数控车削编程基础详解

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在编程时，应首先确定工件坐标系，工件坐标系的原点也称为工件原点。图4-6 数控车床坐标系图4-7 工件坐标系2.对刀问题在数控车床上加工时，工件坐标系确定好后，还需确定刀尖点在工件坐标系中的位置，即对刀问题。图4-8 数控车床的对刀3.数控车削常用的各种指令不同的数控车床，其编程功能指令基本相同，但也有个别功能指令的定义有所不同，这里以FANUC系统为例介绍数控车床的基本编程功能指令。

1.坐标系统

（1）数控车床坐标系数控车床以机床主轴轴线为Z轴，刀具远离工件方向为Z轴的正方向。X轴平行于横向滑座导轨方向，且垂直于工件旋转轴线，取刀具远离工件的方向为X轴的正方向。如图4-6所示，指向尾座的方向为Z轴正方向，使刀具离开工件的方向为X轴的正方向。

数控车床的坐标系是以机床原点建立起来的X、Z轴直角坐标系，在出厂前就已经调整好，一般情况下不允许用户随意变动。

数控车床的坐标系原点为机床上的一个固定的点，一般为主轴旋转中心与卡盘后端面的交点，即图4-6中的O点。数控机床可设置机床参考点，即图中的交点。参考点也是机床上的一个固定点，该点与机床原点的相对位置是固定的，其位置由X向与Z向的机械挡块来确定，一般设在X、Z轴正向的最大极限位置上。当进行回参考点操作时，装在纵向和横向滑座上的行程开关碰到相应的挡块后，向数控系统发出信号，由系统控制滑座停止运动，完成回参考点的操作。目前，大多数数控机床的机床原点与参考点可以重合。

机床通电之后，不论刀架位于什么位置，此时显示器上显示的Z与X坐标均为零。当完成回参考点的操作后，则显示此时刀架中心在机床坐标系中的坐标，相当于数控系统内部建立了一个以机床原点为坐标原点的机床坐标系。若回参考点后，Z、X示值均为零，则表明机床原点与参考点重合。实际上，数控机床是通过回参考点的操作建立机床坐标系，参考点是确定机床坐标系位置的基准点。

（2）工件坐标系（编程坐标系）工件坐标系是编程时使用的坐标系，故又称为编程坐标系。在编程时，应首先确定工件坐标系，工件坐标系的原点也称为工件原点。从理论上讲，工件原点选在任何位置都是可以的，但实际上，为了编程方便，应尽量把工件原点选得合理些，一般将X轴方向的原点设定在主轴中心线上，而Z轴方向的原点一般设定在工件的右端面或左端面上，如图4-7所示的O点或O′点上。

图4-6 数控车床坐标系

图4-7 工件坐标系

2.对刀问题

在数控车床上加工时，工件坐标系确定好后，还需确定刀尖点在工件坐标系中的位置，即对刀问题。常用的对刀方法为试切对刀。

试切对刀的具体方法是：如图4-8a所示，将工件安装好后，先用手动方式（进给量大时）加步进方式（进给量为脉冲当量的倍数时）或MDI方式操作机床，用已装好选好的刀具将工件端面车一刀，然后保持刀具在Z向尺寸不变，沿X向退刀。当取工件右端面O点为工件原点时，对刀输入为Z0；当取工件左端面O′点为工件原点时，停止主轴转动，需要测量从内端面到加工面的长度尺寸δ，此时对刀输入为Z8。如图4-8b所示，用同样的方法，再将工件外圆表面车一刀，然后保持刀具在X向尺寸不变，从Z向退刀，停止主轴转动，再量出工件车削后的直径值D，根据δ和D值即可确定刀具在工件坐标系中的位置。其他各刀都需进行以上操作，以确定每把刀具在工件坐标系中的位置。

