掌握数控车床编程的基础知识

任务引入

问题：工件坐标系有什么作用？

必备知识

一、编程的概述

1.数控加工程序的编制过程

数控加工程序的编制过程是指从零件图样到制成控制介质的全过程，是将零件的加工信息，包括加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数（F、S、T）及辅助动作（变速、换刀、切削液的启停、工件的夹紧松开等）等，用规定的文字、数字、符号所组成的代码按一定的格式编写加工程序单，并将程序单的信息变成控制介质的整个过程。

2.常用的程序编制方法

常用的程序编制方法有手动编程和自动编程两种。

（1）手动编程　手动编程是指整个编程过程由人工完成。该编制方法对编程人员的要求高，不仅要求编程人员熟悉数控代码和编程规则，而且还要求编程人员必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力。手动编程适用于具有以下特点的零件。

1）形状不复杂。

2）编程工作量小。

3）加工程序段不多。

4）出错概率小。

5）不需具备特别条件（相应的硬件、软件）。

（2）自动编程　自动编程过程中，编程人员只要根据零件图样的要求，按照某个自动编程系统的规定，将零件的加工信息用较简便的方式送入计算机，由计算机自动进行程序的编制，编程系统能自动打印出程序单和制备控制介质。自动编程适用于具有以下特点的零件。

1）形状复杂，如非圆曲线、曲面加工。

2）编程工作量大。

3）工艺及其处理复杂。

4）数值计算烦琐。

二、程序编制中的工艺处理

1.分析零件图样

1）检查构成加工轮廓的几何条件有无缺陷。

2）分析尺寸公差、表面粗糙度要求。

3）几何公差要求。

2.刀具选择

3.工件装夹

1）基准与定位。

2）数控车削用夹具。

4.对刀

1）刀位点（如图1-9所示）。

图1-9　刀位点

2）完成对刀。

5.对刀点和换刀点的位置确定

1）对刀点的含义。

2）确定对刀点位置的方法。

3）换刀点位置的确定。

6.确定加工方案

1）先粗后精，如图1-10所示。

2）先近后远，如图1-11所示。

3）先内后外，如图1-12所示。

4）程序段最少。

5）走刀线路最短。

6）特殊处理，如图1-13所示。

图1-10　先粗后精加工工艺

图1-11　先近后远加工工艺

7.切削用量与切削速度

1）背吃刀量的确定。

2）主轴转速的确定。

3）进给量的确定。

4）切削速度的确定。

5）主轴转速的确定。

图1-12　先内后外加工工艺

图1-13　特殊处理加工工艺

8.制订补偿方案

1）机械间隙补偿。

①自动补偿法。

②编程补偿法。

2）刀位偏差补偿。

三、编程中的数学处理

1.数值换算

1）选择原点、换算尺寸。

2）标注尺寸换算。

①直接换算。

②间接换算。

③尺寸链解算。

2.基点与节点（图1-14）

1）基点。

2）节点。

图1-14　零件轮廓上的基点和节点

a）基点　b）节点

3.尺寸链解算

1）尺寸链的基本概念。

①设计尺寸链。

②工艺尺寸链。

2）工艺尺寸链简图，如图1-15所示。

3）工艺尺寸链的环。

①封闭环。

②组成环。

③增环。

④减环。

4）计算尺寸链。

①封闭环的公称尺寸。

②封闭环的上极限尺寸。

③封闭环的下极限尺寸。

图1-15　工艺尺寸链简图

4.坐标值计算的基本知识

1）编程坐标系。

①绝对坐标系，如图1-16所示。

②增量坐标系，如图1-17所示。

图1-16　绝对坐标系

图1-17　增量坐标系

2）坐标值计算的方法，如图1-18所示。

图1-18　坐标值计算的一般方法

5.坐标值计算的基本环节

1）分析计算。

①图形各要素的分析。

②对编程图形的描述。

③确定几何关系。

2）计算步骤。

3）计算结果。

4）结果检验。

5）检验后的处理。

6.坐标值的常用计算方法

（1）作图法。

1）作图计算法的实质。

2）作图计算法的要求。

①要求绘图工具质量较高。

②绘图应做到认真、仔细，并保证度量准确。

③图线应尽量细而清晰，多次绘制同一个圆心时，要避免圆心移位。

④绘图要严格按比例进行。

（2）三角函数计算法

1）正弦定理：

2）余弦定理：

（3）平面解析几何法

【例1-1】　车削图1-19所示的手柄，计算出编程所需数值。

图1-19　手柄

1.分析

此零件由半径为R3mm、R29mm和R45mm三个圆弧光滑连接而成，如图1-20所示。对圆弧工件编程时，必须求出以下三个点的坐标值（X轴方向比Z轴方向高一个级别）。

