數(shù)控機床及編程：2.1-2數(shù)控加工程序編制基本概念

1、2 數(shù)控加工的程序編制2.1 程序編制的基本概念2.1.1數(shù)控編程的方法1、手工編程手工編程是指在編程的過程中，全部或主要由人工進行。對于加工形狀簡單、計算量小、程序不多的零件，采用手工編程較簡單、經濟、效率高。2、APT語言（自動編程）為了解決數(shù)控加工中的程序編制問題，50年代，MIT設計了一種專門用于機械零件數(shù)控加工程序編制的語言，稱為APT（Automatically Programmed Tool）。是編程人員根據(jù)零件圖紙要求用一種直觀易懂的編程語言（包括幾何、工藝等語句定義）手工編寫一個簡短的零件源程序，然后輸給計算機，計算機經過翻譯處理和刀具運動軌跡處理，再經過后置處理，自動生成數(shù)

2、控系統(tǒng)可以識別的加工程序。由此可見，APT語言不能直接控制機床。APT幾經發(fā)展，形成了諸如APTII、APTIII（立體切削用）、APT（算法改進，增加多坐標曲面加工編程功能）、APTAC（Advancedcontouring）(增加切削數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))和APT/SS（Sculptured Surface）(增加雕塑曲面加工編程功能)等先進版。采用APT語言編制數(shù)控程序具有程序簡煉，走刀控制靈活等優(yōu)點，使數(shù)控加工編程從面向機床指令的“匯編語言”級，上升到面向幾何元素.APT仍有許多不便之處：采用語言定義零件幾何形狀，難以描述復雜的幾何形狀，缺乏幾何直觀性；缺少對零件形狀、刀具運動軌跡的直觀圖形

3、顯示和刀具軌跡的驗證手段；難以和CAD數(shù)據(jù)庫和CAPP系統(tǒng)有效連接；不容易作到高度的自動化，集成化。針對APT語言的缺點，1978年，法國達索飛機公司開始開發(fā)集三維設計、分析、NC加工一體化的系統(tǒng)，稱為CATIA。隨后很快出現(xiàn)了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都有效的解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示，交互設計、修改及刀具軌跡生成，走刀過程的仿真顯示、驗證等問題，推動了CAD和CAM向一體化方向發(fā)展。APT語言格式舉例：點的定義：P=POINT/10，20，15；直線的定義：LLINE/16，8

4、，0，16，32，0。機床主軸轉數(shù)及旋轉方向的定義：SPINDL/n，CLW 輪廓加工的外容差和內容差的定義：OUTTOL/ INTOL/ 刀具起始點為P：From/P；刀具從P點以最短距離運動向L運動，直至與L相切：GO/TO，L這里用“語言”編寫的源程序和手工編程的加工程序有本質差別：手工編程的加工程序可直接控制數(shù)控機床進行零件加工；自動編程的源程序要經編譯處理后才可被數(shù)控機床接受。3、CAD/CAM采用人機交互功能的計算機圖形顯示器，在圖形顯示系統(tǒng)軟件和圖像編程應用軟件的支持下，只要給出一些必要的工藝參數(shù)，發(fā)出相應的命令或“指點”菜單，然后根據(jù)應用軟件提示的操作步驟，實時“指點”被加工零

5、件的圖形元素，就能得到零件的各輪廓點的位置坐標值，并立即在圖像顯示屏上顯示出刀具加工軌跡，再連接適當?shù)暮笾锰幚沓绦?，就能輸出?shù)控加工程序單。這種編程方法稱為計算機圖像數(shù)控編程(Computer Graphics Aided NC Programming)，簡稱圖像編程。其特點是數(shù)學處理能力強、能快速、自動生成數(shù)控程序、后置處理程序靈活多變、程序自檢、糾錯能力強、便于實現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)的通訊。圖像編程是目前主要的自動編程方式，國內外圖形交互自動編程軟件的很多，流行的集成CAD/CAM（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing ）系統(tǒng)大都具有

