数控加工技术实验报告文档.pdf

1 一、数控加工过程 利用数控机床加工零件，从零件图纸到加工出合格的产品的大致过程如图 210 所示。1首先根据零件图所规定的工件形状和尺寸、材料、技术要求，进行工艺程序的设计与计算（包括加工顺序、刀具与工件相对运动的轨迹、行程和进给速度等）。2.然后按数控装置所能识别的“代码”形式编制零件加工程序单。3.按零件加工程序单上的数字码、文字码和符号码制作控制介质（如穿孔纸带）。4.穿孔纸带通过光电阅读机，把有孔或无孔的光信号转变为电信号输入给数控装置。5.数控装置根据输入的信号进行一系列的控制与运算，将运算结果以脉冲信号形式送给机床的伺服机构。6.伺服机构带动机床各运动部件按照规定的速度和移动量有顺序的动作，自动地实现工件的加工过程。二、数控机床的加工特点和适用范围 1、数控机床与其他机床的区别 数控机床与通用机床的区别在于数控机床是采用数控装置或电子计算机，全部或部分地取代一般通用机床在加工零件时对机床的各种动作，如启动、加工顺序、改变切削用量、主轴变速、选择刀具、冷却液开停以及停车等人工控制。通常，数控机床加工零件所需的全部机械动作和控制功能都是预先按规定的字符或文字代码的形式编制成加工程序，然后再用穿孔机或键盘等把程序上的信息以数字代码的形式记载在控制介质（如穿孔纸带、穿孔卡、拨码开关、磁带等）上，通过控制介质将数字信息送入数控装置或计算机，数控装置或计算机对输入信息进行运算和处理，发出各种指令去控制机床的伺服系统或其他执行元件的各种动作，从而使数控机床自动加工出所需要的零件。数控机床与其他自动机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件 和更换刀具外，只需更换相应的控制介质（如一条新的穿孔纸带），而不需对机床作任何调整，就可自动加工出新的工件。由此可见，数控机床与其他机床相比，在进行小批量、复杂零件生产时，具有极其显著的优越性（表 11）。表 11 数控机床与其他机床的比较 要 机床 求 衡量标准 通用机床 专用机床（自动、仿形）数控机床 劳动强度 高 较低 低 工 时 多 较多 少 生产周期 长 较长 短 加工精度 低 较高 高 1.数控机床的加工特点 用数控机床加工零件，大致有以下几个特点：数控加工技术实验报告 2 （1）适应性强，为多品种小批量的生产和新产品的研制提供了有利条件 用数控机床加工形状复杂的零件或新产品时，不必像采用通用机床加工那样需很多工装，而仅需少量工夹具和数控加工用的控制介质。一旦零件图有修改，只需修改控制介质上的相应部分，就可在短时间内把修改后的零件加工出来。因而生产准备周期短，灵活性强。（2）加工精度高，质量好 数控机床所需的加工条件（如进给速度、主轴转速、容差指定、刀具选择等）都是由控制介质上的指令代码事先规定好了，加工是自动完成的，所以人为造成的加工误差很小。并且进给传动链的换向间隙与丝杠传动误差等均可由数控装置进行补偿。因此，数控机床能够达到较高的加工精度。（3）加工生产率高，经济效益好 数控机床能够减少零件加工所需要的机动时间与辊助时间。数控机床主轴转速和进给量的范围比通用机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，从而有效节省了机动时间。数控机床移动部件在定位中均采用加速和减速措施，并可选用很高的空行程运动速度，缩短了定位和非切削时间。对于复杂的零件可以用电子计算机编程和迅速制备加工用的控制介质，而零件又往往安装在简单的定位夹紧装置中，从而加速了生产准备过程，尤其是在使用带有刀库和自动换刀装置的数控加工中心机床时，工件往往只需进行一次装夹就能完成所有的加工工序，减少了半成品的周转时间，生产效率的提高更为明显。