数控技术(A)实验指导书.docx

数控技术（A）
实验指导书

机械与车辆学院
机电教研室
2014.2

实验一 逐点比较法插补原理及实现实验
一、实验目的
利用逐点比较法的插补原理，编写直角坐标系下的直线、圆弧插补程序，观察其运动轨迹，设计直线和圆弧插补图样，在机电一体化综合测试平台上通过插补过程通过笔架打印出来。

二、实验设备
机电一体化综合测试平台（共6台，交流伺服、直流伺服、步进电机各2台）

三、实验原理
逐点比较法：就是每走一步控制系统都要将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使之逼近加工轨迹。逐点比较法以折线来逼近直线或圆弧，其最大的偏差不超过一个最小设定单位。
插补过程：每走一步要进行以下四个步骤：
(1) 位置判别 根据偏差值确定当前加工点的位置。
(2) 坐标进给 根据判别的结果，确定沿哪个坐标进给一步以接近曲线。
(3) 偏差计算 根据递推公式算出新加工点的偏差值，作为下一步偏差判别的依据。
(4) 终点判别 判别加工点是否到达终点，未到过终点则返回第一步继续插补，到终点则停止。

四、实验要求
(1) 实验前复习逐点比较法插补算法原理；
(2) 实验时首先设计插补图样，运行已编辑好的插补程序，理解程序中各参数的含义，再按照预编程序的编程格式，根据插补各点坐标，编辑并修改插补程序运行程序，观察笔架的运动是否与设计一致。
(3) 实验后提交实验报告。

五、实验特点
在数控机床的实际加工中，利用逐点比较法加工一条直线或圆弧，由于脉冲当量比较小（一般为0.01mm），刀具的运动轨迹用肉眼观察还是直线或圆弧，不能观察到刀具的实际，本实验中，机电一体化综合测试平台上的笔架相当于刀具，笔架每步的移动距离（相当于脉冲当量）可以变化，修改程序中的步长参数就可以实现。通过加大步长参数，笔架的实际运动轨迹就会直观地显示出来，实验者能很容易理解逐点比较法的插补原理和刀具的实际运动轨迹。

六、实验步骤
(1) 接线，关掉电源，根据电气连接图搭建交流伺服运动控制系统；
(2) 调整笔架位置，按“回零”键将X、Y轴回至原点；
(3) 根据设计图样，设计插补程序和坐标；
(4) 编辑和修改程序；
(5) 观察笔架的运动轨迹，打印图样。
七、实验报告要求：
实验报告每人一份，内容包括：
（1） 实验所用设备名称；
（2） 简要叙述逐点比较法直线、圆弧插补原理；
（3） 笔架绘制出的设计图样，包括直线和圆弧1张图；
（4） 分析实验结果，说明逐点比较法的优缺点。

八、实验参考文献
[1] 廖效果，刘又午. 数控技术. 湖北科学技术出版社，武汉：2000.
[2] 机电一体化综合测试平台使用说明书，固高科技(深圳)有限公司.

实验一《逐点比较法插补原理及实现实验》实验报告
班级 姓名 学号 成绩
课程名称
暃二地二辳地一
实验项目性质
技能
演示
综合
设计
其他
实验名称

实验目的：

实验所用设备名称：

简要叙述逐点比较法直线、圆弧插补原理：

实验主要步骤：

分析实验结果，说明逐点比较法的优缺点。

注意：打印图样附在实验报告后。
实验二 步进控制系统实验
一、实验目的
(1)了解步进控制系统的组成和控制原理；
(2)理解步进电机的转速控制方式和调速方法；
(3)熟悉步进控制系统的操作和使用方法；
(4)熟悉步进驱动器参数的设置，控制系统的参数设置等；
(5)通过本实验提高学生对自动化控制的熟悉和了解,锻炼学生的动手和实践能力。

