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机床教程
第2章数控机床常用指令及应用
2.1数控机床的坐标系
2.1.1机床坐标系
机床坐标系是机床上固有的坐标系,机床坐标系的方位是参考机床上的主轴中心线、工作台面、机床立拄等机床上固定的基准线和基准面确定的。
在标准中,规定工件固定,刀具相对于工件运动,Z轴取平行于机床主轴的方向,且刀具远离工件的方向为正方向。
对刀具做旋转运动,Z轴为垂直方向的单立拄机床时,从主轴向立拄看,X轴的正方向指向右边。
Y轴的方向按右手直角坐标系确定:
1.伸出右手的大拇指、食指和中指,并互为90°。
则大拇指代表X坐标,食指代表Y坐标,中指代表Z坐标。
2.大拇指的指向为X坐标的正方向,食指的指向为Y坐标的正方向,中指的指向为Z坐标的正方向。
如图2.1.1a。
因此立式铣床的坐标系如图2.1.1b所示。
机床坐标系的原点位置是各坐标轴的正向最大极限处,如图2.1.1c所示。
图2.1.1a右手法则
图2.1.1b立式铣床的坐标系
图2.1.1c机床坐标系的原点位置
2.2.2.工件坐标系
工件坐标系是编程人员在编程时使用的坐标系,也是加工时使用的坐标系。
工件坐标系各轴的方向与机床坐标系各轴的方向一致。
指定工件坐标系原点位置时,主要考虑编程时数值计算和对刀的方便。
由于加工时工件是安装在工作台的适当位置,工件坐标系和机床坐标系不可能重合,这样,两个坐标系各个轴向都存在一个坐标差,这一问题需要操作人员通过对刀,确定工件坐标系在机床坐标系的位置,然后,将此值输入到数控装置中得以解决。
一般数控机床可以预先设定6个(G54-G59)工件坐标系,在编程中可以选择其中之一使用。
这些坐标系存储在机床存储器内,在机床重开机时仍然存在。
2.2.3工件坐标系的设定
对于铣削加工,常用的工件坐标系的设定方法如下:
以图2.2.3a所示工件为例,在配置FANUC-OM系统的立式数控铣床上设置加工原点01。
1.加工坐标系的选择
编程原点设置在工件轴心线与工件底端面的交点上。
设工作台工作面尺寸为800mm×320mm,若工件装夹在接近工作台中间处,则确定了加工坐标系的位置,其加工原点01就在距机床原点O为X1、Y1、Z1处。
并且X1=-335.200mm,Y1=-198.000mm,Z1=-202.100mm。
X1、Y1、Z1值的获得方法见第四章数控机床的操作。
2.设定加工坐标系指令
G54-G59为设定加工坐标系指令。
G54对应一号工件坐标系,其余以此类推。
可在MDI方式的参数设置页面中设定加工坐标系。
如对已选定的加工原点O1的坐标值设在G54中,则表明在数控系统中设定了1号工件加工坐标。
X1=-335.200mm
Y1=-198.000mm
Z1=-202.100mm
其操作面板的设置页面如图2.2.3a所示。
图2.2.3a操作面板的设置页面
3.G54-G59在加工程序中出现时,表示选择相应的加工坐标系。
2.2数控程序的结构和格式
2.2.1程序的结构
一个完整的程序由若干程序段组成,每个程序段由若干个指令字组成。
指令字表示一个信息单元,每个指令字又由字母(地址符)、数字、符号组成。
下面是某一零件的加工程序:
O0005
N0001G91G00G17S300M03;
N0002G41X30.0D01;
N0003X2.0Y1.0;
N0004Z-98.0;
N0005G01Z-12.0F100;
…………
N0011G40Z-12.0F100;
N0012M30;
该程序由12个程序段组成。
O0005是程序编号,放在程序的开头,便于区别其他程序和从数控装置的程序存储器中检索、调用该加工程序。
M30是程序的结束指令,放在程序的结尾。
每个程序段完成一种动作,由若干指令字构成,每个指令字表示数控机床的一个位置或一个动作,例如N0001表示程序段段号,由N后跟2~4位数字组成。
G91为准备功能字,由G后跟2位正整数组成。
X2.0、Y1.0、Z-98.0等为尺寸指令字,表示刀具的位置。
F100为进给功能字,指定切削的进给速度。
S300表示主轴转速功能字,指定主轴加工时的转速。
M03代表辅助功能字,控制主轴启动、旋转、停止及辅助装置的开关等。
此外还有刀具功能T(用来表示刀具的选择)、刀具补偿动能D或H等。
指令字是程序中指令最小的单位。
