数控编程及插补算法

数控系统数控编程及插补算法

实验报告

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专业：机械设计制造及其自动化

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时间：第13周星期一3~4节

数控系统数控编程及插补算法实验

一、实验目的

了解数控编程的基本概念；了解数控编程的常用方法；学习数控编程的主要步骤；了解插补算法的原理；了解插补算法在数控系统中的实现。

二、实验原理

数控编程是数控加工准备阶段的主要内容之一，通常包括分析零件图样，确定加工工艺过程；计算走刀轨迹，得出刀位数据；编写数控加工程序；制作控制介质；校对程序及首件试切。有手工编程和自动编程两种方法。总之,它是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。

2.机床坐标系的确定

1．1、机床坐标系的规定

标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。

在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动。在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。

标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定：

1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。

2)大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。

3)围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向。

2.2 编程常用方法

1.手工编程定义手工编程是指编程的各个阶段均由人工完成。利用一般的计算工具，通过各种数学方法，人工进行刀具轨迹的运算，并进行指令编制。

这种方式比较简单，很容易掌握，适应性较大。适用于中等复杂程度程序、计算量不大的零件编程，对机床操作人员来讲必须掌握。

2. 编程步骤

人工完成零件加工的数控工艺

分析零件图纸

制定工艺决策

确定加工路线

选择工艺参数

计算刀位轨迹坐标数据

编写数控加工程序单

验证程序

手工编程

2.3程序格式

一个数控加工程序是若干个程序段组成的。程序段格式是指程序段中的字、字符和数据

的安排形式。程序段格式举例：

N30 G01 X88.1 Y30.2 F500 S3000 T02 M08； N40 X90；（本程序段省略了续效字“G01，Y30.2，F500，S3000，T02，M08”，但它们的功能仍然有效）

在程序段中，必须明确组成程序段的各要素：

移动目标：终点坐标值X、Y、Z；

沿怎样的轨迹移动：准备功能字G；

进给速度：进给功能字F；切削速度：主轴转速功能字S；

使用刀具：刀具功能字T；机床辅助动作：辅助功能字M。

1）程序开始符、结束符程序开始符、结束符是同一个字符，ISO代码中是%，EIA代码中是EP，书写时要单列段。

2）程序名程序名有两种形式：一种是英文字母O和1～4位正整数组成；另一种是由英文字母开头，字母数字多字符混合组成的程序名(如TEST1 等)。一般要求单列一段。3）程序主体程序主体是由若干个程序段组成的。每个程序段一般占一行。

4）程序结束程序结束可以用M02或M30指令。一般要求单列一段。

加工程序的一般格式举例：

% // 开始符

O2000 // 程序名

N10 G54 G00 X10.0 Y20.0 M03 S1000 // 程序主体

N20 G01 X60.0 Y30.0 F100 T02 M08

N30 X80.0 ……

N200 M30 // 程序结束

% // 结束符

3、插补算法

在机床的实际加工中，被加工工件的轮廓形状千差万别，各式各样。严格说来，为了满足几何尺寸精度的要求，刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成。然而，对于简单的曲线，数控装置易于实现，但对于较复杂的形状，若直接生成，势必会使算法变得很复杂，计算机的工作量也相应地大大增加。因此，在实际应用中，常常采用一小段直线或圆弧去进行逼近，有些场合也可以用抛物线、椭圆、双曲线和其他高次曲线去逼近（或称为拟合）。所谓插补是指数据密化的过程。在对数控系统输入有限坐标点（例如起点、终点）的情况下，计算机根据线段的特征（直线、圆弧、椭圆等），运用一定的算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，即所谓数据密化，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，以满足加工精度的要求。

机床数控系统的轮廓控制主要问题就是怎样控制刀具或工件的运动轨迹。无论是硬件数控（NC）系统，还是计算机数控（CNC）系统或微机数控（MNC）系统，都必须有完成插补功能的部分，只是采取的方式不同而已。在CNC或MNC中，以软件（程序）完成插补或软、硬件结合实现插补，而在NC中有一个专门完成脉冲分配计算（即插补计算）的计算装置——插补器。无论是软件数控还是硬件数控，其插补的运算原理基本相同，其作用都是根据给定的信息进行数字计算，在计算过程中不断向各个坐标发出相互协调的进给脉冲，使被控机械部件按指定的路线移动。

有关插补算法问题，除了要保证插补计算的精度之外，还要求算法简单。这对于硬件数控来说，可以简化控制电路，采用较简单的运算器。而对于计算机数控系统来说，则能提高运算速度，使控制系统较快且均匀地输出进给脉冲。

插补的分类：

（1）从实现的方式分，有硬件插补和软件插补，一般，硬件数控的插补模块由数字电路组成，速度较快，但升级不易，柔性较差，称为硬件插补。 CNC数控的插补模块由软件来实现，速度虽然没有硬件插补快，但容易升级，成本也较低廉，称为软件插补。

（2）从产生的数学模型来分，有一次插补器、二次插补器和高次插补器；如直线插补就是一次插补，圆或抛物线插补是二次插补等。

（3）从插补计算输出的数值形式来分，有基准脉冲插补（又称脉冲增量插补）和数据采样插补。

在基准脉冲插补特点是数控装置在每次插补结束后，向相应的运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移，脉冲序列的频率代表了坐标运动速度，脉冲的数量代表运动速度。按基本原理又分为以区域判别为特征的逐点比较法插补，以比例乘法为特征的数字脉冲乘法器插补，以数字积分法进行运算的数字积分插补，以矢量运算为基础的矢量判别法插补，兼备逐点比较和数字积分特征的比较积分法插补，等等。

