




版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內容提供方,若內容存在侵權,請進行舉報或認領
文檔簡介
第1章數控加工技術概述1.1數控技術及數控加工的基本概念1.2數控機床的組成與工作原理1.3數控機床的分類1.4數控機床的特點與發展方向1.5數控機床的坐標系統與原點偏置1.6現代數控加工的補償1.7數控程序常用指令及格式1.8數控加工編程
1.1數控技術及數控加工的基本概念
1.1.1數控技術
數控技術是20世紀中期發展起來的機床控制技術,是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術。數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統制造業滲透而形成的機電一體化產品,即所謂的數字化設備。數控技術是機械工程與先進的微電子技術、計算機軟硬件技術、傳感檢測技術、自動控制技術等深度結合的機電一體化高新技術。
1.數控與數控機床
數控即數字控制(NumericalControl,NC),是用數字化信息對機床的運動及其加工過程進行控制的一種方法。
數控機床(NumericalControlMachineTools)是技術密集度及自動化程度很高的機電一體化設備,也就是采用了數控技術的機床,或者說是裝備了數控系統的機床。國際信息處理聯盟第五技術委員會對數控機床作了如下定義:數控機床是一種裝有程序控制系統的機床,該系統能邏輯地處理具有特定代碼和其他符合編碼指令規定的程序。
2.數控系統
數控系統就是數控機床定義中所指的那種程序控制系統,它能邏輯地處理輸入到系統中的具有特定代碼的程序,并將其譯碼,從而使機床運動并加工零件。
數控系統在本質上是一臺計算機。在硬件方面,它經歷了電子管、晶體管、小規模集成電路、微處理機到當前PC結構的五代發展歷程;在體系結構上,它經歷了硬件數控(NC)、計算機數控(CNC)到目前的PC數控(PC[CD*2]NC)三個階段。早期的數控系統運算速度低,功能處理需要專門硬件來完成,而當前計算機的性能及速度迅速提高,功能處理可以由更為靈活的軟件方法來實現,特別是能在PC計算機上實現,有力地推動了數控系統的發展。在目前應用的數控系統中,還存在專用計算機和通用計算機兩類結構,其中前者由生產廠家專門設計,后者則使用與PC兼容和通用的工業PC機(IPC)。由于PC的通用性和軟件的柔性,使得當前數控系統正向著PC平臺、軟件方式及開放結構方向發展。
3.計算機數控系統
計算機數控系統(ComputerizedNumericalControlSystem)是采用通用計算機元件與結構,并配備必要的輸入/輸出部件構成的,它采用控制軟件來實現加工程序的存儲、譯碼、插補運算、輔助動作邏輯連鎖以及其他復雜功能。計算機數控系統由裝有數控系統程序的專用計算機、輸入/輸出設備、可編程序控制器(PLC)、存儲器、主軸驅動及進給驅動裝置等部分組成,習慣上稱為CNC系統,其原理如圖1-1所示。通常所說的數控系統,一般均指計算機數控系統。圖1-1
CNC系統原理1.1.2數控加工
數控加工(NCMachining)是根據零件圖樣及工藝要求等原始條件編制零件數控加工程序,并輸入數控系統,以數值與符號構成的信息控制機床,使之自動運轉的方法,也就是控制數控機床中刀具與工件的相對運動,從而完成零件加工的方法。數控加工經歷了半個世紀的發展,已成為應用于當代各個制造領域的先進制造技術。數控加工的最大特征有兩點:一是可以極大地提高精度,包括加工質量精度及加工時間誤差精度;二是具有加工質量的重復性,可以穩定加工質量,保持加工零件質量的一致。也就是說,加工零件的質量及加工時間是由數控程序決定而不是由機床操作人員決定的。所謂數控加工,就是用數控機床加工零件的方法。數控加工是伴隨數控機床的產生、發展而逐步完善起來的一種應用技術,它是人們長期從事數控加工實踐的經驗總結。數控加工具有如下優點:
(1)提高了生產效率;
(2)不需熟練的機床操作人員;
(3)能提高加工精度,并且能保持加工質量;
(4)可以減少工裝卡具;
(5)可以減少各工序間的周轉,原來需要用多道工序完成的工件,用數控加工可以一次裝卡完成,縮短了加工周期,提高了生產效率;
(6)容易進行加工過程管理;
(7)可以減少檢查工作量;
(8)可以降低廢、次品率;
(9)便于設計變更,加工設定柔性;
(10)容易實現操作過程的自動化,一個人可以操作多臺機床;
(11)操作容易,極大地減輕了體力勞動強度。數控加工主要包括以下幾個方面的內容:
(1)確定零件上需要數控加工的表面;
(2)對零件圖樣進行數控加工的工藝分析;
(3)進行數控加工的工藝設計;
(4)編制加工程序;
(5)輸入加工程序;
(6)對加工程序進行校驗和修改;
(7)運行加工程序,對零件進行加工。
1.2數控機床的組成與工作原理
1.2.1數控機床的組成
數控機床是由程序載體、輸入裝置(CNC單元)、數控裝置、伺服系統、位置反饋系統和機床機械部件構成的,見圖1-2。圖1-2數控機床的組成
1.程序載體
數控機床是按照輸入的零件加工程序運行的。零件加工程序的編制方法在將在第2章作詳細介紹。零件加工程序包括機床上刀具和工件的相對運動軌跡、工藝參數(走刀量、主軸轉速等)和輔助運動等內容。一般將零件加工程序用規定的格式和代碼,儲存在一種載體上,如穿孔紙帶、盒式磁帶或軟磁盤等,再通過數控機床的輸入裝置,將程序信息輸入到數控裝置內。