6、圖形自動編程功能。以下是目前市面上流行的幾種CAD/CAM系統(tǒng)軟件：（1）Pro/Engineer（簡稱Pro-E）軟件。 Pro-E是美國PTC公司開發(fā)的機械設計自動化軟件，也是最早實現(xiàn)參數(shù)化技術商品化的軟件，在全球擁有廣泛影響須我國也是使用最為廣泛的CAD/CAM軟件之一。（2）UG軟件。 UG是美國EDS公司的產品，多年來，該軟件匯集了美國航空航天，以及汽車工業(yè)豐富的設計經驗，發(fā)展成為一個世界一流的集成化CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，在世界和我國都占有重要的市場份額。（3）Solidworks軟件。 Solidworks公司的CAD/CAM系統(tǒng)從一開始就是面向微機系統(tǒng)，并基于窗口風格設計的

7、，同時它采用了著名的Parasolid為造型引擎，因此該系統(tǒng)的性能先進，主要功能幾乎可以和上述大型CAD/CAM系統(tǒng)相媲美。（4）MasterCAM軟件。 MasterCAM是美國CNC Software NC 公司研制開發(fā)的一套PC級套裝軟件，可以在一般的計算機上運行。它既可以設計繪制所要加工的零件，也可以產生加工這個零件的數(shù)控程序，還可以將AutoCAD、CADKEY、SolidWorks等CAD軟件繪制的圖形調入到MasterCAM中進行數(shù)控編程。該軟件簡單實用。（5）Catia軟件。（6）國內市場信譽較好的CAD/CAM軟件有北航海爾軟件有限公司開發(fā)CAXA 和廣州紅地公司推出的金銀花

8、系統(tǒng)。4、語音編程 語音數(shù)控自動編程是利用人的聲音作為輸入信息，并與計算機和顯示器直接對話，令計算機編出加工程序的一種方法。語音編程系統(tǒng)的構成，如圖2-1所示。編程時，程編員只需對著話筒講出所需的指令即可。編程前應使系統(tǒng)“熟悉” 編程員的“聲音”，即首次使用該系統(tǒng)時，編程員必須對著話筒講該系統(tǒng)約定的各種詞匯和數(shù)字，讓系統(tǒng)記錄下來并轉換成計算機可以接受的數(shù)字指令。圖2-1 語音編程系統(tǒng)的構成5、視覺系統(tǒng)編程 采用計算機視覺系統(tǒng)來自動閱讀、理解圖樣，由程編員在編輯過程中實時給定起刀點、下刀點和退刀點，然后自動計算出刀位點的有關坐標值，并經后置處理，最后輸出數(shù)控加工的程序單。視覺系統(tǒng)編程首先由圖樣掃

9、描器（常用的CCD傳感器掃描器和掃描鼓兩種）掃描圖樣，取得一幅圖像，對該圖像進行預處理是為了校正圖像的幾何畸變和灰度畸變，并將它轉化為易處理的二值圖像，同時作斷口校正、幾何交點部分檢測、細線化處理，以消除輸入部分分辨率的影響；然后分離并識別圖樣上的文字、符號、線劃等元素，并記憶它們之間的關系，對線劃還需進行矢量化處理，并用直線或曲線擬合，得到端點和分支點；將這些信息綜合處理，確定圖樣中每條線的意義及其尺寸大小，最后作編輯處理及刀位點坐標計算。再連接適當?shù)暮笾锰幚?，就能輸出?shù)控加工程序單。視覺系統(tǒng)在編程時不需要零件源程序和編程員，只要事先輸入工藝參數(shù)即可，操作簡單，能直接與CAD的數(shù)據(jù)相連接，實

10、現(xiàn)高度自動化。下面主要講解手工編程方法。手工編程方法步驟為：分析工件的零件圖及技術要求，確定工藝路線，計算刀具軌跡坐標，用數(shù)控代碼編程。2.1.2 數(shù)控程序結構及代碼國際上通用的代碼有ISO(international standard organization國際標準化組織)、EIA(electronic industries association美國電子工業(yè)協(xié)會)兩種，代碼中有數(shù)字碼（09）、文字碼（AZ）和符號碼。下面是一個簡單零件的加工實例，零件輪廓如圖2-2所示，坐標系設在工件的上表面中心，刀具從中心出發(fā)，逆時針加工一周，加工程序為： %O0001N0001G90G54G00X0Y

