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1、单元四：圆弧加工程序的编制单元四：圆弧加工程序的编制【单元目标单元目标】掌握圆弧插补指令的格式和用法及其编程的注意事项；掌握圆弧程序的编制方法与技巧；培养学员良好的编程习惯，及分析与解决问题能力。【单元知识单元知识】一圆弧插补指令1.圆的几何要素圆定义为平面上的一段封闭曲线，它上面的所有点到它的圆心的距离都相等。如图 4-1 所示。编程中使用的最重要的元素是圆的圆心、半径和直径。一个象限就是由直角坐标系形成的平面四个部分中的任何一个。如图 4-1 所示，在 090之间为象限。象限是一个圆的主要特征，有时圆弧跨越不止一个象限，但在现代控制系统中可以实现在一个程序段中加工任意长度的圆弧，它几乎没有
2、任何限制。 图 4-1 圆的基本元素2.圆弧插补编程格式圆弧插补的编程格式包括以下几个参数，没有这几个参数几乎不可能完成圆弧的切削，这几个重要参数是：圆弧加工方向（CW 或 CCW）;圆弧起点和终点；圆弧的圆心和半径。1） 圆弧加工方向刀具可沿圆弧的两个方向运动顺时针（CW）和逆时针（CCW）,如图 4-2 所示，这时两个约定俗成的术语。在大多数机床上，通过垂直观看平面内编程运动来定义运动方向，也可采用右手螺旋法则，大拇指指向第三根轴的正方向，四指旋转的方向为正方向（逆时针） 。图 4-2 圆弧方向的定义 2）圆弧插补指令G02顺时针方向圆弧插补 CW ; 模态代码G03逆时针方向圆弧插补 C
3、CW ；模态代码逆着第三轴的方向观察，加工方向为顺时针就使用逆着第三轴的方向观察，加工方向为顺时针就使用 G02 指令，逆时针就用指令，逆时针就用 G03 指令。指令。各平面内圆弧顺逆的判断如图 4-3 所示。图 4-3 三个平面内的圆弧加工方向G02 和 G03 都是模态指令，因此它们一直有效，直到程序结束或由同组的另一指令 （G00、G01）所代替。 3）平面选择指令在右手笛卡尔坐标系中，三个相互垂直的坐标轴构成三个坐标平面，即 XY 平面，XZ 平面和重要提示判断方法判断方法YZ 平面。平面选择指令一般用于选择圆弧插补的插补平面或刀具半径补偿时的补偿平面。如图 4-4 所。其中：G17x
4、y 平面选择；G18xz 平面选择G19yz 平面选择图 4-4 坐标平面选择4）编程格式：圆弧插补既可用圆弧半径 R 指令编程，也可用 I、J、K 指令编程。在同一程序段中，I、J、K、R 同时使用时，R 优先，I、J、K 指令无效。 F 一些老式控制系统不能直接制定地址 R，而必须使用圆心向量 I、J、K： I J I K F J K （1）圆弧的起点和终点圆弧的起点必须在圆弧上，它与切削运动方向有关，在程序中由圆弧运动前一个程序段中的坐标给出，也就是说圆弧起点为切削刀具在圆弧插补指令前的最后位置。例如：N50 G01 X30 Y30 F150解释解释重要提示N60 G02 X-42.42
5、 Y0 R42.42N70 G01 X. Y.在这个例子中，程序段 N50 表示某一轮廓的终点，比如直线插补，同时它也表示后一圆弧的起点。程序段 N60 中加工圆弧，所以其坐标表示圆弧的终点。圆弧的终点是圆弧运动的目标点，也是圆弧插补指令中的坐标位置如：G03 R 如图 4-5 所示。 图 4-5 圆弧的起点、圆心与终点 (2) 圆弧半径 R圆弧的半径可以用地址 R 或圆心向量向量 I、J、K 来制定。当用 R 指令编程时，如果加工圆弧段所对的圆心角为 0180（包含 180） ，R 取正值；如果圆心角为 180360(大于180)，R 则取负值。如图 4-6 所示的两段圆弧，其半径、端点、走
