《数控车床编程与加工》理论课教案.docx

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《数控车床编程与加工》理论课教案

教案首页

单元1数控机床概述

主要内容:

任务一数控机床的产生、发展和型号

任务二数控机床特点

任务三数控机床的分类

任务四数控机床的组成

任务五数控加工原理

任务六典型数控系统

引言:

21世纪机械制造业的竟争,其实质是数控技术的竟争。

参看资料:

数控机床即数字控制机床,是用数字信息实现自动控制机床运转。

采用数控机床加工零件时,只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式,编成程序代码输入到机床控制系统中,数控机床便按照事先编好的加工程序,自动地对被加工零件进行加工。

任务一数控机床的产生、发展和型号（展示数控机床图片

1.数控机床的产生

1952年,美国麻省理工学院研制世界上第一台数控机床。

1958年,我国开始了数控机床的研制工作。

我国第一台数控机床在清华诞生,设计者许道荣等。

2.数控机床的发展

两个阶段和六代的发展

1数控（NC阶段（1952-1970年

电子管电路、晶体管电路、中小规模集成电路的NC装臵。

2计算机数控（CNC阶段（1970年-现在

大规模集成电路、微处理器、微机应用于数控系统。

3.数控机床的型号

数控车床采用卧式车床相类似的型号表示,由字母和数字表示。

如:

CKA6140

C—类代号。

如钻床Z,磨床M,铣床X,镗床T等。

K—通用特性代号。

如数控K,简式J,高精度G,轻形Q等。

A—结构特性代号。

如A,D,E等。

6—组别代号,落地及卧式车床组。

1—系别代号,卧式车床系。

40—主要参数,床身上最大工件回转直径的1/10。

任务二数控机床的特点

1.数控机床与普通机床比较

数控机床在普通机床基础上增加了对机床运动和动作自动控制的功能部件,使数控机床能够自动完成对零件加工的全过程。

控制媒介:

数控程序。

2.数控机床的加工特点（展示零件实物图片及播放加工录像1可以加工有复杂型面的工件。

实现两坐标轴联动

2加工精度高,产品质量稳定。

数控机床的机械精度高;

数控机床的控制精度高（0.001mm_0.05um;

无人为误差,加工的一致性好。

3自动化程度高,劳动强度低。

数控机床自动加工、自动停车,有安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑,劳动条件改善。

4生产效率高

数控车床刚性好,主轴转速高,可以进行大切削用量的强力切削;空行程运动速度快,极大地缩短加工的辅助时间;

粗、精加工一次装夹完成;无需中途停车检测。

5良好的经济效益

减少划线、检验时间,节省人力;不需专门设计夹具;

加工精度稳定,减少费品率;可一机多用。

6具有高度柔性

当加工零件改变时,只需重新编写或修改加工程序。

3.数控机床的使用特点

1对操作维修人员的技术水平要求较高

2对夹具和刀具的要求较高

4.数控机床的适用范围

1多品种、小批量生产的零件

2几何形状复杂的零件

3贵重零件加工

4需要全部检验的零件

任务三数控机床的分类

1.按加工方式分类

1切削机床类

数控车床、铣床、镗床、钻床和加工中心等。

2特种加工机床类

数控电火花、线切割、激光加工机床等。

2.按控制系统功能分类

1点位控制数控机床

带动刀具或工作台从一个点准确快速移动到下一个点,然后控制第三个坐标轴进行钻削等切削加工。

2直线控制数控机床

控制刀具或工作台以适当的进给速度从一点以一条直线准确的移动到下一个点,移动过程中能切削加工。

3轮廓控制数控机床

控制几个坐标轴同时协调运动,使刀具相对于工件按程序指定的轨迹和速度运动,能在运动过程中进行连续切削加工。

（具有多坐标轴联动能力

3.按伺服控制方式分类

1开环控制数控机床

无位臵测量反馈装臵,控制简单,价格低廉,广泛应用于经济型数控系统中。

2闭环控制数控机床（精度很高,价格昂贵

位臵检测装臵安装在机床工作台上,直接对工作台的位臵进行检测。

3半闭环控制数控机床（应用广泛

位臵检测元件安装在电动机轴端或丝杠轴端,间接检测工作台的位移量。

4.按系统的功能水平分类

低档、中档、高档

5.按控制坐标轴数目分类

两坐标联动数控机床、三坐标联动数控机床、多坐标联动数控机床。

任务四数控机床的基本组成

归纳起来,数控机床主要由四部分组成:

1.输入装臵

作用:

输入程序、控制参数、补偿量等。

方式:

