《数控技术》实验指导书.

实验一：数控机床的结构原理

一、实验目的：

1、熟悉西门子802S/C baseline 系统的接口布局和各接口的含义；

2、熟悉多功能车床MJ460的机械结构。

二、实验内容：

（一）西门子802S/C baseline 系统的系统接口布局

1、系统接口布局

2、各接口的作用

①电源端子X1

系统工作电源为直流24V电源，接线端子为X1。

②通讯接口RS232—X2

在使用外部PC/PG与西门子802S/C baseline进行数据通信或编写PLC程序时，使用

RS232接口。

③编码器接口X3～X6

编码器接口X3、X4和X5为SUB—D15芯孔插座，仅用于西门子802S/C baseline。编码器接口X6也是SUB—D15芯孔插座，在802C baseline中作为编码器4接口，在802S baseline中作为主轴编码器接口使用。X3～X6接口引脚分配均相同。

④驱动器接口X7

驱动器接口X7为SUB—D50芯针插座，西门子802S baseline和802C baseline中X7接口的引脚分配不一样。

通过手轮接口X10可以在外部连接两个手轮。X10有10个接线端子，引脚见表。

通过接线端子X20可以连接3个接近开关，仅用于西门子802S baseline。

共有48个数字输入和16个数字输出接线端子。

（二）多功能车床MJ460的机械结构

1、主轴箱

①主轴箱结构：由主轴箱体、主轴、主轴轴承、主轴轴承用调整螺母、位置编码器及皮带等组成；

②主轴：采用两点式支承结构，适合高转速的需要，具有较高的刚度。主轴轴承采用德国高级油脂润滑，依靠非接触式的迷宫圈密封，只要润滑不被破坏，能可靠的保证10年以上润滑不失效。

2、液压卡盘

液压卡盘用六个高强度螺钉固定在主轴前端，回转油缸通过接套用高强度螺钉固定在主轴后端，卡盘的卡紧、松开动作由回转油缸通过一根拉杆来驱动。油缸活塞向卡盘方向移

动（推），通过卡盘上的禊形机构，卡爪松开工件。反之（拉），卡爪夹紧工件。

3、伺服进给轴

拖板通过Z轴伺服电机驱动滚珠丝杠带动而实现沿床身导轨在Z方向上的移动。

刀架装在滑板上，通过X轴伺服电机驱动滚珠丝杠，使刀架沿拖板刀轨在X方向上移动。

伺服电机与滚珠丝杠间通过柔性联轴节直接相连，不但降低了快速移动时的噪音而且大大提高了伺服进给的精度和刚度。

另外，X、Z轴的位置环、速度环反馈元件为增量式脉冲编码器，安装在电机内部与电机同轴，为半闭环控制。

4、刀架

具有分度和逻辑转向的功能（转塔刀架）。刀盘的抬起、锁紧为液压驱动，刀盘的定位依靠一对精度宽齿型齿盘实现。

当刀架接受到分度指令后，刀架油缸活塞通过液压的推动，刀盘就抬起，同时定位齿盘脱开，刀架主轴后端的一个接近开关同时有ON状态转换成OFF，从此时延时150毫秒后，力矩电机转动，通过减速箱减速后，拨动分度（马氏）槽盘，带动主轴进行分度动作。

刀盘是否分度到位？由安装在与力矩电机同一轴线上的一个计数凸轮和安装在刀架主轴后端的编码凸轮通过一组接近开关在与指令代码比较后确认。

5、尾座

外装式活顶尖。尾座的推力大小由控制尾座压力的减压阀来调整，套筒的前进速度由液压系统上的单向调速阀调整。

三、实验报告

1、实验名称

2、实验目的

3、实验内容

4、实验设备

5、实验原理

6、思考题：实验结束后，用简明的语言将西门子802S/C baseline 系统的各接口的含义和多功能车床MJ460的机械结构写在实验报告上。

实验二：数控车床编程与加工

一、实验目的

1、掌握手工编程的步骤；

2、掌握车削加工的步骤；

3、掌握数控车床加工仿真系统的操作流程；

4、了解数控车床综合加工工艺，掌握直线、圆弧、螺纹、复合循环、刀偏及半径补偿等编程指令，提高综合运用能力。

二、实验仪器与设备

1、图形工作站（计算机）；

2、数控加工仿真软件。

三、实验原理及主要知识点

数控程序手工编制的主要内容有：分析零件图纸，进行工艺处理和数值计算，编写零件加工程序、校对程序及首件试切。数控车床具有广泛的加工性能，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。数控车床主要用于加工轴类和盘类等回转体零件，特别适合于复杂形状回转类零件的加工。