6、向都相同，但所对的圆心角却不同，在程序上则仅表现为 R 值的正负区别。小圆弧段：G90 G03 X 0 Y 25.0 R 25.0 或：G91 G03 X25.0 Y 25.0 R 25.0 大圆弧段：G90 G03 X 0 Y 25.0 R25.0 或：G91 G03 X25.0 Y 25.0 R25.0 图 4-6 R 编程圆弧位置（3）圆心向量圆弧起点到圆心之间的距离由 I、J、K 向量指定，通常以增量形式表示。如图 4-5 所示。无论用绝对还是用相对编程方式，向量 I、J、K 都为圆心相对于圆弧起点的坐标增量，为零时可省略。没有符号表示正方向，负号表示负方向且一定要写出来。如图 4-6
7、 所示，使用增量编程为：小圆弧段：G90 G03 X 0 Y 25.0 I-25 J0大圆弧段：G90 G03 X 0 Y 25.0 I0 J255） 整圆铣削如图 4-7 所示，假设 A 点坐标为（50，30） ，加工半径为 10 的整圆，则图中的几个圆弧都符合程序段 G03 X50 Y30 R10 的要求，相同的加工方向，相同的起点和终点，相同的半径，用半径R 可能会引起混淆。图 4-7 使用 R 进行整圆铣削时存在的许多数学可能性铣削整圆时不能用 R 值编程，只能使用 I J K 代替指定圆心位置。程序段如下：G03 X50 Y30 I-10 J0;在实际加工过程中，根据刀具中心点的轨迹
8、与零件图中的轮廓轨迹是否接近及是否选用较大刀具的直径，为得到较好的表面质量，需要上下调整直线插补的进给速度使其适合圆弧插补。圆弧进给速度的调整基本规则是：外圆弧增大，内圆弧减小。如图 4-8 所示。外圆加工的进给速度加工外圆时需要提高进给速度：F0=F(R+r)/R式中：F0外圆弧的进给速度F直线插补进给速度注意注意由 F0指定的进给速度是所铣削圆弧的切向的进给速度。R工件外半径r刀具半径如果直线插补进给速度为 120 mm/min，R=15，那么用直径为 20 的刀具上调后的进给速度为：F0=120X（15+10）/15=200刀具路径的外圆弧比图纸上的圆弧大 内圆弧加工的进给速度:F0=F
9、(R-r)/R如果直线插补进给速度为 120 mm/min，R=15，那么用直径为 20 的刀具下调整后的进给速度为：F0=120X（15-10）/15=40刀具路径的内圆弧比图纸上的圆弧小图 4-8 圆弧刀具运动进给率调整【单元任务单元任务】任务一任务一 平面槽型凸轮粗加工程序编制平面槽型凸轮粗加工程序编制【任务描述】1.完成如图所示 4-9 平面凸轮槽粗加工程序的编制图 4-9 平面槽型凸轮【任务分析】本例（图 4-9）是一种平面槽型凸轮，其轮廓曲线组成不外乎直线圆弧、圆弧圆弧、圆弧非圆曲线及非圆曲线构成。本任务轮廓曲线由圆弧 ED、DC、CB、AH、GF、FE 和直线BA、HG 组成。只
10、需要两轴联动数控铣床即可加工。根据单元一任务二的工艺分析可知，为保证槽的位置精度要求，可先用直径为18 的立铣刀沿槽的中心轨迹粗加工，加工之前，先用12 的麻花钻在 E 点加工一个深度为 13mm 的落刀孔。平面槽型凸轮的编程轨迹就是立铣刀的刀心轨迹，本任务只完成粗加工程序的编写，后续半精加工和精加工程序等后续单元讲完之后，由学生自己完成。【任务实施】1.工艺分析该任务平面凸轮槽的定位与夹紧方式和数控加工工序见单元二。本次任务只完成先用直径为18 的立铣刀沿槽的中心轨迹粗加工程序的编写，加工后内外轮廓各留 6mm 的余量。编程轨迹就是刀心运动轨迹。2.数值计算刀心轨迹各基点坐标计算如图 4-1
