数控车床编程与操作教案.docx
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数控车床编程与操作教案
数控车床编程与操作
第一部分入门篇
课题一入门基础概述
课题：
入门基础概述
课型：
新知课
教学时间：
6节
教学目标：
1、了解数控加工技术的应用及发展前景。
2、了解数控的定义及数控车床的基础知识。
3、了解数控车床的用途及分类。
4、了解数控GSK980TD车床系统的编程和操作方法。
重点：
1、了解数控的定义及数控车床的基础知识。
2、了解数控车床的用途及分类。
难点：
了解数控车床的用途及分类。
教法教具：
结合本校现有的数控车床进行现场参观教学。
学法指导：
结合学过的普通车床跟现有的数控车床进行比较学习。
新课引入：
教学内容：
一、数控机床的发展概况
1、数控机床发展的必要性
随着科学技术和社会生产的迅速发展，机械产品日趋复杂，并且对于机械产品的质量和生产率的要求越来越高。
在航天、造船和计算机等工业中，零件的精度高、形状复杂、批量小、改动频率高、加工困难，而传统的机械加工方法生产率低、劳动强度大，产品质量难以得到保证。
因此，机械加工工艺过程自动化是适应上述发展特点的最重要手段之一。
为了解决上述问题，一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备-----数控机床应运而生。
目前，数控加工技术与数控机床在工业生产中得到了广泛应用，成为机床自动化的一个重要发展方向。
2、数控机床的发展概况
随着数控机床技术的发展，数控系统不断更新、升级，机床结构和刀具材料也在不断变化。
未来的数控机床将向高速化发展，主轴转速、转位换刀速度将得到进一步的提高，刀架将实现快速移动；工艺和工序将更加复合化和集中化；数控机床将向多轴、多刀架加工方向发展；通过区域化、网络化的控制，数控机床的生产实现长时间无人化，全自动操作；机床的加工精度及可靠性也在向更高的水平发展。
同时，数控车床的结构设计也更趋于简易。
数控系统发展历史
数控系统名称
在世界上首次
生产的年代
在中国首次
生产的年代
第一代电子管数控系统（NC）
1952年
1958年
第二代晶体管数控系统（NC）
1959年
1964年
第三代集成电路数控系统
1965年
1972年
第四代小型计算机数控系统（CNC）
1970年
1978年
第五代微型处理器数控系统（MNC）
1974年
1981年
第六代基于工控PC机的通用CNC系统
1990年
1992年
二、什么叫数控车床？
数控车床又称为CNC（ComputerNumericalControl）车床，既用计算机数字控制的车床。
数控车床是一种用数字化代码作指令，由数字控制系统进行控制的自动化车床。
它是综合应用了电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量、和机床设计等领域的先进技术成就而发展起来的一种新型自动化车床。
二、数控车床的组成
数控车床主要有程序输入装置、数控系统、伺服系统、位置检测反馈装置和机床运动部件组成。
1、输入装置
输入装置的方式：
通过控制介质输入、手动输入、计算机与机床通讯方式传递输入等。
（1）控制介质
控制介质就是由穿孔带或磁盘等存储数控程序的介质。
控制介质大致分为纸介质（现在已经不用了）和电磁介质（包括磁带和磁盘）。
（2）手动输入
手动输入是将数控程序通过数控机床上的键盘输入，程序内容将存储在数控系统的存储器内，使用时可以随时调用。
（3）计算机与机床通讯方式传递输入
