加工中心编程基础

4.3.1 加工中心编程的特点

加工中心是将数控铣床、数控镗床、数控钻床等机床的功能组合起来，并装有刀库和自动换刀装置的数控机床。立式加工中心主轴轴线(Z轴)是垂直的，适合于加工盖板类零件及各种模具;卧式加工中心主轴轴线(Z轴)是水平的，一般配备容量较大的链式刀库，机床带有一个自动分度工作台或配有双工作台，以便于工件的装卸，适合于工件在一次装夹后，自动完成多面多工序的加工，主要用于箱体类零件的加工。

由于加工中心机床具有上述功能，故在数控加工程序编制过程中，从加工工序的确定、刀具的选择、加工路线的安排，到数控加工程序的编制，都比其他数控机床要复杂一些。

加工中心编程具有以下几个特点。

(1) 首先应进行合理的工艺分析。由于零件加工工序多，使用的刀具种类多，甚至在一次装夹下，要完成粗加工、半精加工与精加工。周密合理地安排各工序加工的顺序，有利于提高加工精度和提高生产效率。

(2) 根据加工批量等情况，决定采用自动换刀还是手动换刀。一般情况下，对于加工批量在10件以上，而刀具更换又比较频繁时，以采用自动换刀为宜。但当加工批量很小而使用的刀具种类又不多时，把自动换刀安排到程序中，反而会增加机床调整时间。

(3) 自动换刀要留出足够的换刀空间。有些刀具直径较大或尺寸较长，自动换刀时要注意避免发生撞刀事故。

(4) 为提高机床利用率，尽量采用刀具机外预调，并将测量尺寸填写到刀具卡片中，以便于操作者在运行程序前，及时修改刀具补偿参数。

(5) 对于编好的程序，必须进行认真检查，并于加工前安排好试运行。从编程的出错率来看，采用手工编程比自动编程出错率要高，特别是在生产现场，为临时加工而编程时，出错率更高，认真检查程序并安排好试运行就更有必要。

(6) 尽量把不同工序内容的程序，分别安排到不同的子程序中。当零件加工工序较多时，为了便于程序的调试，一般将各工序内容分别安排到不同的子程序中，主程序主要完成换刀及子程序的调用。这种安排便于按每一工序独立地调试程序，也便于因加工顺序不合理而做出重新调整。

4.3.2 加工中心编程的基本指令

1. 换刀指令

由于加工中心的加工特点，在编写加工程序前，首先要注意换刀指令的应用。不同的加工中心，其换刀过程是不完全一样的，通常分选刀和换刀两个动作。只有换刀完毕启动主轴后，方可进行下面程序段的加工内容。选刀动作可与机床的加工重合起来，即利用切削时间进行选刀。多数加工中心都规定了固定的换刀点位置，各运动部件只有移动到这个位置，才能开始换刀动作。

刀具选择是把刀库上指定了刀号的刀具转到换刀位置，为下一次换刀做好准备，程序用T指令来实现。在此，用T指令直接更换刀具还是仅仅进行刀具的预选，这必须要在机床数据中确定。

用T指令直接更换刀具(例如铣床中常用的刀具转塔刀架)，或者仅用T指令预选刀具，这一动作的实现要用换刀指令——M06指令才可进行刀具的更换。编程时可使用以下两种换刀指令。

1) G28 Z_ M06 T××

执行本程序段，首先执行G28指令，刀具沿Z轴自动返回参考点，然后执行主轴准停及换刀的动作。为避免执行T功能指令时占用加工时间，与M06写在一个程序段中的T指令是在换刀指令完成后再执行，在执行T功能的辅助时间和加工时间相重合。该程序段执行后，本次所交换的为前段换刀指令执行后转换至换刀刀位的刀具，而本段指定的刀具T××是在下一次交换时使用。

2) G28 Z_ T×× M06

执行本程序段，在Z轴自动返回参考点的同时，刀库也开始转位，然后进行刀具交换，换到主轴上的刀具就是本程序段中T××号刀具。若刀具沿Z轴返回参考点的时间小于T功能的执行时间，则要等到刀库中相应的刀具转到换刀刀位以后才能执行M06。这种方法占用时间较长。

CNC加工中心使用M06进行换刀前，应满足必要的换刀条件，如机床原点复位、冷却液取消、主轴停及其他功能相关的程序功能等，换刀的条件也是换刀程序中不可或缺的部分，建立正确的换刀条件需要多个程序段。

