 用一台计算机直接控制多台数控机床, 解决了数控系统存储容量的限制, 该技术是实现 CAD/CAM 的关键技术之一 Mastercam 可以使用计算机的常用通信接口, 减少了程序输入的工作量 4. 模拟加工功能 Mastercam 具有可靠的刀具路径校验功能, 该功能可以模拟零件加工的整个过程, 模拟中不但能显示刀具和夹具, 还能检查刀具和夹具与被加工零件的干涉 碰撞情况, 然后报告发生的错误在刀具路径中的位置 这样可以省去试切的过程, 节约时间, 降低材料消耗, 提高效率 Mastercam 9.0 的操作基础 1.Mastercam 9.0 的启动 (1) 利用桌面快捷方式启动 Mastercam 9.0 的相应模块 Mastercam 9.0 安装程序会自动在桌面建立快捷图标, 只需双击快捷图标即可启动相应的模块 如图 5-1 所示为 Mastercam 9.0 的 4 个功能模块所对应的快捷方式图标, 依次分别为 : 设计模块 (Design) 铣削模块 (Mill) 车削模块 (Lathe) 线切割模块 (Wire) 图 5-1 功能模块对应的快捷方式 (2) 利用程序组启动 Mastercam 9.0 的相应模块 单击 开始 按钮, 然后指向程序, 再指向 Mastercam 9.0 程序组, 单击 Design 9 Mill 9 Lathe 9 Wire 9 以启动相应的 Mastercam 9.0 模块 (3) 在 Mastercam 9.0 的文件夹中启动 Mastercam 9.0 的相应模块 双击 我的电脑, 然后双击 Mastercam 9.0 所安装的硬盘图标, 再双击 Mastercam 9.0 的安装文件夹, 最后双

9 150 数控编程及加工技术 击 design9.exe mill9.exe lathe9.exe wire9.exe 以启动相应的 Mastercam 9.0 模块 (4) 直接运行 Mastercam 9.0 的相应模块 单击 开始 按钮, 然后单击 运行, 在运行对话框中直接键入 design9.exe mill9.exe lathe9.exe wire9.exe 所在的路径和文件名或通过浏览来选取, 如图 5-2 所示, 单击 确定 按钮启动相应的 Mastercam 9.0 模块 2.Mastercam 9.0 的窗口界面 图 5-2 直接运行 Master CAM9.0 的相应模块 Mastercam 9.0 的主界面分为 5 个功能区 : 绘图区 主菜单 辅助菜单 系统提示区和工具栏, 如图 5-3 所示 图 5-3 Mastercam 9.0 的主界面

10 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 151 绘图区用于绘图和修改图形 左边是主菜单和辅助菜单 屏幕的顶部是工具栏, 是用来快速选择菜单的 屏幕下面的空白区是提示区, 它显示系统数据和参数输入 (1) 主菜单简要说明 分析 : 显示屏幕上的点 线 面及尺寸标注等资料, 并可以进行质量 体积等计算 绘图 : 在绘图区创建图形至系统的数据库, 绘制点 线 弧 Spline 曲线 矩形 曲面等 文件 : 存取 浏览几何图形, 屏幕显示 打印 传输 转换 删除文件等 修整 : 可用倒圆角 修整 打断和连接等功能去修改屏幕上的几何图形 转换 : 用镜像 旋转 比例 平移 偏置和其他的指令来转换屏幕上的图形 删除 : 用于删除屏幕或系统图形文件中的图形元素 屏幕 : 用来设置 Mastercam 系统及其显示的状态 实体模型 : 可以用挤压 旋转 扫描 举升 倒圆角 外壳 修剪等方法绘制实体模型 刀具路径 : 用轮廓 型腔和孔等指令产生 NC 刀具路径 公用管理 : 编辑 修改和处理刀具路径 主菜单的指令是级联的, 当我们从主菜单选一选项时, 另一个菜单就会在此菜单的基础上显示, 可以通过相继的菜单层进行选择, 直到完成 如图 5-4 所示 图 5-4 级联主菜单 (2) 辅助菜单简要说明 工作深度 : 是相对于系统的原点 (X0,Y0,Z0) 来定义的 颜色 : 它方便我们在构图时区分图素 图层 : 在此我们可以定义当前的工作层 控制图素在工作区的显示等

11 152 数控编程及加工技术 线形 / 线宽 : 它能反映图素的类型 组群 限定使用层 : 它方便我们在构图时把不必要的图素关闭 刀具平面 构图平面 图形视角 5.2 Mastercam 的车削编程 功能介绍 1. 工件设置 在主菜单中选择 Toolpaths Job setup, 弹出如图 5-5 所示的 Lathe Job Setup( 工件设置 ) 对话框, 进行被车工件的设置 可以通过该对话框进行碰撞边界 (Tool Collision Boundaries) 设置 主轴转向 / 刀塔 (Spindle/Turret) 设置和车削速度设置 图 5-5 Lathe Job Setup( 工件设置 ) 对话框 (1) 设置碰撞边界 1 碰撞边界的设置包括工件外形设置 工件夹头设置 尾座设置和刀具安全距离设置 2 工件外形可以通过对话框中的 Stock 栏设置 可以分别设置为 Right spind( 右主轴 )

12 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 153 和 Left spind( 左主轴 ) 边界可以通过 Chain( 链拾取 ) 或 Parameters( 外形参数 ) 来设定 3 工件夹头可以通过 Shuck 栏设置, 同样分为右主轴和左主轴 边界可以通过 Chain ( 链拾取 ) Parameters( 外形参数 ) 或 Select( 选取 ) 模式来选取 4 尾座设置可以通过 Tailstock 栏设置 5 刀具安全距离在 Tool Clearance 栏中设置, 用两个参数来定义刀具的安全距离 Rapid: 工件在快速旋转时刀具的安全距离 ;Entry/Exit: 进刀 / 退刀时的安全距离 (2) 主轴方向和刀塔方位设置 选择 General 选项卡, 单击按钮, 弹出如图 5-6 所示的 Spindle/Turret Defaults 对话框, 可以在其中设置工件的主轴转向和刀塔的方位 Turret( 刀塔位置 ) 有 Top 和 Bottom 两种设置, 前者一般用于斜床形式的车床, 后者用于卧式车床 Active Spindle 栏用来设置主轴转向和不同转向的最大转速 (3) 活动刀塔设置 某些车床的刀塔中带有旋转轴, 刀具可以绕旋转轴进行铣削加工 单击按钮, 弹出如图 5-7 所示 Live Tool Settings( 活动刀塔设置 ) 对话框, 其中 Maximum mill spindle RPM 输入框是进行铣削加工时的刀具最大转速 ;Adjust feed on arc move 复选框设置的是圆弧铣削时的进刀量定义方式 图 5-6 Spindle/Turret Defaults( 主轴和刀塔 ) 对话框图 5-7 Live Tool Settings( 活动刀塔设置 ) 对话框 2. 刀具的设置 Mastercam 的刀具设置包括刀具类型的设定和刀具参数的设定 如果是从系统的刀具库中选择已有的刀具, 其操作是很简单的 但若刀库中没有所需的刀具, 则需要用户自己重新定义刀具 Mastercam 中将车刀分为刀片和刀柄两部分, 对刀具的设置就是对这两部分的设置 Mastercam 提供了多种刀片和刀柄, 下面介绍设置的具体步骤

13 154 数控编程及加工技术 (1) 设置当前列表刀具在主菜单中选择 NC utils Def.Tools Current, 或者在 Lathe Job Setup 对话框中单击 按钮, 会弹出如图 5-8 所示的刀具管理对话框, 在该对话框的列表中列出了当前刀具库中的刀具, 内容包括列表的刀具数量 刀具编号 刀具名称 刀具类型 刀片和刀柄信息以及刀具的使用情况等 图 5-8 刀具管理对话框 当列表中的刀具数量很多时, 也可以单击按钮过滤显示满足特殊要求的刀具 在弹出的如图 5-9 所示的车刀过滤器对话框中可以选择需要列表刀具的类型 使用情况 刀片和刀柄 适用的加工类型等 图 5-9 车刀过滤器对话框

14 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 155 (2) 创建新刀具 在刀具管理对话框中单击, 选择 Create new tool, 弹出如图 5-10 所示刀具定义对话框, 该对话框共有 4 个选项卡, 下面分别介绍 1 Type 选项卡用于设置刀具的类型, 其中共有 6 种车刀 :General Turning( 外圆车刀 ) Threading( 螺纹车刀 ) Grooving/Parting( 切槽 / 切断车刀 ) Boring Bar( 内孔车刀 ) Drill/Tap/Reamer( 钻孔 / 攻丝 / 镗孔刀具 ) Custom( 用户自定义车刀 ) 图 5-10 刀具定义对话框 2 Inserts 选项卡用于设置刀片 外圆车刀和内孔车刀的刀片设置参数相同, 它们的 Inserts 选项卡如图 5-11 所示 其中 : 4 个按钮分别用于打开 保存 选择和删除用户定义的刀具文件 图 5-11 刀片设置选项卡

15 156 数控编程及加工技术 Insert Material 下拉列表用于选择刀片的材料 Shape 列表列出可供选择的刀片形状 Relief Angle 下拉列表用于选择刀片后隙角 Cross Section 列表用于选择适当的刀片截面形状 IC Dia./Length 下拉列表用于设置刀片的内接圆直径和长度 一般切削的最大深度约为刀片内接圆直径的 1/10 Insert Width 下拉列表用于设置刀片的宽度 Thickness 下拉列表用于设置刀片的厚度, 进刀量较大时, 应选用较厚的刀片 Corner Radius 下拉列表用于设置刀片的圆角半径 对于粗加工, 需要较小圆角半径的刀片以减少刀具与工件之间的摩擦 ; 对于精加工则用较大圆角半径来生成较光滑的曲面 其他类型刀具的 Inserts 标签根据使用情况的不同有不同的设置参数 3 Holder 选项卡用于设置刀柄, 对于不同类型的车刀, 可供选择的刀柄也不相同 下面分别介绍各种类型刀具的刀柄设置 General Turning( 外圆车刀 ) 的刀柄一般通过 3 个参数来设定,Style( 刀柄样式 ) Holder Geometry( 刀柄的几何外形 ) 和 Shank Cross Section( 截面的形状 ) 如图 5-12 所示, 在选定了刀柄样式之后, 系统自动在 Holder Geometry 栏中弹出对应所选刀柄样式的外形尺寸参数 通过 Shank Cross Section 栏来设定刀柄截面形状是圆形或矩形 还要注意的是, 刀柄有左右之分, 右手刀柄的刀片指向左方, 左手刀柄的刀片指向右方 图 5-12 外圆车刀刀柄设置选项卡

16 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 157 Boring Bar( 内孔车刀 ) 的刀柄通过两个参数来设定, 即 Style( 刀柄样式 ) 和 Holder Geometry( 刀柄的几何外形 ), 如图 5-13 所示 设置方法与外圆车刀类似 单击会弹出如图 5-14 所示的内孔车刀刀柄列表框, 用户可以直接选用预先设置好的刀柄 图 5-13 刀柄设置选项卡 图 5-14 内孔车刀刀柄列表 Threading( 螺纹车刀 ) 的刀柄由 3 个参数设定, 分别为 Style( 刀柄样式 ) Holder

17 158 数控编程及加工技术 Geometry( 刀柄的几何外形 ) 和 Shank Cross Section( 截面的形状 ), 螺纹车刀同样有左右之分 Drill/Tap/Reamer( 钻孔 / 攻丝 / 镗孔刀具 ) 的刀柄只需定义其 Holder Geometry( 刀柄的几何外形 ) Grooving/Parting( 切槽 / 切断车刀 ) 的刀柄参数设置情况和外圆车刀 螺纹车刀相同 4 创建新刀具除了要设置刀片和刀柄之外, 还要进行刀具参数的设置 选择刀具设置对话框的 Parameters 选项卡如图 5-15 所示, 通过刀具参数标签可以进行刀具的切削速度 进刀量 刀具编号和刀具偏移编号 冷却液形式以及刀具补偿偏移等的设置 实际上, 上述参数属于工艺参数的一部分, 也可以在生成刀位轨迹时设定, 本书将在后面进行介绍 3. 粗车加工 图 5-15 刀具参数对话框 粗车加工的刀具路径用于切除工件外形外侧 内侧或端面的多余材料, 使工件与最终的尺寸和形状相似, 以利于进行精加工 粗加工切削量较大 在主菜单中选择 Toolpaths Rough, 在第二级菜单中选择加工边界的模式 ( 例如链拾取,Chain), 按所选模式操作拾取工件图形元素作为加工边界, 并选择进刀点, 单击 Done 项 弹出如图 5-16 所示的粗车加工对话框 可以在该对话框中进行粗车加工刀具路径的设

18 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 159 置, 设置完成后, 单击 确定 按钮, 即可按设置的参数生成粗车加工刀具路径 图 5-16 粗车加工对话框 在粗车加工对话框中, 粗车加工刀具路径的设置包括刀具参数和粗车参数两项内容 粗车参数在 Rough parameters 选项卡中设置, 下面分别介绍各个参数的含义 (1)Overlap amount 是相邻粗车削之间的重叠量 选中该复选框之后, 每次车削的退刀量等于切削深度和重叠量之和 如果不选, 则将在工件外形上留有凹凸不平的扇形 (2)Depth of cut 是每次车削的切削深度 切削深度的距离是以垂直于切削方向来计算的 当选中 Equal step 复选框时, 最大切削深度将被设置为刀具允许的最大值 (3)Stock leave in X 和 Stock leave in Z 分别是设置在 X 方向和 Z 方向上的预留量 (4)Entry 是刀具开始进刀时距离工件表面的距离 (5)Cutting Method 用于设置粗加工的模式, 有 One-way( 单项切削 ) 和 Zig-zag( 双向切削 ) 两种方式 单向切削时, 刀具在工件的一个方向切削后立即退刀, 并快速移向进刀点, 准备进行下一次切削 双向切削时, 刀具在工件的两个方向上进行往复切削加工 (6)Rough Direction/Angle 用于设置粗切方向和粗车角度 1 Mastercam 提供了 4 种加工方向 OD: 外径方向, 车刀运动的方向指向靠近主轴的方向 ID: 内径方向, 车刀运动的方向指向远离主轴的方向 Face: 前端面, 在工件的前端面方向上切削 Back: 后端面, 在工件的后端面方向上切削 2 设置粗车角度可以在输入框中直接输入, 也可以单击按钮, 弹出如图 5-17

19 160 数控编程及加工技术 所示的粗车角度对话框来进行设置 粗切角度可以在 0~360 之间任意设定 一般情况下, 外径和内径车削都是采用 0 粗切角 图 5-17 粗车角度对话框 (7)Tool Compensation 用于进行刀具补偿设置 有 computer( 软件补偿 ) 和 control ( 机床补偿 ) 等方式 在这一栏中还可以设置刀具补偿的方向 (8)Lead In/Out 可以在切削刀具路径中添加进刀 / 退刀刀具路径 单击此按钮, 在弹出的如图 5-18 所示对话框中进行设置 进刀和退刀路径的设置方法相同, 所以以设置进刀路径为例, 介绍进刀 / 退刀路径设置方法 Mastercam 提供两种设置进刀路径的方法 :Adjust Contour( 按轮廓外形 ) 和 Entry Vector( 添加进刀矢量 ) 图 5-18 进刀 / 退刀刀具路径对话框

20 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 确良按轮廓外形进刀有 3 种方法 Extend/shorten start of contour 是将刀位轨迹的起点延伸或回缩, 分别对应单选按钮 Extend 和 Shorten 在 Extend 和 Shorten 左侧的 Amount 输入框用来输入延伸或回缩的距离 Add Line 是在刀位轨迹的起点处添加一段直线 单击按钮, 弹出如图 5-19 所示的延长线设置对话框, 其中 Length 框输入直线的长度,Angle 框输入直线与 Z 轴的夹角 Entry Arc 是在刀位轨迹的起点处添加一段圆弧 单击按钮, 弹出如图 5-20 所示的对话框,Sweep 框输入圆弧的包角,Radius 输入圆弧的半径 图 5-19 延长线设置对话框 ( 一 ) 图 5-20 延长线设置对话框 ( 二 ) 2 添加进刀矢量选中 Use entry vector 复选框, 并选中 Tangent, 则添加的线性刀具路径与原刀具路径相切 ; 选中 Perpendicular, 则添加的线性刀具路径与原刀具路径垂直 Length 输入框用于输入线性刀具路径的长度 (9)Plunge Parameters 用于设置底切参数 单击按钮, 弹出如图 5-21 所示的底切参数设置对话框 图 5-21 底切参数设置对话框

