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1、数控加工理论与编程技术第一节 、数控机床的基本概念1.1 、数控机床分类数控机床的种类、型号繁多，按机床的运动方式进行分类，现代数控机床可分为点位控制（Position Control）、二维轮廓控制（2D Contour Control）和三维轮廓控制（3D Contour Control）数控机床三大类。点位控制数控机床的数控装置只能控制刀具从一个位置精确地移动到另一个位置，在移动过程中不作任何加工。这类机床有数控钻床、数控镗床、数控冲孔机床等。二维轮廓控制数控机床的数控系统能同时对两个坐标轴进行连续轨迹控制，加工时不仅要控制刀具运动的起点和终点，而且要控制整个加工过程中的走刀路线和速度。
2、二维轮廓控制数控机床也称为两坐标联动数控机床。三维轮廓控制数控机床的数控系统能同时对三个或三个以上的坐标轴进行连续轨迹控制。三维轮廓控制数控机床又可进一步分为三坐标联动、四坐标联动和五坐标联动数控机床。1.2 、数控加工及数控编程数控加工（NC Machining）根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序（简称为数控程序），输入数控系统，控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。数控程序（NC Program）输入NC或CNC机床，执行一个确定的加工任务的一系列指令，称为数控程序或零件程序。数控编程（NC Programming）生成用数控机床进行零件加工的数控程序的
3、过程，称为数控编程。第二节 、数控机床的坐标系统数控机床的坐标系统，包括坐标系、坐标原点和运动方向，对于数控加工及编程，是一个十分重要的概念。每一个数控编程员和数控机床的操作者，都必须对数控机床的坐标系统有一个完整且正确的理解，否则，程序编制将发生混乱，操作时更会发生事故。2.1 、坐标系数控机床的坐标系采用右手直角坐标系，其基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，相对于每个坐标轴的旋转运动坐标为A、B、C。2.2 、坐标轴及其运动方向不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，数控机床的坐标运动指的是刀具相对静止的工件坐标系的运动。（由图1-5、1-6说明）ISO对数控机床的坐标
4、轴及其运动方向均有一定的规定：Z轴定义为平行于机床主轴的坐标轴，如果机床有一系列主轴，则选尽可能垂直于工件装夹面的主要轴为Z轴，其正方向定义为从工作台到刀具夹持的方向，即刀具远离工作台的运动方向；X轴作为水平的，平行于工件装夹平面的坐标轴，它平行于主要的切削方向，且以此方向为主方向；Y轴的运动方向则根据X轴和Z轴按右手法则确定。旋转坐标轴A、B、C相应地在X、Y、Z坐标轴正方向上，按右手螺纹前进方向来确定。2.3 、坐标原点机床原点现代数控机床一般都有一个基准位置（set location），称为机床原点（machine origin 或home position）或机床绝对原点（machin
5、e absolute origin），是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。机床参考点与机床原点相对应的还有一个机床参考点（reference point），它也是机床上的一个固定点，一般不同于机床原点。一般来说，加工中心的参考点为机床的自动换刀位置。程序原点对于数控编程和数控加工来说，还有一个重要的原点就是程序原点（program origin），是编程人员在数控编程过程中定义在工件上的几何基准点，有时也称为工件原点（part origin）。程序原点一般用G92或G54G59（对于数控镗铣床）和G50（对于数控车床）指定。装夹原
