数控机床实验指导书

数控机床实验指导书
第一版
韦荔甫
应用专业：机械设计制造及其自动化 机械电子工程专业
机电工程学院 二 00 九 年 十 月

目
录
实验一：数控操作实验 ........................... 1 实验二：数控车床加工实验 ....................... 5 实验三：数控铣床加工实验 ...................... 12 实验四：数控机床伺服系统控制 .................. 18 实验五：数控机床插补设计 ...... 错误！未定义书签。

实验一：数控操作实验
[实验目的]
1. 2. 3. 4. 掌握数控机床的特点与运用； 认识了解数控加工机床的组成与结构； 掌握数控加工的工作原理； 掌握数控机床一般的操作步骤和基本编程；
[实验属性]
本实验属演示性质
[实验内容]
一、数控机床的组成、特点及分类 1. 数控机床的组成：
现代数控机床都是 CNC 机床，一般由数控操作系统和机床本体组成，主要有如下几部分组成。 1). CNC 装置： 计算机数控装置（即 CNC 装置）是 CNC 系统的核心，由微处理器（CPU） 、存储器、各 I／O 接 口及外围逻辑电路等构成。 2). 数控面板： 数控面板是数控系统的控制面板， 主要有显示器和键盘组成。 通过键盘和显示器实现系统管理和对 数控程序及有关数据进行输入和编辑修改。 3). 可编程逻辑控制器 PLC： PLC 是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，用于完成数控机床的各种逻辑运算和顺序 控制。例如：主轴的启停、刀具的更换、冷却液的开关等辅助动作。 4). 机床操作面板： 一般数控机床均布置一个机床操作面板， 用于在手动方式下对机床进行一些必要的操作， 以及在自 动方式下对机床的运行进行必要的干预。上面布置有各种所需的按钮和开关。 5). 伺服系统： 伺服系统分为进给伺服系统和主轴伺服系统， 进给伺服系统主要有进给伺服单元和伺服进给电机组 成。用于完成刀架和工作台的各项运动。主轴伺服系统用于数控机床的主轴驱动，一般由恒转矩调速和 恒功率调速。为满足某些加工要求，还要求主轴和进给驱动能同步控制。 6). 机床本体： 机床本体的设计与制造，首先应满足数控加工的需要，具有刚度大、精度高、能适应自动运行等特 点，由于一般均采用无级调速技术，使得机床进给运动和主传动的变速机构被大大简化甚至取消，为满 足高精度的传动要求，广泛采用滚珠丝杆、滚动导轨等高精度传动件。为提高生产率和满足自动加工的 要求，还采用自动刀架以及能自动更换工件的自动夹具等。
2.
数控机床的特点：
由于数控机床是计算机自动控制同精密机床两者之间的相互结合，使得它具有高效率、高精度、高 柔性等特点。 1) 具有广泛的适应性： 现代加工业为适应市场竞争要求， 需不断对产品进行更新换代， 产品的换代势必要求其零件的改变，
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而对于数控加工来说， 只要改变数控程序或加工程序中的相应参数， 就能对新零件或改型后的零件进行 自动加工。因此能很好地适应市场竞争对产品改型换代的要求。 2) 高精度与质量稳定： 数控机床的本体中广泛采用滚珠丝杆、 滚动导轨等高精度传动部件， 而伺服传动系统脉冲当量的设 定单位可达到 0.01~0.005mm。并且还有误差修正或补偿功能。而数控机床的运行是根据数控程序而来， 在程序调试完毕，加工件精度满足要求后，就进行自动加工，一般不需人工干预，从而保证其高精度和 高稳定性。 3) 效率高： 数控加工在程序调试完成，首件加工合格后，就可进行自动批量加工。加工过程中工件装夹、刀具 更换、 切削用量的调整均有设备自动完成， 而且加工中一般无需进行检测， 从而极大地减少了辅助时间。 在程序的编制中只要对切削用量进行合理的选择，就可以在满足加工要求的前提下，提高其生产效率。 4) 能进行复杂零件的加工： 数控机床采用计算机插补技术和多坐标轴联动控制， 因此可实现任意轨迹运动， 并能加工出任何复 杂形状的空间曲面，从而满足加工普通机床无法加工的复杂零件。 5) 减轻劳动强度、改善劳动条件： 由于数控机床进行的是自动加工，程序调试完成后，一般不需对其进行人工干预，可以大大减轻劳 动者的劳动强度，同时可实现一人管理多台机器。 6) 有利于进行现代化管理： 数控机床加工能方面、精确的计算零件的加工时间，同时还可以进行自动加工统计，从而做到自动 精确计算生产和加工费用，有利于对生产的全过程进行现代化管理。
3.
