数控技术基础指导书.docx

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《数控技术基础》
实 验 指 导 书

主编 要小鹏

西南科技大学制造科学与工程学院
2006年11月

实验一 数控机床结构实验
一、实验目的
1、 通过数控机床的剖析及示教，掌握数控机床的一些基本概念。
2、 了解数控机床的组成、分类，数控机床的工作原理，数控机床的坐标系统等。
二、实验要求
1、预习实验指导书。
2、熟悉实验安全规程。
3、认真完成实验报告。
4、实验结束后做好设备清理工作。
三、实验原理
数控机床采用数字化信息技术对机床的运动及其加工过程进行自动控制与操作运行。它解决了传统方式难以解决的复杂零件的制造问题；其准确性与高效性改变了以往机械工业中周期长、效率低的局面；其柔性的工作方式，能充分适应多品种、小批量的现代化生产需要。现在的数控机床一般由CNC装置、伺服驱动、主轴驱动及机床本体等几个部分组成。数控机床的工作过程大致有如下几个过程，见图 1-1 。

图1-1
    数控机床的总体结构布局应按要求既满足从机床性能、加工适应范围等内部因素考虑确定各构件间位置，同时亦满足从外观、操作、管理到人机关系等外部因素考虑安排机床总布局。数控机床不同的布局形式给机床工作带来了不同的影响，从而形成不同的特点，其影响主要表现在如下几个方面：
1、不同布局适应不同的工件形状、尺寸及重量
  如图 1-2 所示均为数控铣床，但四种布局方案适应的工件重量、尺寸却不同。其中， （ a ）适应较轻工件，（ b ）适应较大尺寸工件，（ c ）适应较重工件，（ d ）适应更重更大工件。
2、不同布局有不同的运动分配及工艺范围
  如图 1-3 所示为数控镗铣床的三种布局方案。其中，（ a ）主轴立式布置，上下运动，对工件顶面进行加工；（ b ）主轴卧式布置，加工工作台上分度工作台的配合，可加工工件多个侧面；（ c ）在（ b ）基础上再增加一个数控转台，可完成工件上更多内容的加工。

图1－2 数控铣床的布局

图1-3 数控镗铣床的布局图
3、不同布局有不同的机床结构性能
如图 1-4 所示为几种数控卧式镗铣床。其中（ a ）、（ b ）为 T 形床身布局，工作台支承于床身，刚度好，工作台承载能力强；（ c ）、（ d ）工作台为十字形布局，其中（ c ）主轴箱悬挂于单立柱一侧，使立柱受偏载，（ d ）主轴箱装在框式立柱中间，对称布局，受力后变形小，有利于提高加工精度。

图 1-4 数控卧式镗铣床
四、实验仪器和设备
1. 数控车铣机床各一台华中数控车床CJK6032，华中数控铣床ZJK7532。
2. 加工中心一台
五、实验步骤
1. 通过直观观察了解数控车铣床的结构特点；
2. 接通电源，启动计算机进入软件系统；
3. 在机床数控系统上学习各个菜单功能。
4. 学习机床工作坐标系设定，刀补的设定，程序编辑等操作。
5. 学习手动、MDI、回零等操作
六、实验报告
1. 及时编写实验报告书。
2. 关于实验报告具体内容的特殊要求。
七、预习要求
1. 复习数控机床结构的有关内容
2. 复习数控机床数控系统的有关内容
3. 复习数控机床驱动部件和传动部件的有关内容
八、注意事项
1．按各自的编号分组，不得擅自调换。
2．各小组负责人认真填写设备管理登记薄。
3．加工后的工件不得带出培训中心；各小组负责人每项工作完毕后应将实验工具和机床台面整理、清扫好，经指导老师认可后方可 离开。
4．实验（实习）中如有异常情况发生，应及时报告指导老师，否则，如造成不良后果，追究当事人的责任，并做相应处理。
5．没有按要求熟悉实验（实习）指导书的有关步骤及正确操作方法，造成人身伤害和设备损坏，追究当事人应负的责任。
九、思考题
1. 怎样完成加工对刀？
2. 数控机床如何解除超程？

实验二 手工编程实验
一、实验目的
1、掌握数控机床加工指令、工艺基础。
2、熟悉G代码编程。
3、通过这一简单零件的实际编程加工操作，掌握基本的数控语言的使用、刀具补偿及加工园的方法
二、实验要求
1、预习实验指导书。
2、熟悉实验安全规程。
3、认真完成实验报告
4、实验结束后做好设备清理工作
三、实验仪器和设备
1. 数控车铣机床各一台
2. 加工中心一台
3. PC机一台
四、实验简介
1. 实验原理
手工编写G代码，通过指令的方式来控制运算器与输出装置，运算器接受控制器的指令，将输入装置送来的数据信息做进一步的处理，并将处理结果不断送到输出装置，使伺服系统执行所要求得运动，以实现对机床的各种操作，所完成完成数控加工。
2. 实验方法
通过CAXA的2维绘图功能进行简单的图形设计，分析加工工艺之后，手工编写G代码，进行数控加工。加工零件图：

