数控铣教案

    一、教学目的及要求

    1．了解数控铣加工的工作原理、特点和应用。

    2．了解数控铣的编程方法和编程格式。

    3．了解计算机辅助设计及加工的概念和加工过程。

    4．熟悉并严格遵守安全操作规程。

    二、教学进程（总时间0.5天）

   三、教具

    1．合金铝方料。

    2．数控铣加工原理挂图。

3．各种数控铣刀一套。

4．卡尺、千分尺、90°直角尺、千分表及表座一套。

数控铣讲授内容

一、机床数字控制的基本概念

    1．机床的数控技术

机床数控技术是用数字化的信息实现机床控制的一种方法。

数字控制机床（Numerically Controlled Machine Tool）是装有数控系统采用数字控制技术的机床，简称数控（NC）机床。该系统能逻辑地处理具有使用代码，或者其它符号编码指令规定的程序。数控系统是一种控制系统，它能自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。

2．机床数字控制的原理

数控机床的加工，首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编成加工程序。信息数字化就是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量，即最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。

3．数控铣削加工的特点

数控机床（包括数控铣床）是新型的自动化机床，它具有广泛通用性和很高的自动化程度。

数控铣削的特点：

1）可以加工具有复杂型面的工件。

2）加工精度高，尺寸一致性好。

3）生产效率高。

4）可以减轻工人劳动强度，实现一人多机操作。

5）经济效益明显。

二、数控铣床的组成

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机组成，如图1所示。

1．控制介质

控制介质是存贮数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置信息的媒体介质，它记载着零件的加工程序。数控机床中，常用的控制介质有穿孔带、穿孔卡、磁带和磁盘。

2．数控装置

数控装置是数控机床的核心。现代数控机床都采用计算机数控装置，即CNC装置。它具备如下功能：

1）多坐标控制（多轴联动）。

2）实现多种函数的插补（直线、圆弧、抛物线等）。

3）多种程序输入功能；以及编辑和修改功能。

4）信息转换功能：EIA/ISO代码转换，英制/公制转换，坐标转换，绝对值/增量值转换，计算制转换等。

5）补偿功能：刀具半径补偿，刀具长度补偿，传动间隙补偿，导程误差补偿等。

6）多种加工方式选择。可以实现各种加工循环，重复加工，凹凸模加工和镜像加工等。

7）具有故障自诊断功能。

8）显示功能。用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形和动态三维图形。

9）通讯和联网功能。

3．伺服系统

伺服系统是接收数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。它包括主轴驱动单元（主要是速度控制），进给驱动单元（主要有速度控制和位置，主轴电机和进给电机）。

4．测量反馈装置

该装置可以包括在伺服系统中，它由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈回来，构成闭环控制。

5．机床主机

主机是数控机床的主体，包括床身，主轴进给机构等机械部件。

三、手工程序编制

1．程序编制的标准规定和代码

1）ISO代码

ISO代码是国际标准化组织制定的数控国际标准代码。现广泛地应用在各种数控机床的编程代码中。

2）程序段格式

程序段格式有许多种，现广泛应用的是“可变程序段，文字地址程序段”格式。下面一个程序段就是这种格式的例子。

N100 G01 X3200 Y2500 Z-150 F80 S24 T12 M05

3）数控机床的坐标轴和运动方向。

为了保证数控机床的运行，操作及程序编制的一致性，数控标准统一规定了机床坐标和运动方向。如图2。

2．准备功能“G”代码

G代码为插补有关的准备性工艺指令，根据设备的不同，G代码也会有所不同。G代码有两种：一种是非模态代码，这种G代码只在被指定的程序段才有意义。另一种是模态代码，这种G代码在同组其它G代码出现以前一直有效。如果在同一程序段中指定了两个以上的同一组G代码，则后指定的有效。

