内容简介本书是根据 全国机械类专业应用型本科人才培养目标及基本规格 的要求编写的, 内容全面 系统, 重点突出, 力求体现先进性 实用性 全书共 6 章, 包括绪论 数控加工工艺分析与程序编制 计算机数控系统 数控机床伺服系统 数控机床机械机构 数控机床的保养与维修 每章均有一定数量的思考题与习题,

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1 21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 机床数控技术 主 编 杜国臣 王士军 副主编 苗满香 潘旭红 参 编 王万新 李 杰 主 审 韩建海 参

2 内容简介本书是根据 全国机械类专业应用型本科人才培养目标及基本规格 的要求编写的, 内容全面 系统, 重点突出, 力求体现先进性 实用性 全书共 6 章, 包括绪论 数控加工工艺分析与程序编制 计算机数控系统 数控机床伺服系统 数控机床机械机构 数控机床的保养与维修 每章均有一定数量的思考题与习题, 书后还有 机床数控技术 缩略语英汉对照及常用刀具的切削参数两个附录 本书可作为应用型本科院校的机械工程及其自动化 机械设计制造及其自动化 机电一体化等专业教材, 也可作为成人高等教育的同类专业教材用书, 还可作为广大自学者及工程技术人员的自学参考书 市版权局著作权合同登记号图字 : 号图书在版编目 (CIP) 数据机床数控技术 / 杜国臣, 王士军主编. 北京 : 中国林业出版社 ; 北京大学出版社, (21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 ) ISBN Ⅰ. 机 Ⅱ. 1 杜 2 王 Ⅲ. 数控机床 高等学校 教材 Ⅳ. TG659 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2006) 第 号 书 名 : 机床数控技术 著作责任者 : 杜国臣王士军主编 策划编辑 : 李昱涛 责任编辑 : 郭穗娟杜娟 标准书号 :ISBN 出版者 : 中国林业出版社 ( 地址 : 北京市西城区德内大街刘海胡同 7 号 邮编 :100009) cfphz@public.bta.net.cn 电话 : 编辑部 营销中心 : 北京大学出版社 ( 地址 : 北京市海淀区成府路 205 号 邮编 :100871) pup_6@163.com 电话 : 邮购部 发行部 编辑部 出版部 印刷者 : 发行者 : 北京大学出版社中国林业出版社 经销者 : 新华书店 787 毫米 1092 毫米 16 开本 22 印张 506 千字 2006 年 8 月第 1 版 2006 年 8 月第 1 次印刷 定 价 :31.00 元

3 目 录 第 1 章绪论 概述 数控机床的定义 数控机床的组成及特点 数控机床的主要技术参数 数控机床的分类 按机械运动轨迹分类 按伺服系统的类型分类 按功能水平分类 按加工方式分类 数控机床的发展与作用 数控机床的产生与发展 数控机床的发展趋势 数控机床在先进制造技术中的作用 小结 思考题与习题 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 数控加工工艺分析 机床的合理选用 数控加工工艺性分析 加工方法与加工方案的确定 工序与工步的划分 零件的定位与安装 数控加工刀具与工具系统 切削用量的确定 数控加工路线的确定 工艺文件的制定 图形的数学处理 基点计算 节点计算 辅助计算 数控加工的程序编制 数控机床编程基础... 44

4 VI 机床数控技术 数控车削加工程序编制 数控铣削加工程序编制 加工中心程序编制 自动编程简介 小结 思考题与习题 第 3 章计算机数控系统 概述 CNC 系统的组成 CNC 系统的功能和一般工作过程 CNC 系统的硬件结构 单 CPU 结构 CNC 系统的硬件结构 多 CPU 结构 CNC 系统的硬件结构 开放式 CNC 系统 CNC 系统的软件结构 CNC 系统的软件结构特点 CNC 系统的软件结构模式 计算机数控中的可编程逻辑控制器 PLC 及其工作过程 PLC 在数控机床上的应用 CNC 系统的输入 / 输出与通信 CNC 装置的输入 / 输出和通信要求 CNC 系统常用外部设备及接口 CNC 装置的插补原理 基准脉冲插补 数据采样插补 刀具补偿功能 进给速度与加 / 减速控制 典型数控系统分析实例 概述 FANUC 数控系统 小结 思考题与习题 第 4 章数控机床伺服系统 概述 驱动电动机 步进电动机 VI

5 目录 VII 伺服电动机 直线电动机 数控机床常用检测装置 概述 旋转编码器 旋转变压器 感应同步器 光栅尺 磁栅 位置控制和速度控制 位置控制 速度控制 小结 思考题与习题 第 5 章数控机床机械机构 概述 数控机床的主传动系统 数控机床主传动系统要求 数控机床主轴的调速方法 数控机床的主轴部件 数控机床的进给传动系统 数控机床进给传动系统要求 滚珠丝杠螺母副 直线电动机进给系统 数控机床的导轨 自动换刀装置 数控车床的回转刀架 加工中心的自动换刀装置 数控机床的主要辅助装置 数控回转工作台 分度工作台 数控机床的其他进给传动设计 小结 思考题与习题 第 6 章数控机床的保养与维修 概述 数控机床的保养 VII

6 VIII 机床数控技术 6.3 数控机床的故障诊断与维修 数控机床的故障诊断概述 数控机床常用的故障诊断方法 数控系统的故障诊断与维修 伺服系统的故障诊断与维修 数控机床的故障分析与维修实例 数控车床的故障分析与维修 伺服系统的故障分析与维修 小结 思考题与习题 附录 1 机床数控技术 缩略语英汉对照 附录 2 常用刀具的切削参数 参考文献 VIII

7 第 1 章绪 论 教学提示 : 数控机床是采用数字控制技术对机床各移动部件相对运动进行控制的机床, 它是典型的机电一体化产品, 是现代制造业的关键设备 计算机 微电子 信息 自动控制 精密检测及机械制造技术的高速发展, 加速了数控机床的发展 目前数控机床正朝着高速度 高精度 高工序集中度 高复合化和高可靠性等方向发展, 同时其应用范围也越来越广泛 教学要求 : 本章主要讲述数控机床的基本概念和特点 主要技术参数 分类以及技术与发展水平等 本章内容是数控机床的基本知识和内容, 要求学生理解并掌握数控机床的基本概念 组成与特点以及分类, 了解其发展趋势和在先进制造技术中的作用 1.1 概述 数控机床的定义数控即数字控制 (Numerical Control,NC) 数控技术是指用数字信号形成的控制程序对一台或多台机械设备进行控制的一门技术 数控机床, 简单的说, 就是采用了数控技术的机床 即将机床的各种动作 工件的形状 尺寸以及机床的其他功能用一些数字代码表示, 把这些数字代码通过信息载体输入给数控系统, 数控系统经过译码 运算以及处理, 发出相应的动作指令, 自动地控制机床的刀具与工件的相对运动, 从而加工出所需要的工件 实际上, 数控机床就是一种具有数控系统的自动化机床 所以说数控机床是最典型的机电一体化产品 数控机床的组成及特点 1. 数控机床的组成数控机床主要由程序介质 数控装置 伺服系统 机床主体四部分组成, 如图 1.1 所示 图 1.1 数控机床的组成

8 2 机床数控技术 其中, 程序介质用于记载机床加工零件的全部信息 如零件加工的工艺过程 工艺参数 位移数据 切削速度等 常用的程序介质有磁带 磁盘等 也有一些数控机床采用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接输入或通过串行接口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统 在计算机辅助设计与计算机辅助制造 (CAD/CAM) 集成系统中, 加工程序可不需要任何载体而直接输入到数控系统 数控装置是控制机床运动的中枢系统, 它的基本任务是接收程序介质带来的信息, 按照规定的控制算法进行插补运算, 把它们转换为伺服系统能够接收的指令信号, 然后将结果由输出装置送到各坐标控制的伺服系统 伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成, 是数控系统的执行部件 它的基本作用是接收数控装置发来的指令脉冲信号, 控制机床执行部件的进给速度 方向和位移量, 以完成零件的自动加工 通常数控系统由数控装置和伺服系统两部分组成, 各公司的数控产品也是将两者作为一体的 机床主体也称主机, 包括机床的主运动部件 进给运动部件 执行部件和基础部件, 如底座 立柱 滑鞍 工作台 ( 刀架 ) 导轨等 数控机床与普通机床不同, 它的主运动和各个坐标轴的进给运动都是由单独的伺服电动机驱动, 所以它的传动链短 结构比较简单 为了保证数控机床的快速响应特性, 在数控机床上还普遍采用精密滚珠丝杠副和直线滚动导轨副 在加工中心上还配备有刀库和自动换刀装置 同时还有一些良好的配套设施, 如冷却 自动排屑 自动润滑 防护和对刀仪等, 以利于充分发挥数控机床的功能 此外为了保证数控机床的高精度 高效率和高自动化加工, 数控机床的其他机械结构也产生了很大的变化 2. 数控机床的特点数控机床与普通机床加工零件的区别, 在于数控机床是按照程序自动加工零件, 而普通机床由工人手工操作来加工零件 在数控机床上只要改变控制机床动作的程序, 就可以达到加工不同零件的目的 由于是一种程序控制过程, 数控机床相应形成了以下几个特点 (1) 采用数控机床可以提高零件的加工精度 稳定产品的质量 因为数控机床按照预定的加工程序进行加工, 加工过程中消除了操作者人为的操作误差, 所以零件加工的一致性好, 而且加工精度还可以利用软件来进行校正补偿, 因此可以获得比机床本身所能达到的精度还要高的加工精度及重复定位精度 (2) 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的具有复杂曲面的零件的加工 因此它在航空航天 造船 模具等加工业中得到广泛应用 (3) 采用数控机床比普通机床可以提高生产效率 2~3 倍, 尤其是对某些复杂零件的加工, 生产效率可以提高十几倍甚至几十倍 (4) 可以实现一机多用 一些数控机床将几种普通机床功能合一, 加上刀库与自动换刀装置构成加工中心, 如果能配置数控转台或分度转台, 则可以实现一次安装 多面加工 (5) 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展, 为实现生产过程自动化创造了条件 2

9 第 1 章绪论 数控机床的主要技术参数 1. 主要规格尺寸 数控车床的主要规格尺寸有床身上最大工件回转直径 刀架上最大工件回转直径 加工最大工件长度 最大车削直径等 数控铣床 加工中心的主要规格尺寸有工作台面尺寸 工作台 T 形槽 工作行程等 2. 主轴系统 数控机床主轴采用直流或交流电动机驱动, 具有较宽的调速范围和较高的回转精度, 主轴本身的刚度与抗振性比较好 现在数控机床的主轴转速普遍能达到 5000r/min~ 10000r/min 甚至更高, 对提高加工质量和各种小孔加工极为有利 ; 主轴转速可以通过操作面板上的转速倍率开关直接改变 3. 进给系统 进给系统有进给速度范围 快速 ( 空行程 ) 速度范围 运动分辨率 ( 最小位移增量 ) 定位精度和螺距范围等主要技术参数 (1) 进给速度 是影响加工质量 生产效率和刀具寿命的主要因素, 直接受到数控装置运算速度 机床动特性和工艺系统刚度的限制 其中, 最大进给速度为加工的最大速度, 最大快进速度为不加工时移动的最快速度 进给速度可通过操作面板上的进给倍率开关调整 (2) 脉冲当量 ( 分辨率 ) 是指两个相邻分散细节之间可以分辨的最小间隔, 是重要的精度指标 其有两个方面的内容, 一是机床坐标轴可达到的控制精度 ( 可以控制的最小位移增量 ), 表示数控装置每发出一个脉冲信号时坐标轴移动的距离, 称为实际脉冲当量或外部脉冲当量 ; 二是内部运算的最小单位, 称之为内部脉冲当量, 一般内部脉冲当量比实际脉冲当量设置的要小, 目的是在运算过程中不损失精度 数控系统在输出位移量之前, 自动将内部脉冲当量转换成外部脉冲当量 实际脉冲当量决定于丝杠螺距 电动机每转脉冲数及机械传动链的传动比, 其计算公式为丝杠螺距实际脉冲当量 = 传动比 电动机每转脉冲数脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一, 其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量 目前数控机床的脉冲当量一般为 0.001mm, 精密或超精密数控机床的脉冲当量为 0.1 µm 脉冲当量越小, 数控机床的加工精度和加工表面质量越高 (3) 定位精度和重复定位精度 定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度 因此移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差 定位误差包括伺服系统误差 检测系统误差 进给系统误差和移动部件导轨的几何误差等 定位误差将直接影响零件加工的位置精度 重复定位精度是指在同一台数控机床上, 应用相同程序 相同代码加工一批零件, 所得到的连续结果的一致程度 重复定位精度受伺服系统特性 进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响 一般情况下, 重复定位精度是成正态分布的偶然性误差, 它影响 3

10 4 机床数控技术 一批零件加工的一致性, 是一项非常重要的性能指标 对于中小型数控机床, 定位精度普遍可达 ±0.01mm, 重复定位精度为 ±0.005mm 4. 刀具系统数控车床刀具系统的主要技术参数包括刀架工位数 工具孔直径 刀杆尺寸 换刀时间 重复定位精度等各项内容 加工中心刀库容量与换刀时间直接影响其生产率, 通常中小型加工中心的刀库容量为 16~60 把, 大型加工中心可达 100 把以上 换刀时间是指自动换刀系统将主轴上的刀具与刀库中刀具进行交换所需要的时间 1.2 数控机床的分类 数控机床种类很多, 规格不一, 人们从不同的角度对其进行了分类 按机械运动轨迹分类数控机床按其刀具与工件相对运动的方式, 可以分为点位控制 直线控制和轮廓控制 1. 点位控制数控机床 这类数控机床的特点是要求保证点与点之间的准确定位 它只能控制行程的终点坐标值, 对于两点之间的运动轨迹不作严格要求 对于点位控制的孔加工机床只要求获得精确的孔系坐标, 在刀具运动过程中, 不进行切削加工 如图 1.2 所示为点位控制钻孔加工示意图 此类数控机床有数控钻床 数控镗床 数控冲床 三坐标测量机 印制电路板钻床等 图 1.2 点位控制钻孔加工示意图 2. 直线控制数控机床这类数控机床的特点是不仅要控制行程的终点坐标值, 还要保证在两点之间机床的刀具走的是一条直线, 而且在走直线的过程中往往要进行切削 如图 1.3 所示为直线控制切削加工示意图 此类数控机床有数控车床 数控铣床 数控磨床 数控镗床等 现代组合机床采用数控技术, 驱动各种动力头 多轴箱轴向进给钻 镗 铣等加工, 也算是一种直线控制数控机床 直线控制也称为单轴数控 3. 轮廓控制数控机床这类数控机床的特点是不仅要控制行程的终点坐标值, 还要保证两点之间的轨迹要按一定的曲线进行 即这种系统必须能够对两个或两个以上坐标方向的同时运动进行严格的连续控制 如图 1.4 所示为轮廓控制铣削加工示意图 现代数控机床绝大部分都具有两坐标或两坐标以上联动的功能, 除此之外还具有刀具半径补偿 刀具长度补偿 机床轴向运动误差补偿 丝杠螺距误差补偿 齿侧间隙误差补偿等一系列功能 4

