完整版数控铣床编程与操作教案.docx
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完整版数控铣床编程与操作教案
项目一数控铣床基础操作与编程
任务一数控铣床基础知识
一、任务目标
1、了解数控铣床种类。
2、了解数控铣床组成。
3、了解数控铣床的特点。
4、了解数控铣床的应用场合。
二、设备
数控铣床若干
三、任务内容及要求
1、任务内容
数控外形结构如图示
2、要求
（1）了解数控铣床的特点
（2）了解数控铣床的结构
四、任务实施步骤
五、相关知识
1、数控铣床
数控铣床是主要采用铣削方式加工工件的数控机床，能完成各种平面、沟槽、螺旋槽、成型表面、平面曲线和空间曲线等复杂型面的加工。
2、数控铣床种类
数控铣床的分类方法很多，这里介绍常见的两种。
（1）按主轴的布置形式及机床的布局特点分类
1）立式数控铣床。
2）卧式数控铣床。
3）立卧两用式数控铣床。
（2）按数控铣床构造分类
1）工作台升降式数控铣床。
2）主轴头升降式数控铣床。
3）龙门式数控铣床。
3、数控机床组成和工作原理
（1）数控机床组成
数控机床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CNC单元）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量反馈装置组成。
如下图是数控机床的组成框图。
图1-1-5数控机床的组成
（2）工作原理
使用数控机床时，首先要将被加工零件图纸的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序;然后将加工程序输入到数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理、分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。
4、数控铣床特点
与普通铣床相比，数控铣床具有以下特点：
（1）半封闭或全封闭式防护
（2）主轴无级变速且变速范围宽
（3）采用手动换刀，刀具装夹方便
（4）一般为三坐标联动
（5）应用广泛
5、数控铣床的应用场合
数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。
数控铣床能够铣削加工各种平面、斜面轮廓和立体轮廓零件，如各种形状复杂的凸轮、样板、模具、叶片、螺旋槽、螺旋桨等。
与加工中心相比，数控铣床除了缺少自动换刀功能以及刀库外，其他方面均与加工中心类似，配上相应的刀具还可以对工件进行钻、扩、铰、锪、镗孔与攻丝等，但其主要还是用来对工件进行铣削加工。
六、思考与练习
1、数控铣床一般由哪几部分组成？
2、数控铣床加工特点有哪些？
3、数控铣床应用于什么场合？
任务二数控铣床编程基础知识
一、任务目标
1、了解数控编程的方法。
2、掌握数控铣床的机床坐标系，会建立合理的工件坐标系。
3、熟悉数控编程的格式及内容。
4、掌握（FANUC0i系统）的指令代码。
二、设备
三、任务内容和要求
四、任务实施步骤
先通过学习理论知识，再通过做练习将所学的指令代码正确灵活运用。
五、相关知识
1、数控编程
（1）数控编程的概念
从零件图纸到编制零件加工程序和制作控制介质的全部过程称为数控程序编制。
（2）数控编程的方法
1）手工编程
2）自动编程
3、数控编程的步骤
数控编程的一般步骤如图1-2-1所示。
图1-2-1数控编程的步骤
4、数控铣床坐标系
（1）数控铣床坐标系建立的原则
1）刀具相对于静止的工件而运动的原则。
2）标准坐标系是一个右手笛卡儿直角坐标系。
在图1-2-2中，大拇指的方向为X轴的正方向，食指为Y轴的正方向，中指为Z轴正方向。
