零件加工与程序编制基础

4.1　零件加工与程序编制基础

4.1.1　数控零件加工的特点

数控机床是为了解决复杂、精密、小批多变零件加工的自动化要求而产生的。数控加工是根据被加工零件的图样和工艺要求，编制成以数码表示的程序，输入到机床的数控系统中，以控制刀具与工件的相对运动，从而加工出合格零件的方法。

1．数控加工的优点

（1）柔性好　所谓的柔性即适应性，是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。

（2）加工精度高　数控机床有较高的加工精度，而且数控机床的加工精度不受零件形状复杂程度的影响。

（3）能加工复杂型面　数控加工运动的任意可控性使其能完成普通加工方法难以完成或者无法进行的复杂型面加工。

（4）生产效率高　数控机床的加工效率一般比普通机床高2～3倍，尤其在加工复杂零件时，生产率可提高十几倍甚至几十倍。

（5）劳动条件好　在数控机床上加工零件自动化程度高，大大减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。

（6）有利于生产管理　用数控机床加工，能准确地计划零件的加工工时，简化检验工作，减轻了工夹具、半成品的管理工作，减少了因误操作而出废品及损坏刀具的可能性。这些都有利于管理水平的提高。

（7）易于建立计算机通信网络　由于数控机床是使用数字信息，易于与计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统连接，形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密结合的一体化系统。

2．数控加工的不足之处

（1）数控机床价格较贵，加工成本高，提高了起始阶段的投资。

（2）技术复杂，增加了电子设备的维护，维修困难。

（3）对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，对操作人员的技术水平要求较高。

3．数控机床最适合加工以下零件

（1）几何形状复杂的零件　特别是形状复杂、加工精度要求高或用数学方法定义的复杂曲线、曲面轮廓。

（2）多品种小批量生产的零件　用通用机床加工时，要求设计制造复杂的专用工装或需很长调整时间。在多品种、中小批量生产情况下，采用数控机床生产成本更为合理。

（3）必须严格控制公差的零件。

（4）贵重的、不允许报废的关键零件。

4.1.2　程序编制的基本概念

数控加工程序的编制方法主要有两种：手工编制程序和自动编制程序。

1．数控程序编制的内容及步骤

数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。如图4.1所示，编程工作主要包括：

图4.1　数控程序编制的内容及步骤

2．字符与代码

字符是用来组织、控制或表示数据的一些符号，如数字、字母、标点符号、数学运算符等。数控系统只能接受二进制信息，所以必须把字符转换成8bit信息组合成的字节，用“0”和“1”组合的代码来表达。

在数控加工程序中，字是指一系列按规定排列的字符，作为一个信息单元来存储、传递和操作。字是由一个英文字母与随后的若干位十进制数字组成，这个英文字母称为地址符。

如：“X2500”是一个字，X为地址符，数字“2500”为地址中的内容。

3．字的功能

组成程序段的每一个字都有其特定的功能含义，请遵照机床数控系统说明书来使用各个功能字。

（1）顺序号字N

顺序号又称程序段号或程序段序号。顺序号位于程序段之首，由顺序号字N和后续数字组成。

（2）准备功能字G

准备功能字的地址符是G，又称为G功能或G指令，是用于建立机床或控制系统工作方式的一种指令。

（3）尺寸字

尺寸字用于确定机床上刀具运动终点的坐标位置。

其中，第一组 X，Y，Z，U，V，W，P，Q，R 用于确定终点的直线坐标尺寸；第二组 A，B，C，D，E 用于确定终点的角度坐标尺寸；第三组 I，J，K 用于确定圆弧轮廓的圆心坐标尺寸。在一些数控系统中，还可以用P指令暂停时间、用R指令圆弧的半径等。

（4）进给功能字F

进给功能字的地址符是F，又称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。对于车床，F可分为每分钟进给和主轴每转进给两种，对于其他数控机床，一般只用每分钟进给。F指令在螺纹切削程序段中常用来指令螺纹的导程。

（5）主轴转速功能字S

主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速，单位为r/min。对于具有恒线速度功能的数控车床，程序中的S指令用来指定车削加工的线速度数。

（6）刀具功能字T

刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号。对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用。

（7）辅助功能字M

辅助功能字的地址符是M，后续数字一般为1～3位正整数，又称为M功能或M指令，用于指定数控机床辅助装置的开关动作。

4．程序段格式

程序段是可作为一个单位来处理的、连续的字组，是数控加工程序中的一条语句。一个数控加工程序是由若干个程序段组成的。

4.1.3　数控机床的坐标系

在数控编程时，为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证纪录数据的互换性，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化，ISO和我国都拟订了命名的标准。通过这一部分的学习，能够掌握机床坐标系、编程坐标系、加工坐标系的概念。

1．机床坐标系的确定

（1）机床相对运动的规定

在机床上，我们始终认为工件静止，而刀具是运动的。

（2）机床坐标系的规定

在标准机床坐标系中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型运动和辅助运动，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。

（3）运动方向的规定

增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向。

2．坐标轴方向的确定

（1）Z坐标

Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。

（2）X坐标

X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。确定X轴的方向时，要考虑两种情况：

①如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。

②如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：当Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；当Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。

（3）Y坐标

在确定X、Z坐标的正方向后，可以根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。

3．附加坐标系

为了编程和加工的方便，有时还要设置附加坐标系。

对于直线运动，通常建立的附加坐标系有：

（1）指定平行于X、Y、Z的坐标轴

可以采用的附加坐标系：第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。

（2）指定不平行于X、Y、Z的坐标轴

也可以采用的附加坐标系：第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。

4．机床原点的设置

机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已被确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。

（1）数控车床的原点

在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处，如图4.2所示。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X、Z坐标的正方向极限位置上。

（2）数控铣床的原点

在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上，如图4.3所示。

5．机床参考点

机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。

图4.2　车床的机床原点

图4.3　铣床的机床原点

通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的；而在数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。如图4.4所示为数控车床的参考点与机床原点。

图4.4　数控车床的参考点

当数控机床开机时，必须先确定机床原点，而确定机床原点的运动就是刀架返回参考点的操作，这样通过确认参考点，就确定了机床原点。只有机床参考点被确认后，刀具（或工作台）移动才有基准。

6．编程坐标系

编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。

编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。如图4.5所示，其中O₂即为编程坐标系原点。

图4.5　编程坐标系

编程原点是根据加工零件图样及加工工艺要求选定的编程坐标系的原点。