数控机床编程与操作：第九章 加工中心的操作与加工

1、数控机床编程与操作 227第九章 加工中心的操作与加工-1 加工中心的操作本章介绍加工中心的操作。对不同的机型，它们的操作面板和外形结构有所不同，但基本操作方法与原理相同。本章参考机床为立式加工中心FNC86-A，该机床控制系统为FANUC16型。 一、加工中心的组成 外形结构尺寸 图 9-1立式加工中心是专门用于连续、高速、高精度加工的数控机床。工件只需一次装夹即可完成多种工序的加工，如铣削加工、镗削加工、钻削加工和螺纹加工等。立式加工中心主要由以下几部分组成：自动换刀装置（ATC）、床身、机床控制器（MTC）、主轴控制器（DSK）、液压系统、自动主轴温控器、数字控制器（CNC）等。如图9-

2、1所示。 机床规格 坐标轴的规定 坐标和方向命名的原则：永远假定刀具相对于静止的工件坐标系运动。 一个标准立式加工中心有三个坐标轴：X、Y、Z。X轴是工作台向左方向或向右方向移动。Y轴是工作台的前后方向移动，Z轴是主轴的上下移动。对于这些轴的运动及其方向的“”和“”规定如图9-2所示。 图 9-2 机械原点 图 9-3 立式加工中心每个独立轴有一个原点，机床原点设定在三个轴X、Y、Z的正行程端处，见图2-7。 工作台与满载：图9-3为工作台详细尺寸： 主轴头尺寸当用多种刀具进行连续和自动地实行加工过程中，如果出现使用不当，有可能出现刀具与夹具发生干涉。图9-4为主轴头的有关尺寸： 换刀机械手

3、如果工件毛坯或夹具比较大、高那么就需注意在进行换刀时，刀具的长度以避免刀具与毛坯或夹具发生干涉。图9-5机械平移动尺寸： 图 9-4 图 9-5 二、刀具与夹具的选择 俗话说的好“三分手艺，七分工具”。要加工出高质量的产品决大部分依赖于加工用的刀具，刀具对加工时间、加工精度、工件成本、刀具成本有很大的影响。 1刀具的选择 图 9-6 刀具的选择是根据加工工艺的要求选择刀具的类型和刀柄的类型。刀具必须考虑形状、材料、加工能力、硬度、精度、表面粗糙度等。刀柄选择要根据标准来进行。如：MASBT50标准，见图8-2 所示。 2刀具的最大尺寸和重量 自动换刀必须保证以下安全条件 刀具最大重量：15kg

4、f 刀具最大力矩：175kgfcm (如图9-6所示) 刀具最大长度：400mm 图 9-7 图 9-8 刀具最大直径选择： 1) 直径100： 图 9-9 如果刀具最大直径在100mm以内，不论刀具是在刀库里面还是在刀库的外面都不会发生干涉。2) 100直径145： 图9-7 为当在刀库中，此相邻的两个刀库做座不发生干涉时刀具的最大直径：3) 145100mm），这种情况要先让各轴远离机床原点（100mm）。然后在回机床原点。如图9-18所示。 4当前位置显示 不管在任何时候，当前位置显示都能实现。如图9-19所示。（注意：在存储、磁带和MDI模式下显示剩余位移量） 5从键盘输入程序。如图9

5、-20所示。 6程序头查找如图9-21和图9-22所示。 7刀具偏置量的显示与输入。如图9-23所示。 8查找程序号：如图9-24所示。 9程序编辑：如图9-25所示。 图 9-18 图 9-19 10显示输入工作坐标。如图9-26所示。 查找被编辑程序的首 查找被调用程序的首 图 9-20 图 9-21 图 9-22 图 9-23 图 9-24 图 图 9-25 图 9-26 11在MDI模式下输入和操作如图9-27所示。 12记忆操作如图9-28所示。 13ATC控制面 ATC刀库手动旋转如图9-29所示。 刀具号显如图9-30所示。 图 9-30 图 9-31 刀具搜索如图9-31所示。

6、 图 9-299-2 加工中心的编程实例 一、 立式加工中心的编程过程 加工中心加工零件时完全按程序指令进行工作，因此加工程序是决定加工质量的关键。但编制程序是综合各工艺要素和机床操作功能的过程，要考虑工件的装夹方式，刀具切削用量，机床各种功能。程序编制的内容和格式。各种数控系统有所不同。但程序编制和加工中心使用过程是基本相同的。图9-32为加工中心使用程图。 编程工作必须合理而有步骤的进行，因为机床操作者必须能完全理解程序并能正确操作机床。下面以一个实例来完整地叙述以上全部过程。 设 计、制 造 夹 具试运行、试切编 程编 程 准 备输 入 程 序刀 具装 夹 方 式零 件 图刀 具 预 调

