数控加工与编程一体化教程教学指南与复习题答案.docx
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数控加工与编程一体化教程教学指南与复习题答案
《数控加工与编程一体化教程》教学指南
一、课程的性质与任务
《数控加工与编程》是高等职业技术院校机械类专业的核心教学与训练课程，是一门实践性很强的集理论实践一体化的主干课程。
本课程的主要任务是通过理论实践一体化教学模式，使学生掌握数控车床、数控铣床和加工中心的基本操作方法和编程方法，掌握数控加工的基本工艺知识，学会一至两种典型数控系统的手工编程技术，具有数控车床、数控铣床和加工中心的基本操作和加工能力。
二、预备知识
在学习本课程之前，最好已经学习了以下课程：
（1）机械制图
（2）机械加工基础知识
三、教学提要
各章重点难点、课堂容和教学要求如下：
第1章数控机床基础
1、重点和难点
⑴重点容
本章的重点容是数控机床的分类及其加工特点。
⑵难点容
本章的难点容是数控机床的基本组成，数控机床的工作原理，数控机床安全操作规程与日常维护知识。
2、课堂容和教学要求
了解数控技术发展的历史沿革，熟悉数控机床安全操作规程与日常维护知识，掌握数控机床的分类和加工特点，理解数控机床的基本组成及工作原理。
第2章数控加工与编程基础
1、重点和难点
⑴重点容
本章的重点容是数控加工程序编制的基础知识、数控加工工艺基础知识、常用编程指令介绍和轮廓编程。
⑵难点容
本章的难点容是机床坐标系、加工坐标系的设定和轮廓编程方法的具体应用。
2、课堂容和教学要求
掌握数控加工程序编制的概念和方法，理解机床坐标系、编程坐标系和加工坐标系的设置方法，掌握数控加工工艺的基础知识和常用编程指令应用的方法，具有轮廓编程的能力。
第3章数控车床编程与操作
1、重点和难点
⑴重点容
本章的重点容是数控车床主要功能与分类、数控车削加工工艺分析、数控车床的基本操作方法和常见数控车削类零件的编程与加工方法。
⑵难点容
本章的难点容是数控车床的对刀方法、螺纹加工以及综合加工实训。
2、课堂容和教学要求
了解数控车床主要功能与数控车削加工工艺，掌握数控车床的基本操作方法和手工编程基本方法，具有常见数控车削类零件的编程与加工能力。
第4章数控铣床编制与操作
1、重点和难点
⑴重点容
本章的重点容是如何应用数控铣床各种编程指令和固定循环功能，熟练掌握数控系统、数控铣床操作面板及其各个按钮的功能和操作使用，掌握手工编制加工程序的基本方法技巧及其加工调试。
⑵难点容
本章的难点容是数控铣床加工编程的技巧和灵活运用。
2、课堂容和教学要求
了解、掌握和正确使用数控系统操作面板、数控铣床操作面板及其各个按钮的操作使用；能够进行“回零”、“手动”、“点动”、“步进”、“连续自动”、“单段自动”等操作，以及进行简单程序的校验和仿真加工练习。
熟练掌握基本加工指令、刀具补偿功能指令和固定循环指令等，熟练地使用上述指令编制出中等复杂零件的数控加工程序并进行加工调试。
第5章加工中心编程与操作
1、重点和难点
⑴重点容
本章的重点容是加工中心的主要功能、加工工艺、基本操作方法、刀具长度补偿和常见箱体类零件的编程与加工方法。
⑵难点容
本章的难点容是加工中心的基本操作方法和刀具长度补偿的设置。
2、课堂容和教学要求
了解加工中心主要功能与加工工艺，掌握加工中心的基本操作方法和掌握刀具长度补偿量设置方法，具有采用加工中心加工零件的基本编程与加工能力。
第6章宏程序指令编程
1、重点和难点
⑴重点容
本章的重点容是B类宏程序指令的基本知识，数控车床宏程序指令编程的基本方法。
⑵难点容
本章的难点容是宏程序指令编程的基本方法应用。
2、课堂容和教学要求
理解B类宏程序指令的基本知识，掌握数控铣床（加工中心）宏程序指令编程的基本方法和数控车床宏程序指令编程的基本方法。
