数控车床实习指导书.docx
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数控车床实习指导书
金属工艺学教学
数控车床实习指导书
编写：
朱振云赵娟
审核：
沈煜关毅
天津大学机械工程学院
2003年8月
第一章概述
随着工业生产和科学技术的日益发展，产品的种类越来越多，零件的形状越来越复杂，对加工质量的要求也越来越高，因而对设备提出了更多的要求，而通用机床自动化程度不高，基本上由人操作，难以提高生产率和保证产品质量，为了解决上述问题，缩短新产品的开发周期，解决复杂型面零件的加工自动化问题并保证产品质量产生了数控机床。
数控车床作为使用最广泛的一类数控机床，它主要用于加工多品种、中小批量、产品更新频繁和形状复杂的轴类、盘类、孔类、端面类等回转体零件。
1.1数控车床工作原理
数控车床的工作原理是，用代码化的数字信息将刀具移动的信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码、运算控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。
在数控车床上加工零件要经过以下几个阶段：
1.编程准备阶段分析待加工零件图纸，确定合理的加工工艺，包括加工的步骤、刀具的轨迹及切削参数（切深、转速、进给量），并准备好刀具和夹具。
2.编程阶段根据零件图纸和加工工艺，计算出编程所需数据，用机床数控系统能识别的指令编写数控加工程序。
程序就是对加工工艺过程的描述。
3.加工准备阶段包括程序的输入、装夹工件及对刀等。
4.加工阶段当执行程序时，机床系统将程序译码和运算，向机床伺服系统发出运动指令，以驱动机床的运动部件，自动完成对零件的加工。
数控车工作流程图1所示。
图1数控车床工作流程图
1.2数控车床的组成
数控车床大体上可分为数控系统和机床本体两大部分。
1.2.1数控系统
数控系统主要由输入输出装置、数控装置（CNC）、伺服单元、驱动装置、可编程控制器（PLC）、检测反馈装置及相应的软件组成。
1.输入输出装置输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成响应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内，主要有键盘、磁盘驱动器、光电阅读机等；输出装置（通常为显示器）的作用是为操作人员提供必要的信息。
2.数控装置数控装置是数控系统的核心，它将输入装置送来的脉冲信号进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，使其进行规定的、有序的动作。
3.伺服单元伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它接收来自数控装置的速度和位移指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度、方向和位移。
4.驱动装置驱动装置把经过放大的指令信号变为机械运动，通过机械连接部件驱动机床的遛板箱和刀架，使其精确定位或按规定的轨迹作严格的运动，加工出符合要求的零件。
驱动装置有步进电动机、伺服电动机等。
5.可编程控制器主要完成与逻辑运算有关的一些动作，而没有轨迹上的具体要求。
它接收CNC的控制代码如辅助功能、主轴转速、选刀及换刀等顺序动作信息，对顺序动作信息进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作。
它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往数控装置用于加工过程的控制。
6.检测反馈装置检测反馈装置用于检测机床的运动和定位误差，并传送给控制系统，使其修正偏差，从而提高加工精度。
目前国内外常用的数控系统主要FANUC、SIEMENS、大森、华中数控、PA等种类。
