直线轮廓加工

一、任务布置

完成如图3-1所示“十”字滑槽零件的加工。零件材料为LY12，毛坯尺寸为80mm ×80mm× 12mm（长×宽×高）。

图3-1　“十”字滑槽零件

【知识目标】

（1）掌握数控铣床（加工中心）坐标系统的建立及原则。

（2）熟悉G17、G18、G19平面指令及工件坐标系指令的功能。

（3）掌握G90、G91、G00、G01指令的编程格式。

（4）熟悉数控加工工艺分析及工艺卡片的填写。

【技能目标】

（1）会编制直线槽零件的加工程序。

（2）会制订直线槽零件的加工工艺。

（3）会填写直线槽零件的数控加工工艺卡。

（4）会操作数控铣床（加工中心）完成直线槽零件的加工及质量检测。

二、知识链接

（一）程序格式

数控程序一般由程序名、程序内容和程序结束三部分组成，程序格式见表3-1。

表3-1　程序格式

1.程序名

FANUC、 SINUMERIK和HNC系统的程序名命名规则见表3-2。

表3-2　FANUC、SINUMERIK和HNC系统程序名命名规则

注：①数控程序有主程序和子程序之分，FANUC系统、HNC系统子程序名与主程序名的命名规则相同。
②SINUMER工K系统主程序的后缀为.MPF，子程序名的后缀为.SPF。
③任何系统新建程序名不能与系统已有程序名重复。

2.程序内容

程序内容是整个程序的核心，它由许多程序段组成，而每个程序段由一个或若干个指令组成，指令字代表某一信息单元。每个指令字由地址符和数字组成，它代表机床的一个位置或一个动作。每个程序段结束处应有“EOB”或“CR”（回车）表示该程序段转入下一个程序段。地址符由字母组成，每一个字母、数字和符号都称为字符。

FANUC、SINUMERIK和HNC系统可变程序段格式及指令对应符号含义见表3-3。

表3-3　FANUC、SINUMERIK和HNC系统可变程序段格式及指令对应符号含义

注：“”符号表示SINUMERIK和HNC系统在程序段换行时，按回车或输入键自动生成程序段结束符（显示不可见），表示程序段结束。

3.程序结束

主程序一般采用M30或M02指令来实现程序结束。FANUC、 HNC系统采用M99来表示子程序结束并返回主程序，SINUMERIK系统则通常用M17、 M02或字符“RET”作为子程序的结束标记。

（二）数控铣床（加工中心）坐标系

1.机床坐标系

为了确定数控机床各运动轴和辅助运动，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，这个坐标系被称为机床坐标系，也叫标准坐标系。

2.机床坐标系建立原则

（1）刀具相对于静止零件而运动的原则

由于机床的结构不同，有的是刀具运动，零件固定；有的是刀具固定，零件运动等。为了编程方便，一律规定为零件固定，刀具运动。

（2）笛卡尔直角坐标系原则

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，具体规则如图3-2所示。

图3-2　右手笛卡尔直角坐标系

1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。

2）大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。

3）围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向。

3.机床坐标系方向的确定

（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。如果机床上有几个主轴，则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为Z坐标方向；如果主轴能够摆动，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向；如果机床无主轴，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向。立式数控铣床Z向坐标如图3-3所示。

（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：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；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。立式数控铣床X向坐标如图3-3所示。

图3-3　立式数控铣床的坐标系

（3）Y坐标

在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手笛卡尔直角坐标系来确定Y坐标的方向。

4.机床原点与机床参考点

（1）机床原点

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（也称为机床零点）。它在机床装配、调试时就已确定好，是数控机床进行加工运动的基准参考点。一般情况下不允许用户进行更改。数控铣床（加工中心）的机床原点一般设在刀具远离工件的极限点处，即坐标正方向的极限点处，并由机械挡块来确定其具体的位置。

图3-4　机床原点和参考点

（2）机床参考点

机床参考点是数控机床上一个特殊位置的点，如图3-4所示。通常，第1参考点一般位于靠近机床零点的位置，并由机械挡块来确定其具体的位置。机床参考点与机床原点的距离由系统参数设定，如果其值为零则表示机床参考点和机床零点重合。

对于大多数数控机床来说，开机后第一步就是要进行机床返回参考点（即机床回零）。当机床处于参考点位置时，系统显示屏上显示的机床坐标系值即是系统中设定的参考点距离参数值。开机回参考点的目的就是为了建立机床坐标系，即通过参考点当前的位置和系统参数中设定的参考点与机床原点的距离值来反推出机床原点位置。机床坐标系一经建立，只要机床不断电，将永远保持不变，且不能通过编程来对它进行改变。

机床上除设立了参考点外，还可用参数来设定第2、第3参考点，设立这些参考点的目的是为了建立一个固定的点，在该点处数控机床执行诸如换刀等一些特殊的动作。

5.工件坐标系

机床坐标系的建立保证了刀具在机床上的正确运动。但是，由于加工程序的编制通常是针对某一工件，并根据其零件图样进行的，为了便于尺寸计算、检查，加工程序的坐标原点一般都与零件图样的尺寸基准相一致。这种针对某一工件，根据零件图样建立的坐标系称为工件坐标系（也称编程坐标系）。工件坐标系原点也称编程坐标系原点，该点是指工件装夹完成后，选择工件上的某一点作为编程或工件加工的原点。

