數(shù)控機床與編程課件：數(shù)控編程基礎 -

數(shù)控編程基礎教學提示

數(shù)控編程是數(shù)控機床使用中很重要的一環(huán),它對控制產(chǎn)品質量有著重要的作用。數(shù)控編程技術涉及制造工藝、計算機技術、數(shù)學、人工智能等多學科領域。手工編程廣泛用于點位加工和形狀簡單的輪廓加工，自動編程可加工形狀復雜或由空間曲面組成的零件。教學要求

了解數(shù)控程序編制的基本概念和方法分類，熟悉數(shù)控加工程序的內(nèi)容，掌握程序字與代碼。了解數(shù)控機床的坐標系，熟悉工件坐標系及編程坐標系，掌握絕對坐標和相對坐標。了解程序字的含義，熟悉程序結構和格式，掌握常用準備功能字和輔助功能字含義。3.1概述

數(shù)控機床是一種高效的自動化加工設備，它嚴格按照加工程序，自動的對被加工工件進行加工。 數(shù)控系統(tǒng)的種類繁多，它們使用的數(shù)控程序語言規(guī)則和格式也不盡相同，本教程以ISO國際標準為主來介紹加工程序的編制方法。3.1.1數(shù)控加工程序編制的概念

數(shù)控機床按照事先編制好的加工程序，自動對被加工零件進行加工。把零件的加工工藝路線、工藝參數(shù)，刀具的運動軌跡、位移量、切削參數(shù)（主軸轉速、進給量、切削深度等）以及輔助功能（換刀，主軸正反轉，切削液開、關等）按照數(shù)控機床規(guī)定的指令代碼及程序格式編寫成加工程序單，輸入到數(shù)控機床的數(shù)控裝置中，從而控制機床加工零件，我們把從零件圖分析到獲得數(shù)控機床所需的控制介質的全過程稱為數(shù)控加工程序的編制。（如下所示的程序樣本）。

O2000 N01G91G17G00X85Y-25 N02Z-15S400M03M08 N03G01X85F300 N04G03Y50I25 N05G01X-75 N06Y-60 N07G00Z15M05M09 N08X75Y35 N09M30

3.1.2數(shù)控加工程序的內(nèi)容

加工程序可分為主程序和子程序，無論是主程序還是子程序，每一個程序都是由程序名、程序內(nèi)容和程序結束三部分組成。程序的內(nèi)容則由若干程序段組成，程序段是由若干程序字組成，每個程序字又由地址符和帶符號或不帶符號的數(shù)值組成，程序字是程序指令中的最小有效單位。

3.1.3數(shù)控程序編制的步驟

數(shù)控編程是指從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全部工作過程。其編程步驟為：分析零件圖樣和制定工藝方案，數(shù)值計算，編寫零件加工程序，制作控制介質，程序檢驗與首件試切。如圖3.1所示。（1）分析零件圖樣和制定工藝方案 通過對零件材料、形狀、尺寸、技術要求等進行分析，選擇合適的數(shù)控機床，確定加工順序、加工路線、裝夾方式、刀具、切削用量等。（2）數(shù)值計算 根據(jù)已確定的加工路線和加工誤差，計算出數(shù)控機床所需輸入數(shù)據(jù)。數(shù)值計算的復雜程度取決于零件的復雜程度和數(shù)控系統(tǒng)的功能。對于由直線和圓弧組成的簡單輪廓，只需計算出幾何元素的交點或切點、起點、終點和圓弧的圓心坐標等，這可由人工來完成。對于形狀較復雜的零件，如非圓曲線等，就需要用直線段或圓弧段來逼近求節(jié)點(逼近線段與非圓曲線的交點)坐標，這需要借助計算機和專門軟件來進行計算。（3）編寫零件加工程序根據(jù)工藝過程、數(shù)值計算結果以及輔助操作要求，按照數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的程序指令及格式編寫出加工程序。（4）制作控制介質 制作控制介質就是將編寫好的程序記錄在控制介質上，并通過機床的輸入裝置，將控制介質上的數(shù)控加工程序輸入到數(shù)控機床。（5）程序檢驗與首件試切 為了保證零件加工的正確性，數(shù)控程序必須經(jīng)過校驗和試切才能用于正式加工。通?？梢圆捎脵C床空運行和模擬加工的方法來檢查加工程序，