1）圆弧的起始点坐标值。

2）圆弧的结束点（目标点）坐标。

3）圆弧中心点的坐标。

图1-20　计算圆弧中心的方法

2.计算

取编程零点为W₁。

在△O₁EO₂中，已知

O₂E=29mm-9mm=20mm　O₁O₂=29mm-3mm=26mm

O₁E=（O₁O₂）²-（O₂E）²=16.613mm

1）先求出点A坐标值及O₁的I、K值，其中I代表圆心O₁的X坐标（直径编程），K代表O₁的Z坐标（直径编程）。

因△ADO₁∽△O₁EO₂，则有

得点A的坐标值

x_A=2×2.308mm=4.616mm（直径编程）

DW₁=O₁W₁-O₁D=1.083mm

则z_A=-1.08mm

2）求圆心O₁相对于圆弧起点W₁的增量坐标，有

3）求点B坐标值及O₂点的I、K值。

△O₂HO₃相似于△BGO₃

在△O₂FB中

O₂F=（O₂B）²-（BF）²=29²-10.777²=26.923mm

EF=O₂F-O₂E=26.923mm-20mm=6.923mm

因是直径编程，有

x_B=2×6.923mm=13.846mm

z_B=-30.39mm

4）求圆心O₂相对于点A的增量坐标。

IO₂=-（AD+O₂E）=-（2.308+20）mm=-22.308mm

KO₂=-（O₁D+O₁E）=-（1.917+16.613）mm=-18.53mm

得出

5）求点C的坐标值及IO₃、KO₃值。

从图1-20中可知

O₃相对于点B坐标的增量

IO₃=41.777mm

KO₃=-16.72mm

得出

四、数控车床编程指令

1.M指令

用地址字M及两位数字表示，主要用于机床加工操作时的工艺性指令。M指令功能见表1-1。

表1-1　M指令功能

2.G指令

G指令功能见表1-2。

表1-2　G指令功能

3.与坐标系相关的G指令

1）工件坐标系设定。

2）绝对坐标方式与增量坐标方式。

3）换刀点设置。

4）返回参考点和从参考点返回。

4.与运动方式相关的G指令

1）快速点定位。

2）直线插补。

3）倒角。

4）圆弧插补。

五、编程基础(www.xing528.com)

1.程序的构成

根据系统本身的特点及编程的需要，每种数控系统都有固定的程序格式。对于不同的机床，其程序的格式也不同。因此编程人员必须严格按照机床说明书的规定格式进行编程。

一个完整的程序必须包括以下三部分：

1）程序开始。常用O表示程序开始，随后写上程序名，程序名由四位数字组成，如O0000～O9999。

2）程序内容。程序内容是整个程序的核心部分，由若干程序段组成，主要用来表示数控机床要完成的全部动作。

3）程序结束。用程序结束指令M02或M30构成最后的程序段，表示该程序运行结束。

2.程序段的格式

零件的加工程序是由程序段组成的，每个程序段由若干个数据字组成，每个字是控制系统的具体指令，它是由表示地址的英文字母、特殊文字和数字集合而成。

一般程序段格式如下：

N_　G_　X_　Y_　Z_　F_　S_　T_　M_　LF

N_：程序段号；

G_：准备功能字；

X_、Y_、Z_：尺寸字；

F_：进给功能字；

S_：主轴转速功能字；

T_：刀具功能字；

M_：辅助功能字；

LF_：程序段结束。

程序段内字的说明：

1）程序段号。程序段号是用以识别程序段的编号。用地址码N和后面的四位数字来表示，如N0000～N9999，前面的零可省略，如Nl=N0001。

2）准备功能字（G功能字）。G功能是使数控机床做好某种操作准备指令，用地址G和两位数字来表示，包括G00～G99共100种。

3）尺寸字。尺寸字由地址码、“+”、“-”及绝对值（或增量）的数值构成。

尺寸字的地址码有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、A、B、C、I、J、K、D和H等。

例如，X20_　Z_40；尺寸字的“+”可省略。

4）进给功能字（F功能字）。进给功能字表示刀具中心运动时的进给速度。它有两种表示方法，分别是每分钟进给量（mm/min）和每转进给量（mm/r）。

5）主轴转速功能字（S功能字）。主轴转速功能字由地址码S和在其后面的若干位数字组成，单位为每分钟转数（r/min）。例如，S800表示主轴转速为800r/min。

