数控编程及加工工艺基础知识.doc

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第1章 数控编程及加工工艺基础
数控( Numerical Control, NC) 的定义是: 用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控加工是计算机辅助设计与制造技术中最能明显发挥效益的生产环节之一。它不但大大提高了具有复杂型面的产品的制造能力和制造效率, 而且保证产品能达到极高的加工精度和加工质量。
数控加工技术集传统的机械制造、 计算机、 现代控制、 传感检测、 信息处理、 光机电技术于一体, 是现代机械制造技术的基础。它的广泛应用, 给机械制造业的生产方式及产品结构带来了深刻的变化。数控技术的水平和普及程度, 已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。
本章将主要介绍CAM数控编程的实现过程、 数控加工的基本原理、 数控机床以及数控程序等数控编程及加工工艺基础知识, 以帮助读者快速掌握CATIA V5数控加工所必须首先掌握的基础知识。
1.1 数控编程的基本过程
数控编程的主要任务是计算加工走刀中的刀位点( Cutter Location, CL点) 。CATIA提供了多种加工类型用于各种复杂零件的粗精加工, 用户能够根据零件结构、 加工表面形状和加工精度要求选择合适的加工类型。对于不同的加工类型, CATIA V5的数控编程过程都需经过获取零件模型、 加工工艺分析及规划、 完善零件模型、 设置加工参数、 生成数控刀路、 检验数控刀路和生成数控程序七个步骤。其流程如图1-1所示。
( 1) 建立或者获取零件模型。零件的CAD模型是数控编程的前提和基础, CATIA数控程序的编制必须有CAD模型作为加工对象。CATIA是具有强大的CAD系统, 用户能够经过模块之间的切换, 在零件设计、 曲面造型等模块中建立所需的零件CAD模型, 完成后再切换到相应的数控加工模块中。CATIA也具有健壮的数据转换接口, 用户能够首先将其它CAD系统所建立的零件模型转换为公共的数据转换格式, 如iges、 step等, 再导入CATIA中并得到零件模型。获取零件模型的具体方法将在第2章中详细介绍。
( 2) 加工工艺分析及规划。加工工艺分析和规划在很大程度上决定了数控程序的质量, 主要是确定加工区域、 加工性质、 走刀方式、 使用刀具、 主轴转速和切削进给等项目。加工工艺分析和规划主要包括以下内容。
q 加工对象的确定: 经过对模型的分析, 确定工件的哪些部位需要在数控铣床上或者数控加工中心加工。数控铣加工的工艺适应性也是有一定限制的, 对于尖角、 细小的筋条等部位是不适合加工的, 应使用线切割或者电加工来加工; 而某些加工内容可能使用普通机床有更好的经济性, 如孔的加工能够使用钻床、 回转体加工能够用车床来加工。

图 1-1
q 加工区域规划: 即对加工对象进行分析, 按其形状特征、 功能特征及精度、 粗糙度要求将加工对象分成若干个加工区域。对加工区域进行合理规划, 能够达到提高加工效率和加工质量的目的。
q 加工工艺路线规划: 从粗加工到精加工, 再到清根加工的加工流程规划, 以及加工余量分配。
q 加工工艺和加工方式确定: 如刀具选择、 加工工艺参数和切削方式的选择等。
( 3) 完善零件模型。由于CAD造型人员更多地考虑零件设计的方便性和完整性, 较少顾及零件模型对CAM加工的影响, 因此要根据加工对象的确定及加工区域划分对模型做一些完善。零件模型的完善一般有以下一些内容。
q 确定坐标系。坐标系是加工的基准, 将坐标系定位在适合机床操作人员确定的位置, 同时保持坐标系的统一。
q 清理隐藏对加工不产生影响的元素。
q 修补部分曲面。对于因有不加工部位存在而造成的曲面空缺部位, 应该补充完整。如钻孔的曲面, 在狭小的凹槽部位等, 应该将这些曲面重新做完整, 这样获得的刀具路径规范而且安全。
q 增加安全曲面。
q 对轮廓曲线进行修整。对于经过公共数据转换格式得到的零件CAD模型, 看似光滑的曲线可能存在断点, 看似一体的曲面在连接处可能不相交, 这样能够经过修整或者创立轮廓线构造出最佳的加工边界曲线。
