12.2　加工中心加工与编程综合实例

12.2.1　任务引入

零件如图12-7所示，毛坯为80mm×80mm×30mm的铝合金件，要求采用先粗后精的加工方法加工各表面。

12.2.2　工艺知识

1.零件图分析 由图12-7可知，该零件主要加工表面有外框、内圆槽及沉孔等，关键加工在于内槽加工。加工该表面时要特别注意刀具进给，避免过切现象。由于该零件既有外轮廓又有内腔，所以加工时应先粗后精，充分考虑内腔加工后尺寸的变形，以保证尺寸。

2.加工工艺方案的制定

（1）加工方法的选择：该零件的加工主要为平面及孔的加工，如外框、内圆槽及沉孔等。另外，考虑到各加工表面精度要求适中，平面采用粗铣、精铣的方法，孔采用钻中心孔、底孔和铰孔的方法。

（2）加工路线的确定：见表12-1。

表12-1 数控加工工序卡

（3）加工设备的选择：在加工中心上加工。

（4）装夹方案的确定：该工件体积不大，可采用虎钳装夹，底部用垫铁支撑。

（5）刀具的选择：铣刀材料和几何参数主要根据零件材料切削加工性能、工件表面几何形状和尺寸大小选择。切削用量应依据零件材料、刀具性能及加工精度要求确定。通常地，为了提高切削效率，要尽量选用大直径的铣刀。侧吃刀量取刀具直径的1/3～1/2，即Z轴方向的一次吃刀深度。背吃刀量应大于冷硬层厚度。切削速度和进给速度应通过试验选取切削效率和刀具寿命的综合最佳值，精铣时切削速度应高一些。本任务所使用的刀具见表12-2。

表12-2 数控加工刀具卡

（6）进给路线的确定：铣外轮廓时，刀具沿零件轮廓切线方向切入。切线方向切入可以是直线切线方向切入也可以是圆弧切线方向切入。

（7）切削用量的选择：切削用量的具体数值应根据数控机床使用说明书的规定、被加工工件材料的类型（如铸铁、钢材或铝材等）、加工工序（如车铣、钻等半精加工或精加工等）以及其他工艺要求，并结合实际经验来确定。

12.2.3　编程指令

1.基本程序指令 加工中心配备的数控系统编程指令都比较齐全。在前面课题中讲到的数控铣床所用G、M、F、S等功能指令基本上都适用于加工中心，就不再重复说明。在此主要介绍一些前面没有涉及的编程指令。

（1）极坐标系设定指令G15、G16：前者为极坐标系取消指令，后者为极坐标设定指令。极坐标轴的方位取决于G17、G18、G19指令指定的加工平面。如图12-8所示，当用G17指令指定加工平面时，+X轴为极轴，X坐标在程序中指定极半径，Y坐标在程序中指定极角。当用G18指令指定加工平面时，+Z轴为极轴，Z坐标在程序中指定极半径，X坐标在程序中指定极角。当用G19指令指定加工平面时+Y轴为极轴，Y坐标在程序中指定极半径，Z坐标在程序中指定极角。

运用G15、G16指令编制图12-8所示孔的加工程序如下：

%0000

N10 G17 G90 G16； 极坐标指令编程，XY加工平面

N20 G00 X100.0 Y30.0； 移到1#孔的上方，极半径为100mm，极角为30°

……钻1#孔

N40 G00 X100.0 Y150.0； 移到2#孔的上方，极半径为100mm，极角为150°

……钻2#孔

N60 G00 X100.0 Y270.0； 移到3#孔的上方，极半径为100mm，极角为270°

……钻3#孔

N80 G15；取消极坐标编程方式

（2）存储行程极限指令G22、G23：为了避免程序错误造成刀具和机床部件或其他附件相碰撞，数控机床有两种行程极限。一种行程极限是由机床行程范围决定的最大行程范围。该行程范围由行程开关及参数设定，用户不得改变，属于硬行程极限。另一种行程极限是可随意设定改变的软行程极限，可用参数设定，也可用G22指令来指定，用G23指令来取消。其输入格式如下：

