数控铣床加工

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一.数控铣床分类 1. 数控铣床从构造上分类：
1）工作台升降式数控铣床；   
2）主轴头升降式数控铣床；   
3）龙门式数控铣床；  
" s  }3 \6 Z* ~0 k# D2. 数控铣床也可以按通用铣床的分类方法分类：
! l* r- n3 F8 L: w$ B/ k1）数控立式铣床；   
2）卧式数控铣床；   
3）立卧两用数控铣床；
二.数控铣床的组成、工作原理及特点
1.数控铣床的组成
0 D! W4 {, r8 @1 \7 E数控铣床的基本组成如图 14-10所示，它由床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、滚珠丝杠、伺服电机、伺服装置、数控系统等组成。
  m% k2 D& d, X+ I3 J+ }( ]床身用于支撑和连接机床各部件。主轴箱用于安装主轴。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。主轴箱还可沿立柱上的导轨在 Z 向移动，使刀具上升或下降。工作台用于安装工件或夹具。工作台可沿滑鞍上的导轨在 X 向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在 Y 向移动，从而实现工件在 X 和 Y 向的移动。无论是 X、Y 向，还是Z向的移动都靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实现。伺服装置用于驱动伺服电机。控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态。控制电源用于向伺服装置和控制器供电。
2．数控铣床的工作原理
1 i' s" s+ D& Y8 }根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。通过利用 CAM 软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。伺服装置向伺服电机发出控制信号。主轴电机使刀具旋转，X、Y 和 Z 向的伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。
4 _- V% z, ]+ ~- |6 S% v+ ^3．数控铣床加工的特点
5 j% Z  M3 ]% Z1）用数控铣床加工零件，精度很稳定。如果忽略刀具的磨损，用同一程序加工出的零 件具有相同的精度。
2）数控铣床尤其适合加工形状比较复杂的零件，如各种模具等。
3）数控铣床自动化程度很高，生产率高，适合加工批量较大的零件。
9 w& I2 R' R. ^% Q$ s4.数控铣床的功能
各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。
1）点位控制功能；   
2）连续轮廓控制功能；   
3）刀具半径补偿功能；   
4）刀具长度补偿功能；   
5）比例及镜像加工功能；   
- x: F8 A" }3 }6）旋转功能；   
2 Z6 q; w8 L& q+ \7 c  ~7）子程序调用功能；
$ C' s) ?) u+ }7 x/ X, a5.数控铣床的主要加工对象     
) Q+ X0 c. y" _6 T# O# h: z1）平面类零件；   
, _% `, C3 N( R6 z$ u- E( ~2）变斜角类零件；   
3）曲面类（立体类）零件；
# X% w2 z" w6 P# s14.2.2数控铣床编程基本方法
) ?4 G% n/ d9 x' {8 E数控铣床编程就是按照数控系统的格式要求，根据事先设计的刀具运动路线，将刀具中心运动轨迹上或零件轮廓上各点的坐标编写成数控加工程序。所编成的数控加工程序，要符合具体的数控系统的格式要求。
一、数控铣削加工工艺
* o3 `* r* P' u0 P% d数控加工程序不仅包括零件的工艺规程，还包括切削用量、走刀路线、刀具尺寸和铣床的运动过程等，所以必须对数控铣削加工工艺方案进行详细的制定。
7 I, \+ W4 @$ H3 x3 d1 .数控铣削加工的内容
+ `+ G3 z  g( ^6 p9 b; I3 g1）零件上的曲线轮廓，特别是由数学表达式描绘的非圆曲线和列表曲线等曲线轮廓；

2）已给出数学模型的空间曲面；

3）形状复杂、尺寸繁多、划线与检测困难的部位；

4）用通用铣床加工时难以观察、测量和控制进给的内外凹槽；

5）以尺寸协调的高精度孔或面；

6）能在一次安装中顺带铣出来的简单表面；

7）采用数控铣削后能成倍提高生产率，大大减轻体力劳动强度的一般加工内容。
4 t6 P+ v8 k( h  a! A# A2．零件的工艺性分析
+ h( W; E! ^' X- s