每个程序段的结束处要用“;”或LF、CR、EOB等结束符。
不同的数控机床对于一个程序段的字符数有不同的限制。
程序段格式
一般地,一个程序行可按如下形式书写:
N04G02X43Y43…F32S04T02M02
程序行中:
N04——N表示程序段号,04表示其后最多可跟4位数,数字最前的0可省略不写。
G02——G为准备功能字,02表示其后最多可跟2位数,数字最前的0可省略不写。
X43,Y43——坐标功能字,±表示后跟的数字值有正负之分,正号可省略,负号不能省略。
43表示小数点前取4位数,小数点后可跟3位数。
程序中作为坐标功能字的主要有作为第一坐标系的X、Y、Z;平行于X、Y、Z的第二坐标字U、V、W;第三坐标字P、Q、R以及表示圆弧圆心相对位置的坐标字I、J、K;在五轴加工中心上可能还用到绕X、Y、Z旋转的对应坐标字A、B、C等等。
坐标数值单位由程序指令设定或系统参数设定。
F32——F为进给速度指令字,32表示小数点前取3位数,小数点后可跟2位数。
106
S04--S为主轴转速指令字,04表示其后最多可跟4位数,数字最前的0可省略不写。
T02--T为刀具功能字,02表示其后最多可跟2位数,数字最前的0可省略不写。
M02--M为辅助功能字,02表示其后最多可跟2位数,数字最前的0可省略不写。
总体来说,在地址数字格式程序中代码字的排列顺序没有严格的要求,不需要的代码字可以不写。
整个程序的书写相对来说是比较自由的。
要铣削一个轨迹为长10mm、宽8mm的长方形,其程序可简单编写如下:
此外,为了方便程序编写,有时也往往将一些多次重复用到的程序段,单独抽出做成子程序存放,这样就将整个加工程序做成了主-子程序的结构形式。
在执行主程序的过程中,如果需要,可多次重复调用子程序,有的还允许在子程序中再调用另外的子程序,即所谓“多层嵌套”,从而大大简化了编程工作。
至于主-子程序结构的程序例子,将会在后面实际加工应用中列举出来,到时再慢慢体会。
即使是广为应用的地址数字程序格式,不同的生产厂家,不同的数控系统,由于其各种功能指令的设定不同,所以对应的程序格式也有所差别。
在加工编程时,一定要先了解清楚机床所用的数控系统及其编程格式后才能着手进行。
当然,有些机床的程序格式不一定都会采用上述那样的格式说明方法,可能会采用表格分别说明的方式,如某机床列出其编程指令方式是:
最大指令值±99999.999mm,即相当于X±53的坐标字要求。
表2.5常见程序段格式
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
N-
G-
X-
U-
P-
Y-
V-
Q-
Z-
W-
R-
I-J-K-
R-
F-
S-
T-
M-
顺
序
号
准
备
功
能
尺寸字
进
给
功
能
主
轴
功
能
刀
具
功
能
辅
助
功
能
2.3常用准备功能和辅助功能指令
2.3.1可编程功能
通过编程并运行这些程序而使数控机床能够实现的功能我们称之为可编程功能。
一般可编程功能分为两类:
一类用来实现刀具轨迹控制即各进给轴的运动,如直线/圆弧插补、进给控制、坐标系原点偏置及变换、尺寸单位设定、刀具偏置及补偿等,这一类功能被称为准备功能,以字母G以及两位数字组成,也被称为G代码。
另一类功能被称为辅助功能,用来完成程序的执行控制、主轴控制、刀具控制、辅助设备控制等功能。
在这些辅助功能中,Txx用于选刀,Sxxxx用于控制主轴转速。
其它功能由以字母M与两位数字组成的M代码来实现。
2.3.2准备功能
本机床使用的所有准备功能见表2.3.2:
表2.3.2
G代码
分组
功能
*G00
01
定位(快速移动)
*G01
01
直线插补(进给速度)
G02
01
顺时针圆弧插补
G03
01
逆时针圆弧插补
G04
00
暂停,精确停止
G09
00
精确停止
*G17
02
选择XY平面
G18
02
选择ZX平面
G19
02
选择YZ平面
G27
00
返回并检查参考点
G28
00
返回参考点
G29
00
从参考点返回
G30
00
返回第二参考点
*G40
07
取消刀具半径补偿
G41
07
左侧刀具半径补偿
G42
07
右侧刀具半径补偿
G43
08
刀具长度补偿+
G44
08
刀具长度补偿-
*G49
08
取消刀具长度补偿
G52
00
设置局部坐标系
G53
00
选择机床坐标系
*G54
14
选用1号工件坐标系
G55
14
选用2号工件坐标系