数控车床的编程特点：

1、在一个程序段中，根据图样上标注的尺寸，可以采用绝对值编程、增量值编程或二者混合编程。大多数数控车床用X、Z表示绝对坐标，用U、W表示增量坐标。

2、数控车床的编程有直径、半径两种方法。

3、为提高工件的径向尺寸精度，X向的脉冲当量取Z向的一半。

4、数控车床上的工件毛坯大多为圆棒料，加工余量较大，一个表面往往需要进行多次反复的加工，如果对每个加工循环都编写若干个程序段，就会增加编程的工作量。为了简化加工程序，一般情况下，数控车床的数控装置中都有车外圆、车端面和车螺纹等不同形式的循环功能，可进行多次重复循环切削。

（1）外径、内径粗加工循环指令G71

它适用于圆柱毛坯料粗车外径和圆筒毛坯料粗车内径，如图1-1所示。

指令格式：G71 U（Δd）R（e）

G71 P（ns）Q（nf）U（Δu）W（Δw）F（f）S（s）T（t）其中，Δd——背吃刀量（沿垂直轴线方向即AA′方向）；

e——退刀量；

ns——循环程序中第一个程序段的顺序号；

nf——循环程序中最后一个程序段的顺序号；

Δu——径向（X轴方向）的精车余量（直径值），

Δw——轴向（Z轴方向）的精车余量；

f、s、t——F、S、T代码。

注意：ns→nf程序段中即使指令了F、S、T功能，对粗车循环也无效。

当上述程序指令的是工件内径轮廓时，G71就自动成为内径粗车循环，此时径向精车留量Δu应指定为负值。G71只能完成外径或内径粗车。

图2-1 内、外径粗车循环G71 图2-2 固定形状粗车循环G73 （2）固定形状粗车循环G73

它适用于毛坯轮廓形状与零件轮廓形状基本接近时的粗车。

指令格式：

G73 U（Δi）W（Δk）R（d）

G73 P（ns）Q（nf）U（Δu）W（Δw）F（f）S（s）T（t）；

其中，ns、nf、Δu、Δw 、f、s、t与G71指令中相同；

Δi——X方向总退刀量（半径值）；

Δk——Z方向总退刀量；

d——粗切循环次数。

（3）精车循环G70

当用G71、G72、G73粗车工件后，必须用G70来指定精车循环，切除粗加工中留下的余量。在精车循环G70状态下，ns→nf程序中指定的F、S、T有效；当ns→nf程序中不指定的F、S、T时，粗车循环中指定的F、S、T有效。

指令格式：G70 P（ns）Q（nf）

其中，ns——指定精车循环的第一个程序段的顺序号；

nf——指定精车循环的最后—个程序段的顺序号。

（4）螺纹切削循环G92

a）圆锥螺纹循环b）圆柱螺纹循环

图2-3 螺纹循环G92

螺纹切削循环G92为简单螺纹循环，该指令可切削锥螺纹和圆柱螺纹。

指令格式：G92 X（U）＿Z（W）＿R＿F＿；

式中F为螺纹导程。

如图1-3所示，a）为圆锥螺纹循环，b）为圆柱螺纹循环。刀具从循环点开始，按A、B、C、D进行自动循环，最后又回到循环起点A。图中虚线表示按R快速移动，实线表示按F指定的工作进给速度移动。X、Z为螺纹终点（C点）的坐标值；U、W为螺纹终点坐