1.2.2机床本体
机床本体即数控车床的机械部件，包括主轴箱、进给机构、刀架、床身及冷却润滑装置等。
数控车床机械部件的组成与普通车床相似，但是，由于数控车床的高速度、高精度、大切削用量和连续加工的要求，其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。
1.主轴箱主轴箱是车床传递动力的装置，主轴电机的动力通过皮带、变速齿轮传递给主轴，驱动装夹在主轴头部的工件运转。
通常，主轴电机的转动经过齿轮变速后，可以得到多种输出转速。
2.进给机构进给机构用于实现刀具相对于工件位置的运动，它有横、纵两个方向的水平进给，横向进给机构通常又称为遛板箱。
两个进给运动通常采用交流伺服电机驱动滚珠丝杠的传动结构，可实现平面连续轨迹运动。
3.刀架刀架用于安装和支撑刀具，加工中可自动回转换刀，其转位迅速，定位精确。
4.尾架用于支撑较长零件或进行转、铰孔的加工。
5.床身床身起连接和支撑车床各部件的作用。
6.冷却润滑装置工件在进行加工时，会产生大量的热；而具有相对运动的部位，也存在摩擦力，因此需要有相应的装置为其提供冷却和润滑。
第二章CAK6150P数控车床简介
CAK6150P数控车床具有数控系统编程、设置的各种功能，不具备图形显示功能；其主轴结合变速手柄（位于主轴箱外），可得到3档共12种转速，同一档位内的4级转速可不停主轴转动自动升降；加工工件的最大直径为500mm，最大长度是800mm；刀架为前置型，最多可同时装夹4把刀具。
型号中各项的含义如下：
C——类代号（车床）
A——普通型
K——数控
61——组、系代号（卧式车床）
50——主参数（加工工件最大直径的1/10）
P——系统类型（大森数控系统）
2.1操作面板
CAK6150数控车床的布局如图2所示，操作面板位于主轴箱上方，其布局参见图3，主要包括NC操作面板和机床操作面板。
NC操作面板和机床操作面板的放大图如图4、5所示，NC操作面板和机床操作面板各键功能如附表及表1所示
图2CAK6150数控车床的布局图
图3操作面板图
图3中
1.数控装置显示器及NC操作面板6.数控装置电源停止按钮
2.进给速度倍率开关7.急停按钮
3.机床操作面板8.程序启动按钮
4.脉冲手轮9.程序停止按钮
5.数控装置电源起动按钮
图4NC操作面板放大图
图5机床操作面板放大图
表1NC操作面板功能键含义
序号
名称
功能
序号
名称
功能
1
PAGE
翻页
12
OUT
通过I/O输出数据
2
CURSOR
移动光标
13
VER
比较存储和传输的数据
3
ORG
坐标清零
14
IN
通过I/O输入数据
4
F1（ALM）
报警信息
15
ERS
删除
5
F2（DGN）
识别
16
INS
插入
6
F3（PRM）
参数
17
ALT
修改
7
F4（SET）
设置
18
RST
复位
8
F5（COM）
指令
19
NEXT
特殊目的和扩展功能
9
F6（PROG）
编辑
20
CAN
取消
10
F7（POS）
坐标
21
SHIFT
上档
11
F8（OFS）
偏置
22
WR
写入
2.2编程简介
2.2.1坐标系设定
1.进给方向设定
CAK6150数控车床横、纵两个方向的进给运动分别称为X向进给和Z向进给，纵（Z）向进给其方向与机床主轴平行，正方向指向机床尾架，横（X）向进给其方向与机床主轴垂直，正方向指向操作者，X、Z两坐标轴构成一个水平面。
2.加工坐标系设定
图6坐标系的设定示意图
车床加工工件，是用车刀来进行的，即用刀尖极其相临刀刃（随着进给的进行）切削掉相应的金属，因此，数控车床编程实际就是确定刀尖的位置和运动轨迹。
为了描述刀尖的位置和运动轨迹，必须首先建立一个加工坐标系，然后才能以刀尖运动轨迹中若干个点的坐标按一定的规则编写加工程序。
根据车削加工的特点，加工坐标系设定为，加工坐标系的两个轴与车床的X、Z两个进给方向分别平行，并响应地称为X坐标轴和Z坐标轴，坐标原点通常设在卡盘端面或工件端面等位置上。