11 第 1 章绪论 5 图 1.3 直线控制切削加工示意图 图 1.4 轮廓控制铣削加工示意图 按伺服系统的类型分类 1. 开环伺服系统数控机床这类机床没有来自位置传感器的反馈信号, 数控系统将零件程序处理后, 输出数字指令信号给伺服系统, 驱动机床运动 例如采用步进电动机的伺服系统就是一个开环伺服系统, 如图 1.5 所示 图 1.5 开环伺服系统这类机床的优点是结构简单 较为经济 维护维修方便, 但是速度及精度低, 适于精度要求不高的中小型机床, 多用于对旧机床的数控化改造 2. 闭环伺服系统数控机床这类机床上装有位置检测装置, 直接对工作台的位移量进行测量 数控装置发出进给信号后, 经伺服驱动使工作台移动 ; 位置检测装置检测出工作台的实际位移, 并反馈到输入端, 与指令信号进行比较, 驱使工作台向其差值减小的方向运动, 直到差值等于零为止 图 1.6 所示为闭环伺服系统 图 1.6 闭环伺服系统 5

12 6 机床数控技术 这类数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响, 从而得到很高的精度 但是由于很多机械传动环节包括在闭环控制的环路内, 各部件的摩擦特性 刚性以及间隙等都是非线性量, 直接影响到伺服系统的调节参数 因此, 闭环伺服系统的设计和调整都非常困难 闭环伺服系统的优点是精度高 但其系统设计和调整困难 结构复杂 成本高, 主要用于一些精度要求很高的镗铣床 超精密车床 超精密铣床 加工中心等 3. 半闭环伺服系统数控机床这类数控机床采用安装在进给丝杠或电动机端头上的转角测量元件测量丝杠旋转角度, 来间接获得位置反馈信息 图 1.7 所示为半闭环伺服系统 图 1.7 半闭环伺服系统这种系统的闭环环路内不包括丝杠 螺母副及工作台, 因此可以获得稳定的控制特性 而且由于采用了高分辨率的测量元件, 可以获得比较满意的精度及速度 大多数数控机床采用半闭环伺服系统, 如数控车床 数控铣床 加工中心等 按功能水平分类数控机床按功能水平分为高 中 低档三类 数控机床功能水平的高低主要由它们的主要技术参数 功能指标和关键部件的功能水平等决定, 主要包括以下内容 1. 中央处理单元 (CPU) 低档数控机床一般采用 8 位 CPU; 而中 高档数控机床已经由 16 位 CPU, 发展到 32 位或 64 位 CPU, 并用具有精简指令集 (RISC) 的 CPU 2. 分辨率和进给速度低档数控机床的分辨率为 10 µm, 进给速度为 6m/min~15m/min; 中档数控机床的分辨率为 1 µm, 进给速度为 12m/min~24m/min; 高档数控机床的分辨率为 0.1 µm 或更小, 进给速度为 24m/min~100m/min, 或更高 3. 多轴联动功能低档数控机床多为 2~3 轴联动 ; 中 高档数控机床则都是 3~5 轴联动, 或更多 4. 显示功能低档数控机床一般只有简单的数码显示或简单的阴极射线管 (CRT) 字符显示功能 ; 中档数控机床有较齐全的 CRT 显示功能, 如字符 图形 人机对话 自诊断等功能显示 ; 高档 6

13 第 1 章绪论 7 数控机床还有三维动态图形显示功能 5. 通信功能低档数控机床无通信功能 ; 中档数控机床有 RS232C 或直接数控 (DNC, 也称群控 ) 等接口 高档数控机床有制造自动化协议 (MAP) 等高性能通信接口, 且具有联网功能 数控机床按功能水平的另一种分类是将数控机床分为经济 ( 简易 ) 型 普及 ( 全功能 ) 型和高档型 全功能型机床并不追求过多功能, 以实用为准, 也称为标准型 经济型数控机床是根据实际机床的使用要求制造的, 并合理地简化了系统, 降低了价格 在我国, 经济型数控机床是指装备了功能简单 价格低 使用方便的低档数控系统的机床, 主要用于车床 线切割机床及其他普通机床的数控化改造等 按加工方式分类 1. 金属切削类数控机床如数控车床 数控钻床 数控磨床 数控铣床 数控齿轮加工机床 加工中心 虚拟轴加工机床等 2. 金属成型类数控机床如数控折弯机 数控弯管机 数控冲床 数控回转头压力机等 3. 数控特种加工机床如数控线切割机床 数控电火花成型机 数控激光切割机 数控火焰切割机等 1.3 数控机床的发展与作用 数控机床的产生与发展科学技术和社会生产的不断发展, 对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求 机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一 它不仅能够提高产品的质量和生产效率 降低生产成本, 还能够大大改善工人的劳动条件 许多生产企业 ( 例如汽车 拖拉机 家用电器等制造厂 ) 已经采用了自动机床 组合机床和专用自动生产线 采用这种高度自动化和高效率的设备, 尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间, 但在大批量的生产条件下, 由于分摊在每一个工件上的费用很少, 经济效益仍然是非常显著的 但是, 在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量, 单件与小批生产的零件 ( 批量在 10~100 件 ) 占机械加工总量的 80% 以上 尤其是在造船 航空航天 机床 重型机械以及国防部门, 其生产特点是加工批量小 改型频繁 零件的形状复杂而且精度要求高, 采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合适, 因为生产过程中需要经常改装与调整设备, 对于专用生产线来说, 这种改装与调整甚至是不可能实现的 为了解决这些问题, 满足多品种 小批量的自动化生产, 迫切需要一种灵活的 通用的 能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床 数控机床就是在这样的背景下产生与发展起来的 它极其有效地解决了上述一系列矛盾, 为单件 小批量生产的精密复杂零件提供 7

14 8 机床数控技术 了自动化加工手段 随着电子技术的发展,1946 年世界上第一台电子计算机问世, 由此掀开了信息自动化的新篇章 1948 年美国北密支安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司 (Parsons Co.) 在制造飞机的框架及直升飞机的转动机翼时, 提出了采用电子计算机对加工轨迹进行控制和数据处理的设想, 后来得到美国空军的支持, 并与美国麻省理工学院 (MIT) 合作, 于 1952 年研制出第一台三坐标数控铣床, 用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板 这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床, 专用计算机采用电子管器件, 逻辑运算与控制采用硬件连接的电路 1955 年, 该类机床进入实用化阶段, 在复杂曲面的加工中发挥了重要作用 这时数控机床的控制系统 ( 专用电子计算机 ) 采用了电子管, 其体积庞大, 功耗高 此种机床仅在一些军事部门中用于加工普通机床难以加工的形状复杂的零件 这是第一代数控系统 1959 年晶体管出现, 电子计算机应用了晶体管器件和印制电路板, 从而使机床数控系统跨入了第二代 1965 年, 数控装置开始采用小规模集成电路, 使数控装置的体积减小 功耗降低及可靠性提高, 但它仍然是硬件逻辑数控系统 数控系统发展到第三代 以上三代, 都属于硬件逻辑数控系统, 称为 NC 系统 由于点位控制的数控系统比轮廓控制的数控系统要简单得多, 在该阶段, 点位控制的数控机床得到大发展 有资料统计, 到 1966 年, 世界上实际使用的 6000 台数控机床中,85% 是点位控制的数控机床 1970 年, 美国芝加哥国际机床展览会首次展出用小型计算机控制的数控机床, 这是世界上第一台计算机数字控制 (CNC) 的数控机床 数控系统进入第四代 20 世纪 70 年代初, 随着微处理机的出现, 美 日 德等国都迅速推出了以微处理机为核心的数控系统, 这样组成的数控系统, 称为第五代数控系统, 即 MNC 系统 在近 20 多年内, 生产中实际使用的数控系统大多为第五代数控系统, 其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高 从 20 世纪 90 年代开始, 微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进, 个人计算机 (PC) 的发展尤为突出, 无论是其软 硬件还是外围器件, 都得到了迅速的发展, 计算机采用的芯片集成化程度越来越高, 功能越来越强, 而成本却越来越低, 原来在大 中型机上才能实现的功能现在微型机上就可以实现 美国首先推出了基于个人计算机的数控系统, 即 PCNC 系统, 它被划入所谓的第六代数控系统 目前, 世界主要工业发达国家的数控机床已进入批量生产阶段, 如美国 日本 德国 法国等, 其中日本发展最快 1977 年时, 日本年产数控机床 5400 多台, 到 1985 年, 日本产数控机床约为 台, 数控化率约为 70%, 居世界第一位 我国 1958 年试制成功第一台电子管数控机床, 如图 1.8 所示 我国从 1965 年开始研制晶体管数控系统, 到 20 世纪 70 年代初曾研究出数控劈锥铣床 非圆插齿机 数控立铣床 数控车床 数控镗床 数控磨床和加工中心等 这一时期国产数控系统的稳定性 可靠性问题尚未得到很好地解决, 因而也限制了国产数控机床的发展 而数控线切割机床由于其结构简单 价格低廉 使用方便, 得到了较快的发展, 据资料统计,1973~1979 年期间, 我国共生产数控机床 4108 台, 而其中数控线切割机床就占了 86% 左右 8

15 第 1 章绪论 9 图 1.8 我国第一台电子管数控机床 20 世纪 80 年代初随着改革开放政策的实施, 我国从国外引进先进技术, 并在消化 吸收国外先进技术的基础上, 进行了大量的开发工作, 进而推动了我国数控机床新的发展高潮, 使我国数控机床在品种上 性能上以及水平上均有了新的飞跃 2002 年, 我国机床市场消费额达 59 亿美元, 成为世界第一 目前, 在数控领域中, 我国和先进的工业国家之间还存在一定的差距 我国数控机床的生产还远远满足不了国内生产的需要, 更不能满足出口的要求 在现有数控机床中, 还有相当一部分有待于进一步提高其利用率 加入 WTO 后, 我国将成为世界制造中心, 各行各业对数控机床的需要将会很大, 数控机床也必然在国家建设中发挥更大的作用 数控机床的发展趋势 随着计算机 微电子 信息 自动控制 精密检测及机械制造技术的高速发展, 机床数控技术有了长足的进步 近几年一些相关技术的发展, 如刀具及新材料的发展, 主轴伺服和进给伺服 超高速切削等技术的发展, 以及对机械产品质量的要求越来越高等, 加速了数控机床的发展 目前数控机床正朝着高速度 高精度 高工序集中度 高复合化和高可靠性等方向发展 世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面 1. 高速高效高精度 高生产率 由于数控装置及伺服系统功能的改进, 主轴转速和进给速度大大提高, 减少了切削时间和非切削时间 加工中心的进给速度已达到 80m/min~120m/min, 进给加速度达 9.8m/s 2 ~19.6m/s 2, 换刀时间小于 1s 高加工精度 以前汽车零件精度的数量级通常为 10 µm, 对精密零件要求为 1 µm, 随着精密产品的出现, 对精度要求提高到 0.1 µm, 有些零件甚至已达到 0.01 µm, 高精密零件要求提高机床加工精度, 包括采用温度补偿等 微机电加工, 其加工零件尺寸大小一般在 1mm 以下, 表面粗糙度为纳米数量级, 要求数控系统能直接控制纳米机床 2. 柔性化 柔性化包括两个方面的柔性 : 一是数控系统本身的柔性, 数控系统采用模块化设计, 9

16 10 机床数控技术 功能覆盖面大, 便于不同用户的需求 ; 二是 DNC 系统的柔性, 同一 DNC 系统能够依据不同生产流程的要求, 使物料流和信息流自动进行动态调整, 从而最大限度地发挥 DNC 系统的效能 3. 工艺复合化和多轴化数控机床的工艺复合化, 是指工件在一台机床上装夹后, 通过自动换刀 旋转主轴头或旋转工作台等各种措施, 完成多工序 多表面的复合加工 已经出现了集钻 镗 铣功能于一身的数控机床, 可完成钻 镗 铣 扩孔 铰孔 攻螺纹等多工序的复合数控加工中心, 以及车削加工中心, 钻削 磨削加工中心, 电火花加工中心等 此外数控技术的进步也提供了多轴控制和多轴联动控制功能 4. 实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境, 其作用是如何调度任务, 以确保任务在规定期限内完成 而人工智能, 则试图用计算模型实现人类的各种智能行为 科学发展到今天, 实时系统与人工智能已实现相互结合, 人工智能正向着具有实时响应的更加复杂的应用领域发展, 由此产生了实时智能控制这一新的领域 在数控技术领域, 实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展, 如自适应控制 模糊控制 神经网络控制 专家控制 学习控制 前馈控制等 例如, 在数控系统中配置编程专家系统 故障诊断专家系统 参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统 ; 在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能 动态前馈功能 ; 在压力 温度 位置 速度控制等方面采用模糊控制, 使数控系统的控制性能大大提高, 从而达到最佳控制的目的 5. 结构新型化 20 世纪 90 年代一种完全不同于原来数控机床结构的新型数控机床被开发成功 这种新型数控机床被称为 6 条腿 的加工中心或称虚拟轴机床 ( 有的还称为并联机床 ), 它能在没有任何导轨和滑台的情况下, 采用能够伸缩的 6 条腿 ( 伺服轴 ) 支撑并联, 并与安装主轴头的上平台和安装工件的下平台相连 它可实现多坐标联动加工, 其控制系统结构复杂, 加工精度 加工效率较普通加工中心高 2~10 倍 这种数控机床的出现将给数控机床技术带来重大变革和创新 6. 编程技术自动化随着数控加工技术的迅速发展, 设备类型的增多, 零件品种的增加以及零件形状的日益复杂, 迫切需要速度快 精度高的编程, 以便于对加工过程的直观检查 为弥补手工编程和 NC 语言编程的不足, 近年来开发出多种自动编程系统, 如图形交互式编程系统 数字化自动编程系统 会话式自动编程系统 语音数控编程系统等, 其中图形交互式编程系统的应用越来越广泛 图形交互式编程系统是以计算机辅助设计 (CAD) 软件为基础, 首先形成零件的图形文件, 然后再调用数控编程模块, 自动编制加工程序, 同时可动态显示刀具的加工轨迹 其特点是速度快 精度高 直观性好 使用简便, 已成为国内外先进的 CAD/CAM 软件所采用的数控编程方法 目前常用的图形交互式软件有 Master CAM Cimatron Pro/E UG CAXA Solid Works CATIA 等 10

