数控车床入门编程和操作实例.docx

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数控车床入门编程和操作实例

第一节数控车床加工概述

一、数控车床的加工对象及加工特点

二、数控车床的主要类型

三、数控车床的主要技术参数

四、常见的数控车床控制系统

一、数控车床的加工对象及加工特点

（1）高难度加工

图4—1特殊内表面零件示例

成型面零件、非标准螺距（或导程）、变螺距、等螺距与变螺距或圆柱与圆锥螺旋面之间作平滑过渡的螺旋零件都可在数控车床上加工。

（2）高精度零件加工

零件的精度要求主要指尺寸、形状、位置和表面等精度要求，其中的表面精度主要指表面粗糙度。

复印机中的回转鼓、录像机上的磁头及激光打印机上的多面反射体等超精零件，几何轮廓精度高达μm、表面粗糙度数值达Raμm

这些高精度的零件均可在特殊精密数控车床上加工出来。

（3）淬硬工件的加工

在大型模具加工中，有不少尺寸大且形状复杂的零件。

这些零件热处理后的变形量较大，磨削加工有困难，而在数控车床上可以用陶瓷车刀对淬硬后的零件进行车削加工，以车代磨，提高加工效率。

（4）高效率加工　

为了进一步提高车削加工的效率，通过增加车床的控制坐标轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件。

图4—2六轴控制的数控车床加工示意图

现代数控车床，必须具备良好的便于操作的优点。

数控车床加工具有如下特点：

1．节省调整时间

（1）快速夹紧卡盘减少了调整时间。

（2）快速夹紧刀具减少了刀具调整时间。

（3）刀具补偿功能节省了刀具补偿的调整时间。

（4）工件自动测量系统节省了测量时间并提高加工质量。

（5）由程序指令或操作盘的指令控制顶尖架的移动也节省了时间。

2．操作方便

（1）倾斜式床身有利于切屑流动和调整夹紧压力、顶尖压力和滑动面润滑油的供给，便于操作者操作机床。

（2）宽范围主轴电机或内装式主轴电机省去了齿轮箱。

（3）高精度伺服电机和滚珠丝杠间隙消除装置使进给速度快并有好的准确性。

（4）具有切屑处理器。

（5）采用数控伺服电机驱动数控刀架。

3.具有程序存储功能

现代数控机床控制装置可根据加工形状，并把粗加工的加工条件附加在指令中，进行内部运算，自动地计算出切削轨迹。

4.采用机械手和棒料供给装置

既省力又安全，并提高了自动化和操作效率。

5.加工合理化和工序集约化

可完成高速度高精度加工及复合加工的目的。

二、数控车床的主要类型

1．数控车床的组成及其作用

（1）主体

机床主体主要包括床身、主轴箱、床鞍、尾座、进给机构等机械部件。

（2）数控装置（CNC装置）

数控装置是数控车床的控制核心，一般采用专用计算机控制，主要由显示器、键盘、输入和输出装置、存储器以及系统软件等组成。

（3）伺服驱动系统

伺服驱动系统是数控车床执行机构的驱动部件，将CNC装置输出的运动指令信息转换成机床移动部件的运动，主要包括主轴驱动、进给驱动及位置控制等。

（4）辅助装置

辅助装置是指数控车床的一些配套部件，包括换刀装置、对刀仪，液压、润滑、气动装置、冷却系统和排屑装置等。

1—电气箱；2—主轴箱；3—机床防护门；4—操作面板；5—回转刀架；6—尾座；7—排屑器；8—冷却液箱；9一滑板；10—卡盘踏板开关；1l—床身；

2．数控车床的分类

1）按车床主轴位置分类

（1）立式数控车床

其车床主轴垂直于水平面，并有一个直径很大、供装夹工件用的圆形工作台。

这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。

（2）卧式数控车床

卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。

倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。

2）按加工零件的基本类型分类

（1）卡盘式数控车床

这类车床未设置尾座，适合车削盘类（含短轴类）零件。

其夹紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪（即软卡爪）。

（2）顶尖式数控车床

这类数控车床配置有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的轴类零件及直径不太大的盘、套类零件。