第7章数控机床程序传输
1、重点和难点
⑴重点容
本章的重点容是数控铣床程序传输设置和数控铣床（加工中心）程序传输加工实训。
⑵难点容
本章的难点容是数控铣床程序传输设置方法。
2、课堂容和教学要求
了解计算机与数控铣床（加工中心）建立通讯的原理和方法，掌握数控铣床（加工中心）程序传输的参数设置方法，掌握通过程序进行数控铣床（加工中心）加工零件的方法。
四、教学建议
1.教学时间分配
本教材教学学时为76学时，使用时可根据具体情况删减部分容。
具体学时分配建议如下：
章节
容
学时
第1章
数控机床基础
2
第2章
数控加工与编程基础
12
第3章
数控车床编程与操作
20
第4章
数控铣床编程与操作
26
第5章
加工中心编程与操作
6
第6章
宏程序指令编程
6
第7章
数控机床程序传输
4
合计
76
2.附录
教学参考书：
1发那科机电.FANUC-0iMateTC操作说明书.：
发那科机电
2发那科机电.BEIJING-FANUC0i-MB操作说明书.：
发那科机电
3SIEMENS公司.SINUMERIK802D操作编程——铣床.SIEMENS公司，2002
练习题参考答案
第1章数控机床基础
1、CNC系统与NC系统相比其优点有哪些？
CNC系统与NC系统相比其优点有：
（1）柔性好。
NC数控的控制功能是靠硬件电路来实现的。
若要改变系统的加工控制功能，必须重新布线。
CNC数控可以通过软件的编制灵活地改变或增加数控系统的功能，具有较大的灵活性。
（2）功能强。
CNC数控利用了计算机的高度计算处理能力，实现许多复杂的数控功能，如二次曲线插补运算、多轴联动、固定循环加工、坐标偏移、图形显示、刀具补偿等，使刀具在三维空间中能实现任意轨迹，完成复杂形面的加工过程。
NC数控只能进行简单的直线、圆弧插补计算，完成直线、圆弧的加工。
（3）通用性好。
CNC数控可以编制不同的软件来满足各种机床的不同加工要求，这样可以用同一种CNC控制装置满足多种数控机床的要求，体现出了较强的通用性。
而NC数控机床的功能和种类不同，NC数控装置就不同，不能通用。
（4）可靠性高。
NC数控的零件程序是在加工过程中分段读入、分段加工的，频繁启动光电阅读机会产生故障，引起零件程序错误，这是NC装置可靠性不高的主要原因。
CNC数控可使用磁带、软盘等输入装置，将零件加工程序一次输入存储器，避免了在加工过程中频繁开启光电阅读机造成的差错，提高了可靠性。
CNC数控还易于设立各种诊断程序，能进行故障预检和自动查找，便于维修和减少停机时间。
（5）易于实现机电一体化。
CNC数控采用大规模集成电路和先进的印刷排版技术，采用数块印刷电路板即可构成整个控制系统，使其硬件结构尺寸大大缩小，可以与机床结合在一起，减少占地面积，实现机电一体化。
2、数控机床的分类方法有哪些？
数控机床的种类繁多，根据数控机床的功能和组成的不同，可以从多种角度来对数控机床进行分类：
1、按运动的轨迹分类
（1）点位控制数控机床
（2）直线控制数控机床
（3）轮廓控制数控机床
2、按伺服控制系统分类
（1）开环伺服系统数控机床
（2）闭环伺服系统数控机床
（3）半闭环伺服系统数控机床
3、按功能水平分类
通常把数控系统分为低、中、高三类
4、按工艺方法分类
数控机床按不同工艺用途分类有数控的车床、铣床、磨床与齿轮加工机床等。
在数控金属成型机床中，有数控的冲压机、弯管机、裁剪机等。
在特种加工机床中有数控的电火花切割机、火焰切割机、点焊机、激光加工机等。
近年来在非加工设备中也大量采用数控技术，如数控测量机、自动绘图机、装配机、工业机器人等。
3、数控机床主要包括哪几部分？
简述个部分的作用。
数控机床由信息输入、数控装置、伺服驱动及检测装置、机床本体、机电接口等五大部分组成。
（1）信息输入