G56
14
选用3号工件坐标系
G57
14
选用4号工件坐标系
G58
14
选用5号工件坐标系
G59
14
选用6号工件坐标系
G60
00
单一方向定位
G61
15
精确停止方式
*G64
15
切削方式
G65
00
宏程序调用
G66
12
模态宏程序调用
*G67
12
模态宏程序调用取消
G73
09
深孔钻削固定循环
G74
09
反螺纹攻丝固定循环
G76
09
精镗固定循环
*G80
09
取消固定循环
G81
09
钻削固定循环
G82
09
钻削固定循环
G83
09
深孔钻削固定循环
G84
09
攻丝固定循环
G85
09
镗削固定循环
G86
09
镗削固定循环
G87
09
反镗固定循环
G88
09
镗削固定循环
G89
09
镗削固定循环
*G90
03
绝对值指令方式
*G91
03
增量值指令方式
G92
00
工件零点设定
*G98
10
固定循环返回初始点
G99
10
固定循环返回R点
从表2.3.2中我们可以看到,G代码被分为了不同的组,这是由于大多数的G代码是模态的,所谓模态G代码,是指这些G代码不只在当前的程序段中起作用,而且在以后的程序段中一直起作用,直到程序中出现另一个同组的G代码为止,同组的模态G代码控制同一个目标但起不同的作用,它们之间是不相容的。
00组的G代码是非模态的,这些G代码只在它们所在的程序段中起作用。
标有*号的G代码是上电时的初始状态。
对于G01和G00、G90和G91上电时的初始状态由参数决定。
如果程序中出现了未列在上表中的G代码,CNC会显示10号报警。
同一程序段中可以有几个G代码出现,但当两个或两个以上的同组G代码出现时,最后出现的一个(同组的)G代码有效。
在固定循环模态下,任何一个01组的G代码都将使固定循环模态自动取消,成为G80模态。
2.3.3辅助功能
本机床用S代码来对主轴转速进行编程,用T代码来进行选刀编程,其它可编程辅助功能由M代码来实现,本机床可供用户使用的M代码列表如下(表2.3.3):
表表2.3.3
M代码
功能
M00
程序停止
M01
条件程序停止
M02
程序结束
M03
主轴正转
M04
主轴反转
M05
主轴停止
M06
刀具交换
M08
冷却开
M09
冷却关
M18
主轴定向解除
M19
主轴定向
M29
刚性攻丝
M30
程序结束并返回程序头
M98
调用子程序
M99
子程序结束返回/重复执行
一般地,一个程序段中,M代码最多可以有一个。
2.4准备功能G代码
2.4.1快速定位(G00)
G00给定一个位置。
格式:
G00IP;
IP在本说明书中代表任意不超过三个进给轴地址的组合,当然,每个地址后面都会有一个数字作为赋给该地址的值,一般机床有三个或四个进给轴即X,Y,Z,A所以IP可以代表如X12.Y119.Z-37.或X287.3Z73.5A45.等等内容。
G00这条指令所作的就是使刀具以快速的速率移动到IP指定的位置,被指令的各轴之间的运动是互不相关的,也就是说刀具移动的轨迹不一定是一条直线。
G00指令下,快速倍率为100%时,各轴运动的速度:
X、Y、Z轴均为15m/min,该速度不受当前F值的控制。
当各运动轴到达运动终点并发出位置到达信号后,CNC认为该程序段已经结束,并转向执行下一程序段。
位置到达信号:
当运动轴到达的位置与指令位置之间的距离小于参数指定的到位宽度时,CNC认为该轴已到达指令位置,并发出一个相应信号即该轴的位置到达信号。
G00编程举例:
起始点位置为X-50,Y-75.;指令G00X150.Y25.;将使刀具走出下图所示轨迹(见下图)。
2.4.2直线插补(G01)
格式:
G01IP-F-;
G01指令使当前的插补模态成为直线插补模态,刀具从当前位置移动到IP指定的位置,其轨迹是一条直线,F-指定了刀具沿直线运动的速度,单位为mm/min(X、Y、Z轴)。
该指令是我们最常用的指令之一。
假设当前刀具所在点为X-50.Y-75.,则如下程序段
N1G01X150.Y25.F100;
N2X50.Y75.;
将使刀具走出如下图所示轨迹。
大家可以看到,程序段N2并没有指令G01,由于G01指令为模态指令,所以N1程序段中所指令的G01在N2程序段中继续有效,同样地,指令F100在N2段也继续有效,即刀具沿两段直线的运动速度都是100mm/min。
2.4.3圆弧插补(G02/G03)