3. 实验流程

选择工艺路线
加工方式
选择加工刀具
确定切削用量
N
Y
合格否
确定编程原点

四、实验步骤
（1）根据零件图样，设计编写数控车床、数控铣床加工程序；
（2）数控加工工艺参数设定；计算机仿真演示；
（3）程序校验及空运行；
（4）实际切削（包括对刀），加工试件；
五、实验报告
1. 及时编写实验报告书。
2. 关于实验报告具体内容的特殊要求。
六、预习要求
1. 复习数控机床加工工艺
2. 复习数控机床编程指令
3. 熟悉华中数控铣床的操作
七、注意事项
1．按各自的编号分组，不得擅自调换。
2．各小组负责人认真填写设备管理登记薄。
3．加工后的工件不得带出培训中心；各小组负责人每项工作完毕后应将实验工具和机床台面整理、清扫好，经指导老师认可后方可离开。
4．实验（实习）中如有异常情况发生，应及时报告指导老师，否则，如造成不良后果，追究当事人的责任，并做相应处理。
5．没有按要求熟悉实验（实习）指导书的有关步骤及正确操作方法，造成人身伤害和设备损坏，追究当事人应负的责任。
八、思考题
1. 怎样确定加工零件的工艺参数？
2. 编程时应注意那些方面，以免工件与刀具干涉？

实验三 数控自动编程实验
一、实验目的
1、通过数控自动编程实验，掌握先进的CAD／CAM自动编程方法和步骤。
2、培养能应用计算机直接将零件的实体造型自动转化为数控加工程序的能力。
二、实验要求
1、预习实验指导书。
2、熟悉实验安全规程。
3、认真完成实验报告
4、实验结束后做好设备清理工作
三、实验仪器和设备
1. 数控车铣机床各一台
2. 加工中心一台
3. CAXA制造工程师—XP软件
三、实验简介
1. 实验原理
通过CAXA的CAM工能自动编写G代码，通过指令的方式来控制运算器与输出装置，运算器接受控制器的指令，将输入装置送来的数据信息做进一步的处理，并将处理结果不断送到输出装置，使伺服系统执行所要求得运动，以实现对机床的各种操作，所完成完成数控加工。
2. 实验方法
本实验的主要原理是通过CAXA制造工程师—XP软件进行三维实体造型，然后通过CAXA的CAM工程。
造型工艺的确定：
1. 造型的方式属于曲面造型。
2.有多个空间面组成，在构造实体时首先应使用空间曲线构造实体的空间线架，然后利用直纹面生成曲面，可以逐个生成也可以将生成的一个角的曲面进行圆形均布阵列，最终生成所有的曲面。
3.采用平面轮廓和参数线方式对曲面进行加工。加工零件图

3. 实验流程

四、实验步骤
1. 接通电源，启动计算机进入软件系统，进入CAXA制造工程师软件界面；
2. 确定造型工艺，依操作步骤进行，完成零件曲面造型；
3. 应用平面轮廓和参数线方式对曲面进行加工，生成加工轨迹和生成G代码程序；
4. 轨迹仿真；
5. 五角星的整体形状是较为平坦，整体加工时选择等高粗加工，精加工时采用曲面区域加工，生成加工轨迹和生成G代码程序
五、实验报告
1. 及时编写实验报告书。
2. 关于实验报告具体内容的特殊要求。
六、预习要求
1. 复习CAXA制造工程师软件
2. 复习机床加工工艺学
3. 熟悉加工仿真软件
七、注意事项
1．按各自的编号分组，不得擅自调换。
2．各小组负责人认真填写设备管理登记薄。
3．加工后的工件不得带出培训中心；各小组负责人每项工作完毕后应将实验工具和机床台面整理、清扫好，经指导老师认可后方可离开。
4．实验（实习）中如有异常情况发生，应及时报告指导老师，否则，如造成不良后果，追究当事人的责任，并做相应处理。
5．没有按要求熟悉实验（实习）指导书的有关步骤及正确操作方法，造成人身伤害和设备损坏，追究当事人应负的责任。
八、思考题
1. 怎样完成自动换刀？
2. 对圆柱类零件如何完成对刀并保证不影响加工精度？