采用机床与计算机通信方式传递数控程序到数控系统中。
2、数控装置
（1）数控装置是数控机床的中枢，一般由输入装置，控制器、运算器和输出装置组成。
（2）数控装置是数控车床的核心部分，它将接受到的数控程序，经过编译、数学运算和逻辑处理后，输出各种信号到输出接口上。
3、伺服系统
伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号，转换成机床移动部件的运动。
接收数控装置输出的各种信号，经过分配，放大、转换等功能，驱动各运动部件，完成零件的切削加工。
4、位置检测反馈装置
位置检测、速度反馈装置根据要求不断测定运动部件的位置或速度，转换成电信号传输到数控装置中，数控装置将接受的信号与目标信号进行相比较，运算，对驱动系统不断进行补偿控制，保证运动部件的运动精度。
5、车床运动部件
机床的作用和通用机床相同，只是操作由数控系统去自动地完成全部工作，由伺服器驱动伺服电动机带动部件运动，完成工件与刀具之间的相对运动。
三、数控车床工作过程
数控车床工作大致分为下面四个步骤：
1、根据零件图要求的加工技术内容，进行数值计算、工艺处理和程序设计。
2、将数控程序按数控车床规定的程序格式编制出来，并以代码的形式完整记录在存储介质上，通过输入（手工、计算机传输等）方式，将加工程序的内容输送到数控装置。
3、由数控系统接收来的数控程序（NC代码），NC代码是由编程人员在CAM软件上生成或手工编制的，她是一个文本数据，表达比较直观，较容易地被编程人员直接理解，但却无法为硬件直接使用。
数控装置将NC代码“翻译”为机器代码，机器代码是一种由0和1组成的二进制文件，再转换为控制X、Z等方向运动的电脉冲信号，以及其它辅助处理信号，以脉冲信号的形式向数控装置的输出端口发出，要求伺服系统进行执行。
4、根据X、Z等运动方向的电脉冲信号由伺服系统处理并驱动机床的运动机构（主轴电动机、进给电动机等）动作，使车床自动完成相应零件的加工。
五、数控车床的特点与应用
1、与卧式车床相比，数控车床加工具有如下特点：
（1）自动化程度高
（2）具有加工复杂形状能力
（3）加工精度高，质量稳定
（4）生产效率高
（5）不足之处主要表现是要求操作者技术水平高，数控车床价格高，加工成本高，技术复杂，对加工编程要求高，加工中难以调整，维修困难等。
2、数控车床加工适用范围主要如下：
（1）形状复杂、加工精度要求高，特别是较为复杂的回转曲线等方面的零件。
（2）产品更换频繁，生产周期要求短的场合。
（3）小批量生产的零件。
（4）价值较高的零件等。
六、数控车床主要的技术参数
学习学校现有的广州数控车床主要技术参数（内容省略）。
七、数控车床的使用条件
1、机床位置环境要求
2、电源要求
3、温度要求
4、按说明书的规定使用机床
八、影响数控车床加工精度的因素
1、加工精度系
加工精度系是指零件加工后，其几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数符合的程度。
2、尺寸精度
尺寸精度是指零件表面本身的尺寸精度和表面间相互距离尺寸的精度。
3、尺寸公差
尺寸公差是允许尺寸的变动量。
它等于最大极限尺寸减去最小极限尺寸之差，或上偏差减去下偏差之差。
4、数控车床精度检验可分为几何精度的检验和形状精度的检验。
（1）几何精度是指机床在不运转时部件之间相互位置精度和主要零件的形状精度、位置精度。
（2）工作精度是指机床在动态条件下，对工件进行加工时所反映出来的机床精度。
（3）影响机床工作精度的主要因素为机床的变形和振动。
5、金属切削机床试验是为了检验机床的制造质量、加工性质和生产能力而进行的试验，主要进行空试试验和负荷试验。