此外，数控机床能进行重复性的操作，尺寸一致性好，从而减少了次品率和检验时间。由于数控机床加工零件不需手工制作靠模、凸轮、样件、钻模板等许多专用工装，使生产成本进一步下降。（4）减轻操作者的劳动强度，加工自动化和操作简单化 数控机床的动作是由控制介质上（程序）信息直接控制的，工人一般只需装卸零件和更换刀具并监督机床的运行，因而大大减轻了操作者的劳动强度，减少了对熟练技术工人的需求。（5）有利于生产管理的现代化 用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验、工装和半成品的管理工作，这些特点都有利于使生产管理现代化。（6）数控机床价格昂贵，维修较难 数控机床是一种高度自动化机床，必须配有数控装置或电子计算机，机床加工精度因受切削用量大、连续加工发热多等影响，使其设计要求比通用机床更严格，制造要求更精密，因此数控机床的制造成本较高。此外，由于数控机床的控制系统比较复杂，一些元件、部件精密度较高以及一些进口机床的技术开发受到条件的限制，所以对数控机床的调试和维修都比较困难。2.数控加工的适用范围 数控机床加工的优点很多，但它并不能适用于所有的机械加工。例如，形状简单、精度不高的大批量生产的零件，工艺装备（工具、夹具和模具）费用低的零件，要求工人操作具有特殊技艺的工序以及材料性质不均匀或刀具质量差等情况下，都没有必要和不宜使用数控机床。数控机床最适合于加工具有以下特点的零件：3 （1）用普通机床加工需很长调整时间或要求复杂工装的零件；（2）小批生产或准备多次改变设计的零件；（3）加工精度高，形状复杂，需用数学方法进行处理的各种曲面零件；（4）要求精密复制的零件；（5）价值高的零件（此类零件，如果加工中出现差错而报废，会造成巨大的浪费）；（6）钻、镗、锪、铰、攻丝、铣削工序联合进行的零件，如航空附件壳体、机匣等；（7）要求 100检验的零件。图 l1 概括地表示出数控机床加工适用范围。图 l1 数控机床加工适用范围 从图 11（a）中可以看出，数控机床适用于加工批量小、形状复杂的零件。但需指出，随着数控机床的普及和价格的降低，其使用范围将由 BCD 向 EFG 复杂性低的范围扩大。在图 1-1（b）中，当批量数在 100 件以下时，用数控机床是有利的。但应注意，图 1-1仅是对一台或几台数控机床而言。若对带有自动换刀装置的加工中心机床来说，情况就大大改观多数控加工的适用性就更大。尤其是为了实现工厂无人化而引进计算机控制系统小，数控机床更是不可缺少。三、数控加工中常用术语的含义 在采用数控加工时，为了更好地了解数控机床的技术性能和程序编制的内容，我们必须理解以下一些常用数控术语的确切含义。1插补、直线插补和圆弧插补 大多数机器零件的形状，一般都是由一些简单的几何元素（直线、圆弧等）构成。在数控机床上加工直线或圆弧，实质上是数控装置根据有关的信息指令进行“数据密化”的工作。例如加工图 211 所示的一段圆弧，已知条件仅是该圆弧的起点 A 和终点 B 的坐标，圆心 O的坐标及半径 R，要想把圆弧段AB光滑地描绘出来，就必须把圆弧段 A、B 之间各点的坐标值计算出来：把这些点填补到 A、B 之间，通常把这种“填补空白”的“数据密化”工作称为插补。把计算插补点的运算称为插补运算。把实现插补运算的装置叫作插补器。