《数控编程与操作》课件第2章

第2章数控编程基础2.1数控机床的坐标系

2.2数控编程的步骤及种类

2.3数控编程指令2.4数控加工程序的结构2.5手工编程中的数值计算

思考与训练

2.1数控机床的坐标系

2.1.1数控机床坐标系的确定

数控机床的标准坐标系及其运动方向，在国际标准中有统一规定。

1．规定原则

标准的机床坐标系是一个右手笛卡尔坐标系，用右手螺旋法则判定，如图2-1所示。右手的拇指、食指、中指互相垂直，并分别代表 +X、+Y、+Z轴。围绕 +X、+Y、+Z轴的回转运动分别用 +A、+B、+C表示，其正向用右手螺旋法则确定。与 +X、+Y、+Z、+A、+B、+C相反的方向用带“′”的 +X′、+Y′、+Z′、+A′、+B′、+C′表示。

图2-1右手笛卡尔坐标系1)右手笛卡尔坐标系

2)刀具运动坐标与工件运动坐标

数控机床的坐标系是机床运动部件进给运动的坐标系。由于进给运动可以是刀具相对工件的运动(如数控车床)，也可以是工件相对刀具的运动(如数控铣床)，因而统一规定为：用字母不带“′”的坐标表示刀具相对“静止”工件而运动的刀具运动坐标；用字母带“′”的坐标表示工件相对“静止”刀具而运动的工件运动坐标。

3)运动的方向

国标规定使刀具与工件距离增大的方向为运动的正方向；反之，则为负方向。

2．坐标轴确定的方法及步骤

1) Z轴的确定

一般取产生切削力的主轴轴线为Z轴，刀具远离工件的方向为正向，如图2-2、图2-3和图2-4所示。当机床有几个主轴时，选一个与工件装夹面垂直的主轴为Z轴；当机床无主轴时，选与工件装夹面垂直的方向为Z轴方向。图2-2数控车床的坐标系图2-3立式数控铣床的坐标系图2-4卧式数控铣床的坐标系

2) X轴的确定

X轴一般位于与工件装夹面平行的水平面内。对于工件作回转切削运动的机床(如车床、磨床等)，在水平面内取垂直工件回转轴线(Z轴)的方向为X轴方向，刀具远离工件的方向为正向，如图2-2所示。

对于刀具作回转切削运动的机床(如铣床、镗床等)，当Z轴垂直时，人面对主轴，向右为正X轴方向，如图2-3所示；当Z轴水平时，则向左为正X轴方向，如图2-4所示。

对于无主轴的机床(如刨床)，以切削方向为正X轴方向。

3) Y轴的确定

根据已确定的X、Z轴，按右手笛卡尔坐标系确定Y轴。

4) A、B、C轴的确定

此三轴为回转进给运动坐标，根据已确定的X、Y、Z轴，用右手螺旋法则可确定。2.1.2机床坐标系与编程坐标系

1．机床坐标系

机床坐标系又称机械坐标系，其坐标和运动方向视机床的种类和结构而定。

机床坐标系的原点也称机床原点或机械原点，如图2-5、图2-6(a)所示的O点，从机床设计的角度来看，该点位置可任选，但从使用某一具体机床来看，这点却是机床上一个固定的点。图2-5数控车床的机床坐标系与机床原点不同但又很容易混淆的另一个概念是机床零点，它是机床坐标系中一个固定不变的极限点，即运动部件回到正向极限的位置。在加工前及加工结束后，可用控制面板上的“回零”按钮使部件(如刀架)退到该点。例如：对数控车床而言，机床零点是指车刀退离主轴端面和中心线最远而且是某一固定的点，如图2-5所示的O′点。O′点在机床出厂时就已经调好并记录在机床使用说明书中，一般情况下，不允许随意变动。

数控铣床的坐标系(XYZ)原点O和机床零点O′是重合的，如图2-6(a)所示。图2-6立式数控铣床坐标系和机床原点、工件原点

2．编程坐标系

编程坐标系又称工件坐标系，是编程时用来定义工件形状和刀具相对工件运动的坐标系。为保证编程与机床加工的一致性，工件坐标系也应是右手笛卡尔坐标系。工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。

