数控车床加工实验.docx

实验一数控车床加工实验清华大学金工教研室一、实验目的(1) 数控车床的工作原理和有关组成部分的作用。(2) 零件加工程序的编制方法。(3) 数控车床加工零件的工艺过程和操作方法。(4) 数控车床与普通车床加工的异同点。二、实验内容及安排(1) 实验前必须认真预习并编制好指定零件的加工程序。(2) 熟悉机床操作并输入程序。(3) 模拟运行程序并确保程序无误。(4) 装好工件和刀具，设置好各刀具刀偏值，按程序要求设定刀具原点位置和 起始点位置，启动机床，完成零件加工。(5) 每两人一组，每组一套设备。三、实验设备及工具(1) 每组一台JCK6132数控车床。(2 )每组一个工具柜，工具柜中装有车床所用工具、量具一套。(3) 每人自带计算器一个。(4) 每台机床上带有“数控车床安全操作规程”和“数控车床操作说明书”各 一份。四、实验注意事(1) 上机者应先仔细阅读“数控车床安全操作规程”和“十二、数控车床操作 说明书”，并按其要求认真熟悉车床操作。(2) 必须先编写好程序，然后再上机操作。(3) 程序模拟加工完毕后，应请指导人员检查。(4) 加工过程中，如遇不懂情况，应即时请教实习指导人员，切勿鲁莽行事。(5) 实验过程中，不准擅动其它设备；不准离开机床。五、数控车床加工简介1. 数控车床原理、特点及应用数控车床又称为CNC( Computer Numerical Contro 1)车床，即计算机数字 控制车床，其基本原理如图1所示。普通车床是靠手工操作机床来完成各种切削 加工，而数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中，由数控系统通过控 制车床X、Z坐标轴的伺服电动机去控制车床进给运动部件的动作顺序、移动量 和 进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种不同形状的轴类和盘套类 回转体零件。数控车床的加工特点：加工精度较高，零件尺寸的稳定性好；加工生产效率 高，能够进行多个零件的重复操作；自动化程度高，劳动强度低；价格昂贵，控 制复杂，维修较难。数控车床的加工范围：数控车床除了可以完成普通车床能够加工的轴类和盘 套类零件外，还可以加工各种形状复杂回转体零件，如复杂曲面；还可以加工各 种螺距甚至变螺距的螺纹。数控车床一般应用：精度较高、批量生产的零件；各种形状复杂的轴类和盘 套类零件。2. 数控车床的组成及与普通车床的差异数控车床由数控系统和机床本体组成，如图1所示。数控系统包括控制电源、 轴伺服控制器、主机、轴编码器(X轴、Z轴和主轴)及显示器等。机床本体包 括床身、主轴箱、电动回转刀架、进给传动系统、电动机、冷却系统、润滑系统、 安全保护系统等组成。数控车床与卧式普通车床相比较，数控车床的进给系统与 普通车床的进给系统在结构上存在着本质差别，普通车床主轴的运动经过进给箱、 溜板箱传到刀架实现纵向和横向的进给运动；数控车床则是去除了进给箱、溜板 箱、小拖板和大、中拖板手柄，采用伺服电机直接驱动滚珠丝杠，带动拖板和刀 架，实现纵向和横向进给运动。此外，数控车床采用电动刀架可实现自动换刀， 并采用系统自动润滑和各轴限位安全保护。六、数控车床零件加工工艺制定方法在数控车床上加工零件时，应遵循如下工艺原则：(1) 分析被加工零件图样，明确加工内容和技术要求。(2) 确定工件坐标系原点位置。原点位置一般选择：Z坐标轴在工件旋转中心， X坐标轴在工件右端面上，如图2所示。(3) 制定加工工艺路线。首先应确定刀具加工起始点位置，起始点一般也作为 加工结束的终点，起始点应便于检查和装夹工件；其次确定粗车、精车路线，在 保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，尽可能以最少的加工路线完成零件的 加工，以缩短单件的加工时间；最后确定换刀点位置，换刀点是加工过程中刀架 进行自动换刀的位置，换刀点位置的选择应考虑在换刀过程中不发生干涉现象， 且换刀路线尽可能短，它可以和加工起始点重合，亦可不重合。