2. 刀具长度补偿指令

当使用不同规格的刀具或刀具磨损后，可通过刀具长度补偿指令补偿刀具长度尺寸的变化，如图4-12所示。长度补偿只和Z坐标有关，它不像X、Y平面内的编程零点，因为刀具是由主轴锥孔定位而不改变，但对于Z坐标的零点就不一样了。每一把刀的长度都是不同的，例如，要钻一个深为50mm的孔，然后攻丝深为45mm，分别用一把长为250 mm的钻头和一把长为350mm的丝锥。先用钻头钻孔深50mm，机床已经设定工件零点，当换上丝锥攻丝时，如果两把刀都从设定零点开始加工，丝锥因为比钻头长而攻丝过长，损坏刀具和工件。如果设定刀具补偿，把丝锥和钻头的长度进行补偿，此时机床零点设定之后，即使丝锥和钻头长度不同，因补偿的存在，在调用丝锥工作时，零点Z坐标已经自动向Z+(或Z-)补偿了丝锥的长度，保证了加工零点的正确。

图4-12 不同刀具的长度偏置

1) 编程格式

对于FANUC系统，刀具长度补偿指令为G43、G44、G49，G43为刀具长度正补偿;G44为刀具长度负补偿;G49为撤销刀具长度补偿指令。

(1) 刀具长度补偿指令的编程格式:

G00(G01)Z H

Z_ 值为编程值，H为长度补偿值的寄存器号码。偏置量与偏置号相对应，由CRT/MDI操作面板预先设置在偏置存储器中。

使用G43、G44指令时，无论用绝对尺寸还是增量尺寸编程，程序中指定的Z轴移动的终点坐标值，都要与H所指定的寄存器中的偏移量进行运算，用G43时相加，用G44时相减，然后把运算结果作为终点坐标值进行加工。G43、G44均为模态代码。

执行G43时:Z实际值=Z指令值+(H××)

执行G44时:Z实际值=Z指令值-(H××)

式中:H××是指编号为××寄存器中的刀具长度补偿量。

例如，程序段N80G43Z56H05中，假如05存储器中值为16，则表示终点坐标值为56+16=72mm。

(2) 刀具长度补偿取消的编程格式:

G00 (G01) G49 Z_ 或G00 (G01) G43/G44 Z_ H00

注意:刀具长度补偿的建立和取消只有在移动指令下才能生效。

2) 加工中心用长度补偿指令设定Z向零点

对于加工中心，由于要用到多把刀具，各刀具长度不一样，刀具长度补偿指令可用于工件坐标系Z向零点设定，分为绝对对刀法和相对对刀法两种。

绝对对刀法是用刀具的实际长度作为刀长的补偿。具体操作过程如下。

(1) 用G54设定工件坐标系时，仅在X、Y方向进行零点偏置，而Z向不进行零点偏置，直接置零。

(2) 将用于加工的T01换上主轴，用块规找正Z向，松紧合适后读取机床坐标系Z值Z1，扣除块规高度后，填入长度补偿值H1中。

(3) 将T2装上主轴，用块规找正，读取Z2，扣除块规高度后填入H2中。

(4) 依次类推，将所有刀具Ti用块规找正，将Zi扣除块规高度后填入Hi中。

(5) 编程时，采用如下方法补偿:

T01 M06;

G90 G54 G00 X0 Y0;

G43 H1 Z100;

……(以下为一号刀具的走刀加工，直至结束)

G91 G28 Z0;(返回Z轴参考点换刀)

T02 M06;

G90 G54 G00 X0 Y0;

G43 H2 Z100;

……(二号刀的全部加工内容)

……;

如图4-13所示，在主轴上安装好各刀具，将各刀具的刀位点移动到工件坐标系的Z0处，将此时显示的机床坐标值输入到各刀具对应的长度补偿存储器中去，作为该刀具的长度补偿值。

图4-13 绝对对刀法和相对对刀法

相对对刀法是通过对刀依次确定每把刀具与工件在机床坐标系中的相互位置关系，具体操作过程如下。

(1) 将刀具长度进行比较，找出最长的刀作为基准刀，进行Z向对刀，并把此时的对刀值C作为工件坐标系的Z值，此时H03=0。

(2) 把T01、T02号刀具依次装上主轴，通过对刀确定A、B的值，作为长度补偿值。

(3) 把确定的长度补偿值填入设定页面，正、负号由程序中的G43、G44来确定，当采用G43时，长度补偿为负值。

这种对刀方法的对刀效率和精度较高，投资少，但工艺文件编写不便，对生产组织有一定影响。

3) 加工中心长度补偿指令应用举例

【例4-1】 加工图4-14所示的两条槽，槽深均为2mm，用刀具长度补偿指令编程。

图4-14 绝对对刀法和相对对刀法应用举例

(1) 确定编程原点位置在工件左下角上表面处。

(2) 确定刀具，选用1号刀具:直径φ12，长120mm;2号刀具:直径φ20，长100mm，不设半径补偿。按刀具参数设置方法，将1号刀具作为基准刀，长度补偿值设为H01=0，2号刀具相对于1号标准刀的长度差值H02=-20，将以上数值输入刀具数据库中。