7、 加工数据单刀 具 单 图 9-32 二、实例 此实例共包括23步骤：其中18为程序的编制、923为加工中心的实际操作过程。 1工艺分析 15工件的装夹 2确定夹具、选用何种规格刀具 16工件原点的确定 3确定编程坐标、编程原点、对 17工件坐标系的输入 刀位置及对刀方法等。 18程序输入 4确定加工路线 19试运行 5确定加工所用各种工艺参数 20试切(自选项) 6数值点计算 21自动加工 7填写程序单 22清扫床面，整理刀、夹、量具 8程序校验 23电源、压缩空气“OFF” 9刀具长度、直径测定 10机床电源、压缩空气“ON” 11机床原点回归 12刀具的安装 13刀具登录 14刀具长度、

8、直径补偿量输入 下面以图9-33零件为例分别介绍以上23步 1工艺分析 （）在加工中心工艺分析时，主要从两个方面考虑：精度、效率。理论上的加工工艺必须达到图纸所要求的。同时又能充分合理的发挥出机床的功能。以下为工艺分析时因考虑的原则： 1) 当加工同一个表面时，因按粗加工、半精加工、精加工次序完成，或者对整个零件的加工也可以分为先粗加工，后半精中工，最后为精加工进行。对形状尺寸公差要求较高时，考虑零件尺寸精度，零件刚性和变形等因素，可以采用前者。对于位置尺寸公差要求较高时，则采用后者。 图 9-33 2) 当一个设计基准和孔加工的位置精度与机床定位精度，重复定位精度相接近时，采用同一尺寸基准集

9、中加工原则，这样可以解决多个工位设计尺寸基准的加工精度问题。 ) 对于有复合加工（即有铣又有镗孔的零件），可以先铣 后镗的原则。因为铣削时，切削力大，工件易变形。先铣后镗孔，使其有一段时间的恢复，减少由变形而引起对精度的影响。相反，如果先镗孔在进行铣削，必然在孔口处产生毛刺、飞边。从而对孔精度有影响。 ) 当要求位置精度要求较高的孔系加工时，特别注意安排孔的加工顺序。安排不当，就可能把坐标轴的的反向间隙带入，直接影响位置精度。如图9-34。从图中看出按图9-34 b的路线加工，由于、孔与、孔定位方向相反，Y向反向间隙会使定位误差增加，而影响5、6孔与其它孔的位置精度。按地图9-34 的加工路线

10、，加工完4孔后往左边移动到P位置，然后折回来在加工5、6孔。这样是为了方向一致。避免反向间隙的引入。 5) 加工中存在重复定位误差，对于这样的情况，就必须一次定位好。通过顺序连续换刀，顺序连续加工完同一个轴的孔后，再加工其它坐标位置的孔，以提高孔系同轴度。上述原则主要是为了保证加工精度。下面几个原则是为了提高加工效率： 6) 相同工位集中加工，尽量就近位置加工，以缩短刀具移动距离，减少空气运行时间。 7) 按刀具划分工步。即在不影响精度的前提下，为了减少换刀次数，空行程时间，不重要的定位误差等。可以即可能地用同一把刀完成同一个工位的工步的加工。 8) 在一次装夹中，即可能地完成更多的加工表面。

11、 图 9-34 通常根据具体情况，以上八个原则必须综合考虑。制定出比较合理的加工中心切削工艺。该零件结构上并不复杂，精度要求也不很高，各加工表面之间位置精度要求不高，所以我们考虑在镗孔时它的顺序为p1p10如图9-33所示。但在铣10040的方槽时必须在精镗4f80之前完成。 2确定夹具选用刀具在第一节中我们介绍了夹具的选用注意事项，在实际加工中接触的通用夹具为虎钳和压板。这里我们主要介绍常用虎钳装夹和压板装夹工件时所注意的问题。如图9-35所示。 （1） 用虎钳时要注意以下几点： 1) 工件安装时放在钳口的中间部。 2) 安装虎钳时要对它固定钳口找正。如图9-36所示。 图 9-35 3)