2.輸入裝置
輸入裝置的作用是將程序載體內有關加工的信息讀入數控裝置。根據程序載體的不同,有不同的輸入裝置。例如,對于穿孔紙帶,配有光電閱讀機;對于盒式磁帶,配有錄放機;對于軟磁盤,配有軟盤驅動器和驅動卡。有時為了方便用戶,數控機床可以同時具備兩種輸入裝置。
現代數控機床的數控裝置一般用一臺或多臺微型計算機構成,可稱之為CNC(ComputerNumericalControl)系統。這樣,加工程序還可以通過手動方式(MDI方式),用數控系統的操作面板上的按鍵直接鍵入CNC單元;或者用與上級機通信的方式直接將其輸入CNC單元。
3.數控裝置(CNC單元)
CNC單元由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成,其詳細情況在本書的第4章將作介紹。程序載體通過輸入裝置將加工信息傳給CNC單元,編譯成計算機能識別的信息,由信息處理部分按照控制程序的規定逐步存儲并進行處理后,通過輸出單元發出位置和速度指令給伺服系統和主運動控制部分。
在數控系統中,位置信息是作為數值,亦即數字量來處理的。例如,10.20mm這個數值,就是根據它有多少個最小設定系統值(0.01mm)來表示的,可表示為1020個最小設定單位。在機床加工時,數控裝置中的運算器主要根據設定的數學模型進行運算。運算器一面運算,一面向輸出回路發送進給指令。伺服線路的形式不同時,進給指令的形式也不同,最一般的是以進給脈沖列形式給出,即一個進給脈沖所對應的機床位移量就是一個脈沖當量,因此進給脈沖列的個數即為位移量,其重復頻率即為進給速度。運算器依照輸入回路指令,把適當的進給脈沖分配給多個輸出端(如+λ,-λ,+μ,-μ等)。從這個意義上來說,運算器就是一個脈沖分配器。但是,在輪廓控制系統中,通常稱這種能正確地產生分配到各坐標的脈沖序列的線路為“插補器”,而進行這種脈沖分配所需的運算稱為插補運算。沿直線分配脈沖序列的稱為直線插補,又稱一次插補;沿圓弧分配脈沖序列的稱為圓弧插補;沿拋物線分配脈沖序列的稱為拋物線插補。圓弧插補和拋物線插補總稱為二次插補。各軸向伺服機構通過輸出回路接收運算器送來的進給脈沖后,驅動機床的刀具相對工件在相應的軸向移動。各軸向移動的合成即形成了插補器(即運算器)所要求的刀具相對工件的運動軌跡。當然,運算器向輸出回路發送進給指令的形式是多種多樣的,除上述的脈沖形式外,還可以是一組數據,也可以是模擬電壓信號,或者是繼電器等開關信號。在早期的數控裝置中,插補器是用邏輯電路與時序電路等數字電路組合而成的,稱之為硬件插補器。而在CNC系統中,插補運算是通過插補軟件來實現的,又稱為軟件插補。
數控機床的輔助動作,如刀具的選擇與更換、切削液的啟停等能夠用可編程序控制器(PLC)進行控制。現代數控系統中,一般備有PLC附加電路板,形成內嵌式PLC。這種結構形式可省去CNC與PLC之間的連線,結構緊湊,可靠性好,操作方便,無論技術上還是經濟上都是有利的。
4.伺服系統
伺服系統由伺服電動機以及驅動裝置和伺服控制軟件組成。伺服系統與數控機床的進給運動部件構成進給伺服系統。伺服系統根據CNC單元來的速度及位置指令驅動機床的進給運動部件,完成指令規定的運動。每一坐標方向的運動部分配備有一套伺服系統。
伺服電動機的驅動控制裝置一般僅用于電動機的速度控制(包括速度反饋),而電動機的角位移控制一般由CNC單元實現。
5.位置反饋系統
位置反饋分為伺服電動機的轉角位移反饋和數控機床執行機構(工作臺)的位移反饋兩種。運動部分通過傳感器將上述角位移或直線位移轉換成電信號,輸送給CNC單元,與指令位置進行比較,并由CNC單元發出指令,糾正所產生的誤差。位置反饋系統將在本書第6章中作詳細介紹。
6.機床的機械部件
數控機床的機械結構除了主運動系統、進給系統以及輔助部分,如液壓、氣動、冷卻和潤滑部分等一般部件外,尚有些特殊部件,如儲備刀具的刀庫、自動換刀裝置(ATC)、自動托盤交換裝置等。與普通機床相比,數控機床的傳動系統更為簡單,但機床的靜態和動態剛度要求更高,傳動裝置的間隙要盡可能小,滑動面的摩擦系數要小,并要有恰當的阻尼,以適應對數控機床高定位精度和良好的控制性能的要求。1.2.2數控機床的工作原理
數控機床的工作原理如圖1-3所示。圖1-3數控機床的工作原理在數控機床上加工零件通常要經過以下步驟:
(1)根據加工零件的圖樣與工藝方案,用規定的代碼和程序格式編寫程序單,并把它記錄在載體上;
(2)把程序載體上的程序輸入到CNC單元中;
(3)CNC單元將輸入的程序處理后,向機床各個坐標的伺服系統發出信號;
(4)伺服系統根據CNC單元發出的信號,驅動機床的運動部件,并控制必要的輔助操作;
(5)通過機床機械部件帶動刀具與工件的相對運動,加工出符合要求的工件;
(6)檢測機床的運動,并將其通過反饋裝置反饋給CNC單元,以減小加工誤差。
1.3數控機床的分類
1.3.1按工藝用途劃分
按工藝用途可將數控機床分為:
(1)金屬切削類數控機床,如數控車床、加工中心、數控鉆床、數控鏜床等;
(2)金屬成型類數控機床,如數控折彎機、數控彎管機、數控回轉頭壓力機等;
(3)數控特種加工機床,如數控線切割機床、數控激光加工機床;
(4)其他類型的數控機床,如火焰切割機、數控三坐標測量機等。1.3.2按運動方式劃分
按運動軌跡方式,即刀具與工件的相對運動方式,可將數控機床分為點位控制系統數控機床、直線控制系統數控機床和輪廓控制系統數控機床,如圖1-4所示。圖1-4數控機床分類(a)點位控制;(b)直線控制;(c)輪廓控制