6、点除了上述三个基本原点以外，有的机床还有一个重要的原点，即装夹原点（fixture origin）。装夹原点常见于带回转（或摆动）工作台的数控机床或加工中心，一般是机床工作台上的一个固定点，比如回转中心，与机床参考点的偏移量可通过测量存入CNC系统的原点偏移寄存器（origin offset register）中，供CNC系统原点偏移计算用。2.4 、原点偏移（由图1-8说明）现代CNC系统一般都要求机床在回零操作，即使机床回到机床原点或机床参考点之后，通过手动或程序命令（比如G92X0 Y0 Z0）初始化控制系统后，才能启动。机床参考点和机床原点之间的偏移值存放在机床常数中。初始化控制系统是
7、指设置机床运动坐标X，Y，Z，A，B等的显示为零。对于程序员而言，一般只要知道工件上的程序原点就够了，与机床原点、机床参考点及装夹原点无关，也与所选用的数控机床型号无关。但对于机床操作者来说，必须十分清楚所选用的数控机床上上述各原点及其之间的偏移关系。数控机床的原点偏移，实质上是机床参考点向编程员定义在工件上的程序原点的偏移。2.5 、绝对坐标编程及增量坐标编程数控系统的位置/运动控制指令可采用两种编程坐标系统进行编程，即绝对坐标编程（absolute programming）和增量坐标编程（incremental programming）。绝对坐标编程在程序中用G90指定，刀具运动过程中所有
8、的刀具位置坐标是以一个固定的编程原点为基准给出的，即刀具运动的指令数值（刀具运动的位置坐标），与某一固定的编程原点之间的距离给出的。增量坐标编程在程序中用G91指定，刀具运动的指令数值是按刀具当前所在位置到下一个位置之间的增量给出的。第三节 、现代数控机床的刀具补偿为了简化零件的数控加工编程，使数控程序与刀具形状和刀具尺寸尽量无关，CNC系统一般都具有刀具长度和刀具半径补偿功能。前者可使刀具垂直于走刀平面（比如XY平面，由G17指定）偏移一个刀具长度修正值；后者可使刀具中心轨迹在走刀平面内偏移零件轮廓一个刀具半径修正值，两者均是对二坐标数控加工情况下的刀具补偿。在现代CNC系统中，有的已具备三
9、维刀具半径补偿功能。对于四、五坐标联动数控加工，还不具备刀具半径补偿功能，必须在刀位计算时考虑刀具半径。刀具长度补偿也要视情况而定，一般而言，刀具长度补偿对于二坐标和三坐标联动数控加工是有效的，但对于刀具摆动的四、五坐标联动数控加工，刀具长度补偿则无效，在进行刀位计算时可以不考虑刀具长度，但后置处理计算过程中必须考虑刀具长度。3.1 、刀具长度补偿刀具长度补偿可由数控机床操作者通过手动数据输入方式实现，也可通过程序命令方式实现，前者一般用于定长刀具的刀具长度补偿，后者则用于由于夹具高度、刀具长度、加工深度等的变化而需要对切削深度用刀具长度补偿的方法进行调整。在现代CNC系统中，用MDI方式进行
10、刀具长度补偿的过程是：机床操作者在完成零件装夹、程序原点设置之后，根据刀具长度测量基准采用对刀仪测量刀具长度，然后在相应的刀具长度偏置寄存器中，写入相应的刀具长度参数值。当程序运行时，数控系统根据刀具长度基准使刀具自动离开工件一个刀具长度距离，从而完成刀具长度补偿。在加工过程中，为了控制切削深度，或进行试切加工，也经常使用刀具长度补偿。采用的方法是：加工之前在实际刀具长度上加上退刀长度，存入刀具长度偏置寄存器中，加工时使用同一把刀具，而调整加长后的刀具长度值，从而可以控制切削深度，而不用修正零件加工程序。（由图1-11说明）程序命令方式由刀具长度补偿指令G43和G44实现：G43为刀具长度正补
11、偿或离开工件补偿，G44为刀具长度负步长或趋向工件补偿。使用非零的Hnn代码选择正确的刀具长度偏置寄存器号，正补偿将刀具长度值加到指令的轴坐标位置，负补偿则将刀具长度值从指令的轴坐标位置减去。值得进一步说明的是，数控编程员则应记住：零件数控加工程序假设的是刀尖（或刀心）相对于工件的运动，刀具长度补偿的实质是将刀具相对于工件的坐标由刀具长度基准点（或称刀具安装定位点）移到刀尖（或刀心）位置。3.2 、二维刀具半径补偿对于铣削和车削数控加工，尽管二维刀具半径补偿的原理相同，但由于刀具形状和加工方法区别较大，刀具半径补偿方法仍有一定的区别。铣削加工刀具半径补偿在二维轮廓数控铣削加工过程中，由于旋转刀