12、工件被加工部分要高出钳口。避免刀具与钳口发生干涉。 4) 安装工件时，注意工件上浮。如图9-37所示。 (2) 用压板装夹工件时要注意以下几个图。如图9-38所示。 图 9-37 图 9-36 考虑实例工件比较大，所以用压板装夹。 图 9-38 3确定编程原点、编程坐标系，对刀位置及对刀方法等。 编程时，一般是选择工件或夹具上某一点作为程序的原点这一点就称编程原点。那么通过编程原点，而且各轴都与机床各坐标轴平行而建立一个新的坐标系就称着工件坐标系（编程坐标系）。 编程原点的选择原则是： (1) 编程原点最好为图纸上的尺寸基准重合。 (2) 在进行数值计算时，运算简单。 (3) 引起的加工误差最

13、小。 (4) 编程原点应该能够容易找正，而且是测量方便的位置。 在编程原点确定后，对于编程坐标系，对刀位置及对刀方法也就定下来了。本零件的编程原点根据以上原则，我们就可以定在毛坯（工件）的中心处。具体怎样对刀在后面将会提到。 4确定加工路线。 刀具运动方向、轨迹 刀具运动方向、轨迹是指刀具在加工过程中刀具的走势，对钻、镗、攻丝与孔类特征中，刀具的运动方向在工艺分析中说过，根据本工件的实际情况，我们确定工艺路线见图9-35。 铣削加工时有顺铣和逆铣之说。请大家一定注意。不要把顺铣、逆铣和G02、G03、G42、G41概念相混。铣削方式对刀具的耐用度，已加工表面质量和铣削平稳性有重要影响 。 图

14、9-39 逆铣(如图9-39所示 )：铣刀在切削区的切削速度V的方向与工件进给速度f的方向相反。 顺铣(如图9-40所示）：铣刀在切削区的切削速度V的方向与工件进给速度f的方向相同。 下面将逆铣和顺铣简单分析： 图 9-40 1) 由于刀齿开始切削工件时的切削厚度不同，刀齿平均切削厚度不同，将导致逆铣时刀具易磨损，并影响已加工表面，顺铣时，刀具耐用度比逆铣时提高23倍。而且刀齿切削路程较短，路线较陡，比逆铣平均厚度大些。切削变形较小，所节省机床功率消耗。但是，顺铣不宜加工带硬皮的工件。 2) 由于工件所受的切削力方向不同，铣削粗加工时，逆铣比顺铣要平稳。 加工余量确定 确定加工余量的基本原则是

15、在保证加工余量的前提下，尽量减少加工余量。最小加工余量的数值，应该保证能将具有各种缺陷和误差的金属层切点。最小加工余量的大小就决定于下列因素： ) 表面粗糙度（Ra）； ）表面缺陷层深度（Ta）； ） 空间偏差； ） 表面几何形状误差； ） 装夹误差（） 在具体确定工序间的加工余量时，应根据下列条件选择大小： ） 对最后的工序、加工余量要能保证图纸上的要求。 ） 考虑加工方法、设备和工件的刚性以及零件可能发生的变形。 ） 考虑零件热处理时的变形。 ） 考虑被加工零件的大小、材质。 我们根据以上要求确定此零件精加工余量为0.2mm。 确定是否要分层铣：这可以根据毛坯的厚度和刀具直径的大小来确定。

16、 确定进退刀方式 图9-41 图 9-42 进退刀方式在铣削加工中也是非常重要的，在铣削加工中最常见的进退刀方式有直线进刀和圆弧进刀两种。这两种方式见图9-41和图9-42。 在粗加工中为了省时间常用直线进刀。在精加工中为了得到较好的加工表面常用圆弧进刀。在本例中，铣削主要在4-f80和4-10040的槽。它们的进刀采用圆弧进刀。 确定加工所用各种工艺参数 加工所用各种工艺参数可用一个数据表，在这表中填入刀具类型，切削开始点，切削条件。一个程序应该根据这个表来编制。表的主要内容见表9-2。图9-45中工序必须考虑各种因素。比如粗加工会产生较多的热量，应安排在前，钻孔、攻丝及半精加工安排在后以避

17、免热应力等。同时我们参考前面工艺分析。 切削条件的好坏直接影响加工的效率和经济性。这主要取决于你的经验。工件的材料及性质，刀具的材料及形状，刀柄的刚性，切深及余量，加工位置，工件的刚性，工件的安装及夹具的刚性，刀具寿命的估计，加工精度，表面质量冷却等。这里我们简单介绍几个加工条件。 S主轴转数 主轴转速n（r/min）要根据允许的切削速度V（m/min）来选择：式中：S：主轴转数r/min V：切削速度 D：刀具直径（mm）具体V的数值参考第八章。 F进给速度 F = f N Z式中： F：进给速度（mm/min） f：每刃进给量（mm/刃） N：主轴回转数（r/min） Z：刀具的刃数（枚）