1）G00 快速定位。用绝对坐标表示尺寸时，配合用G90指令，刀具分别按各轴的快速进给速度，从刀具当前的位置移动到坐标系给定的点位。用坐标增量值表示尺寸时，配合用G91指令。刀具以各轴的快速进给速度，移动到距当前位置为给定值的点位。此时各坐标轴独立运动，无运动轨迹要求。

一般格式：  G00 X—Y—Z—      

2）G01 直线插补指令；用于产生直线和斜线运动。可使机床沿x，y，z方向执行单轴运动，或在各坐标平面内执行具有任意斜率的直线运动，也可使机床三轴联动，沿任一空间直线运动。

一般格式：  G01 X—Y—Z—      

3）G02,G03 圆弧插补指令，使机床在各坐标平面内执行圆弧运动，加工出圆弧轮廓。

G02为顺时针圆弧插补指令，G03为逆时针圆弧插补指令。圆弧的顺、逆方向是向垂直于运动平面的坐标轴的负方向看其顺、逆来决定。

一般格式为（以xy平面，顺圆插补为例）：

第一种：G02X—Y—I—J—F—        

第二种：G02X—Y—R—F—          

第一种格式中，运动参数用圆弧终点坐标（x,y）值（绝对尺寸）或圆弧终点相对于其起点的距离（x,y增量尺寸）。插补参数（I，J或K）为圆心坐标值，一般用增量坐标：圆心相对圆弧起点的x坐标距离为I值，圆心相对圆弧起点的y坐标距离为J值。由于插补运动平面不同，可以分为三组：

xy平面，用X，Y，I，J地址符号：xz平面，用X，Z，I，K地址符号；yz平面，用Y，Z，J，K地址符号。

第二种格式中，运动参数同第一种格式中的规定。插补参数为圆弧半径R， 时，加工出0°~180°的圆弧。R<0时，加工出180°~360°的圆弧。（注：在西门子系统中R用CR表示）

4）G17~G19：平面选择

G17指定工件在xy平面上加工，G18、G19分别在zx、yz平面上加工。这些指令在进行圆弧插补和刀具补偿时必须使用。例如G18 G03X—Z—R—F— *。

5）G92：坐标系设定

编程时，使用的是工件坐标系，编程起点即为刀具开始运动的起刀点。但是在开始运动之前，应将工件坐标系告诉给数控系统。通过把编程中起刀点的位置在机床坐标系上设定，将两个坐标系联系起来。机床坐标系中设定的固定点（起刀点），称为参考点。G92指令能指定起刀点与工件坐标系原点的位置关系。利用返回参考点的功能。刀具很容易移动到这个位置。

用G92指令指定参考点在工件坐标系的位置。

格式：G92 X—Y—Z—

6）G40~G42为刀具半径补偿指令

轮廓铣削加工时，刀具中心轨迹在与零件轮廓相距刀具半径的等距线上。刀具半径补偿功能可以保证按零件轮廓尺寸编程时，刀具在已偏移的轨迹上运动，不需要编程者计算刀具中心运动轨迹。刀具半径补偿量用H（或D）代码号表示。其具体值可用拨码盘或键盘或程序事先输入到存储器中。H代码为模态的。当刀具磨损或重磨后，刀具半径变小，只需手工输入改变刀具半径或选择适当的补偿量，而不必修改已编好的程序。

G41为左偏刀具半径补偿；G42为右偏刀具半径补偿。这两种指令具体确定方法为：对着零件，假设工件不动，沿着刀具运动方向看，刀具位于工件左侧为G41指令；而刀具位于工件右侧则为G42指令。G40为取消刀具半径补偿。

