数控加工技术
数控加工技术
文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
第6章数控铣床编程【教学目标】通过本章节的教学：使学生掌握数控铣床加工程序的编制方法；
数控铣加工的特点；刀具补偿的设置及其他指令代码；固定循环
代码。
【教学重点】编程方法、刀具补偿与固定循环
【教学难点】刀具补偿与固定循环
【教学时数】理论6学时，实验4学时
【课程类型】理论与实验课程
【教学方法】理论联系实际，讲、例、练三结合
【教学内容】
数控铣床加工的特点
数控铣床加工的对象
数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件，还可以加工复杂型面的零件，如凸轮、样板、模具、螺旋槽等。同时也可以对零件进行钻、扩、铰、锪和镗孔加工。
数控铣削机床的加工对象与数控机床的结构配置有很大关系。
立式结构的铣床一般适应用于加工盘、套、板类零件，一次装夹后，可对上表面进行铣、钻、扩、镗、锪、攻螺纹等工序以及侧面的轮廓加工；
卧式结构的铣床一般都带有回转工作台，一次装平后可完成除安装面和顶面以外的其余四个面的各种工序加工，适宜于箱体类零件加工；
万能式数控铣床，主轴可以旋转90°或工作台带着工件旋转90°，一次装夹后可以完成对工件五个表面的加工；
龙门式铣床适用于大型零件的加工。
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。一
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。
数控铣床编程时应注意的问题
·了解数控系统的功能及规格。不同的数控系统在编写数控加工程序时，在格式及指令上是不完全相同的。
·熟悉零件的加工工艺。
·合理选择刀具、夹具及切削用量、切削液。
·编程尽量使用子程序。
·程序零点的选择要使数据计算的简单。
数控铣加工的刀具补偿及其他功能指令
刀具半径补偿 G40，G41，G42
刀具半径补偿指令格式如下：
G17 G41(或G42) G00(或G01) X Y D
或G18 G41(或G42) G00(或G01) X Z D
或G19 G41(或G42) G00(或G01) Y Z D；
G40
(a) (b)
图刀具补偿方向
G41是相对于刀具前进方向左侧进行补偿，称为左刀补。如图所示。这时相当于顺铣。
G42是相对于刀具前进方向右侧进行补偿，称为右刀补。如图所示。这时相当于逆铣。
从刀具寿命、加工精度、表面粗糙度而言，顺铣效果较好，因此G41使用较多。
D是刀补号地址，是系统中记录刀具半径的存储器地址，后面跟的数值是刀具号，用来调用内存中刀具半径补偿的数值。刀补号地址可以有D01-D99共100个地址。其中的值可以用MDI方式预先输入在内存刀具表中相应的刀具号位置上。进行刀具补偿时，要用G17/G18/G19选择刀补平面，缺省状态是XY平面。
G40是取消刀具半径补偿功能，所有平面上取消刀具半径补偿的指令均为
G40。
G40，G41，G42是模态代码，它们可以互相注销。
使用刀具补偿功能的优越性在于：
·在编程时可以不考虑刀具的半径，直接按图样所给尺寸进行编程，只要在实际加工时输入刀具的半径值即可。
·可以使粗加工的程序简化。利用有意识的改变刀具半径补偿量，则可用同一刀具、同一程序、不同的切削余量完成加工。
下面结合图来介绍刀补的运动。
图刀补动作
按增量方式编程：
O0001
N10 G54 G91 G17 G00 M03 G17指定刀补平面（XOY平面）
N20 G41 D01 建立刀补（刀补号为01）
N30 G01 F200
N40
N50
N60
N70 G00 G40 M05 解除刀补
N80 M02
按绝对方式编程：
O0002
N10 G54 G90 G17 G00 M03 G17指定刀补平面（XOY平面）
N20 G41 D01 建立刀补（刀补号为01）
N30 G01 F200
N40
N50
N60
N70 G00 G40 X0 Y0 M05 解除刀补
N80 M02
刀补动作为：
1、启动阶段
2、刀补状态
3、取消刀补
这里特别提醒要注意的是，在启动阶段开始后的刀补状态中，如果存在有两段以上的没有移动指令或存在非指定平面轴的移动指令段，则可能产生进刀不足或进刀超差。其原因是因为进入刀具状态后，只能读出连续的两段，这两段都没有进给，也就作不出矢量，确定不了前进的方向。
刀具长度补偿G43、G44、G49
刀具长度补偿指令格式如下：
格式：G43(G44) Z H
其中： Z为补偿轴的终点值。H为刀具长度偏移量的存储器地址。