图1-2-2右手笛卡尔坐标系
（2）数控铣床的坐标系
1）机床坐标系和机床原点
机床坐标系是机床上固有的坐标系。
机床坐标系的原点也称为机床原点或机床零点，在机床经过设计制造和调整后这个原点便被确定下来，它是固定的点。
在标准中，规定平行于机床主轴（传递切削力）的刀具运动坐标轴为Z轴，取刀具远离工件的方向为正方向。
如果机床有多个主轴时，则选一个垂直于工件装夹面的主轴为Z轴。
X轴为水平方向，且垂直于Z轴并平行于工件的装夹面。
对于刀具作旋转运动的机床（如铣床、镗床），当Z轴为水平时，沿刀具主轴后端向工件方向看，向右的方向为X的正方向；如Z轴是垂直的，则从主轴向立柱看时，对于单立柱机床，X轴的正方向指向右边。
上述正方向都是刀具相对工件运动而言。
在确定了X、Z轴的正方向后，可按右手直角笛卡儿坐标系确定Y轴的正方向，即在Z－X平面内，从+Z转到+X时，右螺旋应沿+Y方向前进。
2）工件坐标系
工件坐标系是编程人员在编程时使用的，编程人员选择工件上的某一已知点为原点称编程原点或工件原点。
工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。
5、数控编程格式及内容
（1）数控程序的结构
一个完整的数控程序是由程序号、程序内容和程序结束三部分组成。
例如：
％
Ｏ0029；…………………………………………………………程序号
N10G15G17G21G40G49G80；
N20G91G28Z0；
N30T1M6；程序内容
N40G90G54S500M03；
。
。
。
N100M30；………………………………………………………程序结束
6、典型数控系统的指令代码（FANUC0i系统）
（1）F、S、T功能
7、数控系统的准备功能和辅助功能
（1）准备功能（G功能）
1）非模态G功能：
只在所规定的程序段中有效，程序段结束时被注销。
2）模态G功能：
一组可相互注销的G功能，这些功能一旦被执行，则一直有效，直到被同一组的G功能注销为止。
（2）辅助功能M代码
控制机床及其辅助装置的通断的指令。
用地址M和二位数字表示，从M00～M99共有100种，数控铣削及加工中心编程常用辅助功能指令，如图表2-3所示。
8、典型数控系统的指令代码
（1）绝对值编程和增量值编程（G90，G91）
1）指令格式：
G90XYZ；
G91XYZ；
2）说明：
①G90：
绝对坐标编程；（G90为开机默认指令，编程时可省略）
G91：
增量坐标编程。
②XYZ：
表示坐标值。
在G90中表示编程终点的坐标值；在G91中表示编程移动的距离。
（2）平面选择指令
当机床坐标系及工件坐标系确定后，对应地就确定了三个坐标平面，即XY平面、ZX平面和YZ平面，可分别用G代码G17、G18、G19表示这三个平面。
G17—XY平面
G18—ZX平面
G17—YZ平面
（3）工件坐标系选择G54~G59
（4）回参考点控制指令
1）自动返回参考点G28
格式：
G28X_Y_Z_
2）自动从参考点返回G29
格式：
G29X_Y_Z_
六、思考与练习
1、在G90、G91方式下，坐标地址字的值如何确定？
2、F0.2、S800、T0101的含义分别是什么？
3、G28指令设定中间点的是什么？
任务三刀具半径补偿（G41、G42、G40）
一、任务目标
1、了解刀具半径补偿的概念；
2、掌握刀具半径补偿判别、指令格式和应用方法；
3、熟练掌握刀具半径补偿的程序编制；
4、掌握刀具半径补偿功能编制铣削轮廓的程序。
二、设备
三、任务内容及要求
1、任务内容
2、要求
四、任务实施步骤
1、工艺分析：
（1）夹具：
平口虎钳
（2）刀具：
Φ14的高速钢环形立铣刀（4齿），端面有齿，底角半径r1，
刀具半径补偿：
7mm
（3）加工路线：
