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机床数控技术实习报告 作者： 日期：2 机械电子工程专业（先进制造技术方向）机床数控技术实习报告姓名： 何明元 学号： 020113200054 指导教师： 华北水利水电大学机械学院2014年5月一、实习目的1.1了解数控车床的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。1.高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙(包括反向间隙)，运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的1020m/mim提高到6080m/min，甚至高达120m/min。2.高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。3.数控车床设计CAD化、结构设计模块化随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。4.功能复合化功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有X、Z轴以及C轴和Y轴。通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。5.智能化、网络化、柔性化和集成化21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。1.2掌握数控车床的基本构造 虽然数控车床种类较多，但一般均由车床主体、数控装置和伺服系统三大部分组成。图3是数控车床的基本组成方框图。图3 数控车床的基本组成方框图 （1） 车床主体 除了基本保持普通车床传统布局形式的部分经济型数控车床外，目前大部分数控车床均已通过专门设计并定型生产。 1）主轴与主轴箱a）主轴 数控车床主轴的回转精度，直接影响到零件的加工精度；其功率大小、回转速度影响到加工的效率；其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。b）主轴箱 具有有级自动调速功能的数控车床，其主轴箱内的传动机构已经大大简化；具有无级自动调速(包括定向准停)的数控车床，起机械传动变速和变向作用的机构已经不复存在了，其主轴箱也成了轴承座及润滑箱的代名词；对于改造式(具有手动操作和自动控制加工双重功能)数控车床，则基本上保留其原有的主轴箱。2）导轨 数控车床的导轨是保证进给运动准确性的重要部件。它在很大程度上影响车床的刚度、精度及低速进给时的平稳性，是影响零件加工质量的重要因素之一。除部分数控车床仍沿用传统的滑动导轨(金属型)外，定型生产的数控车床已较多地采用贴塑导轨。这种新型滑动导轨的摩擦系数小，其耐磨性、耐腐蚀性及吸震性好，润滑条件也比较优越。3）机械传动机构 除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上，作了大幅度的简化。如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺旋传动机构，并在驱动电动机至丝杠间增设了(少数车床未增设)可消除其侧隙的齿轮副。a）螺旋传动机构 数控车床中的螺旋副，是将驱动电动机所输出的旋转运动转换成刀架在纵、横方向上直线运动的运动副。构成螺旋传动机构的部件，一般为滚珠丝杠副，如图4所示。如图4 滚珠丝杠副1一螺母 2一丝杠 3一滚珠 4一滚珠循环装置 滚珠丝杠副的摩擦阻力小，可消除轴向间隙及预紧，故传动效率及精度高，运动稳定，动作灵敏。但结构较复杂，制造技术要求较高，所以成本也较高。另外，自行调整其间隙大小时，难度亦较大。b）齿轮副。在较多数控车床的驱动机构中，其驱动电动机与进给丝杠间设置有一个简单的齿轮箱（架）。齿轮副的主要作用是，保证车床进给运动的脉冲当量符合要求，避免丝杠可能产生的轴向窜动对驱动电动机的不利影响。4）自动转动刀架 除了车削中心采用随机换刀(带刀库)的自动换刀装置外，数控车床一般带有固定刀位的自动转位刀架，有的车床还带有各种形式的双刀架。5）检测反馈装置 检测反馈装置是数控车床的重要组成部分，对加工精度、生产效率和自动化程度有很大影响。检测装置包括位移检测装置和工件尺寸检测装置两大类，其中工件尺寸检测装置又分为机内尺寸检测装置和机外尺寸检测装置两种。工件尺寸检测装置仅在少量的高档数控车床上配用。6）对刀装置 除了极少数专用性质的数控车床外，普通数控车床几乎都采用了各种形式的自动转位刀架，以进行多刀车削。这样，每把刀的刀位点在刀架上安装的位置，或相对于车床固定原点的位置，都需要对刀、调整和测量，并以确认，以保证零件的加工质量。（2） 数控装置和伺服系统 数控车床与普通车床的主要区别就在于是否具有数控装置和伺服系统这两大部分。