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单元1 数控车床基本操作


单元1 数控车床基本操作
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任务1.1 认识数控车床 任务1.2 数控车削加工过程及安全操作 任务1.3 数控车削系统及操作面板 任务1.4 主运动、进给运动控制及手动操 作 任务1.5 数控车床坐标系设定及对刀操作

单元1 数控车床基本操作
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机床加

工的过程是:加工人员依据图样的要求,设计加工方案, 选择合适的机床,正确安装好刀具与工件,由机床控制刀具 与工件之间产生恰当的加工运动,从而,刀具切去工件表面 上多余金属,最终使加工工件符合图样要求。 数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一,是一种能高质、 高效、自动化切削加工的工具。数控车床如何实现自动加工; 相对传统机床加工,数控车床的加工操作有什么不同的特点 吗? 在单元1,我们将熟悉数控车床功能、结构、特点,熟悉数控 车床使用方法。

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任务1.1 认识数控车床
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学习目标
通过本任务学习,达到以下学习目标: 熟悉数控车削特点; 熟悉数控车床的基本组成; 认识数控车床基本结构特点、主要类型及主要规格

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任务1.1 认识数控车床
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基本知识 1.1.1数控车床简述
数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。图1-1-1所示为 数控车床。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。 通过数控加工程序的运行,可自动控制完成内外圆柱面、圆 锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工,并能进行 车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。 1.各种功能的数控车床 随着数控机床制造技术的不断发展,为了满足不同用户的加 工需要,数控车床的品种规格繁多,功能越来越强,从数控 系统控制功能看,数控车床可分为以下几类。
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任务1.1 认识数控车床
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(1)经济型数控车床 早期的经济型数控车床是在普通车床基础上改造而来,功能 较简单;现在的经济型数控车床功能有了较大的提高。出于经 济因素考虑,经济型数控车床并不过于追求先进的功能,与 全功能型数控车床相比,其主运动、进给伺服控制相对简单, 数控系统档次较低,主体刚度及制造精度较全功能型数控车 床低,结构简单,功能较少。 (2)全功能型数控车床 全功能型数控车床一般采用交、直流伺服电机驱动形成闭环 或半闭环控制系统,主电机一般采用交流伺服电机。具有 CRT图形显示、人机对话、自诊断等功能。具有高刚度、高 精度和高效率等优点。
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任务1.1 认识数控车床
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(3)车削中心 车削中心是以全功能型数控车床为主体,并配置刀库、换刀 装置、分度装置、铣削动力头和机械手等,可实现多工序复 合加工的机床。车削中心与数控车床的主要区别是车削中心 具有动力刀架和C轴功能,可在一次装夹中完成更多的加工 工序,提高加工精度和生产效率。 (4) FMC车床

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FMC车床是一种由数控车床、机械手或机器人等构成的柔性 加工单元。它能实现工件搬运、装卸的自动化和加工调整准 备的自动化。

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任务1.1 认识数控车床
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2.立、卧式数控车床 数控车床有立、卧式之分,数控卧式车床应用更为普遍。 (1)卧式数控车床

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卧式数控车床的主轴轴线处于水平位置,它的床身和导轨有 多种布局形式,是应用最广泛的数控车床。如图1-1-1所示的 全功能卧式数控车床。
(2)立式数控车床 立式数控车床的主轴垂直于水平面,并有一个直径很大的圆 形工作台,供装夹工件用。这类数控机床主要用于加工径向 尺寸较大、轴向尺寸较小的大型复杂零件。如图1-1-2所示的 立式数控车床。
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任务1.1 认识数控车床
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1.1.2典型的数控车床组成
如图1-1-1所示为典型的全功能数控车床。CNC车床的主要组 成部分有CNC控制、床身、主轴箱、进给运动装置、刀架、 卡盘与卡爪、尾座、电源控制箱、液压和润滑系统以及其他 设置。下面以典型的全功能卧式数控车床为例,简介数控车 床的组成。 1. CNC控制系统 现代数控车削控制系统中,除了具有一般的直线、圆弧插补 功能外,还具有同步运行螺纹切削功能,外圆、端面、螺纹 切削固定循环功能,用户宏程序功能。另外,还有一些提高 加工精度的功能,如,恒线速度控制功能,刀具形状、刀具 磨损和刀尖半径补偿功能,存储型螺距误差补偿功能,刀具 路径模拟功能等。
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任务1.1 认识数控车床
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FANUC数控车削系统以其高质量、低成本、高性能、较全的 功能等特点,在市场的占有率远远超过其他的数控系统。 人机交流装置包括CRT和控制器面板,它允许操作员方便、 直观地访问CNC程序和机床信息。通过CNC控制器屏幕,操 作员可以浏览CNC程序、活动代码、刀具偏置和工件偏置、 机床位置、报警信息、错误消息、主轴转速(RPM)及功率。 控制器面板上控制开关、按键、按钮有利于操作员对机床的 手动操控。CRT、控制器面板如图1-1-3所示。 2.进给运动装置 CNC车床的两个主要进给轴是X轴和Z轴。X轴用于控制横溜 板,控制刀具横向进给移动,改变工件的直径;Z轴用于控制 纵向拖板,会沿长度方向移动刀具来控制工件的长度。
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任务1.1 认识数控车床
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全功能CNC车床进给伺服系统,通常为高精度数字式闭环伺 服系统,采用高速微处理器及软件伺服控制,采用高分辨率 位置检测器进行位置检测,能实现高速、高精度的进给运动 控制。 闭环进给伺服系统通常采用交流伺服电机来驱动滚珠丝杠, 滚珠丝杠又驱动刀架刀具沿导轨进给运动。各轴向运动控制 分别采用单独的驱动电机、滚珠丝杠、导轨。

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3.主轴箱
主轴箱包含用于旋转卡盘和工件的主轴,以及传递齿轮或皮 带。

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任务1.1 认识数控车床
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数控车床的主传动与进给传动采用了各自独立的伺服电机, 主轴电机驱动主轴,主运动传动链简单、可靠。由于采用了 高性能的主传动及主轴部件,CNC车床主运动具有传递功率 大、刚度高、抗振性好及热变形小的优点。全功能CNC车床 主轴实现无级变速控制,具有恒线速度、同步运行等控制功 能。 4.刀架 数控车床都采用了自动回转刀架,在加工过程中可自动换刀, 连续完成多道工序的加工,大大提高了加工精度和加工效率。 刀架是用于安放刀具的部件。当CNC程序需要某一把刀具时, 必须将它转位到切削位置。因此,其基本功能是夹持刀具并 实现刀具的快速转位,实现换刀功能。
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任务1.1 认识数控车床
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如图1-1-4所示,数控车床多采用自动回转刀架来夹持各种不 同用途的刀具,它们可能是外圆加工刀具,也可能是内孔加 工刀具,转塔刀架可以夹持4把、6把、8把、12把以至更多的 刀具。回转刀架上的工位数越多,加工的工艺范围越大,但 同时刀位之间的夹角越小,则在加工过程中刀具与工件的干 涉可能性越大。 5.卡盘与卡爪

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卡盘安装在主轴上,并配备有一套卡爪来夹持工件(如图1-1-1 所示)。可以将卡盘设计成有两个卡爪、3个卡爪、4个卡爪或 6个卡爪形式。

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任务1.1 认识数控车床
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三爪卡盘一般通过卡爪沿径向自定心对正零件。自定心卡盘 的各卡爪同时夹紧和松开,可以自动找工件轴心与主轴线对 齐;4个卡爪卡盘装夹工件时,通常要手动找正工件,各卡爪 可以单独控制,分别实现夹紧和松开,适用于不规则零件的 夹持。 采用了液压卡盘的数控车床,夹紧力调整方便可靠,同时也 降低了操作工人的劳动强度。

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6.尾座
如图1-1-5所示,尾座用于支撑刚性较低的工件,如轴、长的 空心铸件及小型零件等。尾座可以设计成手动操作或由CNC 程序命令操作。尾座一般利用顶尖来支撑工件的一端。
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任务1.1 认识数控车床
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车床项尖有多种样式,以适用于各种车削加工的需要。最常 用的顶尖是活动顶尖,它可以在轴承中旋转,从而能够减小 摩擦。 尾座可以沿Z轴滑动并支撑工件。尾座可以由操作员手动或 自动定位并紧固在床身上。顶尖是单独的部件,它要锁紧到 尾座轴中。 尾座的一般设置过程如下。