把编程时假定的理想刀具长度与实际使用的刀具长度之差作为偏置设定在偏置存储器中，该指令不改变程序就可以实现对Z轴(或X、Y轴)运动指令的终点位置进行正向或负向补偿。
使用G43指令时，实现正向偏置；用G44指令时，实现负向偏置。无论是绝对指令还是增量指令，由H代码指定的已存入偏置存储器中的偏置值在G43时
加，在G44时则是从Z轴(或X、Y轴)运动指令的终点坐标值中减去。计算后的坐标值成为终点。
取消长度补偿指令格式：
G49 Z(或X或Y)
实际上，它和指令G44/G43 Z H00的功能是一样的。G43、G44、G49为模态指令，它们可以相互注销。
下面是一包含刀具长度补偿指令的程序，其刀具运动过程如图所示。
图刀具长度补偿加工
H01=（偏移值）
N10 G91 G00 M03 S500；
N20 G43 H01；
N30 G01 F1000；
N40 G04 P2000；
N50 G00 ；
N60 ；
N70 G01 ；
N80 G00 ；
N90 ；
N100 G01 ；
N110 G04 P2000；
N120 G00 H00；
N130 M05 M03；
由于偏置号的改变而造成偏置值的改变时，新的偏置值并不加到旧偏置值上。例如，H01的偏置值为，H02的偏置值为时
G90 G43 H01 Z将达到
G90 G43 H02 Z将达到
刀具长度补偿同时只能加在一个轴上，下面的指令将出现报警。在必须进行刀具长度补偿轴的切换时，要取消一次刀具长度补偿。
G43 Z H
G43 X H
其他功能指令
1、段间过渡方式指令G09，G61，G64。
(1)准停检验指令G09，G61，G64。
格式：G09；
一个包括G09的程序段在继续执行下个程序段前，准确停止在本程序段的终点。该功能用于加工尖锐的棱角。G09仅在其被规定的程序段中有效。
(2)精确停止检验G61。
格式：G61。
在G61后的各程序段的移动指令都要准确停止在该程序段的终点，然后再继续执行下个程序段。此时，编辑轮廓与实际轮廓相符。
G61与G09的区别在于G61为模态指令。G61可由G64注销。
(3)连续切削方式G64。
格式：G64：
2、简化编程的指令
(1）镜像功能指令G24，G25。
格式：G24 X Y Z
M98 P
G25 X Y Z
例：如图所示的镜像功能程序
图镜像功能
％0003 主程序
N10 G91 G17 M03；
N20 M98 P100；加工①
N30 G24 X0； Y轴镜像，镜像位置为X=0
N40 M98 P100；加工②
N50 G24 X0 Y0； X轴、Y轴镜像，镜像位置为（0，0）N60 M98 P100；加工③
N70 G25 X0；取消Y轴镜像
N80 G24 Y0； X轴镜像
N90 M98 P100；加工④
N100 G25 Y0；取消镜像
N110 M05；
N120 M30；
子程序（①的加工程序）：
％100
N200 G41 G00 D01；
N210
N220 ；
N230 G01 F100；
N240 ；
N250 ；
N260 G03 ；
N270 G01 ；
N280 ；
N290 G00 ；
N300 G40 ；
N310 M99；
(2）缩放功能指令G50、G51
格式：G51 X Y Z P
M98P
G50
例：如图所示的三角形ABC，顶点为A(30，40)，B(70，40)，C(50，80)，若D(50，50)为中心，放大2倍，则缩放程序为
G51 X50 Y50 P2
图缩放功能
执行该程序，将自动计算出A＇、B＇、C＇三点坐标数据为A＇（10，30），B＇（90，30），C＇（50，110）从而获得放大一倍的 A＇B＇C＇。
缩放不能用于补偿量，并且对A、B、C、U、V、W轴无效。
(3）旋转变换指令G68，G69
G68为坐标旋转功能指令，G69为取消坐标旋转功能指令。在XY平面：
格式：G68 X Y P
G69；
例：如图所示的旋转变换功能程序。
图旋转变换功能
%1 主程序
N10 G90 G17 M03；
N20 M98 P100；加工
N30 G68 X0 Y0 P45；旋转45°
N40 M98 P100; 加工②
N50 G69；取消旋转
N60 G68 X0 Y0 P90；旋转则90°
M70 M98 P100；加工③
N80 G69 M05 M30；取消旋转
子程序（①的加工程序）
%100
N100 G90 G01 X20 Y0 F100；
N110 G02 X30 Y0 15；
N120 G03 X40 Y0 15；
N130 X20 Y0-10；
N140 G00 X0 Y0；
N150 M99；
固定循环
概述