信息输入是将加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送到数控装置，输人方式有穿孔纸带、磁盘、键盘（MDI）、手摇脉冲发生器等。
目前较多采用磁盘输入，纸带是一种比较传统的输入方式。
也可以通过上位机通信接口输入。
（2）数控装置
数控装置是一种专用计算机，一般由中央处理单元（CPU）、存储器、总线和输入输出接口等构成。
为了完成各种形状的零件加工，该部分必须具备多种主要功能，如多轴联动、多坐标控制功能、多种函数插补功能、刀具补偿功能、故障诊断功能、通信和联网功能等等。
数控装置是整个数控机床数控系统的核心，决定了机床数控系统功能的强弱。
（3）伺服驱动及检测装置
伺服驱动及检测反馈是数控机床的关键部分，它影响数控机床的动态特性和轮廓加工精度。
伺服驱动部分接受计算机运算处理后分配来的信号，经过调节、转换、放大以后去驱动伺服电机，带动机床的执行部件运动，并且随时检测伺服电机或工作台的实际运动情况，进行严格的速度和位置反馈控制。
在伺服系统中包括安装在伺服电机上的速度、位置检测元件及相应电路，该部分能及时将信息反馈回来，构成闭环控制。
（4）机床本体
机床本体包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和其他相关的底座、立柱、刀架、工作台等基础部件。
数控机床是一种高精度、高效率和高度自动化机床，要求机床的机械结构应具有较高的精度和刚度，精度保持性要好，主运动、进给运动部件运动精度要高。
机床的进给传动系统一般均采用精密滚珠丝杠、精密滚动导轨副、摩擦特性良好的滑动（贴塑）导轨副，以保证进给系统的灵敏和精确。
可以说高精度、高刚度的机床本体结构是保证数控机床高效、高精度、高度自动化加工的基础。
（5）机电接口
数控机床除了实现加工零件轮廓轨迹的数字控制外，还有许多功能由可编程控制器（简称PLC）来完成的逻辑顺序控制。
如自动换刀，冷却液开、关，离合器的开、合，电磁铁的通、断，电磁阀的开、闭等等。
这些逻辑开关量的动力来源是由强电线路提供的，必须经过接口电路。
4、简述数控加工的特点。
数控加工具有如下的特点：
（1）、自动化程度高
（2）、具有加工复杂形状零件的能力
（3）、生产准备周期短
（4）、加工精度高、质量稳定
（5）、生产效率高
（6）、易于建立计算机通信网络
5、简述数控机床安全操作规程的容。
为保证操作人员准确合理地使用数控机床，保证数控机床的正确运转，必须严格遵守操作规程，数控机床的操作规程一般如下：
（1）操作者必须熟悉机床的性能、结构、传动原理以及控制，严禁超性能使用。
（2）操作机床前必须紧束服装，戴好工作帽，检查机床有无异常情况，工作时严禁戴手套。
（3）工作台不得放置工具或其它无关物件，注意不要使刀具与工作台撞击。
机床通电启动后，先进行机械回零操作，低速运行3～5min，查看各部分运转是否正常。
（4）加工工件前，必须进行加工模拟或试运行，严格检查调整加工原点、刀具参数、加工参数、运动轨迹。
并且要将工件清理干净，特别注意工件是否装夹牢靠，调节工具是否已经移开。
（5）确认操作面板上进给轴的速度及其倍率开关状态，切削加工要在各轴与主轴的扭矩和功率围使用。
（6）装卸及测量工件时，把刀具移到安全位置，主轴停转。
（7）主轴旋转切削过程中不能用手去除铁屑或触摸工件，消除铁屑时应用刷子，不能用嘴去吹或用棉纱擦。
（8）工作中发生不正常现象或故障时，应立即停机排除，或通知维修人员检修。
（9）工作完毕后，应及时清扫机床，并将机床恢复到原始状态，各开关、手柄放于非工作位置上，切断电源，认真执行好交接班制度。
第2章数控加工与编程基础
1、数控程序的编制主要包括哪些步骤？
数控程序的编制主要包括如下几个步骤：
（1）分析零件图纸。