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①松开锁紧螺钉;
②将尾座滑动到需要的位置; ③允许尾座轴回缩来装、卸工件; ④拧紧尾座锁紧螺钉; ⑤检验主轴顶尖是否对中。
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任务1.1 认识数控车床
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7.床身 床身用于支撑和对正机床的X轴、Z轴及刀具部件。此外,床 身可以吸收由于金属切削而引起的冲击与振动。床身的设计 有两种方式,即平床身或斜床身。如图1-1-1所示,大多数全 功能CNC车床采用斜床身设计,这种设计有利于切屑和冷却 液从切削区落到切屑传送带。 8.电源控制箱

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电源控制箱上通常安装有电源开关及各种电器元件,其中包 括保险和复位按钮。为安全起见,这些元件均安装在电器控 制柜内部。通常要对电源控制箱加锁,以防止未得到授权的 人员操作。如果需要进行电气方面的维护,需要与取得授权 的人员联系。
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任务1.1 认识数控车床
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9.其他设置 (1)自动棒料进给器 自动棒料进给器可自动推进长棒料从卡爪伸出规定的长度。 此配置用于减少将工件材料装卡到卡盘时的操作时间。棒料 进给器的目的是在CNC加工循环结束时快速、自动地装卡棒 料。 (2)零件接收器 零件接收器的功能是当零件被切断后快速接收到它,以避免 损坏零件、刀具和(或)机床部件。此配置一般配备在自动棒 料进给类型的车床。 (3)第二刀架 主刀架和第二刀架均彼此独立地工作,可以同时切削两个零 件,以减少循环时间。
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任务1.1 认识数控车床
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(4)对刀器 对刀器是机床上的一个传感装置,可自动标记设置中的每一 把刀具。操作员可根据需要手动将刀具沿X轴和Z轴方向移动 到对刀器并与其接触,控制器会自动在偏置存储内存中记录 此距离值。这种装置可以减少机床设置时间,提高所加工零 件的质量。 (5)动力刀头

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此配置进行主动切削,配合主机完成铣、钻、撞等各种复杂 工序,动力刀头安装在动力转塔刀架。如图1-1-6所示为工件 随主轴准停定位后,车削中心的动力刀具对工件直径方向铣 平面和键槽、钻径向孔以及动力刀具轴向加工工件的示意图。
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任务1.1 认识数控车床
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(6)切屑传送带 切屑传送带用于将加工工件时产生的金属切屑从CNC车床的 工作区运走。可减少清理和维护CNC车床工作区的时间。

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1.1.3数控车削加工对象
1.精度要求高的零件 由于数控车床刚性好,制造精度高,并且能方便地进行人工 补偿和自动补偿,所以能加工精度要求较高的零件,甚至可 以以车代磨。数控车床刀具的运动是通过高精度插补运算和 伺服驱动束实现的,并且工件的一次装夹可完成多道工序的 加工,因此提高了加工工件的形状精度和位置精度。
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任务1.1 认识数控车床
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2.表面粗糙度小的回转体 数控车床能加工出表面粗糙度小的零件,不但是因为机床的 刚性和制造精度高,还由于它具有恒线速度切削功能。使用 数控车床的恒线速度切削功能,就可选用最佳线速度来切削 端面,这样切削出的零件的表面粗糙度既小又一致。 3.超精密、超低表面粗糙度的零件 轮廓精度要求超高和表面粗糙度超低的零件,适合于在高精 度、高功能的数控车床上加工。超精加工的轮廓精度可达0.1 μm,表面的粗糙度可达Ra0.02μm ,超精加工所用数控系统的 最小设定单位应达到0.01μm。超精车削零件的材质以前主要 是金属,现已扩大到塑料和陶瓷。
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任务1.1 认识数控车床
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4.表面形状复杂的回转体零件 由于数控车床具有直线和圆弧插补功能,部分车床数控装置 还有某些非圆曲线插补功能,所以可以车削由任意直线和平 面曲线组成的形状复杂的回转体零件和难以控制尺寸的零件, 如具有封闭内成形面的壳体零件。 5.带一些特殊类型螺纹的零件 数控车床不但能车任何等节距的直、锥和端面螺纹,而且能 车增节距、减节距,以及要求等节距、变节距之间平滑过渡 的螺纹和变径螺纹。数控车床可利用精密螺纹切削功能,采 用机夹硬质合金螺纹车刀,使用较高的转速,车削精度较高 的螺纹。
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任务1.1 认识数控车床
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实践任务 1.1.4认识典型数控车床
1.认识典型数控车床的各组成部分 现场识别典型数控车床主要组成,包括以下几个部分。 ①计算机数字控制系统—包括输入装置、监视器等。 ②主运动系统及主轴部件—使刀具(或工件)产生主切削运动。 ③进给运动系统—使工件(或刀具)产生进给运动并实现定位。 ④基础件—床身、导轨等。 ⑤辅助装置—卡盘、刀架、尾座。 ⑥其他辅助装置—如液压、气动、润滑、切削液等系统装置。 ⑦强电控制柜—机床强电控制的各种电气元器件。
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任务1.1 认识数控车床
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2.典型全功能CNC车床技术参数识读 (1)识读卧式车床主要技术参数 识读卧式车床主要技术参数,表1-1-1是型号为HM-077的典 型全功能CNC车床技术参数。 (2)数控车床主要技术参数识读要点 数控机床的主要技术参数可分成尺寸参数、接口参数、运动 参数、动力参数、精度参数、其他参数几个方面来认识。 ①尺寸参数。包括最大回转直径、最大加工直径、最大加工 长度。影响到加工工件的尺寸范围、大小、重量,影响到编 程范围及刀具、工件、机床之间的干涉。

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任务1.1 认识数控车床
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②接口参数。包括主轴通孔直径、刀架刀位数、刀具安装尺 寸、工具孔直径、尾座套简直径、行程、锥孔尺寸等,影响 到工件、刀具安装及加工适应性和效率。

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③运动参数。包括各坐标行程、主轴转速范围、各坐标快速 进给速度、切削进给速度范围,影响到加工性能及编程参数。
④动力参数。包括主轴电机功率、伺服电机额定转矩,影响 到切削负荷。

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⑤精度参数。包括定位精度和重复定位精度,影响到加工精 度及其一致性。
⑥其他参数。包括外形尺寸、重量,影响到使用环境。

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任务1.1 认识数控车床
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检测与评价 任务小节
总结上述的学习,本任务的主要学习内容有以下几点: 数控机床由计算机自动控制,有与人脑相似的数控装置、与 人手相似的伺服系统、与人骨架相似的机床本体、与人感官 相似的输入装置和位检装置。

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CNC车床可自动控制完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、 螺纹和端面等工序的切削加工,并能进行车槽、钻孔、扩孔、 铰孔等工作
本课题的实践内容为识别车床主要组成、主要技术参数

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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【学习目标】 通过本任务学习,达到以下学习目标: 了解数控车削加工过程;

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熟悉机床安全操作常识
【基本知识】

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1.2.1数控车削加工过程
数控机床的加工大致可分为两个阶段,一是加工工艺设计和 加工程序的填写,实质是制订指定机床加工运动的规律;二是 机床执行加工程序,按指定的规律进行自动的加工。

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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1.数控加工工艺及编程 由于数控机床是做由计算机控制的自动加工,因此,运用数 控机床加工,人的主要工作是数控加工工艺设计及加工程序 的编制。 ①通过对生产指令—工件图样的分析,明确加工内容、要求、 加工条件。 ②设计加工方案,包括工具设备选择,加工方法、过程设计, 加工路线设计等。 ③对编程需要的加工数据进行必要的数学处理。 ④进行加工程序的填写。将加工零件的加工顺序,工件与刀 具相对运动轨迹的尺寸数据,工艺参数(如主运动和进给运动 速度,切削深度等)以及辅助操作(如变速、换刀、冷却液启 停、工件夹紧及松开)等加工信息,用规定的文字、数字、符 号组成代码,按一定的格式编写成加工程序单。
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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⑤对机床、毛坯、刀具、工件装夹等进行辅助准备。 加工工艺制订是否严密和加工工艺制订是否先进、合理,将 在很大程度上关系到加工质量的优劣。

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2.数控机床自动加工
执行数控机床自动控制加工的前提是由机床、刀具、工件组 成的工艺系统准备完毕,加工程序校验正确,然后可以进行 由计算机控制的自动加工。自动加工过程一般如下。

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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①加工程序通过输入装置以数字脉冲的形式输入到数控装置。 ②数控装置将加工程序信息进行一系列处理后,将处理结果 以数字脉冲信号向伺服系统等执行部门发出执行命令。

