第 5 章 数控车床的编程与操作

1. 第5章 数控车床的编程与操作 （时间：4次课，8学时）

2. 第5章 数控车床的编程与操作 • 教学目标： • 了解数控车削编程的特点，学习数控系统的常用指令与代码。掌握数控车床常用系统的规则及方法。尤其是循环指令的编程规则和方法。通过对数控车床的操作面板、操作步骤和方法的介绍，学会对数控车床的操作与零件加工。

3. 第5章 数控车床的编程与操作 • 教学重点和难点： • 数控加工指令的特点。 • 简单循环指令。 • 刀具补偿指令。 • CKA6150车床的面板功能，操作方法及步骤。 • CJK6130数控车削系统操作面板及功能简介。

4. 第5章 数控车床的编程与操作 • 5.1 数控车床的编程特点 • 5.2 数控车床编程指令 • 5.3 数控车床的基本操作 • 5.4 CJK6130数控车床系统操作面板及功能介绍 (华中世纪星) • 5.5 实训 • 5.6 习 题

5. 5.1 数控车床的编程特点 • 5.1.1 数控车床编程坐标系的建立 • 5.1.2 数控车床的编程特点

6. 5.1 数控车床的编程特点 • 数控车床主要用于轴类、盘类回转体零件的加工，以卧式数控车床的使用最为广泛，本章主要讨论卧式车床的程序编制。

7. 5.1.1 数控车床编程坐标系的建立 • 数控加工中，对工件的加工是建立在一定的坐标系上进行的，数控机床坐标系分为机床坐标系和工件坐标系。 • 1. 机床坐标系 • 是以机床原点为坐标系原点建立起来的一个Z轴与X轴的直角坐标系，车床的机床原点为车床上的一个固定点，车床的机床原点定义为主轴旋转中心线与卡盘后端面的交点，如图5.1所示。机床原点在机床装配、调试时就已确定下来。 • 2. 参考点 • 参考点也是机床上的一固定点，其位置由Z向与X向的机械挡块或行程开关来确定，如图5.1所示。 • 3. 工件坐标系 • 工件图样上存在设计基准点，其主要尺寸是以此点为基准进行标注的，该基点称为工件原点。以工件原点为坐标原点建立一个Z轴和X轴的直角坐标系成为工件坐标系(也称编程坐标系)。 • 加工工件时在车床上要建立一个与编程坐标系对应的工件原点，在车床上工件的原点可以选择在工件左端面、右端面等位置，工件坐标系的Z轴一般与主轴轴线重合，X轴随工件原点位置不同而不同。 • 工件坐标系应与机床坐标系的坐标方向一致，X轴对应径向，Z轴对应轴向，C轴(主轴)的运动方向则以从机床尾架向主轴看，逆时针为+C向，顺时针为-C向，如图5.2所示。

8. 5.1.1 数控车床编程坐标系的建立 图5.1 机床原点和参考点 图5.1 机床原点和参考点

9. 5.1.1 数控车床编程坐标系的建立 图5.2 车床上工件坐标系

10. 5.1.2 数控车床的编程特点 • (1) 数控车床工件坐标的设定大都使用准备功能G50完成，也可以用G54～G59预置工件坐标系，G50与G54～G59不能出现在同一程序段中，否则G50会被G54～G59取代。 • (2) 在程序段中，坐标值可以用绝对值或增量值，或二者混合编程。用坐标地址X、Z为绝对编程方式，使用坐标地址U、W时为增量编程方式。一般情况下，利用自动编程软件编程时，通常采用绝对值编程。 • (3) 数控车床的编程有直径、半径两种方法，直径编程是指X轴上的有关尺寸为直径值，半径编程是指X轴上的有关尺寸为半径值。采用直径编程比较方便，FANUCOi数控机床是采用直径编程。 • (4) 数控机床上的加工的工件常用棒料或锻件作为毛坯，加工余量较大，为简化程序，一般情况下，数控车床的数控系统中都有车外圆、车端面和车螺纹等不同形式的循环功能。 • (5) 数控车床的数控系统中都有刀具补偿功能(G42/G41)，在加工过程中，对刀具位置的变化、刀具几何形状的变化及刀尖半径的变化，都无需更改加工程序，只要将变化的尺寸或圆弧半径输入到存储器中，刀具便能自动进行补偿，这类机床可以直接按工件的轮廓编程。

