快速定位与直线插补指令

第三节　快速定位与直线插补指令

【工作任务】

加工如图1-16所示工件，毛坯选用φ40mm×42mm的45钢，试编写其FANUC系统数控车加工程序并进行加工。

图1-16　圆锥帽塞零件示例件

【相关理论】

一、数控加工

1.数控加工的定义

数控加工是指在数控机床上进行自动加工零件的一种工艺方法。数控加工的实质是：数控机床按照事先编制好的加工程序并通过数字控制过程，自动地对零件进行加工。

2.数控加工的内容

数控加工的内容如图1-17所示，主要包括分析图样、工件的定位与装夹、刀具的选择与安装、编制数控加工程序、试切削或试运行、数控加工、工件的验收与质量误差分析等方面的内容。

3.数控加工的特点

与普通机床加工相比，数控加工具有零件的加工精度高、产品质量一致性好、生产效率高、加工范围广和有利于实现计算机辅助制造的优点，缺点是初始投资大，加工成本高，首件加工编程、调试程序和试加工时间长。

图1-17　数控加工流程图

二、数控编程规则

1.小数点编程

数控编程时，数字单位以公制为例分为两种：一种是以毫米为单位，另一种是以脉冲当量即机床的最小输入单位为单位。现在大多数机床常用的脉冲当量为0.001mm。

对于数字的输入，有些系统可省略小数点，有些系统则可以通过系统参数来设定是否可以省略小数点，而大部分系统小数点不可省略。对于不可省略小数点编程的系统，当使用小数点进行编程时，数字以毫米（mm）［英制为英寸（inch），角度为度（deg）］为输入单位，而当不用小数点编程时，则以机床的最小输入单位作为输入单位。

例　从A点（0，0）移动到B点（50，0）有以下三种表达方式：

X50.0

X50.　　　　（小数点后的零可省略）

X50000　　　（脉冲当量为0.001mm）

以上三组数值表示的坐标值均为50mm，50.0与50 000从数学角度上看两者相差了1000倍。因此，在进行数控编程时，不管哪种系统，为保证程序的正确性，最好不要省略小数点的输入。此外，脉冲当量为0.001mm的系统采用小数点编程，其小数点后的位数超过四位时，数控系统按四舍五入处理。例如，当输入X50.1234时，经系统处理后的数值为X50.123。

2.公、英制编程G21/G20

坐标功能字是使用公制还是英制，多数系统用准备功能字来选择，如FANUC系统采用G21/G20来进行公、英制的切换，而SIEMENS系统和A—B系统则采用G71/G70来进行公、英制的切换。其中G21或G71表示公制，而G20或G70表示英制。

例　G91 G20 G01 X50.0；（表示刀具向X轴正方向移动50in）

G91 G21 G01 X50.0；（表示刀具向X轴正方向移动50mm）

公英制对旋转轴无效，旋转轴的单位总是度（deg）。

3.平面选择指令G17/G18/G19

当机床坐标系及工件坐标系确定后，对应地就确定了三个坐标平面，即XY平面、ZX平面和YZ平面，如图1-18所示，其圆在不同的平面内。可分别用G代码G17（XY平面）、G18（ZX平面）和G19（YZ平面）表示这三个平面。

图1-18　平面选择指令

4.绝对坐标与增量坐标

（1）在FANUC车床系统及部分国产系统中，不采用指令G90/G91来指定绝对坐标与增量坐标，而直接以地址符X、Z组成的坐标功能字表示绝对坐标，而用地址符U、W组成的坐标功能字表示增量坐标。绝对坐标地址符X、Z后的数值表示工件原点至该点间的矢量值，增量坐标地址符U、W后的数值表示轮廓上前一点到该点的矢量值。在图1-19里AB与CD轨迹中，其B点与D点的坐标如下：

