數(shù)控程序編制中的工藝分析與數(shù)學處理和數(shù)控機床編程及加工

第2章數(shù)控編程基礎2.1數(shù)控編程概述2.2數(shù)控程序編制中的工藝分析2.3數(shù)控程序編制中的數(shù)學處理2.1數(shù)控編程概述2.1.1程序編制的內(nèi)容和步驟數(shù)控加工，是指在數(shù)控機床上進行零件加工的一種工藝方法。數(shù)控機床程序編制過程的主要內(nèi)容包括：零件圖的分析、數(shù)控機床的選擇、工件裝夾方法的確定、加工工藝的確定、刀具的選擇、程序的編制、程序的調(diào)試。從零件圖的分析開始到零件加工完畢。1．零件圖的分析2．數(shù)控機床的選擇3．工件裝夾方法的確定4．加工工藝的確定5．刀具的選擇6．程序的編制7．程序的調(diào)試2.1.2程序編制的方法1．手工編程利用一般的計算工具，通過各種數(shù)學方法，人工進行刀具軌跡的運算，并進行指令編制。這種方式比較簡單，很容易掌握，適應性較大。適用于中等復雜程度程序、計算量不大的零件編程，對機床操作人員來講必須掌握。2．自動編程（1）自動編程軟件編程利用通用的微型計算機及專用的自動編程軟件，以人機對話方式確定加工對象和加工條件自動進行運算和生成指令。專用軟件多為在開放式操作系統(tǒng)環(huán)境下，在微型計算機上開發(fā)的，成本低、通用性強。（2）CAD/CAM集成數(shù)控編程系統(tǒng)自動編程利用CAD/CAM系統(tǒng)進行零件的設計、分析及加工編程。該種方法適用于制造業(yè)中的CAD/CAM集成編程數(shù)控系統(tǒng)，目前正被廣泛應用。該方式適應面廣、效率高、程序質(zhì)量好適用于各類柔性制造系統(tǒng)（FMS）和集成制造系統(tǒng)（CIMS），但投資大，掌握起來需要一定時間。2.2數(shù)控程序編制中的工藝分析2.2.1數(shù)控加工工藝基本特點數(shù)控加工的程序是數(shù)控機床的指令性文件。數(shù)控機床受控于程序指令，加工的全過程都是按程序指令自動進行的。因此，數(shù)控加工程序與普通機床工藝規(guī)程有較大差別，涉及的內(nèi)容也較廣。數(shù)控機床加工程序不僅要包括零件的工藝過程，而且還要包括切削用量，走刀路線，刀具尺寸以及機床的運動過程。因此，要求編程人員對數(shù)控機床的性能、特點、運動方式、刀具系統(tǒng)、切削規(guī)范以及工件的裝夾方法都要非常熟悉。2.2.2數(shù)控加工工藝分析主要內(nèi)容數(shù)控加工工藝概括起來主要包括如下內(nèi)容。（1）選擇適合在數(shù)控機床上加工的零件，確定工序內(nèi)容。（2）分析被加工零件的圖紙，明確加工內(nèi)容及技術要求。（3）確定零件的加工方案，制定數(shù)控加工工藝路線。如劃分工序、安排加工順序以及處理與非數(shù)控加工工序的銜接等。（4）加工工序的設計。如選取零件的定位基準、夾具方案的確定、劃分工步、選取刀輔具和確定切削用量等。（5）數(shù)控加工程序的調(diào)整。選取對刀點和換刀點，確定刀具補償，確定加工路線。（6）分配數(shù)控加工中的容差。（7）處理數(shù)控機床上的部分工藝指令。雖然數(shù)控加工工藝內(nèi)容較多，但有些內(nèi)容與普通機床加工工藝非常相似。2.2.3數(shù)控加工工藝分析的一般步驟與方法2.2.3.1數(shù)控加工內(nèi)容及加工方法的選擇1．選擇數(shù)控加工內(nèi)容選擇數(shù)控加工內(nèi)容時，應考慮以下問題（1）優(yōu)先選擇普通機床上無法加工的內(nèi)容，作為數(shù)控加工的內(nèi)容；（2）重點選擇普通機床難加工、質(zhì)量也難以保證的內(nèi)容，作為數(shù)控加工的內(nèi)容；（3）普通機床加工效率低、工人操作勞動強度大的內(nèi)容，可考慮在數(shù)控機床上加工。