但這些方法不能檢驗被加工零件的精度。要檢驗被加工零件的加工精度，通常通過首件試切，若發(fā)現(xiàn)加工精度達不到要求，應分析其誤差產(chǎn)生原因，采取措施加以糾正。3.1.4數(shù)控程序編制的方法

數(shù)控加工程序的編制方法主要有兩種：手工編制程序和自動編制程序。 1.手工編程 手工編程指主要由人工來完成數(shù)控編程中各個階段的工作。分析零件圖樣制定工藝路線、選用工藝參數(shù)、進行數(shù)值計算、編寫加工程序單等都由人工來完成。 手工編程要求編程人員不僅熟悉所用數(shù)控機床數(shù)控指令及編程規(guī)則，而且還要具備一定的數(shù)控加工工藝知識和數(shù)值計算能力。一般而言，對于形狀簡單的零件，計算量小、程序短，用手工編程快捷、簡便、經(jīng)濟。因而手工編程廣泛用于點位加工或由直線與圓弧組成的平面輪廓。2.自動編程 自動編程是指在編程過程中，除了分析零件圖樣和制定工藝方案由人工進行外，用計算機及相應編程軟件(如CAD/CAM軟件)編制數(shù)控加工程序的過程。自動編程主要有語言編程、圖形交互式編程和語音編程等方法，圖形交互式編程基于CAD／CAM軟件。常見CAD／CAM軟件有MasterCAM、Pro／E、UG、CAXA、Cimatron、SolidWorks等。 自動編程時，編程人員只需根據(jù)零件圖樣及工藝要求，對加工過程與要求進行較簡便的描述，而由編程系統(tǒng)自動計算出加工運動軌跡、并輸出零件數(shù)控加工程序。例如使用CAD／CAM軟件自動編程時，先利用CAD功能模塊進行造型，然后再利用CAM模塊產(chǎn)生刀具路徑，進而再利用后置處理程序產(chǎn)生數(shù)控加工程序，最后通過DNC傳輸軟件將數(shù)控加工程序傳給數(shù)控機床，實現(xiàn)邊傳邊加工。自動編程與手工編程相比，具有編程時間短、編程人員勞動強度低、出錯幾率小、編程效率高等優(yōu)點。因此，它適用于加工形狀復雜或由空間曲面組成的零件的編程3.2數(shù)控機床坐標系 在數(shù)控編程時，為了描述機床的運動，簡化程序編制，數(shù)控機床的坐標系和運動方向均已標準化。

3.2.1標準坐標系 1.標準坐標系的確定原則 我國原機械工業(yè)部頒布了JB/T3051－1999標準，其中規(guī)定的確定原則如下： 1）機床相對運動的規(guī)定機床的結構不同，有的機床是刀具運動，零件靜止不動；有的刀具不動，零件運動。無論機床采用什么形式，都假設工件靜止，而刀具是運動的。這樣編程人員在不考慮機床上工件與刀具具體運動的情況下，就可以依據(jù)零件圖樣，確定機床的加工過程。 2）機床坐標系的規(guī)定 在數(shù)控機床上，機床的動作是由數(shù)控裝置來控制的，為了確定數(shù)控機床上的成形運動和輔助運動必須先確定機床上運動的位移和運動的方向，這就需要通過坐標系來實現(xiàn)，這個坐標系被稱之為機床坐標系。 標準機床坐標系中X、Y、Z坐標軸的相互關系用右手笛卡爾直角坐標系決定，如圖3.2。A、B、C三個旋轉坐標如圖3.3所示，用右手螺旋法則確定。

3）運動方向的規(guī)定 增大刀具與工件距離的方向即為各坐標軸的正方向，如圖3.4所示為數(shù)控車床上兩個運動坐標軸。圖3.5數(shù)控銑床有三個運動坐標軸。