图4-8 数控车床的对刀

3.数控车削常用的各种指令

不同的数控车床，其编程功能指令基本相同，但也有个别功能指令的定义有所不同，这里以FANUC系统为例介绍数控车床的基本编程功能指令。

（1）快速点定位指令（G00）该指令使刀架以机床厂设定的最快速度按点位控制方式从刀架当前点快速移动至目标点。该指令没有运动轨迹的要求，也不需规定进给速度。

指令格式：G00 X_Z_；

或G00 U_W_；

指令中的坐标值为目标点的坐标值，其中X（U）坐标以直径值输入。当某一轴上相对位置不变时，可以省略该轴的坐标值。在一个程序段中，绝对坐标指令和增量坐标指令也可混用。

如G00 X_W_

或G00 U_Z_

【例题4-1】快速进刀（G00）编程，如图4-9所示。

程序：G00 X50.0Z6.0；

或G00 U-70.0W-84.0；

执行该段程序，刀具便快速由当前位置按实际刀具路径移动至指令终点位置。

（2）直线插补指令（G01）该指令用于使刀架以给定的进给速度从当前点以直线或斜线移动至目标点，既可使刀架沿X轴方向或Z轴方向作直线运动，也可以以两轴联动的方式在X、Z轴内作任意斜率的直线运动。

指令格式：G01 X_Z_F_；

或G01 U_W_F_；

图4-9 G00指令应用

如进给速度F值已在前段程序中给定且不需改变，本段程序也可不写出；若某一轴没有进给，则指令中可省略该轴指令。

【例题4-2】外圆柱切削编程，如图4-10所示。

（3）圆弧插补指令（G02、G03）该指令用于刀架作圆弧运动以切出圆弧轮廓。G02为刀架沿顺时针方向作圆弧插补，而G03则为沿逆时针方向的圆弧插补。

图4-10 G01指令应用

指令格式：G02 X_Z_I_K_F_；

或G02 X_Z_R_F_；

G03 X_Z_I_K_F_；

或G03 X_Z_R_F_；

上述指令中，X和Z是圆弧的终点坐标，用增量坐标U、W也可以，圆弧的起点是当前点；I和K分别是圆心坐标相对于起点坐标在X方向和Z方向的坐标值差，也可以用圆弧半径R确定，R值通常是指小于180°的圆弧半径。

【例题4-3】顺时针圆弧插补，如图4-11所示。

用（I、K）指令：

G02 X50.0 Z-10.0 I20.0 K17 F0.4；（圆心相对于起点）

或G02 U30.0 W-10.0 I20.0 K17 F0.4；

用（R）指令：

G02 X50.0 Z-10.0 R26.25 F0.4；

或G02 U30.0 W-10.0 R26.25 F0.4；

需要说明的是，当圆弧位于多个象限时，该指令可连续执行，如果同时指定了I、K和R值，则R指令优先，I、K值无效；进给速度F的方向为圆弧切线方向，即线速度方向。

图4-11 G02指令应用

（4）螺纹切削指令（G32）该指令用于切削圆柱螺纹、圆锥螺纹和端面螺纹。

指令格式：G32 X_Z_F_；

其中，F值为螺纹的螺距。

【例题4-4】圆柱螺纹切削，如图4-12所示。

程序：G32 Z-40.0F3.5；

或G32 W-45.0F3.5；

图4-12中的δ₁和δ₂分别表示由于伺服系统的滞后所造成在螺纹切入和切出时所形成的不完全螺纹部分。在这两个区域内，螺距是不均匀的，因此在决定螺纹长度时必须加以考虑，一般应根据有关手册来计算δ₁和δ₂，也可利用下式进行估算

