数控车加工编程原理

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1．数控车床介绍
数控车加工中心是数控车床的一个常见的名称。车削不同于铣削的关键处在于它主要用于如轴类、环形件、盘类零件以及螺纹等回转体零件的加工。
数控车床按主轴的配置方式可以分为包括卧式数控车床和立式数控车床。其中卧式数控车床的种类很多。早期的数控车床的功能比较单一，只有X、Z两个轴的联动功能所实现的数字化控制车削加工。基于在数控车床上扩展加工范围的需要，在数控车床刀架上增加了动力刀具，增加了铣削方面的功能，在此基础上发展成车铣加工中心，但由于数控车床刀具加工时始终朝向主轴旋转中心，使得传统的车铣加工中心加工范围有限，主要使用动力刀具进行铣平面、槽，钻、扩、铰孔等朝向主轴旋转中心的加工。随着数控技术的不断发展，以及新产品研制和快速反应的要求，数控设备的主体结构形成系列化、模块化，增加了Y轴及其旋转轴，发展成为真正的车铣加工中心。近几年来，基于对零件的刚性和加工稳定性的需要，发展了零件沿纵向分区域渐进并且始终在靠近机床主轴部位进行切削的纵切式车铣加工中心。
刀架作为数控车床的重要部件之一，决定了数控车床的整体布局和工作性能。有转塔刀架和直线排列式刀架两种形式，常见的卧式数控车床多为转塔式刀架。
数控车床在工厂里非常普及，数控车床同加工中心一样在加工领域起着重要的作用。工业统计数据表明，普遍认为数控车床与加工中心相比相对简单一些，尽管数控车床可以加工出高质量的零件。数控车床主要用于加工高精度、表面质量要求好的回转体零件，因此需要很少的程序以及启动操作，但这并不等于说，数控车床不能用于周期短和普通零件的加工，只是因为需要车加工的零件比率远远高于铣加工的零件。
; |2 y9 P- l" c2 z; Y2 A$ o2．数控车床的特点
（1）数控车床可以自动完成的操作有主轴变速、正反转、启动或停止，两个坐标方向的进给和快速移动，刀架的松开、转位和夹紧，切削液的开关等。
（2）数控车刀的进给必须与主轴的旋转建立联系，因为数控车床车削时是以主轴转一圈车刀沿进给方向移动多少脉冲当量来计算的。
（3）由于零件设计图纸尺寸的标注和测量都是直径值，因此，为了提高径向尺寸精度，方便于编程与测量，X向脉冲当量取为Z向的一半，故直径方向用绝对值编程时，X坐标值以直径值表示。用增量编程时，以径向实际位移量的2倍编程，并附上方向符号。
（4）卧式数控车床加工零件时，基于零件表面质量和加工精度的需要，主轴必须有一个较大的调速范围，既可以采用恒定表面速度，当然也可以采用恒定转速。
（5）具有刀具补偿功能和具有跳步指令功能。
（6）数控车床通常是两坐标机床，实现两坐标（X，Z）联动加工回转体轮廓零件。
7 J- y; f, h6 U) Q. y（7）由于车加工零件的毛坯常用毛料和模锻件，加工余量较大，所以数控车床常具备不同形式的固定循环功能，可进行多种车削循环。
* p( M6 b/ D+ }' Q3．数控车床的编程标准
用于数控车床的数控程序和数控铣加工程序非常相似。由于在编数控车程序时只需关心两个坐标轴的运动而不是三个轴的运动，因而编程更容易些；另一方面， 用于数控铣编程基本的G或M指令也可用于数控车编程。如果你能够编写数控铣程序，那么，你也可以很容易学会编写数控车程序。
  q2 `& m# R$ \一个有趣的问题是在数控车床控制系统的标准化问题，数控车编程标准化程度较数控铣加工编程标准化程度要少很多。EIA/ISO标准体系专门制定了数控车编程指令系统，而实际上，机床生产厂家没有数控铣编程指令系统那样规范，严格执行EIA/ISO标准。数控车编程指令系统的混乱意味着编程员不得不花费大量的时间学习不同数控车床的特殊指令，否则会产生许多错误。
7 K3 ], e" w% o" |3 U: k（1）数控设备的控制系统
; X( ?& o% j5 N9 ^5 W) c目前数控车床常见的数控系统是FANUC和SIEMENS控制系统，控制系统的基本指令如直线插补和圆弧插补指令非常相似，最大的区别在于循环指令的代码千奇百怪。
. ^7 p2 I& w9 q5 @7 l4 m( Z4 t（2）数控车床坐标轴定义
数控车床同样使用笛卡儿坐标系定义编程坐标系，只是坐标轴不同于数控铣床而已。数控车床根据习惯，将平行于机床主轴的轴定义为Z轴，而垂直于机床主轴的轴定义为X轴。图1说明了这点，坐标轴的方向定义为，Z正向定义为主轴的右侧方向，朝向机床的背方向定义为X正向。这主要考虑到典型的数控车床刀架安装在机床的背部（面向操作者）。原点通常设在要加工零件的前端面的中心。

