数控机床及其编程基础知识

第1章数控机床基本知识1.1数控机床的产生与发展1.2数控机床的组成结构及工作原理1.3数控机床的分类

1.1数控机床的产生与发展随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。一种新型的生产设备——数控机床就应运而生了。1.1.1数控机床的产生帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）合作，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。1959年，美国克耐·杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功开发了加工中心（MachiningCenter）。1.1.2数控机床的发展简况第1代数控机床：1952年～1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（MNC）。1．计算机直接数控系统所谓计算机直接数控（DirectNumericalControl，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。2．柔性制造系统柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。3．计算机集成制造系统计算机集成制造系统（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。1.1.3我国国数控机床床发展概况况1958年年开始并试试制成功第第一台电子子管数控机机床。1965年开开始研制晶晶体管数控控系统，直直到20世世纪60年年代末至70年代初初成功。从从20世纪纪80年代代开始，先先后从日本本、美国、、德国等国国家引进先先进的数控控技术。如如北京机床床研究所从从日本FANUC公公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、、FANUC7系列列产品的制制造技术；；上海机床床研究所引引进美国GE公司的的MTC-1数控系系统等。1.1.4数控控机床的发发展趋势从数控机床床技术水平平看，高精精度、高速速度、高柔柔性、多功功能和高自自动化是数数控机床的的重要发展展趋势。数控系统都都采用了16位和32位微处处理器，标标准总线及及软件模块块和硬件模模块结构，，内存容量量扩大到1MB以上上，机床分分辨率可达达0.1m，高速进进给可达100m/min，，控制轴数数可达16个。1.2数数控机床床的组成结结构及工作作原理1.2.1数控控机床的组组成1．控制介介质数控机床工工作时，不不需要操作作工人直接接操纵机床床，但机床床又必须执执行人的意意图，这就就需要在人人与机床之之间建立某某种联系，，这种联系系的中间媒媒介物即称称为控制介介质。2．数控系系统数控装置是是一种控制制系统，是是数控机床床的中心环环节。它能能自动阅读读输入载体体上事先给给定的数字字，并将其其译码，从从而使机床床进给并加加工零件，，数控系统统通常由输输入装置、、控制器、、运算器和和输出装置置4大部分分组成。。3．伺服系系统伺服系统由由伺服驱动动电动机和和伺服驱动动装置组成成，它是数数控系统的的执行部分分。伺服系系统接受数数控系统的的指令信息息，并按照照指令信息息的要求带带动机床的的移动部件件运动或使使执行部分分动作，以以加工出符符合要求的的工件。每每一个脉冲冲使机床移移动部件产产生的位移移量叫做脉脉冲当量。。目前所使使用的数控控系统脉冲冲当量通常常为0.001mm/脉冲。。4．辅助控控制系统辅助控制系系统是介于于数控装置置和机床机机械、液压压部件之间间的强电控控制装置。。5．机床本本体机床本体是是数控机床床的主体，，由机床的的基础大件件（如床身身、底座））和各运动动部件（如如工作台、、床鞍、主主轴等）所所组成。1.2.2数控控机床的关关键结构部部件1．伺服系系统驱动电电机（1）步进进电动机步进电动机机通常用于于开环伺服服系统机床床。（2）直流流伺服电动动机①小惯量量直流电动动机②宽调速速直流电动动机③无刷直直流电动机机（3）交流流伺服电动动机近年来新型型功率开关关器件、专专用集成电电路和新的的控制算法法等的发展展带动了交交流驱动电电源的发展展，使其调调速性能更更能适应数数控机床伺伺服系统的的要求。交交流速度控控制系统正正逐步取代代直流速度度控制系统统。2．位置检检测装置检测装置是是把位移和和速度测量量信号作为为反馈信号号，并将反反馈信号转转换成数字字送回计算算机，和脉脉冲指令信信号相比较较，以控制制驱动元件件正确运转转。（1）感应应同步器感应同步器器是一种电电磁式的高高精度位移移检测元件件，按其结结构方式的的不同可分分为直线式式和旋转式式两种，前前者用于长长度测量，，后者用于于角度测量量。感应同步器器的特点是是：精度高高，工作可可靠，抗干干扰性强，，维护简单单，寿命长长，可测量量长距离位位置，成本本低，易于于批量生产产。（2）光栅栅光栅就是在在一块长条条形的光学学玻璃上均均匀地刻划划很多条与与运动方向向垂直的条条纹，条纹纹之间的距距离成为栅栅距。光栅测量装装置是一种种非接触式式测量，利利用光路减减少了机械械误差，具具有精度高高，响应速速度快等特特点，因此此是数控机机床和数显显系统常用用的检测元元件。