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③进给伺服系统接到指令信息后,驱动机床进给机构实行进 给运动;主传动系统接到命令后实现主轴相应的启动、停止、 正反转和变速等动作;其他辅助运动也在PLC的控制下准确执 行。进给运动、主运动、辅助运动相互配合实现准确的、预 定的加工运动。

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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1.2.2数控车床安全操作常识
不管什么机床操作,都应有相应的安全操作规程。它既是保 证操作人员安全操作人员的重要措施之一,也是保证设备安 全、产品质量等的重要措施。 CNC机床是速度极高且功率强大的机床,操作者必须熟悉机 床性能和机床操作使用手册,并经过有关培训。在各种情况 下,都应严格遵守所有的安全规则,严格按机床和系统的使 用说明书要求正确、合理地操作机床。下面分类列出了建议 的安全规则,要求操作者在操作CNC机床或进入车间工作区 之前仔细阅读和理解这些规则。

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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1.注意人身安全 ①在指定区域,要随时戴给予安全认证的、配有侧罩的眼镜; ②操作重型刀具和设备时,要穿安全鞋; ③当灰尘超出职业安全与卫生条例的规范时,应戴合格的口 罩; ④当操作机床或在机床附近站立时,应罩住长发; ⑤当操作机床或在机床附近站立时,不要佩戴首饰或穿宽松 服装; ⑥要站立,不要依靠在机床某处; ⑦避免皮肤与切削液或切削油接触; ⑧吃药(处方药或非处方药)后,在药物起作用期间严禁操作 任何机床或设备; ⑨受伤后要及时报告,并及时治疗。
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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2.注意机床和刀具操作安全 ①将刀具放在对应的工具盘和工具箱中,保持刀具锋利,并 使其处于良好的工作状态;

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②在操作任何机床之前,要保证所有安全装置位于指定的位 置,并能够起作用;
③应使所有电气面板或操作面板安全可靠; ④不要触摸松散的电线或电气元件; ⑤确保已加入了各种油; ⑥确保所有压缩空气设备均处于良好的工作状态;

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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⑦当处理刀具的切削刃时,要戴手套; ⑧操作机床时绝对不要戴手套; ⑨通过检查确保机床电气部分工作正常,并且检查时采用上 锁标示制度; ⑩通过检查确保机床工作区中的所有灯均处于良好的工作状 态; 11当将身体倾斜到机床的工作区域时,身体要远离障碍物和 锋利的刀具; 12搬运机床部件时,手要保持清洁。 3.注意加工时的安全措施 ①尽可能将夹持装置和刀具安装紧;
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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②在开始任何操作之前,要检查各刀具与零件或机床是否可 能发生碰撞; ③只有紧急停止(Emergency stop)按钮、进给保持(Feed Hold) 按钮、主轴停止(spindle stop)按钮和其他操作功能给出正确 的指示之后,才能够进行各种操作; ④在用新程序进行实际切削之前,要在空运行模式下验证程 序,经过严格检验方可进行操作运行; ⑤开始加工时要把进给速度调到最小,快速定位、落刀、进 刀时须集中精神,手应放在停止键上,有问题立即停止,注 意观察刀具运动方向以确保安全进刀,然后慢慢加大进给速 度到合适; ⑥操作机床时如果出现任何紧急情况,立即按紧急停止 (Emergency stop按钮;
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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⑦主轴旋转时,手不要靠近主轴; ⑧不要打开电气面板或控制器门; ⑨不要用手清理切屑和杂物; ⑩主轴旋转或工作时不要清理切屑和杂物; 11要确保所有进给和速度均没有超出建议的值; 12如果操作员对任何操作有疑问或不熟悉,应与专业人员联 系; 13机床发生事故时,操作者要注意保留现场,以利于分析问 题,查找事故原因; 14认真填写数控机床的工作日志,做好交接工作; 15不得随意更改数控系统内部的制造厂设定的参数,并及时 做好备份。
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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4.注意车间环境安全 ①数控机床要避免光的照射和其他热辐射,避免潮湿和粉尘 场所,避免有腐蚀性气体; ②立即清除地面上的切屑,清除溅落的液体、油和油脂,保 持地面和走廊清洁; ③如果有烟雾或异味要及时报告; ④关机后及时清洁机床工作台,经常润滑机床导轨,防止导 轨生锈,做好保养工作。 每一台CNC机床均提供操作员手册,其中包括操作指令和安 全规则,提供了标准的安全措施,大多数CNC机床还提供警 告标志,对可能发生的危险向操作员提出警告。在任何情况 下,必须具体分析每一台CNC机床加工状况,以便在操作 CNC机床之前确定要考虑的每一项安全因素与措施。
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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【实践任务】

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1.2.3观察数控车削过程
实践方法:参观实际机床加工过程,或参观仿真加工,或观看 加工视频。 数控车削加工过程一般如下。 1.加工准备 ①详阅工件图,检查坯料尺寸; ②开机回机床参考点,使机床对其后的操作有一个基准位置; ③卡盘装夹工件,露出加工的部位,避免刀头可能碰到夹具; 校检工件基准面的水平误差和垂直度误差,并确保夹紧好后 的定位精度;
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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④根据工序卡准备刀具,装刀并进行长度补偿的设置,检查 长度补偿数据的正确性; ⑤输入程序;

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⑥进行图形模拟加工以检测程序。
2.工件加工过程 ①执行每一个程序前检查其所用的刀具,检查切削参数是否 合适; ②启动加工程序,开始加工时宜把进给速度调到最小,密切 观察加工状态,有异常现象及时停机检查;

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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③在加工过程中不断优化加工参数,以达到最佳加工效果, 粗加工后检查工件是否有松动,检查位置、形状尺寸; ④精加工后检查位置、形状尺寸,调整加工参数,直到工件 与图纸及工艺要求相符; ⑤工件拆下后及时清洁机床工作台。 1.2.4机床安全操作规程现场实践 安全操作规程是保证操作人员安全、设备安全、产品质量等 的重要措施。 ①人身安全规程现场演示及实践; ②机床和刀具操作安全规程现场演示及实践;

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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③加工时的安全规程现场演示及实践; ④车间环境安全规程现场演示及实践。

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1.2.5学习开机、回参考点、关机操作
1.数控车床开机操作 数控机床的开机和关机看起来是一件非常简单的任务,但是 很多潜在的故障都有可能在这个过程中发生。例如,在高温 高湿的气候环境中,应检查电气柜中是否有结露的现象。如 果发现有结露的迹象,绝对不能打开数控机床的主电源。在 结露的状态下开机,可能造成数控机床中的电气部件的损坏。

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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开机前准备工作如下:操作人员机床通电前,先检查电压、气 压、油压是否符合工作要求;检查工作台是否有越位、超极限 状态;检查电气元件是否牢固,是否有接线脱落;检查机床可 动部分是否处于可正常工作状态;检查机床接地线是否和车间 地线可靠连接。已完成开机前的准备工作后方可合上电源总 开关。 (1)开机顺序操作

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开机时应严格按机床说明书中的开机顺序进行操作,一般顺 序如下:
①首先合上机床总电源开关,再开稳压器、气源等辅助设备 电源开关;
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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②打开车床控制柜总电源,将机床电气柜开关旋钮转到 “ON",此时,可听到电气柜冷却风扇运转的声音; ③接通NC电源,按下操作面板上通电按钮“NC通电”,操 作面板上电源指示灯亮,等待CRT屏幕位置画面显示,并可 听到机床液压泵启动的声音,在位置画面显示前不要动任何 按键、按钮; ④将紧急停止按钮右旋弹出。

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(2)开机后的检查工作
机床通电之后,操作者应做好以下检查工作: ①检查冷却风扇是否启动,液压系统是否启动;