21 162 数控编程及加工技术 1 选中 Ues plunge clearance angle 时, 激活 plunge clearance 输入框, 按 plunge clearance 输入框中输入的角度在底切部分进刀 2 选中 Use tool width 激活 Start Of Cut 栏, 这时系统根据刀具的宽度以及 Start Of Cut 栏中的设置进行底切部分的加工 3 选中 Start Cut on tool front corner 时, 用刀具的前角开始底切加工 4 选中 Start Cut on tool back corner 时, 用刀具的后角开始底切加工 注意 : 一般刀具应设置为前后均可加工, 否则会引起工件或刀具的损坏 4. 精车加工 精车加工用于对工件表面进行精车削, 以便提高工件表面的精度 一般用于精车加工的工件要在精车加工之前进行粗车加工 在主菜单中选择 Toolpaths Finish, 系统提示选择点或串联外形, 在图形窗口选择进刀点, 并在该点按照选取加工边界的模式 ( 例如, 链拾取 Chain) 拾取工件图形元素作为加工边界, 单击 Done 项, 弹出如图 5-22 所示的精车加工对话框 用户可以在该对话框中进行相应的设置来生成精车加工刀具路径 设置相应的参数完成后, 单击确定按钮, 即可按设置的参数生成精车加工刀具路径 图 5-22 精车加工对话框 精车加工刀具路径设置也包括刀具参数和精车参数两项内容, 分别对应 Tool parameters 选项卡和 Finish parameters 选项卡 由图可以看出 Finish parameters 选项卡中的

22 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 163 各个参数和 Rough parameters 选项卡中的参数基本相同, 只是在 Finish parameters 选项卡中增加了 Number of finish 输入框来设置精车加工的次数 精车加工的次数为粗车加工的预留量除以精车加工的进刀量 (Finish stepover) 5. 端面车削加工 端面车削加工用于生成车削工件端面的刀具路径 所有车削的区域由两点定义的矩形来确定 在主菜单中选择 Toolpaths Face, 弹出如图 5-23 所示的端面车削加工对话框, 选中并单击, 系统提示选择第一边界点, 在图形窗口选取后, 系统接着提示选取第二边界点, 选取完成后, 可以在该对话框中进行端面车削加工刀具路径的设置 设置相应参数完成后, 单击 确定 按钮, 即可生成端面车削加工刀具路径 图 5-23 端面车削加工对话框 对话框中包括刀具参数和端面切削参数两项设置, 分别对应 Tool parameters 选项卡和 Face parameters 选项卡 下面分别解释 Face parameters 选项卡中各个参数的含义 : Entry amount: 刀具开始进刀时距离工件表面的距离 Rough stepover: 粗车端面的进刀量 Finish stepover: 精车端面的进刀量 Number of finish: 精车端面的次数 Overcut amount:x 向过切量 Retract amount: 退刀量

23 164 数控编程及加工技术 Stock to leave: 加工余量 Cut away from center: 从中心向外车削 6. 切槽加工 切槽加工用于生成切槽加工的刀具路径 Mastercam 允许在垂直方向和端面方向上进行切槽车削 在主菜单中选择 Toolpaths Groove 项, 系统弹出如图 5-24 所示的切槽加工选项对话框 用户可以在该对话框中进行切槽加工区域的设置 设置完成后, 单击 OK 按钮, 系统提示选择点, 在图形窗口选取后, 按 Esc 键后出现如图 5-25 所示的切槽车削对话框 图 5-24 切槽加工选项对话框 图 5-25 切槽车削对话框 (1) 设置切槽加工区域图 5-24 所示的对话框中提供了 4 种设置加工区域的方法, 下面分别介绍

24 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 Point( 一点方式 ): 选取的一点定义了切槽右外角点的位置, 而实际加工区域的大小还需要在切槽的外形定义中设定 2 Points( 两点方式 ): 选取切槽区域的对角两点, 可以确定切槽的宽度和高度 而实际加工区域的形状还需要在切槽的外形定义中设定 3 Lines( 三条线方式 ): 选取切槽的三条轮廓线, 可以定义切槽的宽度和高度 而实际加工区域的形状还需要在切槽的外形定义中设定 Inner/Outer Boundary( 内部 / 外部边界方式 ): 选取两条链来设置加工区域, 切槽的外形可以确定 (2) 设置切槽形状在图 5-25 对话框中的 Groove shape parameters 选项卡中进行切槽形状参数的设定 下面分别介绍选项卡中的各项参数含义 1 Groove Angle( 切槽角度 ) 栏用于设置切槽的方向 用户可以直接在 Angle 输入框中输入切槽的角度, 也可以用鼠标拖动圆盘中的切槽图样来设置角度 这时设置的角度以 Resolution 输入框中的输入值为增量 同时 Mastercam 还提供了以下几种特殊的角度设置 OD: 将切槽的外径设置在 X 轴方向上, 这时角度设置为 90 ID: 将切槽的外径设置在 X 轴方向上, 这时角度设置为 90 Face: 将切槽的端面设置在 -Z 轴方向上, 这时角度设置为 0 Back: 将切槽的外径设置在 Z 轴方向上, 这时角度设置为 180 用户还可以单击按钮, 在图形窗口中选取一条直线来定义切槽的进刀方向, 也可以单击按钮后选取直线定义切槽的端面方向 2 用于设置切槽形状的参数有 Width( 底部宽度 ) Height( 高度 ) Taper( 侧壁倾角 ) Radius( 内外圆角半径 ) 等 如在内外角位置采用倒角方式, 需要选择对应的 Chamfer 单选按钮, 并单击 确定 按钮, 弹出如图 5-26 所示的切槽倒角对话框, 用户可以通过该对话框来设置倒角参数 图 5-26 切槽倒角对话框

25 166 数控编程及加工技术 3 Quick Set Corners( 快速设置切槽形状 ) 栏用于快速设置定义切槽形状的各个参数 Right Side = Left Side( 右侧 = 左侧 ) 和 Left Side=Right Side( 左侧 = 右侧 ) 按钮将会把切槽右边 ( 或左边 ) 的参数设置为左边 ( 或右边 ) 的参数 I nner Corners = Outer Corners( 内角 = 外角 ) 和 Outer Corners = Inner Corners( 外角 = 内角 ) 按钮会把切槽内角 ( 或外角 ) 的参数设置为外角 ( 或内角 ) 的参数 (3) 设置切槽粗车参数在如图 5-27 所示的对话框中选择 Groove rough parameters 选项卡, 进行切槽粗车参数设置, 下面分别介绍各个参数的含义 图 5-27 切槽粗车参数选项卡 1 Cut Direction( 切削方向 ): 用于设置切槽粗车加工的进刀方向 在下拉框中提供了 3 种进刀方式 Positive( 正向 ): 刀具路径从切槽的左侧开始并沿 +Z 方向移动 Negative( 负向 ): 刀具路径从切槽的右侧开始并沿 -Z 方向移动 Bi-Directional( 中间开始双向 ): 刀具路径从切槽的中间开始并以双向切削方式进行加工 2 Rough step( 粗加工步距 ): 该参数用于设置粗加工的进刀量 有 3 种选择 : None( 不停留 ): 刀具在切槽底部不停留 Seconds( 以秒为单位 ): 刀具在切槽底部停留的时间为输入框中的时间, 单位为秒 Revolutions( 以圈数为单位 ): 刀具在切槽底部停留的时间以输入框中数量的圈数

26 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 167 设定 3 Number of step( 步进次数 ): 由设置的切削次数来确定每次切削的进刀量 4 Step amount( 进刀量 ): 直接设置每次切削的进刀量 5 Percent of tool width( 刀具宽度百分比 ): 把每次切削的进刀量设置为刀具宽度的百分比 6 Backoff%( 退刀距离百分比 ): 用于设置每次退刀时与侧壁的距离, 用粗车进刀量的百分比来定义 7 Dwell Time( 暂停时间 ): 用于设置在每次粗加工时刀具在切槽底部停留的时间 8 Groove Walls( 切槽壁 ): 用于当侧壁设置为倾斜角时, 设置侧壁的粗车加工方式 选中 Step 单选按钮时, 系统会按设置的进刀量进行加工, 这是会在侧壁上生成台阶 当选 中 Smooth 单选按钮时, 系统激活按钮, 单击此按钮, 弹出如图 5-28 所示的删除切槽量设置对话框, 进行侧壁加工的设置 图 5-28 删除切槽量设置对话框 9 Peck Groove( 切槽步进 ) 复选框 : 该被选中后, 系统将按照步进参数进行粗车加工 单击按钮, 弹出如图 5-29 所示的步进参数设置对话框 选中 Peck on 1st plunge only( 仅在第一次下刀时步进 ) 复选框之后, 只在第一次下刀时刀具按步进方式移动, 否则每次下刀时都按步进方式移动 Peck Amount( 步进量 ) 栏用于设置步进的方式 选择 Number 单选按钮时, 按设置的步进次数进行步进加工 ; 选择 Depth 单选按钮时, 按设置的深度进行步进加工, 此时还可以选中 Last increment 复选框来设置最后一次步进的深度增量 Retract Moves( 退刀移动 ) 栏用于设置回刀速度和回刀量 Dwell( 暂停 ) 栏用于设置在切槽底部刀具的停留方式和时间, 分别有 None ( 不停留 ) All pecks( 每次步进都停留 ) 和 Last peck only( 只有最后一次步进停留 )

27 168 数控编程及加工技术 图 5-29 步进参数设置对话框 10 Depth Cuts( 切削深度 ): 该复选框被选中后, 系统设置切槽粗车加工中的深度参数 单击按钮, 系统弹出如图 5-30 所示的切槽深度对话框 一般在进行深槽加工或加工较硬的材料时需要进行切槽的深度设置 设置每次加工的深度有两种方式 : 选中 Depth per pass 时, 可以直接输入每次加工的深度 ; 选中 Number of passes 时, 通过输入的加工次数和切槽的深度自动计算每次加工的深度 图 5-30 切槽深度对话框

28 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 169 Move Between Depths( 刀具移动方式 ): 该栏用于设置在切槽过程中刀具的移动方式, 选择 Zigzag 时刀具可以双向移动 ; 选择 Same direction 时刀具只能沿一个方向移动 Retract To Stock Clearance( 回刀设置 ): 该栏用于设置刀具回刀方式, 有 Absolute ( 绝对高度 ) 和 Incremental( 相对高度 ) 两种方式 (4) 设置切槽精车参数在如图 5-31 所示的对话框中选择 Groove finish parameters 选项卡, 进行切槽精车参数设置 下面分别介绍各个参数的含义 图 5-31 切槽精车参数选项卡 1 Multiple Passes( 多次走刀 ): 该栏中用来设置同时加工多个切槽而且进行多次精车切削时的加工顺序 选中 Complete all passes on each groove( 每个切槽上完成所有加工 ) 时, 先进行一个切槽上的所有加工, 再进行下一个切槽的加工 选中 Complete each passes on all grooves( 在所有切槽上完成单一走刀 ) 时, 在所有的切槽上依次完成每一次走刀 2 Direction for 1st pass( 第一次的走刀方向 ): 该栏用于设置第一次加工的方向, 有 CCW( 逆时针方向 ) 和 CW( 顺时针方向 ) 3 单击按钮, 弹出如图 5-32 所示的进刀设置对话框, 用于设置每次精车加工时的进刀刀具路径 其设置方法与粗车加工中的进刀 / 退刀刀具路径设置方法类似

29 170 数控编程及加工技术 7. 螺纹切削加工 图 5-32 进刀设置对话框 与其他刀具轨迹不同, 在生成螺纹刀具路径时不需要选择几何对象, 完全由各个设置参数决定 在主菜单中选择 Toolpaths Thread, 系统弹出如图 5-33 所示的螺纹车削加工对话框 下面分别介绍 Thread shape parameters( 螺纹外形参数 ) 选项卡和 Thread cut parameters( 螺纹切削参数 ) 选项卡的内容 图 5-33 所示的螺纹车削加工对话框

30 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 171 (1) 设置螺纹外形参数 1 在 Thread 下拉列表中, 可以选择螺纹的类型 :OD( 外螺纹 ) ID( 内螺纹 ) 和 Face/Back ( 螺纹槽 ) 2 Lead( 螺距 ): 用于设置螺纹的螺距, 有两种表示方法 :threads/mm 表示输入框中的值为每毫米长度上螺纹的个数 ;mm/thread 表示输入框中的值为每个螺纹的长度, 即通常所说的螺纹的螺距 3 Included angle( 牙型角 ) 应小于 Thread angle( 螺旋角 ), 对于一般的螺纹, 牙型角应为螺旋角的两倍 4 Taper angle( 螺纹锥角 ) 的输入值大于 0 时, 螺纹直径由起点至终点方向线性增大 当输入值小于 0 时, 螺纹直径由起点至终点方向线性减小 5 Major Diameter: 螺纹牙顶的直径 6 Minor Diameter: 螺纹牙底的直径 7 Thread Depth: 螺纹的螺牙高度 8 Start Position: 螺纹起点的 Z 坐标 9 End Position: 螺纹终点的 Z 坐标 10 Thread Form( 螺纹类型 ) 栏用于通过各种方式选择螺纹的类型 单击按钮, 弹出如图 5-34 所示的螺纹表格对话框 用户可以在 Thread form( 螺纹类型 ) 下拉列表中选取不同的螺纹类型, 在列表区选取所需的螺纹后, 单击 OK 按钮即可将该组参数设置为当前的螺纹参数 图 5-34 螺纹表格对话框

31 172 数控编程及加工技术 11单击按钮, 弹出如图 5-35 所示的公式建立螺纹类型对话框, 用户可以 在 Thread form( 螺纹类型 ) 下拉列表中选取不同的螺纹类型, 在 Formula Input( 公式输入 ) 栏中设置 Lead( 螺距 ) 和 Basic major diameter( 标称直径 ), 系统会自动计算出牙顶直径和牙底直径 图 5-35 公式建立螺纹类型对话框 12单击按钮, 用户可以在绘图区绘制螺纹的外形 (2) 设置螺纹切削参数 Thread cut parameters( 螺纹切削参数 ) 选项卡的内容如图 5-36 所示 图 5-36 螺纹切削参数选项卡

32 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 在 NC code format(nc 码格式 ) 下拉列表中选择数控程序的格式 车螺纹的 NC 代码有三种 :Longhand(G32) Canned(G76) Box(G92) G32 和 G92 命令一般用于切削简单螺纹,G76 用于切削复杂螺纹 需要注意的是, 并不是所有的数控系统都能够接受 G92 和 G76 命令 2 Determine number of cuts from( 确定切削深度 ) 用于设置定义切削深度的方式 选中 Equal area 单选按钮时, 系统根据第一刀切削量 最后一刀切削量和螺纹深度来计算切削次数 ; 当选中 Number 单选按钮时, 系统根据设置的切削次数 最后一刀切削量和螺纹深度来计算切削量 8. 钻孔加工 Mastercam 可以生成钻孔 镗孔和攻螺纹的刀具轨迹 它有 20 种钻孔形式, 包括 7 种标准形式和 13 种自定义形式 在主菜单中选择 Toolpaths Drill 项, 系统弹出如图 5-37 所示的钻孔加工对话框, 在该对话框中可以进行钻孔参数的设置 下面介绍各个主要参数的含义 (1)Depth: 钻孔孔深 (2)Drill point: 钻点坐标 (3)Clearance: 钻孔间隙 (4)Retract: 退刀量 (5)Drill Cycle Parameters: 循环参数, 用于确定钻孔形式及其工艺参数 (6)Drill tip compensation: 钻尖补偿 (7)Breakthrough amount: 钻透长度 图 5-37 钻孔加工对话框

33 174 数控编程及加工技术 9. 切断车削加工 切断车削加工生成一个垂直的刀具路径来切断工件 在主菜单中选择 Toolpaths Cutoff, 系统提示选择边界点, 在图形窗口选取后, 弹出如图 5-38 所示的切断车削加工对话框, 在该对话框设置各个参数, 设置完成后, 单击确定按钮, 即可按设置的参数生成切断车削加工刀具路径 图 5-38 切断车削加工对话框 切断车削加工对话框包括两个选项卡, 下面介绍 Cutoff parameters( 切断参数 ) 选项卡中的各个参数设置 (1)X Tangent Point(X 切点 ): 用于设置切断车削的终止点的 X 坐标, 系统的默认值为 0 用户可以在输入框中输入 X 坐标, 也可以单击, 然后在绘图区选取一点, 以选取点的 X 坐标作为切断车削终止点的 X 坐标 (2)Cut to( 切入 ): 用于设置刀具的最终切入位置 选中 Front radius 单选按钮时, 刀具的前角点切入到设置的深度 ; 选中 Back radius 单选按钮时, 刀具的后角点切入到设置的深度 ; (3)Corner Geometry( 角外形 ): 用于在切断车削起始点位置定义倒角的外形 选中 None( 无倒角 ) 单选按钮时, 刀具在起始点垂直切入, 不生成倒角 ; 选中 Radius( 半径 ) 单选按钮, 系统按输入框中输入的半径值生成倒圆角 ; 选中 Chamfer( 倒角 ) 单选按钮, 并单击时, 系统弹出如图 5-39 所示的切断倒角对话框, 其设置方法与切槽加工中切槽角点处倒角设置方法相同