δ₁=nL×3.605/1800

δ₂=nL/1800

式中 n——主轴转速，单位为r/min；

L——螺距导程，单位为mm。

这是一种简化算法，计算时假定螺纹公差为0.01mm。

在切削螺纹之前最好通过CNC屏幕演示切削过程，以便取得较好的工艺参数。另外在切削螺纹过程中，不得改变主轴转速，否则将切出不规则螺纹。

（5）暂停指令（G04）该指令可使刀具作短时间的停顿，以进行进给光整加工。主要用于车削环槽、不通孔和自动加工螺纹等场合，如图4-13所示。

图4-12 G32指令运用

图4-13 暂停指令G04

指令格式：G04 P_；

其中，P后的数值表示暂停时间。

（6）自动回原点指令（G28）该指令使刀具由当前位置自动返回机床原点或经某一中间位置再返回到机床原点，如图4-14所示。

图4-14 自动回原点指令G28

a）经某一中间点返回机床原点 b）直接返回机床原点

指令格式：G28 X（U）_Z（W）_T00；

指令中的坐标为中间点坐标，其中X值必须按直径给定。直接返回机床原点时，只需将当前位置设定为中间点即可。刀具复位指令T00必须写在G28指令的同一程序段或该程序段之前。刀具以快速方式返回机床原点。

（7）工件坐标系设定指令（G50）该指令用以设定刀具出发点（刀尖点）相对于工件原点的位置，即设定一个工件坐标系，有的数控系统用G92指令。该指令是一个非运动指令，只起预置寄存作用，一般作为第一条指令放在整个程序的前面。

指令格式：G50 X_Z_；

指令中的坐标值即为刀具出发点在工件坐标系下的坐标值。

【例题4-5】工件坐标系设定，如图4-15所示。

图4-15 工件坐标系设定指令G50

程序：G50 X200 Z150；

工件坐标系是编程者设定的坐标系，其原点即为程序原点。用该指令设定工件坐标系之后，刀具的出发点到程序原点之间的距离就是一个确定的绝对坐标值了。刀具出发点的坐标应以参考刀具（外圆车刀或端面精加工车刀）的刀尖位置来设定，该点的设置应保证换刀时刀具、刀库与工件、夹具之间没有干涉。在加工之前，通常应测量出机床原点与刀具出发点之间的距离(a_x。，a_z)以及其他刀具与参考刀具刀尖位置之间的距离。

4．刀具半径补偿功能

目前数控车床都具备刀具半径自动补偿功能。编程时只需按T件的实际轮廓尺寸编程即可，不必考虑刀具的刀尖圆弧半径的大小；加工时由数控系统将刀尖圆弧半径加以补偿，便可加Tm所要求的T件。

(1)刀尖圆弧半径的概念任何一把刀具，不论制造或刃磨得如何锋利，在其刀尖部分都存在一个刀尖网弧，它的半径值是个难于准确测量的值，如图4-16所示。

编程时，若以假想刀尖位置为切削点，则编程很简单。但任何刀具都存在刀尖圆弧，当车削圆柱面的外径、内径或端面时，刀尖网弧的大小并不起作用：但当车倒角、锥面、圆弧或曲面时，就将影响加工精度。图4一17所示表示了以假想刀尖位置编程时的过切削及欠切削现象。编程时若以刀尖圆弧中心编程，可避免过切和欠切现象，但计算刀位点比较麻烦，并且如果刀尖圆弧半径值发生变化，还需改动程序。

数控系统的刀具半径补偿功能正是为解决个问题所设定的。它允许编程者以假想刀尖位置编程，然后给出刀尖圆弧半径，由系统自动计算刀心轨迹，并按刀心轨迹运动，从而消除了刀尖圆弧半径对工件形状的影响，以完成对工件的合理加工。