编程坐标系的原点，也称编程原点或工件原点，其位置由编程者确定，如图2-6(b)所示的O2点。工件原点的设置一般应遵循下列原则：

(1)工件原点与设计基准或装配基准重合，以利于编程。

(2)工件原点尽量选在尺寸精度高、表面粗糙度值小的工件表面上。

(3)工件原点最好选在工件的对称中心上。

(4)工作原点的设置位置要便于测量和检验。

2.2数控编程的步骤及种类

所谓编程，即把零件的全部加工工艺过程及其他辅助动作，按动作顺序用数控机床上规定的指令、格式编成加工程序。

1．数控加工程序编制的步骤

(1)确定工艺过程。

在数控机床上加工零件，操作者拿到的原始资料是零件图。根据零件图，可以对零件的形状、尺寸、精度、表面粗糙度、材料、毛坯种类、热处理状况等进行分析，从而选择机床、刀具，确定定位夹紧装置、加工方法、加工顺序及切削用量的大小。在确定工艺过程中，应充分考虑数控机床的所有功能，做到加工路线短、走刀次数少、换刀次数少等。

(2)计算刀具轨迹的坐标值。

根据零件的形状、尺寸、进给路线，计算出零件轮廓线上各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标。若数控系统没有刀补功能，则应计算刀具中心轨迹。当用直线、圆弧来逼近非圆曲线时，应计算曲线上各节点的坐标值。若某尺寸带有上下偏差，编程时应取尺寸的平均值。

(3)编写加工程序。

根据工艺过程的先后顺序，按照指定数控系统的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序。编程员应对数控机床的性能、程序代码非常熟悉，这样才能编写出正确的零件加工程序。

(4)将程序输入数控机床。

目前常用的输入程序的方法是通过键盘直接将程序输入数控机床。

(5)程序检验。

对有图形模拟功能的数控机床，可进行图形模拟加工，对无此功能的数控机床可进行空运转检验，以此检查出刀具运动轨迹的正确性。但图形模拟加工检验不出对刀误差和因某些计算误差引起的加工误差，因此还要进行首件试切。试切后若发现工件不符合要求，可修改程序或进行刀具尺寸补偿。

2．数控编程的方法

常见的数控编程方法有手工编程和计算机自动编程。

1)手工编程

手工编程是指在编程的过程中，全部或主要由人工进行，如图2-7所示。对于加工形状简单、计算量小、程序不多的零件，采用手工编程较简单、经济且效率高。图2-7手工编程

2)计算机自动编程

计算机自动编程是指在编程过程中，除了分析零件图样和制定工艺方案由人工进行外，其余工作均由计算机辅助完成。

采用计算机自动编程时，数学处理、编写程序、检验程序等工作是由计算机自动完成的。由于计算机可自动绘制出刀具中心运动轨迹，因此编程人员能及时检查程序是否正确，需要时可及时修改，以获得正确的程序。又由于计算机自动编程代替程序编制人员完成了繁琐的数值计算，可提高编程效率几十倍乃至上百倍，因此解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。根据输入方式的不同，可将自动编程分为图形数控自动编程、语言数控自动编程和语音数控自动编程等。图形数控自动编程是指将零件的图形信息直接输入计算机，通过自动编程软件的处理，得到数控加工程序。语言数控自动编程是指将加工零件的几何尺寸、工艺要求、切削参数及辅助信息等用数控语言编写成源程序后，输入到计算机中，再由计算机进一步处理得到零件加工程序。语音数控自动编程是指采用语音识别器，将编程人员发出的加工指令声音转变为加工程序。目前，图形数控自动编程是使用最为广泛的自动编程方式。

2.3数控编程指令

在数控加工程序中，主要有准备功能G指令和辅助功能M指令。G指令是用来规定刀具和工件的相对运动轨迹(即插补功能)、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作的指令。M指令是控制数控机床“开、关”功能的指令，主要用于完成加工操作时的辅助动作。数控系统不同时，编程指令的功能也有所不同，编程时需参考机床制造厂的编程说明书。

