第3章数控铣床的操作与编程

第3章数控铣床的操作与编程3.1数控铣床及其组成3.1.1数控铣床的类型及基本组成1．数控铣床的类型（1）数控仿形铣床：通过数控装置将靠模移动量数字化后，可得到高的加工精度，可进行较高速度的仿形加工。进给速度仅受刀具和材料的影响。（2）数控摇臂铣床：摇臂铣床采用数控装置可提高效率和加工精度，可以加工手动铣床难以加工的零件。（3）数控万能工具铣床：采用数控装置的万能工具铣床有手动指令简易数控型、直线点位系统数控型和曲线轨迹系统数控型。操作方便，便于调试和维修。当然，这类机床基本都具有钻、镗加工的能力。（4）数控龙门铣床：工作台宽度在630mm以上的数控铣床，多采用龙门式布局。其功能向加工中心靠近，用于大工件、大平面的加工。另外，若按照主轴放置方式可有卧式数控铣床和立式数控铣床之分。对立式数控铣床而言，若按Z轴方向运动的实现形式又可有工作台升降式和刀具升降式（固定工作台）。立式升降台数控铣床由于受工作台本身重量的影响，使得采用不能自锁的滚珠丝杠导轨有一定的技术难度，故一般多用于垂直工作行程较大的场合。当垂直工作行程较小时，则常用刀具升降的固定工作台式数控铣床，刀具主轴在小范围内运动，其刚性较容易保证。若按数控装置控制的轴数，可有两坐标联动和三坐标联动之分。若有特定要求，还可考虑加进一个回转的A坐标或C坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台。这时机床应图3-1XK5032型数控铣床相应地配制成四坐标控制系统。2．数控铣床的结构组成如图3-1所示是XK5032型立式数控铣床的外形结构图。和传统的铣床一样，机床的主要部件有床身、铣头、主轴、纵向工作台（X轴）、横向床鞍（Y轴）、可调升降台（手动）、液压与气动控制系统、电气控制系统等。作为数控机床的特征部件有X、Y、Z（刀具）各进给轴驱动用伺服电机、行程限位及保护开关、数控操作面板及其控制台。伺服电机内装有脉冲编码器，位置及速度反馈信息均由此取得，构成半闭环控制系统。XK5032型数控铣床是配有高精度、高性能、带有CNC控制软件系统的三坐标数控铣床（可选配FANUC3MA/10M/11M/12M多种CNC系统），并可加第四轴。机床具有直线插补、圆弧插补、三坐标联动空间直线插补功能，还有刀具补偿、固定循环和用户宏程序等功能；能完成90%以上的基本铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环等工作，可用于加工各种形状复杂的凸轮、样板及模具零件。ZJK7532-1型数控钻铣床是华中数控研制生产的一种经济型数控铣床，机床构成如图3-2所示。主要由个人计算机（PC机）、控制接口柜、机械操作面板、冷却供液系统及机床本体等部分组成。各进给轴用步进电机驱动，是典型的开环控制机床，采用通用PC机和华中数控公司开发的HCNC-M控制软件直接联机控制，功能基本和XK5032数控铣床类同。3.1.2数控铣床的传动及速度控制如图3-3所示为XK5032型数控铣床的传动系统图。该机床主传动采用专用的无级调速主电动机，由皮带轮将运动传至主轴。主轴转速分为高低两档，通过更换带轮的方法来实现换档。当换上96.52mm/127mm的带轮时，主轴转速为80~4500r/min（高速档），当换上71.12mm/162.56mm的带轮时，主轴转速为45~2600r/min（低速档）。每档内的转速图3-2ZJK7532-1型数控钻铣床选择可由程序中的S指令给定，也可由手动操作执行。工作台的纵向（X轴）和横向（Y轴）进给运动、主轴套筒的垂直（Z轴）进给运动，都是由各自的交流伺服电机驱动，分别通过同步齿形带传给滚珠丝杠，实现进给。各轴的进给速度范围是5~2500mm/min，各轴的快进速度为5000mm/min。当然实际移动速度还受操作面板上速度修调开关的影响。床鞍的纵、横向导轨面均采用了贴塑面，提高了导轨的耐磨性，消除了低速爬行现象。