11. 5.2 数控车床编程指令 • 5.2.1 工件坐标系的设定指令 • 5.2.2 S、F和T指令 • 5.2.3 基本加工类指令 • 5.2.4 螺纹加工指令 • 5.2.5 简单循环指令 • 5.2.6 复合循环指令 • 5.2.7 刀具补偿类指令 • 5.2.8 子程序指令 • 5.2.9 车削编程实例

12. 5.2 数控车床编程指令 • 数控车床常用的功能指令有准备功能指令、辅助功能指令、刀具指令、主轴转速功能指令、进给功能指令。数控车床的种类不同，系统的指令也不尽相同。 • 下面介绍以BEIJING-FANUC0i系统为例介绍数控车削系统的功能指令，表5.1为BEIJING-FANUC0i系统常用G指令，表5.2为BEIJING-FANUC0i系统辅助M指令。

13. 5.2 数控车床编程指令

14. 5.2 数控车床编程指令 表5.2 BEIJING-FANUCOi系统辅助M指令

15. 5.2.1 工件坐标系的设定指令 • 1. 用G50设定工件坐标系 • 对于刀架后置式(刀架活动范围主要在回转轴心线的后部)的车床来说，X轴正向是由 轴心指向后方，如图5.3(a)所示；而对于刀架前置式的车床来说，X轴的正向应是由轴心指向前方，如图5.3(b)所示。由于车削加工是围绕主轴中心前后对称的，因此无论是前置式还是后置式，X轴指向前后对编程来说并无多大差别。为适应笛卡尔坐标习惯，编程绘图时都按如图5.3(a)所示后置式的方式表示(从俯视方向看)，机床坐标系在进行回参考点操作后便开始在数控系统内部自动建立了。 • 格式：G50 X__ Z__ • 说明：X、Z的值是起刀点相对于加工原点的位置。G50使用方法与G92类似。 • 在数控车床编程时，所有X坐标值均使用直径值。 • 例如：按图5.4设置加工坐标的程序段如下。 • G50 X180 Z117.4;

16. 5.2.1 工件坐标系的设定指令 图5.3 刀架的位置

17. 5.2.1 工件坐标系的设定指令 图5.4 G50建立坐标系

18. 5.2.1 工件坐标系的设定指令 • 2. 预置工件坐标系 G54～G59 • 具有参考点设定功能的机床还可用工件零点预置G54～G59指令来代替G50建立工件坐标系。它是先测定出欲预置的工件原点相对于机床原点的偏置值，并把该偏置值通过参数设定的方式预置在机床参数数据库中，因而该值无论断电与否都将一直被系统所记忆，直到重新设置为止。当工件原点预置好以后，便可用“G54 G00 X_ Z_；”指令让刀具移到该预置工件坐标系中的任意指定位置。不需要再通过试切对刀的方法去测定刀具起刀点相对于工件原点的坐标，也不需要再使用G50指令了。很多数控系统都提供G54～G59指令，完成预置6个工件原点的功能。 • G54～G59与G50之间的区别是：用G50时，后面一定要跟坐标地址字；而用G54～G59时，则不需要后跟坐标地址字，且可单独作一行书写。若其后紧跟有地址坐标字，则该地址坐标字是附属于前次移动所用的模态G指令的，如G00，G01等。用G54等设立工件原点可在【数据设定】|【零点偏置】菜单中进行。在运行程序时若遇到G54指令，则自此以后的程序中所有用绝对编程方式定义的坐标值均是以G54指令的零点作为原点的。直到再遇到新的坐标系设定指令，如G50、G55～G59等后，新的坐标系设定将取代旧的。G54建立的工件原点是相对于机床原点而言的，在程序运行前就已设定好而在程序运行中是无法重置的，G50建立的工件原点是相对于程序执行过程中当前刀具刀位点的。可通过编程来多次使用G50而重新建立新的工件坐标系。