标相对于螺纹起点的增量坐标，R为锥螺纹起点和终点的半径差。加工圆柱螺纹时R为零，可省略。

（5）螺纹切削复合循环指令G76

该指令可以完成一个螺纹段的全部加工任务。图1-4所示为螺纹走刀路线及进刀方式。

a）走刀路线

b）进刀方式

图2-4 螺纹切削复合循环指令G76

指令格式：G76 P（m）（r）（α）Q（Δd min）R（d）；

G76 X（U）＿Z（W）＿R（i）P（k）Q（Δd）F（f）；

其中，m——精加工重复次数；

r——倒角量；

α——刀尖角；

Δd min——最小切入量；

d——精加工余量；

X（U）＿Z（W）一一终点坐标；

i——螺纹部分半径之差，即螺纹切削起始点与切削终点的半径差。加工圆柱螺纹时，i＝0。加工圆锥螺纹时，当X向切削起始点坐标小于切削终点坐标时，i为负，反之为正。

k——螺牙的高度（X轴方向的半径值）；

Δd——第一刀切入量（X轴方向的半径值）；

f——螺纹导程。

注1：G92与G76的比较：

G92螺纹切削循环采用直进式进刀方式，由于刀具两侧刃同时切削工件，切削力比较大，而且排屑困难，两切削刃容易磨损。在切削螺距大的螺纹时，由于切削深度较大，刀刃磨损

较快，从而造成螺纹中径加工误差。但由于其加工的牙形精度较高，因此一般多用于小螺距高精度的加工。由于刀刃在加工过程中易磨损，因此在加工中要经常测量。

G76螺纹切削循环采用斜进式进刀方式，由于刀具单刃切削工件，刀刃容易损伤和磨损，使加工的螺纹面不直，刀尖角发生变化，而造成牙形精度较差。但由于其为单刃切削，刀具负载小，易排屑，并且切削深度为递减式，因此，此加工方法一般用于大螺距低精度的螺纹加工。如果需要加工高精度、大螺距的螺纹，则可采用G92、G76混用的办法，即先用G76完成粗加工，再用G92完成精加工。需要注意的是粗、精加工时的起刀点要相同，以防止螺纹乱扣。

注2：常用螺纹切削的进给次数与吃刀量

表2-1 常用螺纹切削的进给次数与吃刀量（米制螺纹）

米制螺纹（直径值，单位：mm）牙深：0.6495×P

车刀刀尖常磨成一个半径不大的圆弧，因此为提高工件的加工精度，当编制圆头刀程序时，需要对刀具半径进行补偿。数控车床的数控装置中都有刀具补偿功能。在加工过程中，对刀具位置的变化、刀具几何形状的变化及刀尖的圆弧半径的变化，都无需更改加工程序，只要将变化的尺寸或圆弧半径输入到存储器中，刀具便能自动进行补偿（G41、G42）。

数控车床中的刀具补偿包括刀具位置补偿和刀尖圆弧半径补偿。刀补指令用T代码表示。常用T代码格式为：T××××，即T后可跟4位数，其中前两位表示刀具号，后两位表示刀具补偿号。当补偿号为0或00时，表示不进行补偿或取消刀具补偿。编程时一般习惯于刀具号和刀具补偿号相同。

1）刀具位置补偿（刀具长度补偿、刀具偏置、刀具偏移）

刀具位置补偿主要应用在以下几种情况中。

①当用用多把刀具加工时，只需要对一把基准刀，其余刀具可利用刀具补偿功能，将其与基准刀尖之间的位置偏差，都偏置到同一个基准点上。

②刀具在加工过程中都会有不同程度的磨损，这时的刀尖位置与磨损前的刀尖位置存在偏差，必然产生加工误差。这种情况不需要对工件重新编程，只需要利用刀具补偿功能输入相应的参数即可。

③对同一把刀来说，当刀具重磨后再把它安装在原来的位置时，会产生安装误差。这种情况也可以通过刀具位置补偿功能来修正安装位置误差。

刀具位置补偿实施的关键是测出每把刀具的位置补偿量，并输入到数控系统中。对刀方法主要有手动试切对刀、手动靠近对刀、半自动对刀、用对刀仪对刀、自动对刀等，目前前

三种使用比较普遍。

2）刀具半径补偿

在编制数控车床加工程序时，通常将刀尖看作是一个点。然而，实际的刀具头部是圆弧或近似圆弧，如图1-5所示。

a）假想刀尖b）实际刀尖

图2-5 圆头刀刀尖

常用的硬质合金可转位刀片的头部都制成圆弧形，其圆弧半经规格有0.2、0.4、0.8、1.2、1.6等。对于有圆弧的实际刀头，如果以假想的刀尖P来编程，数控系统控制P点的运动轨迹，而切削时实际起作用的切削刃是圆弧的各切点，这必然会产生加工误差。

当车圆柱面、车端面时，不会产生加工误差；而当车锥面和圆弧面时，产生了如图1-6所示的加工误差。事实上，数控车床用圆头车刀加工时，只要两轴同时运动，如用假想刀尖编程，就会产生误差。而沿一个轴运动时，则不会产生误差。