(4) 选择合理的切削用量。在加工过程中，应根据零件精度要求选择合理的主 轴转速、进给速度和切削深度。在本系统中，主轴转速根据零件要求手动调整； 若在加工过程中需更换主轴转速，则应在程序中加暂停或延时指令，待手动更换 好转速后，程序再继续运行；在本系统中进给速度采用F(mm/min)方式，范围 在015000mm/min以内，精加工采用150mm/min，半精加工采用5080mm/min, 粗加工采用80100mm/min，快速移动采用1002500mm/min；本机床精加工切削 深度一般可选择0.050.4mm，粗加工切削深度应小2.5mm。(5) 选择合适的刀具。根据加工的零件形状和表面精度要求，选择合适的刀具 进行加工。(6) 编制加工程序，调试加工程序，完成零件加工。七、数控车床坐标系的确定本系统采用我国执行的JB3051-82数控机床坐标和运动方向的命名数控 标准，与国际上统一的ISO841等效。(1) 由图2可见，刀具运动的正方向是工件与刀具距离增大的方向。(2) 可采用绝对坐标编程(X，Z)，也可采用相对坐标编程(U，W)，或二者混 合编程。用绝对坐标编程时，无论刀具运动到哪一点，各点的坐标均以编程坐标 系原点为基准读得，X坐标值和Z坐标值是刀具运动终点的坐标；用相对坐标值 编程时，刀具当前点的坐标是以前一点为基准读得，U值(沿X轴增量)和W值(沿Z轴增量)指定了刀具运动的距离，其正方向分别与X轴和Z轴正方向相同。八、数控车床程序格式本系统程序段采用可变文字地址格式，符合机械工业部标准和ISO标准的有 关规定，各指令字顺序如下，不可倒置。N* G* X±*(U±*) Z±*(W±*) R* L* D* F* S* T* M*；*：代表数字；所谓程序格式，是指程序段书写规则，它包括程序名、程序段号、机床要求 执行的各种功能、运动所需要的几何参数和工艺数据。每个程序由以下几部分组 成：O*程序名以O打头，*代表程序号，范围000999；N* 程序顺序号以N打头，*代表顺序号，范围09999；G*准备功能，指令动作方式，范围0099；X、Z绝对坐标运动指令，范围0±9999.99mm；U、W相对坐标运动指令，范围0±9999.99mm；S*主轴功能，指定主轴转速，本系统无此功能；T*刀具功能，指定刀具号和刀具偏置补偿号，范围0044，(高位为换刀号，低位为补偿号)；M*辅助功能，指定机床辅助动作，范围0099；R*圆弧半径，范围0±9999.99mm；F*进给速度，范围015000mm/min；F*螺纹导程，范围0.00165.00mm；F*螺纹扣数，指定英制螺纹每英寸扣数；L*指定循环次数，范围199；X*指定暂停时间，范围09999.99秒；D*.*指定循环程序中第二次增量数值；D*指定子程序起始N号，范围00999；注：若程序段中既有G指令又有S、M、T时，先执行S、M、T指令，后执行G 指令。程序的每一行以“；”结束。九、数控车床编程指令简介1. 准备功能(G指令功能)(1) 设定工件坐标系指令G92指令格式：N G92 X Z_；注意：本指令只能用X、Z指令坐标值，且X、Z值必须齐全。程序中使用该指令，应放在程序的第一段，用于建立工件坐标系，并且通常 将坐标系原点设在主轴的轴线上，以方便编程，如图3所示。例 1： N10 G92 X20 Z25；执行该指令时，显示器显示设定值，X值用直径值设定。(2) 快速定位指令G00指令格式：N G00 X Z (或 U W)；本指令可将刀具按机床指定的G00限速快速移动到所需位置上，一般作为空 行程运动，既可单坐标运动，也可两坐标同时运动。如图4和图5所示。执行本 指令时，机床操作面板上的进给倍率开关有效。G00为模态指令，其它G代码被 指令前均有效的G代码称为模态G代码。