1）零件图样分析   

(1)零件图样尺寸的正确标注；

(2)零件技术要求分析；

(3)零件图上尺寸标注是否符合数控加工的特点。

2）零件结构工艺性分析
! U6 l: K. c3 k6 {6 e2 O(1)保证获得要求的加工精度；  
3 F. L% j. s" C4 S(2)尽量统一零件外轮廓、内腔的几何类型和有关尺寸；
2 {; o; X: m; t: S  e(3)选择较大的轮廓内圆弧半径；
(4)零件槽底部圆角半径不宜过大；
* g) r9 _, P* L9 P3 h! Z2 r(5)保证基准统一原则；      
5 L  D3 z' J" I& x% y（6）分析零件的变形情况。
3）零件毛坯的工艺性分析
(1)毛坯应有充分、稳定的加工余量；  
(2)分析毛坯的装夹适应性；
% y  {# y- k- M2 p3 {(3)分析毛坯的余量大小及均匀性。
3．工艺路线的确定
4 H( p( j3 c0 ~1）加工方法的选择
(1)内孔表面加工方法
(2)平面加工方法
(3)平面轮廓加工方法
* D0 P: ]. W; H9 V2 N# \+ _(4)曲面轮廓加工方法。
2）加工阶段的划分
( H7 N' ]3 m6 a4 v: F2 z9 e(1)有利于保证加工质量；
# a( o$ O& b+ `! X# k(2)有利于及早发现毛坯的缺陷；
(3)有利于设备的合理使用。
  _6 g( F- h& s! I( d6 E( U3）工序的划分
(1)按所用刀具划分工序的原则；
0 Q0 p2 ?4 b9 u  m(2)按粗、精加工分开，先粗后精的原则；
(3)按先面后孔的原则划分工序。
4）加工顺序的安排
(1)切削加工工序的安排；
(2)热处理工序的安排；
0 N3 N4 x# g6 o/ |- K(3)辅助工序的安排；
(4)数控加工工序与普通工序的衔接；
(5)装夹方案的确定（组合夹具的应用）；
8 ?! S& J9 M4 w9 a5 H: h(6)进给路线的确定
1 H' M  j0 J. ]0 U9 ^4 z' b$ h

加工路线的确定原则主要有以下几点：1）加工路线应保证被加工零件的精度和表面质量，且效率要高；2）使数值计算简单，以减少编程运算量；3）应使加工路线最短，这样既可简化程序段，又可减少空走刀时间。

4．刀具选择
1）数控刀具材料：高速钢、硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、金刚石、立方氮化硼、表面涂层。
2）数控铣削对刀具的要求：刚性好、耐用度高。
6 C  D1 e" |. _7 T0 U% p8 m$ D( U3）铣刀的种类：面铣刀、立铣刀、模具铣刀、键槽铣刀、鼓形铣刀、成形铣刀。
4）铣刀的选择
(1)铣刀类型的选择     (2)铣刀参数的选择   
二、数控铣床的程序编制
/ Q/ R1 U9 T5 B  P8 C1 f1.坐标系统及相关指令
1）数控铣床的坐标系
(1)机床坐标系
(2)机床原点  机床坐标系原点
2 B: I( i* \- W- d(3)参考点　机床上的固定点，由机械挡块或行程开关确定；建立机床坐标系。
(4)工件坐标系  编程坐标系距机床原点之向量为零点偏置。
) S" |% m3 U+ b; y# r% b0 x(5)工件原点  工件坐标系原点，也叫程序零点。
2）工件坐标系设定指令