键盘输入

磁盘输入（硬盘、软盘、U盘

网络通讯（RS232、DNC、TCP/IP

2.数控装臵（NC——数控机床大脑,数控机床核心部件

作用:

接受输入信息

运算与处理（译码、运算、逻辑处理

产生输出脉冲（动作、运动指令

3.伺服系统——数控机床的动力装臵

作用:

接受数控装臵的输出

驱动与放大

实现电→机转换

4.机床本体

主要包括主轴、溜板、刀架等。

任务五数控加工原理

1.数控加工原理概述

将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式,编成程序代码输入到机床控制系统中,再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号,从而控制机床各部件协调动作,自动完成零件的加工。

2.数控加工过程

任务六典型数控系统

FANUC（日本-发那克

SIEMENS（德国-西门子

FAGOR（西班牙-发格

华中数控系统（中国-HNC

广州数控系统（中国-GSK

补充内容:

1.数控车床的分类

1按车床主轴配臵形式分:

立式数控车床,应用于加工径向尺寸大,轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。

卧式数控车床,常用于加工径向尺寸较小的轴类、盘类、套类复杂零件。

2按数控车床的功能分,数控车床可分为经济型数控车床、普通数控车床和车削加工中心三类。

2.数控车床的加工范围

1主要用于轴类、盘类等回转体零件的加工,如内外圆柱面、圆锥面、圆柱螺纹、圆锥螺纹、切槽、钻孔、扩孔、铰孔等工序加工。

2圆弧、各种非圆曲面构成的回转面、非标准螺纹、变螺距螺纹等表面加工。

作业布臵:

1.简述数控机床的加工特点。

2.试述数控加工原理及过程。

3.数控机床由哪几部分组成?

4.目前工厂中常用的数控系统有哪些?

教案首页

单元2数控编程基本知识

主要内容:

任务一数控编程的方法

任务二数控程序结构

任务三程序段格式

任务一数控编程的方法

1.手工编程

指从分析零件图样及确定加工工艺、数值计算、编程、输入及校验等均由人工完成。

应用于计算简单、程序量不大的简单零件加工。

2.自动编程

编程工作的大部分或全部由计算机完成的零件编程。

编程人员只需输入图形信息,计算机确定刀具中心轨迹、编写加工程序。

任务二数控程序的结构

一个完整的零件程序应包含:

程序号、程序内容、程序结束指令三个部分。

1.程序号

程序号位于程序的开头,为区别存储器中的程序,每个程序都要有编号。

FANUC:

以O开头,O+4位数字

HNC:

以%开头,%+4位数字

2.程序内容

由若干程序段组成,每个程序段占一行。

程序内容用来表示数控机床要完成的全部动作。

3.程序结束指令

可用M02/M30表示主程序结束。

用M99表示子程序结束。

4.示例

任务三程序段格式

一个零件程序是由若干个程序段组成,一个程序段由一个或若干个指令字组成,一个指令字又由一个地址符和数值组成。

当一个程序段由多个指令字组成时,一般采用如下格式:

NGXYZFSTM;

如:

N10G01X50Y50Z5F200S800T01M03;

1.程序段号---N

1位于程序段首,由N+（1-4位正整数组成。

2作用:

对程序段进行检索、校对和修改。

可以作为条件转向的目标。

可进行复归操作即加工可从程序的中间开始。

3注意:

程序运行不按程序段号顺序执行,而是按排列顺序执行。

2.准备功能---G功能

G代码是用来规定刀具和工件的相对运动轨迹、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿及坐标偏臵等多种加工操作的。

有G00-G99共100个。

有模态G功能与非模态G功能之分。

1模态G功能

一组可相互注销的G功能,且执行后则一直有效,直到被同一组的G功能注销为止。

如:

G00/G01/G02/G03、G90/G91等。

2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。

如:

G04等。

3.坐标值---X、Y、Z等

用于确定机床上刀具运动终点的坐标位臵。

如:

G01X100Z100;G21--公制单位（mm

G20--英制单位（inch

注意:

1G21为缺省值。

2G20或G21代码必须在程序的开始设定坐标系之前在一个单独的程序段中指定。

3通电时的G代码与断电前的G代码相同。

4.进给速度---F功能

用于指定切削的进给速度。

对于FANUC数控车床来说:

G98—每分钟进给量;单位为:

mm/min。

G99—每转进给量;单位为:

mm/r。

对于HNC数控车床来说则是:

G94—为每分钟进给量;直线进给率。

G95—每转进给量;旋转进给率。

提问1:

已知一工作数控车床的进给量为0.3mm/r,转速为800r/min,请问它的每分钟进给量为多少?