如果说，数控车床的检测装置相当于人的眼睛，那么，数控装置相当于人的大脑，伺服系统则相当于人的双手。这样，就不难看出这两大部分在数控车床中所处的重要位置了。a）数控装置 数控装置的核心是计算机及其软件，它在数控车床中起“指挥”作用：数控装置接收由加工程序送来的各种信息，并经处理和调配后，向驱动机构发出执行命令；在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，以便经处理后发出新的执行命令。b）伺服系统 伺服系统准确地执行数控装置发出的命令，通过驱动电路和执行元件（如步进电机等），完成数控装置所要求的各种位移。 2.数控车床的工作过程数控车床的工作过程如图5所示。图5 数控车床的工作过程 （1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。（2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。（3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。（4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。（5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统统发出执行的命令。（6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。二、实习准备2.1数控车床的基本操作系统1）开机与关机操作在机床主电源开关接通之前，操作者必须对机床的防护门等是否关闭、卡盘的夹持方向是否正确和油标的液面位置是否符合要求等进行安全检查。合上机床主电源开关，机床工作灯亮，冷却风扇启动，润滑泵、液压泵启动；按下控制面板上的电源启动按钮画，CRT显示器上出现机床的初始位置坐标；检查机床总压力表显示压力是否正常。2）返回参考点操作在机床出现下列情况之一时，操作者必须进行返回机床参考点的操作：开始工作之前机床电源接通；机床停电后再次接通数控系统的电源；机床在急停信号或超程报警信号解除之后恢复工作。返回参考点的操作步骤：旋转方式选择开关“MODE SELECT”至“HOME”位置，进人回零方式；按坐标轴选择按钮“JOG AXIS SELECT”的X或Z键选择一个所需移动的坐标轴；旋转快速倍率修调开关设定返回参考点进给速度；按下坐标轴正向运动按钮后放开，坐标运动自动保持到返回参考点，直到参考点指示灯亮时停止。操作时注意：当滑板上的档块距离参考点开关的距离不足30mm时，要首先用“JOG”按钮使滑板向参考点的负方向移动，直到距离大于30mm停止点动，然后再返回参考点。3) 手动连续进给及断续进给手动断续进给操作步骤：旋转方式选择开关“MODE SELECT”至“JOGINC”，进入断续进给方式，并设置进给步长；按坐标轴选择按钮“JOG AXIS SELECT”的X或Z键选择准备移动的坐标轴；旋转快速倍率修调开关“FEEDRATE OVERRIDE”选择点动进给速率；根据坐标轴运动的方向，按正方向或负方向按钮，各坐标便可实现点动进给。点动状态下，每按一次坐标进给键，进给部件移动一段距离。手动连续进给操作步骤：旋转方式选择开关“MODE. SELECT”处于“JOG”位置时，选择运动轴，按正方向或负方向按钮，运动部件便在相应的坐标方向上连续运动，直到按钮松开时坐标轴才停止运动。4）刀架的转位装卸刀具、测量切削刀具的位置以及对工件进行试切削时，都要靠手动操作实现刀架的转位。其操作步骤如下：首先将“MODE”开关置于“JOG”位置；将“TOOL SELECTION”开关置于指定的刀具号位置；按下“T90”键，则回转刀架上的刀台顺时针转动到指定的刀位。5）主轴手动操作自动运行时主轴的转速、转向等均可在程序中用S功能和M功能指定。手动操作时要使主轴启动，必须用MDI方式设定主轴转速。当方式选择开关“MODE SELECT”处于“JOG”位置时可手动控制主轴的正转、反转和停止。调节主轴转速修调开关“SPINDLE SPEED OVERRIDE”，对主轴转速进行倍率修调。按手动操作按钮CW、CCW、STOP控制主轴正转、反转、停止。6）自动运行操作机床的自动运行也称为机床的自动循环，自动运行前必须使各坐标轴返回参考点，并有结构完整的数控程序。先将旋转方式选择开关“MODE SELECT”置于“AUTO”状态，进人自动运行方式；按程序键PRGRM，屏幕显示数控程序；按CURSOR键，光标移动至被选程序的程序头；按下循环启动按钮“CYCLE START”，则自动操作开始执行。7）机床急停操作机床在手动或自动运行中，一旦发现异常情况，应立即停止机床的运动。使用急停按钮或进给保持按钮中的任意一个均可使机床停止。使用急停按钮。