q 构建刀路限制边界。需要使用边界来限制加工范围的加工区域, 先构建出边界 曲线。
( 4) 设置加工参数。参数设置可视为对工艺分析和规划的具体实施, 它构成了利用CATIA进行数控编程的主要操作内容, 直接影响生成的数控程序质量。参数设置的内容主要有以下几个方面。
q 设置加工对象: 用户经过交互手段选择被加工的几何体或其中的加工分区、 毛坯和避让区域等。
q 设置切削方式: 指定刀轨的类型及相关参数。
q 设置刀具及机械参数: 针对每一个加工工序选择适合的加工刀具并在CATIA中设置相应的机械参数, 包括主轴转速、 切削进给、 切削液控制等。
q 设置加工程序参数: 包括对进退刀位置及方式、 切削用量、 行间距、 加工余量、 安全高度等的设置。这是参数设置中最主要的内容之一。
( 5) 生成数控刀路。在完成参数的设置后, CATIA将自动进行刀轨的计算。
( 6) 检验数控刀路。为确保数控程序的安全性, 必须对生成的刀轨进行检查校验, 检查刀路是否有明显过切或者加工不到位, 同时检查是否发生与工件及夹具的干涉。对检查中发现的问题, 应该调整参数的设置, 再重新进行计算、 校验, 直到准确无误。
( 7) 生成数控程序。前面生成的只是数控刀轨, 还需要将刀轨以规定的标准格式转换为数控代码并输出保存。数控程序文件能够用记事本进行打开。在生成数控程序后, 还需要检查这个程序文件, 特别对程序及程序尾部分的语句进行检查, 如有必要能够修改。数控程序文件能够经过传输软件传输到数控机床的控制器上, 由控制器按程序语句驱动机床加工。
1.2 数 控 加 工
1.2.1 CAM系统简述
一个典型的CAM系统由两个部分组成: 一是计算机辅助编程系统, 二是数控加工设备。
计算机辅助编程系统的任务是根据工件的几何信息计算出数控加工的轨迹, 并编制出数控程序。它由计算机硬件设备和计算机辅助数控编程软件组成。
计算机硬件设备主要有工作站和微机两种。一般而言, 工作站的图形性能要优于微机, 但随着微机性能的飞速提高, 它与工作站的性能差别也越来越小。而且由于微机的价格要远低于工作站, 因此其在CAD/CAM系统中的应用越来越广泛, 其普及率也远高于工作站。
计算机辅助数控编程软件即是一般所说的CAM软件, 它是计算机辅助编程系统的核心。它的主要功能包括数据输入输出、 加工轨迹计算与编辑、 工艺参数设置、 加工仿真、 数控程序后处理和数据管理等。当前常见的CAM软件种类较多, 其基本功能大同小异, 并在此基础上发展出各自的特色。
数控加工设备的任务是接受数控程序, 并按照程序完成各种加工动作。数控加工技术能够应用在几乎所有的加工类型中, 如车、 铣、 刨、 镗、 磨、 钻、 拉、 切断、 插齿、 电加工、 板材成型和管料成型等。
数控铣床、 数控车床、 数控线切割机是模具行业中最常见的数控加工设备, 其中以数控铣床应用最为广泛。
1.2.2 加工原理
机床上的刀具和工件间的相对运动, 称为表面成形运动, 简称成形运动或切削运动。数控加工是指数控机床按照数控程序所确定的轨迹( 称为数控刀轨) 进行表面成形运动, 从而加工出产品的表面形状。图1-2和图1-3分别是一个平面轮廓加工和一个曲面加工的切削示意图。

图 1-2 图 1-3
数控刀轨是由一系列简单的线段连接而成的折线, 折线上的结点称为刀位点。刀具的中心点沿着刀轨依次经过每一个刀位点, 从而切削出工件的形状。
刀具从一个刀位点移动到下一个刀位点的运动称为数控机床的插补运动。由于数控机床一般只能以直线或圆弧这两种简单的运动形式完成插补运动, 因此数控刀轨只能是由许多直线段和圆弧段将刀位点连接而成的折线。
数控编程的任务是计算出数控刀轨, 并以程序的形式输出到数控机床, 其核心内容就是计算出数控刀轨上的刀位点。
在数控加工误差中, 与数控编程直接相关的有两个主要部分:
( 1) 刀轨的插补误差。由于数控刀轨只能由直线和圆弧组成, 因此只能近似地拟合理想的加工轨迹, 如图1-4所示。
( 2) 残余高度。在曲面加工中, 相邻两条数控刀轨之间会留下未切削区域, 如图1-5所示, 由此造成的加工误差称为残余高度, 它主要影响加工表面的粗糙度。