19. 5.2.2 S、F和T指令 • 1. 主轴转速功能设定 • 主轴功能指令由地址码S和其后面的若干数字组成，单位为r/min、m/min。 • 例如：S1000表示主轴的转速为1000r/min。 • 主轴转速功能还有恒表面切削速度的控制、恒转速控制，主轴最大速度控制，适用于具有主轴无级调速的数控机床。 • (1) 恒表面切削速度的控制指令G96(模态指令) • 格式：G96S___ • 说明：线速度的单位为m/min。 • 在切削过程中，如果主轴的转速保持不变，则随着加工零件的直径减小，切削速度变小，影响切削质量，采用此功能可使选择的最佳切削速度保持不变。 • (2) 恒表面切削速度的控制取消指令G97 • 格式：G97S___ • 说明：主轴转速单位为r/min。 • 该指令设定主轴转速并取消恒线速度控制。 • (3) 主轴最高速度限制指令 G50 (模态指令) • 格式：G50 S___ • 单位：r/min。 • 采用该指令可以限制执行恒线速度指令时的最大主轴转速，即主轴的转速被限制在一个最大值的范围内，可以防止主轴的转速过高，离心力过大，产生危险及影响机床的寿命。 • 例：设定主轴的转速。 • G96S100; 线速度恒定，切削速度100m/min • G50S2000; 设定主轴的最高转速为2000r/min • G97S500; 取消线速度恒定功能，主轴的转速500r/min

20. 5.2.2 S、F和T指令 • 2. 进给功能设定(G98、G99、G04) • 进给速度可用两种方式指定。 • (1) 每分钟进给量G98(模态指令) • 格式：G98 F__ • 说明：单位为mm/min。 • 指定G98后，在F后用数值直接指定刀具每分钟的进给量。 • (2) 每转进给量G99 (模态指令) • 格式：G99 F__ • 说明：单位为mm/r。 • 指定G99后，在F后用数值直接指定刀具每转的刀具进给量。G99为数控车床的初始状态。 • (3) 停刀功能(G04)(非模态) • 格式：G04 P… 后跟整数值，单位ms(毫秒)。 • 或 G04 X ( U )…后跟带小数点的数，单位s(秒)。 • 由于在两个不同的轴进给程序段转换时存在各轴的自动加减速调整，可能导致刀具在拐角处的切削不完整。如果拐角精度要求很严，其轨迹必须是直角时，应在拐角处使用暂停指令。按指令的时间延迟执行下个程序段。 • 例如：欲停留1.2s时，程序段为： • G04 X1.2; • 或：G04 P1200;

21. 5.2.2 S、F和T指令 • 3. 刀具功能指令T(模态指令) • 格式：T __ __ __ __ • 说明：选择刀具及刀具补偿，地址字T后接四位数字，前两位是刀具号(00～99)，后两位是刀具补偿值组别号。例如： • T0202表示选择第二号刀具，二号偏置量。 • T0300表示选择第三号刀具，刀具偏置取消。 • 刀具号与刀具补偿号不必相同，但为了方便一般选择相同。刀具补偿值一般作为参数设定并由手动输入(MDI)方式输入数控装置。