田4例 2： G00X100 Z300；表示将刀具快速移动到X为100mm，Z为300mm的位置上，见图4。例 3： G00 U-20；表示将刀具向X轴负方向快速运动，刀具实际位移10mm，见图5。(3) 直线插补指令G01本指令可将刀具按给定速度沿直线移动到所需位置，一般作为切削加工运动 指令，既可单坐标运动，也可双坐标同时运动，在车床上用于加工外圆、端面、 锥面等。指令格式：N G01 X Z (或 U W) F；注：进给速度F需要指定，单位为mm/min，F为模态指令。例 4： N20 G01 X50 Z50 F200；表示刀具以200mm/min的速度运动到X50，Z50的位置上，见图6。例 5： G01 U25 W50 F300；表示刀具以300mm/min的速度向X轴正向、Z轴正向移动，刀具实际 位移X向12.5mm，Z向50mm。见图7所示。圆弧插补指令G02, G03G02 指定为顺时针圆弧插补。G03 指定为逆时针圆弧插补。指令格式：NG02X (U) Z(W) RF；NG03X (U) Z(W) RF；圆弧插补在1、2或3、4象限内自动过象限。G02、G03为模态指令。如何判断圆弧方向呢？由于本设备的程序编辑系统是以第四项限为参考基准 编制的，所以在第四项限内是我们习惯上的顺时针圆弧和逆时针圆弧，第一项限 和第四项限是镜像关系，第二项限同第一项限，第三项限同第四项限，所以请参 考图8来选定圆弧方向。例 6： N30 G03 X20 Z-15 R10 F50；表示加工逆时针圆弧，刀具以F50速度运动到X20，Z-15位置，见图9 圆弧1。例 7： N30 G02 X30 Z12 R12 F50；表示加工顺时针圆弧，刀具以F50速度运动到X30，Z12位置，见图9 圆弧2。(5) 延时(暂停)指令G04指令格式：N G04 X；注：程序执行到此指令后即停止，延时X所指定时间后继续执行，X范围0 9999.99秒，X最小指定时间为0.001秒，但准确度为16ms。该指令可使刀具作短时间的无进给光整加工，常用于切槽、锪孔、加工尖角， 以减少表面粗糙度数值。(6) 普通螺纹切削指令G32指令格式：N G32 Z (W) F；注：Z、W为加工螺纹长度，可以为正值，也可为负值；F为螺纹导程，导程 范围：0.00165.00mm；可加工左旋螺纹，也可加工右旋螺纹。加工中，每一刀 切削深度要逐一给定。(7) 循环指令 G80、G81、G86 G80 外圆切削固定循环指令指令格式：N G80 U W L D F；注：U、W：第一刀终点X、Z轴相对坐标值；W值无论正、负都向负向运行。L：循环次数。L的取值范围：199。当L等于1时，D值无效。D： X方向循环增量值。单位：mm。F：进给速度。单位：mm/min。例 8： N10 G01 X40 Z0 F300；N20 G80 U-4 W-20 L4 D2 F50；见图 10。循环结束后，刀具返回到循环起始点。 G81 端面切削固定循环指令指令格式：N G81 U W L D F；注：U、W：第一刀终点X轴、Z轴相对坐标值。W值无论正、负都向负向运 行。L：循环次数。L的取值范围：199。当L等于1时，D值无效。D： Z方向循环增量值。单位：mm。F：进给速度。单位：mm/min。例 9： N10 G01 X40 Z0 F300；N20 G81 U-20 W-2 L5 D2 F50；见图 11 所示。循环结束后，刀具返回到循环起始点。 G86 公制螺纹切削固定循环指令指令格式：N G86 U W L D F；注：U、W：第一刀终点X轴、Z轴的相对坐标值。W值无论正、负都向负向运 行。L：循环次数。L的取值范围：199。当L等于1时，D值无效。D： X方向循环增量值。单位：mm。F：螺纹导程。单位：mm。例10 N20 G01 X30 Z5；刀具移动到A点。