6）刀具功能字（T功能字）。刀具功能字由地址码T和若干位数字组成。刀具功能字的数字是指定的刀号。数字的位数由所用系统决定。

7）辅助功能字（M功能）。辅助功能表示一些机床辅助动作的指令。用地址码M和后面两位数字表示，包括M00～M99共100种。

8）程序段结束。写在每一程序段之后，表示程序结束。用符号“；”表示。

3.基本指令

（1）M03、M04、M05

M03：主轴正转。

指令格式：M03 S_。

S：主轴转速（r/min）。

M04：主轴反转。

指令格式：M04 S_。

S：主轴转速（r/min）。

M05：主轴停止。

指令格式：M05。

（2）M02、M30

M02：主程序结束，在程序的最后一段写入。

指令格式：M02。

M30：主程序结束，在程序的最后一段被写入；具有“倒带”功能，在指令程序结束的程序段执行后，控制返回到程序的开头。

指令格式：M30。

（3）M08、M09

M08：切削液开。

指令格式：M08。

M09：切削液关。

指令格式：M09。

（4）F

F：进给速度。

指令格式：G01　X_　Z_　F_；

单位：mm/min或mm/r。

（5）G90、G91

G90：绝对值编程。

G91：增量值编程。

（6）G00

G00：快速定位。

指令格式：G00　X（U）_　Z（W）_；

X（U）：目标点的X方向坐标。

Z（W）：目标点的Z方向坐标（X、Z表示绝对编程，U、W表示增量编程）。

G00的速度由制造商在参数中设定，所以快速移动速度不能在地址F中规定，但可由面板上的快速修调按钮来修正。G00功能的应用如图1-21所示。

图1-21　G00功能的应用——进刀

（7）G01

G01：直线插补

指令格式：G01　X（U）_　Z（W）_　F_；

X（U）：目标点的X方向坐标。

Z（W）：目标点的Z方向坐标。

X、Z表示绝对编程，U、W表示增量编程。

F：进给速度。

G01功能的应用如图1-22所示。

图1-22　G01功能的应用——车外圆

【例1-2】　图1-23a所示零件的各加工面已完成了粗车，试设计一个如图1-23b所示的精车程序。

图1-23　例1-2零件

解：

1）设置工件零点和换刀点。工件零点O设置在工件端面（工艺基准处），换刀点（即刀具起点）设置在工件的右前方点A，如图1-23b所示。

2）确定刀具工艺路线。如图1-23b所示，刀具从起点A（换刀点）出发，加工结束后再回到点A，走刀路线为A→B→C→D→E→F→A。

3）计算刀尖运动轨迹坐标值。根据图1-23b得各点绝对坐标值为A（60，15）、B（20，2）、C（20，-15）、D（28，-26）、E（28，-36）、F（42，-36）。

4）编程（略）。

（8）G02、G03

G02：顺时针圆弧插补。

G03：逆时针圆弧插补。

功能：该指令使刀具刀尖从圆弧起点，沿圆弧移动到圆弧终点。圆弧的方向可按图1-24给出的方向判断。格式：G02（03）；

图1-24　圆弧的顺逆方向

沿与圆弧所在平面（如XOZ）相垂直的另一坐标轴的负方向（如-Y）看出，顺时针方向为G02，逆时针方向为G03。圆弧插补（说明）如图1-25、图1-26和图1-27所示。