选择工件坐标系原点应遵循以下原则：

（1）工件坐标系原点应选在零件的设计基准上，以便于各基点、节点坐标的计算，减少编程误差。

（2）工件坐标系原点应尽量选在精度较高的工件表面上，以提高被加工零件的加工精度。

（3）对于结构对称的零件来说，工件坐标系原点应选在工件的对称中心上。

（4）工件坐标系原点的选择应方便对刀及测量。

（三）程序指令

1.准备功能指令

准备功能指令简称G代码，其由地址符“G”和1～3位数字组成，它用来规定刀具和工件的相对运轨迹、工件坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作。不同数控系统的G代码功能各不相同，使用时以数控系统编程说明书为准。

G代码有模态和非模态之分，模态指令代码一经指定后持续有效，直到被同组代码注销才失效。非模态指令代码则仅在本程序段中有效。

（1）平面选择指令（G17、G18、G19）

图3-5　各工作平面坐标关系

加工平面选择用来决定要加工的平面，同时也决定了程序段中刀具的插补平面和刀具半径补偿方向和圆弧插补的平面，即确定一个两坐标的坐标平面，在这些平面中可以进行刀具半径补偿及刀具长度补偿。各平面坐标关系如图3-5所示。

对于数控铣床（加工中心）而言，通常都是在XY坐标平面内进行轮廓加工。该组指令为模态指令，一般系统初始状态为G17状态，故G17可省略。

指令格式：见表3-4。

表3-4　FANUC、SINUMERIK和HNC系统平面选择指令格式

对于刀具长度补偿的坐标轴为所确定工作平面的垂直坐标轴，如表3-5所示。

表3-5　平面及坐标轴

（2）工件坐标系选择（G54～G59）

工件坐标系选择指令是规定工件坐标系原点的指令，工件坐标系原点又称编程原点。数控编程时，必须先建立工件坐标系，目的是建立工件坐标系与机床坐标系之间的空间位置关系，确定刀具刀位点在坐标系中的坐标值。执行程序前，需事先通过对刀确定工件坐标系偏置，并在系统工件坐标系偏置中设置相应的G54～G59。当程序执行工件坐标系指令时，系统将会自动建立移动轴坐标与机床坐标系之间的关系。

指令格式：G54～G59

说明：1）G54～G59指令可以分别用来选择相应的工件坐标系。在系统电源接通并返回参考点后，系统自动选择G54坐标系。

2）G54～G59可以选择6个工件坐标系。通过CRT/MDI面板设定机床零点到各坐标系原点的距离，便可设定6个工件坐标系，与工件的安装和刀具的位置无关，如图3-6所示。建立的坐标系与机床原点位置相对固定，因此，适用于批量生产，只要零件装夹位置不变，该指令建立的坐标系位置就不变。

图3-6　工件坐标系的选择

（3）编程方式（G90、G91）

1）绝对坐标编程（G90）

在程序中指定G90后，刀具运动过程中所有的刀具位移坐标都相对于编程原点的坐标，如图3-7所示。

2）相对坐标编程（G91）

在程序中指定G91后，刀具运动过程中所有的刀具位移坐标为增量坐标值，即刀具当前点的坐标值以前一点坐标为基准而得，是一个增量值，如图3-7所示。

图3-7　绝对坐标方式和相对坐标方式

指令格式：见表3-6。

表3-6　FANUC、SINUMERIK和HNC系统编程方式选择指令格式

（4）快速定位（G00）

G00指令是使刀具以预先系统设定的快速移动进给速度从当前所在位置快速移动到程序段所指定的下一个定位点或移动一个增量值。

指令格式：见表3-7。

表3-7　FANUC、SINUMERIK和HNC系统G00编程格式

注：1）G00指令中的快进速度由机床参数对各轴分别设定，不能用程序F规定。
2）G00指令一般用于加工前快速定位或加工后快速退刀；
3）G00指令为模态代码，可由G01、G02、G03或G33功能注销。