17 第 1 章绪论 集成化数控系统采用高度集成化芯片, 可提高数控系统的集成度和软 硬件运行速度, 应用平板显示技术可提高显示器性能 平板显示器 (FPD) 具有科技含量高 质量小 体积小 功耗低 便于携带等优点, 可实现超大规模显示, 成为与 CRT 显示器抗衡的新兴显示器, 是 21 世纪显示器主流 它应用先进封装和互连技术, 将半导体和表面安装技术融于一体, 通过提高集成电路密度, 减小互连长度和数量来降低产品价格 改进性能 减小组件尺寸 提高系统的可靠性 8. 开放式闭环控制模式采用通用计算机组成的总线式 模块化 开放 嵌入式体系结构, 便于裁减 扩展和升级, 可组成不同档次 不同类型 不同集成程度的数控系统 闭环控制模式是针对传统数控系统仅有的专用型封闭式开环控制模式提出的 由于制造过程是一个有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程, 包括诸如加工尺寸 形状 振动 噪声 温度和热变形等各种变化因素, 因此, 要实现加工过程的多目标优化, 必须采用多变量的闭环控制, 在实时加工过程中动态调整加工过程变量 在加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式, 易于将计算机实时智能技术 多媒体技术 网络技术 CAD/CAM 伺服控制 自适应控制 动态数据管理及动态刀具补偿 动态仿真等高新技术融于一体, 构成严密的制造过程闭环控制体系, 从而实现集成化 智能化 网络化 数控机床在先进制造技术中的作用自从 20 世纪中期, 人们将计算机技术引用到控制机床加工飞机机翼样板的复杂曲线中以来, 数控技术在机床控制方面取得了广泛 深入的发展, 开始是数控铣床, 接着是数控车床 数控钻床 数控镗床 数控磨床 数控线切割机床, 之后是加工中心 车削中心 数控冲床 数控弯管机 数控折弯机 板材加工中心 数控齿轮机床 数控激光加工机床 数控火焰切割机等 这些都成为现代制造业的关键设备, 是它们保证了现代制造业向高精度 高速度 高效率 高柔性化的方向发展 由于数控机床的出现, 带动了 CAD/CAM 技术向实用化 工程化发展, 特别是计算机技术的迅速发展, 推动 CAD/CAM 技术向更高层次和更高水平发展, 而且进一步发展了计算机辅助工艺设计 (CAPP) 数据库 集成制造生产系统相关信息的自动生成 自动处理 自动传输 可以说数控技术既是联系 CAD/CAM 的纽带, 也是进一步通向集成化 CAD/CAM 的桥梁 20 世纪末, 由于微电子技术的飞快发展, 数控系统的性能有了极大的提高, 功能不断丰富, 满足了数控机床自动交换刀具 自动交换工件 ( 包括交换工作台, 工作台立 卧式转换等 ) 的需要 ; 而且还进一步满足了在数控机床之间, 增加自动输送工件的托盘站 (APC) 或机器人传输工件, 构成柔性制造单元 (Flexible Manufacturing Cell,FMC) 的需要 ; 以及实现了由多台数控机床 ( 含加工中心 车削中心 ) 传送带 自动制导车辆 (Automated Guide Vehicles,AGV) 工业机器人(robot) 以及专用的起吊运送机等组成的柔性制造系统 (FMS) 的控制 此外, 还有由加工中心 CNC 机床 专用机床或数控专用机床组成的柔性制造线 (Flexible Manufacturing Line,FML); 或多条 FMS 配备自动化立体仓库连接起来的柔性制 11

18 12 机床数控技术 造工厂 (Flexible Manufacturing Factory,FMF) 随着信息技术 网络技术 自动化技术的发展, 在数控技术 ( 机械制造业中则体现在数控机床上 ) 的基础上, 人们将以往企业中相互独立的工程设计 生产制造及经营管理等过程, 在计算机及其软件的支撑下, 构成了一个覆盖整个企业的完整而有机的 以实现全局动态最优化 总体高效益 高柔性, 并进而赢得竞争全胜的计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacturing System,CIMS) 小 结 数控机床涉及的内容和知识比较多, 本章仅对数控机床的基本概念 分类及其发展与作用做了概述 (1) 数控机床的基本概念 介绍了数控机床的概念 组成及特点 主要技术参数 (2) 数控机床的分类 按机械运动轨迹 伺服系统的类型 功能水平及加工方式四方面对数控机床进行了分类 (3) 数控机床的发展与作用 介绍了数控机床的产生与发展 发展趋势 在先进制造技术中的作用 思考题与习题 1. 什么是数控机床? 2. 数控机床由哪几部分组成? 各组成部分的主要作用是什么? 3. 数控机床按运动轨迹的特点可分为几类? 它们的特点是什么? 4. 什么是开环 闭环 半闭环伺服系统数控机床? 它们之间有什么区别? 5. 数控机床的主要技术参数有哪些? 6. 解释下列名词术语 : 脉冲当量 定位精度 重复定位精度 FMC FMS CIMS 7. 数控技术的主要发展方向是什么? 8. 请查阅资料了解数控技术最近有哪些新发展 12

19 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 71 (1) 基点计算 以图 2.81 上 O 点为工件坐标原点, 则 A B C 三点坐标分别为 :X A = φ 40mm Z A =-69 mm;x B =φ mm Z B =-99 mm;x C =φ 56 mm Z C = mm (2) 螺纹大径 d 1 小径 d 2 计算 d 1 = d P= = mm ; d 2 = d P= = mm 5) 选择刀具 (1) 粗车 精车均选用 35 菱形涂层硬质合金外圆车刀, 副偏角 48, 刀尖半径 0.4mm, 为防止与工件轮廓发生干涉, 必要时应用 AutoCAD 作图检验 (2) 车螺纹选用硬质合金 60 外螺纹车刀, 取刀尖圆弧半径 0.2 mm 6) 选择切削用量 (1) 背吃刀量 粗车循环时, 确定其背吃刀量 a p =2 mm; 精车时, 确定其背吃刀量 a p =0.2 mm (2) 主轴转速和进给量 车直线和圆弧轮廓时的主轴转速 : 查表并取粗车时的切削速度 v=90 m/min, 精车时的切削速度 v=120m/min, 根据坯件直径 ( 精车时取平均直径 ), 利用式 n=1000 v/( πd ) 计算, 并结合机床说明书选取 粗车时主轴转速 n=500 r/min, 精车时主轴转速 n=1200 r/min 车螺纹时的主轴转速 : 按公式 np 1200(n 为主轴转速,P 为螺距 ), 取主轴转速 n=320r/min 进给速度 : 粗车时选取进给量 f = 0.3 mm/r, 精车时选取 f = 0.05 mm / r 车螺纹的进给量等于螺纹导程, 即 f = 2 mm/r 7) 数控加工工艺文件的制定 (1) 按加工顺序将各工步的加工内容 所用刀具及其切削用量等填入表 2-10 数控加工工序卡中 (2) 将选定的各工步所用刀具的型号 刀片型号 刀片牌号及刀尖圆弧半径等填入表 2-11 数控加工刀具卡中 1 ( 工厂 ) 数控加工工序卡 表 2-10 数控加工工序卡 产品名称或代号零件名称材料零件图号 轴 45 工序号程序编号夹具名称夹具编号使用设备车间 三爪自定心卡盘 工步号工步内容加工面刀具号刀具规格 粗车轴外表面, 留精车余量 0.2mm 主轴转速 /(r/min) MJ460 进给量 /(mm/r) T 菱形 精车轴外表面至尺寸 T 菱形 车螺纹 M30 2 T 见注 背吃刀量 /mm 备注 编制审核批准共 1 页第 1 页 注 :M30 螺纹共分 5 次车削, 但每次背吃刀量不同, 查表 2-7 确定为 ( 直径量 ) (mm) 71

20 72 机床数控技术 表 2-11 数控加工刀具卡 产品名称零件名称轴零件图号程序编号 工刀具号步 1 T T0202 刀具 刀具 刀片 刀具位置补偿值 刀尖半径 刀尖 名称 型号 型号 牌号 X/mm Z/mm /mm 位置 35 菱形可 转位车刀 菱形可 转位车刀 T0303 螺纹车刀 备注 编制 审核 批准 共 1 页 第 1 页 8) 精加工程序 O3000;( 程序名 ) N010 G50 X280 Z130; 建立工件坐标系 N020 M04 S1200 T0200; 启动主轴, 换 02 号刀 N030 G00 X26 Z3 M08; 快速接近工件, 并打开切削液 N040 G42 G01 Z0 T0202 F0.05; 建立刀尖圆弧半径右补偿 N050 X Z-2; 倒角 N060 Z-18; 车螺纹外表面 φ N070 X26 Z-20; 倒角 N080 W-5; 车 φ 26 槽 N090 U10 W-10; 车锥面 N100 W-10; 车 φ 36 外圆柱面 N110 G02 U-6 W-9 R15; 车 R15 圆弧 N120 G02 X40 Z-69 R25; 车 R25 圆弧 N130 G03 X38.76 Z-99 R25; 车 S φ 50 球面 N140 G02 X34 W-9 R15; 车 R15 圆弧 N150 G01 W-5; 车 φ 34 圆柱面 N160 X56 Z ; 车锥面 N170 Z-165; 车 φ 56 圆柱面 N180 G40 G00 U10 T0200 M05 M09; 取消刀具补偿并关闭切削液 N190 G28 U2 W2; 返回参考点 N200 M04 S320 T0300; 主轴换速, 换 03 号螺纹刀 N210 G00 X40 Z3 T0303 M08; 刀具定位并建立位置补偿 N220 G92 X Z-22 F2; 螺纹循环第一刀 N230 X28.067; 螺纹循环第二刀 N240 X27.467; 螺纹循环第三刀 N250 X27.067; 螺纹循环第四刀 N260 X26.969; 螺纹循环第五刀 N270 G00 X45 T0300 M09; 取消刀具位置补偿并关闭切削液 N280 G28 U2 W2; 返回参考点 N290 M30; 程序结束 以上程序没有考虑粗加工, 请同学们自己写出全部程序 72

21 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 73 例 2.6 精密轧辊 ( 图 2.82) 主要用于轧制冷凝管, 淬火硬度为 55~58HRC, 材料为 Cr12MoV, 其工作面常规的精加工工艺是磨削, 现在使用 φ 6 圆形陶瓷刀具在 MJ460 数控车床上进行快速车削加工, 实现了以车代磨, 加工精度高, 加工效率提高了 5 倍以上 已知加工余量为 1 mm( 直径量 ) 下面介绍这种精密轧辊外圆工作面的加工程序 程序如下 : 图 2.82 精密轧辊 O 4000;( 主程序 ) N010 G40 G97 M04 S180 T0200; N020 G50 X Z ; N030 G00 X140.7 Z12; N040 M98 P24001; N050 G00 X139.7; N060 G50 S1500; N070 G96 S80; N080 G42 G00 Z2 T0202; N090 G01 W F0.1; N100 G03 U W R0.8 F0.08; N110 G02 U0 W R6.096; N120 G03 U1.267 W R0.8; N130 G01 Z-55 F0.1; N140 G97 G40 G00 U5 T0200; N150 G28 U3 W3; N160 M30; O 4001;( 子程序 ) N010 G00 U-0.4; N020 G42 G00 Z2 T0202; N030 G01 W F0.2; N040 G03 U W R0.8 F0.15; N050 G02 U0 W R6.096; N060 G03 U1.267 W R0.8; N070 G01 Z-55 F0.2; N080 G40 G00 U5 T0200; N090 Z12; 73

22 74 机床数控技术 N100 U-5; N110 M99; 数控铣削加工程序编制数控铣床是一种用途十分广泛的机床, 主要用于各种较复杂的平面 曲面和壳体类零件的加工 如各类凸轮 模具 连杆 叶片 螺旋桨和箱体等零件的铣削加工, 同时还可以进行钻 扩 锪 铰 攻螺纹 镗孔等加工 不同的数控铣床 不同的数控系统, 其编程基本上是相同的, 但也有不同之处 本节以配置 SIEMENS 802S 数控系统的 XK0816A 数控铣床为例介绍数控铣床的编程 图 2.83 为 XK0816A 型升降台式数控铣床的布局图 床身 6 固定在底座 1 上, 用于安装与支承机床各部件 操作台 10 上有 CT 显示器 机床操作按钮和各种开关及指示灯 纵向工作台 16 横向溜板 12 安装在升降台 15 上, 通过纵向进给伺服电动机 13 横向进给伺服电动机 14 和垂直升降进给伺服电动机 4 的驱动, 完成 X Y Z 坐标进给 强电柜 2 中装有机床电气部分的接触器 继电器等 变压器箱 3 安装在床身立柱的后面 数控柜 7 内装有机床数控系统 保护开关 8 11 为可控制纵向行程的硬限位开关 ( 图中未注出 ); 挡铁 9 为纵向参考点设定挡铁 主轴变速手柄和按钮板 5 用于手动调整主轴的正反转 停止及切削液开停等 图 2.83 升降台式数控铣床的布局图 1 底座 2 强电柜 3 变压器箱 4 垂直升降进给伺服电动机 5 主轴变速手柄和按钮板 6 床身 7 数控柜 8 保护开关 9 纵向参考点设定挡铁 10 操作台 11 可控纵向行程硬限位开关 12 横向溜板 13 纵向进给伺服电动机 14 横向进给伺服电动机 15 升降台 16 纵向工作台 74

