车工技师培训教材第七章数控车床Word文档格式.docx
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床身采用筒形、封闭式结构。
床身导轨采用山形导轨和平面导轨的组合。
导轨向后倾斜，便于排屑。
（2）主轴箱主轴箱用底平面和侧平面定位，装在床身左端，并用螺钉紧固。
主轴部件由主轴、主轴支承和装在主轴上的齿轮组成主轴为中空的阶梯轴，前端采用短锥法兰式结构。
主轴部件采用两支承结构，前后支承都用角接触球轴承。
前支承三个一组，前两个大口朝外，后一个大口朝里，装配时预加载荷，消除间隙。
后支承两个一组，小口相对。
（3）十字溜板十字溜板由纵溜板（Z轴）和横溜板（X轴）纠成。
纵溜板的前、后侧装有压板。
横向溜板装在纵溜板的横向导轨上。
伺服电动机通过滚珠丝杠带动溜板移动。
横溜板上装有回转刀架。
（4）回转刀架回转刀架箱体内有换位的间隙运动机构、夹紧朴构及控制机构。
换位后由碟形弹簧迅速锁紧。
回转刀架可同时安装八把刀具，外圆加工刀具的刀杆尺寸为25mm×
25mm×
110mm；
安装内孔刀具时，先将该工位防护板卸下后再装上刀夹，然后将内孔刀具在刀夹孔内锁紧。
（5）尾座尾座装在床身的导轨上，可根据工件长度调整尾座位置并用螺钉紧固。
套筒的锥孔中可装后顶尖。
套筒的移动用液压控制。
3．传动系统TND360型数控车床的传动系统如图7-2所示。
图7-2TND360型数控车床传动系统图
（1）主运动电动机经齿形带传至主轴箱中的轴I，在轴I上装有双联滑移齿轮。
当轴I上的双联齿轮移到左端位置时，轴I的运动经齿轮副84∕60传给主轴（轴Ⅱ），使主轴实现高速旋转。
当轴I上的双联滑移齿轮移到右端位置时，轴I的运动经齿轮副29／86传给主轴（轴Ⅱ），使主轴实现低速旋转。
数控系统为了检测主轴的转速，将主轴的运动经齿轮副60∕60传给轴Ⅲ，在轴Ⅲ上装有一圆光栅编码器。
（2）进给运动进给运动有纵向进给运动和横向进给运动。
纵向进给运动由伺服电动机通过安全离合器直接驱动有予加载荷的滚珠丝杠，将旋转运动转变为十字溜板的纵向（Z向）运动。
横向进给运动，由伺服电动机经齿形带传动通过安全离合器驱动有予加载荷的滚珠丝杠，将旋转运动转变为十字溜板的横向（X向）运动。
（3）回转刀架的换刀运动换刀电动机（带制动器）经齿轮14／65、14／96传给凸轮一槽轮轴，由凸轮通过杠杆使刀盘轴产生伸出和退回运动，由槽轮轴通过马氏机构中的槽盘对刀盘进行分度，两者结合动作，刀盘轴伸出后进行分度，分度后刀盘轴退回，刀盘轴退回后依靠一对精密齿盘和碟形弹簧精密定位并锁紧。
数控系统为了检测刀盘上的工位，刀盘轴的分度运动经齿轮副60／60传给检测轴，在检测轴上装有一角度编码器。
4．液压系统液压系统分供油和控制两部分，液压原理图如图7-3所示。
图7-3TND360型数控车床液压原理图
（1）供油部分电动机使限压式变量叶片泵产生高压油经单向阀，由蓄能器消去压力波动、溢流阀控制系统的最高压力，经滤油器高压油进入各控制油路。
需要卸荷时，高压油经二位二通换向阀直接进入油箱。
（2）控制部分控制部分由工件夹紧（松开）油路、主轴变速汕路、尾座套筒工作位移及顶紧油路等组成。
主轴变速油路在高速级时，高压油经二位四通换向阀左位、节流阀（调节杠杆运动速度）进入液压缸的右腔，液压缸左腔的液压油经换向阀流回油箱，杠杆回收，高速级齿轮啮合，主轴实现高速旋转。
在低速级时，高压油经二位四通换向阀右位进入液压缸的左腔，液压缸右腔的液压油经节流阀、换向阀流回油箱，杠杆伸出，低速级齿轮啮合，主轴实现低速旋转。
工件夹紧（松开）油路当工件夹紧时，高压油经减压阀减压后，至二位四通换向阀左位，进人手动换向阀（变更高压油进入液压缸的腔体实现卡盘卡瓜正向夹紧和反向撑紧）到工件夹紧液压缸一腔，另一腔的液压油经两个换向阀回油箱。
