课题三 数控机床的坐标系及编程规则
| 课题三 数控机床的坐标系及编程规则 3.1实训目的 掌握数控机床坐标系的建立，了解手工编程的一般步骤及加工程序的结构，熟悉常用F、S、T、M指令的应用及模态与非模态指令的区别。 3.2相关知识 案例：如图3.1所示，数控铣床的进给运动由三部分组成，工作台带动工件作横向和纵向进给运动，主轴箱带动刀具作垂直进给运动。当一个零件在数控铣床上加工时，如何用代码来描述刀具与零件的相对运动呢？
图3.1案例图 3.2.1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，我国机械工业部制订的标准JB 3052-82与之等效。 1．规定原则 （1）右手笛卡尔坐标系 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3.2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，其正向用右手螺旋定则确定。与+X、+Y、+Z、+A、+B、+C相反的方向用带“＇”的+X＇、+Y＇、+Z＇、+A＇、+B＇、+C＇表示。
图3.2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），所以统一规定：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）运动的正方向 规定使刀具与工件距离增大的方向为运动的正方向。 2．坐标轴确定的方法及步骤 （1）Z轴 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3.3、3.4、3.5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。 （2）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，刀具远离工件的方向为正向，如图3.3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方向，如图3.4所示；当Z轴水平时，则向左为正X方向，如3.5所示。 对于无主轴的机床（如刨床），以切削方向为正X方向。 （3）Y轴根据已确定的X、Z轴，按右手笛卡尔坐标系确定。 （4）A、B、C轴此三轴为回转进给运动坐标。根据已确定的X、Y、Z轴，用右手螺旋定则确定。
图3.3数控车床坐标系
图3.4立式数控铣床
图3.5卧式数控铣床 3.2.2数控机床的两种坐标系 数控机床的坐标系包括机床坐标系和编程坐标系两种。 1．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。 通常，当数控车床配置后置式刀架时，其机床坐标系如图3.6所示，Z轴与车床导轨平行（取卡盘中心线），正方向是离开卡盘的方向；X轴与Z轴垂直，正方向为刀架远离主轴轴线的方向。 机床坐标系的原点也称机床原点或机械原点，如图3.6、图3.7（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。 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3.6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供用户编程使用，一般情况下，不允许随意变动。
图3.6数控车床的机床坐标系 数控铣床的坐标系（XYZ）的原点O和机床零点是重合的，如图3.7(a)所示。
图3.7立式数控铣床坐标系和机床原点、工件原点 2．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3.7（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）要便于测量和检验。
3.2.3数控编程的种类及步骤 所谓编程，即把零件的全部加工工艺过程及其它辅助动作，按动作顺序，用数控机床上规定的指令、格式，编成加工程序，然后将程序输入数控机床。 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、走刀路线，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时，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，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，检查刀具轨迹是否正确。对无此功能的数控机床可进行空运转检验。以上工作只能检查出刀具运动轨迹的正确性，验不出对刀误差和因某些计算误差引起的加工误差及加工精度。所以还要进行首件试切，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．数控编程的种类 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3.8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、效率高。 （2）计算机自动编程 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，使编程人员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。因而，自动编程的特点就在于编程工作效率高，可解决复杂形状零件的编程难题。 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。目前，图形数控自动编程是使用最为广泛的自动编程方式。语言数控自动编程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。
3.2.4 FANUC 0i系统的编程指令 在数控加工程序中，主要有准备功能G指令、辅助功能M指令、进给功能F指令、主轴转速功能S指令和刀具功能T指令。数控系统不同时，编程指令的功能会有所不同，编程时需参考机床制造厂的编程说明书。 1．G指令 本教材主要介绍BEIJING-FANUC 0i系统，其数控铣床、车床的G指令分别见表3.1、3.2。 表3.1 BEIJING-FANUC0i-MA数控系统G指令表