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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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②检查操作面板上各指示灯是否正常,各按钮、开关是否正 确; ③观察显示屏上是否有报警显示,若有,则应及时处理; ④观察液压装置的压力表指示是否在正常的范围内; ⑤回转刀架是否可靠夹紧,刀具是否有损伤。 2.数控车床回参考点操作 一般情况下,开机后必须先进行回机床参考点(回零)操作, 建立机床坐标系。 如图1-2-1所示,回零操作过程如下: ①将模式选择开关选到回零方式上; ②选择快速移动倍率开关到合适倍率上;
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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③选择回参考点的轴和方向,按“+X”或“+ Z"键回参考点 (依次回原点,先X向,再Z向回参考点); ④正确的回零结果为面板上该轴回零指示灯亮,或按“POS" 键,屏幕显示该向坐标的零坐标值。 3.数控车床关机操作 工件加工完成后,清理现场,再按与开机相反的顺序依次关 闭电源,关机以后必须等待5 min以上才可以进行再次开机, 没有特殊情况不得随意频繁进行开机或关机操作。 对于数控机床关电的一般要求是必须断开伺服驱动系统的使 能信号后,才能关闭主电源。大多数数控机床都是利用急停 操作来断开伺服驱动器的使能信号。先急停,再断主电源的 方法是保险的安全关电方法。
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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使用数控机床时,一定要参阅机床厂提供的技术资料,了解 机床对关电的要求。 (1)关机前的准备工作 停止数控车床前,操作者应做好以下检查工作: ①检查循环情况。控制面板上循环启动的指示灯LE D熄灭, 循环启动应在停止状态。 ②检查可移动部件。车床的所有可移动部件都应处于停止状 态。 ③检查外部设备。如有外部输入/输出设备,应全部关闭。 (2)关机 关机过程一般为:急停关→操作面板电源关→机床电气柜电源 关→总电源关。
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任务1.2 数控车削加工过程及 安全操作
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【检测与评价】 【任务小结】 总结上述的学习,本任务的主要学习内容如下:

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机床操作应按安全操作规程。它是保证操作人员安全、设备 安全、产品质量等的重要措施。
本课题的实践内容有数控车削加工过程观察;数控加工安全操 作实践;开机、回参考点、关机操作。 同学们可把数控车削加工过程与数控加工安全操作实践联系 起来学习,更容易理解安全操作要点。

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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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【学习目标】 通过本任务学习,达到以下学习目标: 了解数字控制系统的基本原理; 了解数字控制功能; 熟悉数控车床操作面板 【基本知识】

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1.3.1数控系统概述
数控系统的作用是,接收由加工程序等送来的各种信息,并 经处理后,向驱动机构发出执行的命令。 数控系统是一种配有专用操作系统的计算机控制系统,包括 硬件和软件两大部分组成,软、硬件结合,实现对机床加工 运动的控制。
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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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数控硬件,指设备。数控系统硬件通常由计算机基本系统部 分及与之相联系的各功能模块组成。数控软件,是以程序为 中心的信息组合(存储程序),是用于对机床加工运动实时控 制的操作系统。 1.数控系统硬件体系结构 现代数控系统按模块化设计方法构造。模块化设计方法是, 将控制系统按功能划分成若干种具有独立功能的单元模块, 并配上相应的驱动软件。数控系统主要分为主控制模块、电 源模块、主轴模块、进给轴伺服模块等。不同的功能模块插 入控制单元母板上,组成一个完整的控制系统,如图1-3-1所 示。
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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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2.数控系统软件的功能结构 CNC装置由软件和硬件组成,硬件为软件的运行提供了支持 环境,软件(Software)是相对于硬件而言的,计算机软件指各 类程序和文档资料的总和。计算机硬件系统又称为“裸机”, 计算机只有硬件是不能工作的,必须配置软件才能够使用。 软件的完善和丰富程度,在很大程度上决定了计算机硬件系 统能否充分发挥其应有的作用。 CNC的软件是为实现CNC系统各项功能而编制的专用软件, 又称系统软件,分为管理软件和控制软件两大部分。 如图1-3-2所示,管理软件由零件程序的输入/输出程序、显示 程序和诊断程序等组成。控制软件由译码程序、刀具补偿计 算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控制程序等组 成。
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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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3.计算机数控系统对加工运动的控制 数控系统软件在系统硬件的支持下,合理地组织、管理整个 数控系统,对输入的加工程序自动进行处理,发出控制命令 对机床加工运动进行自动控制,使数控机床有条不紊地进行 加工。 计算机数控系统对机床的自动加工控制主要是对机床的进给 运动控制、主轴运动控制、刀具管理控制、一些辅助功能的 控制等。如图1-3-3为数控系统控制机床加工运动示意图。

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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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1.3.2了解FANUC数控系统
FANUC系统是日本富士通公司的产品,中文译名为发那科。 FANUC系统进入中国市场有非常悠久的历史,有多种型号的 产品在使用,使用较为广泛的产品有FANUC 0 , FANUC 16 , FANUC 18 , FANUC 21等。在这些型号中,使用最为广泛的 是FANUC 0系列。 FANUC系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆 装、各个控制板高度集成,使可靠性有很大提高,而且便于 维修、更换。

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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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例如,FANUC 0i数控系统包括控制单元、电源模块、伺服模 块、显示单元、MDI单元等硬件。FANUC 0i-MA数控系统与 FANUC伺服电动机。 α系列和FANUC伺服电动机β系列相连。 α系列主要用于驱动主轴、伺服轴,而β系列主要用于换刀机 械手和刀库的驱动。 FANUC系统性能稳定,操作界面友好,系统各系列总体结构 非常的类似,具有基本统一的操作界面。如图1-3-4所示,是 典型FANUC车床操作面板。 【实践任务】 数控车床的操作面板由CRT/MDI键盘和机床控制面板两部分 组成,如图1-3-4中,其上部分CRT/MDI键盘,下部分为机 床控制面板。
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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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1.3.3熟悉数控系统CRT/MDI键盘
数控系统操作面板由CRT显示屏和MDI键盘两部分组成,其 中显示屏主要用来显示相关坐标位置、程序、图形、参数、 诊断、报警等信息,而MDI键盘包括字母键、数值键以及功 能按键等,可以进行程序、参数、机床指令的输入及系统功 能的选择。典型的FANUC数控系统CRT/MDI键盘如图1-3-5

所示。MDI键盘说明见表1-3-1

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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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1.3.4熟悉机床控制面板
机床控制面板主要由急停、操作模式开关、主轴转速倍率调 整开关、进给速度倍率调整开关、快速移动倍率开关以及主 轴负载荷表、各种指示灯、各种辅助功能选项开关和手轮等 组成。通过对各种功能键简单操作,直接控制机床的动作及 加工过程。不同机床操作面板的各开关的位置结构各不相同, 但功能及操作方法大同小异。典型的FANUC数控机床控制面 板如图1-3-6所示,机床面板详细使用说明可参见表1-3-2

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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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【检测与评价】 【任务小结】 总结上述的学习,本任务的主要学习内容如下:

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CNC系统是专用计算机操作系统,包括硬件和软件两大部分, 软、硬件结合,实现CNC对机床进给运动、主轴运动、刀具 管理、辅助功能等加工运动控制。
CNC硬件由控制模块、电源模块、主轴控制模块、伺服控制 模块等各模块连接而成。CNC的软件是实现CNC功能的专用 软件,分管理软件和控制软件两大部分。 本课题的实践内容是CRT/MDI键盘认识,机床控制面板认识

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任务1.3 数控车削系统及 操作面板
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[知识拓展] FANUC系统操作面板常见英文同汇说明:不同机床的操作面 板,各开关的位置结构各不相同,但功能及操作方法大同小 异。一部分机床控制按钮使用英文,给初学者带来不便,现 对面板上常见英文开关按钮进行说明,见表1-3-3。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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【学习目标】 通过本任务学习,达到以下学习目标: 了解主运动控制特点、主轴驱动、主轴功能;

了解数控车床进给系统组成、伺服控制方法、进给运动机械;
掌握数控车床主运动、进给运动手动操作 【基本知识】

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1.4.1数控车床主运动控制
1.数控车床主运动控制特点 数控车床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴支 承等组件。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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与普通车床的主传动系统相比,其结构较简单,这是因为 CNC机床的变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速 来承担,省去了繁杂的齿轮变速机构,有些只有二级或三级 齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的恒功率变速范围。 数控机床对主运动系统的要求有以下几点。 (1)提供足够的调速范围、切削功率、切削力矩 为了保证数控机床加工时能选用合理的切削用量,充分发挥 刀具的切削性能,从而获得最高的生产率、加工精度和表面 质量,数控机床主运动系统要提供足够宽的调速范围,提供 适合于加工工艺所需的切削功率、力矩,并能在调速范围内 实现无级调速。
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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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(2)数控车床主轴系统要有高的旋转精度、良好的抗振性、热 稳定性、耐磨性 主运动系统具有旋转精度、抗振性、热稳定性有利于提高加 工精度。主轴组件具有足够的耐磨性,能够长期保持主轴运 动精度。 (3)数控车床主运动自动化控制 为满足数控自动化加工要求,数控车床能自动控制主轴旋转 启动、停止、正转、反转、自动调速控制。全功能数控车床 还有主轴与进给同步运行控制、恒线速度控制等功能。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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2.主轴支承与主轴的回转精度 数控车床机床主轴是装夹工件的位置基准,它的误差也将直接 影响工件的加工质量。机床主轴的回转精度是机床主要精度指 标之一,其在很大程度上决定着工件加工表面的形状精度。主 轴的回转误差主要包括主轴的径向圆跳动、窜动和摆动。 造成主轴径向圆跳动的主要原因有轴径与轴孔圆度不高、轴承 滚道的形状误差、轴与孔安装后不同心以及滚动体误差等。