（4）工艺分析：
（5）起刀点的选择：
五、相关知识
1、建立刀具半径补偿的原因
在加工轮廓（包括外轮廓、内轮廓）时，由刀具的刃口产生切削，而在编制程序时，是以刀具中心来编制的，即编程轨迹是刀具中心的运行轨迹，这样，加工出来的实际轨迹与编程轨迹偏差刀具半径，这是在进行实际加工时所不允许的。
为了解决这个矛盾，可以建立刀具半径补偿，使刀具在加工工件时，能够自动偏移编程轨迹刀具半径，即刀具中心的运行轨迹偏移编程轨迹刀具半径，形成正确加工。
2、刀具半径补偿定义
在编制轮廓切削加工程序的场合，一般以工件的轮廓尺寸作为刀具轨迹进行编程，而实际的刀具运动轨迹与工件轮廓有一偏移量（即刀具半径），数控系统的这种编程功能称为刀具半径补偿功能。
3、刀具半径补偿指令
（1）格式：
G41G00／G01X＿Y＿F＿D＿（刀具半径左补偿）
G42G00／G01X＿Y＿F＿D＿（刀具半径右补偿）
G40（取消刀具半径补偿）
D—用于存放刀具半径补偿值的存储器号
（2）判别左右刀补的方法
沿着刀具的前进方向，看刀具与工件的位置关系，如果刀具在工件的左侧，为左刀补，用指令G41表示，反之，用指令G42表示，如下图示。
（3）刀具半径补偿的工作过程
刀具半径补偿执行的过程可分为三步。
①刀具补偿建立
②刀具补偿进行
③刀具补偿撤销
（8）刀补进行时，若要进行G41、G42转换时，必须先取消然后再建立刀具补偿。
5、内、外轮廓加工的走刀路线
若刀具只能沿内轮廓曲线的法向切入切出时，此时刀具的切入切出点应尽量选在内轮廓曲线两几何元素的交点处，如右上图所示。
6、刀具半径补偿的应用
（1）避免计算刀具中心轨迹，直接用零件轮廓尺寸编程。
（2）刀具因磨损、重磨、换新刀而引起的刀具半径改变后，不修改程序。
（3）用同一程序、同一尺寸的刀具，利用刀具补偿值，可进行粗精加工。
（4）利用刀具补偿值，控制工件轮廓尺寸精度。
六、思考与练习
试用刀具半径补偿指令编写平面凸轮零件的加工程序。
（刀具下刀深度5mm）
任务四刀具长度补偿（G43、G44、G49）
一、任务目标
1、了解刀具长度补偿的概念。
2、掌握刀具长度补偿在编程中的实际应用。
二、设备
三、任务内容和要求
四、任务实施步骤
五、相关知识
1、刀具长度补偿
刀具长度补偿是用来补偿假定的刀具长度与实际的刀具长度之间的差值，系统规定除Z轴之外，其他轴也可以使用刀具长度补偿，但同时规定长度补偿只能同时加在一个轴上，要对补偿轴进行切换，必须先取消对前面轴的补偿。
2、指令格式：
G43H___；（刀具长度补偿“＋”），
G44H___；（刀具长度补偿“－”）
G49或H00：
（取消刀具长度补偿）
其中：
H—指令偏置量存储器的偏置号。
执行程序前，需在与地址H所对应的偏置量存储器中，存入相应的偏置值。
3、指令说明
（1）G43、G44为模态指令，可以在程序中保持连续有效。
G43、G44的撤销可以使用G49指令或选择H00（刀具偏置值H00规定为0）.
（2）在实际编程中，为避免产生混淆，通常采用G43而非G44的指令格式进行刀具长度补偿的编程。
4、刀具长度补偿的作用
（1）用于刀具轴向的补偿。
（2）使刀具在轴向的实际位移量比程序给定值增加或减少一个偏置量。
（3）刀具长度尺寸变化时，可以在不改动程序的情况下，通过改变偏移量达到加工尺寸。
（4）利用该功能，还可在加工深度方向上进行分层铣削，即通过改变刀具长度补偿值的大小，通过多次运行程序而实现。
六、思考与练习
采用G44刀具长度补偿时，刀具的实际移动量如何计算？
任务五铣床刀具、装夹设备
一、任务目标
【知识目标】
1、了解铣刀及加工工艺参数的选择。
2、了解顺铣、逆铣及对表面质量的影响。
【技能目标】
能根据零件选择合适的刀具，保证零件的加工精度。
二、设备
数控铣床常用刀具
