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三、数控车床加工过程
1-4数控车床加工过程
第二章数控机床编程基本知识
一、数控机床编程的种类
2-1数控机床程序的编制过程
程序编制可分为:
1.手工编程
由人工来完成数控机床程序的编制。
主要应用在工件形状不十分复杂的场合。
2.自动编程
在加工形状复杂的工件,采用计算机自动编制加工程序,这种编程方式称为自动编程。
主要应用在复杂的模具加工和轮廓曲线。
CAD/CAM计算机辅助制造
二、数控机床的坐标轴及运动方向
1.规定(JB3051—82)
(1)刀具相对于静止的工件而运动的原则
(2)坐标系
右手笛卡尔直角坐标系:
规定了X、Y、Z三个直角坐标轴的方向。
根据右手螺旋方法,可确定A、B、C三个旋转坐标的方向。
运动的正方向规定为:
增大工件与刀具之间距离的方向。
方向的确定始终以工件静止刀具运动为假定。
2.机床坐标系(MCS)
2-2坐标系
机床坐标系的原点定在机床零点(由机床生产厂家确定)。
机床坐标系是机床上固有的坐标系,是用来确定工件坐标的基本坐标系,不同的机床有不同的坐标规定。
3.工件坐标系(WCS)
为了编程方便,可相对机器原点进行坐标平移,得到一编程原点,依规定形成编程(工件)坐标系。
工件坐标系的零点(也称为编程原点)由编程人员自由选择。
编程原点可重新偏置。
4、机床参考点
是车刀移动的依据,程序编制的的基准。
数控车床开机时,刀架必须先返回机床参考点,称“回参考点”或“回零”。
编制程序时,首先要建立一个工件坐标系,程序上的坐标值均以此坐标系为依据。
是编程人员确定的,一般设在图样的设计基准和工艺基准处,其坐标原点称为工件原点。
三、NC编程基本原理
1.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他曲线运动,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。
程序是由程序段所组成,每个程序段是由字和“;
”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2-3所示是一个数控程序结构示意图。
2-3程序结构
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(通常为O)为首,后面接若干位数字(通常为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。
2数控指令
数控程序的指令由一系列的程序字组成,而程序字通常由地址和数值两部分组成,地址通常是某个大写字母。
数控程序中的地址代码意义如表2-1所示。
表2-1
功能
地址
意义
程序号
:
(ISO),O(EIA)
程序序号
顺序号
N
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。
一般的数控机床可以选择公制单位毫米或者英制单位英寸为数值单位。
公制可以精确到0.001mm,英制可以精确到0.0001in,这也是一般数控机床的最小移动量。
表2-2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轴可以移动±
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2-2
公制单位
英制单位
(ISO)O(EIA)
1~9999
0~99
尺寸
X、Y、Z、Q、R、I、J、K
±
99999.999mm
9999.9999inch
A、B、C
99999.999deg
9999.9999deg
1~100000.0mm/min
0.01~400.0inch/min
主轴转速功能
0~9999
X、P
0~99999.999sec
子程序号
D、H
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。
常用的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)的指令格式为:
G00X100.0Z100.0
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)的指令格式为:
G01X100.0Z100.0F250
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有两种表达格式,一种为半径格式,使用参数值R,如G02X100Z100R50F250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)。
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G02X100Z100I50J50K50F250表示刀具以250mm/min的速度沿一顺时针圆弧运动至点(100,100),该圆弧的圆心相对于起点的坐标增量为(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达的。