图2-6 刀尖圆弧半径补偿对加工精度的影响

对于采用刀尖半径补偿的加工程序，在工件加工之前，要把刀尖半径补偿的有关数据输入到刀补存储器中，以便执行加工程序时，数控系统对刀尖圆弧半径所引起的误差自动进行补偿。

为使系统能正确计算出刀具中心的实际运动轨迹，除要给出刀尖圆弧半径R以外，还要给出刀具的理想刀尖位置号T。数控车削使用的刀具有很多种，不同类型的车刀其刀尖圆弧所处的位置不同，如图1-7所示。刀尖方位参数共有8个（1～8），当使用刀尖圆弧中心编程时，可以选用0或9。图1-7a为后置刀架的数控车床假想刀尖的位置，图1-7b为数控车床常用刀具的刀尖方位参数。

a）后置刀架假想刀尖的位置

b）常用车刀的刀尖方位参数

图2-7 数控车床假想刀尖的位置

3）刀具半径补偿的指令与编程

将刀补参数输入到CNC装置后，当执行到含有T功能（如T0101）的程序段时，刀具位置补偿参数即可生效，而刀具半径补偿参数则必须执行到含有刀具半径补偿方向指令G41

或G42指令时才可生效。

a）G41补偿b）G42补偿

图2-8 刀具半径补偿

G41刀具半径左补偿，即沿刀具运动方向看（假设工件不动），刀具位于工件左侧时的

刀具半径补偿，如图1-8a所示。

G42刀具半径右补偿，即沿刀具运动方向看（假设工件不动），刀具位于工件右侧时的刀具半径补偿，如图2-8b所示。

G40刀具半径补偿取消，使用该指令后，使G41、G42指令失效。

指令格式：G01（或G00）G41 X（U）＿Z（W）＿F＿；

G01（或G00）G42 X（U）＿Z（W）＿F＿；

……

G40

说明：刀具补偿是一个过程，因此G41，G42，G40程序段中，必须有G00或G01指令。

注意：G40、G41、G42不能重复使用，即在程序中前面有了G41或G42指令之后，不能再直接使用G41或G42指令。若想使用，则必须先用G40指令解除原补偿状态后，再使用G41或G42，否则补偿就不正常了。

4）刀具半径补偿功能的应用

1）当刀具磨损或刀具重磨后，刀具半径变小，这时只需手工输入改变后的刀具半径，而不需修改已编好的程序。

2）在用同一把刀具进行粗、精加工时，设精加工余量为Δ，则粗加工的补偿量为r＋Δ，而精加工的补偿量改为r即可。

四、实验步骤

1、分析零件图

零件的形状、尺寸如图1-9所示。

图2-9 仿真加工零件

2、工艺设计

（1）加工方案的确定

根据零件的加工要求，各表面的加工方案确定为：粗车→精车

（2）装夹方案及走刀路线的确定

此零件需经过二次装夹才能完成。

（3）加工工艺的确定

填写加工工序卡表（含刀具卡），见表1-2。

表2-2 数控加工工序卡

3、编制程序

设定工件坐标系，手工编制加工程序。

4、仿真加工

启动斯沃仿真系统，选择单机版、FANUC-0i T数控系统，点击运行进入数控加工仿真系统。

（1）选择机床：沈阳机床CAK61系列F0i Mate-T。

（2）开机——返参考点。

（3）设定机床为前置刀架、四方刀架。

（4）设定工件毛坯为：φ45×120

（5）安装刀具：外圆车刀、割刀和螺纹刀。

（6）试切法对刀，在【刀具补正/几何】画面下设定X、Z、R、T。

（7）输入程序，可选择文件打开方式或直接编辑输入。

（8）程序校验、仿真加工。

五、实验结果与分析

1、分别采用G71和G73进行粗车，进一步认识两种粗车循环的加工特点和注意事项。

2、选择【工件测量】检查工件尺寸，校验在R为0、0.4、1.2下刀尖圆弧半径补偿的结果。

六、实验思考题

1、G71、G73复合循环适合加工零件的范围？

2、怎样正确地选择刀补消除切削过程中引起的误差？

3、总结数控车加工零件的全过程。

七、实验报告

1、实验名称

2、实验目的

3、实验内容

4、实验设备

5、实验原理

6、工件图纸、加工工艺、数控程序、仿真结果（截图）

7、思考题