三、任务内容和要求
四、任务实施步骤
五、相关知识
1、数控铣床对刀具的要求及铣刀的种类
（1）对刀具的要求
1）铣刀刚性要好
2）铣刀的耐用度要高
尤其是当一把铣刀加工的内容很多时，如刀具不耐用而磨损较快，就会影响工件的表面质量与加工精度，而且会增加换刀引起的调刀与对刀次数，也会使工作表面留下因对刀误差而形成的接刀台阶，降低了工件的表面质量。
除上述两点之外，铣刀切削刃的几何角度参数的选择及排屑性能等也非常重要，切屑粘刀形成积屑瘤在数控铣削中是十分忌讳的。
总之，根据被加工工件材料的热处理状态、切削性能及加工余量，选择刚性好，耐用度高的铣刀，是充分发挥数控铣床的生产效率和获得满意的加工质量的前提。
（2）常用铣刀种类
1）盘铣刀
2）端铣刀
3）成型铣刀
4）球头铣刀
5）鼓形铣刀
2、铣刀类型的选择
铣刀类型应与被加工工件的尺寸与表面形状相适合。
加工较大的平面应该选择面铣刀;加工凸台、凹槽及平面轮廓应选择立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔可选择镶硬质合金的玉米铣刀；曲面加工常采用球头铣刀；加工曲面较平坦的部位常采用环形铣刀；加工空间曲面、模具型腔或凸模成型表面多选用模具铣刀；加工封闭的键槽造择键槽铣刀。
3、铣刀类参数的选择
（1）面铣刀主要参数的选择
可转位面铣刀的直径为φ16～φ630mm。
粗铣时，铣刀直径应小些，精铣时，铣刀直径应大些，尽量包容工件的整个加工宽度。
因为铣削加工时冲击力较大，所以刀具前角要小些，硬质合金刀具的前角应更小。
铣削加工强度和硬度高的材料可选用负前角。
面铣刀的磨损主要发生在后刀面上，因此后角选取应加大。
（2）立铣刀主要参数的选择
根据工件的材料、刀具的加工性质，立铣刀的参数与刀具角度的选取如表所示。
4、刀具长度尺寸的确定
刀具长度一般是指主轴端面至刀尖的距离。
其中包括刀柄和刀具两部分。
刀具长度的确定原则是：
在满足各个部位加工要求的前提下，尽量减小刀具长度，以便提高工具系统的刚性。
制定加工工艺和程序编制时，一般只需初步估算出刀具长度的范围，以方便刀具的准备。
刀具长度的确定是根据工件尺寸、工件在机床工作台上的装夹位置以及机床主轴端面距工作台面或距工作台中心的最大、最小距离等条件来决定的。
加工部位在机床工作台中心和机床主轴之间。
刀具选取的最小长度为：
TL=A–B–N+L+T1+Z0
5、数控刀柄、平口钳、卸刀座等装夹设备
（1）数控铣刀刀柄
数控铣床（加工中心）使用的刀具通过刀柄与主轴相连，刀柄通过拉钉紧固在主轴上，由刀柄夹持铣刀传递转速、扭矩。
刀柄与主轴的配合锥面一般采用7:
24的锥度。
工厂中应用最广的是BT40和BT50系列刀柄和拉钉。
1）弹簧夹头刀柄、卡簧及拉钉
2）莫氏锥度刀柄
（2）卸刀座：
用于铣刀从铣刀柄上装卸的装置
（3）平口钳：
用于装夹工件，并用螺钉固定在铣床工作台上。
6、顺铣、逆铣
（1）定义
顺铣：
是指刀具的切削速度方向与工件的移动方向相同。
逆铣：
是指刀具的切削速度方向与工件的移动方向相反。
（2）判别方法
（3）顺铣和逆铣的特点：
（4）选择技巧
a、尽可能多使用顺铣。
因为数控铣床的结构特点，丝杠和螺母的间隙很小，若采用滚珠丝杠副，基本可消除间隙，因而不存在间隙引起工作台窜动问题。
同时，数控铣削加工应尽可能采用顺铣，以便提高铣刀寿命和加工表面的质量。
b、当工件表面有硬皮，应采用逆铣。
因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刀。
若工件表面没有硬皮，采用顺铣加工。
c、粗加工多用逆铣，而精加工采用顺铣。
六、思考与练习
简述铣削加工中顺铣和逆铣的优缺点。
任务六数控铣床手动操作与试切削
一、任务目标
【知识目标】