B点的绝对坐标　X20.0 Z10.0；增量坐标　U-20.0 W-20.0；

D点绝对坐标　X40.0 Z0；增量坐标　U40.0 W-20.0。

图1-19　绝对坐标与增量坐标

（2）SIEMENS系统中，绝对坐标用指令G90表示，增量坐标用G91表示。该两指令可以相互切换，但不允许混合使用。图1-19中的B点与D点坐标如下：

B点的绝对坐标　G90 X20 Z10；增量坐标G91 X-20 Z-20；

D点的绝对坐标　G90 X40 Z0；增量坐标G91 X40 Z-20。

在SIEMENS系统中，除采用G90和G91分别表示绝对坐标和增量坐标外，有些系统（如802D）还可用符号“AC”和“IC”通过赋值的形式来表示绝对坐标和增量坐标，该符号可与G90和G91混合使用。其格式如下：

=AC（　）（绝对坐标，赋值必须要有一个等于符号，数值写在括号中）

=IC（　）（增量坐标）

在图1-19中，B点与D点的混合坐标表示方法如下：

B点的混合坐标　G90 X20 Z=IC（-20）；

D点的混合坐标　G91 X40 Z=AC（0）。

三、基本G指令

1.快速点定位指令（G00）

（1）指令格式　G00 X　Z　；

X　Z　为刀具目标点坐标，当使用增量方式时，X　Z　为目标点相对于起始点的增量坐标，不运动的坐标可以不写。

例　G00 X30.0 Z10.0；

（2）指令说明　G00不用指定移动速度，其移动速度由机床系统参数设定。在实际操作时，也能通过机床面板上的按钮“F0”、“F25”、“F50”和“F100”对G00移动速度进行调节。

快速移动的轨迹通常为折线形轨迹，如图1-20所示，图中快速移动轨迹OA和BD的程序段如下所示：

OA：G00 X20.0 Z30.0；

BD：G00 X60.0 Z0；

对于OA程序段，刀具在移动过程中先在X轴和Y轴方向移动相同的增量，即图中的OB轨迹，然后再从B点移动至A点。同样，对于BD程序段，则由轨迹BC和CD组成。

图1-20　G00轨迹实例

由于G00的轨迹通常为折线形轨迹，因此，要特别注意采用G00方式进、退刀时，刀具相对于工件、夹具所处的位置，以避免在进、退刀过程中刀具与工件、夹具等发生碰撞。

2.直线插补指令（G01）

（1）指令格式　G01 X　Z　F　；

X　Z　为刀具目标点坐标。当使用增量方式时，X　Z　为目标点相对于起始点的增量坐标，不运动的坐标可以不写。

F　为刀具切削进给的进给速度。

例　图1-21中切削运动轨迹CD的程序段为：G01 X40.0 Z0 F0.2；

（2）指令说明　G01指令是直线运动指令，它命令刀具在两坐标轴间以插补联动的方式按指定的进给速度作任意斜率的直线运动。因此，执行G01指令的刀具轨迹是直线形轨迹，它是连接起点和终点的一条直线。

图1-21　G01轨迹实例

在G01程序段中必须含有F指令。如果在G01程序段中没有F指令，而在G01程序段前也没有指定F指令，则机床不运动，有的系统还会出现系统报警。

四、常用M指令

不同的机床生产厂家对部分M指令定义了不同的功能，但对于多数常用的M指令，在所有机床上都具有通用性，这些常用的M指令见表1-4。

表1-4　数控车床常用M指令表

（1）程序停止（M00）　执行M00指令后，机床所有动作均被切断，以便进行某种手动操作，如精度的检测等，重新按循环启动按钮后，再继续执行M00指令后的程序。该指令常用于粗加工与精加工之间精度检测时的暂停。

（2）程序选择停止（M01）　M01的执行过程和M00相似，不同的是只有按下机床控制面板上的“选择停止”开关后，该指令才有效，否则机床继续执行后面的程序。该指令常用于检查工件的某些关键尺寸。