（1）机床的空转试验是在无载荷状态下运转机床，检验各机构的运转状态、温度变化、功率消耗以及操纵机构动作的灵活性、平稳性、可靠性和安全性。
（2）机床的负荷试验是用以试验机床最大承载能力。
九、数控车床的用途
数控车床是用来加工轴类或盘类的回转体零件的机床。
数控车床可以自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面、螺纹等切削加工，特别适合加工形状复杂的轴类或盘类零件。
数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品品种和规格频繁变化的特点，能够满足新产品的开发和多中、小批量、生产自动化的要求，因此，被广泛应用于机械制造业，例如，汽车制造厂、发动机制造厂等。
十、数控车床的结构与分类
数控车床按分类方式，如按安装方式、工艺处理方式、结构特点、伺服类型，经济特征等。
可分为不同的数控车床。
1、按数控车床工件安装方式分为
（1）卧式数控车床
（2）立式数控车床（3）立卧两用数控车床
2、按系统伺服方式可分为：
（1）开环数控车床
（2）闭环数控车床（3）半闭环数控车床
3、按数控车床结构上的特点可分为不同类型的数控车床：
（1）按主轴速度控制方式分为：
主轴、分级控制主轴数控车床
伺服主轴的数控车床
（2）按卡盘夹紧形式分为：
手动卡盘数控车床
电动卡盘数控车床
液压卡盘数控车床
（3）按床身结构形式分为：
平床身数控车床
斜床身数控车床
（4）按尾座结构分为：
普通尾座数控车床
液压尾座数控车床
可编程尾座数控车床
（5）按刀架位置形式分为：
前置式刀架数控车床
后置式刀架数控车床
4、按数控车床的综合性能分为：
（1）经济型数控车床
（2）普及型数控车床（3）高档数控车床
十一、GSK980TD数控系统简介
GSK980TD是广州数控设备厂最先开发的控制微步步进电动机及全文数字交流伺服的经济型车床数控系统，其控制线路集成度高，采用了高速微处理器、超大规模可编程门阵列集成电路芯片，四层印制电路板，全中文液晶画面显示在控制面板上，将CNC操作面板与机床操作面板集成一体，有极好的可靠性和易操作性。
GSK980TD的控制精度为0.001mm，能胜任多种高精度切削任务。
GSK980TD车床系统的编程和操作方法将在往后的章节中逐步介绍。
【小结】：
本次课主要介绍了数控加工技术的应用及发展前景、数控的定义及车床的基础知识、数控车床的用途及分类，这部分内容要求学生了解。
【课外作业】
1.、什么叫数控？
它与其他自动控制有哪些区别？
2、什么叫数控车床？
3、试述数控车床的工作原理？
4、数控车床是怎样分类的？
它的结构主要由哪几部分组成？
5、数控机床的特点主要有哪些？
：
课题三编程基础知识
3.1程序设计
课题：
程序设计
课型：
新知课
教学时间：
4节
教学目的与要求：
1、了解一个完整程序的基本构成。
2、会选择编程坐标系统。
3、掌握G、S、M、F、T功能的使用方法。
重点：
1、了解一个完整程序的基本构成。
2、会选择编程坐标系统。
3、掌握G、S、M、F、T功能的使用方法。
难点：
掌握G、S、M、F、T功能的使用方法。
教法教具：
课堂理论教学。
学法指导：
学生课前要先预习本节内容，课间要认真听老师讲课，课后要复习巩固。
新课引入：
上一节课同学们都解了数控车床的加工原理，那么数控车床之所以能够自动的加工工件原因是什么呢？
从而引出加工程序的基本构成及编程的常用代码。
教学内容：
一、数控车床坐标轴与运动方向