(3) 编写程序

……

T01 M06; (选用1号刀具φ12)

……

G43 G00 Z30.0 H01; (对1号刀具进行长度补偿，H01=0)

G01 Z-2.0 F100; (下刀到加工深度)

X80.0; (加工宽12mm的槽)

G00 Z150.0;

G49 G53 Z0.0; (1号刀具长度补偿取消，回机床原点准备换2号刀具)

M05; (主轴停)

T02 M06; (选用1号刀具φ20)

G54; (返回工件坐标系)

……

G43 G00 Z30.0 H02; (对1号刀具进行长度补偿，H02=-20)

G01 Z-2.0 F100.;

X80.0; (加工宽20mm的槽)

……

4.3.3 钻、镗固定循环指令

1. 孔加工概述

孔加工是最常见的零件结构加工之一，孔加工工艺内容广泛，包括钻削、扩孔、铰孔、锪孔、攻丝、镗孔等工艺方法。

在CNC铣床和加工中心上加工孔时，孔的形状和直径由刀具选择来控制，孔的位置和加工深度则由程序来控制。

孔加工的主要技术要求有以下几点。

(1) 尺寸精度，配合孔的尺寸精度要求控制在IT6～IT8，精度要求较低的孔一般控制在IT11。

(2) 形状精度，孔的形状精度主要是指圆度、圆柱度及孔轴心线的直线度，一般应控制在孔径公差以内。对于精度要求较高的孔，其形状精度应控制在孔径公差的1/2～1/3。

(3) 位置精度，指各孔距间的误差、各孔的轴心线对端面的垂直度允差和平行度允差等。

(4) 表面粗糙度，孔的表面粗糙度要求一般在Ra12.5～0.4之间。

加工一个精度要求不高的孔很简单，往往只需一把刀具一次切削即可完成;对精度要求高的孔则需要几把刀具多次加工才能完成;加工一系列不同位置的孔需要计划周密、组织良好的定位加工方法。对给定的孔或孔系加工，选择适当的工艺方法显得非常重要。

2. 孔加工固定循环

孔加工是数控加工中最常见的加工工序，加工中心通常都具有能完成钻孔、镗孔、铰孔和攻丝等，动作包括孔位平面定位、快速引进、工作进给、快速退回等，这样一系列典型的加工动作预先编好程序，存储在内存中，用称为固定循环的一个G代码即可完成，该类指令为默态指令，使用其他编程加工孔时，只需给出第一个孔加工的所有参数，接着加工的孔凡是与第一个孔相同的参数均可省略，这样可极大地提高编程效率，从而简化编程工作，也使程序变得简单易读。

FANUC系统加工中心配备的固定循环功能，主要用于孔加工，包括钻孔、镗孔、攻螺纹等，孔加工固定循环指令见表4-3。

表4-3 孔加工固定循环指令

续表

1) 孔加工的动作

孔加工通常包括下列六个基本动作。

动作一:X、Y轴定位，使刀具快速移动到孔加工的位置。

动作二:定位到R点。

动作三:孔加工，以切削进给的方式执行孔加工的动作。

动作四:孔底的动作，包括暂停、主轴准停、刀具移位等。

动作五:退回到R点，继续加工其他孔。

动作六:快速返回到初始点，孔加工完成后返回起始点。

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，如图4-15所示，其中图4-15(a)是采用G90表示，图4-15(b)是采用G91表示。用G90方式时，R与Z一律取相对Z向零点的绝对坐标值;用G91方式时，则R是指自初始面到R面的距离，Z是指自R点所在面到孔底平面的Z向距离。

图4-15 孔加工固定循环动作

2) 孔加工固定循环的通用格式

G X Y Z R P Q F K ;

