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1、数控机床试验指导书数控机床与编程实验指导书魏 斯 亮 编华东交大理工学院机电分院机电教研室2013年8月21日目 录实验一 数控机床的工作原理与典型机械结构 3实验二 数控系统的原理与组成 12实验三 数控代码编程 18实验四 复杂零件的数控编程与加工 28实验五 网络数控 38 参 考 文 献 1 陈吉红等. 数控机床实验指南. 武汉：华中科技大学出版社，2003 2 杜君文，邓广敏. 数控技术. 天津：天津大学出版社，2002 3 林其骏. 数控技术与应用. 北京：机械工业出版社，1995 4 朱晓春等数控技术北京：机械工业出版社，2001 5 毕承恩，丁乃建现代数控机床北京：机械工业出版

2、社，1991 6 武汉华中数控股份有限公司世纪星数控装置连接说明书，2001 7 武汉华中数控股份有限公司华中数控PLC编程说明书，2001 8 武汉华中数控股份有限公司世纪星车削数控装置操作说明书，20019 江苏仁和新技术产业有限公司RENHE 32T机床数控系统操作手册及编程说明书，2001实验一 数控机床的工作原理与典型机械结构一、 相关知识1数控机床的工作原理凡是以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床，简称数控机床。数控机床用代码化的数字信息将刀具移动轨迹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、精度符合要求

3、的所需零件。2数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、 CNC装置、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器 ( PLC ) 及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。图01是数控机床的组成框图，其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统。机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件(工作台、拖板及其传动部件)和支承部件(床身立柱等)，还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。3. 数控机床机械结构的特殊要求数控机床的机床本体，在初期阶段大多使用的是普通机床的机械结构，仅仅是在自动变速装置

4、、刀架或工作台自动转位装置和手柄等方面作了某些改变。但实践证明，由于数控机床需要高速度、高精度、大切削用量和连续加工，所以对其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面提出了更高的要求。例如，有些数控机床的进给速度高达24 Mmin，可以在大切削用量下连续加工，同时还要求极高的精度，可以实现微小进给量，例如0.001mm到0.0001mm条件下不允许发生低速爬行。因此，近年来在设计数控机床时采用了许多特殊的机械结构和机械新技术，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等等措施，下面对某些部分作一简要介绍。4. 数控机床采用的几种典型机械结构的特点 (1) 滚珠丝杠螺母副如图13所示，滚珠丝杠螺母副

5、由滚珠、丝杠、回珠器、螺母等组成。图13(a)中，采用插管在螺母外实现滚珠列的循环，称为外循环式；图13(b)中，回珠器在螺母内实现滚珠列的循环，称为内循环式。前者使用滚珠较多，效率低。目前多采用内循环式滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副的区别是：通过循环钢球将滑动摩擦改变为滚动摩擦，使静、动态摩擦系数之间的差值减小，从而改善进给传动系统的动态特性，减少了摩擦损失，提高了传动效率和精度。但在螺母、钢球和丝杠之间需要施加预紧力，以消除反向传动时可能存在的间隙，提高传动刚度。滚珠丝杠螺母副是数控机床的核心部件之一，它将伺服电动机的旋转运动转换为拖板或工作台的直线运动。滚珠丝杠螺母与普通

6、的丝杠螺母一样，是一种增力机械，将高速转动下的扭矩转换为低速移动下较大的推力。参见图14，扭矩和推力的转换公式为式中 F丝杠(或螺母)转动产生的推力(N)； M丝杠或螺母转动时的扭矩(Nm)； t丝杠导程(mm)； 传动效率，一般取0.9。消除丝杠、螺母之间的传动间隙并施加预紧力是提高定位精度、消除反向间隙的重要措施，图15给出了几种消除传动间隙、预加载荷的方式，除外还有一些其他不同的方式。由于滚珠丝杠螺母副的种类很多，在拆装实验中要仔细观察钢球的循环方式和消除传动间隙的原理，仔细研究螺母、钢球、丝杠之间施加预紧力的方法。(2)滚动导轨副数控机床要求拖板或工作台在导轨上实现无间隙往复运动，常采