为了简化编程和保证程序的通用性，对数控机床的坐标轴和方向命名制定了统一的标准，规定直线进给坐标轴，用X、Y、Z表示基本坐标轴，其相互关系用右手定则决定。
1、数控车床坐标轴和方向命名原则
（1）用右手直角笛卡儿坐标定义原则（见图3-1所示）
图3-1 直角坐标系
（2）数控车床的Z坐标轴规定为传递切削动力的主轴线方向；X坐标轴规定为水平方向，X坐标的方向是在工件的径向上，且平行于横向滑板，规定远离卡盘中心方向为正方向。
就（见图3-2所示）
图3-2数控车床坐标轴及其方向
2、数控车床坐标系的确定与应用
（1）先确定Z轴，Z轴是传递切削动力的主要轴，然后再确定其X轴。
（2）数控车床坐标系的原点一般定义在卡盘中心线与中间端面交点。
二、数控车床坐标系
1、数控车床坐标系
（1）机床坐标系
数控车床生产厂家按照笛卡儿规则，在数控车床上建立一个Z轴与X轴的直角坐标系，称为机床坐标系。
（2）机床原点
机床坐标系的零点称为机床原点，是机床上的一个固定点，一般定义在主轴旋转中心线与车头端面的交点或参考点上。
（3）参考点
参考点为机床上一固定点，由X方向与Z方向的机械挡块或系统定义的位置来确定，一般设定在Z、X轴正向最大位置，位置的设定由制造商定义。
2、编程坐标系
编程人员选择工件图样上的某一已知点为原点（也称为程序原点），建立一个新的坐标系，称为编程坐标系。
（1）选择编程原点：
从理论上讲编程原点选在零件上的任何一点都可以，但实际上，为了换算尺寸尽可能简便，减少计算误差，应选择一个合理的编程原点。
车削零件编程原点的X向零点应选在零件的回转中心。
Z向零点一般应选在零件的右端面、设计基准或对称平面内。
车削零件的编程原点选择见图3-3：
图3-3车削零件的编程坐标原点
3、工件坐标系
操作者通过对刀等方式将编程坐标系的原点移到数控车床上，此时在数控车床上建立的坐标系称为工件坐标系。
其原点一般选择在轴线与工件右端面、左端面或其他位置的交点上，工件坐标系的Z轴一般与主轴轴线重合。
车削零件的工件坐标原点选择见图3-4：
图3-4车削零件的工件坐标原点
4、对刀点
将编程坐标系原点转换成机床坐标系的已知点并成为工件坐标系的原点，这个点就称为对刀点。
5、起刀点
起刀点是零件程序加工的起始点。
6、换刀点
在零件车削过程中需要自动换刀，为此必须设置一个换刀点，该点应离开工件有一定距离，以防止刀架回转换刀时刀具与工件发生碰撞。
换刀点通常分为两种类型，即固定换刀点和自定义换刀点。
7、选择起刀点、换刀点的位置通常要注意：
方便数学计算和简化编程
容易找正对刀
便于加工检查
引起的加工误差小
不要与机床、工件发生碰撞
方便拆卸工件
空行程不要太长
三、编程坐标
编程坐标分为绝对坐标（X、Z）、相对坐标（U、W）和混合坐标（X/Z,U/W）。
1.绝对坐标（X、Z）
各点坐标参数以到坐标原点的距离作为参数值。
2．相对坐标（U、W）
某点的坐标参数以到另外一点的距离作为参数值，即指令从前面一个位置到下一个位置的距离作为参数值。
3.混合坐标（X/Z,U/W）
绝对坐标和相对坐标同时使用，即在同一个程序段中，可使用X或U,Z或W。
4..直径坐标
X坐标参数值为直径。
5.半径编程
X坐标参数值为半径值
四、初态、模态
1、初态
指运行加工程序之前的系统编程状态，即机器里面已设置好的，一开机就进入的状态，例如：
G98、G00。
2、模态
一种连续有效的指令。
指相应字段的值一经设置，以后一直有效，直到某程序段有对该字段重新设置。
设置之后，如果是同一组的也可以使用相同的功能，而不必再输入该字段。
例如：
N30G90X32Z-0F80;
N40X30:
…….