G22_X_Y_Z_I_J_K_；

上述格式中，X、Y、Z及其后面的数值表示行程极限上极限点相对于机床零点的坐标，I、J、K及其后面的数值表示行程极限下极限点相对机床零点的坐标。如图12-9所示，在上、下极限点之间的三维空间范围内刀具可以移动。如果刀具移动超出这个范围，机床立即停止移动，以避免发生危险。

（3）参考点操作指令G27、G30：在前面课题中提到的G28、G29指令是两个参考点操作的基本指令。另外，G27、G30指令也是和参考点操作有关的，其输入格式如下：

G27X_Y_Z_；返回参考点校验的指令

G30X_Y_Z_；第二参考点返回指令

执行G27指令时，刀具以快进速度移动到程序指定的X、Y、Z轴坐标位置。如果所到达的位置是机床原点（参考点），则返回参考点的各轴指示灯亮；如果指示灯不亮，则说明所给指令值有错误或机床定位误差过大。执行G27指令后，并不会暂停程序运行。若不继续执行下一程序段，则必须在该程序段后增加M00指令或M01指令，或者采用单段运行方式。

G30指令的功能与G28指令类似，其后面的X、Y、Z轴坐标亦是中间点的坐标。G30指令的不同之处在于刀具返回的第二参考点不是机床固有的参考点，而是通过参数来设定的第二参考点。若G30指令后出现G29指令，则刀具将经G30指令指定的中间点移动到G29指令指定的坐标点。G30指令通常用于自动换刀位置与机床固有参考点不同的场合。

同样地，在执行G27、G30指令前机床必须返回过一次第一参考点，且要求必须先取消刀具补偿。

（4）螺纹切削指令G33：其输入格式如下：

G33X_Z_F_Q_；

地址符F指定螺纹导程。地址符Q指定螺纹切削的开始角度范围为0°～360°。对于锥螺纹，其锥角α＜45°时螺纹导程用Z轴方向的数值指定，锥角为45°～90°时用X轴方向的数值指定。对图12-10所示圆柱螺纹进行切削时，螺纹切削指令G33输入格式中省略地址符X及其后面的数字。和螺纹车削加工一样，螺纹切削应注意在螺纹两端设置足够的升速进刀段和降速退刀段。切削到孔底时，应使用主轴准停指令M19，让主轴停在固定的方位上，然后刀具沿螺纹孔径向稍作移动以避开切削面轴向退刀，最后启动主轴进行下一次切削。多线螺纹可通过改变地址符后面的数值，即变换螺纹切削开始角度来切削。

2.自动换刀程序的编写 加工中心编程和数控铣床编程的不同之处主要在于增加了完成自行换刀的M06、M19和T功能指令。

M06为自动换刀指令。执行该指令后，机床驱动机械手进行换刀动作，但不包括刀库转动的选刀动作。

M19为主轴准停指令。执行该指令后，机床主轴定向停止，确保主轴停止的方位和装刀标记方位一致。

T功能指令是铣床不具备的，这是因为T指令是用来驱动刀库电动机带动刀库转动而实施选刀动作的。T指令后的两位数字是将要更换的刀具地址符。若T指令位于某加工程序段的后部，则选刀动作将和加工动作同时进行。

不采用机械手换刀的立、卧式加工中心在换刀时，先取下主轴上的刀具，再进行刀库转位的选刀动作，最后换上新的刀具。其选刀动作和换刀动作无法分开进行，故编程上一般用“T_M06”的形式。对于采用机械手换刀的加工中心，在编程前有必要理解程序段“T01M06”和程序段“M06T01”的本质区别。程序段“T01 M06”是先执行选刀指令T01，再执行换刀指令M06。它是先由刀库转动将T01号刀具送到换刀位置上，再由机械手实施换刀动作。换刀后，主轴上装夹的就是T01号刀具，而刀库中当前换刀位置上安放的则是刚换下的旧刀具。执行程序段“T01 M06”后，刀库保持当前刀具安放位置不动。程序段“M06T01”是先执行换刀指令M06，再执行选刀指令T01。它是先由机械手实施换刀动作，将主轴上原有的刀具和刀库中当前换刀位置上已有的刀具（执行上一次选刀指令选好的刀具）进行互换，然后由刀库转动将T01号刀具送到换刀位置上，为下一次换刀做准备。换刀前后，主轴上装夹的都不是T01号刀具。执行程序段“M06 T01”后，刀库中当前换刀位置上安放的是T01号刀具，它是为下一个M06换刀指令预先选好的刀具。