與上述內(nèi)容比較，下列一些內(nèi)容則不宜選擇采用數(shù)控機床加工：（1）需要通過較長時間占機調(diào)整的內(nèi)容，如以毛坯的粗基準定位來加工第一個精基準的工序等；（2）必須按專用工裝協(xié)調(diào)的孔及其他加工內(nèi)容。主要原因是采集編程用的資料有困難，協(xié)調(diào)效果也不一定理想；（3）不能在一次裝夾中加工完成的其他零星部位，采用數(shù)控加工很麻煩，效果不明顯，可安排在普通機床進行補加工。2．選擇數(shù)控加工方法（1）旋轉(zhuǎn)體零件的加工這類零件一般在數(shù)控車床上加工。（2）孔系零件的加工宜用點位元直線控制的數(shù)控鉆鏜床或數(shù)控加工中心加工。（3）平面和曲面輪廓零件的加工 加工曲面輪廓的零件，多采用三個或三個以上坐標聯(lián)動的數(shù)控銑床或加工中心加工。（4）模具型腔的加工 此時可考慮選用數(shù)控電火花機床成形加工。（5）平板形零件的加工 該類零件可考慮選擇數(shù)控線切割機床加工。2.2.3.2加工工序的劃分工序劃分的原則有兩種：工序集中原則和工序分散原則。工序集中的特點是：（1）有利于采用高生產(chǎn)率的專用設備和數(shù)控機床，可大大提高勞動生產(chǎn)率；（2）設備數(shù)量少，減少了操作工人和操作面積：（3）工序數(shù)目少，工藝路線短，簡化了生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)組織工作；（4）工件安裝次數(shù)少，縮短了輔助時間，容易保證加工表面的相互位置精度；（5）數(shù)控機床、專用設備和工藝裝備投資大，尤其是專用設備和工藝裝備調(diào)整和維修比較麻煩，生產(chǎn)準備工作量大，新產(chǎn)品轉(zhuǎn)換周期長。工序分散的特點是：（1）設備與工藝裝備比較簡單，調(diào)整方便，工人容易掌握，生產(chǎn)準備工作量少，容易適應產(chǎn)品的更換；（2）便于采用最合理的切削用量，減少基本時間；（3）設備數(shù)量少，操作人員多，生產(chǎn)面積大。 加工工序劃分時，除應考慮工序集中和工序分散外，還需考慮如下一些原則。（1）按粗、精加工劃分工序（2）按先面后孔劃分工序（3）按所用刀具劃分工序2.2.3.3工件的裝夾方式（1）盡可能選用標準夾具（組合夾具），在成批生產(chǎn)時才考慮專用夾具，并力求夾具結(jié)構(gòu)簡單。（2）裝卸工件要方便可靠，以縮短輔助時間和保證安全。（3）工件定位夾緊的部位應不妨礙各部位的加工、刀具更換及重要部位的測量。尤其要避免刀具與工件、刀具與夾具產(chǎn)生碰撞的現(xiàn)象。（4）夾具的安裝要準確可靠，同時應具備足夠的強度和剛度，以減小其變形對加工精度的影響。（5）應盡可能采用氣、液壓夾具。2.2.3.4對刀點和換刀點的確定 “對刀點”是指數(shù)控加工時，刀具相對工件運動的起點，這個起點也是編程時程序的起點。因此，“對刀點”也稱“程序起點”或“起刀點”。在編程時應正確選擇對刀點的位置。選擇的原則如下：（1）選定的對刀點位置應便于數(shù)學處理和使程序編制簡單；（2）在機床上容易找正；（3）加工過程中便于檢查；（4）引起的加工誤差小。對刀時，應使刀位點與對刀點重合?！暗段稽c”一般是指車刀、鏜刀的刀尖；鉆頭的鉆尖；立銑刀、面銑刀刀頭底面的中心；球頭銑刀的球頭中心。2.2.3.5進給路線的選擇1．數(shù)控車床進給路線的選擇（1）最短的切削進給路線（2）最短的空行程路線（3）大余量毛坯的階梯切削進給路線2．數(shù)控銑床進給路線的選擇（1）銑削外輪廓表面的進給路線（2）銑削內(nèi)輪廓表面的進給路線3．順銑和逆銑的選擇當工件表面無硬皮，機床進給機構(gòu)無間隙時，應選用順銑，按照順銑安排進給路線。