1、数控机床的发展及编程第1章 绪论1.1选题背景及意义数控铣床切削加工日益受到世界各国的普遍关注，成为21世纪世界机械切削加工的一个重要组成部分。随着数控技术的进一步推广与应用，数控铣床对机械切削加工的影响日益明显。目前，我国数控技术尚处于初级阶段，正在向规范、务实的方向推进。由于我国机床数控化、社会化程度较低，加工时间过长、成本过高己成为目前制约我国机械加工的“瓶颈”。实践证明数控铣床比普通铣床的加工效率大35倍，大大地降低了加工零件的周期。所以学习数控铣床的相关知识，学会数控铣床编程，用数控铣床进行切削加工非常必要。1.2 数控的发展史1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了
2、可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 (1) 数控(NC)阶段(19521970年) 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控(HARD-WIRED NC)，简称为数控(NC)。随着元器件的发展，这个阶
3、段历经了三代，即1952年的第一代-电子管；1959年的第二代-晶体管；1965年的第三代-小规模集成电路。(2) 计算机数控(CNC)阶段(1970年现在)到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控(CNC)阶段(把计算机前面应有的通用两个字省略了)。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器(MICROPROCESSOR)，又可称为中央处理单元(简称CPU)。 到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强
4、，控制一台机床能力有富裕(故当时曾用于控制多台机床，称之为群控)，不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 到了1990年，PC机(个人计算机，国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代-小型计算机；1974年的第五代-微处理器和1990年的第六代-基于PC(国外称为PC-BASED)。 还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控(
5、即CNC)了，而我国仍习惯称数控(NC)。所以我们日常讲的数控，实质上已是指计算机数控了。3. 数控未来发展的趋势 (1)继续向开放式、基于PC的第六代方向发展 基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。(2) 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。(3) 向智能化方向发展 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统
6、的智能化程度将不断提高。 应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。引入故障诊断专家系统 智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。第2章 数控铣床基础知识2.1 数控铣床的分类2.1.1. 按主轴的位置分类(1) 数控立式铣床数控立式铣床在数量上一直占据数控铣床的大多数，应用范围也最广。从机床数控系绕控制的坐标数量来看，目前3坐标数控立铣仍占大多数；
7、一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3个坐标中的任意两个坐标联动加工(常称为2.5坐标加工)。此外，还有机床主轴可以绕X、Y、Z坐标轴中的其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标数控立铣。(2) 卧式数控铣床与通用卧式铣床相同，其主轴轴线平行于水平面。为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5坐标加工。这样，不但工件侧面上的连续回转轮廓可以加工出来，而且可以实现在一次安装中，通过转盘改变工位，进行“四面加工”。(3) 立卧两用数控铣床目前，这类数控铣床已不多见，由于这类铣床的主轴方向可以更换，能达到在一台机床上既可以进行立式加工，又