在对加工中心换刀动作进行编程时，应注意以下几个问题：

（1）换刀动作必须在主轴停转的条件下进行，且必须实现主轴准停，即定向停止（执行M19指令）。

（2）换刀点的位置应根据所用机床的要求来确定。有的机床要求必须将换刀位置安排在参考点处或至少应让Z轴方向返回参考点，这时就要使用G28指令。有的机床允许用参数设定第二参考点作为换刀位置，这时就可以在换刀程序前安排G30指令。无论如何，换刀点的位置应远离工件及夹具，应保证有足够的换刀空间。

（3）为了节省自动换刀时间、提高加工效率，应将选刀动作与机床加工动作在时间上重合起来。例如，可将选刀动作指令安排在换刀前的回参考点移动过程中。如果返回参考点所用时间小于选刀动作时间，就应将选刀动作安排在换刀前的耗时较长的加工程序段中。

（4）若换刀位置在参考点处，换刀完成后可使用G29指令返回到下一道工序的加工起始位置。

（5）换刀完成后，不要忘记安排重新启动主轴的指令，否则加工将无法持续。

例12-1 零件如图12-11所示，用ϕ40mm的端面铣刀铣上表面，用ϕ20mm的立铣刀铣四个侧面和A、B面，用ϕ6mm的钻头钻六个小孔，用ϕ14mm的钻头钻中间的两个大孔。采用刀座对刀，各刀具长度和刀具直径分别设定在H01～H04、D01～D04中。在首次加工时，已经将第一把刀具预先安装在主轴刀座上。加工前，刀具停留在工件零点正上方100mm处。