二、实验设备
机电一体化综合测试平台（含步进电机控制模块）共2台

三、实验原理
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步 进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达 到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机控制系统结构如下，通过单片机或是计算机等发送控制命令给电机驱动器，电机驱动器将控 制命令转化为驱动信号给执行电机。
步进电机结构如下，单极性 (unipolar) 和双极性 (bipolar) 是步进电机最常采用的两种驱动架构。单 极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位，电机包含两组带有中间抽头的线圈，整个电机 共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为四相电机或应是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽 又称为单极性步进电机，实际上却能同时使用单极性或双极性驱动电路。

图2-1 步进电机工作原理
单极半步运行的原理如图2-2，通过驱动器控制电机线路，在相应的位置产生如下的磁场，驱动电机一步 一步的运动。
步进电机一般用于开环伺服系统，由于没有位置反馈环节，固位置控制的精度由步进电机和进给丝杠 等等来决定。虽档次低，但是结构简单价格较低。在要求不高的场合仍有广泛应用。在数控机床领域中大功率的步进电机一般用在进给运动（工作台）控制上，但是就控制性能来说其特性不如交流伺服电机。振动、噪音也比较大。尤其是在过载情况下，步进电机会产生失步，严重影响加工精度，但其便宜的价格， 方便使用的特点，在工业中的达广泛的应用。

图2-2 单极半步运行的原理

四、步进控制面板结构

步进控制面板具体结构图（驱动器部分），如图 2-3 所示，主要包括电机连接线、编码器反馈信号、与 运动控制器相连信号以及驱动器本体组成；

步进驱动器
控制信号

电机 连接
线

信 号 测 试
点

图2-3 步进控制面板

（1）电机连接线

+A、-A、+B、-B、AC、BC 信号为步进电机的电源线；

（2）连接运动控制器信号

+5V --------------------------为驱动器提供+5V 电源；

PUL+、PUL- --------------为脉冲信号，用于控制电机的进给量；

DIR+ 、DIR- --------------为方向信号，用于控制电机的方向；

五、实验步骤

1、接线实验

根据电气连接图搭建步进运动控制系统，具体接线步骤如下所示：

1) 电机电源接线

将步进控制面板上左上角的电机动力线接口“+A、-A、+B、-B、AC、BC”分别和机械本体信号接口面 板上的“+A、-A、+B、-B、AC、BC”相连(Note1)；

步进控制面板
机械本体信号接口面板

Note1:
当步进轴位于 X 轴时,与机械本体信号接口面板的 X 轴电机信号部分的信号相连接; 当步进轴位于 Y 轴时,与机械本体信号接口面板的 Y 轴电机信号部分的信号相连接; 当步进轴位于 Z 轴时,与机械本体信号接口面板的 Z 轴电机信号部分的信号相连接;

2) 驱动器和运动控制器之间的连接线

将步进控制面板上右边 PUL+、PUL-、DIR+、DIR-、+5V 信号和机械本体接口面板的 PUL+、PUL-、
DIR+、DIR-、+5V 一一相连接；(Note2)；

步进控制面板
运动控制器信号接口面板

Note2:
当步进轴位于 X 轴时,与运动控制器接口面板的 X 轴的信号相连接; 当步进轴位于 Y 轴时,与运动控制器接口面板的 Y 轴的信号相连接; 当步进轴位于 Z 轴时,与运动控制器接口面板的 Z 轴的信号相连接;