22. 5.2.3 基本加工类指令 • 1. 快速移动指令G00(模态指令) • 格式：G00 X(U)___Z(W)____; • 说明：X、Z，绝对坐标方式时的目标点坐标；U、W，增量坐标方式时的目标点坐标。 • 2. 直线插补指令G01(模态指令) • 格式：G01 X(U)___Z(W)___ F___; • 编程实例5-1：如图5.5所示的刀具切削路线为A→B→C，编程如下。 • G01 X95 Z-70 F100; • X 160 Z-130 F 100; • 或写成： • G01 Z-70 F100; • X 160 Z-130 F 100; • 或： • G01 W-70 F100; • U65 W-"60" F 100; • 或： • G01 Z-70 F100; • U65 Z-130 F 100;

23. 5.2.3 基本加工类指令 • 在数控车床上，可利用G01指令进行倒角和倒圆角编程。 • 编程实例5-2：倒角编程，如图5.6(a)所示。 • 加工程序： • N001 G01 Z-20 C4 F0.2; • N002 X50 C2; • N003 Z-40; • 编程实例5-3：倒圆角编程，如图5.6(b)所示。 • 加工程序： • N001 G01 Z-20 R4 F0.2; • N002 X50 R2; • N003 Z-40;

24. 5.2.3 基本加工类指令 图5.5 G01直线插补

25. 5.2.3 基本加工类指令 图5.6 倒角和倒圆角

26. 5.2.3 基本加工类指令 • 3. 圆弧插补指令G02、G03(模态指令) • 圆弧插补指令是使刀具在指定的平面内，按给定的进给速度从圆弧的起点沿圆弧移动到圆弧的终点。圆弧插补分为顺时针圆弧插补指令G02和逆时针圆弧插补指令G03。顺时针圆弧和逆时针圆弧的判断方法是，沿与圆弧所在平面(如XOZ面)相垂直的另一坐标的负方向(-Y)看去，顺时针为G02 ，逆时针为G03。 • 由于数控车床的刀架位置有两种形式，分为刀架在操作者外侧(如图5.7(b)所示)和操作者一侧(如图5.7(a)所示)，所以应根据刀架的位置判别圆弧插补的顺逆。 • 圆弧插补有两种编程格式：圆弧圆心相对起点坐标(I、K)的坐标值编程；圆弧半径R编程。 • 格式：G02(G03)X(U)___Z(W)___I___K___F____; • 或： G02(G03)X(U)___Z(W)___R___F____;

27. 5.2.3 基本加工类指令 图5.7 圆弧的顺、逆方向与刀架位置的关系

28. 5.2.4 螺纹加工指令 • 数控系统提供的螺纹加工指令包括单一螺纹指令和螺纹固定循环指令。 • 1. 等螺距螺纹G32(模态指令) • 该指令是单一螺纹加工指令，车刀进给运动严格根据输入的螺纹导程进行，但刀具的切出、切入、返回均需编入程序。用于加工等距直螺纹、锥形螺纹、涡形螺纹。 • 格式：G32X(U)___Z(W)____F_____;

29. 5.2.4 螺纹加工指令 • 2. 螺纹切削循环指令G92 • 螺纹切削循环指令把“切入→螺纹切削→退刀→返回”四个动作作为一个循环，用一个程序段来指令。该指令适用于直螺纹和锥螺纹的循环加工，如图5.11所示。 • 格式： G92 X(U)__ Z(W)__I__ F__; • 说明：X(U)、Z(W) 为螺纹切削的终点坐标值；I为螺纹部分半径之差，即螺纹切削起始点与切削终点的半径差。加工圆柱螺纹时，I=0。加工圆锥螺纹时，当X向切削起始点坐标小于切削终点坐标时，I为负，反之为正。

30. 5.2.4 螺纹加工指令 • 3. 车螺纹复合循环指令G76 • 螺纹切削复合循环指令可以完成一个螺纹段的全部加工任务。它的进刀方法有利于改善刀具的切削条件，在编程中应优先考虑应用该指令，车削过程中，除第一次车削深度外，其余各次车削深度自动计算，该指令的执行过程如图5.12所示。 • 格式：G76 P(m)(r) (a)Q(Δdmin) R(d); • G76X(U) __Z(W) __R(i) P(k) Q(Δd) F(L);