34 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 175 图 5-39 切断倒角对话框 10. 快速加工 在生成较为简单的粗车 精车或切槽加工的刀具路径时, 可以在主菜单中选择 Toolpaths Quick, 在下级菜单中有这 3 种加工方式的快捷子菜单, 如图 5-40 所示 选择即可弹出相应的参数设置对话框 这些对话框中设置的参数较少, 生成刀具路径的速度较快 由于这些对话框中设置的参数与前面介绍的基本相同, 这里不再重复介绍 图 5-40 快速加工 加工实例 如图 5-41 所示的简单轴类零件, 下面说明它的 Mastercam 的自动数控编程过程, 得到其 NC 程序 图 5-41 零件图

35 176 数控编程及加工技术 1. 零件图输入和工件设置 在 Mastercam 中绘制零件轮廓图时应该充分考虑两个问题 (1) 工件坐标系和车床坐标系的关系, 为了给零件完成后切断留有余量空间, 应该将工件原点设在距离零件左端面 26 mm 的地方,26 mm 是切断刀的宽度 (2) 为了每一步加工能够顺利进行, 应该绘制一些辅助线, 作为粗加工的轮廓线, 如图 5-42 所示 进行工件设置, 在 Lathe Job Setup 对话框中设置工件 (Stock) 卡盘 (Chuck) 均为左主轴 (Left Spindle) 方式 在 Stock 栏中单击 Parameters 按钮, 用两点方式确定矩形的毛坯轮廓, 第一点为 (90,130), 第二点为原点 (0,0) 在 Chuck 栏中单击 Parameters 按钮, 同样用两点确定矩形的方式确定卡盘的外形, 两点坐标分别为 (90, 10) (110,10) 完成的零件和毛坯外形以及卡盘如图 5-42 所示 2. 刀具设置 图 5-42 工件与毛坯外形及卡盘 在 Lathe Job Set 对话框中单击 Lathe Tools 按钮, 弹出刀具列表对话框, 创建新刀具 本零件加工共需 3 把刀具, 分别为车端面和外圆的外圆车刀 车螺纹的螺纹车刀 切槽和切断的切断车刀 刀具的刀片和刀柄分别如图 5-43~5-48 所示 作为教学实例, 刀具参数都设为相同, 如图 5-49 所示 图 5-43 外圆车刀刀片设置 图 5-44 外圆车刀刀柄设置

36 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 177 图 5-45 螺纹车刀刀片设置 图 5-46 螺纹车刀刀柄设置 图 5-47 车槽车刀刀片设置 图 5-48 车槽车刀刀柄设置 图 5-49 刀具参数设置

37 178 数控编程及加工技术 3. 粗车加工 粗车的加工顺序至关重要, 正确的顺序应该是 : 外径为 80 的外圆 外径为 60 的外圆 右端面 操作时还应该注意车削轮廓线的定义, 主要把握选择的顺序和轮廓线的走向 例如粗车外径 60 的外圆时, 要先选择轮廓直线, 再选择左边与之相交的端面线, 走向应为从右指向左 指向 X 正向 轮廓线选择完毕后, 单击 Done 按钮, 在弹出的粗车设置对话框中进行设置并选择正确的刀具, 如图 5-50 所示 粗车完成后生成的刀具轨迹如图 5-51 所示 图 5-50 粗车外圆的参数设置 图 5-51 粗车的刀具轨迹 4. 精车加工 精车的加工顺序与粗车相反, 应为右端面 外径 60 的外圆 外径 80 的外圆 操作时仍然要注意车削轮廓线的选择和选择正确的刀具, 精车参数设置如图 5-52 所示, 精车的刀具轨迹如图 5-53 所示 精车刀具轨迹 图 5-52 精车外圆的参数设置 图 5-53 精车的刀具轨迹

38 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 车退刀槽 退刀槽是为了车螺纹设计的, 它的车削过程包括进行切槽形状 粗车参数和精车参数三个选项卡的设置, 分别如图 5-54~5-56 所示, 刀具轨迹如图 5-57 所示 图 5-54 退刀槽形状设置 图 5-55 退刀槽粗车参数设置 图 5-56 退刀槽精车参数设置 图 5-57 退刀槽的刀具轨迹 6. 车螺纹 螺纹的形状参数设置如图 5-58 所示, 车螺纹的的切削参数设置如图 5-59 所示, 刀具轨迹结果如图 5-60 所示

39 180 数控编程及加工技术 图 5-58 螺纹形状参数设置 图 5-59 螺纹切削参数设置 7. 切断 图 5-60 车螺纹刀具轨迹 切断的参数设置如图 5-61 所示, 工件最后的刀具轨迹如图 5-62 所示 图 5-61 切断参数设置 图 5-62 工件的刀具轨迹

40 第 5 章 Mastercam 自动编程技术 后置处理 ( 生成 NC 程序 ) 在主菜单中选择 Toolpaths Operations 命令, 弹出操作管理器, 如图 5-63 所示 单击按钮, 选择所有加工工步, 单击按钮, 选择 Fanuc 数控系统, 设置好后置处理程序之后, 单击 OK 按钮, 就会依次弹出 NCI 文件和 NC 程序清单 生成的 NC 文件应该及时存盘或直接传输到数控系统 图 5-63 操作管理器 5.3 习题 在 Mastercam 中生成如图 5-64 所示零件的 NC 程序 X 1 x 45 R9 R φ28 φ44 φ36 φ32 φ M18x1 Z φ (a) (b) 图 5-64 零件例题图

41 参考文献 1. 刘雄伟. 数控机床操作与编程培训教程. 北京 : 机械工业出版社, 宋本基, 张铭钧. 数控加工. 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学出版社, 孙大涌. 先进制造技术. 北京 : 机械工业出版社, 林奕鸿. 机床数控技术及其应用. 北京 : 机械工业出版社, 田坤. 数控机床与编程. 武汉 : 华中科技大学出版社, 李福生. 实用数控机床技术手册. 北京 : 北京出版社, 王爱玲. 现代数控编程技术及应用, 北京 : 国防工业出版社, 方沂. 数控机床编程与操作. 北京 : 国防工业出版社, 廖效果等. 数控技术. 武汉 : 湖北科学技术出版社, 廖卫献. 数控铣床及加工中心自动编程. 北京 : 国防工业出版社, 范炳炎. 数控加工程序编制. 北京 : 航空工业出版社, 刘启中等. 现代数控技术及应用. 北京 : 机械工业出版社, 董献坤. 数控机床结构与编程. 北京 : 机械工业出版社, 刘雄炎等. 数控加工理论与编程技术. 北京 : 机械工业出版社, 孙竹. 数控机床编程与操作. 北京 : 机械工业出版社, 宋卫科等.CAXA 制造工程师 XP. 北京 : 北京航空航天大学出版社, 杨伟群等. 数控工艺培训教程 ( 数控铣部分 ). 北京 : 清华大学出版社, 宋志坚等.CAD/CAM 技术. 北京 : 机械工业出版社,2000

42 第 1 章绪 论 数控 (Numerical Control) 技术是 20 世纪 40 年代发展起来的一种集成了电子计算机 自动控制 伺服驱动 精密测量和新型机械结构等多方面内容的新的加工技术, 是使用数字信号对机床运动加以控制的一种技术 由于数控技术具有加工精度高 生产效率高 灵活性强等优点, 因此在现代制造业中得到了广泛的应用 本章将向读者介绍数控技术所涉及的基本知识 1.1 数控加工技术概述 数控加工是随着数控机床的出现而发展起来的一项技术 就像机械加工一样, 数控加工技术也是实践得来的经验总结 通俗地讲, 数控加工就是使用数控机床来加工零件 数控加工的内容 数控加工技术的流程大体如下 : 在得到一个零件之后, 首先进行工艺分析, 例如确定工序 工步等, 然后根据工艺编制数控程序并进行仿真模拟, 最后在数控机床上进行实际加工 可以详细归纳成以下几点 确定零件所需进行的数控加工操作 对零件进行数控加工工艺分析 数控加工工艺设计 数控加工程序编制 输入数控程序并进行模拟仿真 程序修改及校正 在数控机床上进行加工 数控加工的特点 如上所述, 由于数控机床集合了许多高新科学技术, 因此与普通机床相比在零件加工方面具有以下优点

43 2 数控编程及加工技术 有利于实现计算机辅助制造, 可以有效地利用现今被广泛应用的 CAD/CAM 系统 特别适合加工复杂的轮廓表面, 如回转表面和空间轮廓表面 加工效率高, 由于数控机床可以实现一装夹多表面加工, 较普通机床省去了划线校正和检验等许多中间环节 此外根据数控机床的不同, 还可以实现双刀 三刀同时加工 据统计, 普通机床的净切削时间占总切削时间的 15%~20%, 而数控机床可达到 65%~70%, 加工中心更可以达到 75%~80% 在加工复杂零件时, 效率可以提高 5~10 倍 加工精度高, 鉴于数控机床设计时考虑了整机刚度和零件的制造精度, 又采用了高精度的滚珠丝杠传动, 以及自动监测和误差补偿功能的引用, 因此可以可靠地保证加工精度和尺寸的稳定性 虽然数控机床与普通机床相比较而言具有很多优点, 但由于数控机床的价格一般比普通机床高很多倍, 维护费用也相对较高, 使得初始的投资很大 ; 其次, 工艺及操作人员的培训花费也相对较高, 加工首件的准备周期 ( 包括零件的工艺分析 设计, 程序的编制, 试加工等 ) 较长, 这样看来使用数控技术的综合成本就相对较高, 这也是数控技术只在少数大公司中得到很好应用的一大原因 1.2 数控机床简介 数控机床的发明与应用是为了解决复杂型面零件加工的自动化而产生的 1948 年美国 PARSONS 公司, 在研制加工直升飞机叶片轮廓用检查样板的机床时, 首先提出了数控机床的设想, 在麻省理工学院的协助下, 于 1952 年成功地试制出世界上第一台数控机床样机 此后, 又经过 3 年时间的改进和对自动程序编制的研究, 数控机床进入实用阶段, 与此同时市场上出现了商品化的数控机床 1958 年, 美国 KEANEY & TRECKER 公司在世界上首先研制成功带有自动换刀装置的加工中心 中国数控机床的发展现状 1958 年我国开始研制数控机床, 到 20 世纪 60 年代末和 20 世纪 70 年代初, 简易的数控机床已在生产中广泛使用 20 世纪 80 年代初, 由于引进了国外先进的数控技术, 使我国的数控机床在质量和性能上都有了很大的提高 20 世纪 90 年代起, 我国向高档数控机床方向发展 一些高档数控攻关项目通过国家鉴定并陆续在工程上得到应用 航天 I 型 华中 I 型 华中 型等高性能数控系统, 实现了高速 高精度和高效经济的加工效果, 能完成高复杂度的五坐标曲面实时插补控制, 加工出高复杂度的整体叶轮及复杂刀具

44 第 1 章绪论 3 但是和发达国家相比, 我国数控机床仍然存在很多不足, 列举如下 (1) 信息化技术基础薄弱, 对国外技术依赖度高 我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱, 信息化技术应用程度不高 行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术, 对国外技术的依赖度较高, 具有高精 高速 高效 复合功能 多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口 (2) 产品成熟度较低, 可行性不高 国外数控系统平均无故障时间在 小时以上, 国内自主开发的数控系统仅 3000~5000 小时 ; 整机平均无故障工作时间国外达 800 小时以上, 国内最好只有 300 小时 同时在机床的运转平稳性上也存在较大差异 (3) 创新能力低, 市场竞争力不强 我国生产数控机床的企业虽达百余家, 但大多数未能形成规模生产, 信息化技术利用不足, 创新能力低, 制造成本高, 产品市场竞争能力不强 目前国内使用的机床, 国内的以北京机床厂生产的数控机床占多数, 国外的主要是日本的 FUNAC, 德国的西门子等数控机床 数控机床的组成和工作原理 数控机床可以简单划分为控制系统 伺服系统和机床主体 3 个部分 (1) 控制系统又可称为数控装置 控制系统是数控机床的核心 它根据输入的程序和数据, 完成数值计算 逻辑运算 输入输出控制等功能 控制系统一般是专用计算机, 如计算机数值控制 (Computerized Numerical Control,CNC) 或者将 PC 配以专用软件构成的 控制系统主要用于对数控机床辅助功能 主轴转速功能和刀具功能的控制 (2) 伺服系统, 伺服系统包括伺服控制线路 功率放大线路 伺服电动机等执行装置, 它接收控制系统发出的各种信号来驱动数控机床进给传动系统的运动 伺服系统由驱动装置和执行元件组成, 实际应用中执行元件有步进电机 直流伺服电机和交流伺服电机 伺服系统的伺服精度和动态响应是影响数控机床的加工精度 零件表面质量和生产率的重要因素之一 (3) 数控机床的机床主体包括 : 主传动系统 进给系统, 以及辅助装置 对于加工中心类数控机床, 还有存放刀具的刀库 自动换刀装置和自动托盘交换装置等部件 与传统的机床相比, 数控机床的结构强度 刚度和抗振性, 传动系统与刀具系统的部件结构, 操作机构等方面都已发生了很大的变化, 采用滚珠丝杠 滚动导轨, 减少了齿轮传动的数量, 其目的是为了满足数控技术的要求, 使传动系统变得简单以便于更充分地发挥数控机床效能 数控机床的特点 采用了数控技术的数控机床具有以下优点 适应加工对象的弹性强, 为单件 小批零件加工及试制新产品提供了极大的便利

45 4 数控编程及加工技术 加工精度高, 数控机床的自动加工方式避免了生产者的人为操作误差, 同一批加工零件的尺寸一致性好, 产品合格率高, 加工质量稳定 生产率高, 数控机床通常不需要专用的工夹具, 因而可省去工夹具的设计和制造时间, 与普通机床相比, 生产率可提高 2~3 倍 减轻了操作工人的劳动强度, 操作者不需要进行繁重的重复性手工操作 能加工复杂型面, 结合其他技术, 数控机床可以加工普通机床难以加工的复杂型面零件 有利于生产管理的现代化, 用数控机床加工零件, 能精确地估算零件的加工工时, 有助于精确编制生产进度表, 有利于生产管理的现代化 可向更高级的制造系统发展 数控机床是计算机辅助制造 (Computer Aided Manufacturing,CAM) 的初级阶段, 也是 CAM 发展的基础 另一方面, 数控机床也有其不足之处 : 提高了初始投资 增加了设备的维护费用 对操作人员的技术水平要求较高 数控机床的加工范围 结合数控机床的特点, 其适合加工以下零件 多品种小批量零件 几何形状复杂的零件 需要频繁改型的零件 贵重的 不允许报废的关键零件 必须严格控制公差的零件 数控机床的分类 数控机床的分类方法有很多, 常见的分类方法有以下四种 : 按工艺用途, 运动方式, 伺服系统的控制方式, 以及功能水平分类 在生产中最常用的分类方法为按工艺用途分类, 介绍如下 (1) 普通数控机床, 如数控车 铣 钻 镗 磨床等, 而且每一类里又有很多不同型号的品种 这类数控机床所能加工的零件工艺性和普通非数控机床相似, 所不同的是它能自动加工具有复杂形状的零件 (2) 加工中心, 这是一种在普通数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置而构成的数控机床 ( 生产实际中一般指具有铣功能的数控铣加工中心 ) 它和普通数控机床的区别是 :

46 第 1 章绪论 5 工件经一次装夹后, 控制系统就能控制机床自动地更换刀具, 连续地对工件各加工面进行铣 ( 车 ) 镗 钻 铰及攻丝等多工序加工 (3) 多坐标数控机床 有些复杂形状的零件, 用三坐标的数控机床还是无法加工, 如螺旋桨 飞机机翼曲面以及其他复杂零件的加工等, 都需要 3 个以上坐标的合成运动才能加工出所需的形状 于是出现了多坐标的数控机床, 其特点是数控装置控制的轴数较多, 机床结构也比较复杂, 坐标轴数的多少通常取决于加工零件的复杂程度和工艺要求 现在常用的有 4 个 5 个 6 个坐标的数控机床 (4) 数控特种加工机床 如数控线切割机床 数控电火花加工机床 数控激光切割机床等 1.3 数控机床控制系统简介 数控机床的控制系统一般采用计算机数值控制 (Computer Numerical Control,CNC), 它由硬件及软件两部分组成 硬件组成及应用 1. 微机基本系统 微机基本系统结构类似于一般的计算机, 主要功能为将加工程序编译成计算机可识别的信息, 以进行存储及处理 2. 人机交互界面 人机交互界面包括操作面板 键盘 显示器和手动脉冲发生器, 下面分别介绍 操作面板功能为, 手动对机床进行操作以及对自动运行状态下的机床进行控制和干预 ; 键盘, 由字母及数字键组成, 用于程序的手动编制和修改等 ; 手动脉冲发生器, 实现手动控制机床的坐标运动 3. 通信接口 数控机床的控制系统一般都使用 R232 串行接口与外部计算机或其他设备进行通信联系 4. 主轴控制接口 主轴控制接口用以控制主轴的转速

47 6 数控编程及加工技术 5. 进给轴控制接口进给轴控制接口用于控制机床在各个坐标方向上的运动, 包括位置和运动速度 6. 辅助功能控制接口辅助功能控制接口用于控制主轴的停 转 切削液的开关以及刀具的更换等功能 软件的组成和功能 控制系统的软件由许多模块组成, 如程序输入与存储模块 手动自动模块 系统监视模块和故障诊断模块等, 它们主要适用于编译修改程序 将程序的信息和操作转化成可以控制伺服系统的特定信号 1.4 习题 1. 什么是数控加工? 2. 数控加工的特点有哪些? 3. 数控机床由哪几部分组成? 各部分的功能是什么? 4. 比较数控机床与普通机床的不同之处, 总结数控机床的特点及适用范围 5. 数控机床有几种分类方法? 不同的分类方法的分类原则是什么?