（3）磁栅栅磁栅是用电电磁的方法法计算磁波波数目的一一种位置检检测元件，，磁栅测量量装置由磁磁性标尺、、读取磁头头和检测电电路组成。。磁栅位置检检测电路的的特点是：：容易制造造，检测精精度高（能能达到每米米±3m），安装装使用方便便，对环境境条件要求求较低，若若磁性标尺尺膨胀系数数与机床一一致，可在在一般车间间使用。由由于磁头与与磁栅为有有接触的相相对运动，，因而有磨磨损，使用用寿命受到到一定的限限制。一般般使用寿命命可达到5年，涂上上保护膜后后寿命则可可进一步延延长。（4）旋转转变压器旋转变压器器是一种角角位移检测测元件，由由定子和转转子组成，，分为有刷刷和无刷两两种形式。。有刷旋转转变压器定定子和转子子均为两相相交流分布布绕组。数控机床检检测装置主主要使用无无刷旋转变变压器，因因为无刷旋旋转变压器器具有可靠靠性高、寿寿命长、体体积小、不不用维修以以及输出信信号大、抗抗干扰能力力强等优点点。（5）脉冲冲编码器脉冲编码器器是把机械械转角转化化为电脉冲冲的一种常常用角位移移传感器。。（6）测速速发电机测速发电机机是速度反反馈元件，，相当于一一台永磁式式直流电动动机。3．进给运运动传动部部件滚珠丝杠螺螺母副是回回转运动与与直线运动动相互转换换的新型理理想传动装装置。具有如下优优点。（1）传动动效率高。。（2）摩擦擦力小。（3）使用用寿命长。。（4）经预预紧后可以以消除轴向向间隙，提提高系统的的刚度。（5）反向向运动时无无空行程，，可以提高高轴向运动动精度。4．CRT显示及其其接口5．数控机机床通信RS-232接口1.2.3数控控机床的工工作原理数控系统的的主要任务务之一就是是控制执行行机构按预预定的轨迹迹运动。一一般情况是是已知运动动轨迹的起起点坐标、、终点坐标标和曲线方方程，由数数控系统实实时地算出出各个中间间点的坐标标。即需要要“插入、、补上”运运动轨迹各各个中间点点的坐标，，通常这个个过程就称称为“插补补”。1．逐点比比较法直线线插补（1）直线线插补计算算原理①偏差计计算公式定义直线插插补的偏差差判别式如如下：Fm=ymxexmye②终点判判断的方法法一种方法是是设置Σx、Σy两个减法计计数器。另一种方法法是设置一一个终点计计数器。。第三种方法法是选终点点坐标值较较大的坐标标作为计数数坐标。③插补计计算过程偏差判断坐标进给偏差计算终点判别2．逐点比比较法圆弧弧插补（1）圆弧弧插补计算算原理①偏差计计算公式定义圆弧偏偏差判别式式如下：Fm=Rm2R2=xm2+ym2R2新加工点m+1点的偏偏差为Fm2xm+1新加工点的的偏差值为为Fm+2ym+1②终点判判别方法③插补计计算过程1.3数数控机床床的分类1.3.1按控控制系统的的特点分类类1．点位控控制数控机机床这类机床主主要有数控控坐标镗床床、数控钻钻床、数控控点焊机和和数控折弯弯机等，其其相应的数数控装置称称为点位控控制数控装装置。2．直线控控制数控机机床这类机床主主要有数控控车床、数数控磨床和和数控镗铣铣床等，相相应的数控控装置称为为直线控制制装置。3．轮廓控控制数控机机床属于这类机机床的有数数控车床、、数控铣床床、加工中中心等。其其相应的数数控装置称称为轮廓控控制装置。。轮廓数控控装置比点点位、直线线控制装置置结构复杂杂得多，功功能齐全得得多。1.3.2按进进给伺服系系统的类型型分类1．开环进进给伺服系系统数控机机床开环进给伺伺服系统通通常不带有有位置检测测元件，伺伺服驱动元元件一般为为步进电动动机。2．闭环进进给伺服系系统数控机机床闭环进给控控制系统带带有位置检检测元件，，随时可以以检测出工工作台的实实际位移，，并反馈给给数控装置置，并与设设定的指令令值进行比比较，利用用其差值控控制伺服电电动机，直直至差值为为零为止。。3．半闭环环进给伺服服系统数控控机床半闭环进给给伺服系统统是将位置置检测元件件安装在伺伺服电动机机的轴上或或滚珠丝杠杠的端部，，不直接反反馈机床的的位移量，，而是检测测伺服机构构的转角，，将此信号号反馈给数数控装置进进行指令值值比较，用用差值控制制伺服电动动机。1.3.3按工工艺用途分分类1．金属切切削类数控控机床金属切削类类数控机床床包括数控控车床、数数控钻床、、数控铣床床、数控磨磨床、数控控镗床以及及加工中心心。2．金属成成型类数控控机床金属成型类类数控机床床包括数控控折弯机、、数控组合合冲床和数数控回转头头压力机等等。这类机机床起步晚晚，但目前前发展很快快。3．数控特特种加工机机床数控特种加加工机床如如数控线（（电极）切切割机床、、数控电火火花加工机机床、火焰焰切割机和和数控激光光切割机床床等。4．其他类类型的数控控机床其他类型的的数控机床床如数控三三坐标测量量机等。1.3.4按所所用数控装装置的构成成方式分类类1．硬线数数控系统2．软线数数控系统第2章数数控编程程基础2.1数数控编程程概述2.2数数控程序序编制中的的工艺分析析2.3数数控程序序编制中的的数学处理理2.1数数控编程程概述2.1.1程序序编制的内内容和步骤骤数控加工，，是指在数数控机床上上进行零件件加工的一一种工艺方方法。数控机床程程序编制过过程的主要要内容包括括：零件图图的分析、、数控机床床的选择、、工件装夹夹方法的确确定、加工工工艺的确确定、刀具具的选择、、程序的编编制、程序序的调试。。从零件图图的分析开开始到零件件加工完毕毕。1．零件图图的分析2．数控机机床的选择择3．工件装装夹方法的的确定4．加工工工艺的确定定5．刀具的的选择6．程序序的编制制7．