(1)工件坐标系建立指令  G92 XYZ

X、Y、Z为刀位点在工件坐标系中的初始位置，不产生位移。

(2)坐标系偏置指令  G54（G54～G59）

工件坐标系相对于机床原点的零点偏置，即坐标系的平移变换。需设置偏置值到机床偏置页面中，在程序中直接调用。

3）坐标平面选择指令(G17、G18、G19)
2.尺寸形式指令
& E' R9 M4 [# G  {# K& j; _$ i1)绝对和增量尺寸编程(G90/G91)
2)公制尺寸/英制尺寸指令（G20/G21）
" E- m* ~* N" b5 \3.刀具功能T、主轴转速功能S和进给功能F
4.进给控制指令
) V9 ?/ e) _. P$ U1 F0 e; s1）快速定位指令G00   格式   G00 XYZ
1 J3 a& a) W# D0 |0 C8 p0 @2）直线插补指令G01
; E3 g+ O# L1 f; A+ x- [3）圆弧插补和螺旋线插补指令G02、G03

该指令在进行圆弧插补的同时，沿垂直于插补平面的坐标方向做同步运动，构成螺旋线插补运动。

格式：G17  G02/G03  XYZR（IJ） K
# y9 X8 w2 T9 `; l( R! @其中：X  Y  Z——螺旋线的终点坐标；
5 o( k( w+ r( Z) g/ h4 \3 s% ]6 mI   J——圆心在X、Y轴上的坐标，是相对螺旋线起点的增量坐标；
R——螺旋线半径，与I、J形式两者取其一；
K——螺旋线的导程，为正值。
; Q' f, M% @4 c9 Z4）暂停指令G04
5）螺纹加工指令G33
( V3 E. p8 L! J3 o, C! U4 k5.刀具补偿指令及其编程
1)刀具半径补偿

刀具半径补偿指令 (G41、G42、G40)

格式  G40  G00(G01) XY； G41(G42)  G00(G01) XYD__；

D__两位数：刀具半径补偿值所存放的地址，或刀具补偿值在刀具参数表中的编号；
G40：刀具半径补偿取消，使用后，G41、G42指令无效。
+ ^% R" ^- I6 I' E, |0 K补偿方向的判定：沿刀具运动方向看，刀具在被切零件轮廓边左侧即为刀具半径左补偿，用G41；否则，便为右补偿，用G42指令。
2)刀具长度补偿G43、G44
1 x+ ], @% t' j) m& `（1）刀具长度
绝对长度、相对于标准刀具的增量长度；长度补偿只和Z坐标有关。
（2）刀具长度补偿指令
: Y* k. A1 E8 U3 z( Z' N7 B1 e" C

格式  G43(G44)  G00(G01) ZH___；G49  G00(G01) Z；

其中，G43为刀具长度正补偿，G44为刀具长度负补偿，H___中的两位数字，表示刀具长度补偿值所存放的地址，或者说是刀具长度补偿值在刀具参数表中的编号；G49为取消刀具长度补偿。另外，在实际使用中，也可不用G49指令取消刀具长度补偿，而是调用H00号刀具补偿，也可收到同样效果。
无论是绝对坐标还是增量坐标形式编程，在用G43时，用已存放在刀具参数表中的数值与Z坐标相加，用G44时，用已存放在刀具参数表中的数值与Z坐标相减。
4 @$ @. W, X3 Y' C0 I9 O6.参考点相关指令
. b5 M. {& U) q9 j; @/ r1)返回参考点检查指令G27
) _4 Z* X- |9 f0 J: G" `" a& P    格式：G27  XYZ；
9 A, S- O& W7 {* `检查机床能否准确返回参考点，非模态指令。执行时，刀具返回到G27指令后X、Y、Z坐标所指定的参考点在工件坐标系中的坐标值；刀具快速移动，接近指定参考点时自动减速，并在该点做定位校验，定位准确后操作面板上回零指示灯亮；某一方向上未准确回到参考点位置，对应指示灯不亮。
2)自动返回参考点指令G28
$ B% P0 C; ~1 e1 y格式：G28  XYZ；
使控制轴自动返回参考点，非模态指令。执行时，刀具经过G28指令后X、Y、Z坐标所指定的中间点，返回到参考点位置；刀具快速向中间点移动，并在中间点做定位校验，快速移动到参考点。中间点的作用是在返回过程中，控制快速运动的轨迹，避免“撞刀”。
3)从参考点返回指令G29
. [. {" O5 s& f" K9 s格式：G29  XYZ；
( {% N. a# i! C  d使刀具在返回参考点，经过G28指令所指定的中间点，快速移动到某一指定坐标点，非模态指令。执行时，刀具从参考点快速移动，经G28所指定的中间点，到达G29指令后X、Y、Z坐标所指定的目标点。该指令一般与G28指令成对使用。
7.子程序
主程序调用子程序，子程序返回主程序或上一级子程序。
; M: n1 X6 I. ]* C( O* J4 {4 W1）子程序的格式
子程序的格式与主程序相同，在子程序的开头后面编制子程序号，在子程序的结尾用M99指令返回主程序(有些系统用 RET 返回)。
2）子程序的调用格式
常用的子程序调用格式有以下几种：