下面所列的指令可以使刀具沿圆弧轨迹运动:
在X--Y平面
G17{G02/G03}X__Y__{(I__J__)/R__}F__;
在X--Z平面
G18{G02/G03}X__Z__{(I__K__)/R__}F__;
在Y--Z平面
G19{G02/G03}Y__Z__{(J__K__)/R__}F__;
序号
数据内容
指令
含义
1
平面选择
G17
指定X--Y平面上的圆弧插补
G18
指定X--Z平面上的圆弧插补
G19
指定Y--Z平面上的圆弧插补
2
圆弧方向
G02
顺时针方向的圆弧插补
G03
逆时针方向的圆弧插补
3
终点
位置
G90模态
X、Y、Z中的两轴指令
当前工件坐标系中终点位置的坐标值
G91模态
X、Y、Z中的两轴指令
从起点到终点的距离有方向的
4
起点到圆心的距离
I、J、K中的两轴指令
从起点到圆心的距离有方向的
圆弧半径
R
圆弧半径
5
进给率
F
沿圆弧运动的速度
在这里,我们所讲的圆弧的方向,对于X--Y平面来说,是由Z轴的正向往Z轴的负向看X--Y平面所看到的圆弧方向,同样,对于X--Z平面或Y--Z平面来说,观测的方向则应该是从Y轴或X轴的正向到Y轴或X轴的负向(适用于右手坐标系如下图所示)。
圆弧的终点由地址X、Y和Z来确定。
在G90模态,即绝对值模态下,地址X、Y、Z给出了圆弧终点在当前坐标系中的坐标值;在G91模态,即增量值模态下,地址X、Y、Z给出的则是在各坐标轴方向上当前刀具所在点到终点的距离。
在X方向,地址I给定了当前刀具所在点到圆心的距离,在Y和Z方向,当前刀具所在点到圆心的距离分别由地址J和K来给定,I、J、K的值的符号由它们的方向来确定。
对一段圆弧进行编程,除了用给定终点位置和圆心位置的方法外,我们还可以用给定半径和终点位置的方法对一段圆弧进行编程,用地址R来给定半径值,替代给定圆心位置的地址。
R的值有正负之分,一个正的R值用来编程一段小于180度的圆弧,一个负的R值编程的则是一段大于180度的圆弧。
编程一个整圆只能使用给定圆心的方法。
2.4.4.暂停(G04)
作用:
在两个程序段之间产生一段时间的暂停。
格式:
G04P-;或G04X-;
地址P或X给定暂停的时间,以秒为单位,范围是0.001~9999.999秒。
如果没有P或X,G04在程序中的作用与G09相同。
2.4.5关于参考点的指令(G27、G28、G29及G30)
1.自动返回参考点(G28)
格式:
G28IP-;
该指令使指令轴以快速定位进给速度经由IP指定的中间点返回机床参考点,中间点的指定既可以是绝对值方式的也可以是增量值方式的,这取决于当前的模态。
一般地,该指令用于整个加工程序结束后使工件移出加工区,以便卸下加工完毕的零件和装夹待加工的零件。
执行手动返回参考点以前执行G28指令时,各轴从中间点开始的运动与手动返回参考点的运动一样,从中间点开始的运动方向为正向。
G28指令中的坐标值将被NC作为中间点存储,另一方面,如果一个轴没有被包含在G28指令中,NC存储的该轴的中间点坐标值将使用以前的G28指令中所给定的值。
例如:
N1X20.0Y54.0;
N2G28X-40.0Y-25.0;中间点坐标值(-40.0,-25.0)
N3G28Z31.0;中间点坐标值(-40.0,-25.0,31.0)
该中间点的坐标值主要由G29指令使用。
2.从参考点自动返回(G29)
格式:
G29IP-;
该命令使被指令轴以快速定位进给速度从参考点经由中间点运动到指令位置,中间点的位置由以前的G28或G30指令确定。
一般地,该指令用在G28或G30之后,被指令轴位于参考点或第二参考点的时候。
在增量值方式模态下,指令值为中间点到终点(指令位置)的距离。
3.参考点返回检查(G27)
格式:
G27IP-;
该命令使被指令轴以快速定位进给速度运动到IP指令的位置,然后检查该点是否为参考点,如果是,则发出该轴参考点返回的完成信号(点亮该轴的参考点到达指示灯);如果不是,则发出一个报警,并中断程序运行。
在刀具偏置的模态下,刀具偏置对G27指令同样有效,所以一般来说执行G27指令以前应该取消刀具偏置(半径偏置和长度偏置)。
在机床闭锁开关置上位时,NC不执行G27指令。
4.返回第二参考点(G30)
格式:
G30IP-;
该指令的使用和执行都和G28非常相似,唯一不同的就是G28使指令轴返回机床参考点,而G30使指令轴返回第二参考点。