31. 5.2.4 螺纹加工指令 图5.12 螺纹切削复合循环指令G76 图5.12 螺纹切削复合循环指令G76

32. 5.2.5 简单循环指令 • 当车削加工时零件加工余量大，一般需要多次重复循环加工，才能车去全部加工余量，为了简化程序，在数控机床的控制系统中，具有不同形式固定循环功能，撤销固定循环分为单一固定循环和符合固定循环。 • 1. 外径/内径切削循环G90 • G90可以实现车削内外圆柱和圆锥面的单一自动固定循环。 • (1) 直线车削循环 • 格式：G90X(U)___Z(W)___F___; • 说明：X、Z为端面切削的终点坐标值；U、W为端面切削的终点相对于循环起点的坐标，U、W后的符号取决于轨迹1、2的方向。如果轨迹1(2)的方向沿X轴(Z轴)负方向进给，U(W)后符号为负，否则为正。 • 如图5.13所示，使用G90的加工顺序按1→2→3→4进行，1、4表示快速移动；2、3表示按F指定的进给速度车削外圆面，X(U)、Z(W)给出圆柱终点的位置。 • (2) 锥形切削循环G90。 • 格式：G90 X(U)___Z(W)___R___F___; • 加工顺序按1、2、3、4进行，如图5.14所示。 • 图5.15所示为刀具轨迹与R取正负的关系。图5.16所示为切削圆锥面，因圆锥起点的X坐标小于终点X坐标值，所以R的数据符号为负。 • 程序段： • G90 X50 Z-25 R5;

33. 5.2.5 简单循环指令 图5.13 G90指令切削圆柱面循环动作

34. 5.2.5 简单循环指令 图5.14 G90指令切削圆锥面循环动作

35. 5.2.5 简单循环指令 图5.15 刀具轨迹与R取正负的关系

36. 5.2.5 简单循环指令 图5.16 G90指令切削圆锥面

37. 5.2.5 简单循环指令 • 2. 端面车削循环G94 • G94指令可实现端面加工固定循环 • (1) 平端面切削循环G94。 • 格式：G94X(U)__ Z(W)___ F___; • 说明：X、Z为端面切削的终点坐标值；U、W为端面切削的终点相对于循环起点的坐标。U、W的符号取决于刀具轨迹的方向。 • 如图5.17所示，使用G94的加工顺序按1→2→3→4进行，1、4表示快速移动，2、3表示按F指定的进给速度车削外圆面，X(U)、Z(W)给出端面终点的位置。 • (2) 锥面切削循环G94 • 格式：G94X(U)__ Z(W)___R____ F___;

38. 5.2.5 简单循环指令 图5.17 G94指令平端面车削循环动作

39. 5.2.6 复合循环指令 • 在数控机床上加工棒料或铸锻件，加工余量较大，需要经过粗加工、精加工才能达到要求，粗加工时需要多次重复加工，即使利用固定循环指令编程，程序也很复杂，采用复合循环指令编程，可以大大简化加工程序。 • 1. 粗车循环(G71) • 该指令适合车削棒料毛坯的大部分余量。指令G71进行纵向粗车循环(内、外径粗车循环)。如图5.20所示。

40. 5.2.6 复合循环指令 图5.20 粗车循环G71指令刀具循环路径

41. 5.2.6 复合循环指令 • 2. 平端面粗车循环(G72) • 采用G72进行横向粗车循环，切削过程平行于X轴，如图5.21所示。 • 格式：G72W(Δd)R(e) • G72P(ns)Q(nf)U(Δu)W(Δw)F(f)S(s)T(t) • 说明：字符的含义与G71相同。

42. 5.2.6 复合循环指令 图5.21 平端面粗车循环G72

43. 5.2.6 复合循环指令 • 3. 型车复循环(G73) • G73功能可以车削固定的图形，有效地切削铸造成型，锻造成型或已粗车成型的工件，如图5.22所示。