3）按数控系统的功能分类　

（1）经济型数控车床（简易数控车床）　

一般用单板机、单片机进行开环控制，具有CRT显示、程序存储、程序编辑等功能，加工精度较低，功能较简单。

机械部分多为在普通车床基础上改进

（2）全功能型数控车床

较高档次的数控车床，具有刀尖圆弧半径自动补偿、恒线速、倒角、固定循环、螺纹切削、图形显示、用户宏程序等功能，加工能力强，适宜于加工精度高、形状复杂、循环周期长、品种多变的单件或中小批量零件的加工。

（3）精密型数控车床

采用闭环控制，不但具有全功能型数控车床的全部功能，而且机械系统的动态响应较快，在数控车床基础上增加其他附加坐标轴。

适用于精密和超精密加工。

4）其他分类方法

按数控车床的不同控制方式分：

直线控制数控车床、两主轴控制数控车床等；

按特殊或专门工艺性能分：

螺纹数控车床、活塞数控车床、曲轴数控车床等多种。

此外，车削中心也列入这一类，分立式和卧式车削中心两类。

三、数控车床的主要技术参数

数控车床的主要技术参数有：

中德欧马科TH-15型数控车床的主要技术参数：

四、常见的数控车床控制系统

常用的数控车床系统有：

日本的FANUC公司的0T、3T、5T、6T、10T、11T、0TC、0TD、0TE、7CT、160／18TC、160／180TC、0i等，

德国的SIEMENS公司的802S、802C、802D、810D、840D、840Di、840C等，

美国ACRAMATIC数控系统、

国内生产的数控车床系统

北京机床研究所的1060系列，

无锡数控公司的8MC／8TC数控系统，

北京凯恩帝数控公司KND-500系列，

北京航天数控集团的CASNUC—901、902系列，

广州数控设备厂GSK980T系列，

大连大森公司的R2F6000型

珠峰数控公司的CME988（中华I型）系列，

北京航天数控集团的CASNUC－911MC（航天I型），

华中数控公司的世纪星21T

中科院沈阳计算所LT8520／30（蓝天I型）等。

一、数控车床加工刀具及其选择

1．常用车刀的种类和用途

a.尖形车刀——直线形切削刃为特征的车刀，这类车刀的刀尖（同时也为其刀位点）

b.圆弧形车刀——刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上

c.成型车刀——样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。

图4-4圆弧形车刀图4-5常用车刀的种类、形状和用途

1）切断刀；2）90°左偏刀；3）90°右偏刀；4）弯头车刀；5）直头车刀；6）成型车刀；7）宽刃精车刀8）外螺纹车刀；9）端面车刀；10）内螺纹车刀；11）内槽车刀；12）通孔车刀；13）盲孔车刀

2．机夹可转位车刀的选用

数控车削加工时，为了减少换刀时间和方便对刀，尽量采用机夹车刀和机夹刀片，便于实现机械加工的标准化。

数控车床常用的机夹可转位式车刀结构型式如图4-6所示。

图机夹可转位式车刀结构型式

（1）刀片材质的选择

常见刀片材料有高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等，其中应用最多的是硬质合金和涂层硬质合金刀片。