7、用滚动导轨副。滚动导轨副的功能是支承和引导机床的拖板或工作台完成直线运动并承受切削负荷。滚动导轨副的结构形式很多，其共同特点是利用滚动体(钢球或钢柱)的滚动将导轨副的滑动摩擦改变为滚动摩擦(摩擦系数一般在0.003左右)以减少摩擦阻力。滚动导轨允许施加预紧力，这就可以消除运动副之间的传动间隙，同时也可以提高传动刚度。由于滚动导轨副之间的运动是滚动摩擦，所以它的静、动摩擦系数变化小，可以改善运动副的动态特性。滚动导轨的运行速度可大于60 Mmin。滚动导轨副是由导轨、滚动体和滑块三个主要零件组成的。目前数控机床上使用最多的滚动导轨副如图16(a)所示，是双“V”形(或称矩形)直线滚动导轨副；当受

8、力较小时，也可以使用图l6(b)和图16(c) 所示的圆柱形直线滚动导轨副。以上三种形式的直线滚动导轨的滚动体都是钢球。还有一种直线滚动导轨如图17所示，它的滚动体是圆柱体，称为滚子导轨块。通过本认识实验，应当努力掌握不同结构形式直线滚动导轨的工作原理、结构特点和选用方法。(3)贴塑导轨贴塑导轨如图18所示，若不仔细研究，贴塑导轨的表面与普通滑动导轨没有多大区别，仅仅是在两个金属滑动表面之间粘贴了一层特制的复合工程塑料带。然而这一改变却带来了本质的变化：将滑动导轨面之间的金属与金属的摩擦副改变为金属与塑料的摩擦副，因而改变了数控机床导轨副的摩擦特性。经多次试验研究发现(参见图19)：配刮加工后

9、的塑料与铸铁导轨面之间的摩擦特性更接近数控机床进给系统的要求，其摩擦系数(0.030.05)远低于金属与金属摩擦副的摩擦系数；另外更重要的是，贴塑导轨的静、动摩擦系数相差很小，可以有效地防止发生低速爬行现象。贴塑导轨用的复合工程塑料是以聚四氟乙烯为基体填加青铜粉、二硫化钼和石墨等材料混合烧结而成，使用时一般做成带状。生产厂家不同，填加的材料不同，因此摩擦特性也有差别。贴塑导轨副的加工方法是：将购入的导轨用塑料带粘贴在经过粗加工的导轨面上，待固化后与另一个已磨削好的金属导轨面配刮，注意刮研时的着点要深一些，以便存储润滑油。(4)齿轮副、变齿厚蜗杆与蜗轮副、齿轮与齿条副间隙消除机构在数控机床进给系

10、统中，运动副的传动间隙是导致误差的主要因素之一，如果数控系统补偿不掉该项误差，就会直接影响加工精度。因此，消除进给系统中传动副(齿轮副、蜗杆蜗轮副、齿轮齿条副等)的正反向传动间隙，是数控机床机械结构设计必须解决的问题。能够消除传动副传动间隙的机械结构形式很多，其基本原理是改变主、从动齿轮在齿槽中的接触条件，即保证一个齿轮与另一个齿轮的齿槽两侧齿面都接触或间隙最小，并且在装配时可以调节。图110表示的是双片齿轮错齿法消除传动间隙的结构原理图。松开双片齿轮紧固螺钉后，弹簧自动使两片齿轮错位，自动消除与其相啮合的齿轮之间的齿侧间隙。图111是消除侧齿隙并预加负荷的双齿轮、齿条传动结构原理图。通过液压