48 第 2 章数控加工工艺基础 无论是使用数控机床还是普通机床加工零件, 都要对所需加工的零件进行工艺分析, 制定工艺方案 同时由于数控机床在加工零件时, 要事先编制好加工程序以使机床自动地对零件进行加工 在编制程序过程中, 除了要考虑刀具的选用 零件的尺寸 形状精度及表面粗糙度外, 还要考虑对刀点 换刀点及走刀路线的确定等问题, 因此数控加工工艺分析及工艺方案制定比普通机床要复杂得多 为了能加工出合格的零件, 数控加工的工艺处理更是一项十分重要的工作 2.1 数控加工工艺的基本特点和主要内容 数控加工工艺设计的基本特点 由于数控机床加工的整个过程是自动完成的, 因此我们要将必要的工艺信息编制成程序输入到数控机床中, 用它来控制驱动机床的加工行为, 因此与使用工艺卡片形式的普通机床加工的加工工艺相比, 数控加工工艺具有以下特点 数控加工的工序内容比普通机加工的工序内容复杂, 这是由数控机床主要用于加工一些复杂零件的特点决定的 一般来讲, 复杂的零件对应着复杂的工序 数控机床加工程序的编制比普通机床工艺规程的编制复杂 如上所述, 数控机床的加工工艺要考虑一些在普通机床的加工工艺中不必考虑的问题, 如工序内工步的安排 对刀点 换刀点及走刀路线的确定等问题, 为了使加工能够顺利地进行, 并加工出符合要求的零件, 在编制数控加工工艺时这些都要认真予以考虑 数控加工工艺的主要内容 在实际生产加工中, 数控加工工艺主要包括以下几个方面 选择适合在数控机床上进行加工的零件并确定加工工序的内容 分析加工零件的图纸, 明确加工内容及技术要求, 确定加工方案, 如工序的划分 刀具的选择 夹具的定位与安装 切削用量的确定 走刀路线的确定等 调整数控加工工序的程序 如对刀点 换刀点的选择 刀具的补偿等

49 8 数控编程及加工技术 分配数控加工中的容差 处理数控机床上部分工艺指令, 编制工艺文件 2.2 零件加工工艺性分析 数控加工工艺分析设计的内容和层次很多, 我们将采用逻辑思维的形式来对这方面的内容加以说明 选择并决定所需进行数控加工的内容 并不是所有的零件或零件的所有加工都适合使用数控加工, 所以数控加工工艺分析的第一步应该考虑所给的零件是否可以使用数控机床来进行加工, 或者零件的哪一部分加工可以使用数控来进行加工 做出这部分决定时, 我们考虑的不仅是零件自身的特点, 还应当考虑工厂的实际 立足于充分发挥数控加工的优势, 提高生产效率, 解决难题 一般可以按照以下标准来进行考虑 普通机床无法完成的加工, 这一点也是优先考虑的原则 例如, 在加工机翼的蜂窝状加强板时, 由于普通机床的加工转速一般无法满足要求, 这时我们就可以考虑使用加工转速相对较高的数控机床来进行加工 普通机床难以加工 加工质量难以保证的内容, 这一点作为重点选择内容 使用普通机床加工效率低 加工强度大, 危险性系数高的零件, 可以在数控机床加工能力存在富裕时考虑是否使用数控机床进行加工 从反面来考虑, 不适用于使用数控加工的标准可参考如下 需要较长时间来进行占机调整的加工内容, 不利于提高生产效率 必须使用专用工装协调的孔及其他加工内容 按照某些特定的加工依据加工的型面轮廓, 主要原因是加工数据难以采集, 编程难度较大 不能在一次安装中完成加工的零部件 综上所述, 选择即决定加工内容时考虑的原则主要是为了达到多 快 好 省的目的, 以提高加工效率和加工质量, 充分发挥数控机床的优点 根据以上原则, 下面将列举出数控铣床和加工中心的适宜加工内容 1. 数控铣床的加工内容 使用数控铣床进行加工时通常选择以下加工部位和内容 零件上的曲面轮廓, 特别是由数学表达式描绘的非圆曲线和列表曲线等曲线轮廓 ( 这

50 第 2 章数控加工工艺基础 9 一部分手工编程可能较为困难, 但可使用 CAM 辅助编程 ) 以给出数学模型的空间曲面 ( 同样可使用电脑辅助编程 ) 形状复杂 尺寸繁多 划线与检测困难的部位 使用普通铣床难以观察 测量和控制进给量的内外凹槽 以尺寸协调的高精度孔和面 能在一次性铣加工中顺带铣出来的表面 能够提高劳动生产效率, 大大减轻体力劳动强度的一般加工内容 2. 加工中心的加工内容 根据加工中心自身的特点, 适合加工中心进行加工的零件主要如下 既有平面又有孔系的零件 结构形状复杂 普通机床难以加工 数控铣床加工效率过低 ( 需要频频换刀 ) 的零件 外形不规则的异型零件 加工精度较高的中小批量零件 零件结构工艺性 在决定了零件或零件的某一部分需要进行数控加工之后, 我们就可以根据加工工艺特点对零件的结构工艺性的设计提出要求 1. 零件图样尺寸的正确标注 对于数控加工来讲, 加工程序是以准确的坐标点来进行编制的, 所以倾向于以同一基准来标注尺寸或直接给出坐标尺寸, 同时零件轮廓的几何要素的条件要充分 所谓零件的几何要素是指组成零件轮廓的各曲线之间的关系, 例如直线与圆弧 圆弧与圆弧的相交或相切 当零件图纸对这些几何关系表达不明确或不清晰时, 就会给手工编程节点坐标的计算带来不便或者根本无法进行 2. 零件加工的定位基准应当可靠 当一个零件正反两面都需要进行数控加工时, 为了保证两次定位安装加工后零件的轮廓位置及尺寸协调, 定位基准的可靠性就显得十分重要 在主数控加工中主要采用同一定位基准, 因此零件上应用合适的孔作为定位基准, 如果零件上不存在这样的孔, 我们也应当尽量设计工艺孔来作为定位基准, 例如可在零件或毛坯上增加工艺凸台, 打出工艺孔 3. 尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸 尽量统一零件轮廓内圆弧的有关尺寸, 这样就可以减少刀具的数量和换刀次数, 使程序的编制变得简单, 同时还可以减少零件加工表面上的对刀痕, 提高加工的质量 为了更加形

51 10 数控编程及加工技术 象地说明这个问题, 我们来举个例子, 如图 2-1 所示 r r d D 图 2-1 尺寸示意图 例如在铣一个底面的时候, 槽底的圆角半径 r 不应过大, 因为 r 越大时铣刀的端刃铣平面的能力就越差, 因为铣刀与铣削平面的最大接触半径 d=d-2r(d 为铣刀直径 ) 当 D 一定时,r 越大 d 越小 r 大到一定程度时, 就相当于使用球头铣刀在进行加工, 这显然是不允许发生的 在实际生产中, 零件结构工艺性的分析一般是在零件的图纸已经设计好的情况下进行的, 这时零件已经定型, 我们再根据以上的要求来对零件图纸做出修改, 尤其是较大的修改, 一般是比较困难的 所以数控机床的编程人员要积极地参与到设计人员的工作当中, 并积极地提出有利于数控加工的建议, 以更多地满足数控工艺的要求, 提高数控加工的质量和效率 零件的定位与装夹 1. 数控加工的定位基准 数控加工的定位基准分为粗基准和精基准两种, 使用未经加工的毛坯表面作为定位基准称为粗基准, 用已加工过的表面作为基准称为精基准 在数控加工中选择定位基准要符合基准重合原则, 这样可以减少数控编程中的数值计算并减少装夹次数 零件的定位基准一方面要保证零件经多次装夹后其加工表面之间相互位置的正确性, 另一方面还要满足加工中心工序集中的特点 2. 装夹 根据要加工的表面和选择的定位基准来确定工件的夹紧方式, 应当注意的是以下几点

52 第 2 章数控加工工艺基础 11 夹紧机构不得影响机床的进给, 零件的加工部分要敞开, 即零件夹具不能与刀具轨迹发生干涉 要保证零件的变形最小, 以保证加工质量, 因此在选取夹具时要考虑夹具的支撑点 定位点和夹紧点 安装拆卸方便, 以配合数控加工高效率的特点 夹具的结构应力求简单, 如果有可能的话应将夹具标准化 通用化 自动化, 当对加工的工件精度及其他要求较高时可以考虑设计专用夹具 设计的夹具应能与机床的工作台方便连接 2.3 数控加工工艺路线设计 加工方法的选择 数控加工方法的选择原则是保证零件加工表面精度和表面粗糙的要求 同时我们还要考虑零件的材料 形状 尺寸以及工厂的现有状况 生产效率等问题 在加工过程中, 共建的表面轮廓一般分为平面和曲线两种, 在这两种情况下又可以视实际情况对所加工的零件表面轮廓进行再分, 例如 : 固定斜角平面 变斜角面等 根据所加工的零件表面不同, 所选择的加工方法也不同 根据要加工的表面可以选择不同的机床 刀具 装夹方法, 同时加工方法不同, 数控加工程序也不尽相同, 选择加工方法时, 我们还要考虑程序编制的方便性 工序的划分原则及方法 1. 工序的划分原则 在数控机床上加工零件, 需要考虑工件整个加工工艺的安排问题, 即工序的划分 工序划分的主要原则如下 (1) 保证加工质量 一般分粗 半精及精加工, 可逐步提高工件的加工精度, 降低表面粗糙度, 保证工件加工质量 (2) 合理使用设备 对于工件的加工, 在保证加工精度的前提下可以考虑其中的一部分在数控机床上加工, 另外一部分在其他机床上加工, 这样可以充分利用数控设备的效能 2. 工序的划分方法 工序划分的方法较多, 一般按工件装夹定位方式来划分工序 这是因为每个工件形状不

53 12 数控编程及加工技术 同, 各表面的技术要求也不一样, 因而在加工时其定位方式也不同 这里介绍以下几种方式 (1) 按零件装夹定位方式划分工序 由于各个零件的结构形状不同, 各表面的技术要求也有所不同, 所以加工时, 其定位方式则各有差异 而数控加工中往往又根据零件定位的方式来决定加工的内容, 因此可以根据零件定位方式的不同来划分工序 如图 2-2 所示的片状凸轮, 根据其定位方式可分为两道工序, 第一道工序的外圆表面 两端面和 Φ27H7 的内孔 Ф4H7 的工艺孔可在普通机床上进行 ; 第二道工序以已加工过的两个孔和一个端面定位, 在数控机床上铣削凸轮外表面曲线 图 2-2 片状凸轮 (2) 按粗 精加工划分工序 根据零件的加工精度等因素来划分工序时, 可按粗 精加工分开的原则来划分工序, 即先粗加工再进行精加工 此时可用不同的机床或不同的刀具进行加工 通常在一次安装中, 不允许将零件某一部分表面加工完毕后, 再加工零件的其他表面 如图 2-3 所示的零件, 应先车去整个零件的大部分余量, 再进行精加工以达到零件设计时的加工精度和表面粗糙度的要求 图 2-3 零件示例图 (3) 按使用的刀具划分工序 为了减少数控加工中的换刀次数, 提高加工效率, 减少因换刀频繁而产生的不必要的定位误差, 在数控加工中可按刀具集中工序的方法加工零件, 即尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位, 然后再换另一把刀加工其他部分 在使用

54 第 2 章数控加工工艺基础 13 数控机床和加工中心时常采用这种方法 (4) 按加工表面的类型划分工序 有些使用数控加工的零件的表面情况十分复杂, 加工内容较多, 这时可以根据零件需要加工的部位和轮廓特征来划分加工工序, 如平面 曲面等 在划分工序时, 一定要透彻地分析零件的结构与工艺性, 了解所要使用的机床的功能, 明确零件加工内容 安装次数及本单位生产组织状况, 这样才可能合理地划分出零件的数控加工工序 加工顺序的安排原则 加工顺序的安排直接影响了零件的加工质量 生产效率和加工成本 加工顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况, 以及定位安装与夹紧的需要来考虑, 重点是工件的刚性不被破坏, 以保证后续加工的顺利进行 加工顺序安排一般应按下列原则进行 上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧 先进行内型腔的加工, 后进行外型腔的加工, 即遵循先内后外的原则 以相同定位 夹紧方式或同一把刀具加工的工序, 最好接连进行, 以减少重复定位次数 换刀次数与挪动压板的次数, 同时保证加工质量 在同一次安装中进行的多道工序, 应先安排对工件刚性破坏较小的工序, 这一点在使用加工中心的加工中经常使用 加工路线的确定原则 加工路线是指数控机床在加工过程中, 刀具相对于被加工零件的运动轨迹和方向 即刀具从入刀点开始运动起, 直至运动到退刀点并结束加工程序所经过的路径, 包括切削加工的路径及刀具的引入 返回等非切削空行程 确定加工路线时应遵守以下原则 : 确定加工路线应能保证零件的加工精度和表面粗糙度要求, 并保证高的加工效率 为提高生产效率, 在确定加工路线时, 应使加工路线最短, 刀具空行程时间最少 所确定的加工路线应当能够减少编程工作量, 以及编程时数值计算的工作量 在使用以上原则的时候, 还应当考虑零件的加工余量, 机床的加工能力等问题 加工路线确定举例 1. 孔系加工路线 对于加工位置精度要求较高的孔系加工, 应当特别注意孔的加工顺序的安排 因为如果安排不当就可能将坐标轴的反向间隙带入, 直接影响加工的位置精度, 严重时还可能造成零

55 14 数控编程及加工技术 件的报废 如图 2-4 所示为一孔系加工零件, 如果采用图 2-4(b) 的加工路线,5 6 孔的定位方向与 孔的定位方向相反,Y 方向的反向间隙会使定位误差增加, 影响所用孔的定位精度 按图 2-4(c) 的走刀路线加工完孔 4 之后将零件向上移一段距离到 p 点, 然后再加工孔 5 6, 这样就可以避免反向间隙的引入, 提高零件中所有孔的定位精度 2. 铣削加工的加工路线 (a) (b) (c) 图 2-4 孔系零件 (1) 轮廓铣削的加工路线加工零件的外表面轮廓时, 要注意安排好刀具的切入 切出, 以减少接刀痕迹, 保证零件的表面质量 如图 2-5 所示的零件, 铣削其外表面轮廓时, 刀具的切入 切出点应该沿零件轮廓曲线的切线方向切入切出, 而不应该沿法线方向直接切入切出, 以避免加工表面产生划痕, 保证加工质量 图 2-5 铣削轮廓走刀路线 铣削零件内表面轮廓时, 切入与切出都无法外延, 刀具只能沿零件的法线方向切入切出,