数控机床的分类：
随着数控技术的不断发展，数控机床的类型越来越多，其加工用途、功能特点多种多样，据不完全 统计， 目前数控机床的品种已达 500 多种。 按其实际使用情况可分为两大类 （当然还有其它的分类方法） ， 加工用途类和控制轨迹类。 1) 加工用途类： 加工用途类一般是以数控机床实际加工使用情况进行分类。主要有如下三类： a. 普通数控机床包括数控车床、 数控铣床、 数控钻床、 数控磨床以及数控加工中心等金属切削类。 b. 数控冲床、数控折弯机、数控旋压机等成型类。 c. 数控电火花切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机等特种加工类。 2) 控制轨迹类： 控制轨迹类是根据数控机床刀具与被加工工件之间的相对运动轨迹来分类， 一般分为点控制、 线控 制和轮廓控制三类。 a. 点控制类主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床等，其特点是移动定位是不加工，要求以最快 速度从一点运动到另一点，进行准确快速定位，一般来说各坐标轴之间没有严格的相对运动要求。 b. 线控制类是在点控制类基础上， 对单个移动坐标轴进行运动速度控制， 其作用一般是使数控车 床、数控铣床和数控磨床等，完成简单台阶形或矩形零件的加工。 c. 轮廓控制类数控机床也称为连续控制类数控机床， 其特点是对两个或两个以上运动坐标的位移 和速度，同时进行连续相关控制，使刀具与工件间的相对运动，符合工件加工轮廓的表面要求。目前大 多数金属切削机床的数控系统，均是轮廓控制系统。根据其控制坐标轴的数目，可分为二轴联动、二轴 半联动、三轴联动、四轴或五轴联动。
二、数控机床加工程序的编制
数控机床是按编制好的程序进行加工，因此程序编制的好坏，直接影响加工过程是否能正常进行， 加工的零件是否能达到图纸要求。 这就要求编制程序的人员， 不仅要掌握数控机床工作原理和程序结构， 而且还要掌握各种零件加工工艺性。零件程序编制一般包括如下五个方面：分析零件图纸、对零件进行
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工艺分析及处理、对零件进行数学处理、编写零件加工程序清单，对程序进行调试与修改并最终确定。
1.
分析零件图纸：
任何一个零件无论怎样加工，首先应对其零件图进行分析。全面了解被加工零件的几何形状、尺寸 大小、零件材料及热处理情况，为工艺处理做好准备。
2.
工艺分析与处理：
工艺分析就是编制零件的加工工艺， 包括毛坯选择、 工装夹具选择、 刀具选择以及热处理的安排等。 对于数控加工还有选择工件坐标原点、确定加工中的换刀点以及走刀路线的确定等。 a. 确定加工方案：首先选择使用的数控机床和工装夹具，其次选择加工刀具以及切削用量。 b. 建立工件坐标系： 确定工件坐标系与机床坐标系之间的正确关系， 给刀具运动轨迹的确定和加 工中几何尺寸的计算做准备，同时应考虑零件形位公差的要求。 c. 确定加工中的对刀点和换刀点： 数控机床的对刀点、 换刀点和加工中的刀具的起点一般为同一 点。这一点在选择上，首先要方面检测和刀具轨迹的计算，其次要是换刀点与工件有一个安全的距离， 却不允许换刀时刀具与工件发生碰撞，最后还要注意换刀点与工件相距不可太大，造成过大的空行程， 应使刀具与工件保持一个安全合理的距离。 注意不同的数控机床， 其对刀点和换刀点的确定也不尽相同。 d. 选择合理的走刀路线：走刀路线就是整个加工过程中，刀具相对工件的具体运动轨迹，包括快 速运动的空行程和根据需要进行的加工过程。 选择时首先应确保加工零件的精度和表面质量的要求， 其 次应注意尽量减少走刀路线和空行程，提高生产效率，最后应注意使计算简单、减少程序数目和编程工 作量。 e. 合理安排辅助功能：加工中应根据需要合理安排一些辅助项目。如：切削液的启停、主轴的速 度变换、对重要加工尺寸安排停机检测等。
3.
数学处理：
所谓的数学处理，就是根据零件图纸尺寸、已确定的走刀路线，计算数控编程时所需的数据。主要 有各个基本点的计算、列表曲线的拟合、复杂的三维曲线或曲面的坐标运算等方面。
4.
编制零件加工程序：
根据确定的走刀路线、计算完成的各个数据和已确定的切削用量，按照 CNC 系统的加工指令代码 和程序段格式，编写零件加工程序清单。编写过程应严格遵守编程说明书的规定，编程方法一般有手动 编程和计算机辅助编程。单个小型零件可采用手动编程，复杂大型零件应采用计算机辅助编程，以提高 编程效率和质量，减轻编程劳动强度。
5.
加工程序的调试与最终的确定：
加工程序编制完成后，应将其输入数控系统的计算机中。可以通过 CNC 控制菜单输入，也可以运 用 DOS 中的编辑器进行输入。输入完毕后，应对其进行语法检测、示教演示、模拟加工等，最后进行 首件试加工且检测无误后，确定最后的加工程序。
三、实验的方法与步骤 1.
a. b. c. a. b.