11、0Z100.0S300M03；N0002G00X0Y-50.0；N0003G01Z-50.0F100；N0004X100.0；N0005Y50.0；N0006X-100.0；N0007Y-50.0；N0008X0；N0009Z100.0；N0010Y0M05；N0011M30；圖2-2 程序格式構成由上述加工程序可以看出，數(shù)控程序結構如下：A、加工程序由若干個程序段組成；B、程序段由一個或若干個指令字組成，字是數(shù)控程序的最小單位，如G00、G90等；C、每個指令字由地址符和數(shù)字組成（字地址結構），代表機床的一個位置或一個動作。地址符由字母組成，每個字母、數(shù)字、符號（正負號）稱為字符；D、程序的

12、起始符：%；程序名以O字母開頭；E、每一行程序以分號結尾；F、程序結束符：M02或M30；G、注釋符：括號“（）”內或分號“ ；”后的內容為注釋文字。 表2-1 程序段結構字字字地址數(shù)字地址數(shù)字地址數(shù)字例如G 01Z 40F 500注釋直線插補Z軸位移或終點位置40mm進給速度500mm/min具體要求：1、程序名：格式：O _ _ _ _說明：1)O：文件名首字母，如O001，O002；2) O1、O01、O001、O0001等價；3) 范圍O1O7999 用戶區(qū) O8000O8999 用戶區(qū)（加密、加鎖） O9000O9999 擴展區(qū)（廠方修改）2、順序號 （標識作用）格式：N _ _ _

13、 _ (注釋)說明：1）范圍：N1N99992）N1、N01、N001、N0001等價3）一般寫成N5；N10；N15；，目的是以便在順序號間插入順序號。3、準備功能（簡稱G功能）由地址符G和兩位數(shù)字組成，G01，G02等等，G功能的代號已標準化。4、尺寸字（坐標字）由坐標符和數(shù)字組成，各組數(shù)字必須有作為地址代碼的字母開頭。n X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R；n A、B、C、D、E；n I、J、K。n 其中， X50. X50.0 在相對坐標編程時，都表示沿X軸移動50mmX500005、進給功能字（F）由進給地址符和數(shù)字組成，單位一般為mm/min、mm/r或mm。F指令表示刀具中心運動

14、時的進給合速度。由F和其后的若干數(shù)字組成。數(shù)字的單位取決于每個系統(tǒng)所采用的進給速度的指定方法。具體內容見所用機床的編程說明書。 注意事項如下： 1）當編寫程序時，第一次遇到直線（G01）或圓?。℅02/G03）插補指令時，必須編寫進給率F，如果沒有編寫F功能，CNC采用F0。當工作在快速定位（G00）方式時，機床將以通過機床軸參數(shù)設定的快速進給率移動，與編寫的F指令無關。 2）F指令為模態(tài)指令，實際進給率可以通過CNC操作面板上的進給倍率旋鈕，在0200%之間調整。 3）車削系統(tǒng)中，G98 F10 進給速度10mm/min G99 F0.2 進給速度0.2mm/r G32 F5 螺距5mm6、

15、主軸轉速功能字（S）由主軸地址符和數(shù)字組成，單位為r/minS指令表示機床主軸的轉速。由S和其后的若干數(shù)字組成，其表示方法有以下三種： 轉速 S表示主軸轉速，單位為r/min。如S1000表示主軸轉速為1000r/min；車削指令G97 S1000。 線速 在恒線速狀態(tài)下，S表示切削點的線速度，單位為m/min。如車削代碼G96 S60表示切削點的線速度恒定為60 m/min； 代碼用代碼表示主軸速度時，S后面的數(shù)字不直接表示轉速或線速的數(shù)值，而只是主軸速度的代號。如某機床用S00S99表示100種轉速，S40表示主軸轉速為1200r/min， S41表示主軸轉速為1230r/min，S00表

16、示主軸轉速為0r/min，S99表示最高轉速。7、刀具功能字（T）由刀具地址符和數(shù)字組成，數(shù)字表示刀具庫中刀具號。刀具和刀具參數(shù)的選擇是數(shù)控編程的重要內容，其編程格式因數(shù)控系統(tǒng)不同而異，主要格式有以下兩種：采用T指令編程由T和數(shù)字組成。有T和T兩種格式，數(shù)字的位數(shù)由所用數(shù)控系統(tǒng)決定，T后面的數(shù)字用來指定刀具號和刀具補償號。例如：T04表示選擇4號刀；T0404表示選擇4號刀，4號偏置值；T0400表示選擇第4號刀，刀具偏置取消。采用T、D指令編程利用T功能選擇刀具，利用D功能選擇相關的刀偏。在定義這兩個參數(shù)時，其編程的順序為T、D。T和D可以編寫在一起，也可以單獨編寫，例如：T4 D04表示選