N30 G86 U-0.5 W-10 L3 D0.25 F1.5；见图 12 所示。各循环加工指令在分配加工余量时，每次循环可均分余量，亦可第一刀加工 较多余量，其余几次均分余量。循环结束后，刀具返回到循环起始点。2. 辅助功能指令M本系统M指令用2位数表示。(1) M00:程序暂停指令，重新按启动键后下一程序段开始继续执行。(2) M01:程序选择暂停指令，与M0相似，不同的是由面板上的M01选择开关决定其是否有效。(3) M02:循环执行指令，用以返回到本次加工程序的开始程序段并从开始程序段循环执行。(4) M03 :主轴正转指令，用以启动主轴正转。(5) M04 :主轴反转指令，用以启动主轴反转。(6) M05:主轴停止指令。(7) M08:冷却泵启动指令。(8) M09:冷却泵停止指令。(9) M30:程序结束指令。程序结束并返回到本次加工的开始程序段。(10) 调用子程序指令M98指令格式：N- M98 D- L-；注：D后面是子程序起始N号；L后面是子程序调用次数，L的取值范围：199。另外，M98只能单独使用，自成一条语句。(11) 返回主程序指令M99指令格式：N- M99；注:M99为返回指令，用在子程序的结尾，执行M99就返回到主程序中调用该 子程序段的下一个程序段继续执行。M99只能单独使用，自成一条语句，并M99 必须用在子程序的最后一个程序段，作为子程序结束返回主程序指令。另外，子 程序不能嵌套，只能由主程序调用。带有子程序调用的程序格式及示例如下：N- G- X- Z- F-；Ni M98 D345 L1；调用N345子程序 主程序Ni+1N- M30；程序结束N345 G- X- Z- F-；.子程序N- M99；返回主程序Ni+1 /3. 进给速度指令F本系统的进给速度指令用F及后面的数值表示，F后面的数值为每分钟进给 的毫米数，如F1000表示每分钟进给1000mm。4. 换刀指令T本系统的换刀指令用T及后面的2位数表示。高位数为刀具号(04)，高位 数为0则不换刀；低位数为刀具位置偏置值补偿号(04)，低位数为0表示取消 刀具偏置，没有低位数时则只执行换刀不进行刀具偏置。如T22表示换第2号刀， 按第2号刀具位置偏置补偿号中的数据进行刀具位置补偿。什么是刀具位置偏置值呢？在实际加工中，一般以第1号刀为基准刀具，其 刀尖位置为标准位置。在编制加工程序时，4把刀具都是从同一点(即G92设定 位置)开始启动加工，但由于装刀的原因，各把刀具的刀尖伸出刀架长度和左右 位置都不一样，使得在实际换刀过程中2、3、4号刀相对于第1号刀在X、Z方向 上会出现一定的偏差值，这一偏差值就是刀具位置偏置值，也叫刀具位置补偿值， 简称刀补值。第1号刀具设定为标准位置，其X、Z两个方向的刀具偏置值为0,0， 测量出第2、3、4号刀相对第1号刀在X、Z两个方向上的偏置值存入刀具参数表 中，在程序中根据需要加以使用。如何测量刀具偏置值请参考“十二、数控车床 操作说明书”。注：T指令必须在G00或G01程序段内使用，执行了刀具偏置命令后，系统显示 的坐标值为指令值加刀具偏置值之后的数值。并且通常在加工程序的末尾要使用 T*0，以取消刀具偏置值，否则将会给下一次加工带来误差，*代表1、2、3、4。另 外，刀具偏置值一经存入，就会长期保留在计算机存储器中，直到下一次重新安装新 的刀具时才替换为新的数值。在接通电源或按了复位按钮时，已经执行的刀具偏置值 将被取消。5. 跳过任选程序段在程序顺序号“N”的前面带有“/”的程序可由系统面板上的“跳选”按键 决定其是否执行，该按键灯亮则“跳选”有效，灯灭则跳选无效。例 /N30 G01 X100 Z50；当系统面板上的“跳选”按键灯不亮时，执行“N30”程序段；当系统面板上 的“跳选”按键灯点亮时，跳过“ N30”程序段，执行下面的程序。十、编程举例以图14加工外圆、端面、倒角为例，说明程序的编制方法。图中O点为编程 坐标系原点，O1点为G92设定换刀位置，即1号刀起始位置。