值得注意的是，编程时X坐标采用直径编程，即X值是实际坐标值的2倍，刀具移动量只有编程中X坐标值的一半。
图6为加工坐标系设定示意图，图中坐标原点设在卡盘端面，A点是加工起点，R为机床原点。
2.2.2CAK6150数控车床ISO指令代码简介
ISO指令代码是国际上通用的数控机床操作使用的语言，它有基本相同的格式，只是用于不同系统时有微小差别。
CAK6150数控车床的ISO指令代码有辅助功能（M）代码、刀具选择功能（T）代码和准备功能（G）代码，与其它数控机床略有不同。
2.2.2.1辅助功能（M）代码
M代码用于设定辅助动作及状态，格式为
Mxx
x为数字，CAK6150数控车床各M代码的功能如表2所示。
表2M代码
序号
项目
功能
序号
项目
功能
1
M00
程序暂停
9
M40
主轴空档
2
M02
程序结束
10
M41
主轴1档
3
M03
主轴正转启动
11
M42
主轴2档
4
M04
主轴返转启动
12
M43
主轴3档
5
M05
主轴停转
13
M44
主轴4档
6
M08
冷却液开
14
M50
螺纹退尾角开
7
M09
冷却液关
15
M51
螺纹退尾角关
8
M30
程序结束并返回程序开始
16
M98
调用子程序
2.2.2.2刀具选择功能（T）代码
T代码用于设定刀具和刀具补偿，格式为
Txx##
xx两位为刀号，取值范围为01~04。
##两位为刀补单元号，取值范围为01~99，可以取00，表示撒消刀补。
刀号和刀补号可以随意组合，每个刀具都可以使用多组刀补单元。
例如：
选择第二把刀具，准备用第三个刀补单元对第二把刀具进行补偿，必须在程序的适当位置编写语句T0203。
2.2.2.3准备功能（G）代码
G代码用于设定刀具插补进给、定位等功能，格式为
GxxX（U）＿Z（W）＿（（I＿K＿）或（R））（F＿）
x为数字，为CAK6150数控车床各G代码的功能如表3所示。
表3G代码
序号
项目
功能
序号
项目
功能
1
G00
快速移动定位
10
G41
刀尖圆弧半径左补偿
2
G01
直线插补
11
G42
刀尖圆弧半径右补偿
3
G02
逆时针圆弧插补
12
G50
设定刀具起点
4
G03
顺时针圆弧插补
13
G70
精加工循环
5
G04
暂停
14
G71
外园粗车循环
6
G22
半径定义逆时针圆弧插补
15
G72
端面粗车循环
7
G23
半径定义顺时针圆弧插补
16
G73
封闭切削循环
8
G32
螺纹插补
17
G76
螺纹切削符合循环
9
G40
刀尖半径补偿取消
2.2.2.4几种常用G代码应用介绍
1.G50刀具起点设定
格式：
G50X＿Z＿
X、Z为坐标值。
应用此代码后，即确定了刀具起点到程序原点之间的距离，它是一个绝对坐标值。
加工时与从机床原点出发相比，生产效率提高了。
刀具起始点的坐标指的是基准刀具的刀尖位置。
对刀时要确保刀具在起点换刀时不与工件或机床其它部件发生碰撞。
图7为加工坐标系原点设定在不同位置时刀具起点设定的应用，分别表示为
G50X100.0Z100.0
G50X100.0Z10.0
图7G50刀具起点设定例图
2.G00快速定位
格式：
G00X（U）＿Z（W）＿
X、Z为终点坐标值，U、W为沿X、Z轴的相对移动量。
该代码的作用是使刀具以点位控制方式从刀具所在的位置快速移动到目标位置，无运动轨迹要求，不需特别规定进给速度。
应用实例参见图8。
G50X100.0Z50.0；或G50X100.0Z50.0；
G00X60.0Z10.0；G00U-40.0W-40.0；
…………………………
图8G00快速定位例图
3.G01直线插补
图9直线插补例图
格式：
G01X（U）＿Z（W）＿F＿
X、Z为直线终点坐标值，U、W为沿X、Z轴的相对移动量，F为进给量。
该代码用于使刀具沿X轴、Z轴或沿XZ平面内任意斜率的直线作直线运动，运动速度由F来确定。
例如图9所示，刀尖由B点到D点的移动。
……………
G00X50.0Z152.0；
G01Z50.0F0.3；BC