要分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坯形状和热处理要求等，以便确定该零件是否适宜在数控机床上加工，或适宜在哪类数控机床上加工。
有时还要确定在某台数控机床上加工该零件的哪些工序或哪几个表面。
（2）确定工艺过程。
确定零件的加工方法（如采用的工夹具、装夹定位方法等）和加工路线（如对刀点、走刀路线），并确定加工用量等工艺参数（如切削进给速度、主轴转速、切削宽度和深度等）。
（3）数值计算。
根据零件图纸和确定的加工路线，算出数控机床所需输入数据，如零件轮廓相邻几何元素的交点和切点，用直线或圆弧逼近零件轮廓时相邻几何元素的交点和切点等的计算。
（4）编写程序。
根据加工路线计算出的数据和已确定的加工用量，结合数控系统的程序段格式编写零件加工程序。
（5）程序调试和检验。
可通过模拟软件来模拟实际加工过程，或将程序送到机床数控装置后进行空运行，或通过首件加工等多种方式来检验所编制出的程序，发现错误则应及时修正，一直到程序能正确执行为止。
2、数控加工程序的编制方法有哪些？
它们分别适用于什么场合？
数控加工程序的编制方法主要有两种：
手工编制程序和自动编制程序。
一般对点位加工或几何形状不太复杂的零件，所需的加工程序不长，计算比较简单，用手工编程比较合适。
对于形状复杂或轮廓不是由直线、圆弧组成的非圆曲线零件；或者是空间曲面零件即使由简单几何元素组成，但程序量很大，计算相当繁琐，手工编程困难且易出错，则必须采用自动编程的方法。
3、试标出题图2－29中各机床的坐标系。
图2－29题3图
（答题略）
4、数控车床、数控铣床的机械原点和参考点之间的关系各如何？
在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处，通过设置参数的方法也可将机床原点设定在X、Z轴的正方向极限位置上。
机床参考点一般设在X、Z轴的正方向极限位置上。
通常在数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的，一般设在X、Y、Z轴的正方向极限位置上。
5、数控加工的工序可有哪几种划分方法？
常见的数控加工工序划分的方法有以下几种：
（1）按安装次数划分工序
（2）按加工部位划分工序
（3）按所用刀具划分工序
（4）按粗、精加工划分工序
6、确定走刀路线时应考虑哪些问题？
确定走刀路线时应考虑以下问题：
（1）尽量缩短加工路线，减少空刀时间以提高加工效率。
（2）加工方式、路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度。
（3）选择好刀具的切入和切出方向。
（4）选择使工件在加工后变形小的路线。
（5）能够使数值计算简单，程序段数量少，简化程序，减少编程工作量。
7、什么叫模态指令和非模态指令？
请举例说明。
地址可变程序段格式中，在上一程序段中写明的、本程序段里又不变化的那些字仍然有效，可以不再重写。
这种功能字称之为续效字，也称为模态指令。
反之，为非模态指令。
模态指令如：
G00、G01、G02、G03等。
非模态指令如：
G27、G04、G71、G72等。
8、什么叫基点？
什么叫节点？
构成零件轮廓的各几何要素之间的交点或切点称为基点，如两条直线的交点、直线与圆弧的交点或切点等。
如果工件轮廓是非圆曲线，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交点称为节点。
9、计算如图2－30所示零件的编程尺寸，并确定编程原点，计算各基点坐标。
图2－30题9图
编程原点如图所示，各基点坐标X（直径尺寸）、Z坐标为：
