深入了解数控机床的基本操作技巧

了解图1－1所示数控机床的基本组成和操作。

图1－1　数控机床

1.数控机床基础知识

（1）什么是数控机床？

（2）简述数控机床的产生与发展趋势。

（3）简述数控机床的组成与分类。

2.数控机床的操作

（1）数控机床的安全操作规程是什么？如何进行维护和保养？

（2）简述数控机床面板功能。

视频1－1－1：数控机床的产生及发展

（一）数控的基本定义

数控技术是20世纪40年代后期发展起来的一种自动化加工技术，它综合了计算机、自动控制、电动机、电气传动、测量、监控和机械制造等学科的内容，目前在机械制造业中已得到广泛应用。

（1）数字控制（Numerical Control）：一种用数字化信号对控制对象（如机床的运动及其加工过程）进行自动控制的技术，简称数控（NC）。

（2）数控技术：用数字、字母和符号对某一工作过程进行可编程自动控制的技术。

（3）数控系统：实现数控技术相关功能的软、硬件模块的有机集成系统，是数控技术的载体。

（4）数控机床（NC Machine）：应用数控技术对加工过程进行控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。

（二）数控机床的组成及分类

1.数控机床的控制原理

视频1－1－2：数控机床的组成及工作原理

数控机床使用数字化的信息来实现自动控制。将与加工零件有关的信息，如工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数（进给尺寸）、切削加工的工艺参数（主运动和进给运动的速度、切削深度）、各种辅助操作（变速、换刀、冷却润滑、工件夹紧松开）用规定的文字、数字和字符组成代码，按一定的格式编写成加工程序单（数字化），将加工程序输入数控装置，由数控装置经过分析处理后，发出与加工程序相对应的信号和指令，控制机床进行自动加工。

2.数控机床的组成

数控机床是由数控程序及存储介质、输入／输出设备、计算机数控装置、伺服系统、机床本体组成的。

1）输入装置

数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统；还可由编程计算机用RS232进行零件加工程序输入。有两种不同的调用方式：一种是边读入边加工；另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。

2）数控装置

数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接收输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。

3）驱动和检测装置

驱动装置接收来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加工出符合图样要求的零件。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和检测装置，检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入机床的数控装置；数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。

4）辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

5）机床本体

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台、辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统及冷却装置等组成。

3.数控机床的特点及分类

1）数控机床加工的特点

①自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节。数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件，省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。

②对加工对象的适应性强。改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程，不需要做其他任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。

③加工精度高，质量稳定。加工尺寸精度为0.005～0.01 mm，不受零件复杂程度的影响。由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。

④易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成CAD／CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。

2）数控机床的分类

（1）按加工方式和工艺用途分类。

①普通数控机床。有车、铣、钻、镗、磨床等，并且每一类中又有很多品种。这类机床的工艺性能和通用机床相似，所不同的是它能加工具有复杂形状的零件，如数控车床、数控铣床、数控磨床等。

视频1－1－3：数控车床的分类及特点

②加工中心机床。这是一种在普通数控机床上加装一个刀具库和自动换刀装置而构成的数控机床。它和普通数控机床的区别是：工件经一次装夹后，数控系统能控制机床自动地更换刀具，连续自动地对工件各加工面进行铣、车、镗、钻、铰、攻螺纹等多工序加工，故此，有些资料上又称它为多工序数控机床，如（镗铣类）加工中心、车削中心、钻削中心等。

③金属成形类数控机床。这类机床有数控冲床、数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。

④数控特种加工机床。这类机床有数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。

⑤其他类型的数控机床。这类机床有数控装配机、数控三坐标测量机等。

（2）按运功方式分类。

①点位控制数控机床。如图1－2所示，点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。

②点位直线控制数控机床。如图1－3所示，点位直线控制指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等。

③轮廓控制数控机床。如图1－4所示，亦称连续轨迹控制，它能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具能按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。

图1－2　点位控制

图1－3　点位直线控制

图1－4　轮廓控制

（3）按控制方式分类。

①开环控制系统。开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统，由步进电动机驱动线路和步进电动机组成，如图1－5所示。数控装置经过控制运算发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电动机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。

图1－5　开环控制系统

这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高会受到限制，多应用于经济型数控和对旧机床的改造上。

②半闭环控制系统。如图1－6所示，半闭环控制系统是指在开环控制系统的伺服机构中安装了角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。

图1－6　半闭环控制系统

这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用，配备精密滚珠丝杠的半闭环控制系统应用广泛。

③闭环控制系统。如图1－7所示，闭环控制系统是指在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件做补充位移，直到差值消除时才停止移动，从而达到精确定位的控制系统。

闭环控制系统的定位精度高于半闭环控制系统，但结构比较复杂，调试维修的难度较大，常用于高精度和大型数控机床，主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精铣床等。

（4）按联动轴数分类。

①两轴联动。数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适用于在数控车床加工旋转曲面或在数控铣床铣削平面轮廓，如图1－8所示。