２.坐標軸方向的確定 先確定Z軸，再確定X軸，然后確定Y軸，最后確定回轉軸A、B、C。 1）先確定Z坐標軸 Z坐標的運動方向是由傳遞切削動力的主軸所決定的，即平行于主軸軸線的坐標軸即為Z坐標，Z坐標的正向為刀具離開工件的方向。 2）再確定X坐標軸 X坐標平行于工件的裝夾平面，一般在水平面內(nèi)。確定X軸的方向時，要考慮兩種情況： （1）如果工件做旋轉運動，則刀具離開工件的方向為X坐標的正方向。如圖3.6（a）所示。 （2）如果刀具做旋轉運動，則分為兩種情況：Z坐標垂直時，觀察者面對刀具主軸向立柱看時，+X運動方向指向右方。如圖3.6（b）所示；Z坐標水平時，觀察者沿刀具主軸向工件看時，+X運動方向指向右方，如圖3.6（c）所示。 （3）最后確定Y坐標軸 在確定X、Z坐標的正方向后，可以用根據(jù)X和Z坐標的方向，按照右手直角坐標系來確定Y坐標的方向。如圖3.4所示為數(shù)控銑床的Y坐標。（4）回轉軸A、B、C 根據(jù)已確定的X、Y、Z軸，用右手螺旋法則確定回轉軸A、B、C三軸坐標。

3.2.2數(shù)控機床的兩種坐標系 數(shù)控機床的坐標系包括機床坐標系和工件坐標系。 1.機床坐標系、機床原點、機床參考點 1）機床坐標系 通常數(shù)控車床中，根據(jù)刀架相對工件的位置，其機床坐標系可分為前置刀架和后置刀架兩種形式，圖3.7（a）所示為普通數(shù)控車床的機床坐標系(前置刀架式)，圖3.7（b）所示為帶臥式刀塔的數(shù)控車床的機床坐標系(后置刀架式)。前后置刀架式數(shù)控車床的機床坐標系，X方向正好相反，而Z方向是相同的。

2）機床原點 機床坐標系的原點稱為機床原點或機械原點，如圖3.8、圖3.9所示的O點，機床原點就是機床坐標系的原點。它是機床上的一個固定的點，由制造廠家確定。機床坐標系是通過回參考點操作來確立的。

3）機床參考點 機床參考點是機床坐標系中的一個固定不變的位置點，是用于對機床運動進行檢測和控制的點，大多數(shù)機床將刀具沿其坐標軸正向運動的極限點作為參考點，其位置用機械行程擋塊來確定。參考點位置在機床出廠時已調整好，一般不作變動，必要時可通過設定參數(shù)或改變機床上各擋塊的位置來調整。 數(shù)控銑床的機床坐標系原點一般都設在機床參考點上，如圖3.8所示。數(shù)控銑床的機床原點參考點是用于對機床工作臺(或滑板)與刀具相對運動的測量系統(tǒng)進行定位與控制的點，一般都是設定在各軸正向行程極限點的位置上。該位置是在每個軸上用擋塊和限位開關精確地預先調整好的，它相對于機床原點的坐標是一個已知數(shù)，一個固定值。

而數(shù)控車床的機床坐標原點則一般位于卡盤端面與主軸中心線的交點處，如圖3.9（a）所示。 或離卡盤有一定距離處，如圖3.9（b）所示，或機床參考點處，如圖3.9（c）所示。 4）機床回參考點與機床坐標系的建立數(shù)控系統(tǒng)通電時并不知道機床原點的位置，也就無法在機床工作時準確地建立坐標系。由于機床參考點對機床原點的坐標是一個已知定值，因此可以根據(jù)機床坐標系中的坐標值來間接確定機床原點的位置。當執(zhí)行返回參考點的操作后，刀具（或工作臺）退離到機床參考點，使裝在X、Y、Z軸向滑板上的各個行程擋塊分別壓下對應的開關，向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號，系統(tǒng)記下此點位置，并在顯示器上顯示出位于此點的刀具中心在機床坐標系中的各坐標值，這表示在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部已自動建立起了機床坐標系，這樣，通過確認參考點就確定了機床原點。因此，在數(shù)控機床起動時，通常要進行機動或手動回參考點操作。 對于將機床原點設在參考點上的數(shù)控機床，參考點在機床坐標系中的各坐標值均為零，見圖3.9（c），因此參考點又稱為機床零點，由此通常把回參考的操作稱為“機械回零"。 回參考點除了用于建立機床坐標系外，還可用于消除漂移、變形等引起的誤差，機床使用一段時間后，工作臺會造成一些漂移，使加工有誤差，進行回參考點操作，就可以使機床的工作臺回到準確位置，消除誤差。所以在機床加工前，也需進行回機床參考點的操作。 應注意的是，當機床開機回參考點之后，無論刀具運動到哪一點，數(shù)控系統(tǒng)對其位置都是已知的。 2.工件坐標系、程序原點 1）工件坐標系