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造成主轴轴向窜动的主要原因有推力轴承端面滚道的跳动以及 轴承间隙等。
由于前后轴承、前后轴承孔或前后轴径的不同心造成主轴在转 动过程中出现摆动现象。摆动不仅造成工件的尺寸误差,而且 还造成形状误差。
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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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提高主轴旋转精度的方法主要有通过提高主轴组件的设计、 制造和安装精度,采用高精度的轴承等方法。 根据数控机床适应的加工要求或加工情况的不同,轴承的承 载、转速与回转精度的特点亦不相同。主轴轴承选用和布置 形式应根据精度、刚度和转速要求来选择。 3.主轴驱动与调速 (1)主轴闭环速度控制 主轴伺服驱动系统由主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴 速度与位置的旋转编码器三部分组成,主要完成闭环速度控 制。主轴驱动单元的闭环速度控制原理框图如图1-4-1所示。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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图1-4-1中,CNC系统向主轴驱动单元发出速度指令,经过 D/A变换,将CNC输出的数字指令值转变成速度指令电压(如 10V相当4500 r/min),将该电压指令与速度传感器测出的与

实际速度对应的输出电压相比较,比较值经主轴驱动模块处
理,控制主轴电动机的旋转,完成主轴的速度闭环控制。速 度传感器TG可以在主轴外安装,也可以与主轴电动机做成一 个整体。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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(2)主轴驱动电动机 主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大 类。直流主轴电动机的结构与永磁式直流进给伺服电动机不 同,主轴电动机要能输出大的功率,所以一般是他励式。直 流电动机可采用改变电枢电压或改变励磁电流的方法实现无 级调速。现代交流电动机,采用矢量变换控制的方法,把交 流电动机等效成直流电动机进行控制,可得到同样优良的调 速性能。主轴交流电动机多采用鼠笼式异步电动机,鼠笼式 感应异步电动机具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维护 方便等许多优点。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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(3)主轴电动机驱动特性曲线 典型的主轴电动机驱动的工作特性曲线如图1-4-2所示。由于 矢量变换控制的交流驱动具有与直流驱动相似的数学模型,

所以,主轴驱动特性可用直流驱动的数学模型进行分析。
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由曲线可见,主轴转速在基本速度n0以左属于恒转矩调速。 恒转矩调速区保持恒定的最大励磁电流,因此输出恒定的最

大转矩。改变电枢电压调速,则输出功率随转速升高而增加。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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主轴转速在基本速度n0以右属于恒功率调速。在恒功率调速 区,电枢电压达到最大值,可采用调节励磁电流的方法调速。 励磁电流减小K倍,电动机所输出的转矩则因磁通的减小而 减小K倍,但相应的主轴转速增加K倍,所能输出的最大功率 不变,因此称为恒功率调速。 (4)大中型数控车床分段无级调速 对于大中型数控车床主运动的控制系统,仅采用直流或交流 电动机进行无级调速,主轴箱虽然得到大大简化,但其低速 段输出扭矩常常无法满足机床强力切削的要求。为扩大调速 范围,适应低速大转矩的要求,也经常采用齿轮有级调速和 电动机无级调整相结合的分段调速方式,以及其他的方法扩 大调速范围。数控机床常采用1~4挡齿轮变速与无级调速相结 合的方式,即分段无级变速方式。
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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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如图1-4-3所示,带有变速齿轮的主传动是机床较常采用的配 置方式,通过少数几对齿轮传动,扩大变速范围。数控系统 自动控制不同齿轮对的啮合换挡。

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如图1-4-4所示为采用齿轮变速与不采用齿轮变速时主轴的输
出特性。采用齿轮变速虽然低速的输出扭矩增大,但降低了 最高主轴转速。通过不同齿轮对的啮合换挡,达到能满足低

速大转矩,又能满足主轴转速的要求。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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FANUC数控系统使用M41~M44代码指令齿轮自动换挡的功 能。首先数控系统参数区设置M41~M44四挡对应的最高主轴 转速,这样数控系统会根据当前S指令值,判断应处的挡位, 输出相应的M41~M44指令给可编程控制器(PLC),控制更换 相应的齿轮挡,然后数控装置输出相应的模拟电压。 例如,M41对应的主轴最高转速为1000 r/min , M42对应的主 轴转速为3500 r/min,主轴电动机最高转速为3500 r/min。当 S指令在0~1000 r/min范围时,M41对应的齿轮应啮合;当S指 令在1 000~3 500 r/min范围时,M42对应的齿轮应啮合。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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4.数控车床主轴的同步运行功能 数控机床主轴的转动与进给运动之间,没有机械方面的直接 联系,在数控车床上加工圆柱螺纹时,要求主轴的转速与刀

具的轴向进给保持一定的协调关系。
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数控机床上能加工各种螺纹,这是因为安装了与主轴同步运 转的脉冲编码器,如图1-4-5所示,通过同步带和同步带轮把

主轴的旋转与脉冲编码器联系起来。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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与主轴同步运转主轴脉冲编码器测量主轴旋向、角位移、角 速度。并且不断发出脉冲送给数控装置,控制进给插补速度, 根据插补计算结果,控制进给伺服系统,使进给量与主轴转

速保持所需的比例关系,实现主轴转动与进给运动相联系的
同步运行,从而车出所需的螺纹。通过改变主轴的旋转方向 可以加工出左螺纹或右螺纹。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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5.主轴恒线速度控制 利用数控车床或磨床进行端面切削、变直径的曲面、锥面车 削时,为了保证加工面的表面粗糙度Ra精度。由加工工艺知 识可知,需保证切削刃与工件接触点处的切削速度为一恒定 值,即恒线速度加工。 由于在车削或磨削端面时,刀具要不断地作径向进给运动, 从而使刀具的切削直径逐渐减小。由切削速度与主轴转速的 关系V = 2πnD可知,若保持切削速度v恒定不变,当切削直 径D逐渐减小时,主轴转速n必须逐渐增大,但又不能超过极 限值。数控装置须设有相应的控制软件,能根据切削直径的 变化,自动控制主轴转速调整,达到刀具相对工件的切削速 度v恒定不变。
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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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1.4.2数控车床进给运动控制
1.进给控制概述 如果说CNC装置是数控机床的“大脑”,是发布运动“命令” 的指挥机构,那么,伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”, 是执行机构。CNC装置对进给运动的加工程序指令插补运算 处理后,发来进给运动的命令,伺服驱动系统准确地执行进 给运动的命令驱动机床的进给运动。因此,伺服控制系统是 连接数控装置与机床的进给运动机构的枢纽,其性能是影响 数控机床的进给运动精度、稳定性、可靠性、加工效率的重 要因素。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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机床有几个坐标,就应有几套进给伺服驱动系统。进给系统 接收数控装置发出的进给速度和位移指令信号,由伺服驱动 电路作一定的转换和放大后,驱动电动机旋转,驱动电动机 的旋转随即使滚珠丝杠旋转,滚珠丝杠副又将旋转运动转换 成直线轴(滑台)运动。滑台上的反馈装置(直线光栅尺)使数控 系统确认指令已执行完成。 2.进给伺服控制 (1)开环进给伺服控制 开环系统是最简单的进给系统,如图1-4-6所示,这种系统的 伺服驱动装置主要是步进电动机等。由数控系统送出的进给 指令脉冲,经驱动电路控制和功率放大后,使步进电动机转 动,经传动装置驱动执行部件。
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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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由于步进电动机的角位移量和角速度分别与指令脉冲的数量 和频率成正比,而且旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序。 因此,只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序,便可 控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不 需要对实际位移和速度进行测量,更无须将所测得的实际位 置和速度反馈到系统的输入端与输入的指令位置和速度进行 比较,故称之为开环系统。 开环系统的位移精度主要决定于步进电动机的角位移精度、 齿轮丝杠等传动元件的节距精度以及系统的摩擦阻尼特性, 所以定位精度较低。 开环进给系统的结构较简单,调试、维修、使用都很方便, 工作可靠,成本低廉。在一般要求精度不太高的机床上曾经 得到广泛应用。
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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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(2)闭环进给伺服控制 现代数控机床大多改用了直流或交流伺服电动机的半闭环和 闭环进给系统,如图1-4-7所示为半闭环进给系统,如图1-4-8 所示为全闭环进给系统。闭环进给伺服驱动是按闭环反馈控 制方式工作的,其驱动电动机可采用直流或交流同步电动机 (如图1-4-9所示),并需要配置位置反馈和速度反馈(如图1-410所示),在加工中随时检测移动部件的实际位移量,并及时 反馈给数控系统中的比较器,它与插补运算所得到的指令信 号进行比较,其差值又作为伺服驱动的控制信号,进而驱动 位移部件以消除位移误差。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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按位置反馈检测元件的安装部位和所使用的反馈装置的不同, 它又分为半闭环和全闭环两种控制方式。 ①半闭环伺服系统。如图1-4-7所示,半闭环伺服系统具有检 测和反馈系统。测量元件,如脉冲编码器,装在丝杠或伺服 电动机的轴端部,通过测量元件检测丝杠或电动机的回转角 间接测出机床运动部件的位移,经反馈回路送回控制系统和 伺服系统,并与控制指令值相比较。由于只对中间环节进行 反馈控制,丝杠和螺母副部分还在控制环节之外,故称半闭 环。对丝杠螺母副的机械误差,需要在数控装置中用间隙补 偿和螺距误差补偿来减小。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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②全闭环控制。如图1-4-10所示,其位置反馈装置采用直线 位移检测元件(目前一般采用光栅尺),安装在工作台上,可 直接测出工作台的实际位置。该系统将所有部分都包含在控 制环之内,通过反馈可以消除从电动机到机床床鞍的整个机 械传动链中传动误差,从而得到很高的机床定位精度。但该 系统结构较复杂,控制稳定性较难保证,成本高,调试维修 困难。

