数控机床实验指导书

实验一：数控操作实验 1
实验二：数控车床加工实验 5
实验三：数控铣床加工实验 12
实验四：数控机床伺服系统控制 18
实验五：数控机床插补设计 24
 
实验一：数控操作实验
[实验目的]
1. 掌握数控机床的特点与运用；
2. 认识了解数控加工机床的组成与结构；
3. 掌握数控加工的工作原理；
4. 掌握数控机床一般的操作步骤和基本编程；
[实验属性]
本实验属演示性质
[实验内容]
一、数控机床的组成、特点及分类
1. 数控机床的组成：
现代数控机床都是CNC机床，一般由数控操作系统和机床本体组成，主要有如下几部分组成。
1). CNC装置：
计算机数控装置（即CNC装置）是CNC系统的核心，由微处理器（CPU）、存储器、各I／O接口及外围逻辑电路等构成。
2). 数控面板：
数控面板是数控系统的控制面板，主要有显示器和键盘组成。通过键盘和显示器实现系统管理和对数控程序及有关数据进行输入和编辑修改。
3). 可编程逻辑控制器PLC：
PLC是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，用于完成数控机床的各种逻辑运算和顺序控制。例如：主轴的启停、刀具的更换、冷却液的开关等辅助动作。
4). 机床操作面板：
一般数控机床均布置一个机床操作面板，用于在手动方式下对机床进行一些必要的操作，以及在自动方式下对机床的运行进行必要的干预。上面布置有各种所需的按钮和开关。
5). 伺服系统：
伺服系统分为进给伺服系统和主轴伺服系统，进给伺服系统主要有进给伺服单元和伺服进给电机组成。用于完成刀架和工作台的各项运动。主轴伺服系统用于数控机床的主轴驱动，一般由恒转矩调速和恒功率调速。为满足某些加工要求，还要求主轴和进给驱动能同步控制。
6). 机床本体：
机床本体的设计与制造，首先应满足数控加工的需要，具有刚度大、精度高、能适应自动运行等特点，由于一般均采用无级调速技术，使得机床进给运动和主传动的变速机构被大大简化甚至取消，为满足高精度的传动要求，广泛采用滚珠丝杆、滚动导轨等高精度传动件。为提高生产率和满足自动加工的要求，还采用自动刀架以及能自动更换工件的自动夹具等。
2. 数控机床的特点：
由于数控机床是计算机自动控制同精密机床两者之间的相互结合，使得它具有高效率、高精度、高柔性等特点。
1) 具有广泛的适应性：
现代加工业为适应市场竞争要求，需不断对产品进行更新换代，产品的换代势必要求其零件的改变，而对于数控加工来说，只要改变数控程序或加工程序中的相应参数，就能对新零件或改型后的零件进行自动加工。因此能很好地适应市场竞争对产品改型换代的要求。
2) 高精度与质量稳定：
数控机床的本体中广泛采用滚珠丝杆、滚动导轨等高精度传动部件，而伺服传动系统脉冲当量的设定单位可达到0.01~0.005mm。并且还有误差修正或补偿功能。而数控机床的运行是根据数控程序而来，在程序调试完毕，加工件精度满足要求后，就进行自动加工，一般不需人工干预，从而保证其高精度和高稳定性。
3) 效率高：
数控加工在程序调试完成，首件加工合格后，就可进行自动批量加工。加工过程中工件装夹、刀具更换、切削用量的调整均有设备自动完成，而且加工中一般无需进行检测，从而极大地减少了辅助时间。在程序的编制中只要对切削用量进行合理的选择，就可以在满足加工要求的前提下，提高其生产效率。
4) 能进行复杂零件的加工：
数控机床采用计算机插补技术和多坐标轴联动控制，因此可实现任意轨迹运动，并能加工出任何复杂形状的空间曲面，从而满足加工普通机床无法加工的复杂零件。
5) 减轻劳动强度、改善劳动条件：
由于数控机床进行的是自动加工，程序调试完成后，一般不需对其进行人工干预，可以大大减轻劳动者的劳动强度，同时可实现一人管理多台机器。
6) 有利于进行现代化管理：
数控机床加工能方面、精确的计算零件的加工时间，同时还可以进行自动加工统计，从而做到自动精确计算生产和加工费用，有利于对生产的全过程进行现代化管理。
3. 数控机床的分类：
随着数控技术的不断发展，数控机床的类型越来越多，其加工用途、功能特点多种多样，据不完全统计，目前数控机床的品种已达500多种。按其实际使用情况可分为两大类（当然还有其它的分类方法），加工用途类和控制轨迹类。
1) 加工用途类：
加工用途类一般是以数控机床实际加工使用情况进行分类。主要有如下三类：
a. 普通数控机床包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床以及数控加工中心等金属切削类。
b. 数控冲床、数控折弯机、数控旋压机等成型类。
c. 数控电火花切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机等特种加工类。