孔加工固定循环指令有G73，G74，G76，G80～G89,通常由下述6个动作构成，如图所示，图中实线表示切削进给，虚线表示快速进给。
动作1：X、Y轴定位；
动作2：快速运动到R点（参考点）；
动作3：孔加工；
动作4：在孔底的动作；
动作5：退回到R点（参考点）；
动作6：快速返回到初始点。
固定循环的程序格式包括数据表达形式、返回点平面、孔加工方式、孔位置数据、孔加工数据和循环次数。其中数据表达形式可以用绝对坐标G90和增量坐标G91表示。如图所示，其中图(a)是采用G90的表达形式，图(b) 是采用G91的表达形式。
图孔加工固定循环图固定循环数据形式固定循环的程序格式如下：
G98（或G99）G73(或G74或G76或G80～G89)X Y Z R Q P I J K F L
式中第一个G代码（G98或G99）指定返回点平面，G98为返回初始平面，G99为返回R点平面。第二个G代码为孔加工方式，即固定循环代码G73，G74，G76和G81～G89中的任一个。固定循环的数据表达形式可以用绝对坐标（G90）
和相对坐标（G91）表示，分别如图(a)和图(b)所示。数据形式（G90或G91）在程序开始时就已指定，因此，在固定循环程序格式中可不写出。X、Y为孔位数据，指被加工孔的位置；Z为R点到孔底的距离（G91时）或孔底坐标（G90时）；R为初始点到R点的距离（G91时）或R点的坐标值（G90时）；Q指定每次进给深度（G73或G83时）或指定刀具位移增量（G76或G87时）；P指定刀具在孔底的暂停时间；I、J指定刀尖向反方向的移动量；K指定每次退刀（G76或G87时）刀具位移增量；F为切削进给速度；L指定固定循环的次数。G73、G74、G76和G81～G89、Z、R、P、F、Q、I、J都是模态指令。G80、G01～G03等代码可以取消循环固定循环。
在固定循环中，定位速度由前面的指令速度决定。
钻孔循环
1、高速深孔加工循环 G73
该固定循环用于Z轴的间歇进给，使深孔加工时容易排屑，减少退刀量，提高加工效率。Q值为每次的进给深度，退刀用快速，其值K为每次的退刀量。G73指令动作循环如图所示。
图 G73指令动作
%0073
N10 G92 X0 Y0 Z80
N20 G00
N30 G98 G73 G90 X100 G90 R40 P2 Q-10 K5 G90 Z0 L2 F200
N40 G00 X0Y0 Z80
N50 M02
注意：如果Z、K、Q移动量为零时，该指令不执行。
2、钻孔循环(钻中心孔) G81
G81指令的循环动作如图所示，包括X、Y坐标定位、快进、工进和快速返回等动作。
图 G81指令循环动作
例：钻孔的程序如下
％0081
N10 G92 X0 Y0 Z80
N15 G00
N20 G99 G81 G90 X100 G90 R40 G90 Z0 P2 F200 I2
N30 G90 G00 X0 Y0 Z80
N40 M02
注意：如果Z的移动位置为零，该指令不执行。
3、带停顿的钻孔循环 G82
该指令除了要在孔底暂停外，其它动作与G81相同。暂停时间由地址P给出。此指令主要用于加工盲孔，以提高孔深精度。
%082
N10 G92 X0 Y0 Z80
N15 G00
N20 G99 G82 G90 X100 G90 R40 P2 G90 Z0 F200 I2
N30 G90 G00 X0 Y0 Z80
N40 M02
4、深孔加工循环 G83
深孔加工指令G83的循环动作如图所示，每次进刀量用地址Q给出，其值q 为增量值。每次进给时，应在距已加工面d（mm）处将快速进给转换为切削进给，d是由参数确定的。
图 G83指令循环动作
例：加工某深孔的程序如下
％0083
N10 G92 X0 Y0 Z80
N15 G00
N20 G99 G83 G91 X100 G90 R40 P2 Q-10 K5 Z0 F200 I2；
N30 G90 G00 X0 Y0 Z80
N40 M02
注意：如果Z、Q、K的移动量为零，该指令不执行。
镗孔循环
1、精镗循环 G76
G76指令的循环动作如图所示。精镗时，主轴在孔底定向停止后，向刀尖反方向移动，然后快速退刀，退刀位置由G98和G99决定。这种带有让刀的退刀不会划伤已加工平面，保证了镗孔精度。刀尖反向位移量用地址Q指定，其值只能为正值。Q值是模态的，位移方向由MDI设定，可为±X、±Y中的任一个。
例：精镗孔的程序如下
图 G76指令循环动作
％0076
N10 G92 X0 Y0 Z80
N15 G00
N20 G99 G76 G91 X100 G91 R-40 P2 I-20 G91 Z-40 I2 F200
N30 G00 X0 Y0 Z80
N40 M02