(2)刀具半径补偿的实施

1)G40-解除刀具半径指令。该指令用于解除各个刀具半径补偿功能，应写在程序开始的第一个程序段或需要取消刀具半径的程序段。

图4-16 刀尖圆弧半径

图4-17 过切削及欠切削

2）G41——刀具半径左补偿指令。在刀具运动过程中，当刀具按运动方向在工件左侧时，用该指令进行刀具半径补偿。

3）G42——刀具半径右补偿指令。在刀具运动过程中，当刀具按运动方向在工件右侧时，用该指令进行刀具半径补偿。

图4-18所示表示了根据刀具与工件的相对位置及刀具的运动方向如何选用G41或G42指令。

图4-18 刀具半径补偿指令

a）G42指令 b）G41指令

5.固定循环功能

在数控车床上对外圆柱、内圆柱、端面、螺纹等表面进行粗加工时，刀具往往要多次反复地执行相同的动作，直至将工件切削到所要求的尺寸。于是在一个程序中可能会出现基本相同的程序段，造成程序冗长。为了简化编程工作，数控系统可以用一个程序段来设置刀具作反复切削，这就是循环功能。固定循环功能包括单一固定循环和复合固定循环功能。

图4-19 G90指令切削圆柱面循环动作

（1）单一固定循环指令外径、内径切削循环指令G90可完成外径、内径及锥面粗加工的固定循环。

1）切削圆柱面。指令格式为

G90 X（U）_Z（W）_（F_）；

如图4-19所示，刀具从循环起点开始按矩形循环，最后又回到循环起点。图中虚线表示按快速运动，实线表示按F指定的工作进给速度运动。X和Z表示圆柱面切削终点坐标值，U、W为圆柱面切削终点相对循环起点的增量值。其加工顺序按1—2—3—4进行。

【例题4-6】用G90指令编程，工件的加工过程如图4-20所示，程序如下：

2）切削锥面。指令格式：

G90 X（U）_Z（W）_I_（F_）；

如图4-21所示，X（U）、Z（W）的意义同前。I值为锥面大、小径的半径差，其符号的确定方法是：锥面起点坐标大于终点坐标时为正，反之为负。

图4-20 G90指令编程

图4-21 G90切削锥面

（2）复合固定循环指令它应用在非一次加工即能加工到规定尺寸的场合，主要在粗车和多次切螺纹的情况下使用，如用棒料毛坯车削阶梯相差较大的轴，或切削铸、锻件的毛坯余量时，都有一些多次重复进行的动作。利用复合固定循环功能，只要编出最终加工路线，给出每次切除的余量深度或循环次数，机床即可自动地重复切削直到工件加工完为止。它主要有以下几种。

1）外径、内径粗车循环指令G71。该指令将工件切削到精加工之前的尺寸，精加工前工件形状及粗加工的刀具路径由系统根据精加工尺寸自动设定。

指令格式：；

其中，ns为循环程序中第一个程序的顺序号，nf为循环程序中最后一个程序的顺序号，Δu为X轴方向的精车余量（直径值），Δw为Z轴方向的精车余量，Δd为粗加工每次切深。

图4-22所示为G71粗车外径的加工路线。图4-22中，C为粗车循环的起点，A是毛坯外径与端面轮廓的交点。当此指令用于工件内径轮廓时，G71就自动成为内径粗车循环，此时径向精车余量Δu应指定为负值。

2）端面粗车循环指令G72。它适用于圆柱棒料毛坯端面方向粗车，其功能与G71基本相同，不同之处是G72只完成端面方向粗车，刀具路径按径向方向循环，其刀具循环路径如图4-23所示，指令格式和其地址含义与G71的相同。

图4-22 G71指令运用

图4-23 G72指令运用

3）闭合车削循环指令G73。它适用于毛坯轮廓形状与零件轮廓形状基本接近时的粗车。

例如，一些锻件、铸件的粗车，此时采用G73指令进行粗加工将大大节省工时，提高切削效率。其功能与G71、G72基本相同，所不同的是刀具路径按工件精加工轮廓进行循环，其走刀路线如图4-24所示。

图4-24 G73指令运用

指令格式：；

其中，Δi为粗切时径向切除的余量（半径值），Δk为粗切时轴向切除的余量，Δu为X轴方向的精加工余量，Δw为Z轴方向的精加工余量，Δd为粗切循环次数，其余地址含义与G71的相同。