图 211 “插补”的概念 图 212 加工直线示意图 图 213 加工圆弧示意图 由于数控装置具有插补运算的功能，所以控制介质上只要记录有限的信息指令，如加工直线只需记录直线的起点和终点的坐标信息，加工圆弧只需记录圆弧半径、起点和终点坐标、顺转、逆转等信息多数控装置就能利用控制介质上的这些有限的信息指令进行插补运算，将直线和圆弧的各点数据算出，并发送相应的脉冲信号，通过伺服机构控制机床加工出直线和圆弧。4 如图 212 所示，是应用逐点比较法插补原理进行直线插补的情形。机床在某一程序中要加工一条与 x 轴夹角为 a 的 OA 直线，在数控机床上加工时，刀具的运动轨迹不是完全严格地走 OA 直线，而是一步一步地走阶梯折线，折线与直线的最大偏差不超过加工精度允许的范围，因此这些折线可以近似的认为是 OA 直线。我们规定：当加工点在 OA 直线上方或在OA 直线上，该点的偏差值 Fn0，若在 OA 直线的下方，即偏差值 Fn0，机床数控装置的逻辑功能，根据偏差值能自动判别走步。当 Fn0 时，朝+x 方向进给一步，当 Fn0 时，朝+y方向进给一步，每走一步自动比较一下，边判别边走步，刀具依次以折线 01234A 逼近 OA 直线。就这样，从 O 点起逐点穿插进给一直加工到 A 点为止。这种具有沿平滑直线分配脉冲的功能叫作直线插补，实现这种插补运算的装置叫做直线插补器。如图 213 所示，是应用逐点比较法插补原理进行圆弧插补的情形。机床在某一程序中要加工半径为 R 的AB圆弧，在数控机床上加工时，刀具的运动轨迹也是一步一步地走阶梯折线，折线与圆弧的最大偏差不超过加工精度允许的范围，因此这些折线可以近似的认为是AB 圆弧。我们规定：当加工点在AB圆弧外侧或在AB圆弧上，偏差值（该点到原点 O 的距离与半径 R 的比值）Fn0；若该点在圆弧AB的内侧，即偏差值 Fn0。加工时，当 Fn0时，朝-x 方向进给一步，当 Fn0 时，朝+y 方向进给一步，刀具沿折线 A1234B 依次逼近AB圆弧，从 A 点起逐点穿插进给一直加工到召点为止。这种沿圆弧分配脉冲的功能叫做圆弧插补，实现这种插补运算的装置叫做圆弧插补器。上述加工直线和圆弧的两种插补原理，是以第 I 象限为例的，在其他象限时，只需相应地改变进给方向，但其插补原理基本相同。当加工点从一个象限转到另一个象限时，数控装置能自动地改变进给方向。2坐标数、两坐标加工和三坐标加工“两坐标加工”、“三坐标加工”的概念与数控机床坐标数的概念是不相同的。坐标数是指数控机床有几个运动方向采用了数字控制，如图 24 至图 26 分别为两坐标、三坐标和七坐标的数控机床。例如一台三坐标的数控机床的数控装置只能同时控制任意两坐标联动，那么就只能实现两坐标加工，如图 214（a）所示。对于有些简单的立体轮廓面，也可以采用某两坐标联动，另一坐标周期进给，即所谓两坐标联动的三坐标加工，也叫“212坐标加工”。如图 214（b）所示。其加工方法是：先将曲面沿 y 轴相距y 分成若干份，把每一份廓形看作在 xz 平面内，然后根据平面曲线的方法进行加工。加工完后进给y，再切削另一相邻曲线，这样依次切削即可加工出整个曲面。若数控装置能控制三个坐标联动多则能实现三坐标加工，见图 215。同理有四坐标联动加工，五坐标联动加工等。图 2-14 两坐标轮廓加工 图 2-15 三坐标曲面加工 图 2-16 刀具半径补偿 3.刀具补偿 刀具补偿包括刀具半径补偿（亦称为刀具偏移运算）和刀具长度补偿。所谓刀具半径补偿，就是具有这种功能的数控装置能使刀具中心自动从零件实际轮廓上 5 偏离一个指定的刀具半径值（补偿量），并使刀具中心在这一被补偿的轨迹上运动，从而把工件加工成图纸上要求的轮廓形状，见图 216。