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实验一 数控铣床编程与操作

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实验一 数控铣床编程与操作
一、 实验目的
1．了解数控铣床的组成与结构
2．熟悉铣削加工的工艺参数
3．掌握数控铣床的程序编辑和基本操作
二、 实验要求
1．根据给定零件图纸，进行编程
2．模拟加工轨迹，并修改程序，验证所编程序是否正确
3．上机操作进行给定零件的加工
三、 实验设备
1．刀具轨迹仿真软件(熊族）
2．数控铣床（SKYCNC ）
3．计算机
四、 实验原理
1．数控铣床结构和编程基础
1) 数控铣床的基本组成

图1 数控铣床的基本组成
数控铣床的基本组成见图1，它由床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、滚珠丝杠、伺服装置、数控系统等组成。
整个机床的最右边为系统的控制部分,其由数控系统和伺服装置构成。数控系统用于输入零件加工程序和控制机床工作状态，而伺服装置用于驱动伺服电机。床身用于支撑和连接机床各部件。主轴箱用于安装主轴，该机器主轴转速可达24000r/min，转速之高可以帮助其完成精密零件的加工.主轴下端的锥孔用于安装铣刀。当主轴箱内的主轴电机驱动主轴旋转时，铣刀能够切削工件。那么在加工过程中，机床是怎样实现X、Y、Z三轴的运动呢？首先主轴箱可沿立柱上的导轨在Z向移动，使刀具上升或下降.刀具可沿滑鞍上的导轨在X向移动,工作台可沿床身上的导轨在Y向移动。无论是X、Y向，还是Z向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实现。当然数控铣床还包含了一些辅助功能的系统和装置，如液压、润滑、冷却系统及排屑、防护等装置.
2）机床坐标系和工件坐标系
无论操作数控机床或编程都必须清楚数控机床的坐标系统，一般来说数控系统有两个坐标系统：机床坐标系、工件坐标系。首先了解数控机床坐标和方向确定的标准：
(1）由于机床结构不同，有些是刀具运动工件静止,有些是刀具固定而工件运动，为了使编程人员在不需要了解机床的情况下就能根据图纸编程，一律规定为工件固定而刀具运动，也就是说无论是工件坐标系还是机床坐标系都遵循刀具相对于工件运动的原则。
（2)标准坐标系的规定必须明确两个要素，即坐标原点和坐标轴的方向。对于坐标系轴的方向，我们使用的是国际标准的笛卡尔坐标系,即通常所说的右手定则，如图2（a），拇指为X轴，食指为Y轴，中指为Z轴，指尖指向坐标轴的正方向.
既然机床坐标系和工件坐标系在坐标轴的方向上是一致的，那么对于确定坐标系的另一个要素，即坐标原点，两者肯定是不一样的。机床原点即机床坐标系的原点，它是数控加工时进行坐标计算的基准点，我们都知道数控加工时,机床上有许多移动部件，必须给这些移动部件设立一基准点才能定标，这个基准点就是机床原点。机床原点一般在机床出厂时就已设定,通常在各个坐标轴正向加工的最大极限处,也就是在机床最大加工范围下的右前角，见图3（b）,机床零点是通过机床参考点间接确定的。机床参考点一般设定在机床最大加工范围的上限平面的左后角。
实际操作过程中，回机床原点的操作十分简单，直接按数控系统上的机床回零按钮就可以了,每个坐标轴上会安装一组行程开关，每组行程开关有三个轴点，中间轴点为机床原点，当压到此轴点时，就达到了回机床原点的目的。
刚才我们讲机床原点是数控加工时坐标计算的基准点,那么，实际机床原点到底在什么位置，编程人员一般不清楚,即使已经知道，如果要将工件上上的所有尺寸都换算到机床原点上，换算工作十分繁琐且容易出错。同时可能出现这样一种情况,就是当在工件的不同位置加工同一加工轨迹时,在机床原点下编程，所编的程序是不一样的，也就是说所编的程序缺乏通用性。在这种情况下，编程人员很希望在工件上找一个容易计算的点作为编程的原点，从而大大简化计算量。那么这个点就是我们通常所讲的工件原点，有时也称为编程原点。
现在就面临这样一个问题，如何建立工件原点和机床原点的尺寸联系，如果找到这样的关系,我们就可以直接用工件原点进行编程。在实际操作过程中，我们通过对刀这步操作来建立两个原点之间的尺寸联系，大家首先要弄懂为什么要对刀,才能彻底了解我们对刀的这步操作，对刀实际上就是将工件原点的位置通知给数控机床。对刀点由编程人员设定在工件上，在加工时，应以操作简单、对刀误差小为原则选择对刀点。对刀的准确程度直接影响零件加工的位置精度，对刀方法要与零件的加工精度要求相适应,生产中常使用百分表、中心规及寻边器等工具。