其中在两个换向阀中间高压油路上有一压力继电器，这是数控系统对工件夹紧压力的监控。
当工件松开时，高压油经减压阀减压、二位四通换向阀右位、手动换向阀至液压缸一腔，另一腔液压油经两个换向阀回油箱。
尾座油路当尾座套筒前移时，三位四通换向阀处于左位，高压油经换向阀至单向减压阀减压后，又经节流阀（控制套筒移动速度）、液控单向阀（实现断电保压功能）至尾座套筒液压缸的右腔，活塞前移，左腔中的液压油经换向阀流回油箱，实现尾座套筒的前移及顶紧动作。
其中在液控单向阀和液压缸右腔中间有一压力继电器，这是数控系统对尾座套筒顶紧压力的监控。
当尾座套筒后退时，高压油经三位四通换向阀右位至套筒液压缸左腔，使套筒后退，右腔的液压油经液控单向阀、节流阀、单向减压阀的单向阀、换向阀回油箱。
当三位四通换向阀处于中间位置时，高压油断开，套筒处于停止状态。
在液压系统中有一个六点压力表开关，可根据需要检测各被控制部分的压力；
其对应点为：
M1为中心架压力、M2为备用、M3为液压系统工作压力（一般4.5～5MPa）、M4为空档、M5为工件夹紧压力、M6为尾座套筒顶紧压力。
第二节数控车床的基本工作原理
数控车床又称CNC（ComputerNumericalControl）车床，就是用电子计算机数字化指令控制车床各运动部件的动作，从而实现车床加工过程的自动化。
数控车床基本工作原理框图，如图7-4所示。
图7-4数控车床基本工作原理框图
加工程序可通过输入设备存储于数控装置（CNC计算机数字控制系统）内的存储器，在需要的时候也可将存储器内的加工程序通过输出设备把加工程序存储在外部存储介质上，以长期保存。
数控装置是数控车床的控制系统，它采集和控制着车床所有的运动状态和运动量。
数控装置是由中央处理单元（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、相应的总线和各种接口电路所构成的专用计算机。
车床数控装置都是轮廓控制系统，就是对刀具相对于工件运动的轨迹进行控制的系统，轨迹可以是任意直线或圆弧，所以可以加工复杂的工件。
在轮廓控制系统中，坐标轴运动轨迹是靠插补汁算得出的，所谓插补计算就是对加工程序段输入的工件轮廓上的某起始点和终点的坐标数据进行计算，将起始点与终点之间进行“数据密化”，并将密化数据送给各坐标轴位置控制器。
插补可分为直线插补和圆弧插补等，其插补示意图如图7-5所示。
设想工件轮廓（直线或圆弧）L可以细分成很多小线段△L1，△L2，……△Ln。
单位时间内所需进绐的细分小线段△L1是由横向（X轴）及纵向（Z轴）移动分量△X1、△Z1所合成的直线段代替，这样在单位时间内插补计算一次得出细分小线段△L在X轴及Z轴的移动分量△X、△Z。
所以工件的轮廓是由很多细分的小线段所逼近。
位置控制在闭环系统中也是很重要的，位置控制是把插补计算出的坐标轴位移量与反馈回来的实际位置比较，通过硬件或软件进行位置调整后向驱动装置输出实际需要的进给量。
a）
b）
图7-5插补示意图
a）直线插补b）圆弧插补
驱动装置接受数控装置输出的进给指令，严格按照指令驱动电动机转动，经滚珠驱动车床的溜板运动，加工出符合图样要求的工件，所以驱动装置的精度和动态响应是影响数控车床的加工精度、表面质量与生产效率的重要因素之一。
目前驱动装置的电动机有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。
在基本工作原理框图中根据测量装置的有无及位置可将数控系统分为开环系统、半闭环系统、全闭环系统。
三种系统的示意图如图7-6所示。
开环系统的结构比较简单、容易调试、造价低廉，所以精度不高，一般精度为0.01mm。