3．辅助功能“M”代码

辅助功能M也称为M代码、M指令，这类指令主要用于机床加工操作时的一些“关”与“断”性质的工艺指令。常用的M代码如下：

1）M02或M30 程序结束，该指令用于程序全部结束。此时主轴进给和冷却液全部停下，机床复位。

2）M03 主轴顺时针旋转（正转）；M04 主轴逆时针旋转（反转）；M05 主轴停止。

3）M08  1号冷却液开；M09 冷却液关。

4．进给功能要F（F功能）

它给定刀具对于工件的相对速度，一般格式如F1000。在G01、G02、G03指令后，代表进给速度为1000mm/min。

5．主轴转速功能（S功能）

该功能要用来选择主轴转速，它由地址“S”和在其后面的若干位数字构成，一般如S400，代表主轴转速为400r/min。

6．刀具功能T（T功能）

它由地址码“T”和后面的若干位数字构成。刀具功能字用于更换刀具时指定刀具或显示待换刀号，有时也能指定刀具补偿位置。

但不同系统对T功能的定义也有所不同，如在西门子802S/C系统中，T—号（1~32000），T后面可选1~32000，刀号刀补号由D—号来表示。一般为T1；T2等。

在西班牙FAGOR 8020MS系统中，一般格式为T01.01或T1.1，刀具号为小数点左侧的两位数，可取（00~98）间的任何值；小数点右侧的两位数为刀具补偿表序号，可取00~99间的任何值。当用G41或G42编程时，CNC把编程的序号（00~99）地址中存储的R作为刀具半径补偿值。如果是G43编程，则把L作为刀具长度补偿值。

1）轮廓铣削编程特点

（1）铣削是机械加工最常用的方法之一，它包括平面铣削和轮廓铣削。使用二坐标数控机床多用于加工平面零件轮廓；若三坐标以上数控铣床可用于加工难度较大的复杂工件的立体轮廓加工。

（2）数控铣床的数控装置具有多种插补方法，一般都具有直线插补和圆弧插补。有的还具有其它高级曲线的插补，编程时要充分合理地选择这些功能，以提高加工精度和效率。

（3）编程时要充分利用数控铣床齐全的功能，如刀具位置，长度补偿；刀具半径补偿和固定值环，对称加工等多种任选功能。

（4）平面铣削和由直线、圆弧组成的平面轮廓铣削的数学处理比较简单。非圆曲线、空间曲线和曲面的轮廓铣削加工，数学处理比较复杂，一般要采用计算机辅助计算和自动编程软件。

2）铣削加工手工编程举例

例1  用刀具位置偏移指令铣削外轮廓的加工程序，如图3，该零件由直线和三段圆弧组成。用刀具偏置功能编制外轮廓加工程序，刀具半径R=10mm，刀具号01；偏置号H01，加工路线由O点径A→B→C→D→E→F→G→H→A回到O（假定Z向无运动）。其程序如下：

NO G92 X0Y0Z0；

N5 G90 G17 G01 F150 S100 T1.1 M03；

N10 G42 X20 Y20；

N15 X50 Y30；

N20 X70；

N25 G03 X85 Y45 I0 J15；

N30 G02 X100 Y60 I15 J0；

N35 G01 Y70；

N40 X55；

N45 G02 X25 Y70 I-15 J0；

N50 G01 X20 Y20；

N55 G40 G00 X0 Y0 M05；

N56 M30

图 3

四、使用“CAX’A”微机编程软件编制加工程序及模拟加工方法

微机编程是用微机代替手工进行数控机床的程序编制工作。现在要求使用“CAXA”制造工程师（Me2000）进行数控铣床微机编程。

要加工的工件尺寸如图4，参数如下：刀具号T1；主轴转速S=300r/min；刀具进给速度F=200mm/min；Z向起刀点Z=60mm；X，Y向起刀点X=0；Y=0；工件顶面高H=50mm；Z向进刀深度15mm。