當工件表面有硬皮，機床的進給機構(gòu)有間隙時，應選用逆銑，按照逆銑安排進給路線。因為逆銑時，刀齒是從已加工表面切入，不會崩刀；機床進給機構(gòu)的間隙不會引起振動和爬行。2.2.3.6數(shù)控加工余量的選擇1．查表法查表法是根據(jù)各工廠的生產(chǎn)實踐和實驗研究積累的資料，先制成各種表格，再匯集成手冊。2．經(jīng)驗估算法經(jīng)驗估算法是根據(jù)工藝編制人員的實際經(jīng)驗確定加工余量。3．分析計算法分析計算法是根據(jù)一定的試驗資料和上述的加工余量計算公式，分析影響加工余量的各項因素，并計算確定加工余量。2.2.3.7數(shù)控加工刀具的選擇1．數(shù)控刀具的選擇目前涂鍍刀具，立方氮化硼等刀具已廣泛用于加工中心，陶瓷刀具與金剛石刀具也開始在加工中心上運用。2．數(shù)控刀具的使用特點數(shù)控刀具應具有較高的耐用度和剛度，刀頭材料熱脆性好，有良好斷屑性能，和可調(diào)、易更換等特點。（1）銑削加工的刀具平面銑削應該用不重磨硬質(zhì)合金端銑刀或立銑刀。立銑刀和鑲硬質(zhì)合金刀片的立銑刀主要用于加工凸輪，凹槽和箱口面。為了提高槽寬的加工精度減少銑刀的種類，加工時可采用直徑比槽寬小的銑刀，先銑槽的中間部分，然后用刀具半徑補償功能來銑槽的兩邊，以達到提高槽的加工精度的目的。（2）鉆孔刀具的使用特點在加工中心上鉆孔都是無鉆模直接鉆孔，因此一般鉆孔深度約為直徑的5倍左右，細長孔子的加工易于折斷，要注意冷卻和倒屑。（3）鏜孔刀具的使用特點在加工中心上進行鏜削加工通常是采用懸臂式的加工，因此要求鏜刀有足夠的剛性和較好的精度。在鏜孔過程中一般采用移動工作臺或立柱完成Z向進給（臥式），保證懸伸不變，從而獲得進給的剛性。（4）螺孔攻絲刀具的使用特點（5）數(shù)控車刀特點及選用 圖2-20所示為一現(xiàn)代數(shù)控車刀，它主要由刀體、刀片和刀片緊固系統(tǒng)3部分組成。 機夾式車刀按刀片緊固方法的差異可分為杠桿式、契塊式、螺釘式、上壓式。圖2-21是上壓式緊固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，它由楔塊式夾具、銷、刀墊和螺絲釘組成。車刀刀片的材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、陶瓷和金剛石等，其中應用最多的是硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金刀片。2.2.3.8切削用量的選擇影響切削條件的因素有：（1）機床、工具、刀具及工件的剛性；（2）切削速度、切削深度、切削進給率；（3）工件精度及表面粗糙度；（4）刀具預期壽命及最大生產(chǎn)率；（5）切削液的種類、冷卻方式；（6）工件材料的硬度及熱處理狀況；（7）工件數(shù)量；（8）機床的壽命。上述諸因素中以切削速度、切削深度、切削進給率為主要因素。決定切削速度的因素很多，概括起來有如下幾種。（1）刀具材質(zhì)。（2）工件材料。（3）刀具壽命。（4）切削深度與進刀量。（5）刀具的形狀。（6）冷卻液使用。（7）機床性能。2.2.4數(shù)控加工工藝文件數(shù)控加工工藝文件是編程員編制的與程序單配套的有關技術文件，它是操作者必須遵守、執(zhí)行的規(guī)程。1．工藝規(guī)程卡數(shù)控加工工藝規(guī)程卡是數(shù)控加工工藝文件重要組成部分之一，它規(guī)定了工序內(nèi)容、加工順序、加工面回轉(zhuǎn)中心的距離（立式加工中心無此項）、刀具編號（碼）、刀具類型和規(guī)格、刀輔具（工具）型號和規(guī)格、主軸轉(zhuǎn)速、進給量和切削深度等。2．刀具調(diào)整卡刀具調(diào)整卡是指導機外對刀、預置、調(diào)整或修改刀具尺寸的工藝性文件。