图 1-4 图 1-5
刀具的表面成形运动一般分为主运动和进给运动。主运动指机床的主轴转动, 其运动质量主要影响产品的表面光洁度。进给运动是主轴相对工件的平动, 其传动质量直接关系到机床的加工性能。
进给运动的速度和主轴转速是刀具切削运动的两个主要参数, 对加工质量、 加工效率有重要的影响。
1.2.3 刀位计算
如前所述, 数控编程的核心内容是计算数控刀轨上的刀位点。下面简单介绍数控加工刀位点的计算原理。
数控加工刀位点的计算过程可分为3个阶段。
( 1) 加工表面的偏置。如图1-6所示, 刀位点是刀具中心点的移动位置, 它与加工表面存在一定的偏置关系。这种偏置关系取决于刀具的形状和大小。例如, 当刀具为半径R的球头刀时, 刀轨( 刀具中心的移动轨迹) 应当在距离加工表面为R的偏置面上, 如图1-7所示。由此可见, 刀位点计算的前提是首先根据刀具的类型和尺寸计算出加工表面的偏置面。

图 1-6 图 1-7
( 2) 刀轨形式的确定。把刀位点在偏置面上的分布形式称为刀轨形式。图1-8和图1-9所示是两种最常见的刀轨形式。其中图1-8所示为行切刀轨, 即所有刀位点都分布在一组与刀轴( z轴) 平行的平面内。图1-9所示为等高线刀轨( 又称环切刀轨) , 即所有刀位点都分布在与刀轴( z轴) 垂直的一组平行平面内。

图 1-8 图 1-9
显然, 对于这两种刀轨来说, 其刀位点分布在加工表面的偏置面与一组平行平面的交线上, 这组交线称为理想刀轨, 平行平面的间距称为刀轨的行距。也就是说, 刀轨形式一旦确定下来, 就能够在加工表面的偏置面上以一定行距计算出理想刀轨。
( 3) 刀位点的计算。如果刀具中心能够完全按照理想刀轨运动的话, 其加工精度无疑将是最理想的。然而, 由于数控机床一般只能完成直线和圆弧线的插补运动, 因此只能在理想刀轨上以一定间距计算出刀位点, 在刀位点之间做直线或圆弧运动, 如图1-4所示。刀位点的间距称为刀轨的步长, 其大小取决于编程允许误差。编程允许误差越大, 则刀位点的间距越大; 反之越小。
以上所描述的仅仅是刀位点计算的基本思路, 而CAM软件中实际采用的计算方法要复杂得多, 而且随着软件的不同会有许多具体的变化。
然而不论在哪种CAM软件中, 刀位点计算有多么复杂多样, 其技术核心都只有一点, 即以一定的形式和密度在被加工面的偏置面上计算出刀位点。刀位点的密度不但指刀轨的行距, 还指刀轨的步长, 它们是影响数控编程精度的主要因素。
1.3 数 控 机 床
1.3.1 数控机床的特点
随着科学技术和市场经济的不断发展, 对机械产品的质量、 生产率和新产品的开发周期提出了越来越高的要求。虽然许多生产企业( 如汽车、 家用电器等制造厂) 已经采用了自动机床和专用自动生产线, 能够提高生产效率、 提高产品质量、 降低生产成本, 可是由于市场竞争日趋激烈, 这就要求企业必须不断开发新产品。在频繁的开发新产品的生产过程中, 使用”刚性”( 不可变) 的自动化设备, 由于其工艺过程的改变极其复杂, 因此刚性自动化设备的缺点暴露无遗。另外, 在机械制造业中, 并不是所有产品零件都具有很大的批量。据统计, 单件小批量生产约占加工总量的75%～80%。对于单件、 小批, 复杂零件的加工, 若用”刚性”自动化设备加工, 则生产成本高、 生产周期长, 而且加工精度也很难符合要求。为了解决上述问题, 并满足新产品的开发和多品种、 小批量生产的自动化, 国内外已研制生产了一种灵活的、 通用的、 万能的、 能适应产品频繁变化的数控机床。美国麻省理工学院在20世纪50年代成功地研制出第一台数控铣床。1970年首次展出了第一台用计算机控制的数控机床( CNC) 。图1-10左图所示就是CNC数控铣床, 右图所示是数控加工中心。

图 1-10
下面介绍数控机床的主要特点。
1．高柔性
数控铣床的最大特点是高柔性, 即可变性。所谓”柔性”即是灵活、 通用、 万能, 能够适应加工不同形状工件的自动化机床。
数控铣床一般都能完成钻孔、 镗孔、 铰孔、 铣平面、 铣斜面、 铣槽、 铣曲面( 凸轮) 和攻螺纹等加工, 而且一般情况下, 能够在一次装夹中完成所需的加工工序。
如图1-11所示齿轮箱, 齿轮箱上一般有两个具有较高位置精度要求的孔, 孔周有安装端盖的螺孔, 按照老的传统加工方法步骤如下:

图 1-11
( 1) 划线 划底面线A, 划φ47JS7、 φ52JS7及90±0.03中心线。
( 2) 刨( 或铣) 底面A。
( 3) 平磨( 或括削) 底面A。
( 4) 镗加工( 用镗模) 铣端面, 镗φ52JS7、 φ47JS7, 保持中心距90±0.03。
( 5) 划线( 或用钻模) 划8-M6孔线。
( 6) 钻孔攻丝 钻攻8-M6孔。
以上工件至少需要6道工序才能完成。如果用数控铣床加工, 只需把工件的基准面A加工好, 可在一次装夹中完成铣端面、 镗φ52JS7、 φ47JS7及钻攻8-M6孔, 也就是将工序( 4) 、 ( 5) 和工序( 6) 合并为1道工序加工。
更重要的是, 如果开发新产品或更改设计需要将齿轮箱上2个孔改为3个孔, 8-M6螺孔改为12-M6孔, 采用传统的加工方法必须重新设计制造镗模和钻模, 则生产周期长。如果采用数控铣床加工, 只需将工件程序指令改变一下( 一般只需0.5h～1h) , 即可根据新的图样进行加工。这就是数控机床高柔性带来的特殊优点。
2．高精度
当前数控装置的脉冲当量( 即每轮出一个脉冲后滑板的移动量) 一般为0.001mm, 高精度的数控系统可达0.0001mm。因此一般情况下, 绝对能保证工件的加工精度。另外, 数控加工还可避免工人操作所引起的误差, 一批加工零件的尺寸统一性特别好, 产品质量能得到保证。
3．高效率
数控机床的高效率主要是由数控机床高柔性带来的。如数控铣床, 一般不需要使用专用夹具和工艺装备。在更换工件时, 只需调用储存于计算机中的加工程序、 装夹工件和调整刀具数据即可, 可大大缩短生产周期。更主要的是数控铣床的万能形带来高效率, 如一般的数控铣床都具有铣床、 镗床和钻床的功能, 工序高度集中, 提高了劳动生产率并减少了工件的装夹误差。
另外, 数控铣床的主轴转速和进给量都是无级变速的, 因此有利于选择最佳切削用量。数控铣床都有快进、 快退、 快速定位功能, 可大大减少机动时间。
据统计, 采用数控铣床比普通铣床可提高生产率3～5倍。对于复杂的成形面加工, 生产率可提高十几倍甚至几十倍。
4．大大减轻了操作者的劳动强度
数控铣床对零件加工是按事先编好的程序自动完成的。操作者除了操作键盘、 装卸工件和中间测量及观察机床运行外, 不需要进行繁重的重复性手工操作, 可大大减轻劳动 强度。
1.3.2 数控机床的分类
数控机床的分类有多种方式。
( 1) 按机床数控运动轨迹划分
q 点位控制数控机床: 指在刀具运动时, 只控制刀具相对于工件位移的准确性, 不考虑两点间的路径, 如数控钻床。
q 点位直线控制数控机床: 在点位控制的基础上, 还要保证运动一条直线, 且刀具在运动过程中还要进行切削加工。
q 轮廓控制数控机床: 能对两个或更多的坐标运动进行控制( 多坐标联动) , 刀具运动轨迹可为空间曲线。在模具行业中这类机床应用最多, 如三坐标以上的数控铣或加工中心。
( 2) 按伺服系统控制方式划分
q 开环控制机床: 价格低廉, 精度及稳定性差。
q 半闭环控制数控机床: 精度及稳定性较高, 价格适中, 应用最普及。
q 闭环控制数控机床: 精度高, 稳定性难以控制, 价格高。
( 3) 按联动坐标轴数划分
q 两轴联动数控机床。
X、 Y、 Z三轴中任意两轴作插补联动, 第三轴作单独的周期进刀, 常称2.5轴联动。如图1-12所示, 将X向分成若干段, 圆头铣刀沿YZ面所截的曲线进行铣削, 每一段加工完后进给ΔX, 再加工另一相邻曲线, 如此依次切削即可加工出整个曲面, 故称为行切法。根据表面光洁度及刀头不干涉相邻表面的原则选取ΔX。行切法加工所用的刀具一般是球刀铣头( 即指状铣刀) 。用这种刀具加工曲面, 不易干涉相邻表面, 计算比较简单。球状铣刀的刀头半径应选得大一些, 有利于提高加工光洁度、 增加刀具刚度、 散热等。但刀头半径应小于曲面的最小曲率半径。