程序序的调试试2.1.2程程序编编制的方方法1．手工工编程利用一般般的计算算工具，，通过各各种数学学方法，，人工进进行刀具具轨迹的的运算，，并进行行指令编编制。这这种方式式比较简简单，很很容易掌掌握，适适应性较较大。适适用于中中等复杂杂程度程程序、计计算量不不大的零零件编程程，对机机床操作作人员来来讲必须须掌握。。2．自动动编程（1）自自动编程程软件编编程利用通用用的微型型计算机机及专用用的自动动编程软软件，以以人机对对话方式式确定加加工对象象和加工工条件自自动进行行运算和和生成指指令。专用软件件多为在在开放式式操作系系统环境境下，在在微型计计算机上上开发的的，成本本低、通通用性强强。（2）CAD/CAM集成数数控编程程系统自自动编程程利用CAD/CAM系系统进行行零件的的设计、、分析及及加工编编程。该该种方法法适用于于制造业业中的CAD/CAM集成编编程数控控系统，，目前正正被广泛泛应用。。该方式式适应面面广、效效率高、、程序质质量好适适用于各各类柔性性制造系系统（FMS））和集成成制造系系统（CIMS），但但投资大大，掌握握起来需需要一定定时间。。2.2数数控控程序编编制中的的工艺分分析2.2.1数数控加加工工艺艺基本特特点数控加工工的程序序是数控控机床的的指令性性文件。。数控机机床受控控于程序序指令，，加工的的全过程程都是按按程序指指令自动动进行的的。因此此，数控控加工程程序与普普通机床床工艺规规程有较较大差别别，涉及及的内容容也较广广。数控机床床加工程程序不仅仅要包括括零件的的工艺过过程，而而且还要要包括切切削用量量，走刀刀路线，，刀具尺尺寸以及及机床的的运动过过程。因因此，要要求编程程人员对对数控机机床的性性能、特特点、运运动方式式、刀具具系统、、切削规规范以及及工件的的装夹方方法都要要非常熟熟悉。2.2.2数数控加加工工艺艺分析主主要内容容数控加工工工艺概概括起来来主要包包括如下下内容。。（1）选选择适合合在数控控机床上上加工的的零件，，确定工工序内容容。（2）分分析被加加工零件件的图纸纸，明确确加工内内容及技技术要求求。（3）确确定零件件的加工工方案，，制定数数控加工工工艺路路线。如如划分工工序、安安排加工工顺序以以及处理理与非数数控加工工工序的的衔接等等。（4）加加工工序序的设计计。如选选取零件件的定位位基准、、夹具方方案的确确定、划划分工步步、选取取刀辅具具和确定定切削用用量等。。（5）数数控加工工程序的的调整。。选取对对刀点和和换刀点点，确定定刀具补补偿，确确定加工工路线。。（6）分分配数控控加工中中的容差差。（7）处处理数控控机床上上的部分分工艺指指令。虽然数控控加工工工艺内容容较多，，但有些些内容与与普通机机床加工工工艺非非常相似似。2.2.3数数控加加工工艺艺分析的的一般步步骤与方方法2.2.3.1数数控加工工内容及及加工方方法的选选择1．选择择数控加加工内容容选择数控控加工内内容时，，应考虑虑以下问问题（1）优优先选择择普通机机床上无无法加工工的内容容，作为为数控加加工的内内容；（2）重重点选择择普通机机床难加加工、质质量也难难以保证证的内容容，作为为数控加加工的内内容；（3）普普通机床床加工效效率低、、工人操操作劳动动强度大大的内容容，可考考虑在数数控机床床上加工工。与上述内内容比较较，下列列一些内内容则不不宜选择择采用数数控机床床加工：：（1）需需要通过过较长时时间占机机调整的的内容，，如以毛毛坯的粗粗基准定定位来加加工第一一个精基基准的工工序等；；（2）必必须按专专用工装装协调的的孔及其其他加工工内容。。主要原原因是采采集编程程用的资资料有困困难，协协调效果果也不一一定理想想；（3）不不能在一一次装夹夹中加工工完成的的其他零零星部位位，采用用数控加加工很麻麻烦，效效果不明明显，可可安排在在普通机机床进行行补加工工。2．选择择数控加加工方法法（1）旋旋转体零零件的加加工这类零件件一般在在数控车车床上加加工。。（2）孔孔系零件件的加工工宜用点位位元直线线控制的的数控钻钻镗床或或数控加加工中心心加工。。（3）平平面和曲曲面轮廓廓零件的的加工加工曲面面轮廓的的零件，，多采用用三个或或三个以以上坐标标联动的的数控铣铣床或加加工中心心加工。。（4）模模具型腔腔的加工工此时可考考虑选用用数控电电火花机机床成形形加工。。（5）平平板形零零件的加加工该类零件件可考虑虑选择数数控线切切割机床床加工。。2.2.3.2加加工工序序的划分分工序划分分的原则则有两种种：工序序集中原原则和工工序分散散原则。。工序集中中的特点点是：（1）有有利于采采用高生生产率的的专用设设备和数数控机床床，可大大大提高高劳动生生产率；；（2）设设备数量量少，减减少了操操作工人人和操作作面积：：（3）工工序数目目少，工工艺路线线短，简简化了生生产计划划和生产产组织工工作；（4）工工件安装装次数少少，缩短短了辅助助时间，，容易保保证加工工表面的的相互位位置精度度；（5）数数控机床床、专用用设备和和工艺装装备投资资大，尤尤其是专专用设备备和工艺艺装备调调整和维维修比较较麻烦，，生产准准备工作作量大，，新产品品转换周周期长。。工序分散散的特点点是：（1）设设备与工工艺装备备比较简简单，调调整方便便，工人人容易掌掌握，生生产准备备工作量量少，容容易适应应产品的的更换；；（2）便便于采用用最合理理的切削削用量，，减少基基本时间间；（3）设设备数量量少，操操作人员员多，生生产面积积大。加工工序序划分时时，除应应考虑工工序集中中和工序序分散外外，还需需考虑如如下一些些原则。。