X60.0；CD
……………
注：
G01和F0.3持续有效。
4.G02、G03圆心定义圆弧插补
格式：
G02（G03）X（U）＿Z（W）＿I＿K＿F＿
如图10所示，G02、G03分别为逆圆和顺圆插补，X、Z为圆弧终点坐标值，U、W为沿X、Z轴的相对移动量，I、K为起点到圆弧中心沿X、Z轴的移动量，F为进给量。
该代码的作用是使刀具沿着指定半径圆弧运动，切出圆弧轮廓。
图10圆弧插补示意图
5.G22、G23半径定义圆弧插补
图11G02、G22圆弧插补例图图12螺纹插补例图
格式：
G22（G23）X（U）＿Z（W）＿R＿F＿
G22、G23分别为逆圆和顺圆插补，X、Z、U、W、F的意义及代码的作用同G02、G03项，R为圆弧的半径（参见图10），当R>0，用于加工圆心角小于180度的圆弧，当R<0，用于加工圆心角大于180度的圆弧。
图11为G02、G22圆弧插补举例。
G02X60.0Z10.0I30.0K-40.0F0.3
或G22X60.0Z10.0R50.0F0.3
6.G32螺纹插补
格式：
G32X（U）＿Z（W）＿F＿
X、Z、U及W的意义及代码的作用同G02、G03项，F为螺距。
该代码能够用于车削圆柱螺纹、圆锥螺纹、端面螺纹。
图12为车削圆柱螺纹的实例，图中，螺距F=2mm，S1=3mm，S2=3mm，刀尖由B点到D点的移动的程序代码如下
………………
G00X37.6Z103.0；
G32Z37.0F2.0；BC
G00X55.0；CD
………………
2.2.3CAK6150数控车床手工编程
与其他机床相同，数控车床的程序编制也有手工编程和自动编程两种方法。
下面我们介绍CAK6150数控车床手工编程的方法。
2.2.3.1编程规则
在CAK6150数控车床上使用ISO代码进行编程，须遵守以下规则：
1.程序必须有程序号，程序号作为程序的标志需要预先设定，其格式为
Oxxxx
xxxx为数字，在系统中最多可以登记99个程序号。
2.为了区分和识别程序段，可以在程序段前面加上顺序号，格式为
Nxx
xx为数字，顺序号只是每个程序块的代码参考，机床处理的顺序和含义不受影响，所以，可以是连续的，不连续的，也可以不使用顺序号，但若查询顺序号时，必须确认顺序号在前面已定义。
3.每一程序行必须以“；”号结束。
4.一个完整的程序要以一个程序号开始，并以主程序后面的M30结束。
5.刀具移动的最小单位是0.00lmm，程序中数字单位以小数点界定，有小数点时，其左边第一位为mm；无小数点时，个位为μm，如程序中X50.0表示X=50mm，X50表示X=0.050mm。
2.2.3.2加工程序举例
O0007号程序为图13零件的精加工程序
O0007；7号程序
N10G50X200.0Z50.0；设定刀具起点
N20M41；主轴一级转速
N30M03；正转启动
N40T0102；1号刀具用二号刀补
N50G00X36.0Z2.0；刀具快速移动
N60G01Z-10.0F0.1；车削φ36x10外圆，进给量每转0.1mm
N65X33.0Z-30.0；车削φ36x10外圆的相邻锥面
N66W-10.0；车削φ33x10外圆
N70G02W-20.0I16.0K-10.0F0.1；逆时针车削圆弧
N80G01W-5.0；车削φ33x5外圆
N85X36.0W-5.0；车削φ33x5外圆的相邻锥面
N90G00X200.0Z50.0T0100；刀具快速移动回起点，并取消刀补
N95M05；主轴停止转动
N99M30；程序结束且返回开头
图13程序举例图
2.3机床操作
2.3.1刀具起点设定方法
在程序中编入G50指令（参见图6），其刀具起点设定步骤为
1.选定基准刀具（如1#刀）。
按POS键进入“选择位置”界面。
2.将主轴开启，用脉冲手轮移动1#刀具使刀尖与工件端面接触（切削），然后沿着X轴正向离开工件，依次按Z和ORG键将Z坐标当前值清零。
3.用脉冲手轮移动1#刀具车削外圆，然后沿Z方向离开工件。