选择刀片材质主要依据被加工工件的材料、被加工表面的精度、表面质量要求、切削载荷的大小以及切削过程有无冲击和振动等。

（2）刀片尺寸的选择

刀片尺寸的大小取决于必要的有效切削刃长度L。

有效切削刃长度与背吃刀量aP和车刀的主偏角kr有关，使用时可查阅有关刀具手册选取。

图切削刃长度、背吃刀量与主偏角关系

（3）刀片形状的选择

刀片形状主要依据被加工工件的表面形状、切削方法、刀具寿命和刀片的转位次数等因素选择。

a-T型；b-F型；c-W型；d-S型；e-P型；f-D型；g-R型；h-C型

表被加工表面与适用的刀片形状

二、数控车削加工的切削用量选择

1．切削用量的选用原则

（1）背吃刀量αp的确定

背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。

为了保证加工表面质量，可留少许精加工余量，一般为~0.5mm。

（2）切削速度v的确定

切削速度是指切削时，车刀切削刃上某一点相对待加工表面在主运动方向上的瞬时速度（m/min），又称为线速度。

与普通车削加工时一样，根据零件上被加工部位的直径，并按零件和刀具的材料及加工性质等条件所允许的切削速度来确定。

主要根据实践经验来确定。

（3）进给量f的确定

进给量是指工件旋转一周，车刀沿进给方向移动的距离，单位为mm/r，它与背吃刀量αp有着较密切的关系。

表4—1为一些资料上切削用量推荐数据，供使用时参考。

表4—1切削用量推荐数据

2．选择切削用量时应注意的几个问题

（1）切削用量选择的一般原则是：

粗车时，宜选择大的背吃刀量αp，较大的进给量f，较低的切削速度v，以提高生产率。

半精车或精车时，应选用较小（但不能太小）的背吃刀量αp和进给量f，较高的切削速度v，以保证零件加工精度和表面粗糙度。

（2）主轴转速

由于交流变频调速数控车床低速输出力矩小，因而切削速度不能太低。

主轴转速n可用下式计算：

n=1000v/πd

（3）车螺纹时的主轴转速

a.螺纹加工程序段中指令的螺距值

b.刀具在其位移过程的始/终，都将受到伺服驱动系统升/降频率和数控装置插补运算速度的约束.