3) 机械本体和运动控制器之间的连接线

a)、将机械本体信号接口面板上的 HOME、LIM+、LIM-与运动控制器信号接口面板上的 HOME、LIM+、
LIM-相连接（Note3）；

HOME-------用来检测机械本体上的零点信号；机械回零时，需要用到该信号；

LIM+ --------用来检测机械本体上的正限位信号，保护轴在运动过程中，平台不与机械端面发生碰 撞，避免超出行程；

LIM- --------用来检测机械本体上的负限位信号，保护轴在运动过程中，平台不与机械端面发生碰 撞，避免超出行程；

机械本体信号接口面板
运动控制器信号接口面板

Note3:
当步进轴位于 X 轴时,与运动控制器接口面板的 X 轴辅助信号相连接; 当步进轴位于 Y 轴时,与运动控制器接口面板的 Y 轴辅助信号相连接; 当步进轴位于 Z 轴时,与运动控制器接口面板的 Z 轴辅助信号相连接;

b)、将机械本体信号接口面板上辅助编码器信号 A5+、A5-、B5+、B5-、+5V、GND 与运动控制器信 号接口面板上辅助编码器信号 A5+、A5-、B5+、B5-、+5V、GND 一一对应相连接（Note4）；

Note5：

当步进轴位于 X 轴时，需要连接该部分的信号，用来进行反向间隙实验；

c）、将机械本体信号接口面板上的 OVCC、OGND 与运动控制器信号接口面板上的 OVCC、OGND 相 连接；OGND 为电源地，该信号不接，则会造成 I/O 信号没有电源地，造成 I/O 信号不对；

机械本体信号接口 运动控制器信号接口面板

4) 接线确认无误后，给系统上电；

5) 等待一会儿，系统自动进入机电一体化技术综合测试平台软件界面(如图2-4 所示)；

图 2-4 机电一体化技术综合测试平台程序主界面

2、驱动器参数设置

按照步进驱动器设置步骤进行相应的参数设置，出厂默认设置；

3、步进控制系统实训实验

该部分主要用来检测电气接线是否连接正确，让学生加深对步进控制系统统电气图的连接；熟悉各 个部分的电气连接；具体步骤：

1）、在机电一体化技术综合测试平台软件主界面（图 4-3），点击“实训与故障诊断实验”按钮，进入“实 训与故障诊断实验”界面（图 2-5）；

图2-5 实训与故障诊断实验主界面

2）、点击相应的轴通道接线按钮（Note4）；进入相应的轴接线显示界面（图2-6），在该界面可以看 到连线的接通状态；接线连接通，相应按钮会亮绿色；反之，则表明连线未接通，请检查连接是否接错； 对照步进控制系统的电气图纸，核对与驱动器连接部分的信号，在图 4-5 中是否都接通；如果没有，请 查找接线错误，直到接线错误排除为止；

图 2-6 交流伺服控制面板

Note4:
当步进轴位于 X 轴时,点击“X 轴连线”按钮；进入 X 轴接线； 当步进轴位于 Y 轴时,点击“Y 轴连线”按钮；进入 Y 轴接线； 当步进轴位于 Z 轴时,点击“Z 轴连线”按钮；进入 Z 轴接线；
3）、点击“返回”按钮，在图 2-5 界面，点击“机械本体”按钮，查看机械本体与运动控制器的信号连 接；如图 2-7 所示：

图2-7 机械本体信号接口面板

4）、点击“返回”按钮，回到图 4-4 界面，在“Teacher’s Fault List ”下面的列表没有错误提示（有错误 提示时，会看到相应的组号有红色显示）；可以进行该轴的其它实验（Note5）；

Note5：该轴指的是图 2-6中显示的轴号；

六、实验参考文献
[1] 廖效果，刘又午. 数控技术. 湖北科学技术出版社，武汉：2000.
[2] 机电一体化综合测试平台使用说明书，固高科技(深圳)有限公司.