17、擇4號刀，采用刀具偏置表第4號的偏置尺寸；D12表示仍用4號刀，采用刀具偏置表第12號的偏置尺寸；T2表示選擇2號刀，采用與該刀具相關的刀具偏置尺寸。8、輔助功能字（M）由輔助操作地址符和兩位數(shù)字組成。M功能的代碼已標準化。M指令是控制數(shù)控機床“開、關”功能的指令，主要用于完成加工操作時的輔助動作。M 功能有非模態(tài)M功能和模態(tài)M功能二種形式。1）非模態(tài)M功能（當段有效代碼）：只在書寫了該代碼的程序段中有效；2）模態(tài)M功能（續(xù)效代碼）：一組可相互注銷的 M功能，這些功能在被同一組的另一個功能注銷前一直有效。如：M02或M30 、M03、M04、M05 等。模態(tài) M功能組中包含一個缺省功能，系統(tǒng)上

18、電時將被初始化為該功能。M 功能還可分為前作用 M 功能和后作用 M 功能二類。1）前作用 M 功能：在程序段編制的軸運動之前執(zhí)行；2）后作用 M 功能：在程序段編制的軸運動之后執(zhí)行。需要指出的是,數(shù)控機床的指令格式在國際上有很多標準，并不完全相同。不同數(shù)控系統(tǒng)之間，程序格式存也存在一定的差異，因此，在編程時要仔細閱讀所用數(shù)控系統(tǒng)的編程說明書。2.2 程序的編制2.2.1 機床坐標系和工件坐標系的建立圖2-3 右手笛卡兒直角坐標系數(shù)控機床的坐標系規(guī)定已標準化，按右手直角坐標系確定，假定工件靜止，通過刀具相對工件的移動來確定機床各坐標軸的方向。右手笛卡爾坐標系：標準的機床坐標系是一個右手笛卡爾坐

19、標系，用右手螺旋法則判定，如圖2-3所示。右手的拇指、食指、中指互相垂直，并分別代表+X、+Y、+Z軸。圍繞+X、+Y、+Z軸的回轉運動分別用+A、+B、+C表示，其正向用右手螺旋定則確定。與+X、+Y、+Z、+A、+B、+C相反的方向用帶“”的+X、+Y、+Z、+A、+B、+C表示。1. 機床坐標系a、機床原點：圖2-5 銑床的機床原點圖2-4 車床的機床原點機床坐標系的原點也稱為機床原點,又稱機械原點，或者機床零點，在機床經過設計制造和調整后這個原點便被確定下來,是由機床生產廠家設置的一個固定不變的基準點，在機床說明書上有說明。如圖2-4所示，該車床的機械原點位于主軸軸線與卡盤端面的交點處

20、；一般的，對于銑床來說，機械原點的位置是各坐標軸的正向最大極限處，如圖2-5所示。數(shù)控裝置通電后通常要進行回參考點操作，以建立機床坐標系。參考點可以與機床零點重合，也可以不重合，通過參數(shù)來指定機床參考點到機床零點的距離。機床回到了參考點位置也就知道了該坐標軸的零點位置，找到所有坐標軸的參考點，CNC就建立起了機床坐標系。參考點可以通過調整擋塊被改變。b、機床坐標系先確定Z軸：在標準中，規(guī)定平行于機床主軸的刀具運動坐標軸為Z軸，取刀具遠離工件的方向為正方向（Z）。當機床有多個主軸時，選一個垂直于工件裝夾面的主軸為Z軸。再確定X軸：X軸為水平方向，且垂直于Z軸并平行于工件的裝夾面。對于工件做旋轉運