用球头铣刀加工曲面时, 总是用刀心轨迹的数据进行编程。图1-13所示为二轴联动三坐标行切法加工的刀心轨迹与切削点轨迹示意图。ABCD为被加工曲面, P平面为平行于YZ做表面的一个平行面, 其刀心轨迹O1O2为曲面ABCD的等距面IJKL与行切面Pyz的交线, 显然, O1O2是一条平面曲线。在这种情况下, 曲面的曲率变化时会导致球头刀与曲面切削点的位置亦随之改变, 而切削点的连线ab是一条空间曲线, 从而在曲面上形成扭曲的残留沟纹。由于2.5轴坐标加工的刀心轨迹为平面曲线, 故编程计算较为简单, 数控逻辑装置也不复杂, 常见于曲率变化不大以及精度要求不高的粗加工。
q 三轴联动数控机床。
X、 Y、 Z三轴可同时插补联动。用三坐标联动加工曲面时, 一般亦用行切方法。如 图1-14所示, 三轴联动的数控刀轨能够是平面曲线或者空间曲线。三坐标联动加工常见于复杂曲面的精确加工( 如精密锻模) 。但编程计算较为复杂, 所用的数控装置还必须具备三轴联动功能。
q 四轴联动数控机床。
除了X、 Y、 Z三轴平动之外, 还有工作台或者刀具的转动。如图1-15所示, 侧面为直纹扭曲面。若在三坐标联动的机床上用圆头铣刀按行切法加工时, 不但生产率低, 而且光洁度差。为此, 采用圆柱铣刀周边切削, 并用四坐标铣床加工, 即除三个直角坐标运动外, 为保证刀具与工件型面在全长始终贴合, 刀具还应绕O1( 或O2) 作摆角联动。由于摆角运动, 导致直角坐标系( 图中Y) 需作附加运动, 其编程计算较为复杂。

图 1-12 图 1-13

图 1-14 图 1-15
q 五轴联动数控机床。
除了X、 Y、 Z三轴的平动外还有刀具旋转、 工作台的旋转。螺旋桨是五坐标加工的典型零件之一, 其叶片形状及加工原理如图1-16所示。在半径为Ri的圆柱面上与叶面的交线AB为螺旋线的一部分, 螺旋角为φi, 叶片的径向叶型线( 轴向剖面) EF的倾角α为后倾角。螺旋线AB用极坐标加工方法并以折线段逼近。逼近线段mn是由C坐标旋转Δθ与Z坐标位移ΔZ的合成。当AB加工完后, 刀具径向位移ΔX( 改变Ri) , 再加工相邻的另一条叶型线, 依次逐一加工, 即可形成整个叶面。由于叶面的曲率半径较大, 因此常见端面铣刀加工, 以提高生产率并简化程序。因此, 为保证铣刀端面始终与曲面贴合, 铣刀还应作坐标A和坐标B形成θt和αt的摆角运动, 在摆角的同时, 还应作直角坐标的附加运动, 以保证铣刀端面中心始终处于编程值位置上, 因此需要Z、 C、 X、 A、 B五坐标加工。这种加工的编程计算相当复杂。

图 1-16
q 加工中心。
它是在数控铣床上配置刀库, 其中存放着不同数量的各种刀具或检具, 在加工过程中由程序自动选用和更换, 从而将铣削、 镗削、 钻削、 攻螺纹等功能集中在一台设备上完成, 使其具有多种工艺手段。
1.3.3 数控机床的坐标系
机床坐标系是机床上固有的坐标系, 是机床加工运动的基本坐标系。它是考察刀具在机床上的实际运动位置的基准坐标系。
对于具体机床来说, 有的是刀具移动工作台( 工件) 不动, 有的则是刀具不动而工作台( 工件) 移动。然而不论是刀具移动还是工件移动, 机床坐标系永远假定刀具相对于静止的工件而运动。同时, 运动的正方向是增大工件和刀具之间距离的方向。
机床坐标系一般采用如图1-17所示的右手直角笛卡儿坐标系。一般情况下主轴的方向为Z坐标, 而工作台的两个运动方向分别为X、 Y坐标。
图1-18所示是典型的单立柱立式数控铣床加工运动坐标系示意图。刀具沿与地面垂直的方向上下运动, 工作台带动工件在与刀具垂直的平面( 即与地面平行的平面) 内运动。机床坐标系的Z坐标是刀具运动方向, 而且刀具向上运动为正方向。当面对机床进行操作时, 刀具相对工件的左右运动方向为X坐标, 而且刀具相对工件向右运动( 即工作台带动工件向左运动) 时为X坐标的正方向。Y坐标的方向可用右手法则确定。若以X'、 Y'、 Z'表示工作台相对于刀具的运动坐标, 而以X、 Y、 Z表示刀具相对于工件的运动坐标, 则显然有x'=-x、 y'= -y、 z'=z。
对于龙门式机床, 当从主轴向左侧立柱看时, 刀具相对工件向右运动的方向为X坐标的正方向。
机床坐标系的原点也称机床原点或零点, 其位置在机床上是固定不变的。
关于数控机床坐标和运动方向命名的详细内容, 可参阅JB3052-82部颁标准。
为了方便起见, 在数控编程时往往采用工件上的局部坐标系( 称为工件坐标系) , 即以工件上的某一点( 工件原点) 为坐标系原点进行编程。数控编程采用的坐标系称为编程坐标系, 数控程序中的加工刀位点坐标均以编程坐标系为参照进行计算。