  p( E/ }% M% G  a! }( V. d图1  数控车床编程坐标系
对于车铣加工中心或纵切式加工中心而言，增加了Z轴方向的旋转轴C轴，以及Y轴及其旋转轴B轴。
（3）直径编程或者半径编程
# M# P6 ^  W5 L  A! W& J数控车加工是用来加工旋转体零件的，由于回转体零件的径向尺寸，无论是设计尺寸还是测量尺寸都是以直径值来表示的，因此，数控车床既可以采用直径编程方式，也可以采用半径编程方式，区别在于X轴的坐标值不同而已。采用直径编程方式，用绝对坐标编程时，X坐标值为直径值，采用相对坐标编程时，以刀具径向实际位移值的二倍值为编程值。相对而言，直径编程较半径编程更方便，尤其在进行手工编程时，可以避免将直径值换算成半径值而可能发生的简单算术错误。如加工一个直径为65mm的外圆，只需将直径65定义为X坐标值，而不需换算成半径值32.5，下表显示了两种编程方法的差异。所有的数控系统都设有系统变量以确定采用哪种方式编程，如需改变，可以参照设备说明书或咨询设备商进行，最好在设备出厂前由设备商确定。
表   直径编程和半径编程比较
1 i' K1 {" Q2 j+ V* I直径编程(Diameter Programming)
) w9 _" n6 |- V- G2 z& ?半径编程(Radius Programming)
8 X$ l( u4 Y: u8 r0 O! M) VG01 X65.0 Z-50.0
( j" F. b! \/ W# I# tG01 X32.5 Z-50.0
1 Z+ q  k$ [; ]5 Q5 w（4）主轴旋转
主轴的旋转方向通过M03、M04指令代码来实现。一般情况下，数控车床的刀架通常都安装在主轴后面的上方，加工刀具处于向下最接近零件的位置，采用M03指令使得主轴正转，从而成为最常见的方向。主要用于外圆的车削，也用于采用标准右旋麻花钻钻孔操作。
主轴的旋转方向，实际上与主轴的设计相关，绕Z轴的旋转轴也就是C轴。事实上，许多数控车床允许进行C轴插补和分度。
# B& ]$ `- L0 N, S0 r4．车刀设置
3 {# v& U6 b6 x  `: U0 s/ f* F（1）刀尖和刀心编程
' q( c) y) d: Y2 [/ v4 _在数控铣编程时，可以采用刀心编程，也可以使用刀具半径补偿功能进行轮廓编程。在这一点上，数控车编程与铣加工数控编程非常相似，由于车刀刃端为单刃的实际情况，数控车床使用假想刀尖作为数控编程时的接触点，我们可以通过设置刀具的刀尖与X、Z坐标轴相切的交点来确定假想刀尖的加工位置，如图2所示。
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图2  假想刀尖示意图
为了提高车刀的使用寿命，降低表面粗糙度，车刀的刃端常磨成半径较小的圆弧，标准车刀的最小刀尖半径为R0.2mm，最大为R2.4mm，常见的多为R0.8mm。车刀半径与铣刀半径一样，数控编程时必须考虑或通过计算将其纳入到数控程序中。只有在沿Z轴方向车外圆或沿X轴方向车端面时，刀尖编程才可以不进行任何补偿。
. \9 m% ?; U, R! L& c8 C( \) V; V多数数控车床既可以设置为采用假想刀尖编程，也可以使用刀尖圆弧的中心即刀心编程。尽管在采用刀心编程时，必须人工补偿与铣加工相似的刀具半径补偿量。例如，使用一把刀尖半径为R0.8的车刀，车加工一个直径为66的外圆，采用刀尖编程，只需简单的定义X轴的坐标值为X66.0，而如果采用刀心编程，就必须将两倍的刀尖半径值1.6和直径值66相加作为指定的直径值67.6，这样才能到达正确的加工位置X67.6。
/ r, k. {% t' v# v% b（2）刀尖编程的局限
( v/ {1 w7 G- I1 }刀尖编程非常方便，但也有局限性，只能用于加工平行于X和Z轴的情况下。如果要加工一个锥面或圆弧，就会发生几何错误，如图3所示，这些错误主要是由于相切的车刀刃端与理论刀具轨迹不符合所致。加工锥面时，误差可以通过直接三角函数运算解决，而对于加工圆弧，相对复杂一些，因为刀尖沿着数控程序的轨迹运动时，该误差是恒定的变化着。
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# b6 R/ C" Z  y7 H$ F( G图3  刀尖编程误差示意图
解决的办法或者是采用刀心编程，将刀尖半径补偿值加到半径中，如图4所示，或采用刀具半径自动补偿功能，控制刀具轨迹运动到正确的刀具轨迹上。后一种办法实际上也是最完美的解决办法，因为我们可以使用刀具补偿获得最终的刀具轨迹，同时可以允许采用刀尖编程。

图4  刀心编程轨迹
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- s( n) ^0 f0 D. h+ p( R  E文章关键词： 数控加工