如果机床运行时按下急停按钮“E-STOP”，则机床进给运动和主轴运动会立即停止工作。待排除故障重新执行程序恢复机床的工作时，顺时针旋转该按钮，按下机床复位按钮复位后，进行手动返回机床参考点的操作。使用进给保持按钮。如果机床在运行时按下进给保“FEED HOLD”按钮后，机床处于保持状态。待急停解除之后，按下循环启动按钮恢复机床运动状态，无需进行返回参考点的操作。8）刀具偏置设定刀具偏置设定包括刀具长度偏置量与刀具半径偏置量的设定。操作步骤：按功能键MENU OFSET进入偏置菜单；按软键TOOL，进入刀具偏置设定画面；移动光标到要输人或修改的偏置号；测量对刀点直径值，前加MX输入；以工件坐标原点处Z值前加MZ输入，按输入键INPUT。9）程序的输入和编辑 当输入、编辑、检索程序时需将程序保护开关“PROGRAM PROTECT”打开，并将运行模式置于EDIT状态，显示模式置于PRGRM状态。程序新建：键入程序名，按INSRT完成程序新建。程序调入：键入程序名，按INPUT完成程序调入。程序输入：键入程序单元，按INSRT完成输入确认，按EOB程序段换行。程序编辑：按替换键ALTER、删除键DELET、退格键CAN等完成程序的修改编辑。2.2了解数控车床的的代码及控制面板数控车床可联动X、Z两个坐标轴，符合国际通用标准的笛卡尔右手直角坐标系。即：三个坐标轴X、Y、Z互相垂直，各坐标轴的方向符合右手法则。大拇指的方向为X轴正方向，食指为Y轴正方向，中指为Z轴正方向。数控机床永远假定工件静止而刀具运动，同时规定坐标轴的正方向总是指向增大工件与刀具之间距离的方向。Z轴：为主轴回转轴线，向右远离工件方向为正方向，即纵向。X轴：数控车床X轴为径向水平线，向外为正方向，即横向。2.2.1数控代码规范1）程序结构程序由各个程序段组成，每个程序段执行一个加工步骤。程序段由若干个字组成，字由地址符和数值组成，地址符必须用大写字母，最后一个程序段包含程序结束符M02或M30。目前常用的是字地址可变程序段格式。2）数控指令数控指令包括准备功能指令（G功能）、辅助功能指令（M功能）、刀具功能指令（T功能）、主轴功能指令（S功能）、进给功能指令（F功能）。常用指令有：G00 快速移动，模态例如：G00X40Z50；G01 直线插补，模态 例如：G01X40Z-30；G02 顺时针圆弧插补，模态 例如：G02X40Z10R10；G03 逆时针圆弧插补，模态 例如：G03X40Z10I10K10；G04 暂停，单位毫秒 例如：G04P200G18 ZX平面选择，数控车床缺省 G21 米制单位设定，缺省G41/G42/G40 刀尖半径左补偿/刀尖半径右补偿/刀尖半径补偿取消G54G59 第一工件坐标系第六工件坐标系指定G32 单行程螺纹切削 例如：G32Z-10F1.5G92 螺纹切削固定循环 例如：G92X32Z-20F1.5G76 螺纹切削连续循环 例如：G76X50Z-20P3.68Q1.2F3G90 外圆车削固定循环 例如：G90X20Z-20F80G94 端面车削固定循环 例如：G94X20Z-20I-2F80G71 外圆粗车连续循环 例如：G71U2R0.2 G71P50Q150U0.5W0.25F300G72 端面粗车连续循环 例如：G72U2R0.2 G72P50Q150U0.5W0.25F300G70 精车循环 例如：G70P50Q150F500G94 进给率，单位mm/min G95 进给率，单位mmrM00程序停止 M02程序结束 M03主轴顺时针旋转M04主轴逆时针旋转M05主轴停止M08 冷却液打开M09 冷却液关闭M06 更换刀具 例如：T1M06M30程序结束并返回M98 调用子程序 例如 ：M98L2008P3；调用O2008子程序3次M99子程序结束2.2.2数控系统控制面板数控车床所提供的各种功能可以通过控制面板上的键盘操作得以实现。机床配备的数控系统不同其CRT/MDI控制面板的形式也不相同。CK6120数控铣床配备FANUC 0i-TD数控系统。下面介绍其各控制键功能。1)主功能键【POS】键：位置显示键。在CRT上显示机床现在的位置。【PRGRM】键：程序键。在编辑方式，编辑和显示内存程序，显示MDI数据。【MENU OFSET】键：菜单设置键。刀具偏置数值的显示和设定。【OPR ALARM】键：报警显示键。按此键显示报警号及报警提示。【DGNOS PARAM】键：参数设置键。设置数控系统参数。【AUX GRAPH】键：图象显示键。暂无功能。2)数据输人键用来输人英文字母、数字及符号。常见功能有：G、M指令；F进给量；S主轴转速； X、Y、Z坐标； I、 J 、K圆弧的圆心坐标；R圆弧半径；T刀具号或换刀指令；O程序名；N程序段号；0-9数字等。3)编辑键【ALTER】键：修改键。在程序当前光标位置修改指令代码。【INSRT】键：插人键。在程序当前光标位置插人指令代码。【DELET】键：数据、程序段删除键。【EOB】键：程序段结束键。