数控铣床铣平面编程(UG编程之数控铣床入门知识，带你从零基础到精通)

一 入门知识

本课题主要讲述的内容：

1. 数控铣床安全操作规程

2. 数控铣削在工业生产中的地位及加工范围

3. 编程基础知识(一)：

① 机床的坐标轴及运动代号；

② 基本指令；

③ 加工程序编制初步；

实训目的：

1.了解掌握数控铣床的安全操作及基本指令和基础编程知识。

2. 了解掌握机床坐标轴的判别方式和动运代号，运动方向。

一、安全文明生产

(一) 文明生产

1. 严格遵守车间记律，准时上下班；

2. 操作结束要清扫机床和清洁量具；

3. 下班前要清扫工场、清点和清洁量具、清点和清洁刀具、清理整齐工件和毛坯；

4. 废品工件加工、折断的刀具必须回收，不得丢弃和藏幂；

5. 严禁不文明行为。

(二) 安全生产

1. 严禁在工场追逐、打闹、快速奔跑；

2. 严禁着拖鞋、高跟鞋，严禁着不符合工作服要求的服装（如宽大的、衣领或套袖上有装饰带的），头发长的同学必须戴帽子，头发必须盘在帽子内；

3. 操作机床严格按照老师规定的步骤执行；

4. 一台机床只能单人操作！同组其他同学在旁边只能观察操作过程、口头指出错误，严禁动手！唯一的例外是：发生紧急情况时，可代操作者拍按"急停"按钮！

5. 发生事故要及时停机，并马上报告老师处理；严禁私自处理！严禁隐瞒不报！

6. 对刀时要及时调整"进给倍率"旋钮（按键）：刀具远离工件时（大于50mm），可用较大倍率；靠近工件时（50～10mm），必须用较小倍率（10％～20％）；准备切到工件时（1～10mm），必须选用1～2％倍率档！

7. 加工工件过程：检查平口钳装夹是否牢靠→正确装夹工件→对刀、设置坐标偏置→登录程序→检查程序→提高坐标偏置（如G54）中的Z坐标偏置100mm（即 +Z 方向）→正确设置刀具补偿→选择"空运行"、"单段"之后，自动运行程序；观察走刀轨迹是否正确。若正确，则取消"空运行"、恢复坐标偏置、保留"单段"→开始加工；

8. 切削前必须确认已经取消"空运行"、调整"进给倍率"旋钮（按键）到较低档、坐标偏置正确、"单段"已经选用。切入工件后可取消"单段"、调整"进给倍率"到100％或适当倍率；

9. 加工过程必须值守在机床操作位；

10. 严格遵守学校颁布的《数控铣床安全操作规程》。

二、数控铣削简介

(一) NC技术

NC(Numerical Control)技术就是：用数值和符号构成的数字信息自动控制机床的运转。与传统机床依靠操作者操纵手柄进行加工相比，数控机床是依靠NC系统发出的控制信息以脉冲的方式来控制机床各轴的运动进行零件的轮廓形状加工的。因此，进行准确控制加工复杂的二维、三维零件在数控机床上利用2轴、3轴乃至4轴、5轴联动，能够轻而易举的实现，在传统机床上是很难操作的，并且对操作者的经验技术要求较高。传统机械加工要求操作者始终专注于机床的运动、及时作出合适的手柄操纵；数控机械加工首件验证合格后，加工过程几乎不再需要干预，解脱操作者的束缚，可用于准备其他的生产准备工作，节约人力资源，提高生产效益。数控加工技术得到迅速普及、迅速提高的。目前，在役的数控机床一般为CNC(Computer Numerical Control)数控机床。

数控加工技术从产生至今，已经在机械加工领域广泛应用：如数控车床、数控镗铣床、数控磨床、数控冲床、数控切割机、数控电火花（线切割）机、数控激光加工机床等等，数控车削、数控镗铣削、数控电火花线切割是目前数控加工的主力。数控机床是柔性生产线、无人值守车间的基本构成单位。

(二) 数控铣床主要功能

不同档次的数控铣床的功能有较大的差别，但都应具备以下主要功能：

1. 直线插补：数控铣削加工的最基本功能之一。

2. 圆弧插补：数控铣削加工的最基本功能之一。

3. 固定循环：固定循环是指系统开发者所开发的、系统本身的有机组成、参数化的应用于简化编程的加工子程序，并以固定指令格式应用，主要用于实现一些具有典型性的需要多次重复的加工动作，如各种孔、螺纹、沟槽等的加工。使用固定循环可以有效地简化程序的编制。