（1）按按粗、精精加工划划分工序序（2）按按先面后后孔划分分工序（3）按按所用刀刀具划分分工序2.2.3.3工工件的装装夹方式式（1）尽尽可能选选用标准准夹具（（组合夹夹具），，在成批批生产时时才考虑虑专用夹夹具，并并力求夹夹具结构构简单。。（2）装装卸工件件要方便便可靠，，以缩短短辅助时时间和保保证安全全。（3）工工件定位位夹紧的的部位应应不妨碍碍各部位位的加工工、刀具具更换及及重要部部位的测测量。尤尤其要避避免刀具具与工件件、刀具具与夹具具产生碰碰撞的现现象。（4）夹夹具的安安装要准准确可靠靠，同时时应具备备足够的的强度和和刚度，，以减小小其变形形对加工工精度的的影响。。（5）应应尽可能能采用气气、液压压夹具。。2.2.3.4对对刀点和和换刀点点的确定定“对刀点点”是指指数控加加工时，，刀具相相对工件件运动的的起点，，这个起起点也是是编程时时程序的的起点。。因此，，“对刀刀点”也也称“程程序起点点”或““起刀点点”。在在编程时时应正确确选择对对刀点的的位置。。选择的的原则如如下：（1）选选定的对对刀点位位置应便便于数学学处理和和使程序序编制简简单；（2）在在机床上上容易找找正；（3）加加工过程程中便于于检查；；（4）引引起的加加工误差差小。对刀时，，应使刀刀位点与与对刀点点重合。。“刀位位点”一一般是指指车刀、、镗刀的的刀尖；；钻头的的钻尖；；立铣刀刀、面铣铣刀刀头头底面的的中心；；球头铣铣刀的球球头中心心。2.2.3.5进进给路线线的选择择1．数控控车床进进给路线线的选择择（1）最最短的切切削进给给路线（2）最最短的空空行程路路线（3）大大余量毛毛坯的阶阶梯切削削进给路路线2．数控控铣床进进给路线线的选择择（1）铣铣削外轮轮廓表面面的进给给路线（2）铣铣削内轮轮廓表面面的进给给路线3．顺铣铣和逆铣铣的选择择当工件表表面无硬硬皮，机机床进给给机构无无间隙时时，应选选用顺铣铣，按照照顺铣安安排进给给路线。。当工件表表面有硬硬皮，机机床的进进给机构构有间隙隙时，应应选用逆逆铣，按按照逆铣铣安排进进给路线线。因为为逆铣时时，刀齿齿是从已已加工表表面切入入，不会会崩刀；；机床进进给机构构的间隙隙不会引引起振动动和爬行行。2.2.3.6数数控加工工余量的的选择1．查表表法查表法是是根据各各工厂的的生产实实践和实实验研究究积累的的资料，，先制成成各种表表格，再再汇集成成手册。。2．经验验估算法法经验估算算法是根根据工艺艺编制人人员的实实际经验验确定加加工余量量。3．分析析计算法法分析计算算法是根根据一定定的试验验资料和和上述的的加工余余量计算算公式，，分析影影响加工工余量的的各项因因素，并并计算确确定加工工余量。。2.2.3.7数数控加工工刀具的的选择1．数控控刀具的的选择目前涂镀镀刀具，，立方氮氮化硼等等刀具已已广泛用用于加工工中心，，陶瓷刀刀具与金金刚石刀刀具也开开始在加加工中心心上运用用。2．数控控刀具的的使用特特点数控刀具应具具有较高的耐耐用度和刚度度，刀头材料料热脆性好，，有良好断屑屑性能，和可可调、易更换换等特点。（1）铣削加加工的刀具平面铣削应该该用不重磨硬硬质合金端铣铣刀或立铣刀刀。立铣刀和镶硬硬质合金刀片片的立铣刀主主要用于加工工凸轮，凹槽槽和箱口面。。为了提高槽宽宽的加工精度度减少铣刀的的种类，加工工时可采用直直径比槽宽小小的铣刀，先先铣槽的中间间部分，然后后用刀具半径径补偿功能来来铣槽的两边边，以达到提提高槽的加工工精度的目的的。（2）钻孔刀刀具的使用特特点在加工中心上上钻孔都是无无钻模直接钻钻孔，因此一一般钻孔深度度约为直径的的5倍左右，，细长孔子的的加工易于折折断，要注意意冷却和倒屑屑。（3）镗孔刀刀具的使用特特点在加工中心上上进行镗削加加工通常是采采用悬臂式的的加工，因此此要求镗刀有有足够的刚性性和较好的精精度。在镗孔过程中中一般采用移移动工作台或或立柱完成Z向进给（卧式式），保证悬悬伸不变，从从而获得进给给的刚性。（4）螺孔攻攻丝刀具的使使用特点（5）数控车车刀特点及选选用图2-20所所示为一现代代数控车刀，，它主要由刀刀体、刀片和和刀片紧固系系统3部分组组成。机夹式车刀按按刀片紧固方方法的差异可可分为杠杆式式、契块式、、螺钉式、上上压式。图2-21是上上压式紧固系系统结构图，，它由楔块式式夹具、销、、刀垫和螺丝丝钉组成。车刀刀片的材材料主要有高高速钢、硬质质合金、涂层层硬质合金、、陶瓷和金刚刚石等，其中中应用最多的的是硬质合金金和涂层硬质质合金刀片。。2.2.3.8切削削用量的选择择影响切削条件件的因素有：：（1）机床、、工具、刀具具及工件的刚刚性；（2）切削速速度、切削深深度、切削进进给率；（3）工件精精度及表面粗粗糙度；（4）刀具预预期寿命及最最大生产率；；（5）切削液液的种类、冷冷却方式；（6）工件材材料的硬度及及热处理状况况；（7）工件数数量；（8）机床的的寿命。上述诸因素中中以切削速度度、切削深度度、切削进给给率为主要因因素。决定切削速度度的因素很多多，概括起来来有如下几种种。（1）刀具材材质。（2）工件材材料。（3）刀具寿寿命。（4）切削深深度与进刀量量。（5）刀具的的形状。（6）冷却液液使用。（7）机床性性能。2.2.4数数控加工工工艺文件数控加工工艺艺文件是编程程员编制的与与程序单配套套的有关技术术文件，它是是操作者必须须遵守、执行行的规程。1．