在CNC系统中，除了可采用上述基准脉冲插补法中的各种插补原理外，还可采用各种数据采样插补方法。

三、实验内容

1、坐标指令

1）G90—绝对坐标指令：表示程序段中的编程尺寸是按绝对坐标给定的。

2）G91—相对坐标指令：表示程序段中的编程尺寸是按相对坐标给定的。

3）G92—坐标系设定的预置寄存指令：当用绝对坐标编程时，需要用G92指令设定机床坐标系和工件坐标系的关系。即：将工件原点的偏置值（例子中为X=-10，Y=-10）通过G92

指令（G92 X-10 Y-10）寄存在数控系统的寄存器中。从而设定了机床原点相对工件坐标系的坐位置。加工前，手动或自动令机床回到原点（刀具的刀位点对准机床原点），当程序运行第一个程序段时，自动将这个偏置值加到第一个程序段的坐标位移指令中去，刀具相对工件运行到第一程序段的终点。使用G92指令可以消除因工件在机床上安装位置不准而引起的加工误差。

4）G17、G18、G19--平面指令：表示加工在某一平面内进行的功能。G17—在XY、G18—在ZX、G19—在YZ，程序段中的坐标地址符的书写应于平面指令一致。G17 GOO X--- Y---，G18 G00 X—Z---。G19 GOO Y--- Z---。

（2）快速定位指令----G00：G00指令刀具相对工件从现在的定位点，以数控系统

预先调定的最大运动速度，快速运动到程序段所指定的下一个定位点。

例：90 G17 G00 X10 Y10 ，现在的定位点O工（执行这一程序段前的刀具位置），下一定位点是A点（X=10，Y=10），刀具相对工件从O工点快速移动到工件坐标系中绝对坐标值为（10，10）的A点。下一定位点还可用相对坐标指定：G91 G17 G00 X20 Y20。

G00程序段中不能指定进给速度F---。

（3）直线插补指令---G01：01指令二个坐标（或三个坐标）已联动的方式，按程

序段中规定的进给速度F---，从现时的位置，直线插补进给到程序段中指定的下一个位置，加工平面（空间）直线。

G01 X30 F100现时位置A（要插补的直线的起点，已知），下一位置B在工件坐标系的绝对坐标值为（X30，Y10）（直线的终点），在程序段中给定。F100为规定的进给速度（必须给定）。下一位置也可用相对坐标给定，G01 X20 F100。

（4）圆弧插补指令---G02、G03：02（G03）G01指令二个坐标已联动的方式，

按程序段中规定的进给速度F---，从现时的位置（圆弧起点），顺时针（逆时针）圆弧插补进给到程序段中指定的下一个位置（圆弧终点），加工圆弧。

编程格式：G90 G17 G02 X--- Y--- I--- J--- F--- LF

G18 X--- Z--- I--- K---

G91 G19 G03 Y--- Z--- J--- K---

给定圆弧的起点、终点以及圆心后，顺时针从起点插补到终点与逆时针从起点插补到终点是两段不同的圆弧，所以需要有G02、G03两个指令来指令圆弧插补的顺逆方向，顺和逆的规定如下：沿垂直于圆弧所在平面的坐标轴的负方向观察，圆弧从起点到终点的运动为顺时针时为顺时针圆弧插补（G02），逆时针时为逆时针圆弧插补（G03）。

有的数控系统还可用圆弧半径R指定圆心坐标。这是，如果圆弧的圆心角小于等于180度，R的值取正，否则，取负。用圆弧插补可加工整圆，这是起点与终点的绝对坐标值相同，相对坐标值为零。

2．数控加工中心直线插补、圆形插补编程；

3．数控加工中心直线插补实际操。

四、实验轮廊图：

五、实验程序

O0001;

N1 G92 X110 Y0 Z20;"设定当前刀具坐标"

N2 G90 G21 G94;

N3 S1000 F1000 M03;

N4 G00 X50 Y0 Z0;"加工外圆"

N5 G01 Z-11;

N6 G03 X50 Y100 R50;

N7 G03 X50 Y0 R50;

N8 G01 Z1;

N9 G00 X55 Y11 Z0;"加工右下角轮廓"

N10 G01 Z-11;

N11 Y40;

N12 G03 X60 Y45 R20;

N13 G01 X90;

N14 G02 X55 Y11 R40;

N15 G01 Z1;

N16 G00 X89 Y55 Z0;"加工右上角轮廓"

N17 G01 Z-11;

N18 X60;

N19 G03 X55 Y60 R20;

N20 G01 Y89;

N21 G02 X89 Y55 R40;

N22 G01 Z1;

N23 G00 X45 Y89 Z0;"加工左上角轮廓"

N24 G01 Z-11;

N25 Y60;

N26 G03 X40 Y55 R20;

N27 G01 X11;

N28 G02 X45 Y89 R40;

N29 G01 Z1;

N30 G00 X11 Y45 Z0;"加工左下角轮廓"

N31 G01 Z-11;

N32 X40;

N33 G03 X45 Y40 R20;

N34 G01 Y11;

N35 G02 X11 Y45 R40;

N36 G01 Z1;

N37 G00 X50 Y45 Z0;"加工中心孔"

N38 G01 Z-11;

N39 G02 X50 Y55 R5;

N40 G02 X50 Y45 R5;

N41 G01 Z1;

N42 G00 X110 Y0 Z20 M05;

N43 M02;

六、实验心得：

通过这次实验，我们学到了很多。不仅了解数控编程的基本概念，也了解数控编程的常用方法；还学会了如何进行数控编程的主要步骤；了解插补算法的几种原理；了解插补算法在数控系统中是如何的实现。对我们的机械专业有了更进一步的了解和认识。为我们接触更深层次的理论知识奠定基础