(1) M98 P×××××××

其中，P后面的前3位为重复调用次数，省略时为调用一次；后4位为子程序号。
" \  n; x, P2 S7 j( _+ E

(2)M98 P××××L×××

其中，P后面的4位为子程序号；L后面的4位为重复调用次数，省略时为调用一次。
(3)  子程序的嵌套
& v& z% u9 Y" N9 R1 r" Z1 n) J子程序调用另一个子程序， 称为子程序的嵌套。
8. 镜像加工指令

镜像加工指令通常有以下几种形式：

1)关于X、Y或原点对称的工件，使用不同的G指令代码，如G11、G12、G13指令，分别代表X轴、Y轴或原点镜像；

2)关于X、Y对称的工件，使用不同M的指令代码，如M21、M22指令分别代表X轴、Y轴原点镜像, M23代表镜像取消；

3)关于X、Y或原点对称的工件，使用相同的指令代码，如G24指令表示建立镜像，由指令坐标轴后的坐标值指定镜像位置，G25指令表示镜像取消。
9.宏程序
宏程序是含有变量的程序。它允许使用变量、运算以及条件功能，使程序顺序结构更加合理。宏程序编制多用于零件形状有一定规律的情况下。用户使用宏指令编制的含有变量的子程序叫做用户宏程序。
1)算术运算、逻辑运算与条件
/ l7 _/ {6 z  v$ L. ]（1）算术运算：算术运算主要是指加、减、乘、除、乘方、函数等。
（2）逻辑运算：逻辑运算可以理解为比较运算，它通常是指两个数值的比较或者关系。
（3）条件：条件是指程序中的条件语句，通常与转移语句同用。
3 b8 j7 c+ F- D. a$ \% M2)赋值与变量
: `8 y, d7 Y6 {4 o- A# ~/ g. B: E! E（1）赋值
' S- e9 k% f2 N! z5 ?赋值是指将一个数据赋予给一个变量。如：#1＝0，则表示#1的值是0。其中#1代表变
8 a- `& n& I) ^9 G  {2 b5 `量，“#”是变量符号，0就是给变量#1赋的值。这里的“＝”号是赋值符号，起语句定义作用。
* z# k8 T* o9 y, P2 E4 [4 G7 _7 n（2）变量
; C& f% a7 Y3 s& |7 |' U变量是指在一个程序运行期间其值可以变化的量。变量可以是常数或者表达式，也可以是系统内部变量，变量在程序运行时参加运算，在程序结束时释放为空。其中内部变量称为系统变量，是系统自带，也可以人为的为其中一些变量赋值，内部变量主要分为四种类型：
5 ^7 c: ^- g9 U( Sa空变量：指永远为空的变量。
9 j3 a4 L# K8 }+ ^- {) g$ Nb局部变量：用于存放宏程序中的数据，断电时丢失为空。
# X: t9 D# X4 o- C7 Rc公共变量：可以人工赋值，有断电为空与断电记忆两种。
6 L; v% m6 C) [8 K' {; d9 vd系统变量：用于读写CNC数据变化。
三、数控铣床基本操作知识
- i1 P8 _4 S# S4 P* wSIEMENS数空铣床操作面板及各按键功能同数控车床，在这里不再赘述。
% m- q% d; v9 H/ v  C( ~0 q) Y