ZJK7532-1型数控钻铣床的主传动是由主电机经三级齿轮传动传递到主轴，采用传统的齿轮箱及其机械式的换档变速方式，换档变速应在机床停止运转时靠手工进行。主轴转速从85~1600r/min共有6级变化，见表3-1。可通过改变主轴箱正面的高低档（H、L）及各档级数（1、2、3级）来实现。表3-1ZJK7532-1型数控钻铣床的主轴转速频率转速（r/min）H1H2H3L1L2L350HZ16009005302501408560HZ19001060630300170100X、Y、Z各进给轴均由步进电机直接带动丝杆完成各个方向的进给运动。Z轴运动是整个铣头（包括主电机及主传动系统）一起进行的。ZJK7532-1型数控钻铣床的主要技术参数为：工作台工作面积240×480mm2主轴转速级数6工作台纵向最大行程（X轴）400mm主轴转速范围85~1600r/min工作台横向最大行程（Y轴）220mm各轴最大快移速度1500mm/min铣头升降台最大行程（Z轴）480mm最小设定单位0.001mm主轴孔锥度莫氏3号编程尺寸范围99999.999mm最大钻孔直径32mm联动轴数3最大平铣刀直径50mm插补功能直线(空间)、圆弧(平面)最大立铣刀直径28mm参考点功能有3.1.3操作面板及其基本控制功能ZJK7532-1型数控钻铣床的NC控制与操作均由PC机通过普通键盘进行，信息显示也由PC机的显示器实现。其机械操作面板则单独悬挂在机床右侧。面板布置如图3-4所示。通过各操作开关可实现以下控制功能：（1）电源开关：合上机床电柜总电源开关后，必须用钥匙打开此开关，数控系统的驱动电源、主电机电源才能接通。图3-3XK5032型数控铣的传动系统图（2）急停按钮：机床操作过程中，出现紧急情况时，按下此按钮，进给及主轴运行立即停止，CNC进入急停状态。紧急情况解除后，顺时针方向转动按钮可以退出急停状态。（3）工作方式选择开关：此开关可用于对机床操作选择处于自动、单段、点动、步进（增量）、回参考点五种方式。（4）增量倍率与进给修调开关：MDI方式及自动运行方式下可通过此开关设定进给速度修调倍率（共有×10、×30、×50、×80、×100、×140六档），若程序指令为F200，倍率开关处于×30档，则实际进给速度为200X30=60mm/min。步进方式下，可通过此开关设定增量进给倍率（共有×1、×10、×100、×100四档）。若此开关处于×100档，则每次按压轴移动方向按钮一次，拖板在相应的方向移动0.1mm（即100个设定单位）。（5）轴移动方向按钮（+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z）：在手动或步进方式下，按压此六个按钮之一，各轴将分别在相应的方向上产生位移，手动方式时拖板作连续位移直到松开为止，其实际移动速度等于系统内部设定的快移速度乘进给速度修调倍率。在步进方式下，每按下后再释放某按钮一次，该拖板即在对应方向上产生一固定的位移，其位移量等于轴的最小设定单位乘增量倍率（系统最小设定单位为0.001mm）（6）快移按钮：在手动方式下，若同时按快移按钮和某个轴移动方向按钮，则在对应轴方向上，将无视进给速度修调倍率的设定，以系统内部设定的快移速度产生位移。（7）循环启动：在自动加工功能菜单下，当选择并调入需要运行的加工程序后，再置工作方式开关于“自动”方式，然后按下此按钮（按钮灯亮），即开始自动执行程序指令。机床进给轴将以程序指令的速度移动。（8）进给保持：在自动运行过程中，按下此按钮（按钮灯亮），机床运动轴减速停止，程序执行暂停，但加工状态数据将保持，若再按下“循环启动”按钮，则系统将继续运行。图3-4ZJK7532-1型数控钻铣床的机械操作面板注意，若暂停期间按过主轴停转的话，继续运行前，必须先启动主轴，否则将有引发事故的可能。（9）机床锁住：在自动运行开始前，将此钮按下，再按“循环启动”执行程序，则送往机械侧的控制信息将被截断，机械部分不动。数控装置内部在照常进行控制运算，同时CRT显示信息也在变化。这一功能主要用于校验程序，检查语法错误。