当数控装置具有刀具半径补偿功能时，在程序编制时不考虑加工所用的刀具半径，直接按照零件的实际轮廓形状来编制控制介质的程序指令，而在加工时，把实际采用的刀具半径值由“刀具半径拨码盘”拨入，系统便自动地算出每个程序段在各坐标方向的补偿量。所谓刀具长度补偿，就是具有这种功能的数控装置能使刀具在轴向（z 方向）上的实际位移量大于或小于程序给定值，如图 2-17 所示。刀具长度尺寸的补偿方法通常是通过设在控制面板上的刀具长度补偿拨码盘或刀补开关进行。图 2-17 刀具长度补偿 图 2-18 绝对值方式测量系统的零偏置 4固定原点与浮动原点 许多数控机床设有固定原点（又称为机床原点），数控装置在需要时，可自动将刀具或工作台返回固定原点，使其处于一种便于准备工作及起始加工的位置，而有些工件在机床工作台上的装夹位置是不固定的（如钻床、镗铣床），因而工件原点也是不固定的。像这种可根据工件位置自行设定的原点称为浮动原点（又称为工件原点）。对于绝对值方式测量系统，固定原点一般就是测量系统的零点，由于任一位置的读数均以固定原点为基准，故在有必要设置浮动原点时，要进行零偏置操作。如图 218 所示，当调整刀具中心对准选定的 x0、y0处的浮动原点后，按下相应的控制按钮，数控装置记下浮动原点与固定原点之间的偏置量 x0和 y0，以后的定位加工可依据浮动原点用绝对值方式编制程序（即输入 x1、y1与 x2、y2等坐标值），数控装置将输入坐标值与偏置量 x0、y0。相加，根据 x0+x1、y0+y1和 x0+x2、y0+y2等坐标值进行定位及加工。5.定位精度和重复精度 所谓定位精度就是指实际位置与指令位置的一致程度。不一致量表现为误差。被控制 的机床坐标的误差，也包括驱动此坐标自匀控制系统的误差在内。对指定坐标用“+”“-”数字及允许误差值表示，例如对指定的某长度，表示成：x 坐标值，。定位精度和定位时间是数控装置（特别是点位控制系统）的两个基本要求。定位精度关系到工件质量，定位时间关系到生产率，两者往往互相矛盾。应当首先满足定位精度的要求，而后尽量缩短定位时间。重复精度是在同一条件下，用相同的方法，重复进行同一动作时，控制对象位置的一致程度，亦称为精密度。四、数控编程的内容和步骤 手工编程的内容和步骤如图 2-1 所示。图 2-1 1.确定工艺过程 6 根据零件图纸进行工艺分析，在此基础上选定机床、刀具与夹具，确定零件加工的工艺路线，工步顺序以及切削用量等工艺参数，这些工作与普通机床加工零件时的编制工艺规程基本是相同的。2计算加工轨迹和加工尺寸 根据零件图纸上的尺寸及工艺路线的要求，在规定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动的轨迹的坐标值，诸妞几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、几何元素的交点或切点等坐标尺寸，有时还包括由这些数据转化而来的刀具中心轨迹的坐标尺寸，并按脉冲当量（或最小设定单位）转换成相应的数字量，以这些坐标值作为编程的尺寸。这一步骤通常称为数值计算或几何计算。3编制加工程序单及初步校验 根据制定的加工路线、切削用量、刀具号码、刀具补偿、辅助动作及刀具运动轨迹，按照机床数控装置使用的指令代码及程序格式，编写零件加工程序单并需校核，检查上述两个步骤中的错误。4.制备控制介质 将程序单上的内容记录在控制介质上，作为数控装置的输入信息。若程序较简单，也可直接将其通过键盘输入。5程序校验和试切削 所制备的控制介质，必须经过进一步的校验和试切削才能用于正式加工。通常的方法是将控制介质上的内容输入数控装置进行机床的空运转检查，对于平面轮廓工件可在机床上用笔代替刀具坐标纸代替工件进行空运行绘图；对于空间曲面零件，可用木料或塑料工件进行试切，以此检查机床运动轨迹与动作的正确性。