工艺规程程卡数控加工工艺艺规程卡是数数控加工工艺艺文件重要组组成部分之一一，它规定了了工序内容、、加工顺序、、加工面回转转中心的距离离（立式加工工中心无此项项）、刀具编编号（码）、、刀具类型和和规格、刀辅辅具（工具））型号和规格格、主轴转速速、进给量和和切削深度等等。2．刀具调整整卡刀具调整卡是是指导机外对对刀、预置、、调整或修改改刀具尺寸的的工艺性文件件。3．数控加工工程序单数控加工程序序单是数控机机床运动的指指令，也是技技术准备和生生产作业指令令性文件。该该文件记录了了数控加工的的工艺过程、、切削用量、、走刀路线、、刀具尺寸以以及机床运动动的全过程。。2.3数数控程序编制制中的数学处处理2.3.1数数学处理理的概念根据零件图样样，按照已确确定的加工路路线和允许的的编程误差，，计算编程时时所需要的资资料，称为数数控加工的数数值计算。数数值计算的内内容包括计算算零件轮廓的的基点和节点点的坐标以及及刀具中心运运动轨迹的坐坐标。所谓基点，是是指各几何元元素间的连接接点，如直线线与直线的交交点，直线与与圆弧的交点点或切点，圆圆弧与圆弧的的交点或切点点等。逼近直线小段段和圆弧小段段与轮廓曲线线的交点或切切点称为节点点。2.3.2常常见的数数学处理方法法2.3.2.1直线线和圆弧轮廓廓基点计算方方法1．联立方程程组法求解基基点坐标2．三角函数数法求解基点点坐标2.3.2.2非圆圆曲线的节点点计算1．直线逼近近零件轮廓曲曲线时的节点点计算（1）等间距距直线逼近的的节点计算（2）等步长长法直线逼近近的节点计算算（3）等误差差法（变步长长法）2．圆弧逼近近零件轮廓时时节点计算（1）圆弧分分割法（2）三点作作图法2.3.2.3列表表曲线的数学学处理方法1．牛顿插值值法2．双圆弧法法3．样条函数数法（1）三次样样条函数拟合合（2）圆弧样样条拟合2.3.2.4空间间曲面的加工工1．三坐标数数控加工2．五坐标数数控加工第3章数数控车床编程程3.1数数控车床编程程基础3.2FANUC系系统数控车床床程序的编制制3.1数数控车床编程程基础3.1.1数数控车床床概述1．数控车床床的分类数控车床品种种繁多，按数数控系统的功功能和机械构构成可分为简简易数控车床床（经济型数数控车床）、、多功能数控控车床和数控控车削中心。。（1）简易数数控车床（经经济型数控车车床）：是低低档次数控车车床，一般是是用单板机或或单片机进行行控制，机械械部分是在普普通车床的基基础上改进设设计的。（2）多功能能数控车床：：也称全功能能型数控车床床，由专门的的数控系统控控制，具备数数控车床的各各种结构特点点。（3）数控车车削中心：在在数控车床的的基础上增加加其他的附加加坐标轴。按结构和用途途数控车床主主要可分为数数控卧式车床床、数控立式式车床和数控控专用车床（（如数控凸轮轮车床、数控控曲轴车床、、数控丝杠车车床等）。2．数控车床床的基本构成成（1）数控系系统：数控车车床的数控系系统是由CNC装置、输输入输出设备备、可编程控控制器（PLC）、主轴轴驱动装置和和进给驱动装装置以及位置置测量系统等等几部分组成成。（2）主轴箱箱（3）主轴伺伺服电机（4）夹紧装装置（5）往复拖拖板（6）刀架（7）控制面面板3．数控车床床的加工特点点数控车床加工工具有如下特特点。（1）加工生生产效率高（2）减轻劳劳动强度、改改善劳动条件件（3）对零件件加工的适应应性强、灵活活性好（4）加工精精度高、质量量稳定（5）有利于于生产管理3.1.2数数控车床床坐标系统1．机床坐标标系数控车床的坐坐标系以径向向为x轴方向，纵向向为z轴方向。指向向主轴箱的方方向为z轴的负方向，，指向尾架方方向是z轴的正方向。。x轴是以操作者者面向的方向向为x轴正方向。x坐标和z坐标指令，在在按绝对坐标标编程时，使使用代码x和z；按增量坐标标（相对坐标标）编程时，，使用代码U和W。2．程序原点点程序原点是指指程序中的坐坐标原点，即即在数控加工工时，刀具相相对于工件运运动的起点，，所以也称为为“对刀点””。3．机械械原点（或称机机床原点点）以L-10MC数控车车铣中心心为例介介绍x和y轴机械原原点。（1）x轴机械原原点x轴的机械械原点被被设定在在刀盘中中心距离离主轴中中心500mm的位置置。（2）z轴机械原原点z轴的机械械原点可可以通过过改变挡挡块的安安装位置置来改变变。z轴机械原原点挡块块可以被被安装在在Ⓐ、ⒷⒷ、Ⓒ或或Ⓓ4个个不同的的位置上上。3.2FANUC系统数数控车床床程序的的编制3.2.1程程序结结构1．程序序段的构构成N＿G＿＿X(U)＿Z(W)＿F＿＿M＿S＿T＿＿；其中，N＿：程程序段顺顺序号；；G＿：准准备；X(U)＿：x轴移动指指令；Z(W)＿：z轴移动；；F＿：进进给功能能；M＿：辅辅助功能能；S＿：主主轴功能能；T＿：工工具功能能。2．程序序段的要要求程序段格格式如下下：N4G1X(U)±4.3Z(W)±4.3F3.4M8S4T2其中，N4：代代表第4个程序序段，用用4位数数（1～～9999）表表示，不不允许为为“0””；X(U)±±4.3：坐标标可以用用正负小小数表示示，小数数点以前前4位数数，小数数点以后后3位数数；F3.4：进给给速度可可以用小小数表示示，小数数点以前前3位数数，小数数点以后后4位数数；几种等效效的表示示方法：：N0012G00M08X0012.340X5000X5.0↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓N12G0M8X12.34X5.X5.3.2.2准准备功功能指令令准备功能能也称为为G功能能（或称称G代码码），它它是用来来指令机机床动作作方式的的功能。。