11、装置推动螺旋齿轮轴向移动，使与其啮合的两个齿轮产生不同方向的旋转，从而使两个小齿轮与齿条的异侧齿面啮合，产生一定的预紧力，自动消除齿侧间隙并预加负荷。在本认识实验中，学生可以将实验室提供的具体的机械结构进行拆装、测量、搬动等等，以详细了解它们的工作原理及结构。内藏式电主轴电动机内藏式电主轴的出现，是数控机床中继变频调速主轴之后，机床主传动结构的又一重大改进。将电动机的转子轴和机床的主轴合成一个轴，构成主运动(切削运动)功能部件，该轴就称为电主轴。电主轴的特点是：主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动和制动的响应特性，有利于控制振动和噪声。在电主轴的推广运用中，温度的控制和冷却是使用电主轴

12、的关键问题之一。电主轴的外形通常都设计为圆柱形，以便于在机床上安装和定位。为了利于电动机的散热，电主轴备有冷却循环系统。当转速较低(低于15000rmin)时，轴承可用油脂润滑；当转速高于15000rmin时，必需用油雾润滑。在电主轴后端装有编码器，可以实现主轴的定向控制或位置控制。图119表示了电主轴的转速力矩、功率特性曲线，在选用电主轴时，为了确保其有足够大的切削扭矩，必须选用较大功率的内藏式电动机，以保证数控机床在计算转速以下的恒扭矩工作区内也可以满足粗切削的工艺要求。 二、实验目的与要求(1)掌握数控机床进给传动机构中典型零部件的工作原理及其特性。(2)了解电主轴的工作原理及其特性。(

13、3)对上述典型零部件及电主轴建立其外观和结构的感性认识。三、实验仪器与设备 (1)滚珠丝杠螺母副一套；(2)滚动导轨副一套；(3)贴塑导轨模型一副，塑料带(50mmXl00mm)一条；(4)消除间隙双片齿轮装置一套；(5)变齿厚蜗杆蜗轮一副(或变齿厚蜗杆一件)；(6)无间隙传动联轴器一套；(7)同步齿形带及带轮一套；(8)60角接触滚珠轴承一个；(9)电动机内藏式电主轴一件；(10)通用工具：活动扳手两个；木柄起子两个；内六角扳手一套；紫铜棒或木质手锤一个；齿厚卡尺一个。四、实验内容(1)拆装一种滚珠丝杠螺母副，掌握其工作原理及结构特点和精度要求。(2)拆装一种滚动导轨副，掌握其工作原理及结构

14、特点和精度要求。(3)观察贴塑导轨的外形及其结构。(4)拆装一种消除齿轮传动间隙的结构。(5)观察并检测双导程变齿厚蜗杆，了解其工作原理和结构特点。(6)拆装一种消除齿轮齿条传动间隙的结构。(7)拆装一种无间隙传动的联轴器，掌握它的工作原理。(8)认识同步齿形带及其带轮的结构。(9)认识主轴和滚珠丝杠用的角接触轴承，掌握其受力和定位特点。(10)观察认识一种结构形式的电主轴。五、实验报告(1)绘制本实验所认识部件的工作原理简图。(2)按所绘制的部件工作原理简图说明其工作原理。(3)测绘变齿厚蜗杆的齿形图。(4)如果要将齿轮固定在轴上，应如何实现无间隙固定?实验二 数控系统的原理与组成一、 相关

15、知识1. HED21S数控系统综合实验台HED21S数控系统综合实验台是用于培养学生掌握数控系统的编程方法，以及数控系统电气设计、安装、调试、维修等实际动手能力的一套实验装置。该数控系统综合实验台采用模块化设计，便于组合和扩展，也便于检查和调试。利用该实验装置可以使学生掌握数控系统的控制原理、电气原理、电气设计方法、元器件的选用；掌握数控系统电气元件布置、安装、调试等方法。实验台能够模拟工业生产过程，达到工业现场实习效果。HED21S数控系统综合实验台集成了数控装置、变频调速主轴及三相异步电动机、交流伺服单元及交流伺服电动机、步进电动机驱动器及步进电动机、测量装置、十字工作台，其具体组成如图6