18、 切削深度t 切削深度主要受机床和刀具刚度的限制，在机床刚度、刀具刚度允许的情况下，尽可能使切深等于零件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高加工效率。 本例的参数表见表9-2。 6数值点计算 先把可以直接从图纸上所给条件算出节点坐标，再计算待定节点坐标（如：图纸上一般不注明的切点，圆心或交点等）及圆弧起点，终点相对于圆心的坐标值（I，J，K），有的数控铣床还要求计算出各节点处各坐标轴方向的刀具半径补偿分量（P，Q，R）。在计算各节点坐标时，最好按程序编程坐标系算出绝对坐标值，这样编程进将更方便且不易出错。此处，要注意边计算边将数值填入编程草图的相应节点处，如计算时建立了直线或圆方程，最好也注

19、在程编草图的相应几何元素轮廓线附近，以便查错及修改。7填写程序单（程序的编写）根据前面介绍的，我们可以开始按铣刀（或钻）前进方向逐段编写。编写时应注意所用代码与格式要符合所用机床控制系统的功能及用户编程手册的要求，不要遗漏必要的指令或程序段，且数值填写要准确无误，尽量减少差错，特别要注意多，少，正负号及小数点。 下面就写出这个例 子的程序单。在写之前给出两个非常实用的小程序。一个是换刀程序O8999，另一个是接近工件程序O8998。O 8999;O 8998;O 1000 (DIA 80 );O 1001 (DIA 40 );M5:G90G54G00X0Y0;G99X-165.Y-165.;G

20、99X-90.Y-80.;M9;M3;X165.;X90.;G91928Z0;G43Z50.0;Y165.;Y80.;G40G49G80;M8;G98X-165.;G98X-90.;M6;M99;M99;M99;M99;O 1002 ( M12 );O 1003 ( DIA 80 SF );O 1006 (DIA 10EM);O 1007 ;G99X-10.Y-165.;Z3.0;X-90.Y-80.M98P1005;G76G98Z-5.R2.I-.5J-1.;G98X110.Y165.;M98P1004L5;X90.M98P1005;G28G80G91Z0M5;M99;Z50.0;Y80.M

21、98P1005;G49G90M0;M99;X-90.M98P1005;G43Z50.M3;M99;M99;No编程者：备 注表9-2加 工 数 据 表日期：刀 具偏置量程序号：刀 具偏置号H01H02H03H04D24H05H06D16D26H07H08H09进给速度F100F100F30F100F65F80F80F56F32F315工艺：主轴转速S rpm125063018050063014001600800400180刀具长度材料：刀具类型4中心钻10.3/16阶梯钻38钻头30立铣刀39.7镗刀10立铣刀40镗刀80镗刀M12-1.75丝锥机床型号：FNC86-A零件号：刀具号T01T0

22、2T03T04T05T06T07T08T09加工面零件号：顺序号N1N2N3N4N5N6N7N8N9O 1004 (DIA 80 SF );O 1005 (DIA 10EM );G1G91Z-11.F100;G91Z-54.9;G00G40X-20.Y30.;G41X20.Y-20.D24;G41X20.Y30.;Z54.9;G3X20.Y20.J20.;G01Y14.F80;G90;I-40.;G03X-6.Y6.I-6.;M99;X-20.Y20.I-20.F1000;G01X-28.;G1G40X-20.Y-20.;G03X-6.Y-6.J-6.;G00G90;G01Y-14.;M99;

23、G00Y-60.;G01Y-14.;G03X6.Y-6.I6.;G01X28.;G03X6.Y6.J6.;G01Y14.;O 100 ( SAMPLE WORKPIECE )； N1 ( 4 C.DR );N4 ( 30 EM. )X-165.Y-165.F56;G01G17G40G49T1;H4S500M98P8998;/N100M98P1007;M06;X-90.Y-80.;/M99P100;G54G80G90T2;M98P1003;G76Z-52.R2.I-0.5J-1.0L0;H1S1250M98P8998;X90.M98P1003;M98P1000;G82Z-8.R2.P100F10

24、0L0;Y80.M98P1003;M98P8999;M98P1000;M98P8999;T9;M98P1001;T6;M98P8999;N8 ( 80 BB );T3;N5 ( 39.7 BB )H8 S400M98P8998;H5S630M98P8998;X-90.Y-80.F32;N2( 10.3/16DR )G86Z-52.R2.F65L0;/N101M98P1007;H2S630M98P8998;M98P1000;M99P101;G83Z-30.R2.Q3.F100L0;M98P8999;G76Z-52.R2.I-0.5J-1.0L0;M98P1002;T7;M98P1001;M98P