图1－7　闭环控制系统

图1－8　两轴联动

②两轴半联动。在两轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床坐标系的X、Y轴固定时，Z轴可以做周期性进给。两轴半联动加工可以实现分层加工，如图1－9所示。

③三轴联动。数控机床能同时控制三个坐标轴的联动，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三轴加工完成，如图1－10所示。

图1－9　两轴半联动

图1－10　三轴联动

④四轴联动指同时控制四个坐标轴运动，即在三个坐标之外，再加一个旋转坐标，如图1－11所示。

⑤多轴联动。数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联动。多坐标数控机床的结构复杂、精度要求高、程序编制复杂，适用于加工形状复杂的零件，如叶轮叶片类零件，如图1－12所示。

通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工；五轴机床也可以只用三轴联动加工，而其他两轴不联动。

图1－11　四轴联动

图1－12　多轴联动

（5）按数控系统功能水平分类。

数控机床按数控系统功能水平可分为低、中、高三档，如表1－1所示。

表1－1　低、中、高档数控系统功能水平指标(www.xing528.com)

（6）按控制系统分类。

目前市面上占有率较大的有法拉克、华中、广数、西门子、三菱等。

视频1－1－4：数控车床安全操作规程及维护保养

（三）数控机床的安全操作规程与维护

1.数控机床的操作规程

（1）实习学生必须在指导教师的许可下启动机床，输入程序，加工零件。

（2）严禁湿手触摸操作面板，严禁戴手套操作设备。

（3）机床周围应保持干净，不得使用压缩空气清理机床及环境。

（4）电器出现故障应由专业电器维修人员及时修理。

（5）开机时，先打开机床总电源，再打开操作面板的系统电源，最后启动液压系统。

（6）机床开启后，首先将方式选择开关置于REF／RTN位置，按下＋X、＋Z方向的按钮，使机床返回参考点，建立机床坐标系。

（7）操作前应认真检查加工程序，确保程序正确无误，检查工作坐标系建立是否正确。

（8）在加工过程中不得随意打开防护门，以免发生危险。

（9）机床出现异常或可能发生危险时，应立即按下急停按钮，并报告指导教师。

（10）清理铁屑时一定要先停机，不能用手清理残留在刀盘里及掉入排屑装置里的铁屑。

（11）正确装夹刀具，装夹刀具时必须停止主轴转动及各轴进给，以防刀具和床身、拖板、防护罩、尾座等发生碰撞。

（12）工作结束后，应先关闭系统电源，再关闭机床总电源。

（13）清理机床及环境卫生，做好机床保养工作。

2.机床维修保养规范

（1）保持工作范围的清洁，使机床周围保持干燥，并保持工作区域照明良好。

（2）保持机床清洁，每天开机前在实训教师指导下对各运动副加油润滑，使机床空转3 min后按说明调整机床，并检查机床各部件手柄是否处于正常位置。

（3）工作100 h后更换车头箱内的油。

（4）注意保护机床工作台面和导轨面。毛坯件、手锤、扳手、锉刀等不允许直接放在工作台面和导轨面上。

（5）下班前按计算机关闭程序关闭计算机，切断电源，并将键盘、显示器上的油污擦拭干净。

（6）学生必须在每天下班前半小时，关闭计算机、清洁机床、在实训教师指导下为各运动副加油润滑、打扫车间的环境卫生，待实训指导教师检查后方可离岗。

3.车间“6S”管理

整理（Seiri）——要与不要，一留一弃：将工作场所的任何物品区分为有必要和没有必要的，有必要的留下来，其他的都消除掉。目的：留出空间，空间活用，防止误用，塑造清爽的工作场所。

整顿（Seiton）——科学布局，取用快捷：把留下来的有必要用的物品依规定位置摆放，并放置整齐加以标识。目的：工作场所一目了然，消除寻找物品的时间，保持工作环境整整齐齐，消除过多的积压物品。

清扫（Seiso）——清除垃圾，美化环境：将工作场所内看得见与看不见的地方清扫干净，保持工作场所干净、亮丽的环境。目的：稳定品质，减少工业伤害。

清洁（Seiketsu）——形成制度，贯彻到底：经常保持环境外在美观的状态。目的：创造明朗现场，维持上述“3S”的成果。

安全（Security）——安全操作，生命第一：重视成员安全教育，每时每刻都有安全第一观念，防患于未然。目的：建立起安全生产的环境，所有的工作应建立在安全的前提下。

视频1－1－5：6S管理制度

素养（Shitsuke）——养成习惯，以人为本：每位成员养成良好的习惯，并遵守规则做事，培养积极主动的精神。

数控车床系统界面与基本操作，数控车床系统面板如图1－13所示。

1.熟悉机床操作面板

其主要由操作模式开关、主轴转速倍率调整旋钮、进给速度调节旋钮、各种辅助功能选择开关、手轮、各种指示灯等组成。各按钮、旋钮、开关的位置结构由机床厂家自行设计制作，因此各机床厂家生产的机床操作面板各不相同。