23 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 数控铣床的编程特点数控铣床的编程特点主要有以下几点 (1) 铣削是机械加工中最常用的方法之一, 它包括平面铣削和轮廓铣削 数控铣床可以加工复杂的和手工难加工的工件, 把一些用普通机床加工的工件用数控机床加工, 可以提高加工效率 由于数控铣床功能各异, 规格繁多, 编程时要考虑如何最大限度地发挥数控机床的特点 二坐标联动用于加工平面零件轮廓 ; 三坐标以上的数控铣床用于难度较大的复杂工件的立体轮廓加工 (2) 数控铣床的数控装置具有多种插补功能 一般都具有直线插补和圆弧插补功能, 有的还具有极坐标插补 抛物线插补 螺旋线插补等多种插补功能 编程要充分合理地选择这些功能, 提高编程和加工的效率 (3) 编程时要充分熟悉机床的所有性能和功能 如刀具长度补偿 刀具半径补偿 固定循环 镜像 旋转等功能 (4) 由直线 圆弧组成的平面轮廓铣削的数学处理比较简单 非圆曲线 空间曲线和曲面的轮廓铣削加工的数学处理比较复杂, 一般要采用计算机辅助计算和自动编程 (5) 数控铣床与数控车床的编程功能相似, 数控铣床的编程功能指令也分 G 功能和 M 功能两大类, 本节以 SIEMENS 802S 数控系统为例介绍数控铣床的基本编程功能指令 编程指令见表 数控铣床编程坐标系的设定 1) 数控铣床的机床原点通常机床每次通电后, 机床的三个坐标轴都要依次走到机床正方向的一个极限位置, 这个位置就是机床坐标系的原点, 是机床出厂时设定的固定位置 2) 工件坐标系的原点工件原点是任意设定的, 它在工件装夹完毕后, 通过对刀来确定 可设定的零点偏移给出工件零点在机床坐标系中的位移 ( 工件零点以机床零点为基准偏移 ) 当工件装夹到机床上后求出偏移量, 并通过操作面板输入到规定的数据区 程序可以通过选择相应的 G 功能, 即 G54~G57 激活此值, 如图 2.84 所示 下面以图 2.85 举例说明零点偏移的使用, 编程如下 N10 G54 N20 L47 N30 G55 N40 L47 N50 G56 N60 L47 N70 G57 N80 L47 N90 G500 G0 X 调用第一可设定零点偏移加工工件 1, 此处作 L47 调用调用第二可设定零点偏移加工工件 2, 此处作 L47 调用调用第三可设定零点偏移加工工件 3, 此处作 L47 调用调用第四可设定零点偏移加工工件 4, 此处作 L47 调用取消可设定零点偏移 75

24 76 机床数控技术 表 2-12 SIEMENS 802S 编程指令表 序号 代码 功能 序号 代码 功能 1 G00 快速移动 37 M30 程序结束返回程序开始 2 G01* 直线插补 38 G451 等距线的交点 3 G02 顺时针圆弧插补 39 R0~R249 计算参数 4 G03 逆时针圆弧插补 四则运算 5 G05 中间点圆弧插补 41 M04 主轴逆时针旋转 6 G33 恒螺距的螺纹切削 42 M05 主轴停 7 G4 暂停时间 43 M00 程序停止 8 G63 补偿夹具切削内螺纹 44 M01 程序有条件停止 9 G74 回参考点 45 M02 程序结束 10 G75 回固定点 46 M03 主轴顺时针旋转 11 G158 可编程的零点偏移 47 SIN() 正弦 12 G258 可编程的零点旋转 48 COS() 余弦 13 G259 附加可编程零点旋转 49 TAN() 正切 14 G25 主轴转速下限 50 SQRT() 平方根 15 G26 主轴转速上限 51 ABS() 绝对值 16 G17* XY 平面 52 TRUNC() 取整 17 G18 ZX 平面 53 RET 子程序结束 18 G19 YZ 平面 54 S 主轴转速,G4 暂停时间 19 G40* 刀具半径补偿取消 55 T 刀具号 20 G41 刀具半径左补偿 56 AR 圆弧插补张角 21 G42 刀具半径右补偿 57 CHF 倒角 22 G500 取消可设定零点偏移 58 CR 圆弧插补半径 23 G54 第一可设定零点偏移 59 GOTOB 向后跳转指令 24 G55 第二可设定零点偏移 60 GOTOF 向前跳转指令 25 G56 第三可设定零点偏移 61 IF 跳转条件 26 G57 第四可设定零点偏移 62 IX JY KZ 中间点坐标 27 G53 取消零点偏移 63 LCYC82 钻削, 端面锪孔 28 G70 英制尺寸 64 LCYC83 深孔钻削 29 G71* 公制尺寸 65 LCYC840 带补偿夹具切削内螺纹 30 G90* 绝对尺寸 66 LCYC84 不带补偿夹具切削内螺纹 31 G91 相对尺寸 67 LCYC85 镗孔 32 G94* 进给速度 F, 单位 mm/min 68 LCYC60 线性孔排列 33 G95 主轴进给速度 F, 单位 mm/r 69 LCYC61 圆弧孔排列 34 G901 在圆弧段进给补偿 开 70 LCYC75 铣凹槽和键槽 35 G900 进给补偿 关 71 RND 倒圆 36 G450 圆弧过渡 72 RPL 在执行 G258 和 G259 时的旋转角 76

25 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 77 图 2.84 可设定的零点偏移图 图 2.85 在钻削 / 铣削时装夹多个工件 3) 可编程零点偏移和坐标轴旋转指令 G158 G258 G259 如果工件上在不同的位置有重复出现的形状或结构, 或者选用了一个新的参考点, 在这种情况下就需要使用可编程零点偏移 由此就产生一个当前工件坐标系, 新输入的尺寸均为该坐标系中的尺寸 可以在所有坐标轴上进行零点偏移, 在当前平面 G17 G18 或 G19 中进行坐标轴旋转 G158 G258 G259 指令各自要求一个独立的程序段, 举例如图 2.86 图 2.87 所示 图 2.86 可编程零点偏移和坐标轴旋转 图 2.87 在不同的坐标平面中旋转角正方向的规定例 :G158 X Y Z ; 可编程偏移, 取消以前的偏移和旋转 G258 RPL= ; 可编程旋转, 取消以前的偏移和旋转 G259 RPL= ; 附加的可编程旋转零点偏移指令 G158 用 G158 指令可以对所有的坐标轴编程零点偏移 后面的 G158 指令取代所有以前的可编程零点偏移指令和坐标轴旋转指令, 也就是说编程一个新的 G158 指令后, 所有旧的指令均被清除 77

26 78 机床数控技术 坐标轴旋转指令 G258 用 G258 指令可以在当前平面 (G17~G19) 中编程一个坐标轴旋转, 新的 G158 指令取代所有以前的可编程零点偏移指令和坐标轴旋转指令, 也就是说编程一个新的 G258 指令后, 所有旧的指令均被清除 附加的坐标旋转指令 G259 用 G259 指令可以在当前平面 (G17~G19) 中编程一个坐标轴旋转 如果已经有一个 G158 G258 或 G259 指令生效, 则在 G259 指令下编程的旋转附加到当前编程的偏移或坐标轴旋转上 取消偏移和坐标轴旋转 程序段 G158 指令后无坐标轴名, 或者在 G258 指令下没有写 RPL= 语句, 则表示取消当前的可编程零点偏移和坐标轴旋转设定, 举例如图 2.88 所示 图 2.88 可编程偏移和坐标轴旋转的编程举例例 :N10 G17 ;XY 平面 N20 G158 X20 Y10; 可编程零点偏移 N30 L10 ; 子程序调用, 其中包含待偏移的几何量 N40 G158 X30 Y26; 新的零点偏移 N50 G259 RPL=45 ; 附加坐标轴旋转 45 N60 L10 ; 子程序调用 N70 G158 ; 取消偏移和旋转 3. 数控铣床基本编程方法 1) 绝对值方式指令 G90 和增量方式指令 G91 格式 :G90 (G91) 说明 : G90 指令表示程序段中的运动坐标数字为绝对坐标值, 即从编程零点开始的坐标值 G91 指令表示程序段中的运动坐标数字为相对坐标值, 即程序段的终点坐标都是相对于前一坐标点给出的 2) 插补平面选择指令 G17 G18 G19 格式 :G17(G18 /G19) 说明 : (1) G17 指令为选择 XY 插补平面 ;G18 指令为选择 XZ 插补平面 ;G19 指令为选择 YZ 插补平面 (2) 当存在刀具补偿时, 不能变换定义平面 系统通电时处于 G17 状态 78

27 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 79 (3) 考虑加工方便,Z 坐标可单独编程, 而不考虑平面的定义 但编入二坐标联动时, 必须考虑平面选择问题 在计算刀具长度补偿和半径补偿时必须首先确定一个平面, 在此平面中可以进行刀具半 径补偿 另外根据不同的刀具类型进行相应的刀具长度补偿 具体选择见表 2-13 和图 2.89 表 2-13 平面选择 G 功能 平 面 垂直坐标轴 ( 在钻削 / 铣削时的长度补偿轴 ) G17 XY Z G18 ZX Y G19 YZ X 图 2.89 钻削 / 铣削时的平面和坐标轴布置 3) 快速定位指令 G00 和直线插补指令 G01 (1) 快速定位指令 G00 格式 :G00 X_ Y Z 说明 : 1 G00 指令刀具从所在点以最快的速度 ( 系统设定的最高速度 ) 移动到目标点 2 当用绝对指令时,X Y Z 为目标点在工件坐标系中的坐标 ; 当用增量坐标时,X Y Z 为目标点相对于起点的增量坐标 3 不运动的坐标可以不写 4 当 Z 轴按指令远离工作台时, 先 Z 轴运动, 再 X Y 轴运动 当 Z 轴按指令接近工作台时, 先 X Y 轴运动, 再 Z 轴运动 例如图 2.90 所示, 程序如下 : N10 G00 X90 Y70; 刀具由起点 A 快速移动到目标点 B (2) 直线插补指令 G01 格式 :G01 X Y Z F 说明 : 图 2.90 G00 编程举例 1 G01 指令刀具从所在点以直线移动到目标点 2 当用绝对指令时,X Y Z 为目标点在工件坐标系中的坐标 ; 当用增量坐标时,X Y Z 为目标点相对于起点的增量坐标,F 为刀具进给速度 79

28 80 机床数控技术 3 不运动的坐标可以不写 4 系统通电时, 处于 G01 状态 例如图 2.90 所示, 程序如下 : N10 G01 X90 Y70 F100; 刀具由起点 A 直线运动到目标点 B, 进给速度 100mm/min 4) 圆弧插补指令 G02 G03 刀具以圆弧轨迹从起点移动到终点, 方向由 G 指令确定 G02 指令表示在指定平面顺时针插补 ;G03 指令表示在指定平面逆时针插补 平面指定指令与圆弧插补指令的关系, 如图 2.91 所示 图 2.91 平面指定指令与圆弧插补指令的关系 (1) 圆心坐标和终点坐标 格式 :G17 G02/G03 X_ Y_ I J F_ G18 G02/G03 X_ Z_ I K F_ G19 G02/G03 Y_ Z_ J K F_ 说明 : 1 X Y Z 为圆弧终点坐标值 为 G90 时 X Y Z 是圆弧终点的绝对坐标值 ; 为 G91 时 X Y Z 是圆弧终点相对于圆弧起点的增量值 2 I J K 表示圆心相对于圆弧起点的增量值,F 规定了沿圆弧切向的进给速度 3 G17 G18 G19 为圆弧插补平面选择指令, 以此来确定被加工表面所在平面,G17 可以省略 例如图 2.92 所示, 程序如下 : 绝对值方式编程 :G90 G02 X58 Y48 I13 J8 F100; 增量方式编程 :G91 G02 X26 Y16 I13 J8 F100; 注 : 只有用圆心坐标和终点坐标才可以编程一个整圆 (2) 终点和半径尺寸 格式 :G17 G02/G03 X_ Y_ CR= F_ G18 G02/G03 X_ Z_ CR= F_ G19 G02/G03 Y_ Z_ CR= F_ 说明 : CR 表示圆弧半径, 因为在相同的起点 终点 半径和相同的方向时可以有两种圆弧 如果圆心角小于 180, 则 CR 为正数 ; 如果圆心角大于 180, 则 CR 为负数 80

29 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 81 图 2.92 用圆心坐标和终点坐标进行圆弧插补例如图 2.92 所示, 程序如下 绝对值方式编程 :G90 G02 X58 Y48 CR=15.26 F100; 增量方式编程 :G91 G02 X26 Y16 I13 J8 F100; 5) 通过中间点进行圆弧插补指令 G05 格式 :G17 G05 X_ Y_ IX= JY= F_ G18 G05 X_ Z_ IX= KZ= F_ G19 G05 Y_ Z_ JY= KZ= F_ 说明 : 1 IX JY KZ 表示中间点坐标 2 如果不知道圆弧的圆心 半径或张角, 但已知圆弧轮廓上 3 个点的坐标, 则可以使用 G05 指令, 通过起点和终点之间的中间点位置确定圆弧的方向 3 G90 和 G91 指令对终点和中间点有效 例如图 2.93 所示, 程序如下 : N05 G90 X30 Y40; 用于 N10 的圆弧起点 N10 G05 X60 Y50 IX=35 JY=52; 终点和中间点 图 2.93 G90 已知终点和中间点的圆弧插补 81

30 82 机床数控技术 6) 返回固定点指令 G75 用 G75 可以返回到机床中某个固定点, 比如换刀点 固定点位置固定地存储在机床数据中, 它不会产生偏移 每个轴的返回速度都是其快速移动速度 G75 需要一独立程序段, 并按程序段方式有效 在 G75 之后程序段中原来 插补方式 组中的 G 指令 (G00,G01, G02, ) 将再次生效 例如,N10 G75 X0 Y0 Z0; 程序段中 X Y 和 Z 的编程数值不识别 7) 回参考点指令 G74 用 G74 指令实现数控程序中回参考点功能, 每个轴的方向和速度均存储在机床数据中 G74 需要一独立程序段, 并按程序段方式有效 在 G74 之后的程序段中原来 插补方式 组中的 G 指令 (G00,G01,G02, ) 将再次生效 例如 :N10 G74 X0 Y0 Z0; 程序段中 X Y 和 Z 的编程数值不识别 8) 倒圆和倒角在一个轮廓拐角处可以插入倒角或倒圆, 指令 CHF= 或者 RND= 与加工拐角的轴运动指令一起写入到程序段中, 只在当前平面中执行该功能 格式 :CHF= ; 插入倒角, 数值 : 倒角长度 RND= ; 插入倒圆, 数值 : 倒圆半径 (1) 倒角 CHF=, 为直线轮廓之间 圆弧轮廓之间以及直线轮廓和圆弧轮廓之间切入一直线并倒去棱角 例如图 2.94 所示, 程序如下 : N10 G01 X CHF=5; 倒角 5mm N20 X Y ; 图 2.94 两段直线之间倒角举例 (2) 倒圆 RND=, 直线轮廓之间 圆弧轮廓之间以及直线轮廓和圆弧轮廓之间切入一圆弧, 圆弧与轮廓进行切线过渡 例如图 2.95 所示, 程序如下 : N10 G01 X RND=8; 倒圆, 半径 8mm N20 X Y N50 G01 X RND=7.3; 倒圆, 半径 7.3mm N60 G03 X Y ; 如果其中一个程序段轮廓长度不够, 则在倒圆或倒角时会自动削减编程值 若超过 3 个连续编程的程序段中不含平面中移动指令或进行平面转换时不能进行倒角 / 倒圆 82