注：①即使是G28、G29指令，机床也不运动。②机床辅助功能指令依然有效。③在自动运行过程中，再按下此按钮，机床锁住无效。④在锁住运行过程中，欲弹起此按钮以解除机床锁住亦无效。（10）MST锁住：在自动运行之前，按下此钮，则程序中的所有M、S、T指令均无效。（11）Z轴锁住：在自动运行开始前，按下此按钮后，再循环启动，则往Z轴去的控制信息被截断，Z轴不动，但数控运算和CRT显示照常。（12）超程解除按钮：当某进给轴沿某一方向持续移动而碰到行程硬限位保护开关时，系统即处于超程报警保护状态，此时若要退出此保护状态，必须置方式开关于“手动”方式，在按住此按钮的同时，再按压该轴的反方向移动按键，向相反的方向移动方可。（13）冷却开关：按下此按钮，供液电机启动，打开冷却液，再按此钮，供液停止。（14）主轴正转：按下此按钮，主轴电机正转，同时钮内指示灯点亮。（15）主轴停转：按下此按钮，主轴电机运转停止，同时钮内指示灯点亮。（16）主轴反转：按下此按钮，主轴电机反转，同时钮内指示灯点亮。另外，在面板左上方，还有一些指示灯指示系统的各种状态。如电源有无的指示，是否联机的指示，报警状态的指示，回参考点的指示等。图3-5控制软件环境界面3.1.4控制软件界面与菜单结构启动HCNC-1M控制软件后，机床操作面板上联机灯亮，显示屏幕显示如图3-5所示的环境界面。其各显示区分别是：（1）加工方式：显示系统当前的运行方式。随着机械操作面板上的工作方式选择开关的切换而改变。有自动、校验、手动、步进、急停、手动回参考点等，（2）加工程序：显示自动加工时，当前正在执行的程序行内容。随程序的运行而更新。（3）正文及图形显示窗口（主画面）：根据系统所处的显示状态而有所不同。编辑程序时主要用于显示程序内容。自动加工或校验时可按F9功能键切换显示状态，如显示程序（正文）、指令坐标（大字符）、监控图形等。（4）命令行：主要用于MDI命令行形式时手动输入一行程序指令的显示区。另外也用作一些参数数据输入设定时的缓冲显示以及系统报警信息等的显示。（5）菜单区：菜单区显示各菜单功能选项，并提示相应的操作用功能键。（6）运行程序索引：显示当前自动运行的程序号和程序行号。N后的数据只有在程序中使用书写了程序行号N指令时才会改变为相应的显示，否则固定显示为N0000。（7）坐标数据显示：用于显示X、Y、Z的坐标值及当前的进给速度F值。坐标值内容可根据需要选定为：指令位置/实际位置/剩余进给/跟踪误差/负载电流以及机床坐标/工件坐标/相对坐标。（8）辅助机能：显示程序运行过程中当前M、S、T指令的模态值。控制软件的各个功能基本上是通过切换菜单，选择相应的功能按键（F1~F10）而启动执行的。系统按功能特点将主菜单分为基本功能和扩展功能两部分，整个系统菜单结构见附录3。每次启动控制软件时都处于基本功能的主菜单下，按F10功能键即切换到扩展功能的主菜单，在扩展功能菜单下按F10则又可切换返回到基本功能主菜单。在基本和扩展功能主菜单下，按下某功能键即切换到相应功能的子菜单，在子菜单下按某功能键则又可进入相应功能的下层菜单或弹出相应的上托式菜单或直接执行对应的功能。整个系统菜单层次的切换和返回都是按功能键F10。功能键F9对应的显示方式设定功能无论在那层菜单中都有，即任何时候都可按需要修改设定显示方式。3.2对刀调整及坐标系设定3.2.1数控铣床的位置调整（以ZJK7532-1数控钻铣床、HCNC-1M系统为例）1．手动回参考点参考点是用于确立机床坐标系的参照点，也是用于对各机械位置进行精度校准的点。当机床因意外断电、紧急制动等原因停机而重启动时，严格地讲应该是每次开机启动后，都应该先对机床各轴进行手动回参考点的操作，重新进行一次位置校准。手动回参考点的操作步骤如下：（1）确保机床通电且与PC电脑联机完成（已启动控制软件），将机床操作面板上的工作方式开关置于手动回参考点的位置上。（2）分别按压+X、+Y、+Z轴移动方向按钮一下，则系统即控制机床自动往参考点位置处快速移动，当快到达参考点附近时，各轴自动减速，再慢慢趋近直至