A（30，0），B（30，-20），C（56，-20），D（56，-70），E（70，-70），F（70，-100），G（100，-100），H（100，-140）
10、编写如图2－31所示零件的轮廓加工轨迹程序。
（a）
（b）
图2－31题10图
图2－31（a）轮廓加工轨迹编程如下：
N10G54G90G17；
N20M03S1000；
N30G00X0Y0；
N35Z5；
N40G01X-44Y-50F150；
N45Z-5；
N50Y-6；
N60G03X-44Y6R12；
N70G01Y32；
N80G02X-32Y44R12；
N90G01X-6；
N100G03X6Y44R12；
N110G01X32；
N120G02X44Y32R12；
N130G01Y6；
N140G03X44Y-6R12；
N150G01Y-32；
N160G02X32Y-44R12；
N170G01X6；
N180G03X-6Y-44R12；
N190G01X-32；
N200G02X-44Y-32R12；
N210G00Z100；
N220M30；
图2－31（b）轮廓加工轨迹编程如下：
N10T0101；
N20G00X100Z100；
N30M03S800；
N40M08；
N50G00X0Z0；
N60G03X30Z-15R15F0.1；
N70G01Z-30；
N80X44-50；
N90Z-72；
N100G00X100；
N110Z100；
N120M05；
N130M09；
N140M30；
第3章数控车床编程与操作
1、数控车床的类型有哪些？
数控车床按其数控系统的功能分为简易数控车床、经济型数控车床、多功能数控车床和车削中心等，数控车床按主轴的配置形式分为卧式数控车床和立式数控车床。
2、数控车床的F功能和S功能各有哪些表示方法？
F功能：
（1）在G99码状态下，F后面的数值表示的是主轴每转一圈刀具的切削进给量。
例如：
G99F0.5；表示进给量为0.5mm/r
（2）在G98码状态下，表示刀具每分钟的切削进给量。
例如：
G98F150；表示进给量为150mm/min
S功能：
（1）主轴的最高转速限制（G50）
编程格式：
G50S～；
例如：
G50S2000表示最高转速为2000r/min
（2）恒线速度控制（G96）
指令格式：
G96S～；
例如：
G96S120；表示控制主轴转速，使切削点的线速度始终保持在120m/min。
由线速度v可求得主轴转速如下：
n=1000υ/（πd）
式中υ表示：
线速度（m/min）
d表示：
切削点的直径（mm）
n表示：
主轴的转速（r/min）
（3）恒线速度取消（G97）
编程格式：
G97S～；
例如：
G97S1000；表示主轴的转速为1000r/min
3、试分析数控车床试切对刀法的对刀过程。
试切对刀法主要对刀过程如下：
数控车床开机，回参考点。
工件装夹在三爪卡盘上，刀具安装在立式转塔刀架上。
采用试切对刀法建立加工坐标系的方法主要有：
（1）采用设置各刀具相对于机床原点偏置值的对刀方法；
（2）采用G50设定加工坐标系的对刀方法；
（3）采用G54～G59设定加工坐标系的对刀方法。
主要步骤如下：
（1）用1号基准刀具手动沿工件端面切削，Z轴不动，端面切削后把刀具沿+X轴移开到工件外，完成Z方向对刀。
（2）试切外圆，X方向对刀。
（3）2号刀对刀。
（4）其它刀具对刀。
4、简述刀尖圆弧半径补偿的作用？
在编程时，通常将车刀刀尖作为一点考虑（即假想刀尖位置），但实际上刀尖部分通常是带有圆角的，我们编程时所指定的刀具轨迹就是假想刀尖的轨迹。
在实际当中，以假想刀尖编程在加工端面、外径、径等与轴线平行或垂直的表面时，是不会产生误差的。
但在进行倒角、斜面、圆弧面切削时就会产生欠切或过切，造成零件加工精度误差，刀尖圆弧半径补偿可以对带有圆角刀尖的车刀所产生的加工精度误差进行补偿。