1.點位控制系統
這類控制系統的特點是要求保證點與點之間的準確定位,它只控制行程的終點坐標值,至于點與點之間所經過的軌跡,則不加控制。采用這類系統的機床有鉆床、坐標鏜床、沖床等。
2.直線控制系統
這類控制系統的特點是不僅要控制行程的終點坐標值,還要保證被控制的兩坐標間的軌跡是一條直線。采用這類控制系統的機床有加工中心、車床、銑床、磨床等。
3.輪廓控制系統(連續控制系統)
這類控制系統的特點是能夠對兩個或兩個以上坐標方向的同時運動進行嚴格的連續控制,不僅要控制加工的輪廓,而且要將每個坐標的行程控制與速度控制聯系起來。較高性能的數控機床,如車床、銑床、磨床、加工中心等均采用此類控制系統。1.3.3按伺服系統類型劃分
按伺服系統類型不同,數控機床可以分為開環控制系統數控機床、閉環控制系統數控機床和半閉環控制系統數控機床三類。
1.開環控制系統
數控裝置根據輸入的數據和指令值,經過運算發出輸出脈沖列,送到步進電動機,使其轉過一定的角度,帶動絲杠螺母使工作臺(或刀具)移動一定的距離。這種沒有信號反饋和位置檢測,也不將被控制量的實際值和指令值進行比較的系統叫開環控制系統,如圖1-5所示。圖1-5開環控制系統
2.閉環控制系統
此類數控系統不僅根據輸入的指令要求,發出指令值使機床運動,而且通過測量裝置檢測出工作臺與刀具之間的相應位移的實際值,將實際值與指令值進行比較,用差值進行控制,直到差值等于零為止。閉環控制系統如圖1-6所示。圖1-6閉環控制系統
3.半閉環控制系統
這種控制系統也是有差控制系統的一種,它的特點是對齒輪或絲杠旋轉的轉角進行測量,然后推算出線性位移量,再將此實際值與指令值進行比較,用差值進行控制。由于機床不完全包括在內,因而叫半閉環控制系統,如圖1-7所示。圖1-7半閉環控制系統1.3.4按數控機床系統的功能劃分
1.經濟型數控機床
此類數控裝置主要采用低檔計算機,如單板機組成,僅具有進給控制的功能,其人機界面是小鍵盤與LED顯示屏。此類機床采用步進電機進給驅動,一般為二軸聯動,價位在每臺1萬元以下,在線切割機及車床上曾廣泛應用。隨著與計算機技術有關的器件的性價比大幅上升,此類數控裝置現在已基本上被淘汰。
2.普及型數控機床
此類數控裝置由中高檔工業計算機或嵌入式計算機、多個單片機系統、智能運動控制卡及內嵌式PLC等組成,其人機界面采用CRT或LCD顯示屏,已配備完整的操作面板。此類機床可采用步進電機開環進給驅動系統,也可采用直—交流伺服的半閉環系統;一般可三軸或三軸半聯動,精度為0.01mm,進給速度為5m/min以下,國產機床的價位在每臺1~4萬元之間,引進機床的價位在每臺10萬元左右。
3.全功能高檔型數控機床
此類機床的數控裝置及人機界面的性能略高于普及型的。與普及型數控機床相比,主要區別在于采用直—交流伺服的全閉環系統,并可實現三軸以上的聯動,精度為0.001mm,進給速度可達10m/min以上,國產機床的價位在每臺10萬元以上,引進機床的價位在每臺20~30萬元左右。
1.4數控機床的特點與發展方向
1.4.1數控機床的特點
數控機床與普通機床比較具有以下優點:
(1)自動化程度高,具有很高的生產效率。數控機床主軸轉速和工作進給速度比普通機床要大得多,快速定位和換刀等輔助時間短,冷卻和排屑等都可以控制。主軸輸出扭矩[JP2]大,切削去除量可達300~450cc/min。特別是近幾年來,由于電主軸、直線電機等高新技術的應用,高速機床主軸轉速都在30000r/min以上,快速移動時的進給速度在100m/min以上;換刀速度國外已達T-T0.9s,1.3,配上內冷等先進刀具,極大地改善了切削條件,為加工中心高效運行提供了堅實的基礎。目前,日本的超高數控立式銑床的主軸最高轉速達100000r/min,換刀時間可低至0.9s(刀到刀)和2.8s(切削到切削),工作臺(托盤)交換速度低至6.3s。
此外,數控機床一般采用通用夾具或組合夾具,而且加工過程中能進行自動換刀,減少了輔助時間。目前,數控機床正向高速、復合加工方向發展,這些都極大地提高了零件的加工效率。
(2)對加工對象改造的適應性強,尤其適合于復雜型面工件的加工。數控加工的特點是柔性,工件發生變化,只要改變加工程序即可。另外,不論工件多么復雜,只要能編寫出相應的加工程序,就可以實現加工,特別是在曲線加工和型腔加工中,數控加工的優點更是普通機床無法比擬的,比普通機床有更大的適應性。
(3)加工精度高,質量穩定。數控機床本身的精度高,而且在操作過程中沒有人的干預,所以消除了人為的操作誤差。數控加工通常采用工序集中的原則,在加工過程中,減少了工件多次裝夾對加工精度的影響。數控機床加工精度在0.005~0.01mm之間,可生產重復精度僅為幾微米的表面光潔度的工件。目前,數控機床重復定位精度已精確到1μm,即將進入亞微米時代。
(4)易于建立與計算機間的通信聯絡,容易實現群控。信息通信技術的應用,使現代數控機床自動化程度進一步提高,操作者可以通過網絡等手段對機床進行遠程程序修改、故障診斷,對其運行狀態進行監控,實現數控加工全過程的網絡控制。
(5)改善勞動條件,減輕操作者的勞動強度。數控機床車間的工作環境比較好,從事數控機床操作的工人,只要正確裝夾工件,掌握正常操作順序就可以使機床正常加工。比起普通機床操作,其勞動強度大大減輕了。同時,由于數控機床一般具備自動排屑、全封閉防護等裝置,因此工作環境得以大大改善。1.4.2數控機床的發展方向
目前,現代數控機床大致向以下幾個方面發展。