图 1-17 图 1-18
在加工时, 工件安装在机床上, 这时只要测量工件原点相对机床原点的位置坐标( 称为原点偏置) , 并将该坐标值输入到数控系统中, 数控系统则会自动将原点偏置加入到刀位点坐标中, 使刀位点在编程坐标系下的坐标值转化为机床坐标系下的坐标值, 从而使刀具运动到正确的位置。
测量原点偏置实际上就是我们在数控机床操作中一般所说的”对刀”操作。
1.4 数 控 程 序
数控编程技术经历了三个发展阶段, 即手工编程、 APT语言编程和交互式图形编程。由于手工编程难以承担复杂曲面的编程工作, 因此自第一台数控机床问世不久, 美国麻省理工学院即开始研究自动编程的语言系统, 称为APT( Automatically Programmed Tools) 语言。经过不断的发展, APT编程能够承担复杂自由曲面加工的编程工作。
然而, 由于APT语言是开发得比较早的计算机数控编程语言, 而当时计算机的图形处理能力不强, 因而必须在APT源程序中用语言的形式去描述原来十分直观的几何图形信息及加工过程, 再由计算机处理生成加工程序, 致使其直观性差, 编程过程比较复杂不易掌握。当前已逐步为交互式图形编程系统所取代。
图形交互自动编程是一种计算机辅助编程技术。它是经过专用的计算机软件来实现的。这种软件一般以机械计算机辅助设计( CAD) 软件为基础, 利用CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到计算机上, 形成零件的图形文件, 然后调用数控编程模块, 采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位, 再输入相应的加工参数, 计算机便可自动进行必要的数学处理并编制出数控加工程序, 同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。其具有速度快、 精度高、 直观性好、 使用简便、 便于检查和修改等优点, 已成为当前国内外先进的CAD/CAM软件所普遍采用的数控编程方法, 也是本书讲授的主要内容。
尽管交互式图形编程已成为数控编程的主要手段, 但作为一名数控编程工程师, 依然有必要掌握一定的手工编程知识。这是因为:
( 1) 手工编程是自动编程的基础, 自动编程中许多核心的经验都是来源于手工编程。掌握手工编程对深刻理解自动编程有重要的作用。
( 2) 掌握手工编程有助于提高程序的可靠性。尽管现有的CAD/CAM软件都具备对数控程序进行仿真的功能, 但一些有经验的程序员往往还是会对编制好的程序进行一次人工检查, 以确认其正确性。
( 3) 在某些特殊情况下无法实现自动编程, 需要采用手工方式进行。
1.4.1 数控程序结构
数控程序是由为使机床运转而给与数控装置的一系列指令的有序集合所构成的。靠这些指令使刀具按直线或者圆弧及其它曲线运动, 控制主轴的回转、 停止、 切削液的开关、 自动换刀装置和工作台自动交换装置的动作等。
程序是由程序段( Block) 所组成, 每个程序段是由字( word) 和”; ”所组成。而字是由地址符和数值所构成的, 如: X( 地址符) 100.0( 数值) Y( 地址符) 50.0( 数值) 。程序由程序号、 程序段号、 准备功能、 尺寸字、 进给速度、 主轴功能、 刀具功能、 辅助功能、 刀补功能等构成的。
图1-19所示是一个数控程序结构示意图。

图 1-19
一般情况下, 一个基本的数控程序由以下几个部分组成:
( 1) 程序起始符。一般为”%”、 ”$”等, 不同的数控机床起始符可能不同, 应根据具体的数控机床说明使用。程序起始符单列一行。
( 2) 程序名。单列一行, 有两种形式, 一种是以规定的英文字母( 一般为O) 为首, 后面接若干位数字( 一般为2位或者4位) , 如O0600, 也可称为程序号。另一种是以英文字母、 数字和符号”－”混合组成, 比较灵活。程序名具体采用何种形式由数控系统决定。