56 第 2 章数控加工工艺基础 15 这时将其切入点和切出点选择在工件轮廓的两几何元素的交接点处 图 2-6 是加工平面凹槽的三种走刀路线, 图 2-6(a) 所示为行切法, 图 2-6(b) 为环切法, 图 2-6(c) 为先进行行切再进行环切, 也就是实际加工中经常使用的轨迹清根,3 种方法中, 图 2-6(a) 所示方法加工效果最差, 图 2-6(c) 所示方法可用于精加工轮廓表面 可见刀具进给路线的不同所产生的加工效果也是不同的 (a) (b) (c) 图 2-6 走刀路线 应该引起我们注意的是, 在加工过程中, 整个机床系统是处于弹性平衡变形的状态下, 这时如果改变切削参数或者停止加工都会改变机床系统的平衡状态, 使加工表面留下划痕, 影响加工质量, 所以在实际加工中应尽量避免进给停顿 (2) 曲面铣削的加工路线在铣削曲面时经常使用球头铣刀采用行切的方法进行加工 如图 2-7 所示的发动机叶片为边界敞开的曲面 可以采用两种加工路线, 图 2-7(a) 所示的加工路线, 每次沿直线加工的刀位点计算简单, 编写的程序较少, 加工过程中符合直纹面的形成, 可以准确地保证母线的直线度 图 2-7(b) 给出的加工路线, 符合零件的数据特点, 便于加工后的检验, 叶形的准确度高, 但数据计算复杂, 需要编制的程序也较多 由于零件的边界是敞开的, 所以球头铣刀可由边界外开始加工 Z Z X X Y (a) Y (b) 图 2-7 曲面铣削加工路线

57 16 数控编程及加工技术 通过上面的几个例子, 可以知道, 在实际加工生产中, 刀具轨迹的确定应该根据零件的特点, 综合考虑实际条件, 灵活运用规则 加工路线确定的总原则可以归纳为 : 在保证零件的加工精度和表面质量的情况下, 尽量缩短加工路线, 提高生产效率 2.4 数控刀具的选择 与普通机床的加工相比较, 数控加工对刀具的使用要求相对高了很多, 不仅是在刀具的刚度及耐用度方面, 同时对刀具的尺寸等条件也提出了严格的要求 因为这些因素不仅影响了零件最终的加工质量, 还会影响数控加工程序的编制 所以道具选择是数控加工中的重要内容之一, 在选择刀具时, 应该综合考虑零件的结构及工艺性 零件的材料 机床的加工能力 加工内容等条件, 并将所选择刀具的参数详细无误地记录下来以方便在编程时使用相关的内容 在选择刀具时, 应该使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应 实际加工生产中, 平面零件轮廓的加工, 采用立铣刀 铣削平面时, 应选硬质合金铣刀 ; 加工凸台 凹槽时, 选用高速钢立铣刀 ; 加工毛坯或粗加工时, 可选用硬质合金铣刀 对立体型面的加工, 经常采用球头铣刀 环铣刀 锥铣刀和盘铣刀等 零件曲面加工经常采用球头铣刀, 但是加工较平坦的曲面部位时, 刀具以球头顶端刃切削, 切削条件较差, 因而应采用环形刀 在单件或小批量生产中, 如果存在加工条件的限制, 为取代多坐标联动机床, 常采用鼓形刀或锥形刀来加工一些变斜角零件 镶齿盘铣刀, 适用于在五坐标联动的数控机床上加工一些球面, 其效率比用球头铣刀高近十倍, 并可获得更好的加工精度 使用加工中心的时候, 各种刀具分别装在刀库中, 按程序要求随时进行选刀和换刀工作 因此. 必须有一套连接普通刀具的刀杆, 以便使钻 镗 扩 铰 铣削等工序中使用的标准刀具迅速 准确地安装到机床主轴或刀床上去 作为编程人员应了解机床上所用刀杆的结构尺寸以及调整方法 调整范围, 以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸 这一步的操作经常在准备工作中完成, 利用对刀仪量取刀具的径向和轴向尺寸, 并详细记录 目前, 我国的加工中心采用 TX 工具系统, 其柄部有直柄 (3 种规格 ) 和锥柄 (4 种规格 ) 两种, 共包括 16 种不同的用途 2.5 切削用量的确定 使用数控机床时, 机床的切削用量必须明确, 以利于在加工中和在程序编制时的使用

58 第 2 章数控加工工艺基础 17 切削用量一般包括 : 主轴转速 主轴进给速度 背吃刀量等 切削用量的选择原则为 : 粗加工时主要以提高生产效率为主, 同时兼顾经济性和加工成本 ; 精加工和半精加工时, 在保证零件的加工精度和表面质量的前提下, 兼顾加工效率 经济性和加工成本 具体数值应该根据机床性能 工艺手册和实际加工经验给出 1. 主轴转速的确定 主轴转速应根据允许的切削速度和工件或刀具的直径来选择 计算公式为 : n=1000v/(πd) 式中 :v 代表切削速度, 由刀具耐用度决定, 单位为 mm/min; D 为零件或者刀具的直径, 单位为 mm; n 为主轴转速, 单位为 r/min 计算完毕后, 查找工艺手册, 找出与计算所得数据最为接近的数值作为加工使用的主轴转速 2. 进给速度的确定 进给速度是数控加工中使用的重要参数, 主要根据零件的加工精度和表面质量要求以及道具和零件的材料来决定相应的数值 此外我们应该注意, 进给速度还要受到机床刚性结构的限制, 当机床刚性结构太差时, 所使用的进给速度不能超出机床规定的最大进给速度 确定进给量的原则如下 当零件的质量要求能够得到保证时, 为了提高生产效率, 可选择较高的进给速度, 一般在 100~200 mm/min 的范围内选取 在切断 加工深孔时, 应选择较低的进给速度, 一般在 20~50 mm/min 范围内选取 当精加工或零件表面加工质量要求较高时, 进给速度应小一些, 一般在 20~50 mm/min 范围内选取 刀具在空行程或者刀具回零时, 可以选择机床的最高进给速度 3. 背吃刀量的确定 背吃刀量的确定主要依据机床 夹具 刀具和零件的刚度来确定 在刚度允许的条件下, 应该尽可能地使背吃刀量等于工件的加工余量, 在一次走刀中完成加工 这样可以提高机床的使用和生产效率 为了保证零件的加工精度和表面质量, 一般都要留一点余量在最后精加工中去除 2.6 对刀点和换刀点的确定 对刀点和换刀点是数控加工程序中必须正确制定的关键亮点

59 18 数控编程及加工技术 对刀点是刀具相对于待加工零件的运动起点, 同时也是程序的起点, 是刀具的定位基点, 如铣刀的刀头底面中心 车道的刀尖等 对刀点确定的原则如下 便于数学计算和程序的编写 在机床上容易找正 在加工中便于检验 引起的加工误差要小 对刀点可以选择在零件上也可以选择在零件外部, 为了提高加工的精度, 对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上 换刀点是指刀架转位换刀时的位置 换刀点一般是固定的一点, 但也可以是任意的一点 ( 车床中的换刀点 ) 为了防止换刀时碰伤加工的零件, 换刀点往往设在工件或夹具的外部 2.7 数控加工工艺文件 当零件的加工工艺设计完成之后, 必须给出必要的数控加工工艺文件 数控加工工艺文件要比普通机床加工的工艺文件内容繁杂很多, 它不但是指导零件正常加工的依据, 而且也为产品零件重复生产做了技术上的必要工艺资料积累和储备 数控加工工艺文件主要包括数控加工编程任务书 数控加工工序卡片 数控刀具卡片 程序卡片等 不同的数控机床, 工艺文件的内容有所不同, 这对数控工程人员提出了较高的要求 1. 数控加工编程任务书 数控加工任务书中包括了说明工艺人员对数控加工工序的技术要求, 是编程人员与工艺人员协调工作的重要依据之一 表 2-1 为一数控加工任务书的样例 表 2-1 数控加工任务书 零件图号 任务书编号 xx 厂工艺处 任务书 数控编程 数控设备 零件名称 数控加工工序的技术要求 编程收到日期经手人批准 编制 校核编程审核批准

60 第 2 章数控加工工艺基础 数控加工工序卡 数控加工工序卡不仅要包含普通加工工序卡中的内容, 同时还要包含数控特有的内容, 例如, 刀具参数 切削液等, 同时工序卡中工步的内容应该尽可能地配以相应的程序说明, 以便操作人员实时地掌握零件的加工情况 3. 机床调整单 机床调整单是数控加工之前操作人员调整机床和安装工件的依据 它主要包括机床控制面板开关的调整单和数控加工零件的安装 零点设定两部分 4. 刀具调整单 数控加工中对刀具参数的要求十分严格, 因为刀具的参数正确与否直接影响加工的质量 所以数控加工刀具调整单一般包含如下两部分内容 数控道具卡片, 主要反映刀具编号 刀具结构等 数控道具明细表, 主要包括数控刀具的名称 直径 长度 补偿值等与实际加工联系紧密的参数 5. 数控加工程序单 数控加工程序单是记录数控加工工艺过程 工艺参数的文件, 在数控加工程序单中程序员还应对相应的语句加以说明, 主要内容如下 所用数控设备型号 对刀点及所允许的误差 工件相对于机床的坐标方向及位置 径向加工使用的对称轴 相应的关键语句的简要说明 对于不同数控系统, 数控加工程序单内容是不同的, 具体要视实际情况而定 2.8 习题 1. 数控加工工艺的特点是什么? 2. 如何安排加工顺序? 3. 怎样选择数控刀具? 4. 怎样确定主轴转速? 5. 怎样确定进给速度? 6. 怎样确定背吃刀量? 7. 试完整地叙述数控加工工艺的建立流程

61 第 3 章数控编程基础 3.1 数控编程概述 在普通机床上加工零件, 一般要由工艺员按照设计图样制订零件的加工工艺规程 在工艺规程中规定加工所使用的机床和刀具 工件和刀具的装夹方法 加工顺序和尺寸 切削参数等内容, 然后由操作者按工艺规程进行零件加工 而在数控机床上加工零件时, 则首先要进行程序编制, 主要内容包括加工零件的加工顺序 工件与刀具相对运动轨迹的尺寸数据 工艺参数 ( 主运动速度 进给运动速度等 ) 以及辅助操作 ( 换刀 主轴正反转 冷却液开关 工件夹紧 松开 ) 等加工信息 数控编程就是用规定的文字 数字 符号组成的代码, 按一定格式编写上面所述的信息, 形成加工程序单, 并将程序单的信息通过控制介质输入到数控装置, 通过数控装置来控制机床进行自动加工 常见的控制介质有穿孔纸带 磁带 磁盘等, 简单的程序也可由数控操作面板上的键盘输入 数控系统的种类繁多, 它们使用的数控程序语言规则和格式也不尽相同, 本书以 ISO 国际标准为主来介绍加工程序的编制方法 当针对具体数控系统编制加工程序时, 应该严格按机床编程手册中的规定进行程序编制 数控编程的内容及步骤 编制数控加工程序是使用数控机床的一项重要技术工作, 理想的数控程序不仅应该保证加工出符合零件图样要求的合格零件, 还应该使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥, 使数控机床能安全 可靠 高效地工作 数控编程是指从零件图纸到完成加工程序检验的全部工作过程 它的主要内容如图 3-1 所示 按照工作的顺序和性质, 我们可以把数控编程的这 7 个方面划分为 3 个阶段, 即工艺分析阶段 数值处理阶段和程序输入调试阶段 (1) 工艺分析阶段程序编制人员首先要按照零件图对零件进行工艺分析, 明确加工内容及技术要求 在此基础上才能选择合适的数控机床, 选择或设计合适的刀具和夹具, 确定合理的走刀路线

62 第 3 章数控编程基础 21 等, 并确定切削用量等工艺参数, 为下一步的数值处理做必要的准备 这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性 几何形状 尺寸及工艺要求进行分析, 并结合数控机床使用的基础知识, 如数控机床的规格 性能 数控系统的功能等, 确定零件的加工方法和加工路线 分析零件图纸 工艺方法制定 选择和设计夹具 程序中的数值处理 编写程序单 程序输入 不满足要求 程序检验 图 3-1 程序编制的一般过程 需要注意的是, 在数值处理之后, 编写程序单之前还必须进行某些辅助的工艺处理 譬如各种准备功能 进给速度 主轴转速 需要的刀具及各种辅助功能 ( 如主轴的正反向和启停 进给的变换和停顿 冷却润滑液开关和刀具的选择和更换等 ) 根据这样的程序单内容, 才能控制机床实现零件的全部加工过程 (2) 数值处理阶段这部分工作是根据零件图纸和加工路线计算出刀具中心的运动轨迹, 具体来讲是指机床各坐标轴位移数据的计算和插补计算 需要说明的是, 在编制点位控制机床的程序时 ( 如数控钻镗床 ), 往往不需要数值计算, 只有在程序坐标系与零件图纸坐标系不一致时, 才需对坐标系进行简单的换算 ( 如图 3-2

63 22 数控编程及加工技术 所示 ) 程序原点 图 3-2 点位控制的坐标系转换 对于连续控制系统的机床来说, 在零件形状比较简单 ( 例如由直线和圆弧组成的平面零件 ), 而机床控制系统具有直线 圆弧插补功能, 并能实现刀具半径自动补偿计算时, 数值处理也比较简单 只需计算出零件轮廓的相邻几何元素的交点或切点的坐标值 ( 如直线的起点和终点 圆弧的起点 终点和圆心坐标值 ) 就能满足要求 现代数控系统一般都具有直线插补与圆弧插补功能, 所以只要零件的外形不过于复杂, 都采用这种数值处理方法 当零件形状比较复杂或零件形状与数控系统的插补功能不一致时, 就需要较复杂的数值计算过程 例如, 由阿基米德螺线 对数螺线等组成的零件轮廓, 由于绝大多数连续系统数控装置只有直线 圆弧插补功能, 要加工它, 只能用直线或圆弧逼近 如果在只具有直线插补功能的数控铣床上加工, 就是用很多的小段直线来代替该曲线, 即用一个多边形来逼近零件轮廓 此时数值计算任务是要算出逼近多边形各节点的坐标值, 而且要求这种逼近的误差要小于允许值, 同时还要计算出刀具中心轨迹 ( 假如没有刀具补偿功能 ) 上述的数值计算过程工作量很大, 一般都要在通用计算机上进行 (3) 程序输入调试阶段在完成上述工艺处理及数值计算工作后, 即可编写零件加工程序 程序编制人员使用

64 零件图样工艺人员工艺规程具表工程序夹 第 3 章数控编程基础 23 数控系统的程序指令, 按照规定的程序格式, 逐段编写加工程序 程序单完成后, 编程者或机床操作者可以通过数控装置的操作面板, 在 EDIT( 键盘输入 ) 的方式下直接将程序信息键入数控系统程序存储器中 ; 也可以根据数控系统输入 输出装置的不同, 先将程序单的程序制作成或转移至某种控制介质上 控制介质大多采用穿孔带, 也可以是磁带 磁盘等信息载体, 利用穿孔带光电阅读机或磁带机 磁盘驱动器等输入 ( 输出 ) 装置, 将控制介质上的程序信息输入到数控系统程序存储器中 将编写好的加工程序输入数控系统, 就可控制数控机床的加工工作 一般在正式加工之前, 要对程序进行检验 通常可采用机床空运转的方式, 来检查机床动作和运动轨迹的正确性, 从而检验程序 在具有图形模拟显示功能的数控机床上, 可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程, 对程序进行检查 对于形状复杂和要求高的零件, 也可采用铝件 塑料或石蜡等易切材料进行试切来检验程序 通过检查试件, 不仅可确认程序是否正确, 还可知道加工精度是否符合要求 若能采用与被加工零件材料相同的材料进行试切, 则更能反映实际加工效果, 当发现加工的零件不符合加工技术要求时, 可修改程序或采取尺寸补偿等措施 数控编程的方式 数控加工程序的编制方法主要有两种 : 手工编制程序和自动编制程序 手工编程各阶段的工作如图 3-3 所示, 这个程序的编制过程是由人工完成的 这就要求编程人员不仅要熟悉数控程序语言代码及编程规则, 而且还必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力 编程手 机床表 刀具表 编程人员 加工程序初稿 加修改 图 3-3 手工编程的工作流程图 自动编程是指在编程过程中, 除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外, 其余工作均由计算机辅助完成 编程人员只要根据零件图样的要求, 按照自动编程系统的规定,