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:
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。
(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。
它用来指令数控机床的辅助装置的接通和断开(即开关动作),表示机床各种辅助动作及其状态。
常用的M指令有以下几种。
1)M02、M30:
程序结束。
2)M03、M04、M05:
主轴顺时针转、主轴逆时针转、主轴停止转动。
3)M08、M09:
冷却液开、关。
表2-3所示是部分辅助功能M代码。
表2-3
M代码
M00
程序停止
M01
计划停止
M02
程序结束
M03
主轴顺时针旋转
M04
主轴逆时针旋转
M05
主轴停止旋转
M08
冷却液开
M09
冷却液关
M30
程序结束并返回
(4)其他功能字
1)尺寸字:
也叫尺寸指令,主要用来指令刀位点坐标位置。
如X、Z主要用于表示刀位点的坐标值,而I、K用于表示圆弧刀轨的圆心坐标值。
2)进给功能字:
以字符F开头,因此又称为F指令,用于指定刀具插补运动(即切削运动)的速度,称为进给速度,单位是毫米/转(mm/r)或毫米/分钟(mm/min)。
3)主轴转速功能字:
以字符S开头,因此又称为S指令。
用于指定主轴的转速,以其后的数字给出。
4)刀具功能字:
用字符T及随后的号码表示,因此也称为T指令。
用于指定加工时采用的刀具号。
三手工编程
尽管交互式图形编程已成为当前数控编程的主流方法,但在某些场合下手工编程仍有其应用的必要性。
数控手工编程的主要内容包括分析零件图样、确定加工过程、数学处理、编写程序清单、程序检查、输入程序和工件试切。
1.分析零件图样和工艺处理
首先根据图纸对零件的几何形状尺寸、技术要求进行分析,明确加工内容,决定加工方案、加工顺序,设计夹具,选择刀具、确定合理的走刀路线和切削用量等。
同时还应充分发挥数控系统的性能,正确选择对刀点及进刀方式,尽量减少加工辅助时间。
2.数学处理
编程前根据零件的几何特征,建立一个工件坐标系,根据图纸要求制定加工路线,在工件坐标系上计算出刀具的运动轨迹。
对于形状比较简单的零件(如直线和圆弧组成的零件),只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值。
对于形状复杂的零件(如非圆曲线、曲面组成的零件),数控系统的插补功能不能满足零件的几何形状时,必须计算出曲面或曲线上一定数量的离散点,点与点之间用直线或圆弧逼近,根据要求的精度计算出节点间的距离。
3.编写零件程序单
加工路线和工艺参数确定以后,根据数控系统规定的指令代码及程序段格式,逐段编写零件程序。
4.程序输入
以前的数控机床的程序输入一般使用穿孔纸带,穿孔纸带上的程序代码通过纸带阅读装置送入数控系统。
现代数控机床主要利用键盘将程序输入计算机中;
通信控制的数控机床,程序可以由计算机接口传送。
5.程序校验与首件试切
程序清单必须经过校验和试切才能正式使用。
校验的方法是将程序内容输入到数控装置中,机床空刀运转,以检查机床的运动轨迹是否正确。
若数控机床有图形显示功能,可以采用模拟刀具切削过程的方法进行检验。
但这些过程只能检验出运动是否正确,不能检查被加工零件的精度,因此必须进行零件的首件试切。
首次试切时,应该以单程序段的运行方式进行加工,监视加工状况,调整切削参数和状态。
第三章复合循环指令
一、坯料切削循环(G71)
1、功能及作用:
用于切除棒料毛坯的大部分加工余量。
2、指令格式:
G71 U(Δd) R(e);
G71 A_P(ns) Q(nf) U(Δu) W(Δw) F S_ T_;
N(P)……
……
N(Q)……
该指令的执行过程如图3-1所示。
图3-1 G71指令执行过程及参数意义
刀具起始点为A,假设在某段程序中指定了由A→A′→B的精加工路线,只要用G71指令,就可以实现切削深度为Δd,精加工余量为Δu/2和Δw的粗加工循环。
首先以切削深度Δd在和Z轴平行的部分进行直线加工,最后刀具执行锥线加工指令完成锥面加工。
平行的部分进行直线加工,最后刀具执行锥线加工指令完成锥面加工。
说明:
1)、U(Δd):
每刀车削深度(背吃刀量),半径值,无正负号。
该参数为模态值,直到指定另一个值前保持不变。
2)、R(e):
每刀退刀量。
3)、A:
用于指定子程序号,若无子程序指定,A指令可不用输入。
4)、P(ns):
指定精加工路线的第一个程序段顺序号。
5)、Q(nf):
指定精加工路线的最后一个程序段顺序号。
6)、U(Δu):
X轴方向上的精加工余量,直径值。
7)、W(Δw):
Z轴方向上的精加工余量。
8)、F、S、T:
粗车过程中从程序段号P到Q之间包括的任何F、S、T功能都被忽略,只有G71指令中指定的F、S、T功能有效。
9)、N(P)……
N(Q)……:
程序段号P到Q之间的程序段定义A→A′→B之间的移动轨迹。
在P和Q之间的程序段不能调用子程序。
二、外圆/内孔精车循环(G70)
当零件用粗车循环指令G71加工完毕后,再用G70代码指定精加工循环,切除粗加工中留下的余量。