c.车削螺纹必须通过主轴的同步运行功能而实现，即车削螺纹需要有主轴脉冲发生器（编码器）。

当其主轴转速选择过高、编码器的质量不稳定时，会导致工件螺纹产生乱纹（俗称“烂牙”）。

车床数控系统推荐车螺纹时主轴转速如下：

式中P——被加工螺纹螺距，mm；

k——保险系数，一般为80。

三、数控车削加工的装夹与定位

1．数控车床的定位及装夹要求

在数控车床上加工零件，应按工序集中的原则划分工序，在一次装夹下尽可能完成大部分甚至全部表面的加工。

根据零件的结构形状不同，通常选择外圆、端面或端面、内孔装夹，并力求设计基准、工艺基准和编程基准统一，以减少定位误差，提高加工精度。

要充分发挥数控车床的加工效能，工件的装夹必须快速，定位必须准确。

数控车床对工件的装夹要求：

首先应具有可靠的夹紧力，以防止工件在加工过程中松动；

其次应具有较高的定位精度，并多采用气动或液压夹具，以便于迅速和方便地装、拆工件。

2．常用的夹具型式及定位方法

（1）圆柱心轴定位夹具

加工套类零件时，常用工件的孔在圆柱心轴上定位，如图4-6a）、b）所示。

（2）小锥度心轴定位夹具

将圆柱心轴改成锥度很小的锥体（C=1/1000—1/5000）时，就成了小锥度心轴。

工件在小锥度心轴定位，消除了径向间隙，提高了心轴的定心精度。

定位时，工件楔紧在心轴上，靠楔紧产生的摩擦力带动工件，不需要再夹紧，且定心精度高；缺点是工件在轴向不能定位。

这种方法适用于有较高精度定位孔的工件精加工。

（3）圆锥心轴定位夹具

当工件的内孔为锥孔时，可用与工件内孔锥度相同的锥度心轴定位。

为了便于卸下工件，可在芯轴大端配上一个旋出工件的螺母。

如图4-6c）、d）所示。

（4）螺纹心轴定位夹具

当工件内孔是螺孔时，可用螺纹心轴定位夹具。

如图4-6e）、f）所示。

（5）拨齿顶尖夹具

用于轴类工件车削的夹具。

车削时，工件由主轴上通过变径套而安装的拨齿带动旋转，拨齿顶尖的结构如图4—7所示。

1一壳体；2一顶尖；3一止退环；4一螺钉；5—拨齿套；

图4—7拨齿顶尖

（6）可调卡爪式卡盘夹具

适用于在没有尾座的卡盘式数控车床上

图4—8可调卡爪式卡盘

1—卡爪；2—基体卡座；3—差动螺杆；4—拉杆；

四、数控车削加工中的装刀与对刀

装刀与对刀是数控机床加工中极其重要并十分棘手的一项工艺准备工作。

对刀的好与差，将直接影响到加工程序的编制及零件的尺寸精度。

通过对刀或刀具预调，还可同时测定其各号刀的刀位偏差，有利于设定刀具补偿量。

（1）车刀的安装

图4-9是车刀安装角度示意图

正确地安装车刀，是保证加工质量，减小刀具磨损，提高刀具使用寿命的重要步骤

（a）“–”的倾斜角度（增大刀具切削力）（b）“+”的倾斜角度（减小刀具切削力）

图4-9车刀的倾斜角度

（2）刀位点

刀位点是指在加工程序编制中，用以表示刀具特征的点，也是对刀和加工的基准点。

（3）对刀

在加工程序执行前，调整每把刀的刀位点，使其尽量重合于某一理想基准点，这一过程称为对刀。

理想基准点可以设在基准刀的刀尖上，也可以设定在对刀仪的定位中心（如光学对刀镜内的十字刻线交点）上。

对刀一般分为手动对刀和自动对刀两大类。

目前，绝大多数的数控机床（特别是车床）采用手动对刀，其基本方法有定位对刀法、光学对刀法和试切对刀法。

A.定位对刀法

定位对刀法的实质是按接触式设定基准重合原理而进行的一种粗定位对刀方法，其定位基准由预设的对刀基准点来体现。

对刀时，只要将各号刀的刀位点调整至对刀基准点重合即可。

该方法简便易行，因而得到较广泛的应用，但其对刀精度受到操作者技术熟练程度的影响，一般情况下其精度都不高，还须在加工或试切中修正。

B.光学对刀法

这是一种按非接触式设定基准重合原理而进行的对刀方法，其定位基准通常由光学显微镜（或投影放大镜）上的十字基准刻线交点来体现。

这种对刀方法比定位对刀法的对刀精度高，并且不会损坏刀尖，是一种推广采用的方法。

C.试切对刀法

在前几种手动对刀方法中，均因可能受到手动和目测等多种误差的影响，对刀精度十分有限，实际加工中往往通过试切对刀，以得到更加准确和可靠的结果。

数控车床常用的试切对刀方法如图4—11所示。

图4-11车刀对刀点示意图

a）93o车刀X方向；b）93o车刀Z方向；

c）两把刀X方向对刀；d）两把刀Z方向对刀

（4）对刀点、换刀点位置的确定

对刀点是数控车床加工时刀具相对于工件运动的起点，对刀点既是程序的起点，也是程序的终点。

选择对刀点的一般原则是：

（1）尽量使加工程序的编制工作简单、方便；

（2）便于用常规量具在车床上进行测量；

（3）便于工件的装夹；

（4）对刀误差较小或可能引起加工的误差最小。

换刀点是指在编制数控车床多刀加工的加工程序时，相对于机床固定原点而设置的一个自动换刀或换工作台的位置。

换刀的位置可设定在程序原点、机床固定原点或浮动原点上，其具体的位置应根据工序内容而定。

为了防止在换（转）刀时碰撞到被加工零件、夹具或尾座而发生事故，除特殊情况外，其换刀点都设置在被加工零件的外面，并留有一定的安全区。

第三节数控车床加工的编程

一、数控车床编程的特点

（1）数控车削加工的内容

（a）端面切削（b）外轴肩切削

（c）锥面切削（d）圆弧面切削

（e）车退刀槽（f）切断

（g）镗孔（h）镗内锥孔

（c）钻孔（d）车销内、外螺纹

（2）数控车削加工的编程特点

①在一个程序段中，可以采用绝对值编程或增量值编程，也可以采用混合编程。

②被加工零件的径向尺寸在图样上和测量时，一般用直径值表示。

所以采用直径尺寸编程更为方便。

③由于车削加工常用棒料或锻料作为毛坯，加工余量较大，为简化编程，数控装置常具备不同形式的固定循环，可进行多次重复循环切削。

④编程时，认为车刀刀尖是一个点，而实际上为了提高刀具寿命和工件表面质量，车刀刀尖常磨成一个半径不大的圆弧，为提高工件的加工精度，编制圆头刀程序时，需要对刀具半径进行补偿。