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3.数控机床进给系统机械部分
如图1-4-11所示,与数控机床进给系统有关的机械部分一般 由机械传动装置、导轨、工作台等组成。下面是对主要机械 结构的概述。
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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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(1)滚珠丝杠螺母副 数控机床的进给传动链中,滚珠丝杠螺母副将进给电动机的 旋转运动转换为工作台或刀架的直线运动。

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如图1-4-12所示,滚珠丝杠螺母副是在丝杠和螺母之间以滚 珠为滚动体的螺旋传动元件,当丝杠旋转时,滚珠在滚道内 既自转又沿滚道循环转动。
滚珠丝杠螺母副具有传动效率高、摩擦损失小、运动平稳、 传动精度高的特点,并且通过适当预紧,可消除丝杠和螺母 的螺纹间隙,提高刚度和定位精度。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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(2)传动齿轮 齿轮传动在伺服进给系统中的作用是改变运动方向、降速、 增大扭矩,适应不同丝杠螺距和不同脉冲当量的配比等。当

在伺服电动机和丝杠之间安装齿轮时,啮合齿轮必然产生齿
侧间隙,造成进给反向时丢失指令脉冲(即进给反向时的实际 进给运动滞后于指令运动),并产生反向死区,从而影响加工

精度。因此,必须采取措施,设法消除齿轮传动中的间隙。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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(3)导轨 在机床中,导轨是用来支撑和引导运动部件沿着直线或圆周 方向作准确运动,起支承和导向作用。导轨是确定机床移动

部件相对位置及其运动的基准,作为机床进给运动的导向件
其形位精度和形位精度的保持能力与进给运动的精度有重要 的关系,它的各项误差直接影响工件的加工精度。
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按导轨接合面的摩擦性质,导轨可分为滑动导轨、滚动导轨
和静压导轨。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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【实践任务】

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1.4.3数控车床手动操作实践
1.手动连续方式 ①旋转操作面板中的机床方式选择旋钮使其指向“连续进给 方式”(JOG方式) ②旋转操作面板中的进给倍率修调旋钮,选择合适的进给倍 率; ③选择移动的坐标轴和方向,按压按钮“+X”或“-X”或 “+Z”或“-Z",可移动相应的坐标轴,即按即动,即松即停。

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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2.手动快速方式 与手动连续方式操作类似,不同的是:选择移动的坐标轴和方 向,在按压轴移动按钮时,按压“RAPID",可快速移动相 应的坐标轴。 手动连续方式和手动快速方式操作要点如图1-4-13所示。 3.手轮方式 如图1-4-14所示,手轮方式操作要点如下。 ①在操作面板上,方式选择旋钮指向“手轮×1”或“手轮× 10”或“手轮× 100”方式,选择合适的脉冲当量,系统处于 手轮(手脉)方式;

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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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②手动轴选择,选择移动的坐标轴; ③摇动手轮,控制机床的移动,按“逆正顺负”方向旋动手 轮手柄,则刀具主轴相对于工作台向相应的方向移动,移动 距离视进给增量挡值和手轮刻度而定,手轮旋转360°,相当 于100个刻度的对应值。 4.手动方式下主轴旋转 在手动方式下,如图1-4-15所示,当主轴有一个模态预速度, 可通过对操作面板上主轴启动、停止按钮操作,控制主轴的 转动和停止,还可通过主轴转速修调,调节主轴转速,控制 主轴的转动和停止。刀具切削零件时,主轴需以适当的速度 转动。
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任务1.4 主运动、进给运动控制及 手动操作
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【检测与评价】 【学习小结】 总结上述的学习,本课题的主要学习内容有以下几点: 数控机床的主轴旋转运动要有足够的调速范围、输出功率、 切削力矩、旋转精度、抗振性、热稳定性、耐磨性等特性。 对主轴进行伺服控制,实现速度控制功能,实现主轴准停、 同步运行等控制功能。 数控系统插补软件对进给轨迹插补处理得到进给控制命令。 进给伺服系统执行进给指令驱动进给运动,进给伺服系统分 开环系统和闭环系统。数控机床进给系统有关的机械部分一 般由导轨、机械传动装置、工作台等组成。 本任务的实践内容是数控车床主运动和进给手动操作。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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【学习目标】 通过本任务学习,达到以下学习目标: 掌握数控车床的坐标系规定;

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掌握数控车床的工件坐标系设定;
能够手动操作数控车床并进行对刀操作 【基本知识】

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1.5.1数控车床坐标系
1.进给运动与坐标系 数控加工必须准确描述进给运动。加工过程中,刀具相对工 件运动轨迹和位置决定了零件加工的尺寸、形状。
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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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把刀具相对工件的进给运动轨迹简称刀轨,数控机床必须确 切知道刀轨,编程人员必须准确描述表达刀轨。刀轨一般由 直线段或圆弧段组成,线段起点、终点位置是表达刀轨的主 要信息。数学中,点位可以在坐标系里定义为坐标值,如果 在数控机床上建立一个数控机床的坐标系,就可以方便地在 机床或在工件的图样上描述刀轨。CNC编程中,使用数字来 “翻译”图纸,将图纸的尺寸变成刀轨数据,实现刀具轨迹 数据化。 国际数控标准ISO 841规定,数控机床标准坐标系采用右手笛 卡儿坐标系,如图1-5-1所示,用右手笛卡儿坐标系来规定数 控机床标准坐标系。
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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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2.数控车床原点及坐标系 如图1-5-2所示,数控车床一般这样规定坐标系:平行主轴线的 运动方向取名Z轴方向,横滑座上导轨方向名为X轴方向,且 规定刀架离开工件方向为正向。 如图1-5-3 ( a)所示,若数车生产厂把机床坐标零点设在主轴 线与卡盘定位面之交点M,则建立了以M为原点的数控车床 坐标系。

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如图1-5-3 ( b)所示,有的数车生产厂把机床坐标零点M设在 X, Z正向的极限行程点。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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3.数控车床参考点 对于增量式测量系统的数控机床,机床厂家设置另一固定的 点—机床参考点,机床参考点通常设在X, Z正向的极限行程 点,用于标定进给测量系统的测量起点。机床参考点相对机 床零点具有准确坐标值,出厂前由机床厂家精密测量并固化 存储在数控装置的内存里。 一些机床将机床参考点和机床原点不设为同一点。如图1-53(a),机床参考点在机床坐标系中坐标值为(X600, Z1010)。 一些机床将机床参考点和机床原点设为同一点。如图1-5-3(b), 机床参考点在机床坐标系中坐标值为(X0, Z0)。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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4.刀架参考点 机床坐标系无法直接提供追踪测量刀具相对工件坐标位置的 功能,是因为数车生产厂无法预先确定具体工件和刀具在机 床的位置。数车生产厂选择刀架上一定点—刀架参考点,作 为机床坐标系直接追踪测量的目标。刀架参考点用来代表刀 架在机床的位置,如图1-5-3中所示的刀架中心。 5.回参考点操作