65 24 数控编程及加工技术 编写一个零件源程序, 送入编程计算机, 计算机就可以自动完成数值处理 编写程序 检验程序等工作 在实际生产过程中, 对程序编制方法做出选择前, 首先需要对这两种编程方法的特点有透彻的了解 手工编程的特点就是处处离不开人的工作, 所以编程过程比较繁琐 费时, 而且容易出错 主要原因第一是由于零件图纸上往往只给出能够描述零件外形的最少的数据, 而机床数控系统的插补功能则要求有更多的数据才能控制机床进行加工 尤其是当数控系统插补功能要求输入的数据与零件形状给出的数据不一致时, 就必须进行复杂的数值计算, 而在计算过程中可能产生人为的误差 第二是在加工轮廓零件时, 图纸上给出的是零件轮廓的有关尺寸, 而机床实际控制的是刀具中心轨迹, 因此有时要计算出刀具中心轨迹的数据, 这个计算过程也比较复杂 在有刀具补偿功能的数控系统中, 需要使用一些指令实现刀具的自动补偿, 这些指令在使用中也容易产生错误 第三是当零件的轮廓以列表数据表示时, 就失去了明确的几何形象, 在处理这些数据时容易出错而且错误不便查找 特别是对于某些大型复杂零件, 数据很多, 校对数据的工作量很大 第四是手工程编时, 编程人员必须对所用数控机床和数控系统 对编程所用到的各种指令和代码都非常熟悉 这在编制单台数控机床程序时矛盾还不突出, 但是, 当一个编程人员负责几台不同的数控机床程序编制工作时, 他就必须同时对这几台数控机床都很熟悉 由于不同数控机床所用的指令代码 坐标及其他 些编程规定往往不一样, 所以就增加了编程人员的工作难度, 也增加了编程时由于互相混淆而出错的可能性 手工编程的效率比较低, 例如某些中等复杂程度的零件, 根据经验, 选用手工编程时, 可能要花一个星期的时间完成, 而且稍一疏忽就会出错, 而这个零件在数控机床上的加工时间仅仅几十分钟 有数据表明, 一般数控程序编程时间与机械加工时间之比为 30 1 因此, 在批量生产中大约两台数控机床就要配备一名编程人员 据国外统计, 在不能开动的数控机床中有 20%~30% 的原因是由于程序编制不及时而造成的 自动编程过程如图 3-4 所示, 人不再参与数值处理和编写零件加工程序单或制作纸带的工作 因此大大减轻了编程人员的劳动量, 减少了产生错误的机会 由于计算机自动编程代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算, 可提高编程效率几十倍乃至上百倍, 并能提高程序编制的计算精度 ; 同时由于计算机可自动绘制出刀具中心运动轨迹, 使编程人员可及时检查程序是否正确, 需要时可及时修改, 以获得正确的程序 自动编程还解决了手工编程无法实现复杂零件编程的难题 因而, 自动编程的特点就在于编程工作效率和正确率高, 可实现复杂形状零件的编程 根据信息输入方式的不同, 可将自动编程分为图形数控自动编程 语言数控自动编程和语音数控自动编程等 图形数控自动编程是指将零件的图形信息直接输入计算机, 通过自动编程软件的处理, 得到数控加工程序 目前, 图形数控自动编程是使用最为广泛的自动编程方式 语言数控自动编程同样要对加工的零件进行工艺分析, 确定加工路线 加工方法和切削用量, 必要时也要设计工件夹具, 然后将加工零件的几何尺寸和上述信息用数控语言编

66 第 3 章数控编程基础 25 写成零件加工源程序后, 输入到计算机中, 再由计算机进一步处理得到零件加工程序, 如图 3-4 所示, 应当指出, 这里用 语言 编写的零件加工源程序, 因为尚末经过机算机处理, 所以它和手工编程时的零件加工程序有本质上的区别 手工编程的零件加工程序, 可以直接按它生成控制机床的指令 而零件源程序好比 毛坯, 只能是计算机进行处理的对象, 根本不能去控制机床, 而计算机对源程序的处理结果才是零件加工程序或数控机床的控制指令 语言数控自动编程是采用语音识别器, 将编程人员发出的加工指令声音转变为加工程序 这种方法仍然处于探索阶段 零件图纸工艺分析数控语言编写的源程计算机处理零件加工程序 图 3-4 语言自动编程的工作流程图 那么在采用语言数控自动编程时, 计算机是如何处理零件源程序的呢? 计算机事先在其内部存储器中存放一套处理零件源程序的 编译程序, 也就是通常说的 软件 它是事先针对一定的处理对象而编好的一套程序 当零件源程序输入计算机以后, 就可以按编译程序规定的过程进行处理 由此可见, 有不同的 编译程序 就可以处理由不同 语言 编写的零件源程序 对自动编程语言和编译系统的研究最早始于美国, 最初研制成的 APT(Automatically Programmed Tools, 自动编程工具 ) 系统, 以后发展成为美国功能最大 使用最广的自动编程系统, 到 20 世纪 60 年代发展成 APTⅢ,20 世纪 70 年代发展成 APTⅣ 该系统功能比较齐全, 主要用于连续加工, 也可以做点位加工的编程, 能适用于多轴数控机床, 但需要配备功能较强的计算机 此外, 还有适用于小型计算机的 AD APT 系统和主要用于点位加工用的 AUTO SPOT 等 我国在发展自动编程技术方面虽然较晚, 但是经过近几年的努力, 现在已经有了自己的自动编程系统和语言, 如 SKC-1 SKC-2 和 ZCX-1 ZCX-2 等 从上述的分析可以看出, 加工形状简单的零件时, 大部分情况下用手工编程的方法是适合的 例如, 用点位控制的机床加工孔时, 若孔的数目不多, 用手工计算坐标值是很容易做到的 但是, 像锅炉热交换器的隔板那样的零件, 要按一定的孔距加工出几千个孔时, 用手工编制程序就要消耗很多的劳动和时间 而如果用自动程编的办法, 只要给出孔距等少数信息, 在短时间内就能制作出加工程序 在连续系统的机床上加工出直线和圆弧组成的零件轮廓时, 数值计算工作在多数情况下也比较简单, 即使采用手工编程也是容易完成的 ; 可是, 加工圆弧和直线以外的曲线所构成的轮廓时, 则数值处理的难度就会增加, 即使可以采用手工编程, 也会需要很长的时间 例如加工螺旋桨或复杂凸轮等, 如果不采用自动程编, 则难度是很大的 总之, 在选择程序编制方法时应从计算工作的难度及工作量大小 现有设备条件以及时间和费用方面全局考虑, 权衡比较, 加以确定

67 26 数控编程及加工技术 零件加工程序的结构 1. 字与字的功能 在数控加工程序中, 字是指一系列按一定规则排列的字符, 作为一个信息单元存储进行传递和操作 具体地讲, 字是由一个英文字母与随后的若干位十进制数字组成, 这个英文字母称为地址符 如 : X2500 是一个字,X 为地址符, 数字 2500 为地址中的内容 组成程序段的每一个字都有其特定的功能含义 如表 3-1 所示, 分别介绍各种常用功能字及其功能, 实际工作中, 要遵照具体机床的数控系统说明书来使用各个功能字 表 3-1 字与字的功能 地址符 功能类别 字的功能 A 坐标字 绕 X 轴旋转 B 坐标字 绕 Y 轴旋转 C 坐标字 绕 Z 轴旋转 D 补偿号 刀具长度 ( 或半径 ) 补偿指令 E 第二进给功能 F 进给功能 进给速度的指令 G 准备功能 指令动作方式 H 补偿号 补偿号的指令 I 坐标字 圆弧中心到起点的 X 轴向增量坐标 J 坐标字 圆弧中心到起点的 Y 轴向增量坐标 K 坐标字 圆弧中心到起点的 Z 轴向增量坐标 L 重复次数 固定循环及子程序的重复次数 M 辅助功能 机床的主轴开 / 停等指令 N 顺序号 程序段顺序号 O 程序号 程序号 子程序号的指定 P 坐标字 暂停或程序中某功能的开始使用的顺序号 Q 坐标字 固定循环终止段号或固定循环中的定距 R 坐标字 固定循环中定距离或圆弧半径的指定 S 主轴功能 主轴转速的指令 T 刀具功能 刀具编号的指令 U 坐标字 与 X 轴平行的附加轴的增量坐标值 V 坐标字 与 Y 轴平行的附加轴的增量坐标值 W 坐标字 与 Z 轴平行的附加轴的增量坐标值 X 坐标字 X 轴的坐标值或暂停时间 Y 坐标字 Y 轴的坐标值 Z 坐标字 Z 轴的坐标值

68 第 3 章数控编程基础 27 (1) 顺序号字 N 顺序号又称程序段号或程序段序号 顺序号位于每一个程序段之首, 由顺序号字 N 和跟在后面的后续数字组成 顺序号字 N 是地址符, 后续数字一般为 1~4 位的正整数 数控加工程序中的顺序号实际上是每个程序段的名称与位置标志, 它并不能控制程序段执行的先后次序, 数控系统是按照程序段编写时的排列顺序逐段执行的 顺序号的作用如下 方便程序的校对和检索修改 ; 当程序出现条件转向的结构时, 顺序号作为条件转向的目标, 来指明转向的是哪一个程序段 ; 有顺序号的程序段可以进行复归操作, 就是指加工可以从程序的中间开始, 或回到程序中断处开始 一般在编程时将第一程序段冠以 N10, 以后以间隔 10 递增的方法设置顺序号, 这样做的目的是在调试和修改程序时, 方便插入新的程序段, 例如 N20 和 N30 之间, 就可以插入 N21 N22 等 (2) 准备功能字 G 准备功能字的地址符是 G, 又称为 G 功能或 G 指令, 是用于建立机床或控制系统工作方式的一种指令 后续数字一般为 1~3 位正整数,FANUC 系统和 SIEMENS 系统的 G 功能字的含义见表 3-2 所示 表 3-2 G 功能字含义表 G 功能字 FANUC 系统 SIEMENS 系统 G00 快速移动点定位 快速移动点定位 G01 直线插补 直线插补 G02 顺时针圆弧插补顺时针圆弧插补 G03 逆时针圆弧插补逆时针圆弧插补 G04 暂停暂停 G05 通过中间点圆弧插补 G17 XY 平面选择 XY 平面选择 G18 ZX 平面选择 ZX 平面选择 G19 YZ 平面选择 YZ 平面选择 G32 螺纹切削 G33 恒螺距螺纹切削 G40 刀具补偿注销刀具补偿注销

69 28 数控编程及加工技术 ( 续表 ) G 功能字 FANUC 系统 SIEMENS 系统 G41 刀具补偿 左 刀具补偿 左 G42 刀具补偿 右 刀具补偿 右 G43 刀具长度补偿 正 G44 刀具长度补偿 负 G49 刀具长度补偿注销 G50 主轴最高转速限制 G54~G59 加工坐标系设定 零点偏置 G65 用户宏指令 G70 精加工循环 英制 G71 外圆粗切循环 米制 G72 端面粗切循环 G73 封闭切削循环 G74 深孔钻循环 G75 外径切槽循环 G76 复合螺纹切削循环 G80 撤销固定循环 撤销固定循环 G81 定点钻孔循环 固定循环 G90 绝对值编程 绝对尺寸 G91 增量值编程 增量尺寸 G92 螺纹切削循环 主轴转速极限 G94 每分钟进给量 直线进给率 G95 每转进给量 旋转进给率 G96 恒线速控制 恒线速度 G97 恒线速取消 注销 G96 G98 返回起始平面 G99 返回 R 平面 (3) 坐标字坐标字用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置 其中, 第一组 X,Y,Z,U,V,

70 第 3 章数控编程基础 29 W,P,Q,R 用于确定终点的直角坐标位置 ; 第二组 A,B,C,D,E 用于确定终点的角度坐标位置 ; 第三组 I,J,K 用于确定圆弧轮廓的圆心坐标位置 在一些数控系统中, 还可以用 P 指令暂停程序 用 R 指令指定圆弧的半径等 多数数控系统可以用准备功能字来选择坐标尺寸的制式, 如 FANUC 诸系统可用 G21/G22 来选择米制单位或英制单位, 也有些系统用系统参数来设定尺寸制式 采用米制时, 一般单位为 mm, 如 X 100 指令的坐标为 100 mm 当然, 一些数控系统可通过参数来选择不同的尺寸单位 (4) 进给功能字 F 进给功能字的地址符是 F, 又称为 F 功能或 F 指令, 用于指定切削的进给速度 对于车床,F 可分为每分钟进给和主轴每转进给两种, 对于其他数控机床, 一般只用每分钟进给 F 指令在螺纹切削程序段中常用来指定螺纹的导程 (5) 主轴功能字 S 主轴功能字的地址符是 S, 又称为 S 功能或 S 指令, 用于指定主轴转速 单位为 r/min 对于具有恒线速度功能的数控车床, 程序中的 S 指令用来指定车削加工的线速度 (6) 刀具功能字 T 刀具功能字的地址符是 T, 又称为 T 功能或 T 指令, 用于指定加工时所用刀具的编号 对于数控车床, 其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀具半径补偿用 (7) 辅助功能字 M 辅助功能字的地址符是 M, 后续数字一般为 1~3 位正整数, 又称为 M 功能或 M 指令, 用于指定数控机床辅助装置的开关动作, 如表 3-3 所示 表 3-3 M 功能字含义表 M 功能字含义 M00 M01 M02 M03 M04 M05 M06 M07 M08 M09 M30 M98 M99 程序停止 计划停止 程序停止 主轴顺时针旋转 主轴逆时针旋转 主轴旋转停止 换刀 2 号冷却液开 1 号冷却液开 冷却液关 程序停止并返回开始处 调用子程序 返回子程序

71 30 数控编程及加工技术 2. 加工程序段格式 一个数控加工程序是由若干个加工程序段组成的, 而程序段又是由字组成的 所谓加工程序段格式是指程序段中字的排列书写方式和顺序, 以及每一个程序段的长度和规定, 不同的数控系统往往有不同的程序段格式 加工程序段格式主要有 3 种, 即固定顺序程序段格式 使用分隔符的程序段格式和字地址程序段格式 现代数控系统广泛采用的程序段格式是字地址格式 字地址格式的程序段是由一个或若干个字组成, 它表示数控机床为完成某一特定动作而需要的全部指令 程序段中每个字长不固定, 各个程序段的长度和功能字的个数都是可变的 字地址格式的程序段又称为地址可变的程序段, 因为在这种格式中, 在上一程序段中写明的 本程序段里又不变化的那些字仍然有效, 可以不再重写 这种功能字称之为续效字 例如 : N30 G01 X88.1 Y30.2 F500 S3000 T02 M08 N40 X90 一般地, 程序段是由程序段序号字 地址 数字 分号等组成 其格式如下所示 : N G X± Y± Z± 顺序号准备功能坐标运动尺寸其他坐标 F S M *( 或 LF) 工艺性指令附加指令结束代码程序段格式说明如下 顺序号中的, 可以从 1~9999, 但有的数控系统只能从 10~9990 在把加工程序输入到计算机数控装置时, 系统在每个程序段的开头会自动生成顺序号 坐标值的输入最大值可为 ± , 但输入的实际值不能超出机床的加工范围 输入时, + 号可以省略 在输入整数时, 有的数控系统, 小数点后面的 3 个 0 可以不输入, 但小数点必须输入, 如 X 可只输入 X88.; 有的数控系统, 整数后面的小数点及 0 都可以不输入, 具体情况应根据不同的数控系统来确定 其他坐标包括 I J K 及 R 等 工艺性指令包括进给速度指令和主轴速度指令等 附加指令包括固定循环及子程序的重复次数 刀具补偿号指令 刀具编号及暂停指令等 结束代码可以是 * 或 LF 等, 也可以省略 不同的数控系统有不同的结束代码, 参见有关规定 上面的程序段格式中, 有的属于续效指令, 所以在每个程序段中, 不需要每个指令都