对照数控机床认识机床的各个组成部分：
认识并熟悉数控系统的各个部分，包括数控主机的控制面板、显示器、键盘等。 认识并熟悉机床本体的各个部分，包括床身、导轨、步进电机、丝杆、工件夹头、刀架、控制 开关等。 熟悉并掌握整个数控机床的启动和停止。 启动数控机床进入主控菜单，对主控菜单中各个子菜单进行熟悉，了解并掌握进入、退出各级 菜单的方法。 分别进入各级子菜单，对各级子菜单的作用进行认识，重点掌握“文件编辑、参数设定、坐标 设定、手动运行、立即执行、示教功能、模拟加工”各子菜单中的内容，以及各个功能键的作 用。
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2. 启动数控机床认识并熟悉操作系统：

óé Foxit Reader ±à?°?è¨?ùóD (C) Foxit Software Company,2005-2006 ??ó?óú?à1à?￡
c. d. 熟悉数控机床的控制面板， 了解并掌握控制面板中各个功能键的作用， 以及同各级子菜单中一 些功能相互结合的运用。 调出准备好的一个或二个加工程序，进行手动运行、示教功能、模拟加工等各项演示。
四、思考题
1. 2. 3. 数控机床的工作原理是什么？ 结合本次试验，谈谈本数控系统刀具参数的设定方法？ 简要说明数控机床的组成及各部分作用。
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实验二：数控车床加工实验
[实验目的]
1．掌握数控车床的加工特点。 2．掌握数控车床加工程序的结构特点及编制方法。 3．掌握数控车床程序的输入、编辑、修改、调试、示教、运行等方法。
[实验属性]
本实验属演示性质
[实验内容]
数控车床是计算机数控系统加上车床本体， 是由计算机控制的数控系统发出各项指令， 指挥车床自 动运行完成对零件的车削加工，整个过程由加工前的各项准备和自动运行加工组成。
一、毛坯准备
分析零件图纸，准备零件毛坯。毛坯的选择过程包括如下几个方面。第一：应满足零件工艺加工各 个方面的要求，包括装夹部位的预留，以及合理的加工余量。第二：应考虑数控车床的加工特点，能实 现自动安装和自动定位的应尽量满足，以提高生产率减少工人劳动强度。第三：对一些加工安装前就需 准备好的部位，应提前考虑安排加工准备好。如中心孔等。
二、刀具准备
加工前应根据所用刀具情况， 准备加工中所使用的各种刀具， 本次实验用数控车床最多可安装四把 车刀，如果四把车刀不够用，应考虑分两次加工完成。刀具安装中可使用对刀块进行对刀，也可以预先 准备一个普通毛坯进行试加工对刀。各刀具之间的相对安装误差，可在“坐标设定”菜单中的刀具补偿 值进行修正，保证加工中各刀具处于同一坐标系。本设备中刀具补偿值的设定原理说明如下： 本系统采用四工位电动刀架，对于不同的车刀有不同的刀长偏置值（X；Z 方向） ，系统采用相对刀 长补偿值，即各工位刀具的刀长存在相互依赖关系。假设以第一把车刀为基准，转动刀架将第四把车刀 放入刀位，由于存在刀具的安装误差，第四把车刀刀尖同第一把车刀刀尖存在误差值（X；Z 两方向） ， 为保证两车刀刀尖处于同一坐标系之中，应使第四把车刀刀尖移动到第一把车刀刀尖处，其移动量（X； Z 两方向）就是第四把车刀刀长的补偿值。实际加工运行时，刀具的选择分为有刀具补偿和无刀具补偿 两种情况，可根据需要进行选择。当选择有刀具补偿时，此刀具首先运行补偿值，把刀尖位置运行到第 一把刀尖处，然后再进行下面的实际运行，保证不同的刀具处于同一坐标系之中。依次可确定其他刀具 的补偿值。下面（根据图 1、图 2）分析计算刀具刀长的补偿值：
图1
图2
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假设第一次执行系统软件，一号刀为当前刀位，此时计算机屏幕显示坐标为 X＝0；Z＝0，移动刀 具将刀尖对准 O 点，屏幕显示坐标为 X＝－50；Z＝－101，记下此时的坐标值。将刀具移开同工件分 离，然后换第四把刀具，再将第四把刀具的刀尖移到 O 处，此时屏幕显示的坐标值为 X＝－49；Z＝－ 105，记下此时的坐标值。计算两坐标的差值，即ΔX＝（－49）－（－50）＝1；ΔZ＝（－105）－（－ 101）＝－4，进入系统软件“坐标设定”菜单，将一号刀的刀补值设为“X＝0；Z＝0” ，将四号刀的刀 补值设为“X＝1；Z=－4” ，同样方法可求出其他车刀的刀补值。
三、系统软件介绍