( 3) 程序主体。由多个程序段组成, 程序段是数控程序中的一句, 单列一行, 用于指挥机床完成某一个动作。每个程序段又由若干个程序字( word) 组成, 每个程序字表示一个功能指令, 因此又成为功能字, 它由字首及随后的若干个数字组成( 如X100) 。字首是一个英文字母, 称为字的地址, 它决定了字的功能类别。一般字的长度和顺序不固定。在程序末尾一般有程序结束指令, 如M30, 用于停止主轴、 冷却液和进给, 并使控制系统 复位。
( 4) 程序结束符。程序结束的标记符, 一般与程序起始符相同。
1.4.2 数控指令
数控程序的指令由一系列的程序字组成, 而程序字一般由地址( address) 和数值( number) 两部分组成, 地址一般是某个大写字母。数控程序中的地址代码意义如表1-1 所示。
表 1-1
功 能
地 址
意 义
程序号
: (ISO), O (EIA)
程序序号
顺序号
N
顺序号
准备功能
G
动作模式( 直线、 圆弧等)
尺寸字
X、 Y、 Z
坐标移动指令
A、 B、 C、 U、 V、 W
附加轴移动指令
R
圆弧半径
I、 J、 K
圆弧中心坐标
进给功能
F
进给速率
主轴旋转功能
S
主轴转速
刀具功能
T
刀具号、 刀具补偿号
辅助功能
M
辅助装置的接通和断开
补偿号
H、 D
补偿序号
暂停
P、 X
暂停时间
子程序号指定
P
子程序序号
子程序重复次数
L
重复次数
参数
P、 Q、 R
固定循环
数控程序中的每一个指令都有一定的固定格式, 使用不同的数控机床的指令格式也不同, 因此需要按照该数控机床的指令格式来编写数控指令。一般的数控机床能够选择公制单位毫米( mm) 或者英制单位英寸( inch) 为数值单位。公制能够精确到0.001mm, 英制能够精确到0.0001in, 这也是一般数控机床的最小移动量。表1-2列出了一般数控机床所能输入的指令数值范围, 而数控机床实际使用范围受到机床本身的限制, 因此需要参考数控机床的操作手册而定。例如表中X轴能够移动±99999.999mm, 但实际上数控机床的X轴行程可能只有650mm, 进给速率F最大可输入100000.0mm/min, 但实际上数控机床可能限制在3000mm/min以下。因此在编制数控程序时, 一定要参照数控机床的使用说明书。
表 1-2
功 能
地 址
公制单位
英制单位
程序号
: (ISO) O (EIA)
1～9999
1～9999
顺序号
N
1～9999
1～9999
准备功能
G
0～99
0～99
尺寸
X、 Y、 Z、 Q、 R、 I、 J、 K
±99999.999mm
±9999.9999inch
A、 B、 C
±99999.999deg
±9999.9999deg
进给功能
F
1～100000.0mm/min
0.01～400.0inch/min
主轴转速功能
S
0～9999
0～9999
刀具功能
T
0～99
0～99
辅助功能
M
0～99
0～99
暂停
X、 P
0～99999.999sec
0～99999.999sec
子程序号
P
1～9999
1～9999
重复次数
L
1～9999
1～9999
补偿号
D、 H
0～32
0～32
下面简要介绍各种数控指令的用法。
1．顺序号字
顺序号字也称程序段号。在程序段之首, 以字母N开头, 其后为一个2～4位的数字。需要注意的是, 数控程序是按程序段的排列次序执行的, 与顺序段号的大小次序无关, 即程序段号实际上只是程序段的名称, 而不是程序段执行的先后次序。
2．准备功能字
以字母G开头, 后接一个两位数字, 因此又称为G指令。它是控制机床运动的主要功能类别。常见的G指令有以下几种。
( 1) G00: 快速点定位, 即刀具快速移动到指定坐标, 用于刀具在非切削状态下的快速移动, 其移动速度取决于机床本身的技术参数。如刀具快速移动到点( 100, 100, 100) 的指令格式为:
G00 X100.0 Y100.0 Z100.0
( 2) G01: 直线插补, 即刀具以指定的速度直线运动到指定的坐标位置, 是进行切削运动的两种主要方式之一。如刀具以250mm/min的速度直线插补运动到点( 100, 100, 100) 的指令格式为:
G01 X100.0 Y100.0 Z100.0 F250
