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数控机床的编程技巧
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   摘要:通过介绍在数控加工过程中“自动编程”与“手工编程”之间的区别及联系,使编程人员对编制数控加工程序有一定的认识,掌握数控加工编程的技巧。

随着机械加工方法的不断发展和完善,现代化的数控加工机床越来越多地应用于现实生产中。数控机床有很多优点,例如:(1)能完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面的零件加工;(2)可以提高零件的加工精度,稳定产品的加工质量;(3)几乎不需要专用工装、量具,可以提高生产率;(4)可以实现一机多用,提高经济效益;(5)可以大大减轻工人的劳动强度。

由于数控机床的优点所决定,以下几种情况大都采用数控机床来加工:(1)对于单件、中小批量生产;(2)形状比较复杂、精度要求较高的零件加工;(3)产品更新频繁、生产周期要求短的加工。本单位加工的零件都是小批量高精度的零件,其生产加工特点决定很多零、部件需要用数控机床加工完成,所以在元器件生产加工线技术改造时,共购进外国数控设备四台,包括CTXS00数控车床、FPSCC/T和FP4CC数控铣床、M2125数控冲床。其中CTX500数控车床、FPSCC/T和FP4CC数控铣床无自动编程软件,加工程序由工艺人员用C代码进行手工编制完成。经过近几年摸索和使用,积累了加工经验,并总结出几点手工编程的步骤和技巧供大家参考。

所谓的“数控机床的程序编制”是指由分析零件图样到程序检验、加工样件的全部过程。数控机床程序编制的方法有二种,即手工编程和自动编程。

(1)手工编程:是指编制零件加工程序的各个步骤,即从零件图样分析及工艺处理、数值计算、编写程序单直至程序检验,均由人工完成,称为“手工程序编制”。

(2)自动编程:使用计算机进行数控机床程序编制工作,也即由计算机自动进行数值计算编制零件加工程序单。“自动程序编制”,在这里程序编制工作的大部分或全部由计算机来完成。

对于点位加工或几何形状不太复杂的零件,程序编制计算比较简单,程序段不多。可进行手工编程。但对于轮廓形状不是由简单的直线、圆弧组成的复杂零件,特别是空间曲面零件以及程序量很大,计算相当繁琐易出错、难校对的零件,手工编制程序是难以完成的,甚至是无法实现的。因此,为了缩短生产周期,提高生产效率,减少出错率,解决各种复杂零件的加工问题,必须采用“自动编程”方法。

随着微机技术的飞速发展以及大量的各种各样软件的开发和完善,自动编制程序已有了更进一步的发展。利用CAM软件,由工艺人员进行图形输入即三维造型,或将设计人员用CAD设计的零件通过数据传输直接输入编程软件,再由工艺人员确定刀具、走刀路线、合理的切削用量等后,由计算机自动生成数控程序,并可在微机上进行模拟显示、三维仿真,以利用程序检验,最终通过接口将程序传输给数控机床。

由于编程软件及相应微机的购置,需要大量资金,而且其技术含量和技术难度也较大,这在一定程度上影响了自动编程的普及使用,正因为如此,我们目前较多的还是使用手工编程。

对于手工编程,要根据数控机床的程序编制过程进行一步步具体操作,现将其操作步骤和要求总结如下:

(1)分析零件图样和工艺处理。这是一个工艺人员的基本技能要求,要根据设计图纸,对零件图样进行工艺分析,明确加工内容和要求,确定加工方案,选择装夹基准和装夹夹具,确定合理的走刀路线,选择合理的切削用量等。

在数控机床编程中,零件的定位和装夹比较重要,应以迅速完成工件的定位和夹紧过程、减少辅助时间、便于协调工件和机床坐标系的尺寸关系为主,在装夹完成后,选择正确的对刀点,即成为重要的一步。

“对刀点”是指在数控加工时,刀具相对工件运动的起点,也是程序运行的起点,也称谓“程序原点”。

对刀点的选择原则:①所选择的对刀点应使程序编制简单;②为提高零件的加工精度,对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上;③对刀点应选择在容易找正并在加工过程中便于检查的位置;④引起的加工误差最小的位置。