72 第 3 章数控编程基础 31 完全写出 除了顺序号 程序段结束代码外, 其他指令或代码的先后次序可任意组合 3. 加工程序的一般格式 加工程序一般包括开始符 程序名 程序主体 程序结束指令和结束符 (1) 程序开始符 结束符 程序开始符 结束符是同一个字符, 在 ISO( 国际标准化组织 ) 标准代码中是 %, 在 EIA( 美国电子工业协会 ) 标准代码中是 EP, 国产数控系统一般没有结束符 开始 结束符在书写时一般要独立占一行 (2) 程序名 程序名的命名有两种形式 : 由英文字母 O 和 1~4 位正整数组成 ; 另一种是由英文字母开头 字母数字混合组成的 在一段加工程序中程序名一般要求单列一段, 以方便识别 (3) 程序主体 程序主体是由若干个如上所述的程序段组成的 为方便检验和修改, 每个程序段一般占一行 (4) 程序结束指令 程序结束指令可以用 M02 或 M30 一般也要求单列一段 每一个程序都是由若干个程序段组成 例如 : % /* 开始符 */ O8888 /* 程序名 */ N10 G92 X20 Y30 Z30; N20 M13 S500; N30 G00 Z5; N40 G01 F100 X-10 Y5; /* 程序主体 */ N120 M30 /* 结束指令 */ % /* 结束符 */ 零件的数控加工程序一般由主程序和子程序组成 有时在加工中会出现依次加工几个相同的形面的情况, 这时就将重复出现的程序单独作为子程序 数控装置按主程序运行, 在主程序中如果遇到调用子程序指令就转入某子程序运行, 在子程序中遇到返回指令, 则又返回到主程序继续运行, 其关系如下例所示 :

73 32 数控编程及加工技术 主程序 子程序 % % O O N10 N10 N20 N20 N50 调用子程序命令 N60 % N100 调用子程序 4. 加工程序格式举例 在数控铣床上铣削图 3-5 所示的零件, 零件厚 5 mm, 用 16 mm 立铣刀一次粗加工完成到所要求尺寸, 编制的加工程序如下 : % O0008 N10 G90 G00 X 50. Y30. Z30. N20 M13 S500 N30 Z 5. N40 G41 X 20. Y20. H010 N50 G01 X0 Y0 F100 N60 X80. N70 G02 Y 40. R 20. N80 G03 X55. Y 60. R25. N90 G01 X0 N100 Y0 N110 X 20. Y20. N120 G00 G40 X 50. Y30. N130 Z30. N140 M30 % 对于不同的数控系统, 上例所编制的程序会略有不同, 具体参见有关数控机床所附的

74 第 3 章数控编程基础 33 说明书 3.2 数控机床的坐标系 数控机床的加工是由程序控制完成的, 所以坐标系的确定与使用非常重要 为了描述机床的运动 简化程序编制的方法及保证纪录数据的互换性, 数控机床的坐标系和运动方向均已标准化 根据 ISO 标准, 数控机床坐标系用右手笛卡儿坐标系作为标准来确定 数控机床有 3 个坐标系即机床坐标系 编程坐标系和加工坐标系 通过本节的学习, 读者应能够掌握机床坐标系 编程坐标系 加工坐标系的概念, 并具备实际动手设置机床加工坐标系的能力 机床坐标系 1. 机床坐标系的确定 (1) 机床相对运动的规定 在机床上, 我们始终认为工件静止, 而刀具是运动的 如果把刀具看作相对静止不动, 工件移动, 那么要在坐标轴的字母上加, 如 X Y Z 等 这样, 编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下, 就可以依据零件图样, 确定机床的加工过程 (2) 机床坐标系的规定 在数控机床上, 机床的动作是由数控装置来控制的, 为了确定数控机床上的切削和进给运动和辅助运动, 必须先确定机床上运动的位移和运动的方向, 这就需要通过固定在机床上的坐标系来实现, 这个坐标系被称为机床坐标系 例如铣床上, 有机床的纵向运动 横向运动以及垂向运动, 如图 3-5 所示 这些运动在数控加工中就应该用机床坐标系来描述 标准机床坐标系中 X Y Z 坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定 它的具体规定是 : 1 伸出右手的大拇指 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 2 大拇指的指向为 X 坐标的正方向, 食指的指向为 Y 坐标的正方向, 中指的指向为 Z 坐标的正图 3-5 机床坐标系

75 34 数控编程及加工技术 方向, 如图 3-6(a) 所示 3 围绕 X Y Z 坐标旋转的旋转坐标分别用 A B C 表示, 根据右手螺旋定则, 大拇指的指向为 X Y Z 坐标中任意一个轴的正向, 则其余四指的旋转方向即为对应这个轴的旋转坐标 A B C 的正向, 如图 3-6(b) 所示 X Y Z +Y A B C Z +X X (a) (b) 2. 机床坐标系坐标轴方向的确定 图 3-6 笛卡儿坐标系 机床坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行 一般规定增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向, 如图 3-7 所示为数控车床上两个运动的正方向 +X +Z 图 3-7 机床运动的方向 确定机床坐标轴时, 一般先确定 Z 轴, 再确定 X 轴和 Y 轴 (1)Z 轴方向 一般选取产生和传递切削力的轴线作为 Z 轴 即平行于主轴轴线的坐标轴即为 Z 坐标,Z 坐标的正向为刀具离开工件的方向 如果出现以下 3 种情况时, 则取垂直于工件装夹平面的方向为 Z 坐标方向 机床上有几个主轴, 取垂直于工件装夹平面的方向为主轴方向 ;

76 第 3 章数控编程基础 35 主轴能够摆动, 取垂直于工件装夹平面的方向为 Z 坐标方向 ; 机床无主轴, 取垂直于工件装夹平面的方向为 Z 坐标方向 (2)X 轴方向 X 轴是水平的, 一般平行于工件装夹面, 而且是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标 确定 X 轴的方向时, 要考虑如下两种情况 对于由机床主轴带动工件旋转的机床, 如车床 磨床等,X 轴的方向在工件的径向上, 并且平行于横向滑座, 刀具离开工件旋转中心的方向为 X 轴的正方向 ; 对于机床主轴带动刀具旋转的机床, 如铣床 钻床 镗床等, 则又分为两种情况 : Z 坐标水平时, 沿刀具主轴方向向工件看时,X 轴正方向指向右方 ;Z 坐标垂直时, 面对刀具主轴向机床立柱看时,X 轴负方向指向右方, 如图 3-8 所示的数控立式铣床的 X 轴方向 (3)Y 轴方向 在确定 X Z 坐标的正方向后, 可以直接根据 X 和 Z 坐标的方向, 按照右手直角坐标系来确定 Y 坐标的方向 图 3-9 所示为数控车床的 Y 坐标 +Z +X X +Y O Z 图 3-8 数控立式铣床的坐标系 图 3-9 数控车床的坐标系 3. 附加坐标系 有时为了编程和加工的方便, 还要设置附加坐标系 对于直线运动, 通常建立的附加坐标系如下 指定平行于 X Y Z 的坐标轴 ; 指定不平行于 X Y Z 的坐标轴 可以采用的附加坐标系 : 第二组 U V W 坐标, 第三组 P Q R 坐标

77 36 数控编程及加工技术 4. 机床原点和机床参考点 机床原点是指在机床上设置的一个固定点, 即机床坐标系的原点 机床原点是机床的最基本点, 它是其他所有坐标, 如工件坐标系 编程坐标系, 以及机床参考点的基准点 机床起动时, 通常要进行机动或手动回零 所谓回零, 就是指运动部件回到各轴正向极限位置 这个极限位置就是机床原点 ( 零点 ) 它在机床装配 调试时就已确定下来, 是机床坐标中固有的点, 不能随意改变 机床参考点是用于对机床工作台 滑板以及刀具的相对运动进行检测和控制的固定位置点, 有时也称为机床零点 机床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, 坐标值已输入数控系统中 因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数 (1) 数控车床的原点和参考点 在数控车床上, 机床原点一般取卡盘端面与主轴中心线的交点处, 如图 3-10 所示 同时, 通过设置参数的方法, 也可将机床原点设定在 X Z 坐标的正方向极限位置上 在数控车床上, 机床参考点通常是离机床原点最远的极限点 图 3-11 所示为数控车床的参考点与机床原点 X O 1 O3 Z 1 Z 3 Z X 3 X 1 图 3-10 数控车床的机床原点 Y 3 图 3-12 数控铣床的机床原点 Z3 图 3-11 数控车床的机床原点和参考点 (2) 数控铣床的原点和参考点 在数控铣床上, 机床原点一般取在 X Y Z 坐标的正方向极限位置上, 见图 3-12 在数控铣床上, 机床原点和机床参考点通常是重合的 数控机床开机时, 必须先确定机床原点 一般都是通过控制面板上的回零按钮使运动部件退离到机床参考点的位置 这样通过确认参考点, 就确定了机床原点, 而且测量系统就可以以参考点为基准, 随时测量运动部件的位置 数控机床开机时, 必须先确定机床原点 一般都是通过控制面板上的回零按钮使运动部件退离到机床参

78 第 3 章数控编程基础 37 考点的位置 这样通过确认参考点, 就确定了机床原点, 而且测量系统就可以以参考点为基准, 随时测量运动部件的位置 编程坐标系 编程坐标系和编程原点是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的 编程坐标系一般供编程使用, 确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置 编程坐标系的原点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上, 编程坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致 加工坐标系 1. 加工坐标系的确定 加工坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系 加工原点也称为工作原点, 是指零件被装夹好后, 相应的编程原点在机床坐标系中的位置, 如图 3-13 所示 Y Y' 工作坐标系 X' 工作原点偏置 机床坐标系 X 图 3-13 机床坐标系与工作坐标系 在加工过程中, 数控机床是按照工件装夹好后所确定的加工原点位置和程序要求进行加工的 编程人员在编制程序时, 只要根据零件图样就可以选定编程原点 建立编程坐标系 计算坐标数值, 而不必考虑工件毛坯装夹的实际位置 对于加工人员来说, 则应在装夹工件 调试程序时, 将编程原点转换为加工原点, 并确定加工原点的位置, 在数控系统中给予设定 ( 即给出原点在机床坐标系中的位置 ), 设定加工坐标系后就可根据刀具当前位置, 确定刀具起始点的坐标值 在加工时, 工件各尺寸的坐标值都是相对于加工原点而言的, 这样数控机床就能按照准确的加工坐标系位置开始加工

79 38 数控编程及加工技术 2. 加工坐标系的设定 加工坐标系的设定有如下两种方法 (1) 在机床坐标系中直接设定加工原点 将编程原点相对于机床坐标系的位置参数 X Y Z 的值输入数控装置中, 使用加工坐标系指令 G54~G59 来设定这些值,G54 对应一号工件坐标系, 其余依次对应二号工件以后的工件的坐标系 当一个原点设置完毕之后, 可以用 G53 指令将其注销 G54 指令的编程格式 :G54 X~ Y~ Z~ 例如, 某工件的编程原点在机床坐标系中位置为 mm, mm, mm 则设定加工坐标系的指令语句为 : G54 X Y Z mm (2) 通过刀具起始点来设定加工坐标系 加工坐标系的原点还可设定在相对于刀具起始点的某一符合加工要求的空间点上 当机床开机回参考点之后, 无论刀具运动到哪一点, 数控系统对刀具的位置都是已知的 也就是说, 刀具起始点是一个已知点 G92 为这种方式下设定加工坐标系的指令 G92 指令的编程格式为 : G92 X~ Y~ Z~ 如图 3-14 所示, 在加工坐标系中, 只要确定刀具起始点相对于加工原点的坐标值, 并将该坐标值写入 G92 编程格式中, 因为刀具起始点已知, 加工坐标系在机床坐标中的位置也就间接地确定了 例如 : 在图 3-14 中, 当 a=50 mm,b=50 mm,c=10 mm 时, 试用 G92 指令设定加工坐标系 Y 加工原点 刀具起始点 X Z 图 3-14 通过刀具起始点设定加工坐标系

80 第 3 章数控编程基础 39 设定程序为 : G92 X50 Y50 Z 常用编程指令 数控程序由一系列程序段和程序块构成 每一程序段用于描述机床的一个或几个指定的动作, 比如机床主轴的开 停 换向, 刀具的进给, 冷却液的开 关等 对机床操作的各个动作, 都要用指令的形式给予规定, 我们把这类指令称为功能指令 它们有准备功能 G 指令 辅助功能 M 指令以及 F S T 指令等几种 正确地理解各个功能字的含义, 恰当地使用各种功能字, 按规定的程序指令编写程序, 是编好数控加工程序的关键 国际标准化组织 (ISO) 对数控机床的坐标轴和运动方向 数控程序的编码字符和程序段格式 准备功能和辅助功能指令等制定了若干标准和规范 但由于新型数控系统和数控机床的不断出现, 许多先进的数控系统中的很多功能实际上超出了目前国际上通用的标准, 其指令格式也更加灵活, 不受 ISO 标准的约束 此外, 即使是同一功能, 不同厂商的数控系统采用的指令格式也有一定的差异 尽管如此, 基本的编码字符 准备功能和辅助功能代码, 对于绝大多数数控系统来说均是相同的, 且符合 ISO 标准 下面主要介绍常用的 ( 一般均是标准的 ) 数控编程指令及其格式 准备功能 G 指令 准备功能 G 指令, 用来规定刀具和工件的相对运动轨迹 ( 即指令插补功能 ) 工件坐标系 坐标平面 刀具补偿 坐标偏置等多种操作 G 指令由字母 G 及其后面的二位数字组成, 从 G00 到 G99 共有 100 种 ( 见表 3-2) 不同的数控系统,G 代码的功能可能不同, 具体操作时, 编程人员应以具体数控机床的系统说明书为准 准备功能指令按其功能分为若干组, 不同组的指令可以出现在同一个程序段中, 如果两个或两个以上同组的指令同时出现在一个程序段中, 只有最后一个指令有效 准备功能指令按其在程序中有效性的长短分为两种模态 : 模态指令具有长效性 延续性, 即在同组其他的指令出现之前一直有效, 不受程序段的限制 ; 非模态指令只在当前的程序段有效 下面我们分别介绍每组准备功能 G 指令的作用 1. 与坐标系有关的指令 (1) 绝对坐标指令与相对坐标指令 :G90 G91 运动轨迹移动量的指令方法有绝对指令和增量指令两种

81 40 数控编程及加工技术 所有坐标值均从坐标原点计量的坐标系, 称为绝对坐标系 其移动的尺寸称为绝对尺寸 ( 绝对坐标 ), 所用的编程指令称为绝对指令 运动轨迹的终点坐标是相对于起点计量的坐标系, 称为增量坐标系 ( 或相对坐标系 ), 其移动的尺寸称为增量尺寸 ( 增量坐标 ), 所用的编程指令称为增量指令 在编程时, 可根据需要, 从计算方便 编程方便等方面考虑, 选用不同的坐标系, 但必须给定相应的指令 G90 表示程序段中的坐标字为绝对尺寸,G91 表示程序段中的坐标字为增量尺寸 G90 是以各轴移动的终点位置坐标值编程 G91 是以各轴的移动量直接编程 它们均为续效指令, 具有延续性 在程序中, 绝对尺寸和增量尺寸的使用有两种表示方式 : 1 直接指定绝对坐标或相对坐标, 例如, 图 3-15 中由点 A 移动到点 B, 分别用绝对尺寸指令和相对尺寸指令编程时, 程序如下 : G90 G01 X37.0 Y40.0 F100 或 G91 G01 X12.0 Y15.0 F100 这种方式的特点是同一个程序段中只能用绝对坐标和相对坐标中的一种, 不能混用 ; 同一坐标轴方向的尺寸字的地址符是相同的 2 用尺寸字的地址符指定输入的是绝对坐标还是相对坐标 绝对尺寸的尺寸字的地址符用 X Y Z 增量尺寸的尺寸字的地址符用 U V W 这种表达方式的特点是同一程序段中绝对尺寸和增量尺寸可以混用, 这给编程带来很大方便 值得注意的是, 使用相对坐标编程时, 第一个入刀点的坐标还是使用绝对坐标来表示的 (2) 预置寄存指令 :G92 预置寄存指令是按照程序规定的尺寸字值, 通过当前刀具所在位置来设定加工坐标系的原点 这一指令不产生机床运动 编程格式 :G92 X~ Y~ Z~ 式中 :X Y Z 的值是当前刀具位置相对于加工原点位置的值 例 : 建立图 3-16 所示的加工坐标系当前的刀具位置点在 A 点时 :G92 X10.0 Y12.0 当前的刀具位置点在 B 点时 :G92 X30.0 Y37.0 (3) 坐标平面指令 :G17 G18 G19 G17 G18 G19 分别表示在 XY ZX YZ 坐标平面内进行加工, 如图 3-16 所示,G17 表示在 XY 平面内加工,G18 表示在 XZ 平面内加工,G19 表示在 YZ 平面内加工 对于三坐标的铣床和加工中心, 这些指令常用于确定圆弧插补平面 刀具半径补偿平面, 它们均为续效指令 有的数控机床只在一个平面内加工, 例如数控车床只在 XZ 平面内加工, 则