大多数数控车床都具有刀具半径自动补偿功能（G41、G42），这类数控车床可直接按工件轮廓尺寸编程。

二、车床数控系统功能

数控系统是数控机床的核心。

数控机床根据功能和性能要求，配置不同的数控系统。

系统不同，其指令代码也有差别，因此，编程时应按所使用数控系统代码的编程规则进行编程。

数控车床常用的功能指令有准备功能G、辅助功能M、刀具功能T、主轴转速功能S和进给功能F。

三、数控车床程序编制

（一）设定工件坐标系和工件原点

数控车床坐标系统分为机床坐标系和工件坐标系（编程坐标系）。

无哪种坐标系统都规定与车床主轴轴线平行的方向为Z轴，且规定从卡盘中心至尾座顶尖中心的方向为正方向。

在水平面内与主轴轴线垂直的方向为X轴，且规定刀具远离主轴旋转中心的方向为正方向。

①机床坐标系

图4-12机床坐标系

以机床原点为坐标系原点建立起来的X、Z轴直角坐标系，称为机床坐标系。

车床的机床原点为主轴旋转中心与卡盘后端面之交点。

机床坐标系是制造和调整机床的基础，也是设置工件坐标系的基础，一般不允许随意变动。

如图4-12所示。

②参考点

参考点是机床上的一个固定点。

该点是刀具退离到一个固定不变的极限点（图4-12中点O′即为参考点），其位置由机械挡块或行程开关来确定。

图4-12机床坐标系

③工件坐标系（编程坐标系）

数控编程时应该首先确定工件坐标系和工件原点。

零件在设计中有设计基准，在加工过程中有工艺基准，同时应尽量将工艺基准与设计基准统一，该基准点通常称为工件原点。

以工件原点为坐标原点建立起来的X、Z轴直角坐标系，称为工件坐标系。

图4-13　工件坐标系

在车床上工件原点可以选择在工件的左或右端面上，即工件坐标系是将参考坐标系通过对刀平移得到的。

如图4-13所示。

数控编程时应该首先确定工件坐标系和工件原点，建立工件坐标系的指令为：

G50XZ；

要建立如图4—13所示工件坐标系，将坐标原点设在工件的右端面上，刀具起点相对工件坐标系的坐标值为（a,b）,则执行程序G50XaZb；后系统内部即记忆了（a,b），并显示在显示器上，这相当于在系统内部建立了一个以工件原点为坐标原点的工件坐标系XpOpZp。

（二）基本功能及其指令的编程

1、尺寸系统

（1）工件坐标系设定指令

①编程格式:

G50X（）Z（）

②注意事项：

有些数控机床用G92指令建立工件坐标系，如华中数控HNC-21T系统；有的数控系统则直接采用零点偏置指令（G54~G57）建立工件坐标系，如SIMENS802S/C系统。

1、尺寸系统

例4-1、建立如图所示零件的工件坐标系。

G50X150.Z20.；

（2）绝对和增量尺寸编程（G90/G91）

注意：

有些数控数控系统没有绝对和增量尺寸指令，当采用绝尺寸编程时，尺寸字用X、Y、Z表示；采用增量尺寸编程时，尺寸字用U、V、W表示。

数控车床采用X、Z和U、W分别表示绝对和增量尺寸。

（3）公制尺寸/英制尺寸指令

公制与英制单位的换算关系为：

1mm≈0.0394in.