1.高速、高精度化
要提高機械加工的生產率,其中最主要的方法就是提高速度,但是這樣做會降低加工精度。現代數控機床在提高加工速度的同時,也在進行高精度化,目前在0.1μm的最小設定單位內,進給速度可達24m/min。要做到這一點,應對機械和數控系統提出更高的要求。
(1)機械方面。主要是機床主軸要高速化;提高主軸和機床機械結構的動、靜態剛度;采用能承受高速的機械零件,如采用陶瓷球的滾珠軸承等。
(2)數控系統方面。主要是提高計算機的運算速度。現代數控系統已從16位的CPU升級到普遍采用的32位的CPU,主機頻率由5MHz提高到20~33MHz;有的系統還制造了插補器的專用芯片,以提高插補速度;有的采用了多CPU系統,減輕主CPU的負擔,以進一步提高控制速度。
(3)伺服系統方面。
①采用數字伺服系統,使伺服電動機的位置環、速度環的控制都實現數字化。例如,FANUC15系列數控機床采用專用的數字、信號處理器:位置指令輸入后,此指令與從脈沖編碼器來的位置信息,以及檢出的電動機電流信息一起,在專用的微處理器芯片內,進行控制位置、速度和電動機電流的運算,最后向功率放大器發出指令,以達到對電動機的高速、高精度的控制。②采用現代控制理論提高跟隨精度。當數控系統發出位置指令后,由于機械部分不能很快響應而會產生滯后現象,影響加工精度。現代控制理論中有各種算法能夠實現高速和高精度的伺服控制,但是,由于它們的計算方法太復雜,以往的計算機運算速度不夠,因此很難實現。現在,計算機的運算速度和存儲容量迅速增大,有時還可采用專用芯片的辦法,使復雜的計算能夠在線實現,使得滯后量減少很多,提高了跟隨精度。③采用高分辨率的位置編碼器。一般交流伺服電動機軸上裝有回轉編碼器(脈沖發生器),用來檢測電動機的角位移。顯然,編碼器的分辨率越高,則電動機轉動角位移就越精確。現代高分辨率位置編碼器對絕對位置的測量可達163840脈沖/轉。
④采用的數控系統能實現多種補償功能,提高數控機床的加工精度和動態特性。數控系統的補償功能主要用來補償機械系統帶來的誤差。
2.高可靠性
提高數控系統的可靠性,可大大降低數控機床的故障率。新型數控系統大量使用大規模和超大規模集成電路,還采用專用芯片提高集成度,以及使用表面封裝技術等,減少元器件數量和它們之間的連線和焊點數目,從而大幅度降低了系統的故障率。
此外,現代數控系統還具有人工智能(AI)功能的故障診斷系統,即把專家們所掌握的各種故障原因及其處置方法作為知識庫儲存到計算機的存儲器中,以知識庫為依據來開發軟件,分析并查找故障原因。通過回答顯示器提出的簡單問題,此系統就能和專家一樣診斷出機床的故障原因,并且提出排除故障的方法。
3.CNC系統的智能化
由于CNC系統使用的計算機容量越來越大,運算速度越來越快,使得CNC系統不僅能完成機床的數字控制功能,而且還可以充分利用軟件技術,使系統智能化,給操作者以更大的幫助。例如,可將迄今為止必須由編程員決定的零件的加工部位、加工工序、加工順序等,交由CNC系統自動決定。操作者只要將加工形狀和必要的毛坯形狀輸進CNC系統,就能自動生成加工程序。這樣,NC加工的編程時間大為縮短,即使經驗不足的操作者也能進行操作。
CNC系統如何與人工智能技術結合尚待發展。除了上述在故障診斷和編程方面的應用外,還有更大的領域留待我們去探索。
4.具有更高的通信功能
越來越多的工廠希望將多臺數控機床組成各種類型的生產線或者DNC系統,這就要求提高CNC系統的聯網能力。一般CNC系統都具有RS232和RS422遠距離串行接口,可以按照用戶的格式要求,與同一級計算機進行多種數據交換。
5.多功能化
配有自動換刀機構(刀庫容量可達100把以上)的各類加工中心,能在同一臺機床上同時實現銑削、鏜削、鉆削、車削、鉸孔、擴孔、攻螺紋等多種工序加工。現代數控機床還采用了多主軸、多面體切削,即同時對一個零件的不同部位進行不同方式的切削加工。
6.控制系統小型化和數控系統小型化
這便于將機、電裝置結合為一體。
1.5數控機床的坐標系統與原點偏置
1.5.1坐標系及運動方向的規定
1.機床相對運動的規定
在機床上,應始終認為工件是靜止的,而刀具是運動的。
這樣,編程人員在不考慮機床上工件與刀具具體運動的情況下,就可以依據零件圖樣,確定機床的加工過程。
2.機床坐標系的規定
標準機床坐標系中,X、Y、Z坐標軸的相互關系用右手笛卡爾直角坐標系決定。
在數控機床上,機床的動作是由數控裝置來控制的,為了確定數控機床上的成形運動和輔助運動,必須先確定機床上運動的位移和運動的方向,這就需要通過坐標系來實現,這個坐標系被稱為機床坐標系。圖1-8立式數控銑床右手笛卡爾直角坐標系規定:
(1)伸出右手的大拇指、食指和中指,并互為90°,則大拇指代表X坐標,食指代表Y坐標,中指代表Z坐標。
(2)大拇指的指向為X坐標的正方向,食指的指向為Y坐標的正方向,中指的指向為Z坐標的正方向。
(3)圍繞X、Y、Z坐標旋轉的旋轉坐標分別用A、B、C表示,根據右手螺旋定則,大拇指的指向為X、Y、Z坐標中任意軸的正向,則其余四指的旋轉方向即為旋轉坐標A、B、C的正向,見圖1-9。圖1-9右手笛卡爾直角坐標系的判定方法
3.運動方向的規定
增大刀具與工件距離的方向即為各坐標軸的正方向。
例如,圖1-10所示為數控車床上兩個運動的正方向。圖1-10機床運動的方向1.5.2坐標軸及其運動方向
1.Z坐標及方向
Z坐標的運動方向是由傳遞切削動力的主軸所決定的,即平行于主軸軸線的坐標軸為Z坐標,Z坐標的正向為刀具離開工件的方向。