11、0 所示，采用 CAD/CAM 软件完成见表 4-1：图 4-10 基点坐标表 4-1 基点坐标值基点 X、Y 方向坐标值基点 X、Y 方向坐标值A（37.601，57.854）E（149.997，0.974）B（7.955，87.462）F（122.564，-56.044）C（102.734，89.514）G（54.839，-75.443）D（148.525，20.983）H（7.539，-68.590）3.程序编制根据工艺安排：1） 用直径为12 的麻花钻在 E 点加工一个深度为 13mm 的落刀孔的程序可以用 G01 指令实现，具体加工在后续单元讲解。2） 平面凸轮槽粗加工程序见表 4-
12、2 表 4-2程序内容 说明O0021G90 G17 G40 G80 G54 G43 G00 Z100 H01 M03 S400X149.997 Y0.974Z10G01 Z-5 F100 M08G03 X148.525 Y20.983 R150程序号（开始时 T01 号刀具已安装在主轴上）初始化加工环境设定选择坐标系 G54，主轴上移，旋转定位到 E 点快速下刀工作进给到加工深度逆时针加工圆弧插补开始到 D 点X102.734 Y89.514 R95X7.955 Y87.462 R90G01 X-37.601 Y57.854G03 X-7.539 Y-68.59G01 X54.839 Y-7
13、5.443G03 X122.564 Y-56.044 R93G03 X149.997 Y0.974 R72G01 Z-10 F50 G03 X149.997 Y0.974 R72G01 Z10 F200G49 G00 Z100 M09M30%逆圆加工到 C 点逆圆加工到 B 点直线插补到 A 点逆圆加工到 H 点直线插补到 G 点逆圆加工到 F 点逆圆加工到 E 点第二次下刀T01 刀在工作抬刀抬到起始高度，长度补偿取消。程序结束【任务评价】本次任务的实施可以作为考察学生程序输入、编辑、调试及模拟显示基本能力练习的课题。通过模拟仿真，观察刀位点的移动轨迹，来评价程序编制是否有错误，另外可以通过
14、机床报警显示来查看是否存在语法、格式错误。通过学生分组实施，及教师的指导与监督，目的是培养学生的手工编程能力，及圆弧插补的使用。【拓展与提高】1 G18 平面上加工圆弧如图 4-13 所示：要在 xz 平面内铣削一圆弧，刀具起点坐标（10,0,15） ，终点坐标（25,0,5） ，顺时针铣削 R16 的圆弧。图 4-13 xz平面铣削圆弧如直接编写程序：G01 Z15 F200;X10.0 ;G18 G02 X25 Z5 R16 F100;2. 螺旋插补螺旋插补经常作为一种特殊的控制系统选项，用来在三维空间中切削圆周或圆弧。螺旋插补的实质是在原二维平面内的圆弧插补再增加一个与加工平面相垂直的第
15、三轴移动指令，其合成轨迹就是一空间螺旋线。平面 G17(XY)中的第三个尺寸是 Z 轴，平面 G18(ZX)中的第三个尺寸是 Y 轴，平面 G19(ZY)中的第三个尺寸是 X 轴。编程格式：1）在顺时针和逆时针运动中使用半径 R：G17 G02 X. Y. R. Z. F.G17 G03 X. Y. R. Z. F.2）在顺时针和逆时针运动中使用圆心向量 I、J 和 K：G17 G02 X. Y. Z. I. J.K. F.G17 G03 X. Y. Z. I. J.K. F.图 2-14 螺旋插补G02、G03 指令可以实现空间螺旋线进给，如图 4-14 所示，起点在 X 轴上，起点坐标（20，0，0） ，终点坐标为（0，20，15） ，加工螺旋形圆弧，则程序段为：G03 X0 Y20 Z15 R20 F100;1）指令方法只是简单地加上一个或两个非圆弧插补轴的移动轴。F 指令制定沿圆弧的进给速度。而直线的轴的进给速度如下：2）虽然螺旋插补不是常用的