实验二《步进控制系统实验》实验报告
班级 姓名 学号 成绩
课程名称
暃二地二辳地一
实验项目性质
技能
演示
综合
设计
其他
实验名称

实验目的：

实验所用设备名称：

简核述步进电机基本原理：

实验主要步骤：

分析实验结果，总结步进电机的主要控制方法。

实验三 数控铣床平面铣削自动编程
一、实验目的
（1）了解数控铣削的工艺分析方法与工艺设计；
（2）熟悉公共项目的设置；
（3）熟悉数控铣床平面铣削加工刀具路径的创建方法；
（3）掌握后处理数控程序的自动生成方法。
二、实验装置
计算机，UG NX 6.0软件 。
三、实验性质与实验进行方式
技能性实验，必做。
四、实验内容与步骤
（一）零件工艺分析
1．零件概述
心形凹模零件如图3-1所示的，草图如图3-2所示，长方体高度为30mm，其下凹部位为一个心形的直壁凹模，凹槽由6段相切的圆弧组成，上表面与底面均为平面，形状较为简单，心形深度为16mm。毛坯为180mm×140mm×30.5mm的长方体。

图3-1 心形凹模立体图 图3-2 心形凹模草图
2．工艺分析
需要对心形凹模进行上表面的精加工和凹槽的粗、精加工。以底面固定安装在数控机床工作台上。
⑴工件坐标系原点设置。为方便进行对刀，将工件坐标系设置在顶部平面的心形中心位置，如图3-1和图3-2所示。
⑵加工工步分析。由于本零件的形状较为简单，可以使用平面铣加工，没有尖角或者很小的圆角，同时表面没有特别的要求，可以使用φ16mm的平底立铣刀进行加工，可以避免换刀操作。本零件加工分以下3步：
① 第1次平面精加工。每刀切削侧向步距取9.6mm；设置主轴转速为1500r/min，进给速度为300mm/min。
②第2次凹槽粗加工。每刀切削侧向步距取6mm；采用分层切削，每层切削深度为0.5mm，设置主轴转速为1000r/min，进给速度为500mm/min。
③第3次侧面精加工。采用分层切削，每层切削深度为1mm，设置主轴转速为1500r/min，进给速度为300mm/min。
（二）公共项目设置
1．进入加工模块
2．固定导航器
3．设置安全高度
4．设置毛坯
注意：在Workpice节点创建的实心体毛坯对平面铣操作的创建没有直接影响，不是操作的参数，仅仅是满足最后验证刀轨的需要。预先在建模界面下创建好180mm×140mm×30.5mm的半透明长方体作为毛坯。

图3-3 半透明的长方体毛坯
5．设置加工公差
6．创建刀具
在【插入】工具栏上单击【创建刀具】按钮，系统弹出如图3-4所示的“创建刀具”对话框，在“名称”文本框中输入“D16”，单击对话框中的“确定”按钮，系统弹出如图3-5所示的“铣刀-5参数”对话框，在“直径”文本框中输入“16”，单击对话框中的“确定”按钮。
（三）面铣削精加工
1．创建面铣削操作
2．指定面边界
3．刀轨设置
4．设置进给和速度
5．生成刀轨
6．检验刀轨
7．后处理
（四） 平面铣粗加工
1．创建平面铣操作
2．指定几何体
⑴指定部件边界。 ⑵指定毛坯边界。 ⑶指定底面。

图3-4 “创建刀具”对话框 图3-5 “铣刀-5参数”对话框
3．刀轨设置
⑴切削模式。选择“跟随周边”模式。
⑵步距。采用系统默认选项“%刀具平直”、“平面直径百分比”为40.0。
⑶切削层。⑷切削参数。⑸非切削移动。⑹进给和速度。
注意：使用“用户定义”方式指定切削深度的“最大值”与“最小值”，产生的切削可以在指定值范围内进行分配，以使平面部分能最好地被切削。
4．生成刀轨
5．检验刀轨
6．后处理
（五）侧面精加工
1．复制平面铣粗加工操作
2．设置方法
3．设置切削模式
4．设置切削层
5．设置切削参数
6．设置进给和速度参数
7．生成刀轨
8．检验刀轨
9．后处理
10．保存文件
五、实验参考文献
[1]吴明友编 《UG NX 6.0中文版数控编程》 北京：化学工业出版社 2010年
[2]吴明友编 《UG NX 6.0中文版数控铣削》 沈阳：辽宁科学技术出版社 2010年