全闭环系统利用测量元件检测出溜板的实际位移量反馈给数控系统，所以其可得到很高的精度，但其造价较高、安装和调整较复杂、维护费用也较高，测量装置一般为光栅、磁尺等。
半闭环系统利用装在电动机上或丝杆上的测量旋转角度的测量元件获得反馈量，其测量元件比直线位移测量元件简单，所以其可得到较高的精度，成本比较适中，安装和调整也不困难，测量装置一般为光电脉冲编码器等。
车床的运动量是数控系统直接控制的，运动状态则是由数控系统内的可编程控制器PLC控制，各运动状态由动作的检测开关检测送至数控系统的接口，经PLC逻辑处理后输出控制信号，经放大后控制动作执行器件。
图7-6开环系统、半闭环系统、全闭环系统示意图
a）开环系统b）半闭环系统c）全闭环系统
第三节数控车床的编程及操作
在本节内所述内容均以TND360型数控车床（配FANUC0T系统）为基础。
一、数控车床的编程
1．编程的步骤
（1）分析零件图样分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坏形状和热处理要求等。
确定该零件是否适宜在数控车床上加工，加工该零件的哪些表面。
（2）确定工艺过程在分析零件图的基础上，确定零件的加工方法（如采用的工夹具、装夹定位方法等），加工路线（如对刀点、进给路线），切削用量（背吃刀量、进给量、切削速度）等工艺参数。
（3）数值计算根据零件图样和确定的工艺过程，算出编程所需的数据，如零件形状各几何尺寸的坐标数值等。
（4）编写程序单根据以上数据结合数控系统对输入信息的要求，按照加工过程逐步编写程序。
（5）校对程序及首件试加工将编写好的程序输入数控系统，校对输入无误后，在有图形模拟功能的系统上可通过图形模拟出刀具运动轨迹来校对编程是否正确，在刀具运动轨迹正确后，用单程序段功能运行程序对工件进行首件试加工，加工符合图样要求后即可进行批量生产。
2．数控车床的坐标系在数控车床上需要对刀具运动轨迹的数值进行准确控制，所以要对数控车床建立坐标系。
标准坐标系是右手直角笛卡尔坐标系，右手直角笛卡尔坐标系如图7-7所示，但车床只用到X、Z两坐标。
Z轴坐标是由传递切削动力的主轴所确定，平行于主轴轴线，一般Z轴的正方向为远离主轴的方向。
图7-7右手直角笛卡尔坐标系
X轴坐标是沿工件的径向且平行于横向导轨，一般X轴的正方向为远离工件旋转中心的方向。
数控车床上一般有二个坐标系零点：
机床坐标系零点、工件坐标系零点。
机床坐标系零点机床坐标系零点简称机床零点，机床零点是机床直角坐标系的原点，一般用符号“M”表示。
机床零点由机床制造厂所确定。
一般厂家设在主轴端面轴线上。
工件坐标系零点工件坐标系零点简称工件零点。
一般用符号“W”表示，工件零点由编程者确定，编程时根据编程方便原则确定，一般设在工件轴线上。
机床坐标系与工件坐标系两者之间的关系见图7-8所示。
3．程序的结构数控程序由程序号、程序段、程序结束符组成。
程序段由程序指令字、程序段结束符组成。
程序指令字通常是由地址符和地址后面的符号和数据字组成。
如X-12.342，X为地址符，-为符号，12.342为数据字。
地址符含义见表7-1。
图7-8机床坐标系与工件坐标系关系图
表7-1地址符含义表
功能
地址
含义
程序号
程序段号
O
N
程序的编号，在数控系统中是唯一的
程序段的编号，在程序中顺序编号且唯—
准备功能
G
用来定义几何形状和CNC的工作状态
坐标字
X、Z
U、W
I、K
R
C
绝对坐标值地址
相对坐标值地址
圆弧中心坐标值地址
圆弧半径地址，倒圆弧量
倒角量
进给功能
F
进给速度，螺纹螺距
主轴功能
S
主轴旋转速度
刀具功能
T
刀具选择更换及刀具补偿值的调用
辅助功能
M
机床侧的接通或断开控制的功能
程序段结束符为“；
”或“*”。
4．准备功能指令（G功能）准备功能用字母G后跟两位数字来编程，G功能也称G指令，一般在程序段的开头，用来定义几何形状和CNC的工作状态。