2) 控制轨迹类：
控制轨迹类是根据数控机床刀具与被加工工件之间的相对运动轨迹来分类，一般分为点控制、线控制和轮廓控制三类。
a. 点控制类主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床等，其特点是移动定位是不加工，要求以最快速度从一点运动到另一点，进行准确快速定位，一般来说各坐标轴之间没有严格的相对运动要求。
b. 线控制类是在点控制类基础上，对单个移动坐标轴进行运动速度控制，其作用一般是使数控车床、数控铣床和数控磨床等，完成简单台阶形或矩形零件的加工。
c. 轮廓控制类数控机床也称为连续控制类数控机床，其特点是对两个或两个以上运动坐标的位移和速度，同时进行连续相关控制，使刀具与工件间的相对运动，符合工件加工轮廓的表面要求。目前大多数金属切削机床的数控系统，均是轮廓控制系统。根据其控制坐标轴的数目，可分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴或五轴联动。
二、数控机床加工程序的编制
数控机床是按编制好的程序进行加工，因此程序编制的好坏，直接影响加工过程是否能正常进行，加工的零件是否能达到图纸要求。这就要求编制程序的人员，不仅要掌握数控机床工作原理和程序结构，而且还要掌握各种零件加工工艺性。零件程序编制一般包括如下五个方面：分析零件图纸、对零件进行工艺分析及处理、对零件进行数学处理、编写零件加工程序清单，对程序进行调试与修改并最终确定。
1. 分析零件图纸：
任何一个零件无论怎样加工，首先应对其零件图进行分析。全面了解被加工零件的几何形状、尺寸大小、零件材料及热处理情况，为工艺处理做好准备。
2. 工艺分析与处理：
工艺分析就是编制零件的加工工艺，包括毛坯选择、工装夹具选择、刀具选择以及热处理的安排等。对于数控加工还有选择工件坐标原点、确定加工中的换刀点以及走刀路线的确定等。
a. 确定加工方案：首先选择使用的数控机床和工装夹具，其次选择加工刀具以及切削用量。
b. 建立工件坐标系：确定工件坐标系与机床坐标系之间的正确关系，给刀具运动轨迹的确定和加工中几何尺寸的计算做准备，同时应考虑零件形位公差的要求。
c. 确定加工中的对刀点和换刀点：数控机床的对刀点、换刀点和加工中的刀具的起点一般为同一点。这一点在选择上，首先要方面检测和刀具轨迹的计算，其次要是换刀点与工件有一个安全的距离，却不允许换刀时刀具与工件发生碰撞，最后还要注意换刀点与工件相距不可太大，造成过大的空行程，应使刀具与工件保持一个安全合理的距离。注意不同的数控机床，其对刀点和换刀点的确定也不尽相同。
d. 选择合理的走刀路线：走刀路线就是整个加工过程中，刀具相对工件的具体运动轨迹，包括快速运动的空行程和根据需要进行的加工过程。选择时首先应确保加工零件的精度和表面质量的要求，其次应注意尽量减少走刀路线和空行程，提高生产效率，最后应注意使计算简单、减少程序数目和编程工作量。
e. 合理安排辅助功能：加工中应根据需要合理安排一些辅助项目。如：切削液的启停、主轴的速度变换、对重要加工尺寸安排停机检测等。
3. 数学处理：
所谓的数学处理，就是根据零件图纸尺寸、已确定的走刀路线，计算数控编程时所需的数据。主要有各个基本点的计算、列表曲线的拟合、复杂的三维曲线或曲面的坐标运算等方面。
4. 编制零件加工程序：
根据确定的走刀路线、计算完成的各个数据和已确定的切削用量，按照CNC系统的加工指令代码和程序段格式，编写零件加工程序清单。编写过程应严格遵守编程说明书的规定，编程方法一般有手动编程和计算机辅助编程。单个小型零件可采用手动编程，复杂大型零件应采用计算机辅助编程，以提高编程效率和质量，减轻编程劳动强度。
5. 加工程序的调试与最终的确定：
加工程序编制完成后，应将其输入数控系统的计算机中。可以通过CNC控制菜单输入，也可以运用DOS中的编辑器进行输入。输入完毕后，应对其进行语法检测、示教演示、模拟加工等，最后进行首件试加工且检测无误后，确定最后的加工程序。
三、实验的方法与步骤
1. 对照数控机床认识机床的各个组成部分：
a. 认识并熟悉数控系统的各个部分，包括数控主机的控制面板、显示器、键盘等。
b. 认识并熟悉机床本体的各个部分，包括床身、导轨、步进电机、丝杆、工件夹头、刀架、控制开关等。
c. 熟悉并掌握整个数控机床的启动和停止。
2. 启动数控机床认识并熟悉操作系统：
a. 启动数控机床进入主控菜单，对主控菜单中各个子菜单进行熟悉，了解并掌握进入、退出各级菜单的方法。
b. 分别进入各级子菜单，对各级子菜单的作用进行认识，重点掌握“文件编辑、参数设定、坐标设定、手动运行、立即执行、示教功能、模拟加工”各子菜单中的内容，以及各个功能键的作用。