31 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 83 直线 / 直线 直线 / 圆弧 图 2.95 倒圆举例 9) 刀具补偿当加工曲线轮廓时, 对于有刀具半径补偿功能的数控系统, 可不必求刀具中心的运动轨迹, 只按被加工工件轮廓曲线编程, 同时在程序中给出刀具半径的补偿指令, 就可加工出具有轮廓曲线的零件, 使编程工作大大简化 本系统具有刀具长度补偿和半径补偿功能, 刀具的有关参数被单独输入到一专门的数据区, 包括刀具长度及半径的基本尺寸和磨损尺寸, 刀具类型 刀尖位置等参数 在程序中只要调用所需的刀具号及其补偿参数, 控制器就会利用这些参数执行所要求的轨迹补偿, 加工出满足要求的工件 一个刀具可以匹配 1~9 个不同补偿的数据组 用 D 指令及其相应的序号可以编程一个专门的切削刃 如果没有编写 D 指令, 则 D1 自动生效 若编程 D0, 则刀具补偿值无效 系统中最多可以同时存储 30 个刀具补偿数据组 刀具调用后, 刀具长度补偿立即生效 编程中的刀具长度补偿先执行, 对应的坐标轴也先运行 但刀具半径补偿必须与 G41 或 G42 指令一起执行 G41 为刀具半径左补偿指令 ; G42 为刀具半径右补偿指令 ;G40 指令为取消刀具半径补偿, 具体如图 2.96 所示 G41 G42 图 2.96 G41/G42 指令 (1) 刀具半径补偿指令 G41 G42 格式 :G17 G41/G42 G00/G01 X_ Y_ D_ G18 G41/G42 G00/G01 X_ Z_ D_ G19 G41/G42 G00/G01 Y_ Z_ D_ 说明 : 系统在所选择的平面 G17 到 G19 中以刀具半径补偿的方式进行加工 刀具必须有相应的刀具补偿号 D 才有效 只有在线性插补时 (G00 G01) 才可以进行 G41/G42 的选择 控制器自动计算出当前刀具运行所产生的与编程轮廓等距离的刀具轨迹 83

32 84 机床数控技术 (2) 取消刀具半径补偿指令 G40 所有的平面上取消刀具半径补偿指令均为 G40 最后一段刀具半径补偿轨迹加工完成后, 与建立刀具半径类似, 也应有一直线程序段 G00 或 G01 指令取消刀具半径补偿, 以保证刀具从刀具半径补偿终点 ( 刀补终点 ) 运动到取消刀具半径补偿点 ( 取消刀补点 ) G40 G41 G42 是模态代码, 它们可以互相注销 (3) 刀具半径补偿时的过切现象及防止 在程序中使用刀具半径补偿功能时, 有可能会产生加工过切现象, 下面分析产生过切现象的原因及具体防止措施 1 加工半径小于刀具半径的内圆弧 当程序给定的圆弧半径小于刀具半径时, 向圆弧圆心方向的半径补偿将会导致过切, 如图 2.97 所示 这时机床的数控系统报警, 并且程序停止在将要过切语句的起点上 所以补偿时就应注意, 只有在 过渡圆角半径 R 刀具半径 r + 精加工余量 的情况下, 才可正常切削, 图 2.98 所示为正常切削情况 图 2.97 圆弧半径小于刀具半径 图 2.98 正常切削情况 图 2.99 所示内轮廓, 只能选用半径为 10mm 或更小的刀具加工 2 被铣削槽底宽小于刀具直径 如图 所示, 如果刀具半径补偿使刀具中心向编程路径反方向运动, 将会导致过切 在这种情况下, 机床的数控系统报警, 并且程序停止在该程序段的起点上 3 无移动类指令 在两个或两个以上连续程序段内无指定补偿平面内的坐标移动, 将会导致过切 图 2.99 内轮廓图 (4) 刀具半径补偿举例 例如图 所示, 程序如下 : 图 被铣削槽底宽小于刀具直径 84

33 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 85 图 刀具半径补偿举例 N01 T1; N05 G00 G17 G90 X5 Y55 Z50; N06 G01 Z0 F200 S800 M03; N10 G41 X30 Y60 F400; N20 X40 Y80; N30 G02 X65 Y55 I0 J-25; N40 G01 X95; N50 G02 X110 Y70 I15 J0; N60 G01 X105 Y45; N70 X110 Y35; N80 X90; N90 X65 Y15; N100 X40 Y40; N110 X30 Y60; N120 G40 X5 Y55; N130 G00 Z50 M02; 刀具 1, 刀具补偿号 D1 回起点工件轮廓左边补偿回起点, 取消刀具补偿结束刀具补偿运行 10) 子程序用子程序编写经常重复进行的加工, 比如某一确定的轮廓形状 子程序应位于主程序中适当的位置, 在需要时进行调用 运行 (1) 子程序结构 子程序的结构与主程序相同, 但在子程序中最后一个程序段用 M02 指令结束程序运行 还可以用 RET 指令结束子程序, 但 RET 指令要求占用一个独立的程序段 (2) 子程序名 为方便地选择某一个子程序, 必须给子程序取一个程序名 子程序名可以自由选择, 其方法与主程序名的选取方法一样, 但扩展名不同, 主程序的扩展名为.mpf, 在输入程序名时系统能自动生成扩展名, 而子程序的扩展名.spf 必须与子程序名一起输入 例如 :CZQY0110.spf 另外, 在子程序中, 还可以使用地址字符 L, 其后面的值可以有 7 位 ( 只能为整数 ), 地址字符 L 之后的 0 均有意义, 不能省略 例如 :L128 L0128 L00128 分别代表 3 个不同的子程序 (3) 子程序调用 在一个程序中 ( 主程序或子程序 ) 可以直接利用程序名调用子程序 子程序调用要求占用一个独立的程序段 如果要求多次连续地执行某一子程序, 则在编程时必须在所调用子程序的程序名后的地址 P 下写入调用次数, 调用次数为 1~9999 次 85

34 86 机床数控技术 例如 : N10 L785; 调用 L785 号子程序 N20 LABC; 调用 LABC 号子程序 N30 L785 P3; 调用 L785 号子程序, 运行 3 次在子程序中可以改变模态有效的 G 功能, 比如 G90 到 G91 的变换 在返回调用程序时应注意检查所有模态有效的功能指令, 并按照要求进行调整 (4) 子程序嵌套 子程序不仅可以从主程序中调用, 也可以从其他子程序中调用, 这个过程称为子程序的嵌套 子程序的嵌套深度可以为 3 层, 也就是四级程序界面 ( 包括主程序界面 ) 在使用加工循环程序进行加工时, 要注意加工循环程序也同样属于四级程序界面中的一级 四级程序界面运行过程如图 所示 图 四级程序界面运行过程 11) 计算参数和程序跳转为使一个数控程序不仅仅适用于特定数值下的一次加工, 或者必须计算出数值的情况, 均可以使用计算参数 可以在程序运行时由控制器计算或设定所需要的值 ; 也可以通过操作面板设定参数值 如果参数已经赋值, 则它们可以在程序中对由变量确定的地址进行赋值 在加工非圆曲面时, 系统没有定义指令, 这就需要借助计算参数 R, 并应用程序跳转等手段来完成曲面的加工 (1) 计算参数 在系统中共有 250 个计算参数可供使用, 其中 R0~R99 可以自由使用, R100~R249 为加工循环传递参数, 如果编程人员在程序中没有使用加工循环, 则这部分计算参数也同样可以自由使用 计算参数的赋值范围为 ±( ~ ) 例如: R1=10, 表示给 R1 参数赋值为 10, 如在程序中出现 G91 G01 X=R1, 就表示沿 X 轴直线移动 10mm (2) 程序跳转 加工程序在运行时是以写入的顺序执行的, 但有时程序需要改变执行顺序, 这时可用程序跳转指令, 以实现程序的分支运行 实现程序跳转需要跳转目标和跳转条件两个要素 跳转目标只能是有标记符的程序段, 此程序段必须位于该程序内, 标记符可以自由选取, 但必须由两个以上字母或数字组成, 其中开始两个符号必须是字母或下画线 跳转目标程序段中标记符后面必须为冒号, 标记符位于程序段段首, 如果程序段有段号, 则标记符应紧跟段号 86

35 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 87 程序跳转包括绝对跳转和有条件跳转, 应用较多的是有条件跳转 跳转指令要求一个独立的程序段 有条件跳转程序段格式 : IF( 条件 ) GOTOF( 标记符 ); 向下跳转 ( 向程序结束的方向跳转 ) IF( 条件 ) GOTOB( 标记符 ); 向上跳转 ( 向程序开始的方向跳转 ) (3) 程序跳转举例 : 圆弧上点的移动, 如图 所示 图 圆弧上点的移动 已知 : 起始角 30 R1 圆弧半径 20mm R2 位置间隔 10 R3 点数 11 R4 圆心位置 (Z 轴方向 ) 50mm R5 圆心位置 (X 轴方向 ) 20mm R6 N10 R1=30 R2=20 R3=10 R4=11 R5=50 R6=20; N20 MA1:G0 Z=R2*COS(R1)+R5 X=R2*SIN(R1)+R6; N30 R1=R1+R3 R4=R4-1; N40 IF R4>0 GOTOB MA1; N50 M02; 赋初始值坐标轴地址计算及赋值 在程序段 N10 中给相应的计算参数赋值, 在 N20 中进行坐标轴 X 和 Z 的数值计算并进行赋值 在程序段 N30 中 R1 增加 R3 角度 ;R4 减小数值 1 如果 R4>0, 则重新执行 N20, 否则运行 N50, 用 M02 结束程序 12) 固定循环循环是指用于特定加工过程的工艺子程序, 比如用于钻削 坯料切削 凹槽切削或螺纹切削等, 只要改变参数就可以使这些循环应用于各种具体加工过程 循环在用于上述加工过程时只要改变相应的参数, 进行少量的编程即可 使用加工循环时编程人员必须事先保留参数 R100~R249, 保证这些参数只用于加工循环而不被程序中的其他地方使用 调用一个循环之前需要对该循环的传递参数赋值 编程循环时不考虑坐标轴, 在调用循环之前, 必须在调用程序中返回钻削位置 如果在钻削循环中没有设定进给速度 主轴转速和方向的参数, 则必须在零件程序中编程这些值 循环结束以后 G00 G90 G40 一直有效 87

36 88 机床数控技术 当参数组在调用循环之前并且紧挨循环调用语句时, 才可以进行循环的重新编译 这些参数不可以被数控指令或者注释语句隔开 钻削循环和铣削循环的前提条件就是首先选择平面且有一个具有补偿值的刀具有效, 激活编程坐标转换 ( 零点偏移, 旋转 ) 从而定义目前加工的实际坐标系 钻削轴始终为系统的第三坐标轴, 在循环结束之后该刀具保持有效 表 2-14 为循环指令及其指令功能表 表 2-14 循环指令及其指令功能表指令名称指令功能 LCYC82 刀具以编程的主轴速度和进给速度钻孔, 直到给定的最终钻削深度 ( 简称钻深 ) LCYC83 深孔钻削加工中心孔, 通过分步钻入达到最后的钻深, 钻深最大值事先设定 LCYC84 刀具以编程的主轴转速和方向钻削, 直至给定的螺纹深度 ( 前提是系统具有主轴位置控制功能 ) LCYC85 镗孔 LCYC60 用此循环加工线性排列的钻孔或螺纹孔, 钻孔及螺纹孔的类型由一参数确定 LCYC61 用此循环加工圆弧排列的孔和螺纹, 钻孔和切内螺纹孔的方式由一参数确定 LCYC75 用此循环加工矩形槽 键槽或圆形凹槽的铣削 (1) 沉孔钻削循环指令 LCYC82 刀具以编程的主轴速度和进给速度钻孔, 直至到达给定的最终钻深 在到达最终钻深时可以编程一个停留时间, 退刀以快速移动速度进行 应在调用程序中设定主轴转速及方向和钻削轴进给速度 在调用循环之前刀具回钻孔位置, 且选择带补偿值的对应刀具, 表 2-15 为 LCYC82 循环参数表 表 2-15 LCYC82 循环参数表 参数 R101 R102 R103 R104 R105 含义及其数值范围退回平面 确定循环结束之后钻削加工轴的位置, 循环以此为出发点安全距离只对参考平面而言, 参考平面被提前一个安全距离量, 循环可以自动确定安全距离方向参考平面图样中所标明的钻削起点最后钻深以绝对值编程, 它取决于工件零点, 一般为负值在钻深处的停留时间 (s) 循环开始之前的刀具位置是调用程序最后所返回的钻削位置 循环的时序过程 ( 图 2.104): 1 用 G00 回到被提前了一个安全距离量的参考平面处 ; 2 按照调用程序中编程的进给速度以 G01 进行钻削, 直到最终钻深 ; 3 在此深度停留规定的时间后 ; 4 以 G00 退刀回到退回平面 例如 : 如图 所示, 使用 LCYC82 循环, 程序在 XZ 平面加工深度为 27 mm 的孔, 在孔底停留时间 2s, 钻孔坐标轴方向安全距离为 4 mm, 钻孔结束后, 刀具停留在 X24 Z110 88