准备功功能是用用地址G及其后后面的数数字来指指令机床床动作的的。如用用G00来指令令运动坐坐标快速速定位。。表3-2为FANUC-0TD系系统的准准备功能能G代码码表。注：（1）☆号号表示电电源接通通时的G代码状状态；（2）00组的的G代码码为一次次性G代代码；（3）一一旦指定定了G代代码，一一览表中中没有的的G代码码显示报报警信号号；（4）无无论有几几个不同同组的G代码，，都能在在同一程程序段内内指令，，如果同同组的G代码在在同一程程序段内内指令了了2个以以上时，，后指令令者有效效；（5）可可按组号号显示G代码。。3.2.2.1插插补功能能1．定位位G00定位指令令命令刀刀具以点点位控制制方式从从刀具所所在点快快速移动动到目标标位置，，无运动动轨迹要要求，不不需特别别规定进进给速度度。输入格式式：G00X(U)Z(W)；（1）““X(U)Z(W)”目标点点的坐标标（下文文同）；；（2）X(U)坐标按按直径值值输入；；（3）““；”表表示一个个程序段段的结束束。2．直线线插补指指令（G01））直线插补补指令用用于直线线或斜线线运动。。可使数数控车床床沿x轴、z轴方向执执行单轴轴运动，，也可以以沿x、z平面内任任意斜率率的直线线运动。。输入格式式：G01X(U)Z(W)F；3．圆弧弧插补指指令（G02G03）输入格式式：G02XZIKF；或G02XZRF；G03XZIKF；或G03XZRF；（1）用用增量坐坐标U、、W也可可以；（2）C轴不能执执行圆弧弧插补指指令。3.2.2.2螺螺纹切削削指令（（G32）G32指指令能够够切削圆圆柱螺纹纹、圆锥锥螺纹、、端面螺螺纹（涡涡形螺纹纹）输入格格式：：G32X(U)Z(W)F；“F”为螺螺纹的的螺距距。3.2.2.3工工件件坐标标系设设定指指令（（G50））工件坐坐标系系设定定指令令以程程序原原点为为工件件坐标标系的的中心心（原原点）），指指定刀刀具出出发点点的坐坐标值值（如如图3-19所所示））。图3-19G50设设定工工作坐坐标系系输入格格式：：G50XZ，其中中XZ为刀具具出发发点的的坐标标（如如图3-19所所示））。3.2.2.4自自动动回原原点指指令（（G28））自动回回原点点指令令使刀刀具自自动返返回机机械原原点或或经某某一中中间点点回机机械原原点（（如图图3-20和图图3-21所示示）。。输入格格式：：G28X(U)Z(W)T00；（1））X(U)和Z(W)为中间间点的的坐标标。（2））T00（（刀具具复位位）指指令必必须写写在G28指令令的同同一程程序段段或该该程序序段之之前。。3.2.3主主轴轴及辅辅助功功能指指令1．主主轴功功能指指令（（S指指令））和主主轴转转速控控制指指令（（G96、、G97、、G50））主轴功功能指指令（（S指指令））是设设定主主轴转转速的的指令令。（1））主轴轴最高高转速速的设设定（（G50））。（G50））S；中S为主轴轴最高高转速速。（2））直接接设定定主轴轴转速速指令令（G97），，主轴轴速度度用转转速设设定，，单位位为r/min。（G97））S（M38或或M39））；（G97））：取消消主轴轴线速速度，，恒定定功能能。S（M38或或M39））：设设定主主轴转转速（（r/min）），指指令范范围为为0～～9999。（3））设定定主轴轴线速速度恒恒定指指令（（G96）），主主轴速速度用用线速速度（（m/min））值输输入，，并且且主轴轴线速速度恒恒定。。（G96））S（M38或或M39））；（G96））：主轴轴转速速恒定定。S（M38或或M39））：设设定主主轴线线速度度，即即切削削速度度（m/min）。。（1））G96（（控制制线速速度恒恒定指指令））：当当工件件直径径变化化时主主轴每每分钟钟转数数也随随之变变化，，这样样就可可保证证切削削速度度不变变，从从而提提高了了切削削质量量。（2））主轴轴转速速连续续变化化，M38设定定主轴轴在低低速范范围变变化（（粗加加工）），M39设定定主轴轴在高高速范范围变变化（（精加加工））。2．辅辅助功功能指指令（（M指指令））M指令令设定定各种种辅助助动作作及其其状态态，表表3-4是是数控控车床床及车车铣中中心的的M指指令说说明。。下面介介绍几几个特特殊M代码码的使使用方方法。。M03：主主轴或或旋转转刀具具顺时时针旋旋转（（CW）；；M04：主主轴或或旋转转刀具具逆时时针旋旋转（（CCW））；M05：主主轴或或旋转转刀具具停止止旋转转；3.2.4进进给给功能能指令令1．每每转进进给量量指令令（G99）、、每分分钟进进给量量指令令（G98）指定进进给功功能的的指令令方法法有如如下两两种。。（1））每转转进给给量（（G99））（如如图3-23所所示））。输入格格式：：G99（F）；F：主轴轴每转转进给给量（（进给给速度度mm/r）。。（2））每分分钟进进给量量（G98）。。输入格格式：：G98(F)；F：每分分钟进进给量量（进给给速度度mm/min）。。2．暂暂停指指令（（G04））(G99)G04U(P)；指令令暂停停进刀刀的主主轴回回转数数。(G98)G04U(P)；指令令暂停停进刀刀的时时间。。3．进进给功功能指指令（（F指指令））进给功功能指指令指指定刀刀具的的进给给速度度，有有3种种形式式。（1））每转转进给给量（（mm/r），，如图图3-26所示示。(G99)F；F:主轴轴每转转刀具具进给给量小小数点点输入入指令令范围围为0.0001～～500.0000(mm/r)。