实验四 数控雕刻编程实验实验
一、实验目的
1、通过数控雕刻编程实验，学生用二维图像技术，自选某一对象设计平面三维模型。
2、应用CAM软件产生多重刀具路径供粗加工、精加工和雕刻加工使用。刀具路径仿真在正式加工前能绝对直观地看到加工过程的实际情况。
3、设计好的模型可用多种光源、光形、材质和颜色进行着色、阴影和渲染。
二、实验要求
1、预习实验指导书。
2、熟悉实验安全规程。
3、认真完成实验报告
4、实验结束后做好设备清理工作
三、实验仪器和设备
1. 三维数控雕刻机一台
2. PC机一台
三、实验简介
1. 实验原理
本实验的主要原理是通过PC机进行三维雕刻模型的造型，在通过CAM功能生成G代码，通过加工仿真后，检验代码的正确性，然后在进行实际加工。图4－1是固高雕刻机的操作界面。固高GEN-G雕刻机控制系统是基于固高公高性能运动控制器和标准CNC系统平台的开放式系统。固高运动控制器应用高速DSP芯片实现系统的高性能、高速度和高精度。而CNC系统平台提供对标准NC程序代码的编译，并最终形成运动控制器的控制指令。 固高GEN-G雕刻机控制系统软件提供NC程序自动执行、手动连续、手动增量、MDI、自动钻孔等功能，并能实时显示当前坐标、进给速度和当前执行程序段等系统状态，使用户轻松完成对雕刻机的精确控制。
1． 电机驱动器及专用输入连接方法
一般的步进电机驱动器与运动控制器连接，包括三个部分：脉冲输出、专用输出、专用输入。运动控制器的任何控制轴，都可以根据用户的要求设置成脉冲控制信号输出的形式，用来控制步进电机或脉冲方式控制的伺服电机。脉冲输出、专用输出通过端子板CN5、CN6、CN7、CN8 与电机驱动器连接。专用输入通过端子板CN5、CN6、CN7、CN8、CN12与电机驱动器及外部开关相连，连接方法见图3。驱动器报警输入信号为常闭状态，（用户不用时，请将该输入对地短接）。根据安全标准，系统的限位开关须接成常闭状态。当工作台的运动超过其物理有效行程将使限位开关打开。限位开关输入信号的有效电平可以通过主机命令进行选择。原点开关为常开状态。
2． 通用数字量输入/输出连接方法
通用数字量输出由端子板CN14输出。当输出接感性负载时，应考虑反电势的泄放。通用数字量输入由端子板CN13、CN12输入。
3 ． RS-232连接方法
运动控制器提供串行通讯方式与主机交换信息的方法，通讯通过接口端子板CN4实现。
4． 模拟输入连接方法
运动控制器提供可选的模拟输入信号，通过端子板CN11实现。

图4－1

四、实验步骤
1. 接通电源，启动计算机进入软件系统；
2. 三维雕刻模型的造型；
3. 加工轨迹的后置G代码处理；
4. 轨迹仿真；
5．设置三维雕刻机的系统加工参数；
6. 实际加工；
五、实验报告
1. 及时编写实验报告书。
2. 关于实验报告具体内容的特殊要求。
六、预习要求
1. 复习数控编程G代码
2. 熟悉固高三维数控雕刻机的操作软件
3. 熟悉三维造型软件
七、注意事项
1．按各自的编号分组，不得擅自调换。
2．各小组负责人认真填写设备管理登记薄。
3．加工后的工件不得带出培训中心；各小组负责人每项工作完毕后应将实验工具和机床台面整理、清扫好，经指导老师认可后方可离开。
4．实验（实习）中如有异常情况发生，应及时报告指导老师，否则,如造成不良后果，追究当事人的责任，并做相应处理。
5．没有按要求熟悉实验（实习）指导书的有关步骤及正确操作方法，造成人身伤害和设备损坏，追究当事人应负的责任。
八、思考题
1. 三维雕刻机的工作原理是什么？
2. 三维雕刻机的插补是如何完成的？

实验五 数控机床插补原理实验
一、实验目的
1、了解直线插补、圆弧插补原理和实现方法。
2、通过利用运动控制器基本控制指令实现直线插补和圆弧插补，掌握运动控制卡的编程方法。
二、实验要求
1、预习实验指导书。
2、熟悉实验安全规程。
3、认真完成实验报告
4、实验结束后做好设备清理工作
三、实验仪器和设备
1. 二维数控运动平台一台
2. 加工中心一台
三、实验简介
1. 实验原理
数控系统加工零件的轮廓或运动轨迹一般是由直线、圆弧等组成，对于一些非圆弧轮廓则用直线或圆弧去逼近。插补计算就是数控系统根据输入的基本数据，通过计算，将工件的轮廓或运动轨迹描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给指令。数控系统常用的插补计算方法有：逐点比较法，数字积分法，时间分割法，样条插补法等。下面就以逐点比较法为例，阐述插补的原理。逐点比较法，即每进给一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，判断该点在 图5－1 直线插补原理
给定轨迹的上方或下方，或在给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向，使之趋近给定轨迹。直线插补偏差计算公式：以第一象限为例，取直线起点为坐标原点，如图5－1所示。图中m为动点，有下面关系：Xm / Ym=Xe / Ye。取Fm=Ym*Xe－Xm*Ye作为偏差判别式。
若 Fm = 0，表明m点在OA直线上；
若 Fm > 0，表明m点在OA直线上方的m’处；
若 Fm < 0，表明m点在OA直线下方的m”处。
当偏差时，沿＋X方向移动一个单位长度Δ，则Xm+1=Xm+Δ，Ym+1=Ym，新的偏差为：