实验三《数控铣床平面铣削自动编程》实验报告
班级 姓名 学号 成绩
课程名称
暃二地二辳地一
实验项目性质
技能
演示
综合
设计
其他
实验名称

实验目的：

实验装置：

实验主要步骤：

实验总结：
比较数控铣削手工编程与自动编程的优缺点，并写出你的认识和体会

实验四 数控铣床曲面铣削自动编程
一、实验目的
（1）了解数控铣削的工艺分析方法与工艺设计；
（2）熟悉公共项目的设置；
（3）熟悉数控铣床曲面铣削加工刀具路径的创建方法；
（3）掌握后处理数控程序的自动生成方法。
二、实验装置
计算机， UG NX 6.0软件。
三、实验性质与实验进行方式
技能性实验，必做。
四、实验内容与步骤
（一）零件工艺分析
1．零件概述
摩擦圆盘压铸模型腔模型立体图如图4-1所示、零件图如图4-2所示，尺寸范围为Φ148mm×40mm，材料为H13。该零件由一个碗形的底部型腔和5个凸台组成。采用毛坯大小为Φ148mm×8mm和Φ140mm×32mm的两个圆柱体组合而成的实体，毛坯外形已车削成型。

图4-1 摩擦圆盘压铸模型腔模型立体图
2．工艺分析
⑴工件坐标系原点设置。为方便进行对刀，将工件坐标系设置为X、Y在圆盘的中心处，Z在圆盘顶面，即模型的最高点处。
⑵加工工步分析。根据该零件的结构，分以下4步对该零件进行加工：
1）第1步开粗。采用D12R0.4的圆鼻刀，考虑到刀具的切削负荷，所以每刀切削侧向步距取8mm；采用分层切削，每层切削深度为0.3mm，设置主轴转速为2500r/min，进给速度为2200mm/min。
2）第2步半精加工。采用D8R4的球刀，采用分层切削，每层切削深度为0.2mm，设置主轴转速为3000mm/min，进给速度为2000mm/min。
3）第3步精加工。采用D6R3的球刀，设置主轴转速为3500r/min，进给速度为1500mm/min。
4）第4步清根加工。采用D2R1的球刀，设置主轴转速为5000r/min，进给速度为1000mm/min。

图4-2 摩擦圆盘压铸模型腔模型零件图
（二）公共项目设置
1．进入加工模块
2．固定导航器
3．设置安全高度
4．设置几何体
5．设置加工公差
6．创建刀具
如图4-3所示的“创建刀具”对话框，选择“类型”为“mill_contour”（轮廓铣），在“刀具子类型”下选择“MILL”（铣刀），在“名称”文本框中输入“D12R0.4”，单击对话框中的“确定”按钮，系统弹出如图4-4所示的“铣刀-5参数”对话框，在“直径”文本框中输入“12”，在“底圆角半径”文本框中输入“0.4”，在“长度”文本框中输入“75”，在“刀刃长度”文本框中输入“50”，单击对话框中的“确定”按钮。同样的方法创建D8R4、D6R3、D2R1的球刀，在“刀具子类型”下选择“BALL_MILL”（球刀） ，3把刀的“长度”分别为60mm、50mm、50mm，3把刀的“刀刃长度”分别为14mm、12mm、5mm。

图4-3 “创建刀具”对话框 图4-4 “铣刀-5参数”对话框
（三） 粗加工
1．创建形腔铣操作
2．指定切削区域
3．刀轨设置
4．生成刀轨
5．检验刀轨
6．后处理
（四） 半精加工
1．创建深度加工轮廓操作
2．指定切削区域
3．刀轨设置
4．生成刀轨
5．检验刀轨
6．后处理
五、实验参考文献
[1]吴明友编 《UG NX 6.0中文版数控编程》 北京：化学工业出版社 2010年
[2]吴明友编 《UG NX 6.0中文版数控铣削》 沈阳：辽宁科学技术出版社 2010年