N…G02X30Z-30R5F50:
N…G01Z-30F30;
五、程序构成
在数控车床上加工零件，首先要编制程序，然后用该程序控制机床的运动。
数控指令的集合称为程序。
在程序中根据机床的实际运动顺序书写这些指令。
1.程序结构
一个完整的数控加工程序由程序开始部分、若干程序段、程序结束部分组成。
一个程序段由程序段号和若干个“字”组成，一个“字”由地址符和数字组成。
下面是一个完整的数控加工程序，该程序由程序号开始，以M30结束。
程序说明
O1234程序开始
N10T0101G95M3S500；程序段1
N20G0X100Z100；程序段2
N30G0X26Z0；程序段3
N40G1X0.0F0.1；程序段4
N50Z1；程序段5
N60G0X100；程序段6
N70Z100；程序段7
N80M30；程序结束
（1）程序号
零件程序的起始部分一般由程序起始符号%（或O）后跟1—4位数字（0000～9999）组成，如：
%123，O1234等。
（2）程序段的格式和组成
程序段的格式可分为地址格式、分割地址格式、固定程序段格式和可变程序段格式等。
其中以可变程序段格式应用最为广泛，所谓可变程序段格式就是程序段的长短是可变的。
例如：
N10G01X40.0Z-30.0F200；
程序段号功能字坐标字给速度功能字程序段结束
（3）“字”
一个“字”的组成如下所示：
Z-30.0
地址符符号（正、负号）数据字（数字）
程序段号加上若干程序字就可组成一个程序段。
在程序段中表示地址的英文字母可分为地址和非尺寸地址两种。
表示尺寸地址的英文字母有X、Y、Z、U、V、W、P、Q、I、J、K、A、B、C、DERH共18个字母。
表示非尺寸地址有N、G、F、S、T、M、L、O等8个字母。
2．主轴转速功能字S
主轴转速功能字的地址符是S，又称为S功能或S指令，用于指定主轴转速。
单位为r/min。
对于具有恒线速度功能的数控车床，程序中的S指令用来指定车削加工的线速度数。
（1）有变速箱的:
用S1（第一档）、S2（第二档）
（2）无变速箱的：
直接输入转速，例如S100、S210、S500等。
3.进给功能字（切削速度）F
进给功能字的地址符是F，又称为F功能或F指令，用于指定切削的进给速度。
对于车床，F可分为每分钟进给和主轴每转进给两种，对于其它数控机床，一般只用每分钟进给。
F指令在螺纹切削程序段中常用来指令螺纹的导程。
单位：
G98为每分钟进给，mm/min:
G99为每转进给，mm/r。
（1）G00为快速定位，没有F值，速度由倍率控制快慢。
（2）切削进给速度要有F值，F值的快慢也可在进给倍率中控制。
例如：
G00X32Z2；
G90X24Z-20F50;
G90X20Z-15F60;
4、刀具功能字T
刀具功能字的地址符是T，又称为T功能或T指令，用于指定加工时所用刀具的编号。
对于数控车床，其后的数字还兼作指定刀具长度补偿和刀尖半径补偿用。
T后第一、二、位是刀号，第三、四位是刀补号。
例：
T0100T0200T0300T0400无刀补，如T0200为2号刀无刀补。
T0101T0202T0303T0404有刀补，如T0202为2号刀，执行2号刀补。
5、辅助功能字M
辅助功能字的地址符是M，后续数字一般为1～3位正整数，又称为M功能或M指令，用于指定数控机床辅助装置的开关动作，见表3.1
表3.1M功能字含义表
M功能字
含义
M00
程序停止
M01
计划停止
M02
程序停止
M03
主轴顺时针旋转
M04
主轴逆时针旋转
M05
主轴旋转停止
M06
换刀
M07
2号冷却液开
M08
1号冷却液开
M09
冷却液关
M30
程序停止并返回开始处
M98
调用子程序
M99
返回子程序
6、准备功能字G
准备功能字的地址符是G，又称为G功能或G指令，是用于建立机床或控制系统工作方式的一种指令。
后续数字一般为1～3位正整数，见表3.2。
表3.2G功能字含义表
G功能字
组别
功能
G00
01
快速移动点定位
G01