表3.2 BEIJING-FANUC 0i Mate-TB数控系统G指令表
注：（1）表3.1、表3.2中的G功能以组别可区分为二类，属于“00”组别者，为非模态指令；属于“非00”组别者，为模态指令。 （2）表3.2中BEIJING-FANUC 0i Mate-TB数控系统的G功能有A、B、C三种类型，一般数控车床大多设定为A类型，本教材介绍A类型的G功能。 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它指令取消时才失效。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； 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。
2．F、S、T指令 （1）进给功能F指令 F指令表示刀具中心运动时的进给速度。由F和其后的若干数字组成。数字的单位取决于每个系统所采用的进给速度的指定方法。具体内容见所用机床的编程说明书。 注意事项如下： ①当编写程序时，第一次遇到直线（G01）或圆弧（G02/G03）插补指令时，必须编写进给率F，如果没有编写F功能，CNC采用F0。当工作在快速定位（G00）方式时，机床将以通过机床轴参数设定的快速进给率移动，与编写的F指令无关。 ②F指令为模态指令，实际进给率可以通过CNC操作面板上的进给倍率旋钮，在0～120%之间调整。 （2）主轴转速功能S指令 S指令表示机床主轴的转速。由S和其后的若干数字组成，其表示方法有以下三种： ①转速 S表示主轴转速，单位为r/min。如S1000表示主轴转速为1000r/min。 ②线速 在恒线速状态下，S表示切削点的线速度，单位为m/min。如S60表示切削点的线速度恒定为60 m/min。 ③代码 用代码表示主轴速度时，S后面的数字不直接表示转速或线速的数值，而只是主轴速度的代号。如某机床用S00～S99表示100种转速，S40表示主轴转速为1200r/min， S41表示主轴转速为1230r/min，S00表示主轴转速为0r/min，S99表示最高转速。 （3）刀具功能T指令 刀具和刀具参数的选择是数控编程的重要内容，其编程格式因数控系统不同而异，主要格式有以下两种： ①采用T指令编程 由T和数字组成。有T××和T××××两种格式，数字的位数由所用数控系统决定，T后面的数字用来指定刀具号和刀具补偿号。 例如：T04表示选择4号刀；T0404表示选择4号刀，4号偏置值；T0400表示选择第4号刀，刀具偏置取消。 ②采用T、D指令编程 利用T功能选择刀具，利用D功能选择相关的刀偏。 在定义这两个参数时，其编程的顺序为T、D。T和D可以编写在一起，也可以单独编写，例如：T4 D04表示选择4号刀，采用刀具偏置表第4号的偏置尺寸；D12表示仍用4号刀，采用刀具偏置表第12号的偏置尺寸；T2表示选择2号刀，采用与该刀具相关的刀具偏置尺寸。
3．M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。 常用的M指令功能及其应用如下： （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，用循环启动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，只是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。与同段程序其它指令一起开始执行。M05指令可使主轴在该程序段其它指令执行完成后停转。 格式：M03S 说明：数控机床的主轴转向的判断方法是，沿+Z方向看，顺时针方向旋转为正转，逆时针方向旋转为反转。 （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。 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：该指令表示主程序结束，同时机床停止自动运行，CNC装置复位。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。 对于BEIJING-FANUC 0i系统，一般情况下，在一个程序段中仅能指定一个M代码。但是，设定参数No.3404#7（M3B）=1时，在一个程序段中一次最多可以指定三个M代码。
3.2.5数控加工程序的结构 1．数控加工程序的构成 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。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，程序号必须放在程序的开头。如： O 1122 程序的编号（1122号程序） 程序号地址（编号的指令码） 不同的数控系统，程序号地址也有所差别。如SMK8M系统用％，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：
其中Ｎ是程序段地址符，用于指定程序段号；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，例如F200表示进给速度为200㎜／min。 （3）“字” 一个“字”的组成如下所示： Ｚ－２５.４ 数据字（数字） 符号（正、负号） 地址符 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。表示非尺寸地址有Ｎ、Ｇ、Ｆ、Ｓ、Ｔ、Ｍ、Ｌ、Ｏ等８个字母。 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，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。一般情况下，FANUC系统最多能存储200个主程序和子程序。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命令进行调用，这样就简化了程序的设计。 3.3实训内容 观察数控加工实室的数控机床，判断每种数控机床的坐标系。根据数控机床中存储的程序，进一步了解数控加工程序的构成。 数控铣床（加工中心）的编程与操作篇 返回
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