1）自动运行方式（MEM）

自动执行加工程序，在MEM状态下，按下操作面板上各种机床的功能开关，可使该功能起作用。这些功能开关包括以下内容：

（1）单程序段（Single Block）：在MEM方式下，启动“单程序段”功能，则按“程序循环启动”按钮，执行完一段指令后程序暂停，机床处于进给保持状态；继续按“程序循环启动”按钮，执行下一段程序后又停止。用这种功能可以检查程序。

（2）选择跳段（Block Delete）：在MEM方式下，当“选择跳段”功能起作用，且程序执行中遇到带有“／”语句时，则跳过这个语句不执行。

（3）选择停止（Option Stop）：在MEM方式下，当“选择停止”功能起作用时，若程序执行到“M01”指令，则程序暂停，机床处于进给保持状态。

（4）试运行（Dry Run）：不装夹工件，只检查刀具的运动。通过操作面板上的旋钮，控制刀具运动的速度，常用于检验程序。

（5）机床闭锁状态：即机床坐标轴处于停止状态，只有轴的位置显示变化。可以将机床闭锁功能与试运行功能同时使用，用于快速检测程序。

（6）辅助功能闭锁：在机床锁住状态中，当自动运行被置于辅助功能锁住方式时，所有的辅助功能（主轴旋转、刀具更换、冷却液开／关等）均不执行。

2）编辑方式

选择编程功能和编辑方式，可以输入及编辑加工程序。

3）手动数据输入方式（MDI）

在MDI方式下，程序格式和通常程序一样，MDI方式适用于简单的测试操作。

4）DNC方式

图1－13　数控车床系统面板

通过RS232口接收或发送加工程序，有很多计算机数控系统可实现一边接收数控程序，一边进行切削加工，这就是所谓的DNC（Direct Numerical Control）。除此之外，还可以先将接收的加工程序存储在系统内存里，而不同时进行切削加工，这种传输形式一般称为块（Block）传输。

5）返参方式（REF）

参考点是确定坐标位置的一个基准点，有时将参考点设置为换刀点。测量系统使用相对位置编码器的机床通电后应返回参考点。用操作面板上的开关或按钮将刀具移动到参考点位置即手动回参考点，用程序指令将刀具移动到参考点位置即自动返回参考点。

6）手动连续运行方式（JOG）

常用于试切对刀。

7）手轮操作方式（Handle）

倍率方式下移动刀架。

2.机床开、关机与回参考点操作

1）开机操作的流程

（1）检查机床上各处的门（防护、强电箱、操作箱等）是否关闭。

（2）检查液压油箱及润滑装置上油标的液面位置。

（3）检查切削液的液面。

（4）检查是否遵守了安全操作规程。

（5）检查液压卡盘的卡持方向是否正确。

（6）打开安装于机床电箱门上的主电源开关。

（7）机床工作灯亮，风扇开始启动。

（8）按数控电源开关，按“ON”键。

（9）在CRT（显示器）上，初始画面（位置画面）出现。

（10）润滑泵、液压泵启动。

2）机床停止运行的方法

（1）紧急停止按钮。无论手动运转、自动运转、主轴旋转还是滑板移动，按“紧急停止”按钮后，其动作、功能均被迅速停止（润滑泵除外）。

注意：解除急停状态后，机床必须重新返回机床参考点，才可重新工作。

（2）按“复位”键，使CNC复位，可停止所有操作，清除报警等。

（3）转换工作方式转换开关。在自动运转时，只要把方式转换开关转换到“回参考点”“JOG”“手轮”状态，即使主轴保持原状态，滑板的运动也会停止（机床在车螺纹时旋转转换开关后，须待螺纹车削结束，机床才会停止）。

（4）按数控电源断开按钮。按“NC电源断开”按钮后，数控电源被切断，机床就会停止工作。但是应注意，由于主轴此时处于自由转动状态，因此主轴完全停止下来需要一定时间。

（5）按进给保持键。按此键后，仅能使滑板的运行停止，而主轴和其他功能则继续运转和执行。

3）手动返回机床参考点

由于机床采用增量式反馈元器件，在断电后，数控系统就失去了对参考点的记忆。因此，在接通数控电源后，必须首先进行返回参考点的操作。另外，机床解除紧急停止信号和超程报警信号后，也必须重新进行返回机床参考点的操作。返回参考点后，轴参考点位置指示灯亮。

3.手动移动刀架与手轮移动刀架

（1）快速移动。快速移动是为了装刀及手动操作时，使刀具能够快速接近或离开工件。

（2）手轮进给用于调整刀具。确定刀尖位置或试切削工件时，一边微调进给，一边观察切削情况。

（3）手动选刀（转刀）操作。

（4）MDI工作方式输入完整程序段指令后，按“循环启动”按钮运行程序。

（5）完成给定程序的输入，并进行模拟仿真。

工件质量评价表包括安全文明生产评分表、能力评价表和教师与学生评价表，如表1－2所示，教师与学生评价表参见附表。

表1－2　评分表

续表