4. 刀具补偿：一般包括刀具半径补偿、刀具长度补偿、刀具位置补偿功能等。

刀具半径补偿——平面轮廓加工

刀具长度补偿——设置刀具长度

5. 镜向、旋转、缩放、平移：

通过机床数控系统对加工程序进行镜向、旋转、缩放、平移处理，简化程序编制。

6. 自动加、减速控制：

机床在刀具改变运动方向时自动调整进给速度，保持良好的加工状态，避免造成刀具变形、工件表面受损、加工过程速度不稳等情形。

7. 数据输入输出及 DNC 功能：

数控铣床一般通过 RS232C 接口进行数据的输入及输出，包括加工程序和机床参数等。当执行的加工程序超过存储空间时，就应当采用 DNC 加工，即外部计算机直接控制数控铣床进行加工。

8. 子程序功能：

对于需要多次重复的加工动作或加工区域，可以将其编成子程序，在主程序需要的时候调用它，并且可以实现子程序的多级嵌套，以简化程序的编写。

9. 自诊断功能：

自诊断是数控系统在运转中的自我诊断，它是数控系统的一项重要功能，对数控机床的维修、程序的调试等具有重要的作用。

10. 用户宏功能：

在程序中使用变量，通过对变量进行赋值及处理的方法达到程序功能，这种有变量的程序称为宏程序。利用宏程序编程，可进一步提高、扩展数控铣床的使用性能。

(三) 数控铣床主要加工内容

数控铣床目前主要应用于模具行业、小批零件加工、产品试制，减少甚至不用专用的工具、夹具、量具以及专用刀具，主要加工内容：

1. 平面类零件：

型面为平面或可展成平面的零件称为平面类零件，这一类零件的加工特点是：一般用两坐标联动就可以加工，其数控铣削相对比较简单。

2. 曲面类零件：

型面为空间的、不能展成平面的零件称为曲面类零件，其加工特点是：任何方式的加工，铣刀与零件表面始终是点接触。

3. 变斜角类零件：

型面不能展成平面、但又存在有直素线的零件称为变斜角类零件，其加工特点是：周铣时，零件的被加工表面与铣刀柱面接触处可以是一条直线。

4. 孔及螺纹：

采用定尺寸刀具进行钻、扩、铰、镗及攻丝等，一般数控铣都有镗、钻、铰功能。

三、编程基础知识（一）

(一) 基本指令介绍

1. 机床的坐标轴及运动代号

图1-1 右手直角笛卡尔坐标系图 图1-2 编程平面与坐标轴

数控机床坐标轴命名遵循ISO标准：立式数控铣床的主轴运动方向定义为Z轴,刀具离开工件的方向为+Z向，面向机床，以右手直角笛卡儿坐标系判定X、Y坐标轴：大拇指代表X轴，食指代表Y轴，中指代表Z轴，各手指的指向代表对应轴运动的"+"向如图1-1所示；绕X轴的旋转为A，绕Y轴的旋转为B，绕Z轴的旋转为C，以右手螺旋法则判定运动的"+、-"向。坐标指令书写格式：X___ Y___ Z___ A___ B___ C___ 各坐标（地址）后的"___"表示对应轴的运动方向和目标。

2. 基本指令：

(1) 编程平面指令：

坐标平面规定如图1-2示，分述如下：

G17——之后的程序都是以XY平面为切削平面，本指令为模态指令。

G18——之后的程序都是以XZ平面为切削平面，本指令为模态指令。

G19——之后的程序都是以YZ平面为切削平面，本指令为模态指令。

数控系统一般默认在XY平面编程，所以在程序中可以不用指定G17。

(2) 坐标系指令：

① 可设定偏置G54、G55、G56、G57（、G58、G59）：

指定程序自动执行加工零件时，编程坐标系原点在机械坐标系中的位置：工件编程原点偏离机床原点的方向和距离。都为模态指令。任意一个坐标系指令作用和效果都是相同的，编程时设置编程原点不必考虑工件在机床中的的装夹位置。加工时，通过对刀方式找到工件装夹在机械坐标系中的位置，然后把这一位置设定于相应的寄存器，设定完成。