8、可以进行卧式加工，而同时具备上述两类机床的功能，其使用范围更广，功能更全，选择加工对象的余地更大，且给用户带来不少方便。特别是生产批量小，品种较多，又需要立、卧两种方式加工时，用户只需买一台这样的机床就行了。2.1.2. 数控铣床按构造上分类(1) 工作台升降式数控铣床这类数控铣床采用工作台移动、升降，而主轴不动的方式。小型数控铣床一般采用此种方式。(2)主轴头升降式数控铣床这类数控铣床采用工作台纵向和横向移动，且主轴沿垂向溜板上下运动；主轴头升降式数控铣床在精度保持、承载重量、系统构成等方面具有很多优点，已成为数控铣床的主流。(3)龙门式数控铣床这类数控铣床主轴可以在龙门架的横向与垂向溜板上
9、运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。大型数控铣床，因要考虑到扩大行程，缩小占地面积及刚性等技术上的问题，往往采用龙门架移动式。数控铣床的主要功能2.2 数控铣床的主要功能各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。(1) 点位控制功能此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。(2) 连续轮廓控制功能此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工。(3) 刀具半径补偿功能此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算。(4) 刀具长度补偿功能此功能可以自动补偿刀具
10、的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求。(5) 比例及镜像加工功能比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。(6) 旋转功能该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。(7) 子程序调用功能有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工。(8) 宏程序功能该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便
11、性。2.3 数控铣床加工的特点数控铣削加工除了具有普通铣床加工的特点外，还有如下特点：(1) 零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件，如模具类零件、壳体类零件等。(2) 能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。(3) 能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。(4) 加工精度高、加工质量稳定可靠。(5) 生产自动化程序高，可以减轻操作者的劳动强度。有利于生产管理自动化。(6) 生产效率高。(7) 从切削原理上讲，无论是端铣或是周铣都属于断续切削方式，而不像车削那样连续切削，因此对刀具的要求较高，具有良
12、好的抗冲击性、韧性和耐磨性。在干式切削状况下，还要求有良好的红硬性。2.4 数控铣床的加工工艺范围铣削加工是机械加工中最常用的加工方法之一，它主要包括平面铣削和轮廓铣削，也可以对零件进行钻、扩、铰、镗、锪加工及螺纹加工等。数控铣削主要适合于下列几类零件的加工。(1) 平面类零件 平面类零件是指加工面平行或垂直于水平面，以及加工面与水平面的夹角为一定值的零件，这类加工面可展开为平面。(2) 直纹曲面类零件 直纹曲面类零件是指由直线依某种规律移动所产生的曲面类零件后到截面。直纹曲面类零件的加工面不能展开为平面。当采用四坐标或五坐标数控铣床加工直纹曲面类零件时，加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。