掌握数控铣床机床坐标系知识。
【技能目标】
1、掌握回参考点操作。
2、会装夹工件、装拆数控刀具。
3、掌握数控铣床手动（JOG）操作。
二、设备
FANUC（法那克）Oi-MC系统数控铣床若干、数控刀柄、平口钳等装夹设备
三、任务内容和要求
1、任务内容
（1）数控刀柄、平口钳等装夹设备
（2）数控铣床机床坐标系
2、要求
（1）掌握数控铣床机床坐标系知识。
（2）熟练掌握回参考点操作及数控铣床手动（JOG）操作。
（3）会装夹工件、装拆数控刀具。
四、任务实施步骤
1、开机
2、机床手动返回参考点
3、关机
4、手动模式操作
5、装拆刀具，装拆工件
五、相关知识
1、数控刀柄、平口钳等装夹设备
（1）数控刀柄
1）铣刀的装夹
铣刀安装顺序：
a、把弹簧夹套装置在夹紧螺母里；
b、将刀具放进弹簧夹套里边；
c、将前面做的刀具整体放到与主刀柄配合的位置上并用扳手将夹紧螺母拧紧使刀具夹紧。
d、将刀柄安装到机床的主轴上。
（2）平口钳
1）介绍
2）注意事项
（3）特点
3、数控铣床的手动操作
（1）开机
（2）机床手动返回参考点
（3）关机
（4）手动模式操作手动模式操作有手动连续进给和手动快速进给两种。
（5）手轮模式操作
六、思考与练习
1、数控铣床在什么情况下需回参考点？
2、数控铣床机床原点一般处于什么位置？
项目二平面图形加工
任务一直线图形加工
一、任务目标
【知识目标】
1、掌握G00、G01、M指令及编程应用。
2、会编制完整数控加工程序。
【技能目标】
1、了解对刀方法。
2、会制定简单加工方案。
3、了解空运行及首件加工方法。
二、设备
数控铣床若干，相关刀具、量具和毛坯料。
三、任务内容和要求
1、任务内容
使用G00、G01、M指令编制简单程序
2、要求
学生以小组为单位，教师以项目教学方法形式组织教学。
四、任务实施步骤
1、加工准备
2、对刀
3、空运行
4、零件单段运行加工
5、零件加工及评分标准
五、相关知识
1、快速点定位G00指令
（1）指令格式G00 X__ Y__ Z__
其中：
X__ Y__ Z__ 为刀具终点坐标。
G90方式下，为刀具终点的绝对坐标；G91方式下为刀具终点相对于刀具起始点的增量坐标。
（2）指令说明
1）刀具以各轴内定的速度由始点（当前点）快速移动到目标点；
2）刀具运动轨迹与各轴快速移动速度有关；
3）刀具在起始点开始加速至预定的速度，到达目标点前减速定位。
例题1 如图所示，刀具从A点快速移动至C点，使用绝对坐标方式编程。
G92X0Y0Z0设工件坐标系原点，换刀点O与机床坐标系原点重合
G90G00X15Y-40刀具快速移动至Op点
G92X0Y0重新设定工件坐标系，换刀点Op与工件坐标系原点重合
G00X20Y10刀具快速移动至A点定位
X60Y30刀具从始点A快移至终点C
在上例题中，刀具从A点移动至C点，若机床内定的X轴和Y轴的快速移动速度是相等的，则刀具实际运动轨迹为一折线，即刀具从始点A按X轴与Y轴的合成速度移动至点B，然后再沿X轴移动至终点C。
2、直线插补G01指令
（1）指令格式G01X__Y__Z__F__
其中：
X__ Y__ Z__ 为刀具终点坐标。
G90方式下，为刀具终点的绝对坐标；G91方式下为刀具终点相对于刀具起始点的增量坐标。
F__为刀具切削的进给速度。
（2）指令说明
1）G01指令命令刀具在两坐标或三坐标间以插补联动的方式按指定的进给速度作任意斜率的直线运动。
2）执行G01指令的刀具轨迹是直线型轨迹，它是连接起点和终点一条直线。
3）在G01程序段中必须含有F指令。
如果在G01程序段中没有F指令，而在G01程序段前也没有指定F指令，则机床不运动，有的系统还会出现系统报警。
（a）零件图（b）立体图
O2010;
N10G90G94G21G40G17G54;