如果機床上有幾個主軸,則選一個垂直于工件裝夾平面的主軸方向為Z坐標方向;如果主軸能夠擺動,則選垂直于工件裝夾平面的方向為Z坐標方向;如果機床無主軸,則選垂直于工件裝夾平面的方向為Z坐標方向。
2.X坐標及方向
X坐標平行于工件的裝夾平面,一般在水平面內。確定X軸的方向時,要考慮兩種情況:
(1)如果工件作旋轉運動,則刀具離開工件的方向為X坐標的正方向。
(2)如果刀具作旋轉運動,則分為兩種情況:Z坐標水平時,觀察者沿刀具主軸向工件看時,+X運動方向指向右方;Z坐標垂直時,觀察者面對刀具主軸向立柱看時,+X運動方向指向右方。
3.Y坐標及方向
在確定了X、Z坐標的正方向后,可以根據X和Z坐標的方向,按照右手直角坐標系來確定Y坐標的方向。
例:根據圖1-11所示的數控立式銑床結構圖,試確定X、Y、Z直線坐標。
(1)Z坐標:平行于主軸,刀具離開工件的方向為正。
(2)X坐標:Z坐標垂直,且刀具旋轉,所以面對刀具主軸向立柱方向看,向右為正。
(3)Y坐標:在Z、X坐標確定后,用右手直角坐標系來確定。圖1-11數控立式銑床的坐標及其運動方向
4.附加坐標系
為了編程和加工的方便,有時還要設置附加坐標系。
對于直線運動,通常建立的附加坐標系有:
(1)指定平行于X、Y、Z的坐標軸,可以采用的附加坐標系有第二組U、V、W坐標和第三組P、Q、R坐標。
(2)指定不平行于X、Y、Z的坐標軸,可以采用的附加坐標系有第二組U、V、W坐標和第三組P、Q、R坐標。1.5.3坐標原點
1.機床原點
現代數控機床一般都有一個基準位置,稱為機床原點(machineorign或homeposition)。機床原點是機床制造商設置在機床上的一個物理位置,其作用是使機床與控制系統同步,建立測量機床運動坐標的起始點。它是機床上設置的一個固定點,即機床坐標系的原點。它在機床裝配、調試時就已確定下來,也是數控機床進行加工運動的基準參考點。圖1-12車床的機床原點
1)數控車床的原點
在數控車床上,機床原點一般取在卡盤端面與主軸中心線的交點處,見圖1-12。同時,通過設置參數的方法,也可將機床原點設定在X、Z坐標的正方向極限位置上。
2)數控銑床的原點
在數控銑床上,機床原點一般取在X、Y、Z坐標的正方向極限位置上,見圖1-13。圖1-13銑床的機床原點
2.機床參考點
與機床原點相對應的還有一個機床參考點,它是機床制造商在機床上用行程開關設置的一個物理位置,它與機床的相對位置是固定的,機床出廠之前由機床制造商精密測量確定。機床參考點一般不同于機床原點。一般來說,加工中心的參考點為機床的自動換刀位置。
機床參考點是用于對機床運動進行檢測和控制的固定位置點。
機床參考點的位置是由機床制造廠家在每個進給軸上用限位開關精確調整好的,坐標值已輸入數控系統中。因此,參考點對機床原點的坐標是一個已知數。
通常,在數控銑床上,機床原點和機床參考點是重合的,而在數控車床上,機床參考點是離機床原點最遠的極限點。圖1-14所示為數控車床的參考點與機床原點。圖1-14數控車床的參考點
3.程序原點
對于數控編程和數控加工來說,還有一個重要的點就是程序原點,它是編程人員在數控編程過程中定義在工件上的幾何基準點,有時也稱為工件原點。程序原點一般用G92或G54~G59(對于數控鏜銑床)和G50(對于數控車床設置)寄存器寄存。
4.裝夾原點
除了上述三個基本原點以外,有的機床還有一個重要的原點,即裝夾原點。裝夾原點[JP3]常見于帶回轉(或擺動)工作臺的數控機床或加工中心,一般是機床工作臺上的一個固定點。比如回轉中心,與機床參考點的偏移量可通過測量存入CNC系統的原點偏置寄存器中,供CNC系統原點偏移計算用。圖1-15描述了數控車床和數控鏜銑床的坐標原點及其相互關系。圖1-15數控機床的坐標原點(a)數控車床;(b)數控鏜銑床1.5.4程序原點的設置與偏移
現代CNC系統一般都要求機床回零操作,即機床回到機床原點或機床參考點(不同的機床采用的回零操作方式可能不一樣,但一般都要求回參考點)之后才能啟動。機床參考點和機床原點之間的偏移值存放在機床參數中。回零操作后,機床控制系統進行了初始化,即機床運動坐標X、Y、Z、A、B等顯示(計數器)為零。當工件在機床上固定以后,程序原點與機床參考點的偏移量必須通過測量來確定。現代CNC系統一般都配有工件測量頭,在手動操作下能準確地測量該偏移量,存入G54~G59原點偏置寄存器中,供CNC系統原點偏移計算用。在沒有工件測量頭的情況下,程序原點位置的測量要靠對刀的方式進行。
圖1-16描述了一次裝夾加工三個相同零件的程序其原點與機床參考點之間的關系及偏移計算方法。采用G92實現原點偏移的有關指令如下:N1
G90
/*絕對坐標編程,刀具位于機床參考點
N2
G92X6.0Y6.0Z0
/*將程序原點定義在第一個零件上的工件原點W1處加工第一個零件
N8
G00X0Y0
/*快速回程序原點
N9
G92X4.0Y3.0
/*將程序原點定義在第二個零件上的工件原點W2處
/*加工第二個零件
N13
G00X0Y0
/*快速回程序原點
N14
G92X4.5Y-1.2
/*將程序原點定義在第三個零件上的工件原點W3
/*處加工第三個零件……圖1-16機床參考點向多程序原點的偏移
采用G54~G59實現原點偏移的方法如下。
首先設置G54~G56原點偏移寄存器:
對于零件1:G54
X-6.0
Y-6.0
Z0
對于零件2:G55
X-10.0
Y-9.0
Z0
對于零件3:G56
X-14.5