依次按X和ORG键将X坐标清零，将主轴停止后测量外圆直径D。
4.手动移动刀架，直到位置数值显示为：
U=Xa-D，W=Za-L。
2.3.2程序传输步骤
1.程序输入
1）按机床操作面板上的“编辑方式”键；
2）按F6（编辑）键，这时屏幕左上方显示“程序编辑”；
3）从面板输入程序号（Oxxxx），按WR（写入）键；
4）输入具体程序，按INS（插入）键；
5）若程序需要修改，按∧及∨（光标）键将光标移到待修改位置，按ERS（删除）键或ALT（替换）键进行修改。
2.程序调出
1）选择机床操作面板上的“编辑方式”功能；
2）按F6键，屏幕左上方显示“程序编辑”，输入程序号，按∧及∨键查找。
3.通过接口由外部设备输入程序
1）按（编辑方式）键；
2）按F6键出现程序编号表；
3）按RESET键；
4）按IN键，然后屏幕下方出现“IN”。
程序输入完成后“IN”从屏幕下方消失。
4.通过接口输出程序至外部设备
1）按“编辑方式”键；
2）按F6键出现“程序编辑”；
3）确认并检测外部设备接收是否准备好；
4）按RESET键；
5）按O键并键入程序号；
6）按OUT键。
在输出程序期间，屏幕下方“OUT”不断闪动。
2.3.3加工操作步骤
1.开机合上机床侧面电闸，按绿色“开机”按钮两次（屏幕右下方应显示LSK、RDY）。
如屏幕右下方显示LSKALM（机床报警），需检查红色“急停”按钮是否弹起，按红色RST（复位）键，按绿色开机按钮。
2.检查机床控制面板各按键状态是否正常。
3.输入或调出程序（见2.3.2小节）。
4.检查程序输入是否正确。
5.检查程序格式依次按“运行”键、机床“锁住”键、“空运行”键、“程序启动”按钮空运行程序；如有报警，按RST键复位，切换到编辑状态检查程序，修改程序后切换到运行程序状态，再次空运行程序。
6.设定刀具起点（见2.3.1小节）。
7.空走刀运行用脉冲手轮使刀具远离工件，依次按“运行”键、“单步执行”键、“程序启动”按钮；密切观察机床运行状态及坐标位置，如有事故征兆，及时按黄色“程序停止”按钮或“急停”按钮。
8.正式加工将刀具起点调整到正确位置，执行步骤7。
9.关机按红色关机按钮，并将电闸拉下。
2.3.4数控车床安全操作规程
1.严格按照正常顺序开启机床，检查油镜打油是否到位，操作面板功能键是否正常。
2.操作前应确定各按钮功能。
3.加工前，仔细核对输入程序内容，并进行空运行。
4.如有多人共同操作机床，应相互协调，不要随便操作。
5.加工过程中，不要随便打开机床安全防护门。
6.主轴旋转时严禁搬动变速手柄。
7.变速手柄空挡位置时不得启动主轴。
8.任何物品不要放在床头箱、刀架及相关位置上。
9.机床使用后，应及时清理机床及周围环境。
10.应定期维护和保养机床。
附注
一、实习注意事项
1.实习前必须仔细阅读实习指导书。
2.认真完成指定图形的程序编制作业。
3.未经教学指导人员允许，不得擅自开动机床也不得随意扳动任何手柄与开关。
4.认真观察加工中产生的各种现象，注意分析影响工件尺寸、精度与表面粗糙度的各种因素。
5.认真填写实习报告，按时交送教师审阅。
二、实习目的要求
1.了解数控车床的加工原理、特点和使用范围。
2.掌握数控车床的基本编程方法。
3.能够独立完成一个零件加工。
三、实习内容
1.学习数控车床控制系统及加工程序的编制方法。
2.编制如图14零件的加工程序。
3.熟悉编程和机床操作面板各功能键的使用。
4.输入零件加工程序，进行切削加工。
四、思考题
1.数控车床是通过什么办法代替人工操作完成零件加工的?
它与普通车床相比有哪些优越性?
有哪些特点?
2.下述那些情况适合采用数控车床来加工?
试说明理由。
①大量生产②中小批量生产③单件修配④新产品试
最后，希望我们的实习，能够给同学们一个新的启示，请多提宝贵意见。
（a）（b）
图14编程练习零件图
附表机床操作面板各键功能
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