( 3) G02、 G03: 顺时针和逆时针圆弧插补, 即刀具以指定的速度以圆弧运动到指定的位置。G02/G03有两种表示格式, 一种为半径格式, 使用参数值R, 如G02 X100 Y100 Z100 R50 F250表示刀具以250mm/min的速度沿半径50的顺时针圆弧运动至终点( 100, 100, 100) 。其中R值的正负影响切削圆弧的角度, R值为正时, 刀位起点到刀位终点的角度小于或等于180°; R值为负值时, 刀位起点到刀位终点的角度大于或等于180°。另一种为向量格式, 使用参数I、 J、 K给出圆心坐标, 并以相对于起始点的坐标增量表示。例如G02 X100 Y100 Z100 I50 J50 K50 F250表示刀具以250mm/min的速度沿一顺时针圆弧运动至点( 100, 100, 100) , 该圆弧的圆心相对于起点的坐标增量为( 50, 50, 50) 。
( 4) G90、 G91: 绝对指令/增量指令。其中G90指定NC程序中的刀位坐标是以工作坐标系原点为基准来计算和表示的。而G91则指定NC程序中每一个刀位点的坐标都是以其相对于前一个刀位点的坐标增量来表示的。
( 5) G41、 G42、 G40: 刀具半径左补偿、 右补偿和取消半径补偿。用半径为R的刀具切削工件时, 刀轨必须始终与切削轮廓有一个距离为R的偏置, 在手工编程中进行这种偏置计算往往十分麻烦。如果采用G41、 G42指令, 刀具路径会被自动偏移一个R距离, 而编程只要按工件轮廓考虑即可。在G41、 G42指令中, 刀具半径是用其后的D指令指定。所谓左补偿, 是指沿着刀具前进的方向, 刀轨向左侧偏置一个刀半径的距离。
( 6) G54、 G92: 加工坐标系设置指令。G54是数控系统上设定的寄存器地址, 其中存放了加工坐标系( 一般是对刀点) 相对于机床坐标系的偏移量。当数控程序中出现该指令时, 数控系统即根据其中存放的偏移量确定加工坐标系。G92是根据刀具起始点与加工坐标系的相对关系确定加工坐标系, 其格式示例为G92 X20 Y30 Z40。它表示刀具当前位置( 一般为程序起点位置) 处于加工坐标系的( 20, 30, 40) 处, 这样就等于经过刀具当前位置确定了加工坐标系的原点位置。
表1-3是FANUC数控系统的准备功能G代码列表。
表 1-3
G代码
功 能
G代码
功 能
G00☆
快速定位( 快速进给)
G01☆
直线插补( 切削进给)
G02
顺时针( CW) 圆弧插补
G03
逆时针( CCW) 圆弧插补
G04
暂停、 正确停止
G09
正确停止
G10
资料设定
G11
资料设定模式取消
G15
极坐标指令取消
G16
极坐标指令
G17☆
XY平面选择
G18
ZX平面选择
G19
YZ平面选择
G20
英制输入
G21
公制输入
G22☆
行程检查功能打开( ON)
G23
行程检查功能关闭( OFF)
G27
机械原点复位检查
G28
机械原点复位
G29
从参考原点复位
G30
第二原点复位
G31
跳跃功能
G33
螺纹切削
G39
转角补正圆弧切削
G40☆
刀具半径补偿取消
G41
刀具半径左补偿
G42
刀具半径右补偿
G43
刀具长度正补偿
G44
刀具长度负补偿
G49☆
刀具长度补偿取消
G52
局部坐标系设定
G53
机械坐标系选择
续表
G代码
功 能
G代码
功 能
G54☆
第一工件坐标设置
G55
第二工件坐标设置
G56
第三工件坐标设置
G57
第四工件坐标设置
G58
第五工件坐标设置
G59
第六工件坐标设置
G65
宏程序调用
G66
宏程序调用模态
G67
宏程序调用取消
G73
高速深孔钻孔循环
G74
左旋攻螺纹循环
G76
精镗孔循环
G80☆
固定循环取消
G81
钻孔循环、 钻镗孔
G82
钻孔循环、 反镗孔
G83
深孔钻孔循环
G84
攻螺纹循环
G85
粗镗孔循环
G86
镗孔循环
G87
反镗孔循环
G90☆
绝对指令
G91☆
增量指令
G92
坐标系设定
G98
固定循环中起始点复位
G99
固定循环中R点复位

注: ☆记号G码在电源开时是这个G码状态。
3．辅助功能字
辅助功能字一般由字符M及随后的2位数字组成, 因此也称为M指令。它用来指令数