13、这类零件也可在三坐标数控铣床上采用行切加工法实现近似加工。(3) 立体曲面类零件 加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。这类零件的加工面不能展成平面，一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其它刀具加工，易于产生干涉而铣伤邻近表面。加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床，采用以下两种加工方法。 行切加工法采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工，即行切加工法。球头铣刀沿XY平面的曲线进行直线插补加工，当一段曲线加工完后，沿X方向进给X再加工相邻的另一曲线，如此依次用平面曲线来逼近整个曲面。相邻两曲线间的距离X应根据表面粗糙度的要求及球头铣刀的半径选取。球头铣刀的球半径应尽可
14、能选得大一些，以增加刀具刚度，提高散热性，降低表面粗糙度值。加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半径。三坐标联动加工采用三坐标数控铣床三轴联动加工，即进行空间直线插补。如半球形，可用行切加工法加工，也可用三坐标联动的方法加工。这时，数控铣床用X、Y、Z三坐标联动的空间直线插补，实现球面加工，第3章 数控铣床的程序编程3.1 数控铣床编程的基本指令3.1.1、有关坐标和坐标系的指令 (1) 绝对值编程G90与增量值编程G91格式： G90 G X Y Z G91 G X Y Z (2) 工件坐标系设定G92格式：G92 X_ Y_ Z_ X、Y、Z、为当前刀位点在工件坐标系中的
15、坐标。G92指令通过设定刀具起点相对于要建立的工件坐标原点的位置建立坐标系。此坐标系一旦建立起来，后序的绝对值指令坐标位置都是此工件坐标系中的坐标值。图1 工件坐标系建立G92 X X2 Y Y2 Z Z2 则将工件原点设定到距刀具起始点距离为X= -X2，Y= -Y2 ，Z= -Z2 的位置上。(3) 工件坐标系选择 G54-G59 G54G59是系统预置的六个坐标系，可根据需要选用。 该指令执行后，所有坐标值指定的坐标尺寸都是选定的工件加工坐标系中的位置。16号工件加工坐标系是通过CRT/MDI方式设置的。 G54G59预置建立的工件坐标原点在机床坐标系中的坐标值可用MDI方式输入，系统自
16、动记忆。 使用该组指令前，必须先回参考点。 G54G59为模态指令，可相互注销。(4) G53 -选择机床坐标系 编程格式：G53 G90 X Y Z ；G53 指令使刀具快速定位到机床坐标系中的指定位置上，式中X、Y、Z后的值为机床坐标系中的坐标值。 例：G53 X-100 Y-100 Z-20G53为非模态指令,只在当前程序段有效.(5) G52 局部坐标系设定编程格式：G52 X Y Z ；式中X、Y、Z后的值为局部原点相对工件原点的坐标值。几个坐标系指令应用举例 图2 从A-B-C-D行走路线编程如下N01 G54 G00 G90 X30.0 Y40.0 快速移到G54中的A点N02
17、G59 将G59置为当前工件坐标系 N03 G00 X30.0 Y30.0 移到G59中的B点N04 G52 X45.0 Y15.0 在当前工件坐标系G59中建立局部坐标系G52N05 G00 G90 X35.0 Y20.0 移到G52中的C点N06 G53 X35.0 Y35.0 移到G53（机械坐标系）中的D点3.1.2、坐标平面选定G17 XY平面，G18 ZX平面，G19 YZ平面。坐标平面选择指令是用来选择圆弧插补的平面和刀具补偿平面的。G17、G18、G19为模态功能，可相互注销，G17为缺省值。3.1.3、 参考点控制指令(1)自动返回参考点 G28格式： G28 X _ Y _
18、 Z _其中，X、Y、Z 为指定的中间点位置图3 自动返回参考点执行G28指令时，各轴先以G00的速度快移到程序指 令的中间点位置，然后自动返回参考点。在使用上经常将XY和Z分开来用。先用G28 Z.提刀并回Z轴参考点位置，然后再用G28 X.Y.回到XY方向的参考点。 在G90时为指定点在工件坐标系中的坐标；在G91时为指令点相对于起点的位移量G28指令前要求机床在通电后必须 (手动) 返回过一次参考点。使用G28指令时，必须预先取消刀具补偿。G28为非模态指令。(2) 自动从参考点返回G29格式： G29 X _ Y _ Z 其中，X、Y、Z 为指令的定位终点位置。图4 自动从参考点3.1