注意：如果Z、Q、K移动量为零，该指令不执行。
2、镗孔循环 G86
G86指令与G81相同，但在孔底时主轴停止，然后快速退回。
％0086
N10 G92 X0 Y0 Z80
N15 G00
N20 G98 G86 G90 X100 G90 R40 Q-10 K5 P2 G90 Z0 F200 I2
N30 G90 G00 X0 Y0 Z80
N40 M02
注意：如果Z的移动位置为零，该指令不执行。
攻螺纹
图 G84指令循环动作
取消固定循环
取消固定循环G80。该指令能取消固定循环，同时R点和Z点也被取消。使用固定循环指令时应注意以下几点：
①在固定循环中，定位速度由前面的指令决定。
②固定循环指令前应使用M03或M04指令使主轴回转。
③各固定循环指令中的参数均为非模态值，因此每句指令的各项参数应写全。在固定循环程序段中，X、Y、Z、R数据应至少指令一个才能进行孔加工。
④控制主轴回转的固定循环（G74、G84、G86）中，如果连续加工一些孔间距较小，或者初始平面到R点平面的距离比较短的孔时，会出现在进入孔的切削动作前主轴还没有达到正常转速的情况，遇到这种情况时，应在各孔的加工动作之间插入G04指令，以获得时间。
⑤用G00～G03指令之一注销固定循环时，若G00～G03指令之一和固定循环出现在同一程序段，且程序格式为
G00 (G02，G03) G X Y Z R Q P I J F L时，按G00(或G02，G03)进行X、Y移动。
⑥在固定循环程序段中，如果指定了辅助功能M，则在最初定位时送出M信号，等待M信号完成，才能进行加工循环。
⑦固定循环中定位方式取决于上次是G00还是G01，因此如果希望快速定位则在上一程序段或本程序段加G00。
数控铣加工编程实例
例加工如图所示孔的钻孔循环程序（设Z轴开始点距工作表面100mm处，切削深度为20mm）。
％0001
N10 G91 G00 S300 M03 相对坐标编程
N20 G99 G81 F200 用G99指令抬刀
到R点
N30 G99 G81 Z-22 R-98
N50 G99 G81 Z-22 R-98
N60 G98 G81 Z-22 R-98 G98指令刀具返回初始点
N70 G80 M05； G80取消固定循环
回0点只移动不加工 N80 M02
例加工如图所示螺纹孔的加工程序（设Z轴开始点距工作表面100mm处，切削深度为20mm）。
①先用G81钻孔
％0101
N10 G91 G00 M03
N20 C98 G81 F100
N30 G98 G81 R-98 L3
N40 G98 G81 R-98
N50 G98 G81 R-98 L3
N60 G80 M05
N70 M02
②再用G84攻螺纹
％0102
N100 G91 G00 M03
N110 G99 G84 F280
N120 G99 G84 R93 L3
N140 G99 G84 R-93 L3
N150 G80 N81 M05
N160 M02
图钻孔循环图螺纹加工循环
例如图所示为某企业生产的自动扶梯的链轮轮廓的示意简图。链轮由24个
齿均布，由图所示的局部放大图中可见，链轮的每一个齿廓都由6个不同曲率半
径的拐点相接而成。
(a)
(b)
图链轮
工艺分析：链轮分成24齿均布，则两齿间的夹角为15°，一个齿形的终点
是下一个齿形的起点。在实际加工中，每铣一个齿后，将坐标系旋转一定的角
度，再继续铣削，降低了编程的工作量。为使程序简化，使用相对坐标指令G91
来旋转坐标系，可以省略每一齿调用子程序的编写。编程时，以加工一个齿形为
基准，一个齿形加工程序的终点作为下一齿形加工的起点，如此循环24次，完
成链轮的加工。使用ф10mm的硬质合金立铣刀进行加工。
数据计算：从图可以看出，用手工计算节点是不现实的，可以使用AutoCAD 绘制。在AutoCAD中使用偏移指令，将链轮正上方的一个齿的轮廓线偏移一个刀具半径值5mm(这样可以不使用刀具半径补偿)，得到如图中双点划线所示图形。标注各交点的坐标和各段圆弧半径，如图所示。
图链轮节点计算
加工坐标原点：
X：链轮的圆心
Y：链轮的圆心
Z：链轮的下表面
加工程序：（略）
实验七：数控铣削的基本编程及加工
一、实验目的
通过对凸轮轮廓的实际编程与加工操作，掌握基本的G代码与M代码的使用，学习手工编程求取各节点的数字处理方法，熟悉数控机床的编程与操作。
二、实验设备
配HNC-21M数控系统的铣床。
三、实验的组织筹划
1、实验前，要求学生预习相关的知识内容，并作相关的实验准备。
2、为保证实验效果，将全班学生分为五组，每组3人，每组安排一名组长负责设备的维护及登记领用工具原材料，清理现场等。
3、实验完成后，要求写出实验总结并完成实验报告。