说明:

1F在螺纹切削程序段中常用来指定螺纹的导程。

2实际进给速度F可根据进给速度修调倍率来调整。

3在G01、G02、G03和循环指令程序段中,必须要有F指令,或在这些程序段之前已经写入了F指令。

提问2:

程序中指令为F120,修调倍率调在80%档上,则实际进给速度为多少?

5.主轴转速---S功能

用于指定主轴转速,单位为r/min。

G96--恒线速度有效,其单位为m/min。

G97--恒线速度取消

如:

G96S300;主轴转速为300m/min。

G97S1500;主轴转速为1500r/min。

S功能可借助主轴倍率开关进行修调。

提问:

程序中给定转速为800r/min,转速修调倍率调在60%档上,则实际转速为多少?

6.刀具功能---T功能

1在数控车床中,T+4位数字。

前两位为刀具号,后两位为刀补号。

如:

T0202。

2在铣镗床中,T+2位数字来表示刀具号,刀补则用H代码或D代码表示。

如:

T02、D02。

3在加工中心中,该指令用于自动换刀时选择所需的刀具。

如:

T01M06。

7.辅助功能---M功能

辅助功能由M+（1-2位数字组成,如M30。

功能:

用于控制零件程序的走向,如M00\M01\M02\M30\M98\M99等。

用于机床各种辅助功能的开关动作,M03\M04\M05\M06\M08\M09等。

作业布臵:

1.简述手工编程与自动编程的区别以及适用场合。

2.一个完整的零件程序应包括哪三部分?

3.请写出程序段的一般格式。

单元2数控编程基本知识

主要内容:

任务一机床原点及参考点

任务二工作坐标系与工作原点

任务三数控机床坐标系

任务四程序编制中的数学处理

任务一机床原点与参考点

1.机床原点

机床原点就是机床坐标系的原点,又称机械原点,它是机床上的一个固定的点,是数控机床位臵控制的参照点。

由制造厂家确定。

数控车床的机床原点多定在卡盘后端面或主轴前端面的中心。

数控铣床的机床原点位臵因生产厂家而异,有的设臵在机床工作台中心,有的设臵在进给行程范围的正极限点。

可由机床用户手册中查到。

2.机床参考点

机床参考点是用于对机床移动部件（如工作台与刀具相对运动的测量系统进行定标与控制的点,也是机床上固有的点。

机床参考点对机床原点的坐标是一已知定值。

参考点的位臵由机械挡块或行程开关来确定。

数控机床开机启动时,通常都要进行返回参考点操作即回零操作,即使刀具或工作台退到机床参考点,由参考点在机床坐标系中的定值来进行位臵校准,以便正确地在机床工作时建立机床坐标系。

参考点一般设定在各轴正向行程极限点的位臵上。

参考点与机床原点的位臵可以重合,也可以不重合,通过机床参数指定参考点到机床原点的距离。

通常在数控车床上,机床参考点和机床原点不重合。

通常在数控铣床上,机床参考点和机床原点重合。

任务二工件坐标系与工件原点

1.编程坐标系与编程原点

编程坐标系:

是编程人员根据零件图样及加工工艺等用于编程时建立的坐标系。

编程原点:

编程坐标系原点即为程序原点。

编程坐标系一般供编程使用,确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位臵。

2.工件坐标系与工件原点

工件原点:

是指零件被装夹好后,相应的编程原点在机床坐标系中的位臵。

（也有称加工原点

工件坐标系:

是指以确定的工件原点为基准所建立的坐标系。

（也有称加工坐标系

当数控程序用于加工时,编程坐标系在机床上就表现为工件坐标系,编程原点就为工件原点。

工件原点是零件安装好后,通过对刀找正确定的。

工件原点的选取原则:

1工件原点应选在工件图样的尺寸基准上。

便于计算,简化编程。

2能使工件方便地装夹、测量和检验。

3尽量选在尺寸精度、光洁度要求比较高的工件表面上。

4对于有对称几何形状的零件,工件原点最好选在对称中心线上。

车床的工件原点:

一般设在主轴中心线上,多定在工件的左端面或右端面。

数控车床的机床坐标、工件坐标及参考点如下图所示。

铣床的工件原点:

一般设在工件外轮廓的某一个角上或工件对称中心线处,Z向零点,大多取在工件表面上。

数控铣床的机床坐标、工件坐标及参考点如下图所示。

任务三数控机床坐标系

1.数控机床坐标系的若干规定

为了描述机床的运动,简化编程的方法,数控机床的坐标系和运动方向均已标准化。

1机床相对运动的规定:

假定工件总是静止,而刀具在坐标系内移动。

2机床坐标系的规定:

基本坐标轴X、Y、Z关系及其正方向用右手直角笛卡儿坐标原则。

3运动方向的规定:

刀具远离工件的方向即为各坐标轴的正方向。

4旋转坐标轴:

围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示,且方向由右手螺旋定则判定。

5附加坐标轴:

平行于X、Y、Z的坐标轴分别用U、V、W坐标轴表示。

2.各坐标轴及其正方向的确定原则

1先确定Z轴

平行于机床主轴,Z轴正方向是使刀具远离工件的方向。

如果机床有几根主轴,则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为Z坐标方向。

如果没有主轴或主轴能摆动,则规定垂直于工件装夹表面的坐标轴为Z轴。

2再确定X轴

X轴通常是水平且垂直于Z轴、平行于工件装夹面。

正方向是使刀具远离工件的方向。

a.工件做旋转运动:

X轴为径向方向

b.刀具做旋转运动:

Z轴水平,从主轴后端向工件方向看,右手平伸出的拇指方向为X轴正向。

Z轴垂直,从刀具主轴向床身立柱方向看,右手平伸出的拇指方向为X轴正向。

3最后确定Y轴

可按右手笛卡儿定则确定Y轴正方向。

3.数控机床坐标系示例

任务四程序编制中的数学处理

1.基点

零件的轮廓是由许多不同的几何要素所组成的,如直线、圆弧、二次曲线等,各几何要素之间的连接点称为基点。

基点坐标是编程中必需的重要数据。

2.节点

数控系统一般只能作直线插补和圆弧插补的切削运动。

如果工件轮廓是非圆曲线,数控系统就无法直接实现插补,而只能用直线段或圆弧段去逼近非圆曲线。

逼近线段与被加工曲线的交点称为节点。

3.数控加工误差的组成

数控加工误差Δ数加是由编程误差Δ编、机床误差Δ机、定位误差Δ定、对刀误差Δ刀等误差综合形成的。

即:

Δ数加=Δ编+Δ机+Δ定+Δ刀

作业布臵:

请描述数控机床坐标系的确定原则。

判别参考书《数控加工编程与操作》P14的各机床的坐标系。

教案首页

单元3数控车削工艺及基本加工指令

主要内容:

任务一数控车削加工工艺

任务二快速定位指令G00

任务三单一固定循环G90、G94

任务一数控加工工艺

1.数控车床的应用

主要用于加工轴类、套类、盘类等回转体零件。

2.数控车削加工工艺过程的拟定

1工序的划分

a.按所用刀具划分工序

b.按粗、精加工划分工序

采用按粗、精加工划分工序的方式可保证数控车削加工的精度。

对于一般零件,应先切除整个零件的大部分余量,再将表面精车一遍,以保证加工精度和表面粗糙度要求。

2确定零件装夹方法

数控车床上零件的安装方法与普通车床的一样,要尽量选用已有的通用夹具装夹,且应注意减少装夹次数,尽量在一次装夹中完成所有加工。

3夹具选择

数控车床多采用三爪自定心卡盘夹持工件。

轴类工件还可采用尾座顶尖支持工件。

由于数控车床主轴转速极高,为便于工件夹紧,多采用液压高速动力卡盘,具有高转速、高夹紧力、高精度、调爪方便、使用寿命长等优点。

4加工顺序的确定

数控车削的加工顺序一般按照以下原则进行:

a.先粗后精原则。

将精加工前大量的加工余量去掉,尽量满足精加工的余量均匀性要求。

粗加工后,应安排换刀进行半精加工和精加工。

半精加工的目的是,当粗加工后所留余量的均匀性满足不了精加工要求时,则可安排半精加工作为过渡性工序,以便使精加工余量小而均匀。

b.先近后远加工,减少空行程时间。

先近后远有利于保持毛坯件或半成品件的刚性,改善其切削条件。

c.内外交叉原则。

对既有内表面又有外表面需加工的零件,安排加工顺序时,应先进行内外表面粗加工,后进行内外表面精加工。

d.基面先行原则。

用作精基准的表面应优先加工出来,因为定位基准的表面越精确,装夹误差就越小。

3.切削用量的选择

1车刀的类型及选用。

尖型车刀、圆弧型车刀、成型车刀。

尖型车刀:

a.概念:

切削刃为直线的车刀。

b.用途:

车外圆、端面、切槽等。

圆弧型车刀:

a.特征:

构成主切削刃的刀刃形状为一圆弧,该圆弧刃每一点都是刀尖,刀位点在圆心上。

b.用途:

车削内、外表面及各种光滑连接,精度和表面粗糙度较好。

c.选择:

轮廓的最小半径应大于或等于切削刃的圆弧半径。

半径不能太小,刀具受损,难于制造。

成形车刀:

尽量少用

2确定切削用量。

（P31表2-1

包括背吃刀量、主轴转速和进给速度,应使三者相互适应,形成最佳切削参数。

a.吃刀量（切削深度

在条件（零件及刀具材料允许的情况下尽可能选较大切削量来提高效率。

粗车量较大,约2-3mm。

精车量小些,一般留0.1-0.3mm加工余量。

b.进给速度F

刀具沿进给方向移动的速度。

单位有mm/min和mm/r

原则:

保证质量的情况下,选择较高进给速度。

切槽、钻孔选择较低速度。

0.05-0.2mm/r

精车速度慢,粗车速度快。

粗车F:

0.2-0.4mm/r;精车F:

0.1-0.2mm/r

c.主轴转速n（r/min

主轴转速应根据工件直径d及切削速度v来确定。

切削速度v（m/min根据经验进行确定。

见P31表2-1。

关系:

n=1000v/（πd

数控车床有无级变速、档位调节等类型。

任务二快速定位指令G00

1.功能:

G00指令刀具从当前位臵以系统预先设定的快进速度移动至所指定的位臵。

2.格式:

G00X（U_Z（W_;

参数说明:

X（U_Z（W——快速定位终点坐标;

X、Z——终点在工件坐标系中的坐标;

U、W——终点相对于起点的位移量。

3.编程计算方法（见课件

4.说明:

1快移速度由系统设定,不由程序指令。

2移动轨迹通常为折线。

3快移速度可由快速修调旋钮修正。

4为模态功能,可由G01、G02、G03等功能注销。

5用于加工前快速定位或加工后快速退刀。

任务三单一固定循环G90、G94

单一固定循环是指将一系列连续加工动作,如―切入→切削→退刀→返回‖,用一个循环指令完成,以简化程序。

1.外圆切削循环G90

G90指令可实现内、外圆柱面或内、外圆锥面切削循环。

1圆柱面切削循环

编程格式:

G90X（UZ（WF;

其中:

X、Z——圆柱面切削终点坐标值;

U、W——圆柱面切削终点相对于循环起点的坐标分量。

例:

应用圆柱面切削循环功能加工是上图所示的零件。

O1254;

N10T0101;

N20M03S1000;

N30G00X150Z50;

N40G00X55Z2;

N50G90X45Z-25F0.2;

N60X40;

N70X35;

N80G00X150Z50;

N90M30;

2圆锥面切削循环

编程格式:

G90X（UZ（WRF;

其中:

X、Z——锥面切削终点坐标值;

U、W——锥面切削终点相对于循环起点的坐标;

R——圆锥面切削的起点相对于终点的半径差。

如果切削起点的X向坐标小于终点的X向坐标,则R值为负;反之为正。

2.端面切削循环G94

端面切削循环适用于端面切削加工。

1平面端面切削循环

编程格式:

G94X（UZ（WF;

其中:

X、Z——端面切削的终点坐标值;

U、W——端面切削的终点相对于循环起点的坐标。

2锥面端面切削循环

编程格式:

G94X（UZ（WKF;

其中:

X、Z——端面切削的终点坐标值;

U、W——端面切削的终点相对于循环起点的坐标;

K——端面切削的起点相对于终点在Z轴方向的坐标分量。

当起点Z向坐标小于终点Z向坐标时,K为负;反之为正。

作业布臵:

1.用G90指令将φ100X150的棒料加工成φ70X80的工件。

2.毛坯直径为φ28mm,长度为80mm。

要求加工成大端直径为φ24mm,小端直径为φ14mm,长度为30mm.的工件。

单元3数控车削工艺及基本加工指令

主要内容:

任务一线性进给G01

任务二圆弧进给G02/G03

任务一线性进给G01（放映线性进给加工录像

格式:

G01X（U_Z（W_F_

功能:

指令刀具从当前点（起点直线移动到目标点（终点。

说明:

X、Z——绝对编程时,终点在工件坐标系中的坐标。

U、W——增量编程时,终点相对于起点的位移量。

F——刀具的合成进给速度。

举例:

如图三所示,已知车刀在A点,试用G01指令刀具从A点线性进给至B点、C点、D