图1-25　G02圆弧插补指令说明——直径编程

【例1-3】　车削如图1-28所示的球头手柄，写出刀尖从工件零点O出发，车削凸、凹球面的程序。

（9）G32、G92

1）G32：螺纹加工指令。

功能：G32为等螺距圆柱或圆锥螺纹车削指令，只需一个指令便可完成螺纹全部车削，如图1-29所示。

格式：G32X_　Z_　R_　F_；

2）G92：螺纹切削单一固定循环指令。

指令格式：G92X（U）_　Z（W）_　F_；

X、Z：绝对值编程时，为螺纹终点在工件坐标系下的坐标；增量编程时，为螺纹终点相对循环起点的有向距离。

图1-26　G03圆弧插补指令说明——直径编程

图1-27　用+R、-R指定圆弧

图1-28　球头手柄

图1-29　G32螺纹加工指令

F：螺纹导程。

【例1-4】　编写车削图1-30所示等距圆柱螺纹部分的粗加工程序。

3）G76螺纹车削复合循环指令。

指令格式：G76　P（m）　C（r）　A（a）　Q（Δdmin）　R（d）；

G76　X（U）　Z（W）　R（i）　P（k）　Q（Δd）　F（f）；

m：精加工重复次数。

r：表示斜向退刀量单位数（0.01～9.9f，以0.1f为一个单位，用00～99两位数字指定）。

图1-30　等距圆柱螺纹

a：刀尖角度。

Δdmin：最小背吃刀量，当背吃刀量Δdn小于Δdmin时，则取Δdmin作为背吃刀量。

X：点D的X坐标值。

U：由点A至点D的增量坐标值。

Z：点D的Z坐标值。

W：由点C至点D的增量坐标值。

i：锥螺纹的半径差。

k：螺纹高度（X方向半径值）。

d：精加工余量。

f：螺纹导程。

Δd：第一次粗车的背吃刀量（半径值）。

螺纹车削复合循环的走刀路线如图1-31所示，螺纹车削复合循环的背吃刀量如图1-32所示。

图1-31　螺纹车削复合循环的走刀路线

图1-32　螺纹车削复合循环的背吃刀量

【例1-5】　如图1-33a所示工件，要求螺纹精车次数为2，收尾长度为一个螺距，螺纹牙型角为60°，最小背吃刀量为0.1mm，精加工余量为0.1mm，螺距为2mm，其锥螺纹的切削复合程序如图1-33b所示。

图1-33　车螺纹

六、复合循环指令

1.外径/内径粗车复合循环（图1-34）

指令格式：G71　U（Δd）　R（e）；

G71　P（ns）　Q（nf）　U（Δu）　W（Δw）　F（f）　T（t）　S（s）；

图1-34　外径/内径粗车复合循环

【例1-6】　如图1-35所示工件，要求加工点A到点B的工件外形。已知起始点在（250，0），背吃刀量为3mm，退刀量为2mm，X向精加工余量为0.5mm，Z向精加工余量为0。编写其外径粗车复合循环程序。

图1-35　外（内）径粗车复合循环示例

外径粗车复合循环的程序如下：

2.端面粗车复合循环（图1-36）

指令格式：G72　W（Δd）　R（e）；

G72　P（ns）　Q（nf）　X（Δu）　Z（Δw）　F（f）　T（t）　S（s）；

3.闭环车削复合循环（图1-37）

指令格式：G73　U（Δi）　W（Δk）　R（d）；

G73　P（ns）　Q（nf）　U（Δu）　W（Δw）　F（f）　T（t）　S（s）；

图1-36　端面粗车复合循环

图1-37　闭环车削复合循环

4.外径/内径精车循环

指令格式：G70　P（ns）　Q（nf）；

【例1-7】　如图1-38所示工件，要求加工该工件的外形。已知Δi=8mm，Δk=0，d=5mm，Δu=0.5mm，Δw=0.3mm，编写其外径粗车复合程序。

图1-38　闭环车削复合循环

七、刀具补偿指令

1.刀具补偿的目的

刀具补偿的目的如图1-39～图1-42所示。

图1-39　刀尖图

图1-41　车削圆弧面产生的误差

图1-40　车削圆锥产生的误差

图1-42　半径补偿后的刀具轨迹

2.刀具半径补偿指令

指令格式：G40、G41、G42

功能：G40为取消刀具半径补偿指令；G41为刀具半径左补偿指令；G42为刀具半径右补偿指令。顺着刀具运动方向看，刀具在工件的左边，称为左刀补，如图1-43a所示；顺着刀具运动方向看，刀具在工件的右边，称为右刀补，如图1-43b所示。

图1-43　刀具半径补偿

如图1-44a所示的工件，为保证圆锥面的加工精度，采用刀具半径补偿指令编程，其程序如图1-44b所示。

延伸拓展

车削加工中刀尖半径补偿的应用。

1）对于某些形状精度要求高的锥面、球面等形面，必须应用刀尖半径补偿（圆柱面和端面不需要）。

2）刀尖半径补偿建立。刀具由起刀点以G00、G01方式接近工件，刀具偏置方向由G41或G42确定。注意：不能跟在G02、G03后面。

图1-44　半径补偿指令编程

3）在车削固定循环（G71、G72、G73）中，粗加工过程中不进行补偿，在精加工中，才进行补偿。

4）在使用G28返回参考点命令时，为保证安全，刀具补偿（形状和刀尖半径）最好取消。

5）刀尖半径补偿有两组数据，一组为刀尖圆弧半径值，另一组为刀尖方向值。

刀尖方向值：由刀尖中心看假想刀尖的方向。有数字号码与其对应。当刀尖中心与假想刀尖一致时，编号为0和9。