其中G98是加工完毕后返回初始点，G99是返回R点，如图4-16所示。多孔加工时一般加工最初的孔用G99，最后的孔用G98。

G 是固定循环代码，主要有G73、G74、G76、G81～G89等，属于模态代码。

X_和Y_是孔加工坐标位置。

Z 是孔底位置。G90方式时，表示终点坐标值;G91方式时，Z是指自R点到孔底平面上Z向的距离。

R_是加工时快速进给到工件表面之上的参考点。G91方式时，R是指自初始点到R点的距离;G90方式时，表示终点坐标值。

P_指在孔底的延时时间，G76、G82、G89时有效，P1000为1s。

Q_指在G73、G83中为每次切削深度;在G76、G87中为孔底移动距离。

F_是切削进给速度。

K_是循环次数，K仅在被指定的程序段内有效，表示对等间距孔进行重复钻孔。不写K时视为只加工一次。

并不是每一种孔加工循环的编程都要用到孔加工循环通用格式的所有代码。以上格式中，除K代码外，其他所有代码都是模态代码，只有在循环取消时才被清除。因此，这些指令一经指定，在后面的重复加工中不必重新指定。取消孔加工循环采用代码G80。当固定循环指令不再使用时，应用C80指令取消固定循环，而回复到一般基本指令状态(G01、G02、G03等)，此时固定循环指令中的孔加工数据(如Z点、R点值等)也被取消。另外，如在孔加工循环中出现01组的G代码(如G00、G01)，则孔加工方式也会被自动取消。

3) 孔加工固定循环的高度平面

图4-16 G98/G99指令孔加工固定循环返回平面

在孔加工运动过程中，刀具运动涉及Z向坐标的三个高度平面位置:初始平面高度、R平面高度、钻削深度。孔加工工艺设计时，要对这三个高度位置进行适当选择。

(1) 初始平面高度。

初始平面是为安全点定位及安全下刀而规定的一个平面，用G98指令指定，如图4-16所示。安全平面的高度应能确保它高于所有的障碍物。当使用同一把刀具加工多个孔时，刀具在初始平面内的任意点定位移动应能保证刀具不会与夹具、工件凸台等发生干涉，特别防止快速运动中切削刀具与工件、夹具及机床的碰撞。

(2) R平面高度。

R平面为刀具切削进给运动的起点高度，即从R平面高度开始刀具处于切削状态，用G99指令指定，如图4-16所示。

对于所有的循环指令都应该仔细选择R平面的高度，通常选择在Z0平面上方(1～5 mm)处。考虑到批量生产时，同批工件的安装变换等原因可能引起Z0面高度变化的因素，此时有必要对R点高度重新进行设置。

(3) 孔切削深度。

固定循环中必须包括切削深度，到达这一深度时刀具将停止进给。在循环程序段中以Z地址来表示深度，Z值表示切削深度的终点。

编程中，固定循环中的Z值一定要使用通过精确计算得出的Z向深度，Z向深度计算必须考虑的因素有以下几点:图样标注的孔的直径和深度;绝对或增量编程方法;切削刀具类型和刀尖长度;加工通孔时的工件材料厚度和加工盲孔时的全直径孔深要求;工件上方间隙量和加工通孔时在工件下方的间隙量等。

3. 一般定点钻孔循环指令G81

指令格式:G81 X_ Y_ Z_ R_ F_;

G81主要用于中心钻加工定位孔和一般孔加工，切削进给执行到孔底，然后刀具从孔底快速移动退回，如图4-17所示。

4. 带停顿的钻孔循环指令G82

G82主要用于锪孔、镗阶梯孔。

指令格式:G82 X_ Y_ Z_ R_ P_ F_;

G82动作类似于G81，只是在孔底增加了进给后的暂停动作，如图4-17所示。因此，在盲孔加工中，可减小孔底表面粗糙度值。该指令常用于引正孔加工、锪孔加工。

图4-17 G81/G82指令动作分解

5. 高速啄式钻孔循环指令G73

指令格式:G73 X_ Y_ Z_ R_ Q_ F_;

每次切深为q值，快速后退为d值，变为切削进给继续切入，直至孔底。Z轴方向间歇进给，便于断屑排屑。退刀量d由参数设置。

G73固定循环指令适用于深孔加工，用于Z轴的间歇进给，如图4-18所示。

6. 深孔加工循环指令G83

指令格式:G83 X_ Y_ Z_ R_ Q_ F_;

第一次切入q值，以快速退回到R点平面，从第二次以后切入时，先以快速进给到距上次切入位置d值后，变为切削进给，切入q值后，以快速进给退回到R点平面，直到孔底。

引入量d值由参数设定。G83指令动作分解如图4-18所示。

图4-18 G73/G83指令动作分解

7. 螺纹加工循环指令G74、G84

1) 左旋攻螺纹循环G74

指令格式:G74 X_ Y_ Z_ R_ Q_ F_;