图4

用“CAX’A”微机编程软件编程的操作方法与步骤：

1．进入“CAXA”制造工程师（数控铣）

方法是用鼠标双击“CAXA制造工程师”图标后，出现图2-3的界面。或单击图标后再点击右键，点击“打开”，由于是网络版软件需要等一会才能出现图2-3界面。

2．作直线“AB”方法

从菜单中在工具条里点下直线图标按钮  。

在屏幕左边的状态树上方出现直线的无模式菜单，如图2-4。

选择默认的“两点线”方式，此时在屏幕左下方的状态条提示：  ，要求输入直线的第一点坐标。按回车（ENTER）键，在屏幕绘图区出现坐标输入条，输入坐标（30，60）并按回车键确认。如图2-5所示。

状态条提示：  ，要求输入直线的第二点坐标。和输入第一点的方法相同，按“回车（ENTER）”键，在坐标输入条中输入第二点坐标（40，80）并回车确认，（注：如Z为零可不输入），作出了一条“AB”直线，按鼠标右键结束。

3．用“两点，半径”的方法作圆弧“BC”

方法：在工具条中点下圆弧圆  按钮，无模式菜单为默认的“三点圆弧”方式。点击选择  在菜单中选取    ，这时看屏幕左下角提示第  ，按空格键弹出工具点菜单，在图2-6中选择“端点”为圆弧起点，用鼠标点击圆弧的起点位置即线段的终点位置，这时状态条提出  ，按空格键弹出工具点菜单选择“缺点点”，键入第二点（65，55）坐标值后按回车键确认，这时状态条提示   ，移动鼠标调整半径到合适大小，键入半径值25，回车确认。

4．继续作其他直线和圆弧

用类似方法可作出其余的直张和圆弧，完成整个封闭图形后，点击鼠标右键结束。

5．平移。放大。修整图形

点击刷新按  刷新，按下平移按钮  ，用鼠标左键点击图形，按住左键将图形移动至屏幕中心。按下动态放大按钮  ，点击图形按住鼠标左键移动鼠标，将图形放大到适当尺寸。如果有一笔画错可点击工具栏中  ，  回退。

6．作铣刀中心轨迹图

点  >选择  >选择

如图2-7。点击后弹出   如图2-8。

选择加工精度取0.1mm，进刀次数1，工件加工顶层高50mm，底层高45mm，每层下降高度5mm，拐角过渡“尖角”，走刀方式“单向”，轮廓补偿方式选“TO”。

选完后点击“切削用量”然后输入主轴转速，切削进给速度，起止高度60mm，安全高度55mm，如图2-9。

然后点击“进退刀参数”，出现进退刀参数表，如图2-10。

点击“强制”输入进刀点X=0，Y=0，Z=45。

选定后点击“铣刀参数”，出现铣刀参数表，如图2-11/

选择参数如上表。选完后点击“确定”确认。此时状态条提示：  ，点击第一笔所画轮廓线段中部，中部提示条出现  ，拾取箭头以确定走刀方向，再次拾取箭头，以确定铣刀在轮廓线的哪一侧面。此后，屏幕上出现绿色的刀具中心轨迹线。

7．在屏幕上进行轨迹仿真（模拟加工）

点击 >  >左提示条如图2-12。在图标  处，点击  在选择栏内选  ，看状态提示条：  点击左键拾取绿色刀具轨迹线，点击右键确认，产生动态平面仿真图形。按F8键产生空间立体图形，点击鼠标右键，问是否保存仿真结果？选  后，再点击右键。重新拾取刀具轨迹，重复上面步骤，最后产生动态立体仿真图形。

8．生成“ISO”代码方法

点取   系统提示：  同时弹出文件管理器对话框如图2-13。

用鼠标左键点取“文件输入名”下的文件输入框，输入文件名，注意文件的路径不要丢，然后按“保存”按钮。系统提示：   ，用鼠标左键拾取绿色刀具轨迹后按右键确认，系统立即生成该轨迹的“ISO”代码程序。（注意：图形中可能在尖角处有过渡圆弧）。

学生练习：将手工编程所用图形，按上面步骤进行仿真加工，然后在下面写出所生成的“ISO”代码程序，并在每条程序后面注解出其程序的含义。

已知加工参数如下：主轴转数300r/min：刀具进给速度200mm/min；刀具号T1；刀具半径R=5mm；刀具起刀点X=0，Y=0，Z=60mm；Z向进刀深度铣入工件5mm。