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增量式测量的数控机床开机后,首先要执行回参考点操作, 让刀架参考点与机床参考点重合,确立进给测量系统的测量 起点及坐标值,然后,机床具有在机床坐标系上对测量目标 的位置测量功能。
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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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若机床将机床参考点和机床原点设为同一点,则起始坐标值 为零坐标值,返回参考点操作又称为回零操作。值得注意的 是参考点操作不能让CNC直接测量到刀具刀位点相对工件位 置,数控车床坐标系追踪测量的目标是刀架参考点的坐标位 置。

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1.5.2数控车削工件坐标系
1.工件坐标系 在数控编程的过程中,我们通常是先在零件图纸上规划刀具 相对工件的运动轨迹,这就需要在零件图纸上也设定一个坐 标系,通常称为编程坐标系或工件坐标系,工件坐标系坐标 轴的名称和方向应与所选用机床的坐标系坐标轴的名称和方 向一致,但坐标的零点却随编程者的意愿确定。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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2.工件原点的选择 在零件图纸上设定的工件坐标系用于在该坐标系上采集图纸 上点、线、面的位置坐标值作为编程数据用,因此编程零点 的选择原则之一是便于编程者采集编程数据,要尽量满足坐 标基准与零件设计基准重合、采集编程数据简单、尺寸换算 少、引起的加工误差小等要求。 从操作人员角度看工件零点,它还代表工件在机床坐标系位 置。操作者在加工前必须测量代表工件位置的工件零位在机 床坐标中的坐标,并告诉机床的控制装置。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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选择工件一点,为工件零点,代表工件在机床的位置。如图 1-5-3 (a)和图1-5-3 (b)所示,取工件右端面中心为工件零点, 取与机床坐标系名称和方向相同的坐标轴,建立工件坐标系。 工件坐标系坐标的零点随编程者的意愿确定。 通常,工件坐标系坐标表达刀具刀位点相对工件的位置。如 图1-5-3所示,选择刀具刀尖作为刀位点,代表刀具在工件坐 标系内的位置。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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3.刀位点 刀具相对工件的进给运动中,工件轮廓的形成往往是由刀具 特征点直接决定的,如外圆车刀的刀尖点的位置决定工件的 直径,端面车刀的刀尖点的位置决定工件的被加工端面的轴 向位置,钻削时,刀具的刀尖中心点代表刀具钻入工件的深 度,圆弧形车刀的圆弧刃的圆心距加工轮廓总是一个刀具半 径值,用这些点可表示刀具实际加工时的具体位置。选择刀 具的这些点作为代表刀具车削加工运动的特征点,称为刀具 刀位点。 如图1-5-4所示为一些常见车刀具的刀位点。其中如图1-5-4(a)、 (b),(f)所示刀具刀位点并不在刀具上,而是刀具外的一个点, 我们可称之为假想的刀尖,其位置是由对刀方法和刀具特点 决定的。
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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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1.5.3数控车床的对刀与偏置补偿
1.两个坐标系的差异 在零件图纸上规划刀具相对工件的运动轨迹并形成编程数据, 无疑是方便的,但值得注意的是,编程数据表达的是刀位点 相对工件零点的位置。而CNC机床在机床坐标系内,所能直 接追踪测量的目标是刀架参考点的坐标位置。因此,即使当 程序已经输入,工件、刀具已经安装上机床,机床CNC也不 能直接理解编程数据,更不能精确控制刀位点在工件坐标系 内按程序进给,根本原因是机床坐标系与工件坐标系存在差 别。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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差别表现在以下两个方面: ①坐标系追踪测量的目标不一致,机床坐标系追踪测量刀架 参考点的坐标,编程坐标表达刀位点坐标。 ②坐标的零点不一致。从编程者角度看,工件零点也就是工 件编程原点。从机床数控系统的角度看,它事先并不知道工 件及零点装在机床的什么位置。 我们认识到CNC不能理解编程数据的根本原因是两种的坐标 表达的差别,于是,测量它们间的差别进行弥补,使两个坐 标测量统一起来,以便CNC能认识理解编程数据代表的具体 位置,并正确控制刀具相对工件的运动轨迹。弥补差别的方 法通常有零点偏置和几何位置补偿。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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2.零、点偏置 如图1-5-5所示,以机床参考点和机床原点设为同一点的机床 为例。当执行回参考点(回零)操作后,刀架参考点与机床原 点重合,此时,机床坐标系追踪测量目标—刀架参考点坐标 值为(X0, Z0),此时,机床认为位置坐标是(X0,Z0)。 如果手动操作机床移动刀架,使刀位点到达工件零点W,此 时,工件坐标系追踪测量目标—刀位点坐标值为(X0, Z0)。此 时,工件坐标被认为是(X0,Z0)。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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由图1-5-5可见,刀位点到达工件零点W时,刀架参考点处于 P,刀架参考点在此位置时,机床坐标系认为机床坐标是(X=167.08 ×2, Z=-734. 91)。由此可见,当刀具与工件如图1-5-5 所示安装时,两坐标系显示坐标的差别是 XM-XW=A=-167. 08 × 2-0=-167. 08 × 2 ZM-ZW=B=-734. 91-0=-734. 91 可以这样设想,如果把机床的零点M偏置到P点,则刀位点就 到达工件零点,机床坐标系认为机床坐标是(X0, Z0),工件坐 标也认为是(X0, Z0) ,那么两坐标系坐标显示的差别就可以消 除了,这就是零点偏置的意义。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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零点偏置的方法是当刀具与工件安装后,手动操作机床测量 图1-5-5中的偏移值A, B,并把A, B值输入到CNC的零点偏置 画面,如图1-5-6。执行程序时,CNC自动按给定值偏移机床 零点,从而使机床坐标系显示坐标与工件坐标一致。 加工程序,如“G54 G00 X60 ZS",其中“G54”的功能是调 用如图1-5-6中所示的零点偏置,操作工须预先测量输入的零 点偏置。

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零点偏置值的大小与机床零点位置、工件零点和刀位点位置 相关。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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3.长度补偿(几何尺寸偏移) 如图1-5-7所示,当执行回参考点操作,刀架参考点与机床原 点重合后,机床坐标认为是(X0, Z0)。但此时刀位点在工件坐 标系的坐标是(X = + 167. 08x2,Z=+734. 91)。 可以这样设想,当机床坐标是(X0, Z0)后,如果把刀位点向X 负向再移动2B(直径值),向Z负向再移动A,这样刀位点就到 达了工件零点,使得工件坐标为(X0, Z0)。这就是长度补偿的 意义。 由图1-5-5、图1-5-7可见,零点偏置与长度补偿的方法,对弥 补两个坐标系测量差别的方法不一样,但补偿或偏置数值却 是一样的。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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4. FANUC车削系统刀具T指令 FANUC系统中对刀具T功能指令用“T x x x x”四位数字来表 示,如" T0101 "。为了很好地理解这一功能。将四位数字看 成两组,即前两位为一组,后两位为另一组,各组都有它们 规定的含义。 (1)第一组(前面两位数字) 第一组用来选择刀具,选择编号刀具处于工作位置。 例如,T01 X X—选择安装在刀架上第一位置上的01号刀具。 (2)第二组(第3和第4个数字) 第一组数字控制所选择刀具几何尺寸形状偏置和磨损偏置。 后两位数字用来表示几何尺寸形状偏置寄存器和磨损寄存器 的编号,它们不一定要与刀具编号一样,但应用时,尽可能 让它们一致。
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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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例如,T x x01—选择一号几何尺寸形状偏置寄存器或磨损偏 置寄存器。 又例如,刀具功能T0101将选择1号刀具、1号几何尺寸偏置 以及相应的1号刀具磨损偏移。 【实践任务】

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1.5.4学会数控车削对刀操作
任务:如图1-5-8所示,设定棒料Z向距右端面中心5mm处为工 件零点,在数控车床上安装工件并对刀,并验证对刀的正确 性。 工具:数控机床;棒料;外圆车刀;卡尺

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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1.基于零点偏置的对刀方法 当刀具与工件安装后,工件零点、刀位点就有了确定的位置, 回参考点后,机床明确了起始位置,然后就可以操作机床, 测量工件坐标与机床坐标间的差别,即对刀测量。 基于零点偏置原理的对刀方法如下(选择工件距右端面中心5 mm处为工件零点): ①工件形状如上所示,手动切削工件右端面; ②沿X轴移动刀具但不改变Z坐标,然后停止主轴; ③如图1-5-8所示,测量右端面A和编程的工件坐标系原点之 间的距离B,比如,B=5