解 运用相关编程指令编制图12-11所示零件的加工程序如下：

（1）主程序：

%0002； 程序名

N10 G92 X0 Y0 Z100.0； 设定工件坐标系，设T01已经装好

N20 G90 G00 G43 Z20.0 H01； Z轴方向下刀到离毛坯上表面一定距离处

N30 S300 M03； 启动主轴

N40 G00 X60.0 Y15.0； 移动刀具到毛坯右侧外部

N50 G01 Z15.0 F100； 工作进给，下刀到欲加工上表面高度处

N60 X-60.0； 加工到左侧（左右移动）

N70 Y-15.0； 移到Y=-15上

N80 X60.0 T02； 往回加工到右侧，同时刀库预先选刀T02

N90 G49 Z20.0 M19； 上表面加工完成，抬刀，主轴准停

N100 G28 Z100.0； 返回参考点，自动换刀

N110 G28 X0 Y0 M06； 从参考点回到铣侧面起始点，启动主轴

N120 G29 X60.0 Y25.0 Z100.0 S200 M03；

N130 G00 G43 Z-12.0 H02；

N140 G01 G42 X36.0 D02 F80；

N150 X-36.0 T03； 铣后侧面，同时选刀T03

N160 Y-25.0； 铣左侧面

N170 X36.0； 铣前侧面

N180 Y30.0； 铣右侧面

N190 G00 G40 Y40.0； 刀具半径补偿取消，引出

N200 Z0； 抬刀至A、B面上一定高度处

N210 G01 Y-40.0 F80； 工作进给，铣削B面开始（前后移动）

N220 X21.0；

N230 Y40.0；

N240 X-21.0；

N250 Y-40.0；

N260 X-36.0；

N270 Y40.0；

N280 G49 Z20.0 M19； A面铣削完成，抬刀，主轴准停

N290 G28 Z100.0； Z轴方向返回参考点

N300 G91 G28 X0 Y0 M06； X、Y轴方向返回参考点，自动换刀

N310 G90 G29 X20.0 Y30.0 Z100.0； 从参考点回右侧3-ϕ6mm孔钻削起始点

N320 G00 G43 Z3.0 H03 S630 M03； 下刀至B面上3mm处，启动主轴

N330 M98 P120 L3； 调用子程序，钻3-ϕ6mm孔

N340 G00 Z20.0； 抬刀至上表面上一定高度

N350 X-20.0 Y30.0； 移到左侧3-ϕ6mm孔钻削起始处

N360 Z3.0； 下刀至A面上3mm处，启动主轴

N370 M98 P1200 L3； 调用子程序，钻3-ϕ6mm孔

N380 G49 Z20.0 M19； 抬刀至上表面的上方高度

N390 G28 Z100.0 T04； Z轴方向返回参考点，同时选刀T04

N400 G91 G28 X0 Y0 M06； X、Y轴方向返回参考点。自动换刀

N410 G90 G29 X0 Y24.0 Z100.0； 从参考点回2-ϕ14mm孔钻削起始点

N420 G00 G43 Z20.0 H04 S450 M03； 下刀到上表面上5mm处，启动主轴

N430 M98 P1300 L2； 调用子程序，钻2-ϕ14mm孔

N440 G49 G28 Z0.0 T01 M19； 抬刀并返回参考点，主轴准停，同时选刀T01

N450 G91 G28 X0 Y0 M06； X、Y轴方向回参考点，自动换刀，准备重复加工

N460 G90 G00 X0 Y0 Z100.0； 移动到起始位置

N470 M30； 程序结束

（2）钻ϕ6mm孔子程序：

%0120

N10 G91 G00 Y-15.0；

N20 G01 Z-25.0 F10；

N30 G00 Z25.0；

N40 M99； 子程序结束

（3）钻ϕ14mm孔子程序：

%0130

N10 G91 G00 Y-8.0

N20 G01 Z-40.0 F10

N30 G00 Z40.0

3.钻、镗固定循环 相关指令及功能参见课题10孔及深孔加工的有关内容。

4.刀具及刀库数据设置

（1）刀具规格型式：加工中心上使用的刀具分刃具部分和连接刀柄部分。刃具部分包括钻头、铣刀、铰刀和丝锥等，和数控铣床所用刃具类似。由于自动换刀时一般都是连刀柄一起更换的，因此加工中心对刀柄的要求更为重要。连接刀柄应满足机床主轴自动松开和拉紧定位、准确安装各种切削刃具，适应机械手的夹持和搬运，适应在自动化刀库中储存和搬运识别等各种要求。

加工中心及数控镗铣床所用的刀具已经基本规范化，数控行业对此也制定了相应的一系列标准。下面主要介绍TSG整体式工具系统。TSG工具系统中的刀柄代号由四部分组成，各部分的含义如下：

上述代号表示的工具为自动换刀机床用7:24圆锥工具柄：柄部型式代码为JT；锥度为45°；工具柄前部为弹簧夹头，最大夹持直径为32mm；刀柄的工作长度（锥柄大端直径处到弹簧夹头前端面的距离）为120mm。

TSG工具刀柄的型式、用途代码及规格参数见表12-3、表12-4。(www.daowen.com)

表12-3 工具柄部型式代码

表12-4 工具的用途代码及规格参数

5.对刀与刀库设定 加工中心的对刀总体上和数控铣床的对刀相似，有基准刀具的对刀（确定刀具刀位点相对于工件坐标原点或机床坐标原点的位置）和其他各刀具的对刀（刀具刀位点相对于基准刀具刀位点间的位置偏差）两方面的内容。由于加工中心对刀柄、刀座具有较高的精度要求，并且要求在整个程序运行前全部刀具都应对刀调试完毕，因此加工中心的基准刀具通常就是没有装刀具的刀座本身。由于所用刀柄的尺寸基本上都是标准尺寸，所以各刀具相对于刀座的尺寸偏差通常在预调仪上测定。也就是说，各刀具的对刀过程一般在机床之外进行，一台预调仪可为多台机床对刀。

6.加工中心的编程与调试

（1）进行合理的工艺分析。由于零件加工工序多，使用的刀具种类多，甚至在一次装夹下要完成粗加工、半精加工、精加工，周密合理地安排各加工工序的顺序有利于提高加工精度和生产效率。加工顺序一般安排为铣大平面、粗镗孔、半粗镗孔、立铣刀加工、钻中心孔、钻孔、切削螺纹、精加工等的加工次序。