C功能见表7-2。
G功能代码分为一次有效G代码和模态G代码两种类型：
一次有效G代码指G代码仅在指定的程序段内有效。
如表中无模态组号的G代码。
表7-2G功能表
G功能代码
模态组
功能含义
G00
01
快速定位
G01
直线插补
G02
顺时针圆弧插补
G03
逆时针圆弧插补
G04
暂停
G10
刀具补偿值的输入、修改
G20
06
英制输入
G21
米制输入
G27
返回基准点检验
G28
返回基准点
G30
返回第二基准点
G32
螺纹切削
G40
*
07
取消刀尖圆弧补偿
G41
左边刀尖圆弧补偿
G42
右边刀尖圆弧补偿
G50
坐标系设定、主轴最高转速设定
G65
宏指令
G70
精加工循环
G71
外圆粗加工循环
G72
端面粗加工循环
G73
轮廓平行粗加工循环
G74
z轴方向钻削循环
G75
x轴方向切槽循环
G76
螺纹切削循环
G90
内外圆表面切削循环
G92
G94
端画切削循环
G96
02
主轴恒线速控制
G97
主轴恒转速控制
G98
05
每分钟进给控制
G99
每转进给控制
模态G代码指当该G代码被编程后，它一直维持有效，直至被同一模态组的其它C代码所取代。
如表中有模态组号的G代码。
当电源接通时每一个模态组内带有*号标记的G代码有效。
下面介绍一些常用的G功能：
（1）G00快速定位G00功能是以车床设定的最大运动速度定位到目标点，目标点由本程序段内的坐标字所确定。
其编写格式
G00X（U）Z（W）；
目标点的坐标值可以用绝对值，也可以用相对值，甚至可以混用。
如果起点与目标点有一个坐标值没有变化时，此坐标值可以省略。
例如需将刀具从起点S快速定位到目标点P，如图7-9所示，其编程方法见表7-3。
目标点编程在后面的编程中使用方法相同。
图7-9绝对、相对、混合编程实例
表7-3绝对、相对、混合编程方法表
绝对编程
G00X70Z40
相对编程
G00U40W-60
混合编程
G00U40Z40
G00X70W-60
（2）C01直线插补C01功能是以直线形式运动到目标点；
刀具沿直线运动的速度由程序中的F值所确定。
C01X（U）Z（W）F；
F值也是模态的，在没有新的F值被输入前F值一直保持不变，若在其后程序段内F值没有变化，F进给功能字可以省略。
例如刀具从起点S沿直线切削到目标点P，如图7-10所示，其编程方法如下：
图7-10直线切削实例
绝对编程：
G01X4.0Z2.01F20；
相对编程：
G01U2.0W-2.59F20；
c）
d）
图7-11圆弧方向的判别
a）顺时针b）逆时针c）顺时针d）逆时针
（3）CAE顺时针圆弧插补、G03逆时针圆弧插补G02、G03功能是以圆弧形式运动到目标点，G02的运动方向为顺时针，G03的运动方向为逆时针，顺时针、逆时针方向随坐标系的变化而变化，变化规律如图7-11所示。
圆弧的确定方法如图7-12所示。
图7-12a表示由圆心坐标I、K确定圆弧；
图7-12b表示由圆弧的半径R确定圆弧。
刀具沿圆弧的运动速度（即圆弧的切向速度）由程序中的F值所确定，F值的编程和G01直线插补相同。
G02顺时针圆弧插补、G03逆时针圆弧插补的编写格式
G02（G03）X（U）Z
（W）IKF；
（W）RF；
例如刀具从起点S沿圆弧切削到目标点P，如图7-13所示，其
图7-12圆弧的确定方法
a）由圆心确定b）由圆弧确定
图7-13圆弧切削实例
编程方法如下：
用圆心坐标I、K确定圆弧的编程：
G02X5.0Z3.0I2.5K0F20；
用圆弧的半径R确定圆弧的编程：
G02X5.0Z3.0R2.5F20；
（4）G32螺纹切削G32功能为螺纹切削加工，可以加工各种直螺纹、锥螺纹和端面螺纹。