直线插补（切削进给）
G02
顺时针圆弧插补
G03
逆时针圆弧插补
G04
00
暂停、准停
G28
00
返回参考点（机械原点）
G32
01
螺纹切削
G33
Z轴攻螺纹循环
G34
变螺距螺纹切削
G50
00
坐标系设定
G65
00
宏程序命令
G70
00
精加工循环
G71
外圆粗切循环
G72
端面粗切循环
G73
封闭切削循环
G74
端面深孔钻循环
G75
外圆，内圆切槽循环
G76
复合螺纹切削循环
G90
00
00
外圆，内圆车削循环
G92
螺纹切削循环
G94
端面车削循环
G96
02
恒线速度
G97
取消恒线速度
G98
03
每分钟进给
G99
每转进给
G代码的使用方法：
（1）一次性G代码----只有在被指令的程序段中有效的代码。
例如：
G04（暂停），G50（坐标设定），G70～G75（复合型车削固定循环）。
（2）模态G代码----在同组其他代码指令前一直有效，即表中01组的G代码。
例如：
G00（定位），G01、G02、G03（插补），G90、G92、G94（单一型固定循环）。
（3）初态G代码----即系统里面已经设置好的，一开机就进入的状态。
初态也是摸态。
例如；G98、G00。
【小结】：
本次课主要对数控车床坐标系统，程序结构、程序字符与代码、字与字的功能类别、程序格式进行了学习，这些内容是学习好数控编程这门课的基础。
【课外作业】：
1、什么叫坐标原点？
2、什么叫程序起点？
3、编程坐标有几种？
4、什么叫初态？
5、什么叫摸态？
3.2程序编写
课题：
程序编写
课型：
新知课
教学时间：
2节
教学目的与要求：
1、了解编程的基本要求和顺序。
2、掌握编程坐标的选择。
重点：
了解编程的基本要求和顺序。
难点：
了解编程的基本要求和顺序。
教法教具：
课堂理论教学。
学法指导：
学生课前要先预习本节内容，课间要认真听老师讲课，课后要复习巩固。
新课引入：
上一节讲解了数控加工程序的基础知识，那么编写一个完整的程序有什么基本的要求，又需要注意些什么问题呢？
从而引出本节课的教学内容。
教学内容：
一、坐标系的设定
1、坐标系设定的要求
应选在尽可能靠近工件，但换刀时又不会碰到工件的范围里。
2、坐标系设定的格式
N10G50X＿Z＿;
式中X、Z的值是起刀点相对于加工原点的位置。
在数控车床编程时，所有X坐标值均使用直径值，如图3-5所示。
例：
按图3-5设置加工坐标的程序段如下：
G50X128.7Z375.1
二、快速定位（G00）
1、编程格式：
N10G00X（U）＿Z（W）＿;
式中X、Z的值是快速点定位的终点坐标尺寸，是绝对值坐标编程；
U、W的值是快速点定位的终点坐标尺寸，是相对（增量）值坐标编程。
例：
从A点到B点快速移动的程序段为：
N10G00X20Y30;
或是N10G00U-20W-10;
2、G00走刀路线
a）同时到达终点
b）单向移动至终点
图3-6 快速点定位
快速点定位指令控制刀具以点位控制的方式快速移动到目标位置，其移动速度由参数来设定。
指令执行开始后，刀具沿着各个坐标方向同时按参数设定的速度移动，最后减速到达终点，如图3-6所示。
注意：
在各坐标方向上有可能不是同时到达终点。
刀具移动轨迹是几条线段的组合，不是一条直线。
例如，在FANUC系统中，运动总是先沿45°角的直线移动，最后再在某一轴单向移动至目标点位置，如图3-6b所示。
编程人员应了解所使用的数控系统的刀具移动轨迹情况，以避免加工中可能出现的碰撞。
3、G00没有F值
（1）快速移动速度由厂家设定。
（2）快速移动速度受快速倍率开关控制（F025‰50‰100‰）。
（3）用F值指定的进给速度无效。
三、编写程序开始使用的功能（前三步的编写）
1、N10G50XZ；设定零件坐标系，即刀具（程序）起始点。
2、N20MST；主轴正反转（M03主轴正转，M04主轴反转）；主轴转速：
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