3．數(shù)控加工程序單數(shù)控加工程序單是數(shù)控機床運動的指令，也是技術準備和生產(chǎn)作業(yè)指令性文件。該文件記錄了數(shù)控加工的工藝過程、切削用量、走刀路線、刀具尺寸以及機床運動的全過程。2.3數(shù)控程序編制中的數(shù)學處理2.3.1數(shù)學處理的概念根據(jù)零件圖樣，按照已確定的加工路線和允許的編程誤差，計算編程時所需要的資料，稱為數(shù)控加工的數(shù)值計算。數(shù)值計算的內(nèi)容包括計算零件輪廓的基點和節(jié)點的坐標以及刀具中心運動軌跡的坐標。所謂基點，是指各幾何元素間的連接點，如直線與直線的交點，直線與圓弧的交點或切點，圓弧與圓弧的交點或切點等。逼近直線小段和圓弧小段與輪廓曲線的交點或切點稱為節(jié)點。2.3.2常見的數(shù)學處理方法2.3.2.1直線和圓弧輪廓基點計算方法1．聯(lián)立方程組法求解基點坐標2．三角函數(shù)法求解基點坐標2.3.2.2非圓曲線的節(jié)點計算1．直線逼近零件輪廓曲線時的節(jié)點計算（1）等間距直線逼近的節(jié)點計算（2）等步長法直線逼近的節(jié)點計算（3）等誤差法（變步長法）2．圓弧逼近零件輪廓時節(jié)點計算（1）圓弧分割法（2）三點作圖法2.3.2.3列表曲線的數(shù)學處理方法1．牛頓插值法2．雙圓弧法3．樣條函數(shù)法（1）三次樣條函數(shù)擬合（2）圓弧樣條擬合2.3.2.4空間曲面的加工1．三坐標數(shù)控加工2．五坐標數(shù)控加工數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗目的通過數(shù)控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機床上對工件進行加工；結(jié)合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機床，數(shù)控機床的CNC裝置對程序經(jīng)過處理之后，向機床各坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動機床完成相應的運動。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對程序及首件試加工。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗及試切數(shù)控機床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標準硬件系統(tǒng)構(gòu)成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標系G92X_Z_√2G04延時G04E_

3M00暫停M00

M02程序結(jié)束M02

4M03主軸正轉(zhuǎn)M03√M04主軸反轉(zhuǎn)M04√M05主軸停M05√5M08開冷卻液M08√M09關冷卻液M09√

6M97程序跳轉(zhuǎn)M97P_

M98子程序調(diào)用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定義開關1有效M20√M21自定義開關1無效M21√8M22自定義開關2有效M22√M23自定義開關2無效M23√9S主軸轉(zhuǎn)速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000√OpenSoftCNC軟件介紹在程序管理界面下，可進行有關數(shù)控加工程序文件的各種操作，如讀入程序、編輯修改及查錯編譯等。每一個工件程序由若干個程序段組成；每一個程