使用两把刀具，1 号刀加工外圆，2号刀加工端面和倒角。采用混合(绝对、相对)坐标方式编程。 图中虚线表示零件毛坯位置。加工程序如下：程序段号指令代码说明N10G92 X100 Z100；设定换刀位置O1点N20M03；主轴启动N30T11；换第1号刀N40G01 X29 Z0 F500；快速移动到A点N50G01 X20 Z0 F500；以F500速度移动到B点N60G01 X20 Z-17 F50；以F50速度加工中20外圆N70G01 X29 Z-17 F500；移动到D点N80G01 X100 Z100 F500；移动到O1点，准备换刀图14编制加工程序零件举例N90T22；换第2号刀N100G01 X29 Z-2 F500；移动到E点N110G01 X-1 F50；以F50速度加工端面到F点N120X0 Z0；移动到O点N130X14 F500；移动到G点N140U10 W-5 F50；加工倒角，到H点N150G01 X100 Z100 F500；回 G92 点N160T10；换回第1号刀，同时取消各刀刀补值N170M05；主轴停止N180M30；程序返回起始位置十一、独立编程并加工零件(1) 根据指定零件(见图13,图15)及车刀移动路线和换刀顺序，编制加工 程序，写入实验报告。(2) 输入程序并按“图形方式”模拟运行程序，仔细检查程序有无错误。(3) 按程序要求装好车刀，1号刀为右偏刀，2号刀为螺纹刀，3号刀为切槽刀。装好工件，工件伸出三爪端面100mm。(4) 启动车床，“手动”方式下“手动”或“手轮”操作，试切外圆中28外圆， 长5mm，再车平端面，以便于准确对刀。(5) 按“十二、数控车床操作说明书”上介绍的方法，以第1号刀为基准刀 设置好各刀刀偏置值。(6) 用第1号刀接触外圆和端面，确定出刀具原点位置和起始位置&92设定 的换刀位置)。(7) 检索出零件程序，使用“单段”运行方式，按启动键完成零件加工。(8) 加工工艺顺序:O1-A-B-C-D-A-E-F-G-A-E-循环分刀加工(p 16 外圆 fEf I-JfKf L-Ef O-Tf O1(T22)fUf 循环分刀加工螺纹-U-OKT33) fRfSfRfOl (T10)。另外，在程序中的适当位置可加入M00程序暂停和M03 主轴正转两条指令，以便中途检查零件或清理切屑。SX寸誓一 MF十二、数控车床操作说明书1. 操作面板说明 操作面板如图16所示。H EE ED m tn EH UEU Q Q H EH m inEl V S III |T| 2 CDmmirirniTircTriI PgUp 11 PgDnI圈回曷SE)rwi图16操作而板示意图(1) 复位键:用于系统控制，复位后加工停止，剩余运动取消。(2) 程检键：用于程序脱机检查。按下该键后，启动程序，程序运行，机 床不运动。(3) 空运行键:按下该键后，系统在执行程序时控制坐标轴快速移动，但不 执行T、M功能。(4) 跳选键:按下该键后，系统在执行程序时，凡程序前有“/”的程序段 将被跳过。(5) 暂停键:按下该键后，系统停止运行加工程序，抬起该键，系统继续运 行。(6) 图形键：该键用于加工过程中零件动态图形跟踪显示。首先在主菜单下 按F4键，再按F5键，进入图形参数设置画面设置参数，然后按下图形键， 图形才能正常显示。进给速度倍率选择开关：在单段、自动、手动、点动、回零方式时，由开 关所在位置决定实际进给速度与给定速度之间的倍率关系。(8) F1F5键：编辑、自动、手动、参数等功能选择键。(9) 急停开关：用于加工过程中出现紧急情况时使用，该键使用后，程序要从 第一段开始运行。2. 文件管理(1) 程序检索：首先按O键，接着输入数字，在按检索键。(2) 删除程序名：按F1键，清除程序名输入栏所有数据。(3) 删除一个程序：按F2键，删除程序名输入栏中显示的文件。如果 操作确认，按输入键，程序删除。