16、1所示。图61(a)为综合实验台外观，图61(b)为综合实验台组成框图。2 HED21S数控系统综合实验台的组成(1)数控装置数控装置采用的是华中数控股份有限公司的“世纪星”HNC21TF车床数控装置。“世纪星”HNC2lTF车床数控装置采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机，配置7.7”彩色液晶显示屏和通用工程面板，具备全汉字操作界面、故障诊断与报警装置、多种形式的图形加工轨迹显示和仿真装置，操作简便，易于掌握和使用。该数控装置集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，还可自由选配各种类型的脉冲接口、模拟接口的交流伺服单元或步进电动机驱动器。装置内部已提供标准车

17、床控制的PLC程序，用户也可自行编制PLC程序。该数控装置采用国际标准G代码编程，与各种流行的CADCAM自动编程系统兼容，具有直线插补、圆弧插补、螺纹切削、刀具补偿、宏程序等功能，支持硬盘、电子盘等程序存储方式，可通过软驱、DNC、以太网进行程序交换，具有价格低、性能高、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。图62为HNC21TF数控装置与其他装置、单元连接的总体框图和连线图，图63为HNC21TF数控装置接口图，图64为HNC2lTF数控装置软驱单元接口图。软驱单元提供3.5”软盘驱动器、RS232接口、PC键盘接口、以太网接口，需要通过转接线才可与HNC21数控装置连接使用。(2

18、)变频调速主轴单元变频主轴采用的是西门子MICROMASTER 440系列的6SE64402UD215AA0变频器配三相异步电动机。变频器采用矢量控制，使用三相交流380V电源，其最大功率(恒转矩)1.5 kW，输入电流(恒转矩)3.9A，最大输出电流(恒转矩)4.0A，两个模拟输入量010V，020mA(或 -1010 V，020 mA)。电动机采用普通三相异步电动机，功率0.55 kW，转速1390rmin。(3)交流伺服驱动单元交流伺服驱动单元采用的是松下MINAS A系列的MSDA023A1A伺服单元和 MSMA022A1C伺服电动机。MSDA023A1A与MSMA022A1C构成闭环

19、控制系统，提供位置控制、速度控制、转矩控制三种控制方式(需设置交流伺服参数，并修改相应连线)。 MSMA022A1C为小型小惯量电动机(功率200W，额定转速3000rmin，额定转矩0.64N.M )，配11线2500Pr增量式码盘。(4)步进驱动单元步进驱动单元采用的是雷塞M535步进驱动器和57HSl3步进电动机。M535是细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电动机。电流控制采用先进的双极性等角度恒力矩技术，具有每秒两万次的斩波频率。在驱动器的侧边装有一排拨码开关组，可以用来选择细分精度，以及设置动态工作电流和静态工作电流。57HSl3是四相混合式步进电动机，

20、步进角为1.8，静转矩为1.3NM，额定相电流为2.8A。(5)输入输出装置开关量输入输出装置采用的是HC53018输入接线端子板(见图65)和HC5301R继电器板(见图66)，作为HNC21数控装置XSl0、XS11、XS20、XS21接口的转接单元使用，以方便连接及提高可靠性。输入接线端子板提供了NPN和PNP两种类型开关量信号输入接线端子，每块输入接线端子板有20个NPN(或PNP)开关量信号输入接线端子，最多可接受20路NPN(或PNP)开关量信号的输人。继电器板集成了8个单刀单投继电器和两个双刀双投继电器，最多可接16路NPN开关量信号的输出及急停(两位)与超程(两位)信号，其中8

21、路NPN开关量信号的输出用于控制8个单刀单投继电器，剩下的8路NPN开关量信号的输出可通过接线端子引出，用来控制其他电器；两个双刀双投继电器可从外部单独控制。(6)工作台XY工作台集成了雷塞57HSl3型四相混合式步进电动机、MSMA022A1C型交流伺服电动机、光栅尺和笔架。机械部分采用了滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作。X轴执行装置采用的是四相混合式步进电动机。步进电动机没有传感器，不需要反馈，用于实现开环控制。Y轴执行装置采用的是交流伺服电动机。交流伺服单元和交流伺服电动机组成了一个速度闭环控制系统。安装在交流伺服电动机轴上的增量式码盘充当位置传感器，用于间接测量机