19、.4、 有关单位的设定(1) 尺寸单位选择G20，G21，G22格式： G20 英制G21 公制 尺寸输入制式G22 脉冲当量线性轴 旋转轴英制（G20） 英寸 度公制（G21） 毫米 度脉冲当量（G22） 移动轴脉冲当量 旋转轴脉冲当量表1 单位对应表这3个G代码必须在程序的开头坐标系设定之前用单独的程序段指令或通过系统参数设定。程序运行中途不能切换。3.1.5、 基本编程指令(1) 快速定位指令G00格式：G00 X_Y_Z_其中，X、Y、Z、为快速定位终点，在G90时为终点在工件坐标系中的坐标；在G91时为终点相对于起点的位移量。（空间折线移动）图5 G00空间折线移动示意图说明：(1)
20、 G00 一般用于加工前快速定位或加工后快速退刀。(2) 为避免干涉，通常的做法是：不轻易三轴联动。一般先移动一个轴，再在其它两轴构成的面内联动。如：进刀时，先在安全高度Z上，移动（联动）X、Y 轴，再下移Z轴到工件附近。退刀时，先抬Z轴，再移动X-Y轴。(2) 直线进给指令G01 格式： G01 X _Y_ Z_ F_中，X、Y、Z为终点，在G90时为终点在工件坐标系中的坐标；在G91时为终点相对于起点的位移量说明 G01指令刀具从当前位置以联动的方式，按程序段中F指令规定的合成进给速度，按合成的直线轨迹移动到程序段所指定的终点。 实际进给速度等于指令速度F与进给速度修调倍率的乘积。 G01
21、和F都是模态代码，如果后续的程序段不改变加工的线型和进给速度，可以不再书写这些代码。 G01可由G00、G02、G03或G33功能注销。 (3) 圆弧进给指令 G02 :顺时针圆弧插补；G03 :逆时针圆弧插补 指令格式G17 G02(或G03) X_ Y_(或X_ Z_或Y_ Z_) I_ J_(或I_ K_或J_ K_)F_G18 G02(或G03) X_ Y_(或X_ Z_或Y_ Z_) I_ J_(或I_ K_或J_ K_)F_G19 G02(或G03) X_ Y_(或X_ Z_或Y_ Z_) I_ J_(或I_ K_或J_ K_)F_或G17 G02(或G03) X_ Y_(或X_
22、Z_或Y_ Z_) R_ F_G18 G02(或G03) X_ Y_(或X_ Z_或Y_ Z_) R_ F_G19 G02(或G03) X_ Y_(或X_ Z_或Y_ Z_) R_ 圆 弧 插 补 指 令（G02/G03） 指令参数说明圆弧插补只能在某平面内进行。G17代码进行XY平面的指定，省略时就被默认为是G17 当在ZX（G18）和YZ（G19）平面上编程时，平面指定代码不能省略。G02为顺时针方向圆弧插补，G03为逆时针方向圆弧插补。顺时针或逆时针是从垂直于圆弧加工平面的第三轴的正方向看到的回转方向。I，J，K分别表示X，Y，Z 轴圆心的坐标减去圆弧起点的坐标，如下图所示。某项为零时可
23、以省略。当圆弧圆心角小于180时，R为正值，当圆弧圆心角大于180时,R为负值。整圆编程时不可以使用R，只能用I、J、K。F为编程的两个轴的合成进给速度。 编程算法图6 编程算法示意图 圆弧AB：绝对: G17G90 G02 X xb Y yb R r1 F f; 或 G17G90 G02 X xb Y yb I(x1-xa) J (y1-ya) F f ;增量: G91G02 X (xb-xa)Y (yb-ya) R r1 F f ;或 G91G02 X(xb-xa)Y(yb-ya)I(x1-xa)J(y1-ya)F f ; G02/ G03 实现空间螺旋线进给格式：G17 G02(G03)
24、 X. Y. R. Z. F.或 G18 G02(G03) X. Z. R. Y. F.G19 G02 (G03) Y. Z. R. X. F.即在原G02、G03指令格式程序段后部再增加一个与加工平面相垂直的第三轴移动指令，这样在进行圆弧进给的同时还进行第三轴方向的进给，其合成轨迹就是一空间螺旋线。X 、Y 、Z为投影圆弧终点,第3坐标是与选定平面垂直的轴终点.G91 G17 G03 X -30.0 Y30.0 R 30.0 Z10.0 F100或：软件G90 G17 G03 X0 Y 30.0 R 30.0 Z 10.0 F100(4) 刀具半径补偿指令（G41、G42、G40） 指令格式