工件坐標系是編程人員為方便編程，在工件、工裝夾具上或其他地方選原點所建立的編程坐標系。圖3.10（a）所示為數(shù)控銑床的工件坐標系，圖3.10（b）為數(shù)控車床的工件坐標系。編程員在工件坐標系內(nèi)編程，編程時不必考慮工件在機床中的裝夾位置，但工件裝夾到機床上時應使工件坐標系與機床坐標系的坐標軸方向一致，并且與之有確定的尺寸關系。為保證編程與機床加工的一致性，工件坐標系也應采用右手笛卡爾直角坐標系。

2）程序原點 工件坐標系的原點稱為程序原點，也稱編程原點或工件原點。當采用絕對坐標編程時，工件上所有的點的編程坐標值都是基于工件原點計量的（CNC系統(tǒng)在處理零件程序時，自動將相對于工件原點的任一點的坐標統(tǒng)一轉換為相對于機床零點的坐標）。 程序原點在工件上的位置雖可由編程員任意選擇，但一般應遵循下列原則：（1）應盡量選在零件的設計基準或工藝基準上。 （2）應盡量選在尺寸精度高、表面粗糙度小的工件表面上，以提高被加工零件的加工精度。 （3）要便于測量和檢驗。 （4）最好選在工件的對稱中心上。 例如，車削加工的編程原點一般選在主軸中心線與工件右端面(或左端面)的交點處，如圖3.11所示。銑削加工時，X、Y向的工件原點一般選在進刀方向一側工件外輪廓表面的某個角上或對稱中心上；Z向的工件原點，一般設在工件頂面。3.2.3絕對值的確定

1.幾何點位置的表示方法 數(shù)控加工程序中表示幾何點的坐標位置有絕對值和增量值兩種方式。 1）絕對坐標值 絕對坐標值是以公共點(原點，即是工件原點)為依據(jù)來表示坐標位置。 2）增量坐標值 增量(相對)坐標值是以相對于前一點位置坐標尺寸的增量來表示坐標位置，即是在坐標系中，運動軌跡的終點坐標是以起點計量的，各坐標點的坐標值是相對于前一點所在位置之間的距離。 2.坐標位置的表示方法 數(shù)控編程通常都是按照組成圖形的線段或圓弧的端點的坐標來進行的。當運動軌跡的終點坐標是相對于線段的起點來計量的話，稱之為相對坐標或增量坐標。若按這種方式進行編程，則稱之為相對坐標編程。當所有坐標點的坐標值均從某一固定的坐標原點計量的話，就稱之為絕對坐標，按這種方式進行編程即為絕對坐標編程。【例3.1】，如圖3.12所示，要從圖中的A點到B點。用絕對坐標編程為： X12.0Y15.0； 若用相對坐標編程則為： X-18.0Y-20.0。 采用絕對坐標編程時，程序指令中的坐標值隨著程序原點的不同而不同；而采用相對坐標編程時，程序指令中的坐標值則與程序原點的位置沒有關系。同樣的加工軌跡，既可用絕對編程也可用相對編程，但有時候，采用恰當?shù)木幊谭绞?，可以大大簡化程序的編寫。因此，實際編程時應根據(jù)使用狀況選用合適的編程方式。這可在以后章節(jié)的編程訓練中體會出來。3.3數(shù)控加工程序格式與標準數(shù)控代碼3.3.1數(shù)控加工程序格式 1.加工程序的一般格式 1）程序開始符、結束符 程序開始符、結束符相同，ISO代碼中是%，EIA代碼中是EP，書寫時要單列一段。 2）程序名 程序名有兩種形式：一種是英文字母O和1～4位正整數(shù)組成；另一種是由英文字母開頭，字母數(shù)字混合組成的。一般要求單列一段。 3）程序主體程序主體是由若干個程序段組成的。每個程序段一般占一行。 4）程序結束指令 程序結束指令可以用M02或M30。一般要求單列一段。 加工程序的一般格式舉例：%//開始符 O1000//程序名 N10G00G54X50Y30M03S3000 N20G01X88.1Y30.2F500T02M08 N30X90//程序主體 …… N300M30//結束符2.程序段格式 現(xiàn)在一般使用字地址可變程序段格式。程序段格式舉例： N30G01X88.1Y30.2F500S3000T02M08 N40X903.3.2程序字的功能組成程序段的每一個字都有特定的功能含義，以下是以FANUC-0i數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范為主來介紹的。 1）順序號字N用于對程序的校對和檢索修改；作為條件轉向的目標，即作為轉向目的程序段的名稱。 2）準備功能字G用于建立機床或控制系統(tǒng)工作方式的一種指令。后續(xù)數(shù)字一般為1～3位正整數(shù)。 說明： （1）準備功能指令的組 準備功能指令按其功能分為若干組，不同組的指令可以出現(xiàn)在同一程序段中，如果兩個或兩個以上同組指令出現(xiàn)在同一程序段中，只有最后面的指令有效。（2）準備功能指令的模態(tài) 準備功能指令按其有效性的長短分屬于兩種模態(tài)：00組的指令為非模態(tài)指令；其余組的指令為模態(tài)指令。模態(tài)指令具有長效性、延續(xù)性，即在同組其它指令未出現(xiàn)以前一直有效，不受程序段多少的限制。而非模態(tài)指令只在當前程序段有效。 （3）固定循環(huán)指令的禁忌 在固定循環(huán)指令中，如果使用了01組的代碼，則固定循環(huán)將被自動取消或為G80狀態(tài)（即取消固定循環(huán)）；但在01組指令中則不受固定循環(huán)指令的影響。（4）缺省設置 缺省設置是指在機床開機時，控制系統(tǒng)自動所處的初始狀態(tài)。 3）尺寸字 尺寸字用于確定機床上刀具運動終點的坐標位置。 4）進給功能字F進給功能字的地址符是F，又稱為F功能或F指令，用于指定切削的進給速度。 5）主軸轉速功能字S主軸轉速功能字的地址符是S，用于指定主軸轉速。單位為r/min。 6）刀具功能字T刀具功能字的地址符是T，用于指定加工時所用刀具的編號。 7）輔助功能字M 輔助功能字的地址符是M，用于指定數(shù)控機床輔助裝置的開關動作，見表3-2。3.4數(shù)控機床的幾個重要設定 3.4.1有關單位的設定