以上坐标系指令的坐标原点在断电、重新上电后不变。

② 可编程偏置G92：

指定程序自动执行加工零件时，编程坐标系原点在加工中的位置：刀具当前点（执行G92程序段时，刀具所处的位置）偏离工件编程原点的方向和距离，为模态指令。

该坐标系指令在断电、重新上上电后消失；程序必须在G92程序段起点处结束，否则程序将不能循环加工。

图1-3 G92设定加工原点

在图1-3中明确表达了，G92时通过刀具当前位置（执行G92程序段时的为置）、G92X___Y___Z___ 所指定的数值和方向来确定加工坐标系的坐标原点的。

(3) 数值类型指令：

① 绝对和相对：

绝对坐标方式G90：坐标值是刀具运动终点相对于编程坐标系原点的距离和方向，为模态指令。

相对坐标方式G91：坐标值是刀具运动终点相对于刀具运动起点的距离和方向，为模态指令。

采用G91、G90编程都可以，一般由图样的标注方式确定，这样可以减少尺寸链的换算，方便坐标的计算。

绝对和相对编程方式编程举例：如图1-4示

图1-4 G90、G91编程举例

② 公制和英制：

FANUC：公制G21、英制G20，为模态指令。

国产机床一般默认为公制，所以编程时一般可以不在程序中指定G71、G21。

(4) 进给指令

F___ ：指令进给速度的大小。有两种方式：每分钟进给量G94、主轴每转进给量G95。这两个都为模态指令，其中F及其指令的数值在重新指令后才改变。

(5) 主轴转速指令：

S___ ：指令主轴转速的大小，一般是不能带小数点的。与M04（反转）、M03（正转）结合使用，M05为主轴停止转动。这四个都为模态指令，其中S及其指令的数值在重新指令后才改变。

(6) 快速定位指令：

G00 X___ Y___ Z___ ：以系统内定的移动速度，刀具快速移动到"X___ Y___ Z___"点。如图1-5示，G00有两种刀具路径：第一，先顺着正方体的空间对角线三轴联合移动，接着以正方形的对角线双轴联合移动，最后单轴移动；第二，从起点到终点的空间直线三轴联合移动。采用哪一种路径，在系统参数中设定，加工的NC程序是不能控制的。为模态指令。

为了确保安全、避免浪费过多的时间在考虑G00路径与工件（或毛坯）、夹具的安全关系，禁止编程时采用三轴联动进行快速定位！

图1-5 G00的走刀路径

(7) 基本切削指令：

① 直线插补指令：

G01 X___ Y___ Z___ F___ ："X___ Y___ Z___"为走刀的终点坐标；刀具顺着起点到终点的（空间、二维、单轴）直线进行切削；必须指令或已经指令了"F___" ；为模态指令。

② 圆弧插补指令：

顺圆弧G02、逆圆弧G03：判定方法是，顺着垂直于圆弧平面的轴，从"+"方向往"-"方向观察，如果刀具顺时针方向切削，采用G02；如果刀具逆时针方向切削，采用G03，如图1-6所示。编程格式如下：

图1-6 顺、逆圆弧的判断

半径编程：FANUC—— G02（G03）X___ Y___ Z___ R___

被加工圆弧的圆心角≤180°时，半径R___赋值为无符号数；360°＞圆心角＞180°时，半径R___赋值为带"-"号的数，这是为了避免如图1-7所是的歧义；圆心角=360°时，不能用半径编程因为已知圆上的一点和圆的半径，可以有无数个圆。