（a） （b）
图2 机床坐标系统

光电式寻边器 Z轴设定器

Z轴设定器与刀具和工件的关系
对好刀后,我们就可以使用G54～G59指令来建立工件原点与机床零点间的尺寸联系.
3）G54～G59坐标参数
零点偏置功能使用G54～G59来分别表示相应的工件坐标原点在机床坐标系中的坐标值。也就是说，我们在工件上选择坐标系并不一定只找一点，对于复杂的零件我们可以选择多个坐标系统,G54~G59可以满足同时选择6个工件坐标系。以G54为例， [注:G55—G59的原点设定，加工功能与G54完全相同.例：如果工件原点输入到G56坐标系里，程序的坐标系就对应为：
G90 G00 G56 X_Y_Z_
工件坐标系1 G54
工件坐标系3 G56
工件坐标系6 G59
工件坐标系5 G58
工件坐标系4 G57
工件坐标系2 G55
机床原点

图3 G54～G59坐标系与机床原点的关系
G54～G59指令可使后续的坐标值成为工件坐标系1~6中的绝对坐标值.
G54指令格式（G54～G59均同样):
G54 G00 X_Y_Z_
说明:
G54～G59指令第一次使用时需有运动指令的驱动;如G54 G00 X0 Y0 Z10
要使用G54~G59建立工件坐标系，在进入系统后,先回机床原点，然后建立G54－G59的工件坐标系，否则建立的工件坐标系无效。
G54～G59参照机床原点来设定工件坐标系,所以机床加工过程中如遇到意外掉电或重新开机时，工件坐标系的位置不会丢失,保证了加工的安全性.
在使用G54～G59指令编程加工时,刀具可从机床任意位置启动,并执行程序。
G92指令是通过程序来设定、选用加工坐标系的，它所设定的加工坐标系原点与当前刀具所在的位置有关，这一加工原点在机床坐标系中的位置是随当前刀具位置的不同而改变的。
当执行程序段"G92 X10 Y10”时，常会认为是刀具在运行程序后到达X10 Y10点上。其实, G92指令程序段只是设定加工坐标系,并不产生任何动作，这时刀具已在加工坐标系中的 X10 Y10点上.
G54 G90 G01 X10 Y10时，运动部件在选定的加工坐标系中进行移动. 程序段运行后，无论刀具当前点在哪，它都会移动到加工坐标系中的X10 Y10 点上。.

2．数控加工程序
一个完整的数控加工程序一般由程序头、若干程序段以及最后的程序结束指令组成。其格式如下表所示：
1）程序头
由字母O与数字(程序号），形式如：O0001；
2）程序段
每个程序段可完成一段机床运动轴的控制，或者完成一个指定的功能控制.将程序段按照实际加工的顺序编入程序，即可完成一个完整的加工过程。每个程序段由若干个指令字的集合构成，每个指令字包括一个地址字和数字。
地址字包括：N、G、X、Y、Z、A、B、C、U、V、F、S、O、L、Q等。
程序段举例:N1 G01 X50 Y55 Z100 F1500 M08
3）程序尾
程序的结束由指令M02构成,单独成行，切不可用M30作为结束语句。M30表主程序停止。
4）主程序和子程序
在一个加工程序中，如果有几个程序段过程完全相同，为了缩短程序,可将这些重复的字段串单独抽出，按规定的程序格式编成子程序，并放在主程序后。主程序在执行过程中，经过调用子程序，可以大大简化编程工作。
子程序的构成与主程序类似，是由子程序头、程序段和子程序结束构成.
子程序号由冒号：字母O与数字组成;子程序结束由指令M99构成，单独成行。子程序构成如下：
N程序号字
G准备功能指令代码
M辅助功能指令代码
G90 绝对坐标方式
G91 增量坐标方式
G00 快速定位功能，以系统设定的速度快速移动到程序指定点，只定位，不切削加工，不需指定速度.
G01 直线插补指令，此代码在程序段中一经指定就一直有效，直至后续程序段中出现同组的G代码时才失效。
G02 圆弧插补功能，XYZ后跟圆弧终点坐标，IJK后跟圆心相对于圆弧起点的坐标，由正负之分。当然也可用R代替IJK,当圆弧圆心角大于180时，为负值。
:O0001;
程序段；
M99;
在主程序中调用子程序的指令格式如下：
M98 P0045 L2；执行2次子程序0045
本次实验的主程序和子程序格式如下：

