数控铣床加工
出处：按学科分类—工业技术 江苏科学技术出版社《模具工实用技术手册第2版》第660页（8723字）
数控铣床在输入以数字和文字编码方式编制的控制指令后，即可对机床动作顺序、位移量(坐标)以及主轴转速、进给速度等实现自动控制，从而完成对模具型腔的铣削加工。
(一)数控铣床的加工特点与分类
1．数控铣床的加工特点
(1)加工精度高。尺寸精度可达0．01mm～0．02mm，一般经济精度为0．05mm～0．10mm，而且工件的形状越复杂，就越能显示其优越性。
(2)再现性好。在加工相同的型腔时，采用同一程序，可保证型腔尺寸的一致性。
(3)生产率高。据统计，普通铣床的净切削时间是机床开动时间的15%～20%，数控铣床是65%～70%，从而可提高机床利用率和劳动生产率。
(4)自动化程度高。除手工装夹毛坯和刀具外，全部加工过程都由机床自动完成。
(5)适应性强，生产准备周期短，可省去靠模、样板等二类工具。在设计更改时，只需对数控程序作局部修改。
(6)便于建立计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)一体化。建立CAD／CAM系统共用的几何图形数据库，CAD所产生的工件几何图形数据直接作为CAM的输入。
2．数控铣床的分类
数控铁床有立式和卧式两种，按坐标数分类又可分为以下几种：
(1)三坐标数控铣床
根据联动轴数又可分为两类，一类是两坐标联动的三坐标数控铣床，也称为两坐标半数控铣床。它可以加工由直线和圆弧构成的平面类零件和由平面轮廓叠起来构成的立体型腔。另一类是三坐标联动的三坐标数控铣床。它可以实现三坐标空间直线插补，有的还可实现螺旋插补。在模具制造中多用这类数控铣床。
(2)四坐标数控铣床
这类机床除X、Y、Z轴外，还有旋转坐标A(绕X轴旋转)或旋转坐标C(绕Z轴旋转)。
(3)五坐标数控铣床
这类机床具有X、Y、Z、A、C或B坐标。在五坐标联动时，可使刀具在空间走给定的任意轨迹。
目前，我国能生产数控铣床的工厂已不少，生产的品种也相当多，除根据联动轴数分类外，按功能和速度分类，还可分为全功能型数控铣床、经济型数控铣床、高速数控铣床、超高速数控铣床等。
(二)XK5040型数控铣床
数控铣床是一种用途广泛的机床，现以XK5040型数控铣床为例，说明数控铣床的加工。
1．XK5040A型数控铣床的布局
图5．4－5所示为XK5040A型数控铣床的布局图，床身固定在底座上，用于安装与支承机床各部件。操纵台上有CRT显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电动机、横向进给伺服电动机和垂直升降进给伺服电动机的驱动，完成X、Y、Z坐标进给。强电柜中装有机床电气部分的接触器、继电器等。变压器箱安装在床身立柱的后面。数控柜内装有机床数控系统。保护开关可控制纵向行程硬限位；挡铁为纵向参考点设定挡铁。主轴变速手柄和按钮板用于手动调整主轴的正、反转、停止及切削液开停等。
图5．4－5 XK5040A型数控铣床的布局图
XK5040A型数控铣床的主要技术参数见表5．4－12。
表5．4－12 XK5040A数控铣床的主要技术参数
XK5040A型数控铣床配置的FANUC－3MA数控系统，半闭环控制，检测器为脉冲编码器，各轴的最小设定单位为0．001mm。
2．FANUC－3MA数控系统的主要技术规格(表5．4－13)
表5．4－13 FANUC－3MA系统主要技术规格
FANUC－3MA系统是FANUC-BESK系统3M-A的简称。这种系统是一种用于铣床的高精度、高性能软件固化的CNC系统。它是由FANUC公司开发的，控制电路充分利用高速微处理器，用大规模集成半导体器件来提高可靠性，并有效地改善了性能价格比。