25、8999;M98P8999;T4;N6 ( 10 EM. )T1;H6S1400M98P8998.;N3( 38 DR );D16M98P1006;N9 ( M12 TP );H3S180M98P8998;G91Z-0.1D26S1600;H9S180M98P8998;G73Z-64.R2.Q5.F30L0;G90M98P1006;G84Z-20.R8.F315L0;M98P1000;M98P8999;M98P1002;M98P1001;T8;M98P8999;M98P8999;T2;T5;N7 ( 40 BB );X0Y0;H7S800M98P8998;M30; 8程序检验 在程序填写时往往

26、会有错漏，按程序单向机床控制面板输入时或输入到磁盘中，不能保证完全正确，所以未经检验的程序不能直接加工零件。 程序单的检验 对程序单的检验首先检查功能指令代码是否错漏。例如；检查辅助功能指令代码（），准备功能指令代码（G），G01、G02、G03，平面选择17、G18、G19。G90，G91混用时程序是否协调等。其次检查刀具代号，检查刀具代号是否填写正确或有遗漏。防止加工时刀具半径补偿值有差错。最后验算数据是否计算有误，正负号对不对，程序单上填的数据是否与编程草图上标注的坐标值是否一样，走刀路线是否是一封闭回路。因此，可以用各坐标运动位移量的代数和是否为零来校验程序数据的正确性。 磁盘中程序的

27、校验： ） 人工检查法（方法和程序单的检验一样）。 ） 用计算机或从机床控制面板中用图形显视来校验。 在现代数控加工中有许多的自动编程软件。如：国内CAXA、美国Master CAM等都可以进行反读（即通过代码直接在屏幕上画出刀具轨迹路线）。这种方法即快也方便，但到程序细节部分不能很准确地检查。 ） 在机床上进行试切检查： 这是最直接最有效的检查方法。试切削所用材料可以用较易切削、费用小的塑料或石蜡，但它不能反映出加工程序的工艺性问题（如切削用量是否合适等），此外，对大型或复杂工件也不太适用。因此，有时可以大胆地直接对正式毛坯进行切削，但为了不至于过多地浪费材料，一般用第二种方法，或空走刀无误

28、后进行 。根据工件具体情况，有时候可以用分层试切削（即抬高刀具，放大刀具半径补偿值等），这们做实际效果较好。 9刀具长度、直径测定 在第一节中介绍过对刀仪的用法，这里不在详细介绍，只是给出这个例子的有测量结果。见表9-3 10机床电源、压缩空气打开 （1） 打开主控制电源, 。 （2） 打开压缩空气阀。 （3） 打开控制面板电源。 11机床原点回归 （参考第一节“机床原点回归”） 12刀具的安装 刀具的安装主要是指测量完毕的刀具按程序的加工顺序依次地安装到刀库中。刀库的操作可以参考第一节中“刀库的操作方法”。（注：这里我们可以根据刀库座号依次安装刀具）。 13刀具登录因为ATC使用软件随机系统

29、，在刀具放入刀库之后，通过MDI或编制程序，使刀座号及相应的刀号必须存储在机床控制器的内存中，有两种方法可以注册刀号：一种按顺序从刀NO1/2刀 具4中心钻10.3/16阶梯钻38钻头30立铣刀39.7镗刀刀 具 表材 料编程者夹 头CCA10-10CCA32-32Sample Workpiece年 月 日夹头型号BT50-CTA10-105BT50-MTA2-45BT50-MTA4-75BT50-CTA32120BT50-BSA38-180刀具长度H01=H02=H03=H04=H05=产品名称日期刀 具 轮 廓FNC 86-A20机床型号：产 品 号：程 序 号：刀具名称4中心钻10.3/16阶梯钻38钻头30立铣刀30立铣刀刀 具 号T01T02T03T04T05表 9-3 aNO2/2刀 具10立铣刀40镗刀80镗刀M12-1.75丝锥刀 具 表材 料编程者夹 头CCA20-12Sample Workpiece年 月 日夹头型号BT50-CTA20-105BT50-BCA38-165BT50-BCA62-180BT50-TPB19-165刀具长度H06=H07=H08=H09=H10=产品名称日期刀 具 轮 廓FNC86-A20机床型号：产 品 号：程 序 号：刀具名称10立铣刀40镗刀80镗