1）当加工直螺纹时，直螺纹的螺距由F值所确定。
其编写格式：
G32Z（W）F；
例如（如图7-14所示）刀具从起点S加工直线螺纹，其编程方法如下：
图7-14直螺纹切削实例
G00U-6.2；
G32W-7.45F1.5；
G00U6.2；
W7.45；
U-6.4；
G00U6.4；
……
2）当加工端面螺纹时，端面螺纹的螺距由F值所确定。
G32X（U）F；
3）当加工锥螺纹时，锥螺纹的螺距在两个轴上的分量分别为Lx、Lz，F值为其中比较大的值。
G32X（U）Z（W）F；
（5）G04暂停G04暂停功能为执行完前一个程序段之后，经过设定的暂停时间后，继续执行下一个程序段。
G04X；
G04U；
G04P；
X、U、P地址字指定的暂停时间单位不一样，X、U地址字指定的时间单位为秒（s），P地址字指定的时间单位为毫秒（ms），不能带有小数点。
（6）G40取消刀尖圆弧补偿、G41左边刀尖圆弧补偿、G42右边刀尖圆弧补偿G40、G41、G42功能为定义刀尖圆弧补偿类型。
G40、G41、G42都是模态值。
具体指令介绍见刀具补偿功能。
（7）G50设定工件坐标系G50功能可实现工件坐标系的设定，工件坐标系根据工件坐标系零点确定，一般根据编程方便原则确定。
例如工件坐标系设定如图7-15所示，其工件坐标系确定方法如下：
G50XZ；
（8）G90内外圆表面切削循环G90功能为封闭的直线切削和锥形切削循环。
当为直线切削循环时，其循环示意图如图7-16所示，共包括4个步骤。
G90X（U）Z（W）F；
当为锥形切削循环时，其循环示意图如图7-17所示，共包括4个步骤。
G90X（U）Z（W）RF；
（9）G92螺纹切削循环G92功能为封闭的螺纹切削循环，可以加工直线螺纹和锥形螺纹。
当为直螺纹切削循环时，其循环示意图如图7-18所示，共包括4个步骤。
G92X（U）Z（W）F；
当为锥螺纹切削循环时，其循环示意图如图7-19所示，共包括4个步骤。
图7-15工件坐标系设定实例
图7-16直线切削循环示意图
图7-17锥形切削循环示意图
图7-18直螺纹切削循环示意图
图7-19锥螺纹切削循环示意图
G92X（U）Z（W）RF；
（10）G94端面循环G94功能为封闭的端面切削循环，可以加工端面和带锥度的端面。
当为端面切削循环时，其循环示意图如图7-20所示，共包括4个步骤。
G94X（U）Z（W）F；
当为带锥度的端面切削循环时，其循环示意图如图7-21所示，共包括4个步骤。
图7-20端面切削循环示意图
图7-21带锥度的端面切削循环示意图
C5）4X（U）Z（W）RF；
5．辅助功能指令辅助功能用字母M及后面两位数构成，辅助功能也称M功能。
对于不同的机床有可能部分M功能代码有所不同，需参考机床说明书。
M功能代码见表7-4。
表7-4M功能代码表
M功能代码
M00
五条件程序暂停
M01
有条件程序暂停
M02
程序结束
M03
主轴正转
M04
主轴反转
M05
主轴停止
M07
高压切削液开
M08
低压切削液开
M09
切削液关
M10
卡盘夹紧
M11
卡盘松开
M28
尾座套筒顶进
M29
尾座套筒退回
M30
程序结束并返回程序头
M40
主轴低速档
M41
主轴高速档
M98
子程序调用
M99
子程序结束
其中M00、M01、M02、M03、M04、M05、M30等为各种机床通用辅助功能。
下面逐个介绍一下辅助功能指令：
（1）M02程序结束M30程序结束并返回程序头M02或M30都是表示主程序的结束，程序自动运行至此后，程序运行停止，系统自动复位一次。
在现代数控车床内，使用M02或M30指令并无明显区别。
（2）M00无条件程序暂停、M01有
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