22、械部分的移动距离，可与其他部件构成一个位置半闭环控制系统；也可通过安装在十字工作台上的光栅尺直接测量机械部分移动的距离，与其他部件构成一个位置全闭环控制系统。笔架可绘出工作台的运动轨迹，便于观察数控程序运行的结果。二、实验目的与要求(1)了解数控系统的特点、基本组成和应用。(2)了解数控系统常用部件的原理及作用。(3)熟悉数控系统综合实验台，了解数控系统综合实验台的连接和基本操作。三、实验仪器与设备(1)HED21S数控系统综合实验台一套。(2)专用连接线一套。四、实验内容(1)感性认识数控系统综合实验台的各组成部分。 指出数控系统综合实验台的各个组成部件及其原理或作用。 了解数控系统综合实验

23、台各个组成部件之间的连接，认清各个信号线的来源和去向。(2)了解数控系统综合实验台的基本操作：了解数控系统综合实验台上电顺序；了 解HNC21TF数控车床数控装置的基本操作(参见文献8)。进人数控系统，运行演示程序。五、实验总结(1)简述数控系统的组成及原理。(2)列举一些数控系统应用的实例。六、实验报告(1)画出HED21S数控系统综合实验台的结构框图。(2)列举HED21S数控系统综合实验台的主要部件，并简述其作用。(3)简述HED21S数控系统综合实验台的连接及基本操作。实验三 数控代码编程一、 相关知识1机床坐标轴为了简化编制程序的方法和保证程序的通用性，对数控机床的坐标轴和方向的命名

24、，制订了统一的标准。规定直线进给运动的坐标轴用X、Y、Z表示，常称基本坐标轴。X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手定则决定，如图101所示，图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，如图101 所示，以大拇指指向+X、+Y、+Z方向，则食指、中指等的指向是圆周进给运动的+A、+B、+C方向。数控机床的进给运动，有的由主轴带动刀具运动来实现，有的由工作台带动工件运动来实现。在图101中，各坐标轴标注的正方向是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动的方向；如果是刀具不动工件移动，则应该用加

25、 的字母表示。根据相对运动的原理，两种情况的运动正方向恰好彼此相反，存在如下关系： + X一X， + Y一Y， + Z一Z + A一A， + B一B， + C一C同理，两者运动的负方向也彼此相反。基本线性坐标轴X、Y、Z之外的附加线性坐标轴，可指定为U、V、W和P、Q、R等等。这些附加坐标轴的运动正方向，可参照确定基本坐标轴运动方向的方法来决定。机床坐标轴的运动方向取决于机床的类型和各组成部分的布局，对铣床而言： Z轴与主轴轴线重合，刀具远离工件的方向为正方向(+Z)；X轴垂直于Z轴，并平行于工件的装夹面，如果机床为单立柱铣床，面对刀具主轴向立柱方向看，其向右运动的方向为X轴的正方向(十X)；

26、 Y轴与X轴、Z轴一起构成遵循右手定则的坐标系统。2机床坐标系、机床零点和机床参考点机床坐标系是机床固有的坐标系，机床坐标系的原点称为机床原点或机床零点，这个原点在机床一经设计和制造、调整后，便被确定下来，它是固定的点。数控系统的处理器能计算所有坐标轴相对于机床零点的位移量，但数控系统通电时并不知道测量起点，每个坐标轴的机械行程是由最大限位开关和最小限位开关来限定的。为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点(测量起点)。机床起动时，通常要进行机动或手动操作，使机床轴回参考点，以建立机床坐标系。机床参考点可以与机床零点重合，也可以不重合，通过机床参数指