左旋攻螺纹(攻反螺纹)时主轴反转，到孔底时主轴正转，然后工进速度退回。

2) 右旋攻螺纹循环G84

指令格式:G84 X_ Y_ Z_ R_ Q_ F_;

与G74类似，从R点到Z点攻丝时刀具正向进给，主轴正转。到孔底部时，主轴反转，刀具以反向进给速度退出。

G74/G84指令动作分解如图4-19所示。

图4-19 G74/G84指令动作分解

8. 镗孔循环指令G85、G86

1) 粗镗循环G85

指令格式:G85 X_ Y_ Z_ R_ F_;

与G81类似，但返回行程中，从Z～R段为切削进给，该指令属于一般孔镗削加工固定循环指令。

2) 半精镗循环G86

指令格式:G86 X_ Y_ Z_ R_ F_;

与G82类似，进给到孔底，暂停，主轴停转，然后重新转动主轴，快速返回。

常用于精度或粗糙度要求不高的镗孔加工。

9. 精镗循环指令G76

指令格式:G76 X_ Y_ Z_ R_ Q_ P_ F_;

该指令使主轴在孔底准停，主轴停止在固定的回转位置上，向与刀尖相反的方向位移，如图4-20所示，然后退刀，这样不擦伤加工表面，实现高效率、高精度镗削加工。到达返回点平面后，主轴再移回，并起动主轴。

用地址Q指定位移量，Q值必须是正值，即使用负值，负号也不起作用。位移方向由系统参数设置决定。

图4-20 G76指令动作分解

10. 反(背)镗循环指令G87

指令格式:G87 X_ Y_ Z_ R_ Q_ F_;

在孔位定位后，主轴定向停止，然后向刀尖相反方向位移，用快速进给至孔底(R点)定位，在此位置，主轴返回前面的位移量，回到孔中心，主轴正转，沿Z轴正方向加工到Z点。在此位置，主轴再次定向停止，然后向刀尖相反方向位移，刀具从孔中退出。刀具返回到初始平面，再返回一个位移量，回到孔中心，主轴正转，进行下一个程序段动作。

孔底的位移量和位移方向，与G76完全相同。G87指令动作分解如图4-21所示。

11. 孔固定循环指令应用举例

加工如图4-22所示工件四个孔，工件坐标系如图设定。试用固定循环指令编写孔加工程序。

孔加工设计如下。

①引正孔:φ4中心孔钻打引正孔，用G82孔加工循环——T01;

②钻孔:用φ10麻花钻头钻通孔，用G81孔加工循环——T02;

③钻孔:用φ16麻花钻头钻盲孔，用G82孔加工循环——T03。

孔加工程序编制如下:

图4-21 G87指令动作分解

图4-22 孔固定循环指令应用举例

O4001;

G54 G21 G17 G40 G80; (程序初始化)

T01 M06; (T01——φ4中心孔钻打引正孔)

M03 S1200;

G90 G00 X-30.0 Y0; (定位最左边φ16孔)

G43 Z50.0 H01 M08; (刀具长度补偿)

G99 G82 R5.0 Z-9.0 P100 F35; (G82钻第一个φ4孔)

X-10.0; (G82钻第二个φ4孔)

X10.0; (G82钻第三个φ4孔)

X30.0; (G82钻第四个φ4孔)

G80 Z50.0 M09; (钻孔循环取消)

G91 G49 G28 Z0 M05;

M00;

T02 M06; (T02——φ10麻花钻头钻通孔)

M03 S650;

G90 G54 G00 X-10.0 Y0; (左边φ10孔定位)

G43 Z50.0 H02 M08;

G99 G81 R5.0 Z-55.0 F55; (G81钻第一个φ10孔)

X10.0; (G81钻第二个φ10孔)

G80 Z50.0 M09;

G91 G49 G28 Z0 M05;

M00;

T03 M06; (T03——用φ16麻花钻头钻盲孔)

S300 M03;

G90 G54 G00 X-30.0 Y0;

G43 Z50.0 H03 M08;

G99 G82 R5.0 Z-29.0 P100 F40; (G82钻第一个φ16孔)

X30.0; (G82钻第二个φ16孔)

G80 Z50.0 M09;

G91 G49 G28 Z0 M05;

M30;

上例中，φ10孔也可用G73或G83深孔循环来实现。

麻花钻头钻φ10通孔G73编程:

……

G99 G73 R5.0 Z-55.0 Q5 F80;

X10;

……