Y-7.8
Z0
然后調用指令:
N1
G90
G54
/*加工第一個零件
N7
G55
/*加工第二個零件
N10
G56
/*加工第三個零件顯然,對于多程序原點偏移,先采用G54~G59原點偏移寄存器寄存所有程序原點與機床參考點的偏移量,然后在程序中直接調用G54~G59進行原點偏移是很方便的。
采用程序原點偏移的方法還可以實現零件的空運行試切加工,方法是將程序原點向刀軸(Z軸)方向偏移,使刀具在加工過程中抬起一個安全角度。1.5.5絕對坐標編程及增量坐標編程
在加工程序中,絕對尺寸指令和增量尺寸指令有兩種表達方法。
絕對尺寸指機床運動部件的坐標尺寸值相對于坐標原點給出,如圖1-17所示。增量尺寸指機床運動部件的坐標尺寸值相對于前一位置給出,如圖1-18所示。編程時要根據零件的加工精度要求及編程方便與否選用坐標類型。在數控程序中絕對坐標與增量坐標可單獨使用,也可在不同程序段中交叉設置使用。對于數控車床,還可以在同一程序段中混合使用這兩種方法,使用原則主要看何種方式編程更方便。圖1-17絕對尺寸圖1-18增量尺寸數控銑床或加工中心大都以G90指令設定程序中X、Y、Z坐標值為絕對值;用G91指令設定X、Y、Z坐標值為增量值,圖1-19所示為刀具路線分別用絕對坐標與增量坐標編程的示例,編程指令如下。
G90絕對方式指令:G91增量方式指令:
G90
X50.0
Y50.0;G91
X-20.0
Y30.0;
X-60.0
Y30.0;
X-110.0
Y-20.0;
(X-60)Y-50.0;X0
Y-80.0;
X-20.0
Y-30.0;X40.0
Y20.0;
X50.0
Y-60.0;X70.0
Y-30.0;指令中,括號內的內容可以省略。一般數控車床上絕對值的坐標以地址X、Z表示;增量值的坐標以地址U、W分別表示X、Z軸向的增量。X軸向的坐標不論是絕對值還是增量值,一般都用直徑表示(稱為直徑編程,這樣會給編程帶來方便,這時刀具實際的移動距離是直徑值的一半)。圖1-19絕對坐標與增量坐標編程示例
1.6現代數控加工的補償
1.6.1刀具長度補償
刀具長度是一個很重要的概念。我們在對一個零件編程的時候,首先要指定零件的編程中心,然后才能建立工件編程坐標系,而此坐標系只是一個工件坐標系,零點一般在工件上。刀具長度補償只和Z坐標有關,Z坐標的零點不像X、Y平面內的編程零點那樣,因為刀具是由主軸錐孔定位而不改變。每一把刀的長度都是不同的。例如,我們要鉆一個深為50mm的孔,然后攻絲深為45mm,分別用一把長為250mm的鉆頭和一把長為350mm的絲錐。先用鉆頭鉆孔深50mm,此時機床已經設定工件零點,當換上絲錐攻絲時,如果兩把刀都從設定零點開始加工,則絲錐因為比鉆頭長而會攻絲過長,損壞刀具和工件。此時如果設定刀具補償,即把絲錐和鉆頭的長度進行補償,則機床零點設定之后,即使絲錐和鉆頭長度不同,也會因補償的存在,在調用絲錐工作時,Z坐標零點自動向+Z(或Z)移動,補償了絲錐的長度,保證了加工零點的正確。刀具長度補償是通過執行G43(G44)和H指令來實現的,同時我們給出一個Z坐標值,這樣刀具在補償之后移動到距工件表面距離為Z坐標值的地方。指令G49用于取消G43(G44)指令,一般不必使用這個指令,因為每把刀具都有自己的長度補償,當換刀時,利用G43(G44)或H指令賦予當前刀具的刀長補償值后,前一把刀具的長度補償會自動取消。圖1-20刀具長度補償
(a)車刀刀具長度;(b)棒銑刀刀具長度;(c)球形刀刀具長度刀具長度補償有兩種方式。第一種方式是用刀具的實際長度作為刀長的補償值(推薦使用這種方式)。使用刀長作為補償就是使用對刀儀測量刀具的長度,然后把這個數值輸入到刀具長度補償寄存器中,作為刀長補償。使用刀具長度作為刀長補償的理由如下:
首先,使用刀具長度作為刀長補償,可以避免在不同的工件加工中不斷地修改刀長偏置。這樣,一把刀具用在不同的工件上也不用修改刀長偏置。在這種情況下,可以按照一定的刀具編號規則,給每一把刀具作檔案,用一個小標牌寫上每把刀具的相關參數,包括刀具的長度、半徑等資料。事實上許多大型機械加工型企業對數控加工設備的刀具管理都采用這種辦法。這對于那些專門設有刀具管理部門的公司來說,就用不著和操作工面對面地告訴刀具的參數了,同時即使因刀庫容量原因把刀具取下來,等下次重新裝上時,只需根據標牌上的刀長數值作為刀具長度補償即可,而不需再進行測量。其次,使用刀具長度作為刀長補償,可以讓機床一邊加工運行,一邊在對刀儀上進行其他刀具的長度測量,而不必因為在機床上對刀而占用機床運行時間,這樣可以提高加工中心的效率。當主軸移動到編程Z坐標點時,補償值就是主軸坐標加上(或減去)刀具長度補償后的Z坐標數值。另一種方式是利用刀尖在Z方向上與編程零點的距離值(有正負之分)作為補償值。這種方法適用于機床只有一個人操作而沒有足夠的時間來用對刀儀測量刀具的長度的場合。這樣做就使得當用一把刀加工另外的工件時,需要重新設置刀長補償。使用這種方法進行刀長補償時,補償值就是主軸從機床Z坐標零點移動到工件編程零點時的刀尖移動距離,因此此補償值總是負值,而且很大。1.6.2刀具半徑補償