4）精加工循环指令G70。它用于执行G71、G72、G73粗加工循环指令后的精加工循环。

指令格式：；

指令中的ns、nf与前几个指令的含义相同。在G70状态下，ns～nf程序中指定的F、S、T有效；当ns～nf程序中不指定F、S、T时，则粗车循环中指定的F、S、T有效。

【例题4-7】用G70、G71指令编程，如图4-25所示，程序如下：

上述程序从N03开始，进入G71固定循环。该程序段中的内容，并没有直接给出刀具下一步的运动路线，而是指示控制系统如何计算循环过程中的运动路线，其中U4.0和W2.0表示粗加工的最后一刀应留出的精加工余量，D7.0表示粗加工的切削深度。每一刀都完成一个矩形循环，直到按工件小头尺寸已不能再进行完整的循环为止。接着执行N11精加工固定程序段，P04和Q10表示精加工的轮廓尺寸按P04和Q10程序段的运动指令确定。刀具顺工件轮廓完成终加工后返回到（X160.0，Z180.0）这一点。

图4-25 G70、G71指令运用

6.利用子程序编程

子程序调用指令（M98）用来调用子程序；子程序返回指令（M99）表示子程序结束，将使控制系统返回到主程序。

（1）子程序的格式子程序的格式为：

O××××；

在子程序开头，必须规定子程序号以作为调用入口地址M99；在子程序的结尾用M99，以使控制系统执行完该子程序后返回到主程序。

（2）调用子程序的格式调用子程序的格式如下：

M98 P_L_；其中，P为被调用的子程序号，L为重复调用次数。

【例题4-8】如图4-26所示，通过三次调用子程序进行循环加工，每次背吃刀深度为0.9mm（半径值）。试进行数控加工工艺的分析和编写数控程序。

（1）数控加工工艺分析

1）装夹定位的确定。自定心卡盘夹紧定位，工件前端面与卡爪端面距离40mm。

2）刀具加工起点及工艺路线的确定。刀具加工起点位置的确定原则是：该处方便拆卸工件，不发生碰撞，空行程不长等。将该刀具置于Z向距工件前端面30mm、X向距轴心线15mm的位置。通过调用增量编程的子程序，并使每次调用后的终点位置相对起点位置向X轴负向移动0.9mm，从而实现三次循环加工，使轮廓向轴线平移，最后满足工件尺寸。

图4-26 利用子程序编程

3）加工刀具的确定。外圆端面车刀（刀具主偏角为93°，刀具材质为高速钢）。

4）切削用量。主轴转速为460r/min，进给速度为80mm/min。

（2）数学计算

1）确定程序原点，建立工件坐标系（以工件后端面与轴线的交点为程序原点）。

2）计算各节点相对位置坐标值。

（3）编写数控程序参考程序如下：

7.利用宏指令编程

以HNC-21T数控系统为例，系统配备了强有力的类似于高级语言的宏程序功能，用户可以使用变量进行算术运算、逻辑运算和函数的混合运算。此外，宏程序还提供了循环语句、分支语句和子程序调用语句，有利于编制各种复杂的零件加工程序，减少乃至免除了手工编程时烦琐的数值计算，可以简化程序。

这里主要介绍宏程序编程的循环语句（WHILE—ENDW），其格式为：

WHILE条件表达式；

ENDW；

宏程序编程的详细内容，参见机床编程手册。

【例题4-9】如图4-27所示，对于轮廓图形均由抛物面、圆柱面、椭圆面构成，只是尺寸不同的系列零件，可将其编制成一个通用程序，当零件改变时，只需修改参数即可。图4-27中抛物线的X轴步距为0.08mm，椭圆的Z轴步距为0.08mm，椭圆方程的a、b分别为椭圆的长轴长度（X轴）和短轴长度（Z轴）。试进行数控加工工艺的分析，并利用宏指令编程。

（1）数控加工工艺分析

1）装夹定位的确定。自定心卡盘夹紧定位。