现在国际上广泛采用ISO1056—1975E标准的G、M指令，我国机械工业部制订的标准JB/T3208—1999与国际标准等效。表2-1、表2-2分别是JB/T3208—1999定义的G、M指令功能表。表2-1JB/T3208—1999的G指令功能表表2-2JB/T3208—1999的M指令功能表2.3.1模态与非模态指令

G、M指令有模态与非模态之分，表2-1中模态栏标有字母的指令及表2-2模态栏标有“*”的指令均为模态指令。模态G指令按功能分为若干组，标有相同字母的为同组。

模态指令又称续效指令，一经程序段中指定，便一直有效，直到以后程序段中出现同组另一指令或被其他指令取消时才失效。编写程序时，与上段相同的模态指令可省略不写。不同组模态指令编在同一程序段内，不影响其续效。例如：

N0010G91G01X20Y20Z－5F150；

N0020X35；

N0030G90G00X0Y0Z100M02；上例中，第一段出现两个模态指令，即G91、G01，因它们不同组而均续效，其中G91功能延续到第三段出现G90时失效；G01功能在第二段中继续有效，至第三段出现G00时才失效。

表2-1和表2-2模态栏标有“-”的指令为非模态指令，又称非续效指令，其功能仅在出现的程序段中有效，如表2-1中的G04，表2-2中的M00、M01、M02等指令。2.3.2常用M指令介绍

常用M指令的功能及其应用如下：

(1)程序停止。

指令：M00

功能：执行完包含M00的程序段后，机床停止自动运行，此时所有存在的模态信息保持不变，按下机床操作面板的循环启动按钮使自动运行重新开始。

(2)程序计划停止。

指令：M01

功能：与M00类似，执行完包含M01的程序段后，机床停止自动运行，只有当机床操作面板上的任选停机的开关置1时，这个代码才有效。

(3)主轴正转、反转、停止。

指令：M03、M04、M05

功能：M03、M04指令可使主轴正、反转，与同段程序其他指令一起开始执行。M05指令可使主轴在该程序段其他指令执行完成后停转。

格式：

M03S

M04S

M05

(4)换刀。

指令：M06

功能：自动换刀，用于具有自动换刀装置的机床，如加工中心、数控车床等。

格式：

M06T

说明：当数控系统不同时，换刀的编程格式有所不同，具体编程时应参考操作说明书。

(5)程序结束。

指令：M02或M30

功能：M02或M30均表示主程序结束，M30还可使控制返回到程序的开头，故程序结束使用M30比M02要方便些。

说明：该指令必须编在最后一个程序段中。

一般情况下，在一个程序段中仅能指定一个M代码。 2.4数控加工程序的结构

2.4.1数控加工程序的组成

在数控机床上加工零件，首先要编制程序，然后用该程序控制机床的运动，数控指令的集合称为程序。在程序中根据机床的实际运动顺序书写这些指令。

一个完整的数控加工程序由程序开始部分、若干个程序段、程序结束部分组成，在程序开头指定程序号，在程序的结尾指定程序结束代码。一个程序段由程序段号和若干个“字”组成，一个“字”由地址符和数字组成。下面是一个完整的数控加工程序，该程序由程序号开始，以M02结束。

1)程序号

为了区分每个程序，对程序要进行编号，程序号由程序号地址和程序的编号组成，如O1122，其中字母O表示程序号地址，1122表示程序的编号，即1122号程序。

不同的数控系统，程序号地址也有所差别。如SMK8M系统用％作为程序号的地址码，而FANUC系统用O作为程序号的地址码。编程时一定要参考说明书，否则程序无法执行。

2)程序段的格式和组成

程序段的格式可分为地址格式、分隔地址格式、固定程序段格式和可变程序段格式等。其中以可变程序段格式应用最为广泛，所谓可变程序段格式，就是程序段的长短是可变的。

例如：

N10G01X40.0Z-25.4F200；

其中，Ｎ是程序段地址符，N10表示程序段号；G是指令动作方式的准备功能地址，G01为直线插补；X、Z是坐标轴地址；F是进给速度指令地址，其后的数字表示进给速度的大小，F200表示进给速度为200mm/min。

3)“字”