（2）生产批量等情况决定采用自动换刀还是手动换刀。一般生产批量在10件以上而刀具更换较频繁时，采用自动换刀为宜。但当生产批量很小而使用刀具的种类又不多时，采用自动换刀会增加机床的调整时间，这相当于把加工中心当数控铣床使用。

（3）自动换刀要留出足够的换刀空间。有些刀具直径较大或尺寸较长，在自动换刀时要注意避免发生干涉现象。出于安全考虑，有的机床要求换刀前必须先回参考点（或Z轴回到参考点高度）。例如XHK716型立式加工中心，若没有已回参考点的信号，则机械手不动作。

（4）为了提高机床利用率，尽量采用刀具机床之外调整，并将测量尺寸填写在刀具卡片中，以便操作者在运行程序前及时修改刀具补偿参数。

（5）对于已编制的程序，特别是在生产现场为临时生产手工编制的程序，应认真检查并在加工前安排好试运行。

（6）尽量把不同工序内容的程序分别安排到不同的子程序中，或者按加工工序添加程序段号标记。当零件加工程序较复杂时，为了便于程序调试，一般将各工序内容分别安排在不同的子程序中。主程序内容主要包括完成换刀及子程序调用的指令。这样便于按每个工序独立地调试程序，也便于因加工顺序不合理而作出重新调整。对需要多次重复调用的子程序，可考虑采用G91指令指定的增量编程方式处理其中的关键程序段，以便在主程序中用M98指令指定的方式调用，这样可以简化程序。

（7）尽量利用机床数控系统提供的镜像、旋转、固定循环和宏指令编程处理的功能，以简化程序。

（8）加工时使用的第一把刀具可以直接安装在主轴上，并将其编号设置在某地址号中，这样在加工程序的开始就可以不进行换刀操作。但在程序结束前必须有换刀程序段，以便将最后加工用的刀具换为开始加工用的刀具，使这个程序能继续进行下一个零件的加工。如果在调整时主轴上不安装刀具，所有使用的刀具全装在刀库上，那么在程序的开始就要编制换刀的程序段，以便在主轴上安装刀具。在重复使用含有这个程序段的程序加工时，这个安排在最前面的换刀程序段就不必执行了。这需要使用系统提供的选择跳跃功能，即在程序段前增加“/”，按下操作面板上的“选择跳跃”键至灯亮（有效），则以后这些带“/”的程序段就跳过不执行。当需要运行这些程序段时，可在重复运行这些程序前按下“选择跳跃”键至灯灭（无效）。这些程序段可按下述形式编制：

T01；选01号刀具

M06 T02；换刀，选02号刀具备用

如果刀库参考点位置的刀座上安装的是T01号刀具，那么“T01；”程序段就可以省略。

7.加工中心的操作要点

（1）熟悉机床的加工范围，如机床原点，X、Y、Z坐标轴的行程，工件、夹具安放位置，工件坐标系、各坐标的干涉区和换刀空间等。

（2）熟悉数控系统各项指令，如主轴挂挡指令、主轴转速指令、进给速度指令、刀具指令等的用法及实施情况。

（3）确定零件的加工部位和装夹方式，设计和制造相应的夹具。

（4）编制工艺文件内容，包括刀具卡片、夹具和刀具图、加工工序卡片、刀具轨迹图、加工程序清单、程序试运行和修改记录等。

（5）编制程序和输入程序。在编制好加工程序后，将程序输入控制系统的存储器。输入方法有自动编程机输入、数控纸带穿孔机输入等。

（6）机床试运行。安装好夹具和工件后，检查刀库上的刀具和现场各项参数，如工件坐标系、刀具补偿量等。各项工作准备好后，先按下机床锁定开关使机械部件不动作，校验程序是否有误，再单独锁定Z坐标轴，在工作台上放上一张白纸，在机床主轴上夹一支铅笔，画出运行程序时机床的运动轨迹，或利用图形监控功能查看机床运动轨迹，最后安装工件试运行，以检查刀具准备是否正常和刀具夹具有无干涉等。