主程序
子程序
备注
程序头
O0012
O0045
程序号
程序段
M03 S6000
M08
G54
×
常用
准备代码
程序段

加工轨迹和进给速度
程序段
M05 M09

常用
准备代码
程序结束
M02
M99
固定代码

3．数控加工工艺
1）粗、精加工时切削用量的选择原则
（1）粗加工时切削用量的选样原则 首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量:最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度.
（2）精加工时切削用量的选择原则 首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量;其次根据已加工表面的租糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证加工质量、刀具耐用度和机床允许的前提下，选择大的切削用量，以提供加工效率。
2)顺铣与逆铣
顺铣：铣刀对工件的作用力在进给方向上的分力与工件进给方向相同的铣削方式。
逆铣：铣刀对工件的作用力在进给方向上的分力与工件进给方向相反的铣削方式。

必须选用顺铣情况
（1）工作台丝杠，螺母传动副有间隙调整机构，并可调整到足够小（0.03~0.05mm)。
（2）铣刀作用于工件上进给方向的分力Ff小于工作台与导轨之间的摩擦力.
（3）铣削不易夹紧和薄而长的工件。
顺铣时切削点的切削速度方向在进给方向上的分量与进给速度方向一致。
顺铣是为获得良好的表面质量而经常采用的加工方法.它具有较小的后刀面磨损、机床运行平稳等优点，适用于在较好的切削条件下加工合金钢。
逆铣时切削点的切削速度方向在进给方向上的分量与进给速度方向相反。 鉴于采用这种方式会产生一些副作用，诸如后刀面磨损加快从而降低刀片耐用度,在加工高合金钢时产生表面硬化，表面质量不理想等，所以一般情况下不采用逆铣.
（3) 刀具补偿
O0005
N0010 G54 T01 S1000 M03
N0020 G90 G00 X0 Y0
N0030 G41 X20 Y10 D01
N0040 G01 Y70 F100
N0050 G01 X70
N0060 G01 Y20
N0070 G01 X10
N0080 G40 G00 X0 Y0
N0090 M02
五、 实验步骤
1．数控编程
根据零件图、毛坯材料和加工刀具，在文本编辑器中编写数控加工程序,编写完成后以*。NC（其中＊为文件名）保存。
工件材料：80×80铝(有色金属）； 刀具:Ф4立铣刀；零件如图4所示

图4 零件图
2．程序模拟
点击“熊族.exe” （）进入如图5所示的界面，点击“Open”，选择待仿真的数控加工程序（NC文件)，检查刀具路径是否正确，如程序有错,则修改后继续仿真，直到程序完全正确.

图5 程序模拟界面
3．零件加工
确认钥匙开关处于关闭位置,紧急停止按钮处于按下状态后合上机床总电源，此时操作面板上的电源指示灯亮为白色，依次打开“钥匙开关”,计算机,WINDOWS系统，SKY2003数控系统，打开“紧急停止”按钮和“机床工作"按钮。
首先打开SKYCNC2003数控系统，即出现如图6所示的界面,然后依次进行机床回零、刀具安装、对刀找工件坐标零点和自动加工操作。

图6 数控系统主界面
机床回零：点击键盘上的“F4”或鼠标点击主菜单条上的“F4返参方式”进入机床回零界面,如下图所示，选择“3机床原点"，按F6（注意数控铣床的确认键为F6)，后使机床的Z轴、Y轴和X轴依次移动到机床零点.