5、试分析前置刀架的数控车床和后置刀架的数控车床刀尖圆弧半径方法有何异同点？
前置刀架的数控车床和后置刀架的数控车床对同一轮廓的刀尖圆弧半径左补偿、右补偿判断方法和刀尖圆弧位置编码是不同的，但前置刀架的加工工件轮廓编程可以采用以下方法：
X轴正方向改为向上，用刀具路径轨迹关于工件轴线的对称轨迹编程，即相当于采用后置刀架的编程坐标系和加工轨迹，编程结果是一样的。
6、说明设置假设刀尖点位置编码的方法。
假设刀尖点位置编码如图所示：
7、简述圆锥切削循环指令中R的指定方法。
单一锥面切削循环：
R为圆锥面起始点半径减去终点半径的差值，有正负号。
锥面端面切削循环：
R为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R为负，反之为正。
8、试用复合螺纹切削循环指令编写加工普通粗牙螺纹M36×3的程序。
G76P10160Q80R0.1；
G76X34.14Z-30R0P930Q350F3;
9、简述G71、G72和G73指令的应用场合有何不同？
Ｇ７１适于车削轮廓符合X轴、Z轴方向同时单调增大或单调减少的长轴类零件，Ｇ７２适于加工盘类回转零件，Ｇ７３为等余量粗切方式，适于铸锻半成型毛坯件的车削。
10、试编制如图3-77中各零件的数控加工程序。
图3－77习题图（a）
假设毛胚Ф55×150mm，切槽刀宽4mm，参考编程如下：
O001；
N2M03S600；
N3T0101G99；
N4M08；
N5G0X55Z3；
N6G90X51Z-110F0.2；
N7X45Z-60；
N8X41；
N9M03S1600；
N10G01X40Z0F0.08；
N11Z-60；
N12X50；
N13Z-110；
N14G0X100Z100；
N15T0202M03S400；
N16G0X51Z-114；
N17G01X-1F0.1；
N18G0X100Z100；
N19M30；
图3－77习题图（b）
假设毛胚Ф60×100mm，参考编程如下：
O0002；
N2M03S600;
N3T0101G99;
N4M08;
N5G0X62Z3;
N6N71U2R1;
N7G71P8Q14U0.5W0.1F0.2;
N8G0X20;
N9G01Z0;
N10G03X40Z-10R10;
N11G01Z-22;
N12G02X56Z-30R8;
N13G01Z-54;
N14X62;
N15G70P8Q14S1600F0.08;
N16G0X100Z100;
N17T0202M03S400;
N18G0X62Z-54;
N19G01X-1F0.1;
N20G0X100Z100;
N21M05;
N22M30;
图3－77习题图（c）
参考编程如下：
O0003;
N2M03S600;
N3T0101G99;
N4M08;
N5G0X22Z3;
N6G71U2R1;
NG71P8Q14U0.5W0.1F0.2;
N8G0X8;
N9G01Z0;
N10X10Z-1;
N11Z-11;
N12X18;
N13Z-17;
N14X22;
N15G70P8Q14S1600F0.08;
N16G0X100Z100;
N17M0;
N18M30;
掉头装夹
O0022；
N2M03S600;
N3T0101G99;
N4M08;
N5G0X22Z3;
N6G73U6R6;
N7G73P8Q13U0.5W0.1F0.2;
N8G0X0;
N9G01Z0;
N10G03X4.8Z-1.3R3;
N11G03X14.5Z-1.3R3;
N12G02X18Z-43R12;
N13G01X22;
N14G70P7Q13S16
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