25、 G41 G00 X_ Y_ H_(或D)_G41 G01 X_ Y_ H_(或D)_G42 G00 X_ Y_ H_(或D)_G42 G01 X_ Y_ H_(或D)_M代码 解释 M代码 解释M00 程序停止 M28 刀座返回原点M01 选择停止 M30 程序结束（复位）并返回开头M02 程序结束（复位） M48 主轴过载取消，不起作用M03 主轴正转（CW） M49 主轴过载取消，起作用M04 主轴反转（CCW） M60 APC循环开始M05 主轴停止 M80 分度台正转（CW）M06 换刀 M81 分度台反转（CCW）M08 切削液开 M98 子程序调用M09 切削液关 M99 子程序
26、结束M16 刀具入刀座 表2：常用M代码一览表G代码 解释 G代码 解释G00 定位（快速移动） G58 工件坐标系5选择G01 直线切削 G59 工件坐标系6选择G02 顺时针切圆弧 G73 高速深孔钻削循环G03 逆时针切圆弧 G74 左螺旋切削循环G04 暂停 G76 精樘孔循环G17 XY平面赋值 G80 取消固定循环G18 XZ平面赋值 G81 中心钻循环G19 YZ平面赋值 G82 反镗孔循环G28 机床返回原点 G83 深孔钻削循环G30 机床返回第2和第3原点 G84 右螺旋切削循环G40 取消刀具直径偏移 G85 镗孔循环G41 刀具直径左偏移 G86 镗孔循环G42 刀具直
27、径右偏移 G87 反镗孔循环G43 刀具长度+方向偏移 G88 镗孔循环G44 刀具长度-方向偏移 G89 镗孔循环G49 取消刀具长度偏移 G90 使用绝对值命令G53 机床坐标系选择 G91 使用增量值命令G54 工件坐标系1选择 G92 设置工件坐标系G55 工件坐标系2选择 G94 进给速度，每分钟进给量G56 工件坐标系3选择 G95 进给速度，每转进给量G57 工件坐标系4选择 G98 固定循环返回起始点表2：常用G代码一览表表3：常用G代码一览表3.2 数控铣削加工顺序的安排 加工顺序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等，工序安排的科学与否将直接影响到零件的加工质量、生产
28、率和加工成本。切削加工工序通常按以下原则安排：(1)先粗后精 当加工零件精度要求较高时都要经过粗加工、半精加工、精加工阶段，如果精度要求更高，还包括光整加工等几个阶段。(2)基准面先行原则 用作精基准的表面应先加工。任何零件的加工过程总是先对定位基准进行粗加工和精加工，例如轴类零件总是先加工中心孔，再以中心孔为精基准加工外圆和端面；箱体类零件总是先加工定位用的平面及两个定位孔，再以平面和定位孔为精基准加工孔系和其他平面。(3)先面后孔 对于箱体、支架等零件，平面尺寸轮廓较大，用平面定位比较稳定，而且孔的深度尺寸又是以平面为基准的，故应先加工平面，然后加工孔。(4)先主后次 即先加工主要表面，然
29、后加工次要表面。3.3 数控程序编制的内容及步骤(1)分析零件图样和制定工艺方案这项工作的内容包括：对零件图样进行分析，明确加工的内容和要求；确定加工方案；选择适合的数控机床；选择或设计刀具和夹具；确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。这一工作要求编程人员能够对零件图样的技术特性、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，并结合数控机床使用的基础知识，如数控机床的规格、性能、数控系统的功能等，确定加工方法和加工路线。(2) 数学处理在确定了工艺方案后，就需要根据零件的几何尺寸、加工路线等，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。数控系统一般均具有直线插补与圆弧插补功能，对于加工由圆弧和直线组成的较简
30、单的平面零件，只需要计算出零件轮廓上相邻几何元素交点或切点的坐标值，得出各几何元素的起点、终点、圆弧的圆心坐标值等，就能满足编程要求。当零件的几何形状与控制系统的插补功能不一致时，就需要进行较复杂的数值计算，一般需要使用计算机辅助计算，否则难以完成。(3) 编写零件加工程序在完成上述工艺处理及数值计算工作后，即可编写零件加工程序。程序编制人员使用数控系统的程序指令，按照规定的程序格式，逐段编写加工程序。程序编制人员应对数控机床的功能、程序指令及代码十分熟悉，才能编写出正确的加工程序。可修改程序或采取尺寸补偿等措施。(4) 程序检验将编写好的加工程序输入数控系统，就可控制数控机床的加工工作。一般在正式加工之前，要对程序进行检验。通常可采用机床空运转的方式，来检查机床动作和运动轨迹的正确性，以检验程序。在具有图形模拟显示功能的数控机床上，可通过显示走刀轨迹或模拟刀具对工件的切削过程，对程序进