使用刀具長度補償,在編程時基本上不用考慮刀具的長度,而有了刀具半徑補償,在編程時也可以不用考慮刀具的直徑大小。刀長補償對所有的刀具都適用,而刀具半徑補償則一般只用于銑刀類刀具。當用銑刀加工工件的外輪廓或內輪廓時,就可用刀具半徑補償;當用端面銑刀加工工件的端面時則不能用刀具半徑補償。因為刀具半徑補償是一個比較難以理解和使用的指令,所以在編程中很多人不愿使用它。但是一旦理解和掌握了它,使用起來將給編程和加工帶來很大的方便。例如,當編程者準備編寫用銑刀加工一個工件的外形的程序時,首先要根據工件的外形尺寸和刀具的半徑細致地計算坐標值,以明確刀具中心所走的路線。此時所用的刀具半徑是所用銑刀的半徑值,但如果編完程序后發現所用銑刀不太適合,要換用其他直徑的刀具,此時編程員就要重新計算刀具中心所走的路線的坐標值。這對于一個簡單的工件來說問題不太大,但對于外形復雜的模具來說,重新計算則非常困難。一個工件的外形加工分粗加工和精加工,經過粗加工,工件外形尺寸發生了變化,接下來要計算精加工的刀具中心坐標值,工作量較大。此時如果使用刀具半徑補償,這些麻煩就都迎刃而解了。我們可以忽略刀具半徑,而根據工件尺寸進行編程,然后把刀具半徑作為半徑補償放在半徑補償寄存器里。這樣,無論臨時更換銑刀也好,進行粗精加工也好,只需更改刀具半徑補償值,就可以控制工件外形尺寸的大小,而程序基本不用修改。刀具半徑補償如圖1-21所示。圖1-21刀具半徑補償
(a)外輪廓刀補;(b)內輪廓刀補刀具半徑補償是通過指令G41、G42來完成的。補償有兩個方向,即沿刀具切削進給方向的垂直方向的左面或右面進行補償,符合左、右手定則。G41是左補償,符合左手定則;G42是右補償,符合右手定則,如圖1-22所示。在使用G41、G42進行刀具半徑補償時,應特別注意使補償有效的刀具移動方向與坐標的確定。圖1-22刀具半徑補償指令
(a)刀具半徑左補償;(b)刀具半徑右補償1.6.3夾具偏置補償
刀具長度補償和半徑補償讓編程者可以不用考慮刀具的長短和大小,即夾具偏置補償可以讓編程者不必考慮工件夾具的位置。當一臺加工中心加工小的工件時,一次可以裝夾幾個工件,編程者不用考慮每一個工件在編程時的坐標零點,而只需按照各自的編程零點進行編程,然后使用夾具偏置來移動機床在每一個工件上的編程零點即可。夾具偏置是使用夾具偏置指令G54~G59來執行的。還有一種方法就是使用G92指令設定坐標系,即當一個工件加工完成之后,加工下一個工件時使用G92來重新設定新的工件坐標系。
上面是在數控加工中常用的三種補償,它給我們的編程和加工帶來了很大的方便,能大大提高工作效率。
1.7數控程序常用指令及格式
1.7.1程序段的一般格式
數控程序是由為使機床運轉而給予數控裝置的一系列指令的有序集合所構成的。這些指令使刀具按直線、圓弧或其他曲線運動,控制主軸的回轉及停止、切削液的開關、自動換刀裝置和工作臺自動交換裝置的動作等。
程序由程序段(Block)組成,每個程序段由字(word)和“;”所組成。字是由地址符和數值所構成的,如X(地址符)100.0(數值)、Y(地址符)50.0(數值)。程序由程序號、程序段號、準備功能、尺寸字、進給速度、主軸功能、刀具功能、輔助功能、刀補功能等構成。圖1-23數控程序結構示意圖一般情況下,一個基本的數控程序由以下幾個部分組成:
(1)程序起始符,一般為“%”、“$”等,不同的數控機床起始符可能不同,應根據具體的數控機床說明使用。程序起始符單列一行。
(2)程序名,單列一行,有兩種形式:一種是以規定的英文字母(通常為O)為首,后面接若干位數字(通常為2位或者4位),如O0600,也可稱為程序號;另一種由英文字母、數字和符號“-”混合組成,比較靈活。程序名具體采用何種形式由數控系統決定。(3)程序主體,由多個程序段組成。程序段是數控程序中的一句,單列一行,用于指揮機床完成某一個動作。每個程序段又由若干個程序字(word)組成,每個程序字表示一個功能指令,因此又稱為功能字,它由字首及隨后的若干個數字組成(如X100)。字首是一個英文字母,稱為字的地址,它決定了字的功能類別。一般字的長度和順序不固定。在程序末尾一般有程序結束指令,如M30,用于停止主軸、冷卻液和進給,并使控制系統復位。
(4)程序結束符,即程序結束的標記符,一般與程序起始符相同。1.7.2常用的編程指令
數控程序的指令由一系列的程序字組成,而程序字通常由地址(address)和數值(number)兩部分組成,地址通常是某個大寫字母。數控程序中的地址代碼意義如表1-1所示。表1-1數控程序中的地址代碼意義
數控程序中的每一個指令都有固定的格式,使用不同的數控機床,其指令格式也不同,因此需要按照該數控機床的指令格式來編寫數控指令。一般的數控機床可以選擇公制單位毫米(mm),或者英制單位英寸(inch)為數值單位。公制可以精確到0.001mm,英制可以精確到0.0001inch,這也是一般數控機床的最小移動量。表1-2列出了一般數控機床所能輸入的指令數值范圍,而數控機床實際使用范圍受到機床本身的限制,因此需要參考數控機床的操作手冊而定。例如表中X軸可以移動±99999.999mm,但實際上數控機床的X軸行程可能只有650mm,進給速率F最大可輸入100000.0mm/min,但實際上數控機床的進給速率可能限制在3000mm/min以下。因此在編制數控程序時,一定要參考數控機床的程序員編程說明書。表1-2數控機床所能輸入的指令數值范圍
下面簡要介紹各種數控指令的用法。
1.順序號字
順序號字也稱程序段號,在程序段之首,以字母N開頭,其后為一個2~4位的數字。需要注意的是,數控程序是按程序段的排列次序執行的,與順序段號的大小無關,即程序段號實際上只是程序段的名稱,而不是程序段執行的先后次序。
2.準備功能字
準備功能字以字母G開頭,后接一個兩位數字,又稱為G指令。它是控制機床運動的主要功能類別。常用的G指令有以下幾種。