当偏差Fm < 0时，沿＋Y方向移动一个单位长度Δ，则Xm+1=Xm，Ym+1=Ym+Δ，新的偏差为：

当两方向所走的步数与终点坐标(Xe，Ye)相等时，停止插补。
其它三个象限的计算方法，可以用相同的原理获得，表5-2为四个象限插补时，其偏差计算公式和进给脉冲方向，计算时，Xe，Ye均为绝对值。

表5-2 直线插补

插补过程分为四个步骤：
1) 偏差判别：根据偏差值判断刀具当前位置与理想线段间的相对位置，以确定刀具的下一步走向。
2) 坐标进给：根据判别结果使刀具向X、Y方向移动一步。
3) 偏差计算：当刀具移动到新位置时，再计算当前位置与理想线段间的偏差，以确定刀具的下一步走向。
4) 终点判别：判断刀具是否已达到终点。若未达到终点，则继续插补；若达到终点，则结束插补。
终点判别的方法如：
1．设置两个计数器分别存入Xe，Ye坐标值，在X坐标（Y坐标）进给一步，就在相应的X（Y）计数器减1，直到两个计数器都减到零时，就到达终点。
2．用一个终点计数器，寄存X、Y两坐标从起点到
终点的总步数，X、Y坐标每走一步，减1，直到
为零时，就到了终点。
圆弧插补偏差计算公式：
偏差计算公式：以第一象限逆圆为例，如图5-3所示。 图b圆弧圆心在坐标原点，A为起点，B为终点，半径为R，假设运动瞬时点为m，它与圆心的距离为Rm，以Rm和R平方差 图5-3 圆弧插补原理
作为偏差值，则偏差判别式为：
若Fm=0，表明m点在圆弧上；
若Fm>0，表明m点在圆弧下；
若Fm<0，表明m点在圆弧内。
当Fm≥0时，为了逼近圆弧，应沿—X方向进给单位距离δ，到m+1点，其坐标值为Xm+1=Xm-δ，Ym+1=Ym，新偏差值为：

当Fm<0时，为了逼近圆弧，应沿＋Y方向进给单位距离δ，到m+1点，其坐标值为Xm+1=Xm，Ym+1=Ym+δ，新偏差值为：

由上两式可得，只要知道前一点的偏差，就可求出新一点的偏差，而起点处的Fm=0是可知的。以上是第一象限逆圆的情况，同理可推导出其它情况，表5-4为四个象限的顺/逆圆弧插补的进给方向和偏差计算的归纳。圆弧插补的终点判别和插补计算过程和直线插补基本相同，但在偏差计算的同时，还要进行动点瞬时坐标值的计算，以便为下一点的偏差计算作好准备。

线形
Fm≥0
Fm<0
方向
偏差计算
方向
偏差计算
SR1

SR2

SR3

SR4

NR1

NR2

NR3

NR4

表5-4 圆弧插补

四、实验步骤
1. 接通电源，启动计算机进入软件系统；
2. 通过给出的第一象限的直线插补的步距，从屏幕上观察相应的直线插补图形；
3. 通过给出的第一象限的圆弧插补的步距，从屏幕上观察相应的直线插补图形；
4. 通过步距参数的调整，观察直线插补和圆弧插补轨迹偏差值的变化；理解步距参数对插补轨迹及其偏差值的影响，进一步加深对逐点比较法的理解；
5．在放到实验台上实际加工；
五、实验报告
1. 及时编写实验报告书。
2. 关于实验报告具体内容的特殊要求。
六、预习要求
1. 复习数控机床插补原理
2. 学习MasterCAM软件
七、注意事项
1．按各自的编号分组，不得擅自调换。
2．各小组负责人认真填写设备管理登记薄。
3．加工后的工件不得带出培训中心；各小组负责人每项工作完毕后应将实验工具和机床台面整理、清扫好，经指导老师认可后方可离开。
4．实验（实习）中如有异常情况发生，应及时报告指导老师，否则， 如造成不良后果，追究当事人的责任，并做相应处理。
5．没有按要求熟悉实验（实习）指导书的有关步骤及正确操作方法，造成人身伤害和设备损坏，追究当事人应负的责任。
八、思考题
1. 直线插补和圆弧插补的基本原理是什么？
2. 数控机床进行插补有何实际意义？