37 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 89 图 循环时序过程及参数 图 LCYC82 举例 程序如下 : N10 G00 G18 G90 F500 T2 D1 S500 M4; N20 X0 Z110; N30 G17; N40 R101=110 R102=4 R103=102 R104=75 R105=2; N50 LCYC82; N60 M02; (2) 深孔钻削循环指令 LCYC83 此循环功能是深孔循环钻削加工孔, 通过分步钻入达到最后的钻深, 钻深的最大值事先由参数设定 钻削既可以在每步达到钻深后, 提出钻头到参考平面达到排屑目的, 也可以每次上提 1mm 以便断屑 循环时序过程及参数如图 所示 具体循环的参数见表 2-16 图 循环时序过程及参数 表 2-16 LCYC83 循环参数表 参数 R101~R105 其参数含义同 LCYC82 含义及其数值范围 R107 在第一次钻削之后的钻削进给速度 89

38 90 机床数控技术 参数 R108 R109 R110 R111 R127 ( 续 ) 含义及其数值范围确定第一次钻削的进给速度排屑方式下在起点处的停留时间确定第一次钻削行程的深度确定递减量的大小, 保证以后的钻削量小于当前的钻削量 第二次钻削量若大于所编程的递减量, 则第二次钻削量应等于第一次钻削量减去递减量 ; 否则, 第二次钻削量就等于递减量 当最后的剩余量大于两倍的递减量时, 则在此之前的最后钻削量应等于递减量, 所剩下的最后剩余量平分为最终两次钻削行程 如果第一次钻削量大于总的钻深量, 则显示报警号 :61107 第一次钻深错误定义, 从而不执行循环值 0: 钻头在到达每次钻深后上提 1mm 空转, 用于断屑值 1: 每次到达钻深后钻头返回到安全距离之前的参考平面, 以便排屑 根据表 2-16 的参数含义, 深孔钻削循环的时序过程如下 ( 循环开始之前的刀具位置是调用程序中最后所返回的钻削位置 ) 1 用 G00 回到被提前了一个安全距离量的参考平面处 2 G01 执行第一次钻削, 钻深进给速度为循环前编程进给速度, 执行钻深停留时间, 有两种情况 在断屑时 : 用 G01 按调用程序中所编程的进给速度从当前钻深上提 1mm, 以便断屑 在排屑时 : 用 G00 返回到安全距离前的参考平面, 以便排屑, 执行起点停留时间, 然后用 G00 返回上次钻深, 但留出一个前置量 ( 由循环内部计算所得 ) 3 用 G01 按所给的进给速度执行下一次钻削, 该过程一直执行下去, 直至达到最终钻深, 用 G00 返回到退回平面 利用表 2-16 中的参数和循环的时序过程, 用条件语句 R 参数和铣床基本指令描述上述时序的过程, 就可以编制成循环子程序的格式, 输入到 SIEMENS 802S 数控系统中 (3) 镗孔循环指令 LCYC85 刀具以给定的主轴速度和进给速度镗削, 直至最终镗削深度 如果到达最终深度, 可以编写一个停留时间程序 进刀及退刀运行分别按照相应参数下编程的进给速度进行 ( 表 2-17) 表 2-17 LCYC85 循环参数表参数含义及其数值范围参数含义及其数值范围 R101~R105 其参数含义同 LCYC82 R108 确定退刀时的进给速度大小 R107 确定钻削时的进给速度大小 其时序过程如下 ( 循环开始之前的刀具位置是调用程序中最后所返回的钻削位置, 图 2.107) 1 用 G00 回到被提前了一个安全距离量的参考平面处 2 用 G01 以 R107 参数编程的进给速度加工到最终钻削深度 3 执行最终钻削深度的停留时间 90

39 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 91 4 用 G01 以 R107 参数编程的退刀进给速度返回到被提前一个安全距离量的参考平面处 图 循环时序过程和参数 (4) 钻孔排列循环指令 LCYC60 和 LCYC61 利用循环指令 LCYC60 和 LCYC61 可以按照一定的几何关系加工出钻孔以及螺纹, 在此仍要用到前面已经介绍了的钻孔循环及螺纹切削循环 线性孔排列循环 LCYC60: 用此循环加工线性排列的钻孔或螺纹孔, 钻孔及螺纹孔的类型由一个参数确定 在调用程序中必须按照设定了参数的钻孔循环和切内螺纹循环的要求编程主轴转速和方向, 以及钻孔轴的进给速度 有关参数见表 2-18 表 2-18 LCYC60 循环参数表 参数 R115 R116 R117 R118 R119 R120 R121 含义及其数值范围钻孔或攻螺纹循环号数值 :82(LCYC82) 83(LCYC83) 84(LCYC84) 85(LCYC85) 在孔排列直线上确定一个点作为参考点, 用来确定两个孔之间的距离 从该点出发, 定义到第一个钻孔的距离 R116 为横坐标参考点,R117 为纵坐标参考点,R118 确定第一个钻孔到参考点的距离确定孔的个数确定直线与横坐标之间的角度确定两个孔之间的距离 此循环的具体时序过程为, 出发点位置任意, 但需保证钻头从该位置出发后可以无碰撞地回到第一个钻孔位 循环执行时首先回到第一个钻孔位, 并按照 R115 参数所确定的循环加工孔, 然后快速回到其他的钻孔位, 按照所设定的参数进行接下去的加工过程 矩阵孔排列举例 : 用此循环可以加工 XY 平面上 5 行 5 列排列的孔, 孔间距为 10mm 参考点坐标为 X=30,Y=20, 使用循环 LCYC85( 镗孔 ) 钻削 在调用程序中确定主轴转速和方向, 进给速度由参数给定, 如图 所示 程序如下 : N10 G00 G17 G90 S500 M3 T2 D1; N20 X10 Y10 Z105; 确定工艺参数回到出发点 91

40 92 机床数控技术 N30 R1=0,R101=105,R102=2,R103=102; N40 R104=30 R105=2 R107=100 R108=300; N50 R115=85 R116=30 R117=20 R120=0 R119=5; N60 R118=10 R121=10; N70 MARKE1:LCYC60; N80 R1=R1+1 R117=R117+10; N90 IF R1<5 GOTOB MARKE1; N100 G00 G90 X10 Y10 Z105; N110 M02; 确定钻孔参数, 初始化线性孔排列计数器 (R1) 定义钻孔循环参数定义线性孔排列循环参数定义线性孔排列循环参数调用线性孔排列循环提高线性孔计数, 确定新的参考点当满足条件时返回到 MARKE1 回到出发点位置程序结束 圆弧孔排列循环 LCYC61: 用此循环可以加工圆弧状排列的孔和螺纹 钻孔和切内螺纹的方式由一参数确定 在调用该循环之前同样要对所选择的钻孔循环和切内螺纹循环设定参数 在调用循环之前, 必须要选择相应的带刀具补偿的刀具 如图 表 2-19 所示 具体时序过程同 LCYC60 图 矩阵孔排列加工 图 圆弧孔排列加工 表 2-19 LCYC61 循环参数表 参数 R115 R116 R117 R118 R119 R120 R121 含义及其数值范围钻孔或攻螺纹循环号数值 :82(LCYC82) 83(LCYC83) 84(LCYC84) 85(LCYC85) 加工平面中圆弧孔位置通过圆心坐标 ( 参数 R116/R117) 和半径 (R118) 定义 在此半径值只能为正 R116 为圆弧圆心横坐标 ( 绝对值 ) R117 为圆弧圆心的纵坐标 ( 绝对值 ) R118 为圆弧半径确定孔的个数这些参数确定圆弧上钻孔的排列位置 其中参数 R120 给出横坐标正方向与第一个钻孔之间的夹角,R121 规定孔与孔之间的夹角 如果 R121=0, 则在循环内部将这些孔均匀地分布在圆弧上, 从而根据钻孔数计算出孔与孔之间的夹角 R120 为起始角, 数值范围 : -180 <R120<180 ;R121 为角增量 (5) 矩形槽 键槽和圆形凹槽的铣削循环指令 LCYC75 使用此循环程序可以在选定平面上加工出一个圆形凹槽 矩形槽或键槽 有关的参数设定如下 :R101~R103 的含义同 LCYC83 的含义一样, 其他参数见表

41 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 93 参数 表 2-20 LCYC75 循环参数表 含义及其数值范围 R104 在此参数下编程参考面和凹槽槽底之间的距离 ( 深度 ) R116/R117 R118/R119 R120 R121 R122 R123 R124 R125 R126 R127 两参数确定凹槽中心点的横坐标和纵坐标 两参数确定平面上凹槽的形状 如果铣刀半径 R120 大于编程的角度半径, 则所加工的凹槽圆角半径等于铣刀半径 如果刀具半径超过凹槽长度或宽度的一半, 则循环中断, 并发出报警 铣刀半径太大 如果铣削一个圆形槽(R118=R119=2R120), 则拐角半径 (R120) 值就是圆形槽的直径值 拐角半径 若拐角半径大于编程的角度半径, 则所加工的凹槽圆角半径等于拐角半径 ; 若刀具半径超过凹槽长度或宽度的一半, 则循环中断, 并发出报警 铣刀半径太大 确定最大的进刀深度 循环运行时以同样的尺寸进刀 利用参数 R121 和 R104 循环计算出一个进刀量 其大小介于 0.5 倍最大进刀深度和最大进刀深度之间 若 R121=0, 则以凹槽深度进刀 进刀从提前了一个安全距离的参考平面处开始 进刀时的进给速度, 垂直于加工平面 用此参数确定平面上粗加工和精加工的进给速度 在参数 R124 下编程粗加工时留出的轮廓精加工余量 在精加工时 (R127=2), 根据参数 R124 和 R125 选择 仅加工轮廓 或 同时加工轮廓和深度 仅加工轮廓 :R124>0,R125=0 同时加工轮廓和深度 :R124>0,R125>0; R124=0,R125=0; R124=0,R125>0 给定的精加工余量在深度进给粗加工时起作用 具体条件同 R124 用此参数规定加工方向 值 2: 顺时针 G02; 值 3: 逆时针 G03 确定加工方式 1: 粗加工, 按照给定的参数加工凹槽至精加工余量 2: 精加工, 运行精加工前提条件 凹槽粗加工过程已经结束, 接下来对精加工余量进行加工 在此要求留出的精加工余量小于刀具直径 利用此循环可以加工一些相对复杂的零件, 并简化编程功能 在参数设置中若 R118 和 R119 尺寸相同,R120 大于或等于凹槽长度或宽度的一半, 可铣削成圆形凹槽 ; 若 R118 和 R119 尺寸不相同,R120 小于凹槽长度或宽度的一半, 可铣削成矩形凹槽 ; 若 R118 和 R119 尺寸不相同,R120 等于凹槽长度或宽度的一半, 可铣削成两头半圆形状的键槽 只要改变参数就可以使这些循环应用于各种具体加工过程 4. 铣削加工编程实例 例 2.7 如图 所示工件, 加工在 XY 平面的一个圆上的 4 个槽, 相互间成 90 角, 起始角为 45 键槽的尺寸如下 : 长度为 30mm, 宽度为 15mm, 深度为 23mm 安全距离 1mm, 铣削方向 G2, 深度进给最大 6mm 键槽采用粗加工( 精加工余量为零 ), 铣刀带端面齿, 可以加工数控中心 程序如下 : N10 G00 G90 T1 D1 M03 S2000; N20 Z50; N30 X5 Y20; N40 R101=5 R102=1 R103=0 R104=-23 R116=35 R117=0 R118=30 R119=15 R120=15; N50 R121=6 R122=200 R123=300 R124=0 R125=0 R126=2 R127=1; 93

42 94 机床数控技术 N60 G158 X40 Y45; N70 G259 RPL=45; N80 LCYC75; N90 G259 RPL=90; N100 LCYC75; N110 G259 RPL=90; N120 LCYC75; N130 G259 RPL=90; N140 LCYC75; N150 G259 RPL=45; N160 G158 X-40 Y-45; N170 Z5; N180 X20 Y50; N190 M05; N200 M30; 图 加工工件示意图 例 2.8 某连杆零件如图 所示, 要求对该连杆的轮廓进行精铣数控加工, 试编写程序 图 连杆零件 (1) 刀具选择 选择 φ 16 mm 立铣刀 (2) 安全面高度 安全面高度为 10mm 94

43 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 95 (3) 工艺路线安排 采用刀具半径补偿功能, 由 A 点进刀, 再由 B 点退刀加工 φ 40mm 的圆 ; 由 C 点进刀, 再由 D 点退刀加工 φ 24mm 的圆 ; 然后由 A 点进刀, 再由 B 点退刀加工整个轮廓 (4) 数值计算 连杆轮廓的特征点计算结果如下 点 1:X=-82,Y=0; 点 2:X=0,Y=0; 点 3:X=-94,Y=0; 点 4:X= ,Y= ; 点 5:X=-1.951,Y= ; 点 6:X=-1.951,Y=19.905; 点 7:X= ,Y=11.943; 点 8:X=20,Y=0 (5) 数控加工程序如下 : O0002 程序名 N10 G54 G90 G00 X28 Y20; 建立工件坐标系, 快速移动到 A 点 N15 G43 H01 Z10; 刀具长度补偿, 快速移动至安全高度 N20 S1000 M03 M08; 启动主轴和切削液 N40 G01 Z-8 F200; 下刀至 -8mm 高度处 N50 G41 X20 Y0 H01 F100; 刀具半径左补偿, 切向进刀至点 8 N60 G02 Y0 I-20 J0; 圆弧插补铣 φ 40mm 的圆 N70 G40 G01 X28 Y-20; 取消刀具补偿, 切向退刀至点 B N80 G00 Z10; Z 向退刀至安全高度 N90 X-102 Y-20; 快速移动到 C 点 N100 G01 Z-8 F200; 下刀至 -8mm 高度处 N110 G41 X-94 Y0 H01 F100; 刀具半径左补偿, 切向进刀至点 3 N120 G02 I12 J0; 圆弧插补铣 φ 24mm 的圆 N130 G40 G01 X-94 Y20; 取消刀具补偿, 切向退刀至点 D N140 G00 Z10; Z 向退刀至安全高度 N150 G00 X28 Y20; 快速移动到 A 点 N160 G01 Z-21 F200; 下刀至 -21mm 高度处 N170 G41 X20 Y0 H01 F100; 刀具半径左补偿, 切向进刀至点 8 N180 G02 X Y I-20 J0; 圆弧插补至点 5 N190 G01 X Y ; 直线插补至点 4 N200 G02 Y I1.165 J11.943; 圆弧插补至点 7 N210 G01 X Y19.905; 直线插补至点 6 N220 G02 X20 Y0 I1.195 J ; 圆弧插补至点 8 N230 G40 G01 X28 Y-20; 取消刀具补偿, 切向退刀至点 B N240 G00 Z10 M05 M09; Z 向退刀至安全高度, 主轴停止 N250 G91 G49 G28 Z0; 取消长度补偿,Z 轴返回参考点 N260 G28 X0 Y0; X Y 轴返回参考点 N270 M30; 程序结束 加工中心程序编制加工中心 (Machining Center,MC), 是从数控铣床发展而来的 与数控铣床相同的是, 加工中心同样是由计算机数控系统 伺服系统 机械本体 液压系统等各部分组成, 但它又不等同于数控铣床, 二者的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力, 通过在刀库上安装不同用途的刀具, 可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具, 实现钻 铣 镗 扩 铰 攻螺纹 切槽等多种加工功能, 故适合于小型板类 盘类 壳体类 模具等零件的多品种小批量加工 图 为 TH5632 型立式加工中心外观图 图中所示 10 是床身, 其顶面的横向导轨 95