(1)G00:快速點定位,即刀具快速移動到指定坐標,用于刀具在非切削狀態下的快速移動,其移動速度取決于機床本身的技術參數。如刀具快速移動到點(100,100,100)的指令格式為
G00X100.0Y100.0Z100.0
(2)G01:直線插補,即刀具以指定的速度直線運動到指定的坐標位置,是進行切削運動的兩種主要方式之一。如刀具以250mm/min的速度直線插補運動到點(100,100,100)的指令格式為
G01X100.0Y100.0Z100.0F250(3)G02、G03:順時針和逆時針圓弧插補,即刀具以指定的速度圓弧運動到指定的位置。G02/G03有兩種表達格式。一種為半徑格式,使用參數值R,如G02X100Y100Z100R50F250表示刀具以250mm/min的速度沿半徑50的順時針圓弧運動至終點(100,100,100)。其中R值的正負影響切削圓弧的角度,R值為正時,刀位起點到刀位終點的角度小于或等于180°;R值為負時,刀位起點到刀位終點的角度大于或等于180°。另一種為向量格式,使用參數I、J、K給出圓心坐標,并以相對于起始點的坐標增量表示。例如G02X100Y100Z100I50J50K50F250表示刀具以250mm/min的速度沿一順時針圓弧運動至點(100,100,100),該圓弧的圓心相對于起點的坐標增量為(50,50,50)。(4)G90、G91:絕對指令/增量指令。其中G90指定NC程序中的刀位坐標是以工作坐標系原點為基準來計算和表達的,而G91則指定NC程序中每一個刀位點的坐標都是以其相對于前一個刀位點的坐標增量來表示的。(5)G41、G42、G40:刀具半徑左補償、右補償和取消半徑補償。用半徑為R的刀具切削工件時,刀軌必須始終與切削輪廓有一個距離為R的偏置。在手工編程中,進行這種偏置計算往往十分麻煩。如果采用G41、G42指令,刀具路徑會被自動偏移一個R距離,而編程只要按工件輪廓考慮即可。在G41、G42指令中,刀具半徑是用其后的D指令指定的。所謂左補償,是指沿著刀具前進的方向,刀軌向左側偏置一個刀半徑的距離。(6)G54、G92:加工坐標系設置指令。G54是數控系統上設定的寄存器,其中存放了加工坐標系(一般是對刀點)相對于機床坐標系的偏移量。當數控程序中出現該指令時,數控系統即根據其中存放的偏移量確定加工坐標系。G92是根據刀具起始點與加工坐標系的相對關系確定加工坐標系的指令,其格式示例為G92X20Y30Z40,它表示刀具當前位置(一般為程序起點位置)處于加工坐標系的(20,30,40)處,這樣就等于通過刀具當前位置確定了加工坐標系的原點位置。表1-3
G代碼列表
3.輔助功能字
輔助功能字一般由字符M及隨后的2位數字組成,因此也稱為M指令。它用來指定數控機床輔助裝置的接通和斷開(即開關動作),表示機床各種輔助動作及其狀態。常用的M指令有以下幾種。
(1)M02、M30:程序結束。
(2)M03、M04、M05:主軸順時針轉、主軸逆時針轉、主軸停止轉動。
(3)M08、M09:冷卻液開、關。表1-4
M代碼列表
4.其他功能字
(1)尺寸字:也叫尺寸指令,主要用來指定刀位點坐標位置。如X、Y、Z主要用于表示刀位點的坐標值,而I、J、K用于表示圓弧刀軌的圓心坐標值(參見G02、G03指令中的內容)。
(2)進給功能字:以字符F開頭,因此又稱為F指令,用于指定刀具插補運動(即切削運動)的速度,稱為進給速度,單位是毫米/分鐘(
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網頁內容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
- 4. 未經權益所有人同意不得將文件中的內容挪作商業或盈利用途。
- 5. 人人文庫網僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內容的表現方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內容負責。
- 6. 下載文件中如有侵權或不適當內容,請與我們聯系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 2024年CPBA考試的學習計劃試題及答案
- 詳盡講解2024年銀行春招考試試題及答案
- 2025二手冰箱購銷合同范本
- 2025健身房合作的合同范文
- 跨界藝術融合表演行業深度調研及發展戰略咨詢報告
- 賽事社區服務行業跨境出海戰略研究報告
- 鄉村馬術體驗行業跨境出海戰略研究報告
- 數字銀行增值服務行業跨境出海戰略研究報告
- 鄉間騎行路線行業跨境出海戰略研究報告
- 農村生活垃圾無害化處理行業跨境出海戰略研究報告
- 2025江西南昌市江銅產融社會招聘1人筆試參考題庫附帶答案詳解
- 2024年重慶兩江新區某國有企業招聘筆試真題
- 離婚協議民政局貴州安順(2025年版)
- 心臟驟停后高質量目標溫度管理專家共識2024
- 高校講師個人學術發展計劃
- (一模)2025年廣東省高三高考模擬測試 (一) 卷數學試卷(含官方答案)
- 睪丸切除術課件
- 2025 年陜西省初中學業水平考試仿真摸底卷英語試卷(含解析無聽力部分)
- 職等職級設計理論與實踐
- 中醫藥生物信息學知到課后答案智慧樹章節測試答案2025年春浙江中醫藥大學
- 樹木移植合同范本
評論
0/150
提交評論