对刀点选择完成后,就应选择合理的刀具,应根据加工零件的材料、加工工艺内容以及相关加工因素来正确选择,力求刚性好、精度高、使用寿命长。刀具选择好后,选择合理的走刀路线,这是数控编程中走刀路线的选择主要考虑以下几点:
  ①尽量缩短走刀路线,减少空走刀时间,提高生产效率;
  ②能保证加工零件的精度和表面粗糙度要求;
  ③能简化数值计算,减少程序段数目和编程工作量;
  ④尽量减少换刀次数,用一把刀具尽量加工完成相关工序。

走刀路线选择后,即可根据零件材料和实际加工经验,数控加工的内容和工序,以及选择好的走刀路线,进行切削用量的合理确定,以便于程序编制时输入刀具参数表中。

(2)数据处理。在分析零件图样和工艺处理完成后,即可根据零件的几何形状和加工路线来计算刀具的运动轨迹,以获得刀位数据。对于手工编制的由圆弧和直线组成的平面零件,主要是计算零件轮廓的相邻几何元素的交点或切点坐标值,以得出几何元素的起点、终点及圆弧的圆心坐标值等。

(3)编写零件加工程序。工艺分析和数据计算完成后,编程人员就可用非常熟悉的数控系统的程序指令,按照规定的程序格式,逐段逐步编写加工程序。

目前,我们编写加工程序这一步是在微机上完成的。首先,它是由编程人员在人工完成工艺分析和数据计算后,在微机上输入加工程序;然后,在微机上进行程序的调试、模拟、检验和修改;最后将完善好的加工程序由微机直接输入到数控机床,避免了人工将程序输人机床的中间环节。因此,这是一种介于手工编程和自动编程之间的方法,既有人工完成的工艺分析和数据计算,又有自动编程所具有的自动模拟加工显示和程序自动传输。它不具备自动编程的意义,但为实际上的手工编程起到方便、快捷、准确的作用。

以上述数控机床的程序编制过程和具体步骤来看,要编制出准确、合理、优化的数控程序,编程人员必须具备极强的专业工艺知识、敏捷的几何计算思维和熟练的数控机床知识,这三者中除熟练的数控机床知识需要专门培训外,其余部分都需要长期的经验积累和学习。根据多年的实际加工生产经验,我们也得出一些体会:
  ①对于少量零件,因为主要是满足其加工精度和粗糙度,在工艺分析处理时应尽量满足一次装夹全面加工,并保证程序零点和图纸的设计基准重合,从而保证零件加工的精度要求。而优化走刀路线和提高生产效率可作为次要问题来考虑。
  ②由于机床控制系统的发展,现行对于一些简单的图形要素如:方形、圆形、直线或圆周排列的孔等都有特殊的C代码来实现,所以为避免数学计算过多而引起错误,我们不计算刀具有加工这些简单图形要素时的每步具体位置,而是给出其最终要求,由控制系统来完成计算加工,但是这些G代码命令及其参数的使用有一定的技巧性,需要熟练掌握。
  ③当零件的相邻几何图形有相切、相交等现象,而这些相切或相交点并无尺寸和坐标时,我们只需判断给定尺寸的几何图素是否构成唯一的相切或相交点即可,如果给定的几何图形能确定唯一相切或相交点,则编制程序时我们不再作数学处理而由控制系统计算。
  ④数控机床的加工一般都为精加工工序,所以它所用的毛坯的平面度、垂直度、平行度都应有较高要求。为保证其加工基准的一致性,最好是在装夹后,由数控机床将加工基准再加工一刀。

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图1  加工零件图

下面是一个较为复杂典型的数控铣床加工零件(图1)的实例,我们按数控机床编制程序过程作如下分析,供大家作为参考:
  (1)装夹方式:因该零件外形较规则,为了装夹方便,采用平口虎钳装夹。
  (2)对刀点(程序原点):与设计基准和工艺基准一致。
  (3)选择刀具:选用链槽铣刀
  (4)走刀路线:采用HAPPY软件中的铣槽特殊功能和打排孔特殊功能。先铣槽,再铣周围的台阶,最后钻孔。
  (5)程序编制特点:编程原点与设计基准和工艺基准重合,走刀路线最短,采用的刀具少,装夹次数少且装夹方便,容易测量,完全能保证加工精度,减少了工人的劳动强度,提高了生产率。

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