44 96 机床数控技术 支承着滑座 9, 滑座沿床身导轨的运动方向为 Y 轴方向 工作台 8 沿滑座导轨的纵向运动方向为 X 轴方向 5 是主轴箱, 主轴箱沿立柱导轨的上下移动方向为 Z 轴方向 1 为 X 轴的伺服电动机 2 是换刀机械手, 它位于主轴和刀库之间 4 是盘式刀库, 能储存 16 把刀具 3 是数控柜,7 是驱动电源柜, 它们分别位于机床立柱的左右两侧,6 是机床的编程与操作面板 图 TH5632 型立式加工中心外观图 1. 加工中心编程特点本节以配置 FANUC21i/210i MB 系统的加工中心为例介绍其基本编程功能指令, 该系统具有以下编程特点 1) 程序结构每一个存储在零件存储器中的程序需要指定一个程序号以便相互区别 其格式为 :O ; 其中 O 为地址, 其后为 4 位数字 在书写时程序号中非 0 的数字前的 0 可以省略不写 例如 :O0020; 可以写成 O20; 所有程序都是从程序号开始, 主程序以 M02 或 M30 结束 ; 子程序以 M99 结束 一个程序段用识别程序段的顺序号开始而以程序段结束代码结束, 本系统用 ; 表示程序段结束 ( 在 ISO 代码中为 LF, 而在 EIA 代码中为 CR) 2) 小数点编程小数点编程的意思是, 对于某些地址可以使用小数点编程, 也可不用小数点编程 对于允许使用小数点的地址, 如 X Y Z I J K R Q F( 注 :P 不能用小数点输入 ) 等, 由小数点决定该数值的单位, 输入时应特别注意 使用小数点编程时, 长度单位为 mm, 96

45 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 97 角度单位为度 ( ), 时间单位为 s; 不使用小数点编程时, 长度单位为 µm, 时间单位为 ms 如沿 X 轴正方向位移 15mm, 以下写法都是允许的 G91 G00 X15.0; G91 G00 X15.; G91 G00 X15000; 但不能写成 G91 G00 X15;, 否则相当于位移 15 µm 另外在同一个程序段中, 允许同时出现带小数点的数字, 即带小数点和不带小数点的数字可以混合编程 如 X1000 Z2.;, 相当于 X1. Z2.;, 暂停指令中用 X 时应加小数点, 用 P 时不能用小数点 如 G04 X5.;, 相当于 G04 P5000; 3) 自动换刀该加工中心刀库装刀容量为 16 把, 可以自动换刀, 也可以手动换刀 可根据加工批量等情况, 决定采用自动换刀还是手动换刀 一般在加工批量为 10 件以上, 而刀具更换又比较频繁时, 以采用自动换刀为宜 但当加工批量很小而使用的刀具种类又不多时, 把自动换刀安排到程序中, 反而会增加机床调整时间 4) G 功能指令 G 功能代码见表 2-21 表 2-21 G 功能代码一览表 G 功能代码组别功能 G 功能代码组别功能 G00 快速点定位 G45 刀具位置偏移增加 *G01 直线插补 G46 刀具位置偏移减少 G02 顺时针圆弧插补 G47 刀具位置偏移两倍增加 G03 逆时针圆弧插补 G48 刀具位置偏移两倍减少 G 功能代码组别功能 G 功能代码组别功能 G04 暂停 G50 比例缩放取消 11 G05.1 预读控制超前读多个程序 G51 比例缩放有效 G07.1(G107) 圆柱插补 G50.1 可编程镜像取消 22 G08 00 预读控制 G51.1 可编程镜像有效 G09 准确停止检验 G52 局部坐标系设定 00 G10 可编程数据输入 G53 选择机床坐标系 G11 可编程数据输入方式取消 G54~G59 14 工件坐标系 1~6 选择 *G15 极坐标指令消除 G60 00 单方向定位 17 G16 极坐标指令 G61 准确停止校验方式 *G17 XY 平面选择 G62 自动拐角倍率 15 *G18 02 ZX 平面选择 G63 攻螺纹方式 *G19 YZ 平面选择 *G64 切削进给方式 G20 英制输入 G65 00 宏指令简单调用 06 G21 米制输入 G66 宏指令模态调用 12 *G22 04 存储行程限位有效 G67 宏指令模态调用取消 97

46 98 机床数控技术 ( 续 ) G 功能代码 组别 功 能 G 功能代码 组别 功 能 G23 存储行程限位无效 *G68 坐标系旋转方式建立 16 G27 返回参考点检验 G69 坐标系旋转方式取消 G28 自动返回参考点 G73 深孔钻循环 G29 00 由参考点返回 G74 09 左旋攻螺纹循环 G30 返回第 参考点 G76 精镗循环 G31 98 跳转功能 G80~G89 09 孔加工固定循环 G33 01 螺纹切削 *G90 绝对值编程 03 G37 自动刀具长度测量 G91 增量值编程 G39 00 拐角偏置圆弧插补 G92 *G40 取消刀具半径补偿 G92.1 G41 07 刀具半径补偿 ( 左 ) *G94 每分钟进给 05 G42 刀具半径补偿 ( 右 ) G95 每转进给 00 坐标系设定或最大主轴速度钳制工件坐标系预置 *G40.1(G150) 法线方向控制取消方式 G96 打开恒切削速度 13 G41.1(G151) 19 法线方向控制左侧接通 *G97 取消恒切削速度 G42.1(G152) 法线方向控制右侧接通 *G98 10 固定循环返回到初始点 G43 刀具长度补偿 (+) G99 固定循环返回到 R 点 G44 08 刀具长度补偿 (-) *G49 取消刀具长度补偿 注 :1. 除了 G10 和 G11 以外的 00 组 G 功能代码都是非模态 G 功能代码, 其他各组代码均为模态 G 功能代码 2. 同组中, 有 * 标记的 G 功能代码是在电源接通时或按下复位键时就立即生效的 G 功能代码 3. 不同组 G 功能代码可以在同一个程序段中被规定并有效, 但当一个程序段中, 指定了两个以上属于同组的 G 功能代码时, 则仅最后一个被指定的 G 功能代码有效 4. 在固定循环方式中, 如果规定了 01 组中的任何 G 功能代码, 固定循环功能就被自动取消, 系统处于 G80 状态, 而且 01 组 G 功能代码不受任何固定循环 G 功能代码的影响 5) M 功能指令 M 功能指令由地址 M 和两位数字组成, 在一个程序段中只应规定一个 M 指令, 当在一个程序段中出现了两个或两个以上的 M 指令时, 则只有最后一个被指令的 M 代码有效 对于不同的机床制造厂来说, 各 M 功能指令的含义可能有所不同, 表 2-22 所列的是主要的 M 功能, 仅供参考 2. 加工中心基本编程方法 1) 快速点定位 G00 格式 :G00 X_ Y_ Z_; 说明 : 1 用 G00 指令指定点定位, 命令刀具以点位控制方式, 从刀具所在点以最快的速度

47 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 99 移动到目标点 X Y Z 为目标点坐标 2 当用绝对指令时,X Y Z 为目标点在工件坐标系中的坐标 ; 当用增量坐标时,X Y Z 为目标点相对于起点的增量坐标, 即编程时编制刀具移动的距离, 不运动的坐标可以不写 如图 所示, 现命令刀具从 A 点快速移动到 B 点, 其程序如下 : G90 G00 X10.0 Y20.0; ( 绝对尺寸 ) G91 G00 X-80.0 Y-60.0; ( 增量尺寸 ) 3 刀具分别以每轴的快速移动速度定位, 刀具轨迹一般不是直线 其移动速度为系统设定的最高速度, 不能在地址 F 中指定 表 2-22 主要的 M 功能一览表 M 功能指令功能简要说明 M00 程序停止程序停止时, 所有模态指令不变, 按循环启动 (CYCLE START) 按钮可以再启动 功能与 M00 相似, 不同之处就在于程序是否停止取决于机床操作面板上的选 M01 选择停止 择停止 (OPTIONAL STOP) 开关所处的状态, ON 程序停止 ; OFF 程序继续执行 当程序停止时, 按循环启动按钮可以再启动 M02 程序结束 程序结束后不返回到程序开头的位置 M03 主轴正转 从主轴前端向主轴尾端看时为逆时针 M04 主轴反转 从主轴前端向主轴尾端看时为顺时针 M05 主轴停止 执行该指令后, 主轴停止转动 M06 刀具交换 主轴刀具与刀库上位于换刀位置的刀具交换, 该指令中同时包含了 M19 指令, 执行时先完成主轴准停的动作, 然后才执行换刀动作 M08 切削液开执行该指令时, 应先使切削液开关位于 AUTO 的位置 M09 切削液关 M30 程序结束程序结束后自动返回到程序开头的位置 M98 子程序调用程序段中用 P 表示子程序地址, 用 L 表示调用次数 M99 子程序返回 2) 单方向定位指令 G60 对于要求精确定位的孔加工, 使用 G60 指令取代 G00 指令可以实现单方向定位, 从而达到消除因间隙而引起的加工误差, 实现精确定位的目的, 如图 所示 说明 : 1 定位时的方向与过冲量均由参数设定, 即使指令的定位方向与设定的方向一致, 刀具也要在到达终点前停一次 2 G60 为非模态功能代码, 只在被指定的程序段中有效 3 在钻孔固定循环期间 Z 轴不执行单方向定位 4 没有用参数设置过冲量的轴不能进行单方向定位 5 指令移动距离为 0 时不执行单方向定位 99

48 100 机床数控技术 6 镜像不影响参数设定的方向 7 固定循环指令 G76 和 G87 中的偏移运动不使用单方向定位 图 G00 G01 指令编程举例 图 单方向定位指令 G60 3) 直线插补指令 G01 格式 :G01 X_ Y_ Z_ F_; 说明 : 1 G01 指令的作用是使两个 ( 或 3 个坐标 ) 以联动的方式, 按指定的进给速度 F 值, 插补加工出任意斜率的平面 ( 或空间 ) 直线 X Y Z 为目标点坐标, 可以用绝对值坐标, 也可以用增量坐标 2 F 为刀具移动的速度, 用 F 代码指令的进给速度是沿着直线轨迹测量的 如果 F 代码不指令, 进给速度被当作零, 如图 所示 图 G01 指令编程举例 4) 圆弧插补指令 G02 G03 在 XY 平面上插补圆弧的格式 : G02 I J G17 X Y G03 R F_ ; 在 ZX 平面上插补圆弧的格式 : G02 I K G18 X Z G03 R F_ ; 在 YZ 平面上插补圆弧的格式 : G02 J K G19 Y Z G03 R F_ ; 说明 : 1 用 G02 G03 指定圆弧插补 G02 表示顺圆插补,G03 表示逆圆插补 圆弧的顺 100

49 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 101 逆时针方向如图 2.91 所示 2 G17 G18 G19 为圆弧插补平面选择指令, 以此来确定被加工表面所在平面,G17 可以省略 X Y Z 为圆弧终点坐标, 可以用绝对值坐标, 也可以用增量坐标, 由 G90 和 G91 决定 在增量方式下, 圆弧终点坐标是相对于圆弧起点的增量值 I J K 表示圆弧圆心的坐标, 它是圆心相对于圆弧起点在 X Y Z 轴方向上的增量值, 也可以理解为圆弧起点到圆心的矢量 ( 矢量方向指向圆心 ) 在 X Y Z 轴上的投影, 与前面定义的 G90 或 G91 无关 I J K 为零时可以省略 F 规定了沿圆弧切向的进给速度 下面以图 为例, 说明 G02 G03 指令的编程方法, 设刀具从 A 开始沿 A B C 切削 用绝对值尺寸编程 : 或 图 G02 G03 指令编程举例 G92 X200.0 Y40.0 Z0; G90 G03 X140.0 Y100.0 R60.0 F300.; G02 X120.0 Y60.0 R50.0; G92 X200.0 Y40.0 Z0; G90 G03 X140.0 Y100.0 I-60.0 F300.; G02 X120.0 Y60.0 I-50.0; 用增量值尺寸编程 : 或 G91 G03 X-60.0 Y60.0 R60.0 F300.; G02 X-20.0 Y-40.0 R50.0; G91 G03 X-60.0 Y60.0 I-60.0 F300.; G02 X-20.0 Y-40.0 I-50.0; 3 整圆编程时不能使用 R, 只能使用 I J K 图 为一封闭圆, 现设起刀点在坐标原点 O 加工时刀具从 O 快速移动至 A, 以逆时针加工整圆, 用绝对尺寸编程 : N10 G92 X0 Y0 Z0.; N20 G90 G00 X30. Y0; N30 G03 I-30. J0 F100; N40 G00 X0 Y0; 101