图1-7 半径编程的歧义

圆心编程：G02（G03）X___ Y___ Z___ I___ J___ K___

"X___ Y___ Z___" 为走刀的终点坐标，"I___ J___ K___"为起点指向圆心的向量，具体如下：

I=圆心X坐标-圆弧起点X坐标

J=圆心Y坐标-圆弧起点Y坐标

Z=圆心Z坐标-圆弧起点Z坐标

采用圆心编程，从几何意义上，圆弧总是唯一的，因此可以编制任何弧度的圆弧。

③ 倒圆、倒角指令：

在两个相邻的轮廓图素（直线或圆弧）之间插入直线或圆弧过渡。

倒圆指令：G01 X___Y___，R___

FANUC系统R___ ，写入圆角大小。

倒角指令：G01 X___Y___，C___

FANUC系统C___ ，写入轮廓图素交点至过渡直线的端点之间的长度，如图1-8示，写入A5—B3（B3—A6）、A7—B4（B4—A8）的长度。

图1-8 圆角、直线的过渡

说明：

a．倒圆得到的圆弧与"两个相邻的轮廓图素"都相切，如图1-8示，A1和A2、A3和A4必须是切点，才可用倒圆指令；

b．倒角得到的线段垂直于"两个相邻的轮廓图素"夹角的角度平分线；

c．只能在当前编程平面中执行倒圆、倒角功能；

d．如果其中一个轮廓图素长度不够，则在倒圆、倒角是会自动缩减编程值；

(8) 程序代号和程序段代号：

程序代号：FANUC —— O×××× 字母"O"后接1～4位阿拉伯数字。

(9) 刀具半径补偿指令：

G40、G41、G42：刀具半径补偿的取消、左补偿、右补偿。

① 指令格式：

G41 D____

G42 D____

② 判断方法：顺着刀具运动方向观察，刀具向右偏，使用G42；刀具向左偏，使用G41,如图1-9。

图1-9 G41、G42的选用

③ 建立半径补偿条件： 程序段中指令了G41、G42时，该段必须具备如下条件

a. 指令了在补偿平面的G00、G01的移动。

b. 在补偿平面的移动量大于最大的刀具半径补偿值。

c. 指令了或预先指令了D____（D00除外）。

d. 该程序段必须是"非零件轮廓的图素（辅助刀具路径）"。

④ 半径补偿建立后：

a. FANUC系统不能有连续两个非补偿平面运动的程序段。例如：M05、M01、M00、G09、G04等非运动程序段，G17平面编程时的Z方向运动、G18平面编程时的Y方向运动、G19平面编程时的X方向运动。

b. 同一直线不宜分成两个程序段。

c. 每一个轮廓图素的路径长（程序段的路径）应该大于当时的刀具半径补偿值。

d. 凹圆弧的半径必须大于（最大的）刀具半径补偿值。

e. 一般来说，程序不宜有分支。

⑤ 说明：

a. 建立和撤销刀具半径补偿必须在非工件廓型上进行。

b. D____仅仅代表补偿值所在的寄存器地址（代号），补偿值由寄存器中的数值确定。一般来说，该数值等于：刀具补偿值=刀具半径 + 预留余量。

c. G41、G40及G42、G40一般应该成对使用。

(10) 程序结束指令：

M30、M02都是程序结束指令，M30程序结束后有复位动作，M02则没有。

(二) 加工程序编制初步

1. 识图：了解图样的技术要求、技术条件，如尺寸、偏差、形位公差、材料及其切削性能等。

2. 制定工艺：根据图样特点，制订加工工序，如机床类型、夹具、量具、刀具，及加工部位的先后顺序（程序路径和方向）。

3. 选定坐标系：遵循基准统一原则，优先选择设计基准为编程原点；其次考虑基准重合原则，可采用装配基准、装夹定位基准为编程原点。一般情况，可选择图形已知点、图形中心、模具中心，配合增量编程、坐标变换，既便于对刀、又便于编程、更利于保证加工质量。

4. 对图样进行处理：首先是补充进、退刀引线、刀具补偿线及安全下刀点；其次是对工件轮廓图形进行必要的补充，对图形作补充一般只有开放轮廓或半开放轮廓才需要，在今后的相应课题中会有讲述。下面讲述进退刀引线。一般的，手工编程的进退刀引线、刀具补偿线有如下形式：

(1) 圆弧进刀法

圆弧（如图1-10）：K ＞ 最大刀具半径补偿值

R ＞ 最大刀具半径补偿值+毛坯余量（从使用G00的安全考虑）

圆弧进刀法在切入工件轮廓点B刀具可以平滑过渡，在B点不会留下且刀痕。建议加工程序优先考虑这一进刀方法。

图1-10 圆弧过渡

(2) 法线进刀法

法线进退刀（如图1-11）：K＞最大刀具半径补偿值（同时要保证：K＞毛坯余量+安全量+刀具半径）

图1-11法线过渡

法线进刀法在切入工件轮廓点B刀具不能平滑过渡，在B点会留下且刀痕，如果精加工余量足够小（相对于工艺系统刚性而言），则切痕不会很明显。法线进刀法在进刀时有刀具半径补偿，退刀必须是发线，而且必须撤销刀具补偿。法线进刀比较简单，编程时可适当考虑这一进刀方法。

(3) 直线延伸进刀法（切向进刀）

直线延伸进刀法（如图1-12）：K ＞ 最大刀具半径补偿值

M ＞ 毛坯余量+安全量

直线延伸进刀法在工件轮廓不再有切入、切出点，但一般情况只有加工外轮廓、而且有直角过渡时才方便应用。在延伸线上不能建立刀具补偿，否则可能会得不到欲求之补偿路径。

图1-12 直线过渡

5. 对图样进行数学处理：目前我们主要工作是计算基点（节点）坐标

6. 经过以上步骤，可以进行程序单的编写了。

(三) 编程练习

确定下图的进退刀引线、刀补线（安全下刀点），编写程序单。

1. 练习件一（如图1-13）：

图1-13 练习件一

刀具：Φ16立铣刀

工艺：粗加工留余1mm（S250，F30）→半径加工留余0.2~0.3mm（F60）→精加工到尺寸（S300，F120）

2. 练习件二（如图1-14）：

图1-14 练习件二

刀具：Φ12立铣刀

工艺：粗加工留余1mm（S300，F30）→半精加工留余0.2~0.3mm（F60）→精加工到尺寸（S350，F120）