12、具具有一定的刀具半径，刀具中心的运动轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓，而是偏移零件轮廓表面一个刀具半径值。如果之间采用刀心轨迹编程（cutter centerline programming），则需要根据零件的轮廓形状及刀具半径采用一定的计算方法计算刀具中心轨迹。因此，这一编程方法也称为对刀具的编程（programming the tool）。当刀具半径改变时，需要重新计算刀具中心轨迹；当计算量较大时，也容易产生计算错误。数控系统的刀具半径补偿（cutter radius compensation）就是将计算刀具中心轨迹的过程交由CNC系统执行，编程员假设刀具半径为零，直接根据零件的轮廓形状
13、进行编程，因此，这种编程方法也称为对零件的编程（programming the part），而实际的刀具半径则存放在一个可变成刀具半径偏置寄存器中。在加工过程中，CNC系统根据零件程序和刀具半径自动计算刀具中心轨迹，完成对零件的加工。当刀具半径发生变化时，不需要修改零件程序，只需修改存放在刀具半径偏置寄存器中的刀具半径值或者选用存放在另一个刀具半径寄存器中的刀具半径所对应的刀具即可。（由图1-13说明）铣削加工刀具半径补偿分为刀具半径左补偿，用G41定义，和刀具半径右补偿，用G42定义，使用非零的Dnn代码选择正确的刀具半径偏置寄存器。根据ISO标准，当刀具中心轨迹沿前进方向位于零件轮廓右边时
14、称为刀具半径右补偿；反之称为刀具半径左补偿；当不需要进行刀具半径补偿时，则用G40取消刀具半径补偿。（由图1-14说明）在实际轮廓加工过程中，刀具半径补偿执行过程一般分为三步：a、刀具半径补偿建立刀具由起刀点以进给速度接近工件，刀具半径补偿偏置方向由G41（左补偿）或G42（右补偿）确定。b、刀具半径补偿进行一旦建立了刀具半径补偿状态，则一直维持该状态，直到取消刀具半径补偿为止。c、刀具半径补偿取消刀具撤离工件，回到退刀点，取消刀具半径补偿。车削加工刀尖半径补偿对于车削数控加工，由于车刀的刀尖通常是一段半径很小的圆弧，而假设的刀尖点并不是刀刃圆弧上的一点，因此，在车削锥面、倒角或圆弧时，可能会
15、切削不足或切削过量的现象。因此，当使用车刀来切削加工锥面时，必须将假设的刀尖点的路径作适当的修正，使之切削加工出来的工件能获得正确尺寸，这种修正方法称为刀尖半径补偿。（由图1-17说明）与铣削加工刀具半径补偿一样，车削加工刀尖半径补偿也分为左补偿（G41指令）和右补偿（用G42指令）。与二维铣削加工方法一样，采用刀尖半径补偿时，刀具运动诡计指的不是刀尖，而是刀尖上刀刃圆弧的中心位置，这在程序原点设置时就需要考虑。二维刀具半径补偿仅在指定的二维走刀平面内进行，走刀平面由G17（X-Y平面）、G18（Y-Z平面）和G19（Z-X平面）指定，刀具半径或刀刃半径值则通过调用相应的刀具半径偏置寄存器（用H或D指定）来取得。现代CNC系统的二维刀具半径补偿不仅可以自动完成刀具中心轨迹的偏置，而且还能自动完成直线与直线转接、圆弧与圆弧转接和直线与圆弧转接等尖角过渡功能。3.3 、三维刀具半径补偿若干概念加工表面上切触点坐标及单位矢量（由图1-18说明）刀具类型及刀具参数（由图1-19说明）刀具中心（由图1-19说明）三维刀具补偿原理（由图1-20、1-21、1-22说明）设刀具与加工表面切触点的坐标为，加工表面在点的单位法矢向量为，对于环形刀，其刀心坐标为： 对于端铣刀，其刀心坐标为： 对于球形刀，其刀心坐标为： 需要注意的是：当时，其刀心坐标为： 第四节 、数控编程概述4.1 、