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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④按MDI键盘中的“OFFSET SETTING”功能键,按软键 “零点偏置”,显示如图1-5-6所示的零点偏置表画面; ⑤将光标定位在所需设定的工件原点偏置上; ⑥按下所需设定偏置的轴的地址键(本例中为Z轴); ⑦输入测量值“Z5. 00",然后按下“测量”软键; ⑧手动切削外圆表面; ⑨沿Z轴移动刀具,但不改变X坐标,然后主轴停止;

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⑩测量外圆表面的直径A,输入试切后测量的工件外圆尺寸, 如"X51. 020",按“测量”软键,然后系统自动计算出X向工 件零点偏置值;
11在刀补设定后可使用MDI操作方式验证刀补的正确性。
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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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2.基于长度补偿的对刀操作 基于长度补偿原理的对刀方法如下(选择工件右端面中心为工 件零点): ①选择刀具(如T01),并手动操作试切削工件外圆后,测量当 前外圆尺寸(如小51 .020); ②按MDI键盘中的“OFFSET SETTING”键,按软键“补正 形状”,显示刀具几何尺寸形状偏置参数表,见表1-5-1,如 图1-5-9所示为长度补偿画面。 ③移动光标至指定的刀补号,输入试切后测量的工件外圆尺 寸,如"X51. 020",按“测量”软键,然后系统自动计算出X 向刀具相对工件零点的几何尺寸偏移值(可称为刀补值);

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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④试切端面后输入“z0”,按“测量”软键后得出Z向刀具相 对工件零点的几何尺寸偏移值; ⑤同理,设定其他刀具的刀补参数;

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⑥在刀补设定后可使用MDI操作方式验证刀补的正确性。
上述对刀测量刀补值的实质是从刀架处于回零位置开始测量 刀位点到工件零点的距离,只不过系统提供了自动的算术计 算和自动填写补偿值的功能罢了,如图1-5-7所示的长度补偿 或几何尺寸偏移的取值。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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【知识拓展】

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1.5.5刀具磨损偏置及应用
在CNC车床上,磨损偏置适用于刀具在Z向和X向位置偏差的 调整和补偿,或是对刀具磨损后引起的偏差补偿,或是用来 调整同一刀架上的刀具刀位点相对基准刀刀位点间的位置偏 差。 磨损偏置的值就是调整刀具刀位点在程序中的值与工件实际 测量尺寸值之间的差别,如图1-5-10(a)所示为刀具磨损偏置 的原理,图1-5-10 (b)为磨损偏置的填写。磨损偏置寄存器表 形式与几何尺寸形状偏置表一致。 刀具磨损偏置的应用举例如下。
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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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1.对已经磨损但尚可以继续使用的刀具的调整 妥善处置已经磨损但尚可以继续使用的刀具,必须调整编写 好的刀具轨迹,协调它以适应加工条件。这种情况下,可以 不改变程序本身,而只改变刀具的磨损偏置值,这是刀具磨 损偏置最基本的应用。 2.应用程序试切削时,对工件实际尺寸调整 通常,一旦设定给定刀具的几何尺寸偏置,该值将不再改变。 对工件实际尺寸的调整只能一般由磨损偏置来完成。例如, Φ80 mm的直径是零件的设计要求,加工工件检测中,测量 得到的实际尺寸如Φ80. 004,可将微小的值“-0. 004 "输入磨 损偏置寄存器。这种调整对CNC保证零件的加工质量有用。

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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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3.变换刀片与刀具磨损偏置 由于各种原因,在工作半途变换刀片是很正常的,为了保持 良好的切削条件并使尺寸公差符合图纸规范。刀片的标准很 高,但不同来源的刀片间允许有一定的公差浮动。如果改变 刀片,为了确保工作的精确,宜调整磨损偏置,这样可避免 产生废品。 4.刀具间相对位置调整 一个数控车床加工程序不可能只由一把刀具完成,如要用到 外圆车刀、螺纹车刀、切断刀等多把刀具。在多把刀具中设 定一个基准刀具,对刀时只用基准刀具试切对刀确定刀具与 工件的位置关系,而其他刀具处于工作位置的刀位点与基准 刀具处于工作位置的刀位点的偏差可用磨损偏置的方法进行 调整。
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任务1.5 数控车床坐标系设定 及对刀操作
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【检测与评价】 【任务小结】 总结上述的学习,应考虑如下的问题: 数控加工时,建立笛卡儿直角坐标系,可方便地在机床或在 工件图样上描述进给运动轨迹。建立坐标系的要素有坐标轴 的名称、正方向、原点。 机床坐标系零点由厂家规定,图纸上的坐标系零点由编程人 员选定。机床坐标系追踪测量刀架参考点的坐标,工件(编程) 坐标系表达刀位点的坐标。 基于零点偏置的对刀方法和基于长度补偿的对刀方法是调整 机床零点与工件零点差别的方法。 本任务的实践内容是学会基于零点偏置和基于长度补偿的对 刀操作。
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单元1 总结
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数控车床是在普通车床的基础上发展起来的,由计算机自动 控制加工的机床,它与普通车床的切削原理基本相同,机械 结构、工艺性能相似。有与人脑相似的数控装置、与人手相 似的伺服系统、与人骨架相似的机床本体、与人感官相似的 输人装置和位检装置。 数控机床的加工大致可分为两个阶段,一是加工工艺设计和 加工程序的填写;二是计算机按加工程序自动控制加工。 本单元的实践内容有识别CNC车床主要技术参数,观察数控 车削加工过程,熟悉安全操作规程;认识CRT/MDI键盘,认 识机床控制面板;学会开机、回参考点、关机操作;学会基于 零点偏置和基于长度补偿的对刀操作。

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图1-1-1 全功能卧式数控车床结构

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图1-1-2 立式数控车床

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图1-1-3 FANUC数控车床 控制面板

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图1-1-4 数控车床的自动回转刀架

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图1-1-5 CNC车床尾座

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图1-1-6 车削中心的动力刀具对 工件加工

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表1-1-1 HM-077的技术参数

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检测与评价

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图1-2-1 回零操作过程

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检测与评价

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图1-3-1 控制系统组成

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图1-3-2 CNC的软件组成

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图1-3-3 数控系统控制机床加工 运动示意图

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图1-3-4 典型FANUC车床操作面板

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图1-3-5 FANUC数控系统 CRT/MDI键盘

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表1-3-1 典型FANUC系统MDI 键盘说明

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图1-3-6 FANUC数控机床控制面板

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表1-3-2 机床面板使用说明

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检测与评价

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表1-3-3 操作面板各英文开关 按钮公用说明

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图1-4-1 主轴闭环速度控制

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图1-4-2 主轴电动机驱动工作 特性曲线

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图1-4-3 变速齿轮分段调速控制

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图1-4-4 齿轮变速主轴的输出特性 比较

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图1-4-5 主轴脉冲编码器及传动

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图1-4-6 开环进给系统

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图1-4-7 半闭环进给系统图

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图1-4-8 全闭环进给系统

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图1-4-9 进给系统电动机

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图1-4-10 直接测量直线光栅

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图1-4-11 数控机床进给系统 机械部分

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图1-4-12 滚珠丝杠螺母副结构

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图1-4-13 手动连续方式、手动快速 方式操作

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图1-4-14 手轮方式操作

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图1-4-15 手动方式下主轴旋转

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检测与评价

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图1-5-1 右手迪卡儿坐标系规定 数控机床标准坐标系

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图1-5-2 数控车床进给系统

(a)前置刀架;(b)后置刀架

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图1-5-3(a) 数控车床坐标系与 工件坐标系

(a)机床零点在主釉端面中心

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图1-5-3(b) 数控车床坐标系与 工件坐标系

(b)机床零点在行程终点

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图1-5-4 一些常见车刀具的刀位点

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图1-5-5 零点偏置示意图

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图1-5-6 零点偏置画面

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图1-5-7 长度补偿示意图

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图1-5-8 对刀操作示意图

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表1-5-1 刀具几何尺寸形状偏置表

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图1-5-9 长度补偿画面

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图1-5-10(a) 刀具磨损偏置的原理与 填写

(a)刀具磨损偏置原理

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图1-5-10(b) 刀具磨损偏置的原理与 填写

(b) 磨损偏置的填写 返回

检测与评价

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