五、数控铣床操作方法

现在我们以装有西班牙FAGOR 8020MS系统的KM1730CNC-2B型号数控高速铣床为例，具体介绍其部分组成及操作方法。

1．机床面板的组成

如图5是该机床的显示面板，其组成如下：

 1）显示屏（SCREEN）功能：显示各种信息。

2）操作方式键（OPERATE MODE）

功能：按下该键，在显示屏上就立即显示出“操作方式表”，这是进入任何操作方式的第一步操作。

3）显示方式键（DISPLAY MODE）

功能：在显示屏上可显示所选择的操作方式中的各种信息。

4）前后移动键    ：

功能：利用此两键可使操作者看到编辑在前（与现正显示的比较）或在后的程序段；编辑在前或后的刀具表；此两键还用作游标前后移动。

5）删除键（DELETE）：

功能：用于删除一个程序或一个程序段；删除译码“M”功能表；清除图形显示。

6）输入键（ENTER）

功能：将数据输入到CNC存储器内。

7）检索键（RECALL）

功能：用于选取一个程序；程序中的一个程序段或与程序段相应的刀具表中的一组刀具。

8）下一步键（NEXT）

功能：按下该键，能在多种操作方式里使CNC进入相应的下一步操作。

9）消除键（CL）

功能：在编辑一个程序段中按下此键，可以逐个清除字符。

10）W键（W）

功能：软键盘选择或“W”，软键盘定义如下：

11）N键（N）

功能：用于存取一个程序中的程序段和识别子程序。

12）数字和字母键（7~N）

功能：用于编辑的键盘。

13）主轴速度修调键（SPEED）

功能：使已编入程序的主轴速度能按百分比修调。

14）手动方向键（或称手动运动的轴向键；或平动操作作键）

功能：用地手动操作时移动各轴。

15）倍率开关

功能：该开关用于选择各种不同的手动方向（连续、增量和平摇脉冲发生器），并可以对加工时的切削速度进行百分比修调。

16）循环启动键（绿色）

功能：启动循环按键。

17）循环停止键（红色）

功能：停止循环按键，当按此键后，CNC停止执行正在加工的那个程序段，但保持与机床同步，若要继续执行哪个程序段，则需要按启动循环按键。

18）“点”键

功能：用作为编程尺寸的小数点按键或条件程序段标志的按键。

19）复位键（RESET）

功能：用于使CNC回到初始条件或者是认可新的机器参数。

20）手动脉冲发生器（手轮）

功能：利用轮动手轮，手动调整各轴的坐标位置，常用来对刀。

21）急停按钮（EMERGENCY）

功能：用于发生紧急情况时，按下此钮，机床紧急停车，以避免事故发生。

22）主轴正转手动按钮（CW）

功能：用手动方法启动主轴使其正转。

23）主轴停止按钮（STOP）

功能：按下此钮，主轴立刻停止转动。

24）主轴反转手动按钮（CCW）

功能：按下此钮，主轴启动反转。

25）冷确液手动开关旋钮（COOLER OFF/ON）

功能：利用手动方法开启或关闭冷确液开关。

26）伺服机构电源开关

功能：钮转开关给伺服电机供电。

27）伺服机构电源指示灯

功能：通过指示灯来反映伺服机构供电情况。

28）总电源指示灯（POWER）

功能：通过指示灯反映，总电源是否供电。

29）报警指示灯（ALARM）

功能：当机器出现异常情况时，控制系统发出报警信号，此时指示灯亮，当故障解除后此灯熄灭。

2．机床的操作方式

共有十种不同操作方式。

1）方式0：自动方式（AUTOMATIC）

功能：CNC以连续循环方式执行零件程序。

2）方式1：单段方式（SINGLE BLOCK）

功能：CNC逐段地执行零件程序。

3）方式2：录返方式（PLAY BACK）