若程序名输入栏中显示的文件不是想删 除的文件，按N键再按输入键，则终止删除操作。(4) 删除全部程序：按清除键，再按输入键确认。如果操作有误，可按N 键再按输入键，终止删除操作。(5) 文件名输入：文件名由一个“O”号和三个数字组成，“O”号不必输入， 系统自动生成，输入广3个数字即可。(6) 退出文件管理画面：按方式键，返回前一级菜单。3. 文件编辑：本系统文件编辑是全屏幕操作，现场指导。(1) 每一行程序必须以“；”结束，按EOB键即可。(2) 跳行：按F1键，光标可跳到指定行。方法：输入行号后，按输入键 即可。(3) 整行插入：按F2键，光标所在行下移一行。(4) 整行删除：按F3键，删除光标所在行。(5) 删除字符：按删除键，即可删除光标位置字符。退出程序编辑：按方式键，返回主菜单，刚才编辑的程序名和内容被 存储。按复位键，返回主菜单，刚才编辑的内容被作废。4. 系统操作(1)系统回零：在启动机床后，应首先进行系统回零操作，否则系统出错。 方法：在“手动连续” “手轮”或“点动”操作方式下，按F4键进入“回零” 画面，按键选择好要回机械零点的轴，再按(+)键，则被选定的轴开始回零， 直到屏幕上显示出“零点”为止；再选另一坐标轴进行同样操作即可。(2) 程序启动：检索出所要求的程序后，按启动键。(3) 回G92点：在机床处于执行程序状态下，若想停止并回G92设定点，首 先按暂停键，然后按复位键，抬起暂停键，在按F5键就可回G92设定点。手工清坐标值：在自动或单段方式下（或在手动方式下的“手动连续“手 轮” “点动”操作中），系统在未运行加工程序时，按X键则X向坐标值清零， 按Z键则Z向坐标值清零。手动连续操作：在主菜单方式下，按F3键，再按F1键进入手动方式 的“手动连续”操作。按V选择坐标轴，按（+）键，刀架正向移动；按（-） 键，刀架负向移动。手轮操作：在“手动”“回零”或“点动”的任何一种操作方式下，按F3 键即可进入“手轮”操作方式。方法：按V键选择好坐标轴，按F5键选择 手轮每一小格移动的距离，然后转动手轮，正向转动该轴正向移动，负向转动该 轴负向移动。（7）点动操作：在“手动”“回零”或“手轮”的任何一种操作方式下，按F2 键即可进入“点动”操作方式。方法：按V键选择好坐标轴，按F5键选择 点动一次的距离，然后按（+）键或（-）键，坐标轴正向或负向移动选定的移动 量。自动/单段方式操作：在主菜单下，按F1键即进入自动运行加工程序方 式，再按F1键则单段运行方式。设置刀具偏置值：在“手动”“点动”“手轮”三种方式下均可进行对刀操 作，其方法如下： 装好工件，用偏刀试切外圆和端面，见平即可。 用第一号刀（选第一号刀为标准刀）对准外圆和端面后，X轴和Z轴坐标 值清零。 将刀架移出，换第二号刀。将第二号刀的刀尖分别对准外圆和端面，此时 屏幕上显示的坐标值即为2号刀和1号刀（标准刀）的位置偏差值。按 > 键， 再按2键，再按X键，这时2号刀X向刀具偏置值即进入存储区的第二组刀 偏值中。按> 键，再按2键，再按Z键，这时2号刀Z向刀具偏置值即进 入存储区的第二组刀偏值中。 换其它号刀，重复上一步的操作，只是刀的序号相应改变即可。（10）确定原点：试切一个外圆，并精确测量尺寸为中*，将刀具在试切好的 外圆上X向清零，移出刀具，刀具沿X负向移动中*后X向清零，即为X向原点 位置；将刀具轻轻试切在端面上，Z向清零，即为Z向原点位置。（11）确定G92点：原点确定好后，将刀具沿X正向、Z正向移动程序中G92 设定的数值即可。十三、补充练习题1. 按图17所示零件编制加工程序。2. 按图18所示零件编制加工程序。加工补充练习题零件时，应注意毛坯的大小，刀具的选择，粗、精加工分开等 工艺问题。R4.5 R17 12.3R18i2S55数控车实验报告班级 学号 姓名 组号1.数控车床和普通卧式车床加工的异同点。2.简述如何确定第二把刀的刀具偏置值。3. 加工零件程序