50 102 机床数控技术 用增量尺寸编程 : N20 G91 G00 X30. Y0; N30 G03 I-30. J0 F100; N40 G00 X-30. Y0; 4 在使用 R 的圆弧插补中, 由于在同一圆弧半径 R 的情况下, 从起点 A 到终点 B 的圆弧可能有两个, 如图 所示, 即圆弧段 1 和圆弧段 2 为了区别二者, 特规定圆弧所对应的圆心角小于等于 180 时 ( 圆弧段 1) 用 +R; 圆心角大于 180 的圆弧 ( 圆弧段 2) 用 -R, 其程序如下 图 整圆编程 图 圆弧用 R 编程 圆弧段 1: 由图可知 A B 两点的坐标为 A(-40, -30),B(40, -30) 程序为: G90 G02 X40. Y-30. R50. F100; 或 G91 G02 X80. Y0. R50. F100; 圆弧段 2 程序为 G90 G02 X40. Y-30. R-50. F100; 或 G91 G02 X80. Y0. R-50. F100; 5 如果同时指定地址 I J K 和 R, 则用地址 R 指定的圆弧优先, 其他被忽略 5) 螺旋插补指令 G02 G03 G02 I J G17 X Y α(β)_ F_ ; G03 R G02 I K G18 X Z α(β)_ F_ ; G03 R G02 J K G19 Y Z α(β)_ F_ ; G03 R 说明 : 1 螺旋移动的螺旋插补可指令两个与圆弧插补轴同步移动的其他轴 指令方法只是简单地加上一个不是圆弧插补轴的移动轴, 如图 所示 2 只对圆弧进行刀具半径补偿, 在指令螺旋插补的程序段中不能指令刀具偏置和刀具长度补偿 3 α β 是圆弧插补时不用的任意一个轴, 最多能指定两个其他轴 102

51 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 103 图 螺旋插补 6) 准确停止校验指令 G09 G09 指令为非模态指令, 仅在所出现的程序段有效 在与包含有运动的指令同时被指定时, 刀具在到达终点前减速并精确定位后才继续执行下一个程序段, 因此 G09 可用于具有尖锐棱角的零件加工 7) 准确停止校验方式指令 G61 G61 指令规定了精确停止校验方式且为续效指令 在指定了 G61 的程序段之后, 当遇到与运动有关的指令, 刀具到达该运动段的终点时, 减速到零并精确定位之后再执行下一个程序段 该指令工作方式在遇到 G64 时可以自动终止 G61 与 G09 的区别是 G61 为模态指令 8) 切削进给方式指令 G64 在这种工作方式时, 刀具在运动到指令的终点后, 不减速而继续执行下一个程序段 换言之, 机床在上一个程序段到达所编程的终点前, 就开始执行下一个程序段 但该指令在有定位指令 G00 G60 或精确停止校验指令 G09 的程序段中, 仍减速到零并精确定位 9) 暂停指令 G04 格式 :G04 X_; 或 G04 P_; 说明 : 1 G04 指令可使刀具作暂短的无进给光整加工, 一般用于镗平面 锪孔等场合 2 X 或 P 为暂停时间, 其中 X 后面可用带小数点的数, 单位为 s( 如 G04 X5.0; 表示在前一程序执行完后, 要经过 5s 以后, 后一程序段才执行 ); 地址 P 后面不允许用小数点, 单位为 ms( 如 G04 P1000; 表示暂停 1000ms, 即 1s) 10) 返回参考点校验指令 G27 自动返回参考点指令 G28 由参考点返回指令 G29 (1) 返回参考点校验指令 G27 格式 :G27 X_ Y_ Z_; 说明 : 1 G27 指令可以检验刀具是否能够定位到参考点上, 指令中 X Y Z 分别代表参考点在工件坐标系中的坐标值, 执行该指令后, 如果刀具可以定位到参考点上, 则相应轴的参考点指示灯就点亮 2 若不要求每次执行程序时, 都执行返回参考点的操作, 应在该指令前加上 / ( 程序跳转 ), 以便在不需要校验时, 跳过该程序段 103

52 104 机床数控技术 3 若希望执行该程序段后让程序停止, 应在该程序段后加上 M00 或 M01 指令, 否则程序将不停止而继续执行后面的程序段 4 在刀具补偿方式中使用该指令, 刀具到达的位置将是加上补偿量的位置, 此时刀具将不能到达参考点, 因而相应轴参考点的指示灯不亮, 因此执行该指令前, 应先取消刀具补偿 (2) 自动返回参考点指令 G28 格式 :G28 X_ Y_ Z_; 说明 : 1 G28 指令可使刀具以点位方式经中间点快速返回到参考点, 中间点的位置由该指令后面的 X Y Z 坐标值所决定, 其坐标值可以用绝对值也可以用增量值, 但这要取决于是 G90 方式还是 G91 方式 设置中间点是为了防止刀具返回参考点时与工件或夹具发生干涉 2 通常 G28 指令用于自动换刀, 原则上应在执行该指令前取消各种刀具补偿 3 在 G28 程序段中不仅记忆移动指令坐标值, 而且记忆了中间点的坐标值 换句话说, 对于在使用 G28 程序段中没有被指令的轴, 以前 G28 中的坐标值就作为那个轴的中间点坐标值 例 :N010 G90 X100.0 Y200.0 Z300.0; N020 G28 X400.0 Y500.0; ( 中间点是 ) N030 G28 Z600.0; ( 中间点是 ) (3) 自动从参考点返回指令 G29 格式 :G29 X_ Y_ Z_; 说明 : 1 G29 指令可以使刀具从参考点出发, 经过一个中间点到达由这个指令后面的 X Y Z 坐标值所指定的位置 中间点的坐标由前面的 G28 指令所规定, 因此 G29 指令应与 G28 指令成对使用, 指令中 X Y Z 是目标点的坐标, 由 G90/G91 状态决定是绝对值还是增量值 若为增量值, 则是指到达点相对于 G28 中间点的增量值 2 在选择 G28 之后,G29 指令不是必需的, 使用 G00 定位有时可能更为方便 例如图 所示, 加工后刀具已定位到 A 点, 取点 B 为中间点,C 点为执行 G29 指令时应到达的点, 则程序如下 : 图 G28 指令与 G29 指令应用举例 104

53 N040 G91 G28 X100. Y100.; N050 M06; N060 G29 X300. Y-170.; 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 105 此程序执行时, 刀具首先从 A 点出发, 以快速点定位的方式由 B 点到达参考点, 换刀后执行 G29 指令, 刀具从参考点先运动到 B 点再到达 C 点,B 点至 C 点的增量坐标为 X300. Y ) 选择机床坐标系指令 G53 格式 :G53 X_ Y_ Z_; 说明 : 1 当指令机床坐标系上的位置时, 刀具快速移动到该位置 2 G53 是非模态 G 代码, 即它仅在指令机床坐标系的程序段有效 3 对 G53 应指定绝对值指令 (G90), 当指定增量值指令 (G91) 时,G53 指令被忽略 12) 设定工件坐标系指令 G92 格式 :G92 X_ Y_ Z_; 说明 : 1 G92 指令是规定工件坐标系坐标原点的指令, 工件坐标系原点又称为程序原点, 坐标值 X Y Z 为刀具刀位点在工件坐标系中 ( 相对于程序原点 ) 的初始位置 执行 G92 指令时, 机床不动作, 即 X Y Z 轴均不移动 2 坐标值 X Y Z 均不得省略, 否则对未被设定的坐标轴将按以前的记忆执行, 这样刀具在运动时, 可能达不到预期的位置, 甚至会造成事故 如图 所示, 建立工件坐标的系程序为 G92 X25.2 Z23.0; 建立工件坐标系 图 G92 建立工件坐标系 13) 选择工件坐标系指令 G54~G59 格式 :G54 / / G59 说明 : 1 若在工作台上同时加工多个零件时, 可以设定不同的程序零点, 可建立 G54~G59 共六个加工工件坐标系 与 G54~G59 相对应的工件坐标系, 分别称为第一工件坐标系至第六工件坐标系, 其中 G54 坐标系是机床一开机并返回参考点后就有效的坐标系 2 G54~G59 不像 G92 那样需要在程序段中给出预置寄存的坐标数据 那么机床在加工时, 是如何知道所用工件坐标系与机床坐标系之间的关系呢? 原来这是由操作者在加工 105

54 106 机床数控技术 零件之前, 通过 工件零点附加偏置 的操作实现的 操作者在安装工件后, 测量工件坐标系原点相对于机床坐标系原点的偏移量, 并把工件坐标系在各轴方向上相对于机床坐标系的位置偏移量, 写入工件坐标偏置存储器中, 其后系统在执行程序时, 就可以按照工件坐标系中的坐标值来运动了 3 注意 G54~G59 工件坐标系指令与 G92 坐标系设定指令的差别 :G92 指令需后续坐标值指定刀具起点在当前工件坐标系中的坐标值, 用单独一个程序段指定 ; 在使用 G92 指令前, 必须保证刀具回到加工起点 G54~G59 建立工件坐标系时, 可单独使用, 也可与其他指令同段使用 ; 使用该指令前, 先用手动数据输入 (MDI) 方式输入该坐标系的坐标原点在机床坐标系中的坐标值 对于完成图 所示零件的钻孔加工, 使用 G54~G59 工件坐标系编程可简化程序, 减少坐标换算 图 设定不同的程序零点示例 14) 设定局部坐标系指令 G52 当在工件坐标系中编制程序时, 为容易编程可以设定工件坐标系的子坐标系 子坐标系称为局部坐标系 格式 :G52 X_ Y_ Z_; 说明 : 1 用 G52 指令可以在工件坐标系 G54~G59 中设定局部坐标系 局部坐标系的原点设定在工件坐标系中以 X_ Y_ Z_ 指定的位置 2 当设定局部坐标系时, 后面以绝对值方式,G90 指令移动的是在局部坐标系中的坐标值 3 用 G52 X0 Y0 Z0 可取消局部坐标系 4 局部坐标系的设定不改变工件坐标系和机床坐标系 15) 坐标平面指令 G17 G18 G19 右手直角笛卡儿坐标系的 3 个互相垂直的轴 X Y Z, 分别构成 3 个平面, 即 XY 平面 ZX 平面和 YZ 平面 对于三坐标的加工中心, 常用这些指令确定机床在哪个平面内进行插补运动 用 G17 表示在 XY 平面内加工 ;G18 表示在 ZX 平面内加工 ;G19 表示在 YZ 平面内加工 106

55 第 2 章数控加工工艺分析与程序编制 ) 绝对值指令 G90 增量值指令 G91 1 绝对值指令 G90 ISO 代码中绝对值指令用 G90 指定 它表示程序段中的尺寸字为绝对坐标值, 即从编程零点开始的坐标值 2 增量值指令 G91 ISO 代码中增量值指令用 G91 指定 它表示程序段中的尺寸字为增量坐标值, 即刀具运动的终点相对于起点坐标值的增量 17) 极坐标指令 G15 G16 格式 :G17/G18/G19 G90/G91 G16; 开始极坐标指令 G00 X_ Y_ 极坐标指令 G15; 取消极坐标指令说明 : 1 坐标值可以用极坐标半径和角度输入, 角度的正向是所选平面的第一轴正向的逆时针转向, 而负向是顺时针转向 2 半径和角度两者可以用绝对值指令或增量值指令 G90/ G91 3 G90 指定工件坐标系的原点作为极坐标系的原点, 从该点测量半径 ;G91 指定当前位置作为极坐标系的原点, 从该点测量半径 4 G00 后第一轴是极坐标半径 ; 第二轴是极角 如图 所示, 程序如下 : 用绝对值指令指定角度和半径 N1 G17 G90 G16; 指定极坐标指令和选择 XY 平面, 设定工件坐标系的原点作为极坐标系的原点 N2 G81 X100.0 Y30.0 Z-20.0 R-5.0 F200.0; 指定 100mm 的距离和 30 的角度 N3 Y150.0; 指定 100mm 的距离和 150 的角度 N4 Y270.0; 指定 100mm 的距离和 270 的角度 N5 G15 G80; 取消极坐标指令 用增量值指令指定角度, 用绝对值指令指定极径 N1 G17 G90 G16; 指定极坐标指令和选择 XY 平面, 设定工件坐标系的原点作为极坐标的原点 N2 G81 X100.0 Y30.0 Z-20.0 R-5.0 F200.0; 指定 100mm 的距离和 30 的角度 N3 G91 Y120.0; 指定 100mm 的距离和 +120 的角度增量 N4 Y120.0; 指定 100mm 的距离和 +120 的角度增量 N5 G15 G80; 取消极坐标指令 图 G15 G16 指令编程举例 107

56 108 机床数控技术 18) 尺寸单位选择指令 G20 G21 格式 :G20; 英制输入 G21; 公制输入说明 : 1 该 G 指令必须编在程序的开头, 在设定坐标系之前, 以单独程序段指定 2 接通电源时为公制单位 3 G20 G21 不能中途切换 19) 主轴速度功能指令 G96 G97 G92 格式 :G96 S ; 刀具和工件之间的相对速度维持恒定,S 为切削速度 (m/min) G97 S ; 取消恒切削速度,S 为主轴转速 (r/min) G92 S ; S 为主轴最高速度 (r/min) 20) 刀具补偿指令 (1) 刀具长度补偿指令 G43 G44 G49 格式 :G43 Z_ H_; 刀具长度补偿 (+) G44 Z_ H_; 刀具长度补偿 (-) G49; 或 H00; 取消刀具长度补偿说明 : 1 刀具长度补偿指令一般用于刀具轴向 (Z 向 ) 的补偿, 它使刀具在 Z 方向上的实际位移量比程序给定值增加或减少一个偏置量 G43 为刀具长度正补偿 + ;G44 为刀具长度负补偿 - ;Z 为目标点坐标 ;H 为刀具长度补偿代号, 补偿量存入由 H 代码指定的存储器中 若输入指令 G00 G43 Z100.H01;, 并于 H01 中存入 -200., 则执行该指令时, 将用 Z 坐标值 100. 与 H01 中所存 进行 + 运算, 即 (-200.)= -100., 并将所求结果作为 Z 轴移动值 取消刀具长度补偿用 G49 或 H00 若指令中忽略了坐标轴, 则默认为 Z 轴且为 Z0 2 当刀具在长度方向的尺寸发生变化时, 可以在不改变程序的情况下, 通过改变偏置量, 加工出所要求的零件尺寸 图 所示的刀具长度补偿示例, 程序如下 : H1=-4.0 刀具长度偏置值 N1 G91 G00 X120.0 Y80.0; (1) N2 G43 Z-32.0 H1; (2) N3 G01 Z-21.0 F1000; (3) N4 G04 P2000; (4) N5 G00 Z21.0; (5) N6 X30.0 Y-50.0; (6) N7 G01 Z-41.0; (7) N8 G00 Z41.0; (8) N9 X50.0 Y30.0; (9) N10 G01 Z-25.0; (10) N11 G04 P2000; (11) N12 G00 Z57.0 H0; (12) N13 X Y-60.0; (13) N14 M2; 108