82 第 3 章数控编程基础 41 在程序中不必加入坐标平面指令 一般情况下, 数控车床默认在 ZX 平面内加工, 数控铣床默认在 XY 平面内加工 Y Y 1 B Z YZ A X 1 XZ Y XY X X 图 3-15 绝对坐标和增量 ( 相对 ) 坐标 图 3-16 加工平面 2. 与刀具运动方式有关的指令 (1) 快速点定位指令 :G00 G00 指令使刀具以点位控制方式从刀具所在点以最快速度移动到另一点 指令执行开始后, 刀具沿着各个坐标方向同时按参数设定的速度移动, 最后到达终点 有时坐标方向上可能不是同时到达终点, 刀具移动轨迹是几条线段的组合, 不是一条直线 例如, 有些系统中, 其移动轨迹通常是以立方体的对角线三轴联动, 然后以正方形的对角线二轴联动, 最后一轴移动 编程人员应了解所使用的数控系统的刀具移动轨迹情况, 以避免加工中可能出现的碰撞 在图 3-17 中, 刀具从 A(45.0,65.0,0) 移动到 C(35.0,55.0,0) 之后, 再平移到 B 点,G00 一般用于加工之前刀具进入刀具原点 加工期间的换刀等情况下 G00 是模态指令, 只有在指令了 G01 G02 或 G03 后,G00 才无效 指令了 G00 的程序段不需要指定进给速度 F, 如果指定了, 则视为无效 G00 移动的速度已由机床生产厂家设定好, 一般不允许修改 编程格式 :G00 X~ Y~ Z~ 式中 :X Y Z 的值是快速点定位的终点坐标值 例 : 如图 3-18 从 A 点到 B 点快速移动的程序段为 : G90 G00 X35.0 Y35.0

83 42 数控编程及加工技术 Y C A Y A B B X X 图 3-17 快速定位的刀具轨迹图 图 3-18 刀具快速定位 (2) 直线插补指令 :G01 G01 指令用于控制数控机床以坐标轴联动的方式, 按程序段中规定的进给速度 F, 插补加工出任意斜率的空间直线 刀具的当前位置是直线的起点, 在程序段中指定的是终点的坐标值 在 G01 程序段中必须指定进给速度 F, 且 G01 与 F 都是续效指令 编程格式 :G01 X~ Y~ Z~ F~ 式中 :X Y Z 的值是直线插补的终点坐标值 例 : 实现图 3-19 中从 A 点到 B 点的直线插补运动, 其程序段为 : 绝对方式编程 :G90 G01 X35.0 Y35.0 F100 增量方式编程 :G91 G01 X 10.0 Y 30.0 F100 (3) 圆弧插补指令 :G02 G03 G02 为按指定进给速度的顺时针圆弧插补 G03 为按指定进给速度的逆时针圆弧插补 在判断顺 逆方向时, 沿着不在圆弧平面内的坐标轴, 由正方向向负方向看, 顺时针方向 G02, 逆时针方向 G03, 如图 3-20 所示 圆弧插补程序段应包括圆弧的顺逆指令 圆弧的终点坐标以及圆心坐标 ( 或半径 ), 其程序格式如下所示 G02 G03 指令格式为 : XY 平面 : G17 G02 X~ Y~ I~ J~ (R~) F~ G17 G03 X~ Y~ I~ J~ (R~) F~ ZX 平面 : G18 G02 X~ Z~ I~ K~ (R~) F~

84 第 3 章数控编程基础 43 G18 G03 X~ Z~ I~ K~ (R~) F~ YZ 平面 : G19 G02 Z~ Y~ J~ K~ (R~) F~ G19 G03 Z~ Y~ J~ K~ (R~) F~ 说明 : 在数控车床中,G18 可省略 ; 在数控铣床 ( 或加工中心 ) 中,G17 可省略 Y A Y B X X Z 图 3-19 直线插补运动 图 3-20 圆弧顺逆方向的判别 R 是圆弧半径, 当圆弧所对应的圆心角小于 180 时,R 取正值 ; 当圆心角等于或大于 180 时,R 取负值, 如图 3-21 所示 X Y Z 是圆弧终点坐标值, 其值可以用绝对坐标, 也可以用增量坐标 I J K 分别表示圆心相对于圆弧始点在 X Y Z 轴方向的坐标增量, 其值与 G90 无关 在同一程序段中,I J K 如与 R 同时出现, 则 R 有效,I J K 无效 例 : 在图 3-22 中, 当圆弧的起点为 A, 终点为 B 时, 圆弧插补程序段为 : G02 X18.3 Y35.0 I 18.9 J 9.6 F50 或 G02 X18.3 Y35.0 R21.1 F50 当圆弧的起点为 B, 终点为 A 时, 圆弧插补程序段为 : G03 X45.0 Y65.0 I7.8 J10.4 F50 或 G03 X45.0 Y65.0 R21.1 F50 应当注意, 用 R 编程时, 不能加工整圆 ( 即封闭圆 ), 加工整圆时, 只能用圆心坐标 I J K 编程

85 44 数控编程及加工技术 Y Y O 1 A 终点 半径取正 B 起点 半径取负 O X O X 图 3-21 圆弧半径的正负 图 3-22 圆弧插补运动 (4) 暂停 ( 延迟 ) 指令 :G04 暂停指令 G04 使进给运动暂时停止, 但主轴仍然在转动, 经过指定的暂停时间, 再继续执行下一个程序段 编程格式 :G04 其中 代表地址符, 常用 F X 或 P 表示 后面的暂停时间单位为 s 或 ms, 也可以是刀具或工件的转数 不同的数控系统有不同的规定 此功能常用于切槽 钻孔到孔底 锪平底孔等对粗糙度有一定要求的场合 3. 与刀具补偿有关的 G 指令 (1) 刀具半径补偿指令 :G41 G42 G40 在零件轮廓铣削加工时, 由于刀具半径尺寸的影响, 刀具的中心轨迹与零件轮廓会产生不一致 为了避免刀具半径尺寸的影响, 编程者可以不必根据刀具半径求出刀具中心的运动轨迹, 直接按零件图样上的轮廓尺寸编程即可, 现代数控系统都提供了刀具半径补偿功能, 使编程工作大大简化了 另外, 可以通过刀具半径补偿功能很方便地留出加工余量, 先进行粗加工, 再进行精加工, 以及补偿由于刀具磨损等因素造成的误差, 提高零件的加工精度 G41 为左偏刀具半径补偿, 定义为假设工件不动, 沿刀具运动方向向前看, 刀具在零件左侧的刀具半径补偿, 若偏在右边, 则用 G42 指令 G41 G42 是续效指令 需用 G40 进行注销, 即当 G41 或 G42 程序完成后用 G40 程序段消除偏置值, 从而使刀具中心与编程轨迹重合 应用刀具半径补偿指令加工时, 刀具的中心始终与工件轮廓相距一个刀具半径距离 当刀具磨损或刀具重磨后, 刀具半径变小, 只需在刀具补偿值中输入改变后的刀具半径,

86 第 3 章数控编程基础 45 而不必修改程序 在采用同一把半径为 R 的刀具, 并用同一个程序进行粗 精加工时, 设精加工余量为 Δ, 则粗加工时设置的刀具半径补偿量为 R+Δ, 精加工时设置的刀具半径补偿量为 R, 就能在粗加工后留下精加工余量 Δ, 然后, 在精加工时完成切削 运动情况如图 3-23 所示 粗加工 精加工 R 编程格式 : 图 3-23 通过刀具半径补偿实现粗精加工 G00/G01 G41/G42 X~ Y~ H~ G00/G01 G40 X~ Y~ // 建立补偿程序段 // 轮廓切削程序段 // 补偿撤消程序段 其中 :G41/G42 程序段中的 X Y 值是建立补偿直线段的终点坐标值 ; G40 程序段中的 X Y 值是撤消补偿直线段的终点坐标 ; H 为刀具半径补偿代号地址字, 后面一般用两位数字表示代号, 代号与刀具半径值一一对应 如果用 H00 也可取消刀具半径补偿 例 : 图 3-24 为刀具半径补偿示例 Y X 图 3-24 刀具半径补偿

87 46 数控编程及加工技术 G01 G42 D01 X15.0 Y20.0 F100 ; // 刀具右偏补偿, 切削速度为 100 mm/min X65.0 ; // 刀具运动到 (65,20) Y50.0 ; // 刀具运动到 (65,50) X15.0 ; // 刀具运动到 (15,50) Y20.0 ; // 刀具运动到 (15,20) G40 X0.0 Y0.0 ; // 取消刀具左偏补偿命令, 刀具运动回原点注意 : 建立补偿的程序段, 必须是在补偿平面内长度不为零的直线移动中完成 建立补偿的程序段, 一般应在切入工件之前完成 ; 撤销补偿的程序段, 一般应在切出工件之后完成 一般刀具半径补偿量的改变, 是在补偿撤销的状态下重新设定刀具半径补偿量 如果在已补偿的状态下改变补偿量, 则程序段的终点是按该程序段所设定的补偿量来计算的, 如图 3-25 所示 由 N7 决定由 N6 决定刀具中心轨迹 N7 N8 N6 编程轨迹 图 3-25 刀具半径补偿量的改变 刀具半径补偿量的符号一般为正, 若刀具半径补偿量取为负值时, 会引起刀具半径补偿指令 G41 与 G42 的互换 通常出现以下两种情况时会发生过切现象 : 刀具半径大于所加工工件内轮廓圆角半径时, 如图 3-26 所示 ; 刀具直径大于所加工沟槽宽度时, 如图 3-27 所示 图 3-26 刀具半径大于内轮廓圆角半径 图 3-27 刀具直径大于沟槽宽度

88 第 3 章数控编程基础 47 (2) 刀具长度补偿指令 :G43 G44 刀具长度补偿指令一般用于刀具轴向 (Z 方向 ) 的补偿 当所选的刀具长度不同或者需要进行刀具轴向进刀补偿时, 需使用该指令 它可以使刀具在 Z 方向上的实际位移量大于或小于程序给定值 即实际位移量 = 程序给定值 + 补偿值 G43 为正补偿, 即将 Z 坐标尺寸字与 H 代码中长度补偿的量相加, 按其结果进行 Z 轴运动 G44 为负补偿, 即将 Z 坐标尺寸字与 H 代码中长度补偿的量相减, 按其结果进行 Z 轴运动 G49 为撤消补偿 编程格式为 : G01 G43/G44 Z~ H~ ; ; ; // 建立补偿程序段 // 切削加工程序段 G49 ; // 补偿撤消程序段 4. 与固定循环有关的 G 指令 某些典型的切削工艺过程是由几个固定的连续动作组合而成的, 如钻孔, 由快速接近工件 慢速钻孔 快速退回 3 个固定动作完成 如果将这些典型的 固定的几个连续动作, 用一条固定循环指令去执行, 则将大大简化程序 因此, 许多数控机床设置了一些典型加工的固定循环指令, 如钻孔指令 :G81; 攻螺纹指令 :G84; 铰孔指令 :G85 固定循环指令一般先给出固定循环 G 指令, 再输入工艺参数 尺寸参数 编程格式 :G81 F~ S~ Z~ F~ Z~ 其中 : 第一个 F 为进给速度,S 为主轴转速, 第一个 Z 为钻孔深度, 第二个 F 为停留时间, 第二个 Z 为推刀距离 一般数控系统以 G80~G89 作为固定循环指令 在数控车床系统中, 一般以 G33~G35 和 G70~G79 作为固定循环指令, 例如等距螺纹切削指令 :G33 实际应用时, 应参阅具体数控系统的指令说明 辅助功能 M 指令 辅助功能指令是用地址字 M 及二位数字来表示的 它主要用于数控机床开 关量的控制, 如主轴的正 反转, 冷却液的开 停, 工件的夹紧 松开, 刀具的更换 程序结束等 ( 见表 3-3) M 指令也有续效指令和非续效指令, 这类指令与机床的插补运算无关 下面介绍常用的辅助功能指令 (1) 程序停止指令 M00 M00 实际上是一个暂停指令 当执行有 M00 指令的程序

89 48 数控编程及加工技术 段后, 主轴停转 进给停止 切削液关 程序停止 程序运行停止后, 当时的模态信息全部被保存, 利用机床的 启动 键, 可使机床继续运转 该指令经常用于加工过程中测量工件的尺寸 工件调头 换刀 手动变速等固定操作 (2) 选择停止指令 M01 该指令的作用和 M00 相似, 但它必须是在预先按下操作面板上的 选择停止 按钮并执行到 M01 指令的情况下, 才会停止执行程序 如果不按下 选择停止 按钮,M01 指令无效, 程序继续执行 该指令常用于工件关键性尺寸的停机抽样检查等, 当检查完毕后, 按 启动 键可继续执行以后的程序 (3) 程序结束指令 M02 当全部程序结束后, 用此指令可使主轴 进给及切削液全部停止, 数控系统处于复位状态 (4) 与主轴有关的指令 M03 M04 M05 M03 表示主轴正转,M04 表示主轴反转,M05 为主轴停止 所谓主轴正转, 是从主轴向 Z 轴正向看, 主轴顺时针转动 ; 而反转时, 观察到的转向则相反 主轴停止是在该程序段其他指令执行完后才执行的 (5) 换刀指令 M06 M06 是手动或自动换刀指令 它不包括刀具选择功能, 常用于加工中心换刀前的准备工作 (6) 与切削液有关的指令 M07 M09 M07 为切削液开,M09 为切削液关 (7) 夹紧和松开指令 M10 M11 M10 和 M11 分别用于机床的滑座 工件 夹具的夹紧和松开 (8) 与主轴 切削液有关的复合指令 M13 M14 M13 为主轴正转, 切削液开 ; M14 为主轴反转, 切削液开 (9) 主轴定向停止指令 M19 M19 使主轴停止在预定的位置上 (10) 程序结束指令 M30 在完成程序的所有指令后, 使主轴 进给和切削液都停止, 并使机床及控制系统复位 M30 与 M02 基本相同, 但 M30 能自动返回程序起始位置, 为加工下一个工件作好准备 (11) 与子程序有关的指令 M98 M99 M98 为调用子程序指令,M99 为子程序结束并返回到主程序 注意 : 在一个程序段中只能指令一个 M 指令, 如果在一个程序段中同时指令了两个或两个以上的 M 指令时, 则只有最后一个 M 指令有效, 其余的 M 指令无效 有的数控系统对两个或两个以上的 M 指令不能执行, 并出现报警 F S T 指令 (1) 进给速度指令 F 进给速度指令用字母 F 及其后面的若干位数字来表示, 单位为 mm/min 或 mm/r 例如,F150 表示进给速度为 150 mm/min (2) 主轴转速指令 S 主轴转速指令用字母 S 及其后面的若干位数字来表示, 单位为 r/min 例如,S300 表示主轴转速为 300 r/min 现在大多数数控机床都采用直接给出主

90 第 3 章数控编程基础 49 轴转速数值的方法 在一些经济型数控机床中, 有的采用代码法, 用 M 及后面的两位数字来表示, 其中后面的两位数字并不代表真实的转速, 只代表主轴转速代码 有的采用手动换速, 在编程时要注意所给的转速必须与车床换速挡上所标注的数值相同, 否则系统将不执行, 而出现报警, 如车床换速挡上标注的速度有 450 r/min, 没有 500 r/min, 那么在编程时只能用 S450 (3) 刀具号指令 T 在自动换刀的数控机床中, 该指令用以选择所需的刀具 在多道工序加工时, 必须选取合适的刀具 每把刀具应安排一个刀号, 刀号在程序中指定 刀具用字母 T 及其后面的两位数字表示, 即 T00~T99, 因此, 最多可换 100 把刀 如 T06 表示第 6 号刀具 3.4 手工编程实例 例 : 如图 3-28 所示为一平面轮廓加工示意图, 加工程序为 : % O001 N0 G90 G54 G00 Z60.0; N5 S1000 M03; N10 X0.0 Y0.0 Z60.0; N15 Z50.0; N20 Z10.0; N25 G01 Z0.0 F100; N30 G41 D0 X10.0 Y10.0 F200; N35 Y50.0; N40 X100.0; N45 G02 X100.0 Y10.0 I0.0 J-20.0; N50 G01 X10.0; N55 G40 X0.0 Y0.0; N60 Z50.0 F800; N65 G00 Z60.0; N70 M05; N75 M30; % 平面凹槽如图 3-29 和图 3-30 所示 在加工平面凹槽时我们可以考虑做成多次走刀

91 50 数控编程及加工技术 Y X 图 3-28 平面轮廓加工示意图 图 3-29 平面凹槽示意图 ( 一 ) 图 3-30 平面凹槽示意图 ( 二 )