本次实验的数控系统是采用基于 PC 平台的开放型数控系统，具有丰富的软件功能。操作中采用菜 单交互方式，首先进入主控界面菜单，在主菜单的右侧自上而下有各个分菜单，通过上下方向键移动光 标进行选择，然后敲击回车键进入各项子菜单。下面对各项子菜单的功能作一简单说明： 1. 文件管理： 该功能模块实现常用的文件管理操作，具有硬件自动检测功能。可对文件进行复制、删除、改变路 径、文件打印等操作。一般可通过该功能模块检查所需的文件在不在。 2. 文件编辑： 本编辑模块即可对已有的文件进行编辑，也可以创建新文件。但请注意：本编辑模块只能对后缀名 为“·NC” ，且长度不超过 400 行的数控文件进行编辑，长度超过 400 行的文件请选择其他编辑器进行 编辑。具体操作过程可按屏幕提示进行。 3. 参数设定： 此模块是对加工中的一些参数进行预先设定，具体操作过程可按屏幕提示进行。 4. 坐标设定： 坐标设定模块是为整个 CNC 系统提供坐标系， 本坐标系规定正对屏幕水平向右方向为 Z 轴正方向， 反之为 Z 轴负方向；垂直向下方向为 X 轴正方向，反之为 X 轴负方向。另外可通过修改图形比例，改 变屏幕上显示的大小。 刀具设定中有四种刀具可供选择，另还有一自定义刀具选择，通过它可采用手工绘制刀具形状，进 行特除刀具的设定， 另外还可进行刀补值的输入和修改。 所有的操作均可通过上下方向键移动光标进行 选择和修改。 5. 串口通讯： 略。 6. 示教功能： 该功能模块是对给定的数控代码，逐条逐句进行分析、解释、诊断，并在屏幕上同步模拟显示出刀 具相对工件的运动轨迹，同时给出有关出错信息。进行示教功能演示时，要求给出正确的坐标系设定、 工件设定、刀具设定，否则得不到正确的模拟显示结果。 在该状态下电机不走步，也不对相关的输入和输出口进行控制。用户通常是在运行一个新文件前， 通过示教功能的演示，检验一下运行代码的正确性和运行效果。 7. 自动运行： 该功能是在一切准备完毕后，通过数控的控制系统发出指令，指挥车床进行自动加工。在加工过程 中屏幕同步动态显示加工过程，从而实现实时监控。加工完成后，可按 F1 键重新运行该程序。 8. 手动运行： 该模块主要用于在准备阶段时对机床进行调试和对刀。 其工作方式是计算机同机床上工作面板中的 方向键结合使用，对车床上的 X 轴、Z 轴进行手动运行调整，屏幕上同步显示调整的位置和大小。 9. 立即之行： 该模块主要是完成现场 1 至 5 个代码指令， 也是在调试车床时运用。 如： 主轴的启停、 刀位选择等。 10. 系统复位： 使系统回到初始状态。
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11. 退出系统： 从系统中退出，回到 DOS 状态。
四、车加工程序的编制
数控车床是按编制好的加工程序发出各项指令， 指挥车床自动运行完成对零件的车削加工。 理想的 加工程序不仅能保证加工出合格的零件， 而且能使数控机床的功能得到合理的利用和充分的发挥， 尽可 能的提高其工作效率，保证机床安全高效的工作。 零件加工程序的编制过程，包括分析零件图纸、进行工艺处理（选则走刀路线） 、进行数学处理（走 刀过程中各个点的计算、曲线与曲面坐标的运算） 、编制程序清单、程序的输入（包括效验与试运行） 等五个步骤。 1. 程序的结构与书写形式： 一个完整的数控加工程序由程序名和程序段构成。 程序的书写内容就是零件加工程序单。 程序的编 写可以用系统菜单中的“文件编辑”功能，也可以使用其它的文本编辑器，如 MS-DOS 中的 EDIT 命 令等，程序名一律以·NC 作为后缀名进行文件存储。每一个程序段一般是由程序段号、功能字、坐标 字、各种辅助功能等组成。整个程序内容是由全部的程序段，按段号由小到大排列组成。下面给出简单 程序加以说明： 程序名：TEST·NC（功能字意义见表 1） N0010 G01 U-90 F300 N0020 W-170 N0030 U90 N0040 W170 N0050 M02 运行结果见图 3；由 A 起步以 300mm/min 的速度走一矩形 A—B—C—D—A；
图3 表 1：指令字的基本格式
名称 程序名 程序段号 基本格式 *.NC N×××× 主要含义 不同加工程序的代号 程序的段号 （最大为 9999） 运动方式 G×× X××××.××或 X－××××.×× Z××××.××或 Z－××××.×× 坐标字 U××××.××或 U－××××.×× W××××.××或 W－××××.×× I××××.××或 I－××××.×× K××××.××或 K－××××.×× 进给功能 F××××.×× （直线、斜线、圆弧等） 坐标轴运动指令，绝对尺 寸(mm)。 坐标轴运动指令，增量尺 寸(mm)。 圆弧圆心对圆弧起点的坐 标值(mm)。 进给速度(mm/min)，螺纹 导程(mm)，延时(s)。 F300 第 7 页 U15.10 G01 X－50 N0050 示例 SY1.NC
准备功能

刀具功能 辅助功能 重复次数或 程序号、段 号
选择刀具和是否代刀具长 T×× M×× 度偏置补偿 机床各种辅助动作 循环重复次数，指定工件 L×××× 号、程序跳转段号及子程 序调用段号。 L03 L0101 T10 M03