（5）直线插补（G0 1）

直线插补G01指令表示刀具从当前位置以给定的切削速度F，按线性路线（联动直线轴的合成轨迹为直线）移动到程序段所指定的终点位置或移动一个增量值。

指令格式：见表3-8。

表3-8　FANUC、SINUMERIK和HNC系统G01编程格式

注：G01指令为模态代码，可由G02、G03或G33指令注销。

2.辅助功能

辅助功能简称M代码，其主要由地址符“M”和两位数字组成，用于控制机床辅助动作的指令。M代码也有模态与非模态功能之分。

常用M指令功能见表3-9。

表3-9　FANUC、SINUMERIK和HNC系统常用M指令功能

3.主轴速度功能

主轴速度功能简称S代码，其主要由地址符“S”和数值组成，用于主轴转速的控制。单位为r/min。

4.刀具功能

刀具功能简称T代码，其主要地址符“T”和数值（刀具号）组成，用于系统（加工中心）对各种刀具的选择。

三、工艺分析

（一）加工工艺分析

1.结构分析

零件主要完成两个10 mm直线槽的加工。

2.精度分析

由图3-1可知，直线槽控制尺寸为槽宽10mm、深度3mm两个尺寸，且尺寸都为自由公差，加工时尺寸精度控制在IT14级。

3.加工刀具分析

根据零件材料及加工结构和精度分析，选用φ10mm高速钢立铣刀进行零件直线槽的加工，就可以达到其加工要求。

4.零件装夹方式分析

根据材料规格及零件加工要求，使用机用精密平口钳直接装夹零件的方式，该装夹方式简单可靠。

（二）加工工艺文件

1.数控编程任务书

数控编程任务书如表3-10所示。

表3-10　数控编程任务书

主要工艺说明及技术要求：

①直线槽尺寸精度达到图样要求。详见产品工艺卡。

②技术要求详见零件图。

2.零件安装方式

数控加工工件安装及工件坐标系设定卡如表3-11所示。

表3-11　数控加工工件安装及工件坐标系设定卡

3.数控铣削加工工序

数控铣削加工一次性完成切削加工，其数控加工工序如表3-12所示。

表3-12　数控加工工序卡

4.数控铣削加工刀具

使用φ50mm面铣刀和φ10mm立铣刀完成直线槽的加工。数控刀具明细表及数控刀具卡如表3-13所示。

表3-13　数控刀具明细表及数控刀具卡

5.刀具运行轨迹

编程尺寸比较简单，由图3-1就可以直接得到。机床刀具运行轨迹如表3-14所示。

表3-14　机床刀具运行轨迹

6.程序编制

FANUC、SINUMERIK和HNC系统直线槽零件加工程序卡如表3-15所示。

表3-15　FANUC、SINUMERIK和HNC系统直线槽零件加工程序卡

注：编程时，程序前几个程序段为机床加工的各项准备工作指令，然后才开始编写加工程序。

四、技能实训

1.实训准备

根据工艺方案设计以及项目任务要求，给出直线槽零件加工工具、量具、刃具等准备清单，如表3-16所示。

表3-16　直线槽零件加工工具、量具、刃具准备清单

2.加工准备

（1）检查设备油、气是否达要到求。

（2）开机，回机床参考点。

（3）检查毛坯是否符合加工要求，并安装工件，用等高块把毛坯垫上，放在已校正平行的平口钳中间位置，使上表面高出钳口6～8mm（留有足够的空间完成直线槽的铣削加工），用木槌或橡胶锤敲击工件上表面夹紧平口钳。

（4）对刀，设定工件坐标系（G54）。

3.程序输入

输入表3-15所列参考程序到数控系统中。

4.模拟加工

校验程序走刀轨迹是否符合机床刀具运行轨迹要求。

5.自动加工

换刀后首次加工时，为防止对刀或工件坐标系零点偏置有误，在程序执行前先进行单段加工，待确定对刀或程序运行平稳后，再取消“单段”加工采用自动加工。在加工过程中，应根据机床运行情况，调整机床主轴转速和进给倍率，确保机床平稳、高效地运行。

6.结束准备

完成零件加工，去除零件毛刺，打扫、清理机床和周围设施，并做好机床保养等工作。

五、质量评价

按照项目评分表对加工零件进行质量评价，评分表如表3-17所示。

表3-17　直线槽评分表

六、常见问题解析

（1）安装刀具、工件的夹紧力大小应适当。过大工件易变形，过小刀具易发生“拉刀”现象或工件飞出夹具伤人。并确保工件伸出平口钳钳口大于加工深度。

（2）对刀时，当刀具快接近工件表面时，应将进给倍率调小，避免速度太快发生撞刀。

（3）设置工件坐标系偏置时，应与编程工件坐标系一致。

（4）编制程序或修改后，必须确保光标在程序开头，并仔细检查程序走刀路线是否符合要求。

（5）对于刀具首次下刀，应修调快速倍率和进给倍率为较小值，并选用单段加工，防止对刀有误而发生“打刀”现象。当程序运行正常时，重新调整倍率为正常值，并采用自动加工。

（6）加工时，关好机床防护门。

七、巩固训练

完成如图3-8所示“N”字槽零件的加工。零件材料为LY12，毛坯尺寸为80mm×80mm× 12mm。 “N”字槽零件评分表如表3-18所示。

图3-8　“N”字槽零件

表3-18　“N”字槽零件评分表

思考与练习

1.数控加工程序主要由哪几部分组成？

2.机床坐标系的建立应遵循哪几个原则？

2.数控加工程序指令字主要有哪几大类？各有何功能？

3.什么是模态指令和非模态指令？

4. G90与G91指令编程时的区别是什么？常用的是哪一种？

5.什么是G00、G01指令？使用时两者有何区别？