N20G91G28Z0;
N30M03S800;
N40G90G00X22.5Y50.0;
N50Z20.0;
N60G01Z-5.F50;
N70X127.5Y50.F80;
N80G00Z150.M09;
N90M05X150.Y150.;
N100M30;
1、常用M代码功能：
M00程序停止
M01条件程序停止
M02程序结束
M03主轴正转
M04主轴反转
M05主轴停止
M06刀具交换
M08冷却开
M09冷却关
M30程序结束并返回程序头
M98调用子程序
M99子程序结束返回／重复执行
六、项目训练
1、如何编写完整加工一个零件的数控程序？
2、G00、G01指令格式如何？
使用时二者有何区别？
3、试编写下图的加工程序。
（a）零件图
任务二圆弧图形加工
一、任务目标
【知识目标】
1、了解G17、G18、G19平面选择指令含义。
2、会计算基点坐标。
3、掌握G02、G03圆弧插补指令及应用—刀具半径补偿与工件外轮廓加工。
【技能目标】
1、掌握圆弧加工方法。
2、掌握零件自动加工方法。
二、设备
1、数控铣床若干
2、工具和刀具：
寻边器，机用虎钳、Φ6立铣刀、平行垫铁、塑胶榔头等。
3、量具：
千分尺、游标卡尺
4、毛坯:
120x80x14铝合金
三、任务内容和要求
1、任务内容
（1）学习验证程序的各个环节。
（2）练习G02、G03圆弧插补指令及应用-----刀具半径补偿与工件外轮廓加工。
2、要求
学生以小组为单位，教师以项目教学方法形式组织教学。
四、任务实施步骤
1、加工准备
2、回参考点、对刀。
3、空运行
4、零件自动加工方法
5、零件加工及评分标准
6、加工结束，清理机床
五、相关知识
1、编程指令
（1）平面选择指令G17、G18、G19平面选择G17、G18、G19指令分别用来指定程序段中刀具的插补平面和刀具半径补偿平面。
G17—选择XY平面。
G18—选择ZX平面。
G19—选择YZ平面。
下图为平面选择和圆弧插补指令示意图。
（2）刀具半径补偿指令
1）G41左刀具半径补偿指令、
G42右刀具半径补偿指令、
G40取消刀具半径补偿指令。
2）指令格式
G41
G01
G42DxxX_Y_（F_）;
G00
G43
3）应用
直接用轮廓编程；刀具磨损、更换时程序不变；同一个程序同一把刀具，利用刀具补偿进行粗精加工及控制精度。
4）提示
①在刀具运动的语句中建立或取消刀具半径补偿，运动的距离应大于刀具的半径；补偿号Dxx表示存储在数控系统中的刀具半径值。
②一般在工件毛坯外建立、取消刀具半径补偿，内轮廓建立或取消刀具半径补偿只能用G01，注意避免过切。
③半径补偿指令后面，必须有XY平面内移动指令，以供数控系统预读（一般预读三句）并判断补偿方向。
④最后一次粗加工半径补偿值=刀具半径+精加工余量
⑤精加工半径补偿量=刀具半径+微调值
（3）圆弧插补指令
1）G02—刀具顺时针圆弧插补指令
G03—刀具逆时针圆弧插补指令
2）格式
格式一：
半径R编程法
G02X（U）__Y（V）__Z（W）__R__F__；
G03X（U）__Y（V）__Z（W）__R__F__；
格式二：
圆心编程法
G02X（U）__Y（V）__Z（W）__I__J__K__F__;
G03X（U）__Y（V）__Z（W）__I__J__K__F__;
3）应用
G02／G03命令刀具在指定平面内按给定进给量从当前点向终点做圆弧运动。
4）提示
①切削半径小于刀具补偿半径内的内圆弧时，将出现轮廓补偿错误，因而要避免大刀切小内圆弧。
②整圆必须用I、J、K指定圆心位置，圆心位置是关于圆弧起始点的相对坐标。
2、工艺分析
（1）加工工艺
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