G70A_ P(ns) Q(nf);
1)、各参数意义参看粗车循环G71。
2)、G70指令无坐标轴移动,因此采用G70精车循环时,必须有坐标轴程序段与其相配合。
一般用两种方法实现:
一是用G70程序段后编制的零件加工程序。
二是另外编制一个子程序,由G70调用。
从这个意义上说,该系统提供的复合循环指令,也可以看成是子程序调用指令。
3)、指令中P用于指定循环开始的程序段号。
若有A指定的子程序,而没有P时,则依照A指定的子程序的第一个程序段开始执行。
4)、指令中Q用于指定循环结束的程序段号。
若没有指定Q,则当执行到M99指令时循环也结束。
若既无Q,又无M99指令时,则执行到程序结束。
三、成型加工复式循环(G73)
用于重复切削一个逐渐变换的固定形式,用本循环,可有效的切削一个用粗加工段造或铸造等方式已经加工成型的工件。
G73U(△i)W(△k)R(d)
G73P(ns)Q(nf)U(△u)W(△w)F(f)S(s)T(t)
N(ns)………
…………沿AA’B的程序段号
N(nf)………
△i:
X轴方向退刀距离(半径指定)。
△k:
Z轴方向退刀距离(半径指定)。
d:
分割次数
这个值与粗加工重复次数相同。
ns:
精加工形状程序的第一个段号。
nf:
精加工形状程序的最后一个段号。
△u:
X方向精加工预留量的距离及方向。
(直径/半径)
△w:
Z方向精加工预留量的距离及方向。
第四章数控机床的宏程序
为了便于数控机床中加工特形件和提高工作效率,我们引入宏程序。
一组以子程序的形式存储并带有变量的程序称为宏程序。
一、变量的表示和使用
(一)、变量表示
#I(I=1,2,3,…)或#[<式子>]
例:
#5,#109,#501,#[#1+#2-12]
(二)变量的使用
1.地址字后面指定变量号或公式
格式:
<地址字>#I
<地址字>-#I
<地址字>[<式子>]
F#103,设#103=15则为F15Z-#110,设#110=250则为Z-250X[#24+#18*COS[#1]]
2、变量号可用变量代替
#[#30],设#30=3则为#3
3、变量不能使用地址O,N,I
下述方法不允许:
O#1;
I#26.00×
100.0;
N#3Z200.0;
4、变量号所对应的变量,对每个地址来说,都有具体数值范围
#30=1100时,则M#30是不允许的
5、#0为空变量,没有定义变量值的变量也是空变量
6、变量值定义:
程序定义时可省略小数点,例:
#123=149
二、变量的种类
1.局部变量#1~#33
一个在宏程序中局部使用的变量
A宏程序B宏程序
……
#10=20X#10 不表示X20
断电后清空,调用宏程序时代入变量值
公共变量#100~#149,#500~#531
2、各用户宏程序内公用的变量
上例中#10改用#100时,B宏程序中的X#100表示X20
#100~#149断电后清空
#500~#531保持型变量(断电后不丢失)
3、系统变量:
固定用途的变量,其值取决于系统的状态。
三、运算指令
运算式的右边可以是常数、变量、函数、式子式中#j,#k也可为常量,式子右边为变量号、运算式
1.定义:
#i=#j
2、算术运算:
#i=#j+#k
#i=#j-#k
#i=#j*#k
#i=#j/#k
3、逻辑运算:
#i=#jOR#k
#i=#jXOR#k
#i=#jAND#k
4、函数:
#i=SIN[#j]正弦
#i=COS[#j]余弦
#i=TAN[#j]正切
#i=ATAN[#j]反正切
#i=SQRT[#j]平方根
#i=ABS[#j]绝对值
#i=ROUND[#j]四舍五入化整
#i=FIX[#j]下取整
#i=FUP[#j]上取整
#i=BIN[#j]BCD→BIN(二进制)
#i=BCN[#j]BIN→BCD
5、说明:
1)角度单位为度
90度30分为90.5度
2)ATAN函数后的两个边长要用“1”隔开
#1=ATAN[1]/[-1]时,#1为了35.0
3)ROUND用于语句中的地址,按各地址的最小设定单位进行四舍五入
设#1=1.2345,#2=2.3456,设定单位1μm
G91X-#1;
X-1.235
X-#2F300;
X-2.346
X[#1+#2];
X3.580
未返回原处,应改为
X[ROUND[#1]+ROUND[#2]];
4)取整后的绝对值比原值大为上取整,反之为下取整
设#1=1.2,#2=-1.2时
若#3=FUP[#1]时,则#3=2.0
若#3=FIX[#1]时,则#3=1.0
若#3=FUP[#2]时,则#3=-2.0
若#3=FIX[#2]时,则#3=-1.0
5)指令函数时,可只写开头2个字母
ROUND→RO
FIX→FI
6)优先级
函数→乘除(*,1,AND)加减(+,-,OR,XOR)
#1=#2+#3*SIN[#4];
7)括号为中括号,最多5重,园括号用于注释语句
#1=SIN[[[#2+#3]*#4+#5]*#6];
(3重)
四、转移指令
1、无条件的转移
GOTO1;
GOTO#10;
2、条件转移
IF[<条件式>]GOTON
3、说明:
角度单位为度
IF[<
条件表达式>
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