（2））每分分钟进进给量量（mm/min）），如如图3-27所所示。。(G98)F；其其中中F为每分分钟刀刀具进进给量量，指指令范范围为为1～～15000(mm/min)。。（3））螺纹纹切削削进给给速度度（mm/r）），如如图3-28所所示。。F指定螺螺纹的的螺距距，指指令范范围为为0.0001～500.0000(mm/r)。。①每每转进进给量量切螺螺纹时时，快快速进进给速速度没没有指指定界界限；；②接接入电电源时时，系系统默默认G99模式式（每每转进进给量量）。。3.2.5刀刀具具功能能指令令1．T功能能T功能能也称称为刀刀具功功能，，表示示选择择刀具具和刀刀补号号。输入格格式：：T□□□□□□2．刀具具半径补补偿功能能（G40、G41、、G42）（1）刀刀尖半径径和假想想刀尖的的概念①刀尖尖半径②假想想刀尖（2）刀刀尖半径径补偿模模式的设设定（G40、、G41、G42指令令）①G40（解解除刀具具半径补补偿）②G41（左左偏刀具具半径补补偿）③G42（右右偏刀具具半径补补偿）（3）刀刀尖半径径补偿注注意事项项①G41、G42指指令不能能与圆弧弧切削指指令写在在同一个个程序段段，可以以与G00和G01指指令写在在同一个个程序段段内，在在这个程程序段的的下一程程序段始始点位置置，与程程序中刀刀具路径径垂直的的方向线线过刀尖尖圆心。。②必须须用G40指令令取消刀刀尖半径径补偿，，在指定定G40程序段段的前一一个程序序段的终终点位置置，与程程序中刀刀具路径径垂直的的方向线线过刀尖尖圆心。。③在使使用G41或G42指指令模式式中，不不允许有有两个连连续的非非移动指指令，否否则刀具具在前面面程序段段终点的的垂直位位置停止止，且产产生过切切或少切切现象。。④切断断端面时时，为了了防止在在回转中中心部位位留下少少切削的的小锥。。⑤加工工终端接接近卡爪爪或工件件的端面面时，指指令G40为了了防止卡卡爪或工工件的端端面被切切。⑥想在在工件阶阶梯端面面指定G40时时，必须须使刀具具沿阶梯梯端面移移动到F点，再指指定G40，且且XA＞R；⑦在G74～～G76、G90～G92固固定循环环指令中中不用刀刀尖半径径补偿。。⑧在手手动输入入中不用用刀尖半半径补偿偿。⑨在加加工比刀刀尖半径径小的圆圆弧内侧侧时，产产生报警警。⑩在阶阶梯锥面面连接处处退刀时时指定G40，，在指定定G40的程序序段里使使用反映映斜面方方向的I、K地地址来防防止工件件被过切切。3.2.6固固定循循环切削削功能指指令3.2.6.1单单一形状状的固定定循环1．外圆圆车削循循环G90G90是是单一形形状固定定循环指指令，该该循环主主要用于于轴类零零件的外外圆、锥锥面的加加工。指令格式式：G90X(U)Z(W)F；利用G90可以以切削锥锥面。指令格式式：G90X(U)Z(W)IF；2．螺纹纹切削循循环G92螺纹切削削循坏G92可可以切削削锥螺纹纹和圆柱柱螺纹。。指令格式式为：G92X(U)Z(W)IF；3．端面面切削循循环G94G94是是用于一一些短、、面大的的工件加加工的固固定循环环指令。。（1）车车大端面面循环切切削指令令格式：：G94X(U)Z(W)F；（2）车车大锥面面切削循循环指令令格式：：G94X(U)Z(W)KF；3.2.6.2多多重固定定循环1．圆粗粗车循环环G71G71指指令将工工件切削削至精加加工之前前的尺寸寸，精加加工前的的形状及及粗加工工的刀具具路径由由系统根根据精加加工尺寸寸自动设设定。输入格式式：G71PnsQnfUuWwDd(FST)；其中：ns—精精加工程程序第一一个程序序段的序序号；nf—精精加工程程序最后后一个程程序段的的序号；；U—x轴方向精精加工留留量（直直径值））；W—z轴方向精精加工留留量；d—精加工工每次切切深。2．端面面粗车循循环G72G72指指令与G71指指令类似似，不同同之处就就是刀具具路径是是按径向向方向循循环的，，输入格格式同G71指指令，刀刀具循环环路径如如图3-44所所示。G72PnsQnfUuWwDd(FST)；其中：d——粗加加工每次次切深（（半径值值）。其其他参数数与G71相同同。3．固定定形状粗粗车循环环G73G73指指令与G71、、G72指令功功能相同同，只是是刀具路路径是按按工件精精加工轮轮廓进行行循环的的，如图图3-45所示示。输入格式式：G73PnsQnfIIKKUUWWDd(FST)；其中：I——x轴方向的的退出距距离（半半径值））和方向向；k—z轴方向的的退出距距离和方方向；d—粗切次次数。其其他参数数与G71相同同。4．精车车循环G70输入格式式：G70PnsQnf；参数与G71相相同。第4章数数控控铣床及及加工中中心编程程4.1数数控控铣床及及加工中中心编程程基础4.2FANUC系统加加工中心心编程原原理4.3加加工工中心程程序编制制实例4.4宏宏程程序序编编制制4.1数数控控铣铣床床及及加加工工中中心心编编程程基基础础4.1.1数数控控铣铣床床及及加加工工中中心心概概述述数控控铣铣床床是是一一种种用用途途广广泛泛的的机机床床，，有有立立式式、、卧卧式式及及龙龙门门铣铣3种种。。加加工工中中心心（（MachiningCenter））是是一一种种集集成成化化的的数数控控加加工工机机床床，，是是在在数数控控铣铣床床的的发发展展基基础础上上衍衍化化而而成成的的，，它它集集铣铣削削、、钻钻削削、、铰铰削削、、镗镗削削及及螺螺纹纹切切削削等等工工艺艺于于一一体体，，通通常常称称镗镗铣铣类类加加工工中中心心，，习习惯惯称称加加工工中中心心。。