1in.=25.4mm

注意：

①数控系统不同，公制/英制尺寸指令不同。

FANUC系统采用G21/G20代码；

SIEMENS和FAGOR系统采用G71/G70代码。

②使用公制／英制转换时，必须在程序开头独立的程序段中指定上述G代码，然后才能输入坐标尺寸。

（4）半径/直径数据尺寸

SIEMENS802S/C数控系统，G22和G23指令定义为半径/直径数据尺寸编程。

在数控车床中，可把X轴方向的终点坐标作为半径数据尺寸，也可作为直径数据尺寸，通常把X轴的位置数据用直径数据编程更为方便。

注意：

华中数控的世纪星HNC-21/22T系统的直径/半径编程采用G36/G37代码。

2、常用的辅助功能

M00——程序停止

实际上是一个暂停指令。

当执行有M00指令的程序段后，主轴的转动、进给、切削液都将停止。

它与单程序段停止相同，模态信息全部被保存，以便进行某一手动操作，如换刀、测量工件的尺寸等。

重新启动机床后，继续执行后面的程序。

M01——选择停止

与M00的功能基本相似，只有在按下“选择停止”后，M01才有效，否则机床继续执行后面的程序段；按“启动”键，继续执行后面的程序。

M02——程序结束

该指令编在程序的最后一条，表示执行完程序内所有指令后，主轴停止、进给停止、切削液关闭，机床处于复位状态。

M03——主轴正转。

用于主轴顺时针方向转动

M04——主轴反转。

用于主轴逆时针方向转动

M05——主轴停止转动

M07——冷却液开，用于切削液1开

M08——冷却液开，用于切削液2开

M09——冷却液关，用于切削液关

M30——程序结束

使用M30时，除表示执行M02的内容之外，还返回到程序的第一条语句，准备下一个工件的加工。

M98——子程序调用，用于调用子程序；

M99——子程序返回，用于子程序结束及返回。

（三）插补指令的编程

1、快速线性移动指令G00

（1）编程格式

G00X（U）Z（W）_；

式中：

X、Z为刀具移动的目标点坐标。

（2）注意事项

①使用G00指令时，刀具的实际运动路线并不一定是直线，而是一条折线。

因此，要注意刀具是否与工件和夹具发生干涉。

对不适合联动的场合，每轴可单动。

1、快速线性移动指令G00

执行该段程序时，刀具首先以快速进给速度运动到（60，60）后在运动到（60，100）。

例4-2：

A→B→C

G50；

G00;

（或U－W—）;

A→D→C

G50；

G00

（或W—）；

（或U－）；

2、带进给率的线性插补指令G01

G01X（U）Z（W）F＿；

说明

①G01指令后的坐标值取绝对值编程还是取增量值编程由G90/G91决定。

②F指令也是模态指令，F的单位由直线进给率或旋转进给率指令确定。

例3：

下图为典型车削加工的直线插补实例。

3、圆弧插补指令G02/G03

（1）G02/G03的编程格式

①用I、K指定圆心位置：

G02X（U）Z（W）IKF_；

G03X（U）Z（W）IKF_；

②用圆弧半径R指定圆心位置：

G02X（U）Z（W）RF_；

G03X（U）Z（W）RF_；

（2）说明

①采用绝对值编程时，圆弧终点坐标为圆弧终点在工件坐标系中的坐标值，用X、Z表示；当采用增量值编程时，圆弧终点坐标为圆弧终点相对于圆弧起点的增量值。

②数控车床的圆心坐标为I、K，表示圆弧起点到圆弧中心所作矢量分别在X、Z坐标轴方向上的分矢量（矢量方向指向圆心）。

图中分别给出了在绝对坐标系中，顺弧与逆弧加工时的圆心坐标I、K的关系。

顺圆

逆圆

③当用半径指定圆心位置时，由于在同一半径R的情况下，从圆弧的起点到终点有两个圆弧的可能性，为区别二者，规定圆心角α≤180时，用“＋R”表示，如图中的圆弧1；α＞180时，用“－R”表示，如图中的圆弧2。

④用半径R指定圆心位置时，不能描述整圆。

例4：

刀具加工轨迹如图所示，圆弧为顺时针方向，图中采用英制尺寸，绝对坐标编程时的加工程序程序如下。

程序如下

G90G70G1