2. 坐标系统： 系统采用标准坐标系统，即右手笛卡尔坐标系统如图 4。由图可见，刀具运动正方向是工件与刀具 距离增大的方向。编程时既可以用绝对坐标 X、Z 坐标值，也可用相对坐标 U、W 坐标值，但必须依据 正确的组合方式进行组合。正确组合为：X、Z；U、W；X、W；U、Z 等，不正确的组合为：X、U； Z、 等。 W 为了编程方面， 坐标系原点通常设定在工件对称轴上， Z 轴， 即 且 X、U 值为直径量。 3. 工件坐标系设定： 工件坐标系的设定，首先应确定几个点的定义。起始点：即程序启动 时刀具的开始位置；坐标原点：即工件坐标系原点；参考点：刀具在起始 点经过刀补后的位置；机械原点：机床上刀具的固定基准点。建工件坐标 系就是确定上述各点的位置以及相互关系， 为方面编程本系统默认坐标原 图4 点、起始点和参考点重合，即程序启动时三点重合。如果要使坐标原点与 参考点分离，需建立浮动工件坐标原点，可使用 G92 指令。G92 指令运行后，刀具并不运动，只是坐 标原点与参考点分开，分开后的位置由 G92 指令后的 X、Z 坐标值确定。请注意：X、Z 值要齐全不可 缺少，且不得使用 U、W 值。 下面给出两例 G92 指令的运行结果： 例 1：N0010 G92 X200 Z300 （结果见图 5） ； 例 2：N0010 G92 X200 Z50 （结果见图 6） ；
图5 图6 4. 程序编制时应注意的问题： A、编制前应认真确定加工中的走刀路线，绘出走刀路线图，标出各个关键点的坐标值。 B、编制前应认真阅读相关的编程操作说明书，理解各指令的含义。 C、加工程序中应合理设置各项辅助功能，本系统不允许 G、T、S、M 指令共段。 D、实际加工前一定要进行反复调试，不可出现在加工中或换刀时，刀具与工件产生干涉现象，也 不能出现超程现象。
五、实验步骤
1．实验前应仔细阅读实验指导书内容，并掌握相关的数控机床知识。 2．按实验要求编制加工程序单。 3．启动数控车床，在空运转的情况下反复演练，熟悉其操作系统，对各项菜单进行熟悉，对各控
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制按钮进行熟悉。 4．根据实验要求，对“参数设定”菜单中相关参数进行设定，对“坐标系统”菜单中相关参数进 行设定。 5．将编制好的加工程序复制到系统中。 6．运用“示教功能”对加工程序进行调试，检查是否存在语法错误，如需修改请返回“编辑功能” 中进行，直到加工程序满足要求。 7．将准备好的刀具安装在刀架上，各刀具要安装在相应的刀位上，不可装错。刀具伸出长度可定 为 35mm 左右，刀尖的高度要进行校对，不可装高或装低。将一号刀的刀补值设为 0，通过手动调整和 试切加工，求出其余各刀的刀补值（刀补值的计算见“刀具准备”中的内容） ，并在相应参数中进行设 定。 8．关闭机床，安装工件毛坯并校正。启动机床，通过“立即执行”菜单启动机床主轴并选择一号 刀。再通过“手动运行”菜单调整机床对毛坯进行加工，首先精车一下端面，记下此处的Z0值（屏幕显 ，同时测出加工的外圆直径D值，然后计算起刀点 示） ，再精车一下外圆，记下此处的X0值（屏幕显示） 坐标X、Z值。X＝X0－D+（G92 中X值） ；Z＝Z0+（G92 中Z值） 。手动运行将刀架移动到绝对坐标X、 Z值处，至此全部调试完毕。 9．进入“自动运行”菜单执行加工程序，加工中可通过屏幕对加工过程进行监测，加工完毕后对 零件进行检测，分析实验结果。
六、思考题
1．加工如图 7 零件，要求精车所有外形，不留加工余量。
图7 2．编制下图所示（图 8）的数控加工程序，毛坯材料为铜棒，尺寸为φ35×90。
图8
附：实验加工实例。
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要求加工如图 10 所示零件，实现由粗加工到精加工成型的过程。本加工程序的文件名为 SY－ 01.NC。
图 10 刀具选择： 一号刀：左偏刀； 二号刀：螺纹刀； 三号刀：切断刀； 零件毛坯： 材料：尼龙； 毛坯尺寸：φ20×80； 程序编制如下：程序名 SY－01.NC N0010 G92 X60 Z200 N0020 G90 G00 M03 N0030 T0100 S460 N0040 N0050 G00 X25 Z0 N0060 G01 X-2 F30 N0070 Z2 F200 N0080 G00 X22 N0090 G22 L0003 N0100 G01 U-2 F100 N0110 Z-50 F50 N0120 U0.5 N0130 G00 Z2 N0140 G80 N0150 G01 X16 F100 N0160 Z-45 F50 N0170 U2 W2 F100 N0180 G00 Z2 N0190 X16 N0200 G22 L0003 N0210 G01 U-2 F100 N0220 Z-15 F50 N0230 U0.5 N0240 G00 Z2 N0250 G80 N0260 G22 L0004 N0310 G80 N0320 G00 X14 N0330 Z-14 N0340 G01 Z-15 F50 N0350 X16 Z-23 N0360 X14 Z-35 N0370 Z-41 N0380 U4 W2 F100 N0390 G00 Z-14 N0400 G01 Z-15 F50 N0410 X12.8 N0420 X16 Z-23 N0430 X12.8 Z-35 N0440 Z-40 N0450 U5 W2 F100 N0460 G00 Z2 N0470 X8 N0480 G01 X6 F100 N0490 Z-5 F50 N0500 