44. 5.2.6 复合循环指令 图5.22 型车复循环G73

45. 5.2.6 复合循环指令 • 4. 精车循环(G70) • 用G71、G72和G73粗车后，用G70指令实现精加工。 • 格式：G70 P(ns) Q(nf) • 说明： • (1) ns是指定精加工程序第一个程序段的顺序号。 • (2) nf是指定精加工程序最后一个程序段的顺序号。 • (3) 在G71、G72、G73程序段中规定的F、S、T功能无效，但在执行G70时顺序号“ns”和“nf”之间指定的FS和T有效。 • (4) 当G70循环加工结束时，刀具返回到起点并读下一个程序段。 • 编程实例5-9：采用粗车循环指令G71和精车循环指令G70加工如图5.23所示的工件，毛坯为140mm的棒料，刀具从P点开始，运动到循环起点C，利用G71，G70指令编程，粗车循环背吃刀量为7mm，径向加工余量和横向余量均为2mm。

46. 5.2.6 复合循环指令 图5.23 G71和G70的加工实例

47. 5.2.7 刀具补偿类指令 • 在实际加工中，为了提高刀具寿命和降低加工表面的粗糙度，实际加工的刀尖不是理想尖锐的，其刀尖部分都存在一个刀尖圆弧，其半径值难于得到准确值。通常将车刀刀尖作为一点来考虑，编程和对刀操作以理想尖锐的车刀刀尖进行编程时，实际上刀尖处存在圆角，如图5.24所示。 • 当用按理论刀尖点编出的程序进行端面、外径、内径等与轴线平行或垂直的表面加工时，是不会产生误差的。但在进行倒角、锥面及圆弧切削时，则会产生少切或过切现象，如图5.25所示。具有刀尖圆弧自动补偿功能的数控系统能根据刀尖圆弧半径计算出补偿量，避免少切或过切现象的产生。 • 目前大多数数控车床多具有刀具半径补偿功能，可以根据刀尖的实际情况，选择刀位点的轨迹，为编制程序提供方便。编程时，只要按工件的实际轮廓尺寸编程，不必考虑刀具的刀尖圆弧半径的大小，加工时由有数控系统将刀尖圆弧半径加以补偿消除加工误差，即可加工出所要求的工件来。 • G40：取消刀具半径补偿，按程序路径进给。 • G41：左偏刀具半径补偿，按程序路径前进方向刀具偏在零件左侧进给。 • G42：右偏刀具半径补偿，按程序路径前进方向刀具偏在零件右侧进给。

48. 5.2.7 刀具补偿类指令 图5.24 刀尖半径与理想刀尖

49. 5.2.7 刀具补偿类指令 图5.25 刀尖圆弧造成的少切与过切

50. 5.2.7 刀具补偿类指令 • 1. 假想刀尖位置方向 • 具有刀具补偿功能的数控系统，除要利用刀具的补偿值外，由于车刀假想的刀尖与相对刀尖圆角中心的方位和刀具移动的方向有关，需确定刀尖的方位，确定补偿值，假想的 • 刀尖的方位有8种，分别用1～8数字代码表示。同时规定，假想刀尖取圆角中心位置时，代码0和9，也可以认为无补偿。如图5.26所示，常用车刀的类型的刀尖位置代码，外圆、端面车刀(左偏刀)为3，外圆、端面车刀(右偏刀)为4，切槽刀为3、4，内孔车刀为1、2，内孔车刀为1、6。 • 2. 车刀X轴和Z轴的补偿值的确定 • 对应每把刀具的补偿包括一组偏置量X、Z，刀具半径补偿值量和刀尖方位号。 • 一般根据所选刀片的型号查出其刀尖圆角半径，对应图确定刀尖方位代码。通过机床操作面板上的功能键OFFSET，分别设定修改这些参数。数控加工时，根据相应的指令进行调用，提高零件的加工精度。