（3）程序结束（M02）　M02程序结束指令执行后，表示本加工程序内所有内容均已完成，但程序结束后，机床CRT显示屏上的执行光标不返回程序开始段。

（4）程序结束（M30）　M30指令的执行过程和M02相似。不同之处在于当程序内容结束后，随即关闭主轴、切削液等所有机床动作，机床显示屏上的执行光标返回程序开始段，为加工下一个工件做好准备。

（5）主轴功能（M03/M04/M05）　M03用于主轴顺时针方向旋转（俗称正转），M04指令用于主轴逆时针方向旋转（俗称反转），主轴停转用指令M05表示。

（6）切削液开、关（M08/M09）　切削液开用M08表示，切削液关用M09表示。

（7）子程序调用指令（M98/M99）　在FANUC系统中，M98规定为子程序调用指令，调用子程序结束后返回其主程序时用M99指令。

在SIEMENS系统中，规定用M17、M02指令或符号“RET”为子程序结束指令。

【任务实施】

1.编程准备

（1）分析零件图样　本任务加工内容较为简单，主要内容为台阶面的切削加工，加工后零件的尺寸精度为0～0.05mm，表面粗糙度达R _a1.6μm。

本例工件的编程较为简单，只需掌握数控编程规则、常用指令的指令格式等理论知识及简单的G00及G01指令即可完成编程。

（2）选择数控机床　本任务选用的机床为CKA6136i型FANUC 0i系统数控车床。

（3）选择刀具、切削用量及夹具　加工本例工件时，选择如图1-22所示95°外圆车刀（刀片材料为硬质合金）进行加工，采用三爪自定心卡盘进行装夹。切削用量推荐值如下：切削速度n=500r/min；进给量f=0.25mm/r；背吃刀量a _p=1～3mm。

图1-22　95°外圆车刀

2.编写加工程序

（1）选择编程原点　如图1-16所示，选择工件右端面的中心作为工件编程原点。

（2）设计加工路线　加工本例工件时，刀具的运动轨迹（分解）见表1-5所示（SA'－A－B－C－D－E－F－G－H－S），S为起刀点。

表1-5　刀具中心在XY平面中的轨迹分解图

续表

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（3）编制数控加工程序　采用基本编程指令编写的数控车加工程序见表1-6。

表1-6　圆锥帽塞实例参考程序

注意

编程完毕后，根据所编写的程序手工绘出刀具在XZ平面内的轨迹，以验证程序的正确性。另外，编程时应注意模态代码的合理使用。

①考虑进刀的安全性，起刀点位置在径向比毛坯直径大1～ 2mm，在轴向距端面1～ 5mm，初学时取较大值。

②为防止过切，并减少毛刺及锐边的产生，考虑沿切线方向切入工件，切入点A位置取在距右端面1～ 2mm处。

③考虑退刀的安全性，以及减少毛刺及锐边的产生，切出点位置在径向比毛坯直径略大。

④加工轨迹中，虚线表示快速移动，用快速点定位指令G00；实线表示切削进给，用直线插补指令G01。

【拓展练习】

练习1：加工如图1-23所示工件，毛坯选用φ40mm×52mm的45钢，试编写其FANUC系统数控车加工程序并进行加工。

图1-23　阶梯锥轴零件

轨迹中各基点坐标如下：

A（16.0，0）　　　B（19.0，-1.5）　 C（19.0，-14.0）

D（23.0，-14.0）　E（25.0，-15.0）　F（25.0，-26.0）

G（32.0，-26.0）　H（37.0，-41.0）　I（40.0，-41.0）

参考加工程序见表1-7。

表1-7　阶梯锥轴参考程序

续表

练习2：分别选择绝对坐标和增量坐标方式并采用G01指令编写图1-24中O点～D点的加工指令，将其填入表1-8中。

图1-24　G01编程实例

表1-8　加工指令