1.尺寸單位的設定 1）指令格式 工程圖樣中的尺寸標注有英制和米制兩種形式。 2）說明 （1）G20/G21必須在設定工件坐標系之前指定。 （2）電源接通時，英制、米制轉換的G代碼與切斷電源前相同。 （3）程序執(zhí)行過程中不要變更G20、G21。 （4）在有些系統(tǒng)中，英制、米制轉換采用G71/G70代碼，如SIMENS、FAGOR系統(tǒng)。 2.坐標計算單位的設定數(shù)控機床中，相對于控制系統(tǒng)發(fā)出的每個脈沖信號，機床移動部件的位移量叫脈沖當量。坐標計算的最小單位是一個脈沖當量，它標志著數(shù)控機床的精度。 3.暫停指令G04使用格式G04可使刀具作短暫無進給加工，在數(shù)控車床上可使工件空轉使車削面光整以達到光潔度要求。常用于車槽、鏜平面、锪孔等場合。 4.進給速度單位的設定 1）格式 G94[F_]；每分鐘進給；單位為mm/min或in/min。 G95[F_]；每磚進給；單位為mm/r或in/r。 2）說明 （1）G94、G95是模態(tài)指令，彼此可以相互取消。 （2）數(shù)控銑床上，通常用G94為初始設定；數(shù)控車床上通常用G95為初始設定。 5.G27、G28、G29指令的區(qū)別 1）G27X_Y_Z_該指令用于定位校驗，其坐標值為參考點在工件坐標系中的坐標值。執(zhí)行此指令，刀具快速移動，自動減速并在指定坐標值處作定位校驗，當指令軸確實定位在參考點時，該軸參考點信號燈亮。 2）G28X_Y_Z_其功能是使刀具經(jīng)過給定的坐標值快速移動到參考點。 3）G29X_Y_Z_使刀具從參考點返回到指定的坐標處。 3.4.2與坐標有關的指令 1.機床坐標系指令 1）指令格式 該指令的功能是將刀具快速定位到機床坐標系中的指定位置上。 指令格式為：G53X_Y_Z_ 式中X、Y、