21、動的機床，取平行于橫向滑座的方向為刀具運動的X軸坐標，同樣，取刀具遠離工件的方向為X的正方向；對于刀具做旋轉運動的機床，當Z軸為水平方向時，沿刀具主軸后端向工件方向看，向右為X軸的正方向；如Z軸是垂直的，則從主軸向立柱看時，對于單立柱機床，X軸的正方向指向右邊；對于雙立柱機床，當從主軸向立柱看時，X軸向的正方向指向右邊。上述的正方向都是刀具相對于工件運動而言。最后確定Y軸：在確定了X、Z正方向后，可以按照右手直角笛卡兒坐標系確定Y軸的正方向。圖2-6、圖2-7分別為常見的立式、臥式數(shù)控銑床機床坐標系的坐標方向，圖上表示的方向為實際運動部件的移動方向。圖2-6立式數(shù)控銑床圖2-7臥式數(shù)控銑床2

22、參考點、參考坐標系數(shù)控裝置上電時并不知道機床原點，為了正確地在機床工作時建立機床坐標系，通常在每個坐標軸的移動范圍內設置一個機床參考點（測量起點），機床起動時，通常要進行機動或手動回參考點，以建立機床坐標系。通過參數(shù)指定機床參考點到機床原點的距離。 以參考點為原點，坐標方向與機床坐標方向相同建立的坐標系叫做參考坐標系，在實際使用中通常以參考坐標系計算坐標值。一般的，參考坐標系與機床坐標系之間偏移一定的距離，或者二者重合。例如加工中心的機床原點與參考點重合，位于各軸的正向極限位置，所以當用機械坐標表示刀具當前位置時，其值始終是負的。3、工作坐標系a、編程原點：也稱工件原點，由編程人員在工件上根據(jù)

23、編程方便性自行設定的編制加工程序的原點。它只與工件有關，而與機床坐標系無關。但考慮到編程的方便性，工件坐標系中各軸的方向應該與所使用的數(shù)控機床的坐標軸方向一致。車床工件原點一般選擇在軸線與工件右端面、左端面或卡爪的前端面的交點上。工件原點的設置一般應遵循下列原則： （1）工件原點與設計基準或裝配基準重合，以利于編程； （2）工件原點盡量選在尺寸精度高、表面粗糙度值小的工件表面上； （3）工件原點最好選在工件的對稱中心上； （4）要便于測量和檢驗。圖2-8 車削的編程原點圖2-9 銑削的編程原點圖2-8、2-9的編程原點選在O2處符合上述原點選擇原則。b、編程坐標系假定工件固定不動，用刀具運動的

24、坐標系來編程。工件坐標系是編程人員在編程和加工時使用的坐標系。在加工時，工件隨夾具安裝在機床上，這時測量工件原點與參考點間的距離，稱作工件原點偏置。該偏置值預存入數(shù)控系統(tǒng)中（G92，G54G59），加工時，工件原點偏置便能自動加到工件坐標系上，使數(shù)控系統(tǒng)可按機床坐標系確定加工時的絕對坐標值。因此，編程人員可以不考慮工件在機床上的實際安裝位置和安裝精度，而利用原點偏置功能（指令），補償工件在工作臺上的位置偏差。如圖2-5所示，-X3、-Y3、-Z3即為工件原點與參考點的偏置值，將其預存入數(shù)控系統(tǒng)中，編程時按工件坐標系編程即可。4、附加運動坐標系一般稱XYZ為主坐標或第一座標，如有平行于第一座標的

25、第二組和第三組坐標，則分別指定為U、V、W和P、Q、R。確定工件坐標系注意四點：1、遠離工件的方向為正方向；2、假定工件不動，刀具運動；3、遵循右手定則；4、講解機床坐標系與工件坐標系的目的在于：裝夾工件時，要將圖紙上的坐標方向與機床坐標方向相一致。X5、按下操作面板上的 ，則刀具相對于工件向X方向運動。常用的M指令功能及其應用如下： （1）程序停止 指令：M00 功能：執(zhí)行完包含M00的程序段后，機床停止自動運行，此時所有存在的模態(tài)信息保持不變，用循環(huán)啟動使自動運行重新開始。（對于Fanuc系統(tǒng)，M00為程序無條件暫停指令。程序執(zhí)行到此進給停止，主軸停轉。重新啟動程序，必須先回到JOG狀態(tài)下，按下CW（主軸正轉）啟動主軸，接著返回AUT