G30指令后,和G28指令相似,可以使用G29指令使指令轴从第二参考点自动返回。
第二参考点也是机床上的固定点,它和机床参考点之间的距离由参数给定,第二参考点指令一般在机床中主要用于刀具交换,因为机床的Z轴换刀点为Z轴的第二参考点(参数#737),也就是说,刀具交换之前必须先执行G30指令。
用户的零件加工程序中,在自动换刀之前必须编写G30,否则执行M06指令时会产生报警。
第二参考点的返回,关于M06请参阅机床说明书部分:
辅助功能。
被指令轴返回第二参考点完成后,该轴的参考点指示灯将闪烁,以指示返回第二参考点的完成。
机床X和Y轴的第二参考点出厂时的设定值与机床参考点重合,如有特殊需要可以设定735、736号参数。
2.4.6选用机床坐标系(G53)
格式:
(G90)G53IP;
该指令使刀具以快速进给速度运动到机床坐标系中IP指定的坐标值位置,一般地,该指令在G90模态下执行。
G53指令是一条非模态的指令,也就是说它只在当前程序段中起作用。
机床坐标系零点与机床参考点之间的距离由参数设定,无特殊说明,各轴参考点与机床坐标系零点重合。
2.4.7使用预置的工件坐标系(G54~G59)
在机床中,我们可以预置六个工件坐标系,通过在CRT-MDI面板上的操作,设置每一个工件坐标系原点相对于机床坐标系原点的偏移量,然后使用G54~G59指令来选用它们,G54~G59都是模态指令,分别对应1#~6#预置工件坐标系,如下例:
预置1#工件坐标系偏移量:
X-150.000Y-210.000Z-90.000。
预置4#工件坐标系偏移量:
X-430.000Y-330.000Z-120.000。
程序段内容
终点在机床坐标系中的坐标值
注释
N1G90G54G00X50.Y50.;
X-100,Y-160
选择1#坐标系,快速定位。
N2Z-70.;
Z-160
N3G01Z-72.5F100;
Z-160.5
直线插补,F值为100。
N4X37.4;
X-112.6
(直线插补)
N5G00Z0;
Z-90
快速定位
N6X0Y0A0;
X-150,Y-210
N7G53X0Y0Z0;
X0,Y0,Z0
选择使用机床坐标系。
N8G57X50.Y50.;
X-380,Y-280
选择4#坐标系
N9Z-70.;
Z-190
N10G01Z-72.5;
Z-192.5
直线插补,F值为100(模态值)
N11X37.4;
X392.6
N12G00Z0;
Z-120
N13G00X0Y0;
X-430,Y-330
从以上举例可以看出,G54~G59指令的作用就是将NC所使用的坐标系的原点移动到机床坐标系中坐标值为预置值的点,预置方法请查阅本手册的操作部分。
在机床的数控编程中,插补指令和其它与坐标值有关的指令中的IP-除非有特指外,都是指在当前坐标系中(指令被执行时所使用的坐标系)的坐标位置。
大多数情况下,当前坐标系是G54~G59中之一(G54为上电时的初始模态),直接使用机床坐标系的情况不多。
2.4.8可编程工件坐标系(G92)
格式:
(G90)G92IP-;
该指令建立一个新的工件坐标系,使得在这个工件坐标系中,当前刀具所在点的坐标值为IP-指令的值。
G92指令是一条非模态指令,但由该指令建立的工件坐标系却是模态的。
实际上,该指令也是给出了一个偏移量,这个偏移量是间接给出的,它是新工件坐标系原点在原来的工件坐标系中的坐标值,从G92的功能可以看出,这个偏移量也就是刀具在原工件坐标系中的坐标值与IP-指令值之差。
如果多次使用G92指令,则每次使用G92指令给出的偏移量将会叠加。
对于每一个预置的工件坐标系(G54~G59),这个叠加的偏移量都是有效的。
举例如下:
预置1#工件坐标系偏移量:
X-150.000Y-210.000Z-90.000。
预置4#工件坐标系偏移量:
X-430.000Y-330.000Z-120.000。
程序段内容
终点在机床坐标系中的坐标值
注释
N1G90G54G00X0Y0Z0;
X-150,Y-210,Z-90
选择1#坐标系,快速定位到坐标系原点。
N2G92X70.Y100.Z50.;
X-150,Y-210,Z-90
刀具不运动,建立新坐标系,新坐标系中当前点坐标值为X70,Y100,Z50
N3G00X0Y0Z0;
X-2
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