27、定参考点到机床零点的距离。机床轴回参考点(一般采用常开微动开关配反馈元件的标记脉冲的方法确定)的过程是这样完成的：在由机床或数控系统制造商定义的回参考点方向上，使机床坐标轴向常开微动开关靠近，直到压下开关；压下开关后，以慢速反方向运动，直到退出开关后，机床再次反方向慢速运动，压下开关；再次压下开关后，以慢速运动，直到接收到第一基准脉冲，这时的机床位置就是机床参考点的准确位置。机床回到了参考点位置，也就知道了该坐标轴的零点位置；找到所有坐标轴的参考点，CNC就建立起了机床坐标系。机床坐标轴的有效行程范围是由软件限位来界定的，其值由制造商定义。机床零点(OM)、机床参考点(Om)、机床坐标轴的机械

28、行程及有效行程的关系如图102所示。3工件坐标系、程序原点和对刀点工件坐标系是编程人员在编程时使用的。编程人员选择工件上的某一已知点为原点(也称程序原点)，建立一个新的坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。工件坐标系原点的选择要尽量满足编程简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等条件。一般情况下，以坐标式尺寸标注的零件，程序原点应选在尺寸标注的基准点上；对称零件或以同心圆为主的零件，程序原点应选在对称中心线或圆心上。Z轴的程序原点通常选在工件的上表面。对刀点是零件程序加工的起始点，对刀的目的是确定程序原点在机床坐标系中的位置，对刀点可与程序原点重合，也可

29、在任何便于对刀之处，但该点与程序原点之间必须有确定的坐标联系。可以通过CNC将相对于程序原点的任意点的坐标转换为相对于机床零点的坐标。加工开始时要设置工件坐标系，用G92指令可建立工件坐标系，用G54G59指令可选择工件坐标系。4程序的结构一个数控系统的零件程序就是一组被传送到数控系统中去的指令和数据。一个零件程序是由遵循一定结构、句法和格式规则的若干个程序段组成的，而每个程序段是由若干个指令字组成的，如图103所示。5指令字的格式一个指令字是由地址符和带符号(如定义尺寸的字)或不带符号(如准备功能字G代码)的数字、数据组成的。程序段中，不同的指令字符及其后续数值确定了每个指令字的含义，数控程

30、序段包含的主要指令字符如表101所示。 6程序段的格式一个程序段定义一个将由数控系统执行的指令行，该指令行由指令字组成。程序段的格式定义了每个程序段中功能字的句法，如图104所示。7程序的一般结构任何一个零件的程序都必须包括起始符和结束符。数控系统是按程序段的输入顺序，而不是按程序段号的顺序执行程序的。尽管如此，书写程序时，一般按升序排列书写程序段号。同时，在同一个程序中，程序段号不能重复。华中世纪星数控装置HNC21TF的程序结构如下：程序起始符(或O)符，(或O)后跟程序号；程序结束符M02或M30；注释符括号“()”或分号“；”，括号内或分号后的内容为注释文字。8HNC21TF的编程指令

31、体系(1)准备功能G代码。准备功能G指令由G和其后跟的两位数值组成，它用来规定刀具和工件的相对运动轨迹、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置等多种加工操作，如G01代表直线插补，G17代表XY平面联动，G42代表右刀径补偿等。G功能有非模态G功能和模态G功能之分：非模态G功能只在所规定的程序段中有效，程序段结束时被注销；模态G功能是一组可相互注销的G功能，这些G功能一旦被执行，则一直有效，直到被同一组的G功能注销为止。某些模态G功能组中包含一个缺省G功能(见表102)，通电时将被初始化为该功能。不同组的G代码可以放在同一程序段中，而且与顺序无关。华中世纪星数控装置HNC21TF(车床数控装置)G功能指令如表102所示。(2)辅助功能M代码。辅助功能由地址字M和其后的两位数字组成，主要用于控制零件程序的走向，以及机床的各种辅助功能的开关动作。M功能也有非模态M功能和模态M