图7 返参方式界面
刀具安装：选择加工所需要的刀具和相应的夹套，安装到主轴上，本次实验选取φ4的立铣刀。
讲到建立工件原点与机床原点之间的尺寸联系,就不得不提对刀这一操作，对刀点是设置在工件坐标系中，用以确定工件坐标系与机床坐标系空间位置关系的参考点，在加工时，应以操作简单、对刀误差小为原则选择对刀点.对刀的准确程度直接影响零件加工的位置精度，对刀方法要与零件的加工精度要求相适应，生产中常使用百分表、中心规及寻边器等工具。对刀找工件坐标零点：点击键盘上的“F2”或鼠标点击主菜单条上的“F2手轮方式"进入手轮方式，如图8（a）所示，再点击“手轮打开”，使手轮方式有效，通过手轮将刀尖移动到编程原点，此时关闭手轮方式，切换到“手动方式”，点键盘上按钮“4"，设定主轴转速,主轴转速设为2000r/min，点击操作面板上“主轴正转”进行试切。随后返回“手轮方式”点击“6 坐标参数"，进入如图8（b）所示的编辑界面，将该位置下的机床坐标值输入到G54参数中。

（a） （b）
图8 手轮方式界面
自动加工：点击键盘上的“F1”或鼠标点击主菜单条上的“F1自动方式"进入自动加工界面，如图9（a）所示，再点击“1加工控制"进入如图9（b）所示的界面，选择待数控加工程序(NC文件）,最后点击“F6”两次后,便开始自动加工.

(a） （b）
图9 自动加工界面
在加工过程中如果出现超程的现象,则“手轮方式"失效及“机床回零"等操作失效，此时只有通过“手动方式"来调节,首先切换到“手动方式”，按 “5”切换所选轴，按“7”超程的轴正向移动，按“8”超程的轴反向移动。
在加工过程中，可以通过点击“Page Up”和“Page Down"键来调整进给速度，点击“Insert”和“Delete”键来调整主轴转速.
零件加工过程简要描述
打开总电源前，确认钥匙开关关闭，紧急停止按钮关闭后，打开总电源,启动系统，此时讲机床结构，打开数控软件后，开紧急按钮和机床工作按钮。
首先机床回零，按F6确认，将F6作用.
对刀，有手轮和手动两种方式，为了方便，我们一般选用手轮方式.对刀是用来确定对刀点在机床坐标系下的坐标值，对刀点由编程人员设置在工件上，是建立工件原点和机床原点关系的参考点,当对刀点和工件原点重合时，则将对刀点在机床坐标系下的坐标直接输入G54指令下即可，当对刀点和工件原点不重合时，我们使用G54输入对刀点在机床坐标系下的坐标时则要考虑对刀点和工件原点间的差值。对刀点的选择和零件加工的尺寸精度有关，因此对刀方法要和零件加工要求相适应,当加工要求较高时，使用百分表、中心规及寻边器等工具进行对刀和试切.
介绍手轮按键,适用手轮移动到加工位置后，切换到手动方式定义主轴转速，按主轴正转后切换到手轮方式进行试切，随后点击“6坐标参数"将对刀点坐标输入G54中,关闭手轮方式进入自动加工，按加工控制后调出程序,按两次F6后开始加工。
加工好后,退出工件，进行测量，附带讲下超程时如何解决,将刀具退回适当位置，按下紧急按钮,退出程序,关闭钥匙开关和总电源，清洗.

4．机床维护
实验完成后将零件取下,机床移动到适当位置，刀具放回工具箱,并清理机床后按开机顺序相反的次序关闭系统。
六、 实验注意事项
1．通电前应确认钥匙开关在关闭位置，急停按钮处于按下状态
2．机床上电后，应检查系统状态，并严格按操作规程进行操作。
3．实验结束后,应按下“机床锁住”键和“紧急停止”旋钮，再退出SKY数控系统和WINDOWS系统，最后将钥匙开关放在关闭位置，切断电源。
4．加工过程中应关上所有防护门，加工完毕后方可打开.
5．在机床运行过程中,如有紧急情况,请立即按下急停按钮。实验报告要求
1．实验任务

2．实验设备
机床型号： 刀具：
毛坯尺寸：
毛坯材料：

3．画出零件图，写出数控加工程序代码清单

4．写出上机进行零件加工的操作步骤

5．根据以下数控加工程序，画出刀具轨迹
O0100
N0010 T01 S6000 M03
N0020 M08
N0030 G54 G00 X0 Y0
N0040 G90 G00 Z5
N0050 G00 X—20 Y0
N0060 G01 Z-0。5 F1000
N0070 G02 X20 Y0 I20 J0
N0080 G03 X0 Y0 I-10 J0
N0090 G02 X—20 Y0 I-10 J0
N0100 G03 X20 Y0 I20 J0
N0110 G00 Z5
N0120 G00 X0 Y0
N0130 G00 Z0
N0140 M05 M09
N0150 M02