在具有图形显示的机床上，用图形的静态显示（在机床闭锁的状态下形成的运动轨迹）或动态显示（模拟刀具和工件的加工过程）则更为方便，但这些方法只能检查运动轨迹的正确性，无法检查工件的加工误差。首件试切方法不仅可查出程序单和控制介质是否有错，还可知道加工精度是否符合要求。当发现错误时，应分析错误的性质，或修改程序单，或调整刀具补偿尺寸。直到符合图纸规定的精度要求为止。对于几何形状不太复杂的零件和点位加工，所需的加工程序不多，计算也较简单，出错的机会较少，这时用手工编程还是经济省时的，因此，至今仍广泛地应用手工编程方法来编制这类零件的加工程序。但是对于复杂曲面零件；几何元素并不复杂，但程序量很大的零件（如一个零件上有数千个孔）；以及铣削轮廓时数控装置不具备刀具半径自动偏移功能，而只能按刀具中心轨迹进行编程等情况。由于计算相当繁琐及程声量大，手工编程就很难胜任，即使能够编出来，也耗时长，效率低，易出错。据国外统计，用手工编程时，一个零件的编程时间与在机床上实际加工时间之比，平均约为 30：1。数控机床不能开动的原因中有2030是由于加工程序不能及时编制出来而造成的，因此，必须要求编程自动化。五、数控加工程序的结构 一个完整的加工程序由若干程序段组成，程序的开头是程序名（号），结束时写有程序结束指令。例如：7 O0010 N0010 G00X0 Y0 Z2 T01 S1500 M03 N0020 G01 Z2 F200 N0030 G91 X20 Y20 N0140 G00 Z100 M02 表示一个完整的加工程序，由 14 个程序段组成。开头有程序名 O0000，结束有 M02 结束指令。一个程序段由若干个“字”组成；字则由地址字（字母）和数值字（数字及符号）组成。如上述程序的第一个程序段，由 8 个字组成，其中 N、G、X、Y、2、T、S、M 为地址字，后面跟相应的数值字。每个字均有一定的功能含义。如 OXX X X NXXXX GXX X _Y_ Z_I_J_K_F_S_T_MXX 其中:O程序名（号），由字母 O 或 P 或符号（如）以及 34 位数字组成；N程序段号，后跟 24 位数字；G、M指令代码，后跟 2 位数字；X Y XXXXXXX坐标轴，其值可正或负，小数点前 4 位，后 3 位；Z I J XXXXXXX圆弧的圆心坐标；K F进给速度功能；S主轴功能；T刀具功能。程序段的格式 程序段的格式是指一个程序段中“字”的排列方式和顺序，以及每个“字”和整个段的长度规定。不同数控系统的格式各异，须按说明书编程，否则报警出错。8 表 2-4 代 码 功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替 功能仅在所出现的程序段内有作用 功 能 代码 功能保持到被取消或被同样字母表示的程序指令所代替 功能仅在所出现的程序段内有作用 功 能（1）（2）（3）（4）（1）（2）（3）（4）G00 a 点定位 G50#(d)#刀具偏置 0/-G01 a 直线插补 G51#(d)#刀具偏置+/0 G02 a 顺时针方向圆弧插补 G52#(d)#刀具偏置-/0 G03 a 逆时针方向圆弧插补 G53 f 直线偏移，注销 G04 *暂停 G54 f 直线偏移 X G05#不指定 G55 f 直线偏移 Y G06 a 抛物线插补 G56 f 直线偏移 Z G07#不指定 G57 f 直线偏移 XY G08 *加速 G58 f 直线偏移 XZ G09 *减速 G59 f 直线偏移 YZ G10 G16#不指定 