又称程序段输入键、确认健、回车键。4）复位键复位键【RESET】：按下此键，复位CNC系统。5)输人输出键输入键【INPUT】：与外部设备通信时，按下此键，才能启动输入设备，开始输入数据到CNC内。输出键【OUTPT START】：按下此键，CNC开始输出内存中的参数或程序到外部设备。6）软键软键即子功能键，其含义显示于当前屏幕上对应软键的位置，随主功能状态不同而各异。在某个主功能下可能有若干子功能，子功能往往以软键形式存在。7）编辑辅助键光标移动键【CURSOR】：用于在CRT页面上，一步步移动光标。：向前移动光标。：向后移动光标。页面变换键【PAGE】：用于CRT屏幕选择不同的页面。：向前变换页面。：向后变换页面。取消键【CAN】：按下此键，删除上一个输人的字符。8）运行模式选择旋扭：MODE SELECT【HOME】：返回机床参考点模式【JOG】：手动连续进给模式【JOGINC】：手动断续进给模式【EDIT】：程序编辑模式【MDI】：手动数据输入模式【STEP】：单步加工模式【AUTO】：自动加工模式9）进给速度倍率调节旋扭：用目前的进给速度乘上倍率得到实际进给速度。 主轴速度倍率调节旋扭：用目前的设定速度乘上倍率得到实际主轴转速。10)其它功能按键及旋扭：【AXIS SELECT】旋扭：手动进给轴和方向选择旋扭。在JOG、JOGINC运行模式式时，选择手动进给轴和方向。【ON】【OFF】键： CNC电源按钮。按下“ON”接通CNC电源；按下“OFF”断开CNC电源。【E-STOP】键：急停按钮。当出现紧急情况时，按下此按钮，伺服进给及主轴运转立即停止工作。三、实习内容数控车削加工及其编程举例-套筒零件数控车床加工编程加工图3-1所示的套筒零件，毛坯直径为&phi。150mm、长为40mm，材料为Q235。3-1 套筒零件解：采用华中数控系统编程。加工图3-1所示的套筒零件，毛坯直径为150mm、为40mm，材料为Q235；未注倒角145，其余Ra6.3；棱边倒钝。3-1 套筒零件解：采用华中数控系统编程。表7-18 加工145mm外圆及112mm、98mm内孔的程序 程序 说明 %7111 程序名 N10 G92 X160 Z100 设置工件坐标系 N20 M03 S300 主轴正转，转速300r/min N30 M06 T0202 换内孔车刀 N40 G90 G00 X95 Z5 快速定位到95mm直径，距端面5mm处 N50 G81 X150 Z0 F100 加工端面 N60 G80 X97.5 Z-35 F100 粗加工98mm内孔，留径向余量0.5mm N70 G00 X97 刀尖定位至97mm直径处 N75 G80 X105 Z-10.5 F100 精加工112mm N80 G80 X111.5 Z-10.5 F100 粗加工112mm内孔，留径向余量0.5mm N90 G00 X116 Z1 快速定位到116mm直径，距端面1mm处 N100 G01 X112 Z-1 倒角145 N100 Z-10 精加工112mm内也 N120 X100 精加工孔底平面 N130 X98 Z-11 倒角145 N140 Z-34 精加工98mm内孔 N150 G00 X95 快速退刀到95mm直径处 N160 Z100 N170 X160 N175 T0200 清除刀偏 N180 M06 T0101 换加工外圆的正偏刀 N190 G00 X150 Z2 刀尖快速定位到150mm直径，距端面2mm处 N200 G80 X145 Z-15.5 F100 加工145mm外圆 N210 G00 X141 Z1 N220 G01 X147 Z-2 F100 倒角145 N230 G00 X160 Z100 刀尖快速定位到160mm直径，距端面100mm处 N210 T0100 清除刀偏 N215 M05 主轴停 N220 M02 程序结束 表3-1 加工120mm外圆及端面的程序 程序 说明 %7112 程序名 N10 G92 X160 Z100 设置工件坐标系 N20 M03 S500 主轴正转，转速500r/min N30 M06 T0101 45端面车刀 N40 G90 G00 X95 Z5 快速定位到95mm直径，距端面5mm处 N50 G81 X130 Z0.5 F50 粗加工端面 N60 G00 X96 Z-2 快速定位到96mm直径，距端面2mm处 N70 G01 X100 Z0 F50 倒角145 N80 X130 精修端面 N90 G00 X160 Z100 刀尖快速定位到160mm直径，距端面100mm处 N95 T0100 清除刀偏 N100 M06 T0202 换加工外圆的正偏刀 N110 G00 X130 Z2 刀尖快速定位到130mm直径，距端面2mm处 N120 G80 X120.5 Z-18.5 F100 粗加工120mm外圆，留径向余量0.5mm N130 G00 X116 Z1 N140 G01 X1