实验四《数控铣床曲面铣削自动编程》实验报告
班级 姓名 学号 成绩
课程名称
暃二地二辳地一
实验项目性质
技能
演示
综合
设计
其他
实验名称

实验目的：

实验装置：

实验主要步骤：

实验总结：
请比较数控铣床平面铣削、钻削和曲面铣自动编程公共项设置和刀路创建的异同之处。

实验五 数控车床加工自动编程
一、实验目的
（1）了解数控车削的工艺分析方法与工艺设计；
（3）熟悉公共项目的设置；
（2）熟悉工件外圆粗精加工刀具路径的设定；
二、实验装置
计算机，UG NX6.0软件。
三、实验性质与实验进行方式
技能性实验，必做。
四、实验内容与步骤
㈠ 分析图纸
如图5-1所示零件图是一个典型的复杂轴类零件，本实验只创建外圆粗车加工、外圆精车加工的刀具路径和及其数控车床加工程序的自动生成。零件的尺寸范围为φ100mm×100mm。毛坯采用大小为φ105mm×120mm的棒料。

图5-1 车削数控编程综合实例零件
（二）确定加工工艺
首先进行端面车削加工，再进行外圆粗车加工、外圆精车加工、外圆切槽加工、外螺纹车削加工、端面切槽加工，最后进行端面通孔加工。零件的加工工艺过程如表5-1所示。其中2、3项是本次实验内容。
表5-1 零件的加工工艺过程
工序
工序内容
设 备
刀 具
备 注
1
车削端面
数控车削加工中心
端面车刀

2
粗加工外圆
数控车削加工中心
外圆车刀
留余量0.3mm
3
精加工外圆
数控车削加工中心
外圆车刀
设置加工余量为0
4
外圆面切槽加工
数控车削加工中心
切槽刀
两处
5
车削加工外螺纹
数控车削加工中心
螺纹车刀

6
端面切槽加工
数控车削加工中心
切槽刀

7
钻中心孔加工
数控车削加工中心
中心钻

8
钻孔加工
数控车削加工中心
标准钻头

9
切断
数控车削加工中心
切断刀

（三）公共项目设置
1．进入加工模块
2．创建几何体
⑴创建车削加工坐标系。
⑵编辑WORKPIECE几何对象。
⑶编辑TURNING_WORKPIECE几何对象。
3．创建刀具
⑴创建OD_80_L外圆粗车刀。 ⑵创建OD_55_L外圆精车刀。
（四）外圆粗加工
外圆车削粗加工是车削加工中最基本的加工方法之一，下面介绍外圆粗车加工的操作创建过程。
1．创建操作
2．设置切削区域
3．切削策略
4．层角度
5．方向
6．步距
7．变换模式和清理
8．切削参数
9．非切削移动
10．进给和速度 ⑴设置主轴转速。 ⑵设置进给速率。
11．机床控制
12．生成刀具轨迹
13．确认刀具轨迹

图5-2 外圆面粗车加工的刀具轨迹 图5-3 外圆面粗车加工的仿真结果
（五）外圆精加工
外圆精车加工是用来保证零件加工精度的工序，可以获得好的加工表面质量，外圆精车加工操作的创建过程与外圆粗车加工相似，这里不加以详述。

图5-4 外圆面精车加工的刀具轨迹 图5-5 外圆面精车加工的仿真结果
五、实验参考文献
[1]吴明友编 《UG NX 6.0中文版数控编程》北京：化学工业出版社 2010年
[2]吴明友编 《UG NX 6.0中文版数控铣削》沈阳：辽宁科学技术出版社 2010年
实验五《数控车床加工自动编程》实验报告
班级 姓名 学号 成绩
课程名称
暃二地二辳地一
实验项目性质
技能
演示
综合
设计
其他
实验名称

实验目的：

实验装置：

实验主要步骤：

实验总结：
请课后写出你在本次实验中的收获和感受，并写出心得体会。