（7）试切工件。操作者在通过试运行对程序全面了解后，就可以对零件进行试加工。在试加工过程中，往往采用单段运行方式，了解一段、执行一段。在运行程序时，可使用倍率开关适当降低进给速度和快速进给速度，以随时判断运动轨迹。在程序运行过程中，着重了解程序的显示、工件寄存器和缓冲寄存器的显示（状态显示区的显示）、坐标显示等，必须及时掌握执行程序各状态的命令、机床坐标系位置和下一程序段的运动量等。

试切后，需要全面检查各项加工精度，根据检查结果调整参数，进行全面修改。试切检验合格的加工程序要及时储存在工艺文件和程序清单中。

12.2.4　任务实施

运用SINUMERIK840D/840Di数控系统相关指令编制图12-1所示零件的加工程序如下：

（1）主程序

1）用ϕ3mm钻头钻中心孔：

MR081；

N10 G90 G54 G0 Z50；

N20 X0 Y0 S800 F80 M3 M8；

N30 MCALL CYCLE81（50，0，5，-3）；

N40 X25 Y25；

N50 X-25；

N60 Y-25；

N70 X25；

N80 MCALL；

N90 G0 Z100 M9；

N100 X0 Y100；

N110 M30；

2）用ϕ16mm立铣刀粗铣外轮廓和内圆槽：

MR082；

N10 G90 G54 G0 Z50；

N20 M3 S400；

N30 G0 Y-65 X0 M8；

N40 Z2；

N50 G1 Z-9.8 F40；

N60 F100 D2 L181；

N70 G0 Z10； 外轮廓粗加工

N80 X0 Y0；

N90 Z2；

N100 G1 Z-5F40；

N110 F100 D7 L182；

N120 D2 L182； 内圆槽粗加工

N130 G0 Z100 M9；

N140 X0 Y100 M5；

N150 M30；

3）用ϕ10mm立铣刀精铣外轮廓和内圆槽：

N10 MR083；

N20 G90 G54 G0 Z50；

N30 S1000 M3；

N40 G0 Y-65 M8；

N50 Z2；

N60 G1 Z-10.F40；

N70 D3 F60 L181； 外轮廓精加工

N80 G0 Z50；

N90 X0 Y0；

N100 Z2；

N110 G1 Z-5 F40；

N120 D3 L182 F60； 内圆槽精加工

N130 G0 Z100 M9；

N140 X0 Y100 M5；

N150 M30；

4）用ϕ7.8mm钻头钻4-ϕ8mm孔：

MR084；

N10 G90 G54 G0 Z50；

N20 M3 S600 F80；

N30 G0 X25 Y25 M8；

N40 MCALL CYCLE83（50，0，5，-22，-7，0. 5，0.8，1）； 模态调用钻孔固定循环

N50 X-25；

N60 Y-25；

N70 X25；

N80 MCALL；

N90 G0 Z100 M9；

N100 X0 Y100 M5；

N110 M30；

5）用ϕ8mmH7铰刀铰ϕ8mmH7孔：

MR085；

N10 G90 G54 G0 Z50；

N20 M3 S150；

N30 G0 X25 Y25 M8 F30；

N40 MCALL CYCLE85（50，0，5，-15，40，80）；模态调用铰孔固定循环

N50 X-25；

N60 Y-25；

N70 X25；

N80 MCALL；

N90 G0 Z100 M9；

N100 X0 Y100 M5；

N110 M30；

（2）子程序

1）铣外轮廓：

L181；

N10 G41 G1 X30；

N20 G3 X0 Y-35 CR=30；

N30 G1 X-35 RND=5；

N40 Y35 RND=5；

N50 X35 RND=5；

N60 G1 X0；

N70 G3 X-30 Y6 CR=30；

N80 G40 G1 X0；

N90 M17；

2）铣内圆槽：

L182；

N10 G41 G1 X-5 Y15；

N20 G3 X-20 Y0 CR=15；

N30 G3 I20；

N40 G3 X-5Y-15 CR=15；

N50 M17；