X10 N0510 Z-15 N0520 X12 N0530 X16 Z-23 N0540 X12 Z-35 N0550 Z-40 N0560 G02 X16 Z-42 N0610 M00 N0620 G01 X8 F20 N0630 X13 F30 N0640 G00 X50 Z100 N0650 T20 N0660 S300 N0670 G00 Z0 N0680 X15 N0690 M00 N0700 G01 X9.8 F200 N0710 G33 W-14 F1.5 N0720 G01 Z0 F300 N0730 G01 X8.6 F200 N0740 G33 W-14 F1.5 N0750 G01 Z0 F300 N0760 G01 X8.2 F200 N0770 G33 W-14 F1.5 N0780 G01 Z0 F300 N0790 G00 X50 Z100 N0800 T30 N0810 S600 N0820 G00 Z-52 N0830 X25 N0840 G01 X18 F200 N0850 X-1 F15 N0860 U1 W1 F30
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N0270 G01 U-1.5 F100 N0280 Z-5 F50 N0290 U0.5 N0300 G00 Z2
I4 K0 F50 N0570 G00 X50 Z100 N0580 T30 N0590 G00 Z-15 N0600 X13
N0870 G00 X50 Z100 N0880 M05 N0890 M02
备注：
本程序中起刀点、 换刀点、 加工完后的终刀点同为一点， 这样的程序编制比较适合零件的批量加工。 实际运行加工前， 一定要运行 “示教功能” 对程序反复检查与调试， 看看是否与您的编程要求吻合， 否则应对程序进行编辑修改，直到满足加工要求，方可运行“自动加工”进行加工。
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实验三：数控铣床加工实验
[实验目的]
1．掌握数控铣床的加工特点。 2．掌握数控铣床加工程序的结构特点及编制方法。 3．掌握数控铣床程序的输入、编辑、修改、调试、示教、运行等方法。
[实验属性]
本实验属演示性质
[实验内容]
数控铣床是计算机数控系统加上铣床本体， 在工件安装完毕， 由计算机控制的数控系统按以编好的 程序发出各项指令， 指挥铣床自动运行完成对零件的铣削加工， 整个过程由加工前的各项准备和自动运 行加工组成。
一、毛坯准备
分析零件图纸，选择加工方法，准备零件毛坯。毛坯的选择过程包括如下几个方面。第一：应满足 零件工艺加工方面的要求，包括如何进行定位装夹，以及合理的加工余量。第二：应考虑数控铣床的工 作特点（包括能换几把刀） ，能实现自动安装和自动定位的应尽量满足，以提高生产率减少工人劳动强 度。第三：对一些加工安装前就需准备好的部位，应提前考虑安排加工准备好。
二、刀具准备
加工前应根据加工所需刀具情况， 准备加工中所使用的各种刀具， 本次实验用数控铣床无换刀功能， 只能安装一把刀具。因此如果加工中需要多刀，手工换刀应考虑刀具的重新定位问题。刀具的安装可使 用工件进行对刀，也可以对刀块进行对刀。如果是多刀各刀具的安装误差，可在相应菜单中的刀具补偿 值进行修正，保证加工中各刀具处于同一坐标系。本次实验所用设备中无刀具补偿功能，每次只可使用 一把刀具，不考虑刀具的补偿问题。
三、系统软件介绍
本次实验的数控系统是采用基于 PC 平台的开放型数控系统，具有丰富的软件功能。操作中采用菜 单交互方式，启动后首先进入主控界面菜单，在主菜单的右侧自上而下有各个分菜单，通过上下方向键 移动光标进行选择，然后敲击回车键进入各项子菜单。下面对各项子菜单的功能作简单说明： 1. 文件管理： 该功能模块实现常用的文件管理操作，具有硬件自动检测功能。可对文件进行复制、删除、改变路 径、文件打印等操作。实验中一般可通过该功能模块检查所需的文件在不在，或者将实验所需程序拷贝 到机器中。 2. 文件编辑： 本编辑模块即可对已有的文件进行编辑，也可以创建新文件。但请注意：本编辑模块只能对后缀名 为“·NC” ，且长度不超过 400 行的数控文件进行编辑，长度超过 400 行的文件请选择其他编辑器进行 编辑，然后拷贝到机器之中。具体操作过程可按屏幕提示进行。 3. 参数设定： 此模块是对加工中的一些参数进行预先设定，具体操作过程可按屏幕提示进行。 4. 坐标设定： 坐标设定模块是为整个 CNC 系统提供坐标系，本系统采用空间右手笛卡儿直角坐标系。编程时可