G60 h 准确定位 1（精）G17 c XY 平面选择 G61 h 准确定位 2（中）G18 c ZX 平面选择 G62 h 快速定位（粗）G19 c YZ 平面选择 G63 *攻丝 G20G32#不指定 G64G67#不指定 G33 a 螺纹切削，等螺距 G68#(d)#刀具偏置，内角 G34 a 螺纹切削，增螺距 G69#(d)#刀具偏置，外角 G35 a 螺纹切削，减螺距 G70G79#不指定 G36G39#永不指定 G80 e 固定循环注销 G40 d 刀具补偿/刀具偏置注销 G81G89 e 固定循环 G41 d 刀具补偿左 G90 j 绝对尺寸 G42 d 刀具补偿右 G91 j 增量尺寸 G43#(d)#刀具偏置正 G92 *预置寄存 G44#(d)#刀具偏置负 G93 k 时间倒数，进给率 G45#(d)#刀具偏置+/+G94 k 每分钟进给 G46#(d)#刀具偏置+/-G95 k 主轴每转进给 9 G47#(d)#刀具偏置-/-G96 I 恒线速度 G48#(d)#刀具偏置-/+G97 I 每分钟转数（主轴）G49#(d)#刀具偏置 0/+G98G99#不指定 注：#号：如选作特殊用途，必须在程序格式说明中说明。如在直线切削控制中没有刀具补偿，则 G43 至 G52 可指定作其他用途。在表中左栏括号中的字母（d）表示：可以被同栏中没有括号的字母 d 所注销或代替，亦可被有括号的字母（d）所注销或代替。G45 到 G52 的功能可用于机床上任意两个预定的坐标。控制机上没有 G53 到 G59、G63 功能时，可以指定作其他用途。表 2-5 代码 功能开始 时间 功 能保 持 到被 注 销或 被 适当 程 序指 令 代替 功 能仅 在 所出 现 的程 序 段内 有 作用 功 能 代码 功能开始时间 功 能保 持 到被 注 销或 被 适当 程 序指 令 代替 功 能仅 在 所出 现 的程 序 段内 有 作用 功 能 与 程序 段 指令 运 动同 时 开始 在程序 段指令 运动完成 后开始 与 程序 段 指令 运 动同 时 开始 在程序 段指令 运动完成 后开始（1）（2）（3）（4）（5）（6）（1）（2）（3）（4）（5）（6）M00 *程序停止 M36*#进给范围 1 M01 *计划停止 M37*#进给范围 2 M02 *程序结束 M38*#主轴速度范围 1 M03*主轴顺时针方向 M39*#主轴速度范围 2 M04*主轴逆时针方向 M40M45#如有需要作为 齿 轮 换档，此外不指定 M05 *主轴停止 M46M47#不指定 M06#*换刀 M48 *注销 M49 M07*2 号冷却液开 M49*#进给率修正旁路 10 M08*1 号冷却液开 M50*#3 号冷却液开 M09 *冷却液关 M51*#4 号冷却液开 M10#*夹紧 M52M54#不指定 M11#*松开 M55*#刀具直线位移，位置 1 M12#不指定 M56*#刀具直线位移，位置 2 M13*主轴顺时针方向，冷却液开 M57M59#不指定 M14*主轴逆时针方向，冷却液开 M60 *更换工作 M15*正运动 M61*工件直线位移，位置 1 M16*负运动 M62*工件直线位移，位置 2 M17M18#不指定 M63M70#不指定 M19 *主轴定向停止 M71*工件角度位移，位置 1 M20M29#永不指定 M72*工件角度位移，位置 2 M30 *纸带结束 M73M89#不指定 M31#*互锁旁路 M90M99#永不指定 M32M35#不指定 注：#号表示：如选作特殊用途，必须在程序说明中说明。M90M99 可指定为特殊用途。