1．．加加工工中中心心的的工工艺艺特特点点（1））加加工工精精度度高高（2））表表面面质质量量好好（3））加加工工生生产产率率高高（4））工工艺艺适适应应性性强强（5））劳劳动动强强度度低低、、劳劳动动条条件件好好（6））良良好好的的经经济济效效益益（7））有有利利于于生生产产管管理理的的现现代代化化2．．加加工工中中心心的的分分类类（1））按按照照机机床床形形态态及及主主轴轴布布局局形形式式分分类类①立立式式加加工工中中心心②卧卧式式加加工工中中心心③龙龙门门式式加加工工中中心心④复复合合加加工工中中心心（2））按按加加工工中中心心的的换换刀刀形形式式分分类类①带带刀刀库库、、机机械械手手的的加加工工中中心心②无无机机械械手手的的加加工工中中心心③一一般般在在小小型型加加工工中中心心上上采采用用转转塔塔刀刀库库形形式式，，主主要要以以孔孔加加工工为为主主。。3．．加加工工中中心心主主要要结结构构部部件件及及其其功功能能加工工中中心心类类型型繁繁多多，，结结构构各各异异，，但但总总体体来来看看主主要要由由基基础础部部件件、、主主轴轴部部件件、、数数控控系系统统、、自自动动换换刀刀装装置置和和辅辅助助装装置置等等几几部部分分组组成成。。4.1.2数数控控铣铣床床及及加加工工中中心心坐坐标标系系统统1．．加加工工中中心心运运动动部部件件运运动动方方向向的的规规定定（1））z轴坐坐标标运运动动规定定与与主主轴轴线线平平行行的的坐坐标标轴轴为为z坐标标（（z轴）），，并并取取刀刀具具远远离离工工件件的的方方向向为为正正方方向向。。当机机床床有有几几根根主主轴轴时时，，则则选选取取一一个个垂垂直直于于工工件件装装夹夹表表面面的的主主轴轴为为z轴（（如如龙龙门门铣铣床床））。。（2））x轴坐坐标标运运动动x轴规规定定为为水水平平平平行行于于工工件件装装夹夹表表面面。。（3））y轴坐坐标标运运动动y坐标标轴轴垂垂直直于于x、z坐标标轴轴。。当当x轴、、z轴确确定定之之后后，，按按笛笛卡卡儿儿直直角角坐坐标标系系右右手手定定则则法法判判断断，，y轴方方向向就就惟惟一一地地被被确确定定了了。。（4））旋旋转转运运动动A、B和C旋转转运运动动用用A、B和C表示示，，规规定定其其分分别别为为绕绕x、y和z轴旋转的运运动。A、B和C的正方向，，相应地表表示在x、y和z坐标轴的正正方向上，，按右手螺螺旋前进方方向。2．加工中中心机械原原点及工作作坐标系（1）加工工中心机械械原点机床坐标系系的原点也也称机械原原点、参考考点或零点点。而机床坐标标系的原点点是三维面面的交点，，无法直接接感觉和测测量，只有有通过各坐坐标轴的零零点，做相相应的平行行切面，这这些切面的的交点，即即为机床坐坐标系的原原点（机械械原点），，这个原点点是机床一一经设计和和制造出来来，就已经经确定下来来的。（2）加工工中心工作作坐标系编程时一般般选择工件件上的某一一点作为程程序原点，，并以这个个原点作为为坐标系的的原点，建建立一个新新的坐标系系，这个新新的坐标系系就是工作作坐标系（（编程坐标标系）。（3）绝对对坐标与增增量坐标4.2FANUC系统加加工中心编编程原理4.2.1程序序结构1．程序号号程序号作为为程序的标标记需要预预先设定，，一个程序序号必须在在字母“O”后面紧紧接最多8个阿拉伯伯数字。2．程序段段号程序段号是是每个程序序功能段的的参考代码码，一个程程序段号必必须在字母母“N”后后紧接最多多5个阿拉拉伯数字。。3．程序段段一个程序段段能完成某某一个功能能，程序段段中含有执执行一个工工序所需的的全部数据据，程序段段由若干个个字及段结结束符“LF”组成成。/N10G03X10.0Y30.0CR=25.0F100；；（注释释）LF其中：“/”表表示程序序段在执行行过程中可可以被跳过过；“N10””表表示程序序段号，主主程序段中中可以有字字符；“”表表示示中间间隔隔（可以省省略）；“G03””表表示程序序段具体指指令；“（注释））” 表示示对程序段段进行必要要的说明；；“LF”表表示程序序段结束。。4．坐标字字用于在轴方方向移动和和设置坐标标系的命令令称为坐标标字，坐标标字包括轴轴的地址符符及代表移移动量的数数值，其基基本构成见见表4-1。4.2.2准备备功能指令令——G代代码1．尺寸数数据输入方方式G90/G912．英制/公制选择择G20/G21G20设定定为英制尺尺寸、G21设定为为公制尺寸寸，这两个个指令均为为模态指令令。3．快速点点定位G00指令格式：：G00X（U）Z(W)；4．直线插插补G01指令格式：：G01X（（U）Z(W)F；5．平面选选择G17～G19在计算刀具具长度补偿偿和刀具半半径补偿时时必须首先先确定一个个平面，即即确定一个个两坐标轴轴的坐标平平面，在此此平面中可可以进行刀刀具半径补补偿，G17到G19各自的的含义见表表4-3。。6．圆弧插插补G02/G03圆弧插补指指令G02/G03是圆弧运运动指令。。它是用来来指令刀具具在给定平平面内以F进给的速度度，作圆弧弧插补运动动的指令。。G02/G03是是一种模态态指令。（1）指令令格式G02IJF；（G17））XYG03RF；在指令格式式中，I、、J为圆弧弧中心地址址，R为圆圆弧半径，，其他内容容及字符的的含义见表表4-4。。（2）顺、、逆时针圆圆弧插补的的判断在使用G02或G03指令之之前需要判判别刀具在