功能：CNC将操作者以手动方式操作机器的过程记录下来，并将此过程在CNC的零件存储器内建立一个新程序。

4）方式3：示教方式（TEACH IN）

有两种具体方式：

（1）建立和执行一段未曾存入存储器的程序段。

（2）建立和执行一个程序段并且将该程序段存入存储器。

因此用这种方法，可以在逐段执行的同时在存储器中创建一个新程序。

5）方式4：试运行（DRY RUN）

在实际加工中用于首件加工前检验程序。

6）方式5：手动/零点设备（JOG/ZERO SETTING）

有以下六种不同的具体方式：

（1）机床一般手动操作。

（2）回机床参考点。

（3）对各轴预置任何数值。

（4）输入和执行F、S、M。

（5）设置刀库的初始条件。

（6）手摇脉冲发生器的操作。

7）方式6：编辑（EDITING）

建立、修改、检查程序段、程序和子程序。

8）方式7：输入/输出（INPUT/OUTPUT）

将零件程序或机器参数由外部设备输入到MTC-3M，或者反之由MTC-3M向外部设备输出。

9）方式8：刀具偏置/G53~G59（599L OFFSET/G53~G59）

输入，修改和检查刀具尺寸（半径和长度），最多可达100组：G53~G59的零点位置。

10）方式9：特殊方式（SPECIAL MODES）

有五种具体用途：

（1）CNC的常规测试。

（2）输入口和输出口的校验。

（3）设置译码M功能。

（4）设置机器参数。

（5）螺距误差补偿值的输入。

借助上述十种操作方式，可以对MTC-3M进行零件编程并且连续运行，逐段加工和手动工作等方式加工工件。

获得各种不同操作方式的步骤如下：

（1）按“操作方式键”（OPERATE MODE）在屏幕上将显示由上述十种操作方式组成的操作方式表。

（2）按所需要的操作方式的编号。

3．机床的操作方法及步骤

1）合上总电源开关；扭开伺服电源开关，按下伺服电源按钮（绿色指示灯亮）。

2）按下“操作方式键”（OPERATE MODE），屏幕显示主菜单。

3）按“6”选编辑方式（EDITING）

4）按“NEXT”下一步。

进入编辑状态，屏幕上显示一原有程序，由于前三条程序全部一样可不输入。

按“CL”清除N10中的程序段号“10”，然后键入40，输入自己的第四条程序，每条程序输入完后应按“回车”（ENTER），直到全部程序输入完毕。

5）按“操作方式键”（OPERATE）

6）按“4”试运行（DRY RUN），再按“4”，后再按“NEXT”下一步，进入试运行状态。键入N10，按“检索”键（RECALL）

7）按“5”屏幕上显示（CETER）（中心）

输入工件中心尺寸，X方向按“70”后再按“回车”，Y方向按“50”后再按“回车”，Z方向按“0”后再按“回车”，之后显示WIDTH字样，输入140数码，按“回车”。

8）按“6”此时屏幕显示一坐标系。

再按“循环启动键”（绿色），屏幕上显示被加工零件的刀具轨迹图形。若显示的图形与所编图形一样，则可进行正式加工。若不一样则是程序有错，应进行修改：按“6”编辑，重复3）至8）的过程。

9）按“操作方式键”（OPERATE  MODE）

（1）          按“0”自动方式（AUTOMATIC）

（2）          按“循环启动键”（绿色）进行自动加工。

10）注意事项

（1）在“试运行”中发现错误后，必须对错误程序进行修改，绝对不能在有错误的情况下，进行任何方式的加工。

（2）加工零件时，在加工前应看铣刀位置是否在相应位置（XO，YO，ZO）。注意Z轴是否抬刀到零点。

（3）在加工过程中不许按任何键，以免出现急停现象，使刀位错乱。