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采用绝对坐标、相对坐标和极坐标方式。可对坐标系进行模拟选择、旋转和平移调整，可修改坐标显示 比例，改变刀具的形状及颜色等，另外还可进行刀具补偿值的输入和修改。所有的操作均可通过上下方 向键移动光标进行选择和修改。 5. 串口通讯： 略。 6. 示教功能： 该功能模块是对给定的数控代码，逐条逐句进行分析、解释、诊断，并可在屏幕上同步模拟显示出 刀具相对工件的运动轨迹，同时给出有关出错信息。进行示教功能演示时，应提前设好坐标系，否则得 不到正确的模拟显示结果。 在该状态下电机不联接，也不对相关的输入和输出口进行控制。用户通常是在运行一个新文件前， 通过示教功能的演示，检验一下运行代码的正确性。 7．模拟加工： 该功能与“示教功能”相类似。只是在运行数控代码时，数控系统与机床本体接通，此时屏幕上显 示刀具运行轨迹，同时机床各个控制轴作同步运行，检查实际加工轨迹。此时应注意机床运行时不可超 程。 8. 自动运行： 该功能是在一切准备完毕后，通过数控的控制系统发出指令，指挥铣床进行自动加工。在加工过程 中屏幕同步动态显示加工过程，从而实现实时监控。加工完成后，可按 F1 键重新运行该程序。 9. 手动运行： 该模块主要用于在准备阶段时对铣床进行调试和对刀。 其工作方式是计算机同铣床上工作面板中的 方向键结合使用，对铣床上的 X 轴、Y 轴、Z 轴进行手动运行调整，屏幕上同步显示调整的位置。注 意：加工对刀确定坐标系原点，一般采用手动坐标调整。 10. 立即执行： 该模块主要是完成现场 1 至 5 个代码指令， 也是在调试铣床时运用。 如： 主轴的启停、 变换速度等。 11. 系统复位： 使系统回到初始状态。 12. 退出系统： 从系统中退出，回到 DOS 状态。
四、铣加工程序的编制
铣削加工是机械加工中最常用的加工方式之一， 一般有平面铣削和轮毂的外形铣削。 平面铣削一般 是两轴联动，另一轴作进给运动即可完成，这样的数控铣床我们称为两轴半控制。复杂轮毂的外形铣削 均需要三轴以上联动才可完成。本次实验使用的数控铣床是两轴半控制，只能完成平面铣削加工。数控 铣床的工作过程，按编制好的加工程序发出各项指令，指挥铣床自动运行完成对零件的铣削加工。理想 的加工程序不仅能保证加工出合格的零件， 而且能使数控铣床的功能得到合理的利用和充分的发挥， 尽 可能的提高其工作效率，保证机床安全高效的工作。 零件加工程序的编制过程，包括分析零件图纸、进行工艺处理（选则走刀路线） 、进行数学处理（走 刀过程中各个点的计算、曲线与曲面坐标的运算） 、编制程序清单、程序的输入（包括效验与试运行） 等五个步骤。 1. 程序的结构与书写形式： 一个完整的数控加工程序由程序名和程序段构成。 程序的书写内容就是零件加工程序单。 程序的编 写可以用系统菜单中的“文件编辑”功能，也可以使用其它的文本编辑器，如 MS-DOS 中的 EDIT 命 令等，程序名一律以·NC 作为后缀名进行文件存储。每一个程序段一般是由程序段号、功能字、坐标 字、各种辅助功能等组成。整个程序内容是由全部的程序段，按段号由小到大排列组成。下面给出简单 程序加以说明： 设当前刀尖在工件表面上，使用绝对坐标编程如下：
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程序名：TEST·NC（功能字意义见表 1） N0010 G90 N0020 G17 N0030 S1000 N0040 M03 N0050 G00 Z10 N0060 X10 Y10 N0070 G01 Z-10 F300 N0080 Y210 N0090 X60 N0100 Y10 N0110 X10 N0120 Z10 N0130 M05 N0140 M02 运行结果见图 11；由 A 起步以 300mm/min 的速度走一矩形 A—B—C—D—A；
Z
O
10
60 X
10
2 10
Y
A
B
D
图 11
C
表 2：指令字的基本格式
名称 程序名 程序段号 基本格式 *.NC N×××× 主要含义 不同加工程序的代号 程序的段号 （最大为 9999） 运动方式 G×× G90、G91 G17、G18、G19 X××××.××或 X－××××.×× Y××××.××或 Y－××××.×× 坐标字 Z××××.××或 Z－××××.×× I××××.××或 I－××××.×× J××××.××或 J－××××.×× K××××.××或 K－××××.×× 进给功能 进给速度(mm/min)，螺纹 F××××.×× 导程(mm)，延时(s)。 F300 第 14 页 圆弧圆心对圆弧起点的坐 标值(mm)。 （直线、斜线、圆弧等） 绝对坐标、相对坐标 XY 面、ZX 面、YZ 面 坐标轴运动指令，绝对尺 寸(mm)。 I20 X－50 G01 N0050 示例 SY1.NC
准备功能 坐标功能 准备加工面

刀具功能 辅助功能 重复次数或 程序号、段 号
选择刀具和是否代刀具长 T×× M×× 度偏置补偿 机床各种辅助动作 循环重复次数，指定工件 L×××× 号、程序跳转段号及子程 序调用段号。 L03 L0101 T10 M03