一个“字”的组成如下所示：

程序段号加上若干个程序“字”就可组成一个程序段。在程序段中表示地址的英文字母可分为尺寸地址和非尺寸地址两种。表示尺寸地址的英文字母有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、I、J、K、A、B、C、D、E、R、H共18个字母；表示非尺寸地址的英文字母有N、G、F、S、T、M、L、O等８个字母。2.4.2数控加工程序的分类

数控加工程序可分为主程序和子程序，子程序的结构同主程序的结构一样。在通常情况下，数控机床是按主程序的指令进行工作的，但是，当主程序中遇到调用子程序的指令时，控制转到子程序执行。当子程序遇到返回主程序的指令时，控制返回到主程序继续执行。在编制程序时，若相同模式的加工在程序中多次出现，可将这个模式编成一个子程序，使用时只需通过调用子程序指令进行调用，这样就简化了程序的设计。

2.5手工编程中的数值计算

手工编程的数值计算是指根据被加工零件图样，按照已经确定的加工工艺路线和允许的编程误差，直接通过数学方法(如三角函数法、几何与解析几何法等)计算出编程所需要的数据。

零件的轮廓是由许多不同的几何要素所组成的，如直线、圆弧、二次曲线等，各几何要素之间的连接点称为基点。基点坐标是编程中必需的重要数据。

例：如图2-8所示，A、B、C、D、E为基点。A、B、D、E的坐标值从图中很容易找出，C点是直线与圆弧的切点，要联立方程求解。图2-8零件图样对于复杂的零件，基点的计算一般比较麻烦，其计算工作量相当大，为提高编程效率，可应用CAD软件的查询点功能得出基点的坐标。

如果工件轮廓是非圆曲线，数控系统就无法直接实现插补，而需要通过一定的数学处理。数学处理的方法是，用直线段或圆弧段去逼近非圆曲线，逼近线段与被加工曲线的交点称为节点。

如图2-9所示，用直线逼近曲线时，其交点A、B、C、D、E、F等即为节点。编程时，首先要计算出节点的坐标，节点的计算一般都比较复杂，靠手工计算已很难胜任，必须借助CAD软件处理。求得各节点后，就可按相邻两节点间的直线来编写加工程序。

加工非圆曲线时，节点的数目决定了程序段的数目。如图2-9中有6个节点，即用五段直线逼近了曲线，因而就有五个直线插补程序段。节点数目越多，由直线逼近曲线产生的误差就越小，程序的长度则越长。可见，节点数目的多少，决定了加工的精度和程序的长度。因此，正确确定节点数目是个关键问题，对于复杂的零件，可采用CAD/CAM软件辅助编程。图2-9零件轮廓的节点

思 考 与 训 练

一、选择题(请将正确答案的序号填写在括号内)

1．数控机床的旋转轴之一B轴是绕()旋转的轴。

(A) X轴 (B) Y轴 (C) Z轴 (D) W轴

2．数控机床坐标轴确定的步骤为()。

(A) X→Y→Z (B) X→Z→Y

(C) Z→X→Y (D) Y→X→Z

3．根据ISO标准，数控机床在编程时采用()规则。

(A)刀具相对静止，工件运动 (B)工件相对静止，刀具运动

(C)按实际运动情况确定 (D)按坐标系确定

4．为确定工件在机床中的位置，要确定()。

(A)机床坐标系 (B)工件坐标系

(C)局部坐标系 (D)笛卡尔坐标系

5．确定机床X、Y、Z坐标时，规定平行于机床主轴的刀具运动坐标为()，取刀具远离工件的方向为()方向。

(A) X轴正 (B) Y轴正

(C) Z轴正 (D) Z轴负

6．只在本程序段有效，下一程序段需要时必须重写的代码称为()。

(A)模态代码 (B)续效代码

(C)非模态代码 (D)准备功能代码7．下列指令属于准备功能字的是()。

(A) G01 (B) M08 (C) T01 (D) S500

8．辅助功能M01的作用是()。

(A)有条件停止 (B)无条件停止

(C)程序结束 (D)程序段

9．主轴反转的命令是()。

(A) M03 (B) M04 (C) M05 (D) M06

10．程序结束并复位的指令是()。

(A) M02 (B) M30 (C) M17 (D) M0011．辅助功能M00的作用是()。

(A)条件停止