2. 坐标系统： Z 系统采用空间右手笛卡尔坐标系统。空间一点的表示有绝对 坐标、相对坐标和极坐标三种表示，如图 12 所示：G90 有效时为 z 绝对坐标表示；G91 有效时为相对坐标表示；E 为极坐标描述标 志。 P(x,y,z) 3. 工件坐标系设定： O ⑴机械零点：是机器上的固定点，由装于每轴上的机械零点 x 接近开关决定， 机械零点相对于对刀点的坐标值可通过系统的 “参 数设定”来设定。 y ⑵工件坐标系：G92（浮动零点） G92 命令定义当前点的绝对坐标值， 工件并不移动。 G92 H01 Y －H08（8 个默认的工件坐标系可通过 P 参数设定） 。 图 12 注意：系统默认为刚进入自动运行时，刀具处于坐标零点。 G92 会改变进给长度，建议在程序开始时使用。G92 具有模态，相互取消。 4. 程序编制时应注意的问题： ⑴编制前应认真确定加工中的走刀路线，绘出走刀路线图，标出各个关键点的坐标值。 ⑵编制前应认真阅读相关的编程操作说明书，理解各指令的含义。 ⑶加工程序中应合理设置各项辅助功能，本系统不允许 G、T、S、M 指令共段。 ⑷实际加工前一定要进行反复调试，防止刀具与工件发生碰撞或超程现象。
X
五、实验步骤
1．实验前应仔细阅读实验指导书内容，并掌握相关的数控机床知识。 2．按实验要求编制加工程序单。 3．启动数控铣床，在空运转的情况下反复演练，熟悉其操作系统，对各项菜单进行熟悉，对各控 制按钮进行熟悉。 4．根据实验要求，在相应菜单中对“坐标系统”进行调整满足加工要求，对“参数设定”菜单中 相关参数进行设定。 5．将编制好的加工程序复制到系统中。 6．运用“示教功能”对加工程序进行反复调试，检查是否存在语法错误，如需修改请返回“编辑 功能”中进行，直到加工程序满足要求。 7．关闭机床，安装工件毛坯并校正。 8．运用“模拟加工”对零件进行检查，检查零件毛坯是否满足加工要求，机床运行中是否超程。 9．将准备好的刀具安装在刀具夹头上，手动调整确定刀尖位置，建立坐标系。至此全部调试完毕。 10．进入“自动运行”菜单执行加工程序，加工中可通过屏幕对加工过程进行监测，加工完毕后对 零件进行检测，分析实验结果。
六、思考题
1．编制如图 13 所示零件的数控加工程序。
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图 13 2.根据示图 14 加工工件外轮廓，用绝对坐标编写数控铣程序。已知：R刀＝5mm H01 F50 其它参数合理自定。
图 14
附：实验加工实例。
要求加工如图 15 所示的图形。刀具直径 4mm；毛坯尺寸 100mm×80mm，厚度 5mm；铣削深度为 1mm。
Y 35
10 X O 10 35
图 15 程序编制如下：程序名 SY－02.NC N0010 G91 N0020 G17 N0030 S600 N0040 M03 N0050 G01 Z5 F200 N0060 Z-6 F30
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N0070 G01 X10 Y35 F50 N0080 G03 X25 Y-25 I25 J0 F30 N0090 G01 X-35 Y-10 F50 N0100 G12 N0110 G01 X10 Y35 F50 N0120 G03 X25 Y-25 I25 J0 F30 N0130 G01 X-35 Y-10 F50 N0140 G11 N0150 G01 X10 Y35 F50 N0160 G03 X25 Y-25 I25 J0 F30 N0170 G01 X-35 Y-10 F50 N0180 Z20 F200 N0190 M05 N0200 M02
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实验四：数控机床伺服系统控制
[实验目的]
1） 了解直流双闭环 PWM 调速系统的组成结构和原理。 2） 测定直流双闭环 PWM 调速系统的调试方法及参数的设定。 3） 测定直流双闭环 PWM 调速系统得静态和动态性能指标。 4） 通过电流和速度调节器的设计和调试，了解调节器结构和参数对系统静动态性能的影响。
[实验属性]
本实验属综合性质
[实验内容]
一、系统工作原理
直流双闭环 PWM 调速系统是通过脉冲宽度调制（PWM）方法调节电枢脉冲电压的宽度（脉冲周 期保持不变）实现电动机的速度调节。其双闭环是典型的电动机调速系统结构。两个闭环分别由电流调 节器和速度调节器调节。由于调速系统调节的目标是速度，所以速度环是主环，即外环，而把电流环作 为次环，即内环。这种结构对由负载变化和电网电压波动等扰动引起的转速变化起抑制作用。该实验系 统的原理框图如图 16 所示。
图 16 直流双闭环 PWM 调速系统原理框图（三角波脉宽调制器） 图中
U n*
为速度给定信号电压，
U n 为速度反馈信号电压，U i* 为电流给定信号电压，U i 电流反馈
信号电压，
Uc
为 PWM 脉宽调制控制电压，ASR、ACR 分别为速度和电流调节器，GM 为三角波发生
器，UPW 为脉宽调制器，HVD 为高压栅极驱动器（例如集成电路 IR2130） ，PWM 为脉宽调制放大器 （IGBT） ，TA 为霍尔电流互感器，M 为他励直流电动机，TG 为直流测速发电机。系统实验电路如图 17 所示。
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