FANUC－3MA系统是一个使用FANUC-BESK直流伺服电动机系列，包括性能卓着且使用极其广泛的GETTIS-FANUC直流伺服电动机和FANUC独立开发的直流伺服电动机，并且利用高性能脉冲编码器作为检测器的闭环CNC系统。
FANUC－3MA系统有自诊断功能，在任何时候都能监控内部操作状态的微处理机，将状态予以分类并进行显示，当出现故障时，立即报警并停机，对故障进行详细分类和显示。
所有输入输出到NC的开／关信号都可以显示，所有以NC输出的开／关信号都可由MDI面板以位形式发送出去。所有参数均可显示，这对机器的操作和维修都很方便。
3．XK5040A型数控铣床数控系统的功能及机床代码
(1)机床数控系统的控制功能
XK5040A型数控铣床数控系统采用FANUC－3MA系统，其主要技术规格如表5．4－13所示。该机床还采用CRT字符显示器，作为手动数据输入和显示单元。程序的输入可以通过RS－232C接口，用便携式纸带阅读机输入程序，在机床数控柜上有接口，用连接器连接。机床还具有录返功能，把用手柄操作的机械位置记忆在存储器中制成程序。在机床操作面板上为TEACH IN JOG方式和TEACH IN HANDLE方式。为用户使用方便，机床数控系统还具备用户宏指令等。
FANUC－3MA系统的控制功能、地址及其定义如表5．4－14所示。
表5．4－14 机床数控系统控制功能、地址及定义
该系统采用的字地址格式，小数点编程，如X行程为100mm，且移动方向为X轴正向时，程序可写成X100．0；若不写小数点时，X100即表示X移动100×0．001mm=0．1mm；所以当不写小数点时，应改写为X100000即可。
其程序单的书写格式如表5．4－15所示。
表5．4－15 程序单格式
(2)机床的代码
机床准备功能G代码如表5．4－16所示。
表5．4－16 机床准备功能G代码
注：1．带有*记号的G码，在电源接通时，显示此G码；对于G20、G21，则是电源切断前保留的G码。
2．00组的G码只在被指令的程序段内有效。
3．不同组的G码，可以指令多个，但同组的G码指定两个以上时，后面指定的有效。
4．在固定循环中，如果指令了01组的G码，则固定循环自动取消。
机床辅助功能M代码如表5．4－17所示。
表5．4－17 机床辅助功能M代码
(三)数控系统各功能的使用
1．平面指定(G17、G18、G19)(表5．4－18)
表5．4－18 铣削过程中指定圆弧插补平面和刀具补偿平面
注：平面指定与坐标轴移动无关，不管选用哪个平面，各坐标轴的移动指令，均会执行。
2．直线插补(G01)
直线插补用来加工直线表面。插补时的进给速度用F指令，在铣床上F指令的进给速度单位为mm／min，F为模态代码，指令后若不重复指令，一直有效，若不指令，则进给速度为0。
3．圆弧插补(G02、G03)
圆弧插补程序段包括插补平面、圆弧回转方向和终点坐标等3个方面。圆弧半径由R指令，其程序段格式如表5．4－19所示。
表5．4－19 圆弧插补程序段格式
注：1．程序段中的“*”号表示程序段结束，用EOB键输入。
2．程序段中XY、ZX、YZ在绝对值编程时为圆弧的终点坐标值，在增量值编程时为圆弧起点到终点的坐标距离。
3．圆弧半径用R指令，当圆弧在0°～180°范围内时，R取正值，大于180°～360°的圆弧，R用负值指定。
4．进给速度用F指令，其F值是沿圆弧轨迹运动时的进给速度。
4．刀具补偿
数控铣床的刀具补偿有两种，一种为刀具半径补偿，另一种为刀具长度补偿。
(1)刀具半径补偿
刀具半径补偿是使刀具在半径方向上进行偏移，由于这项功能可使编程工作得以简化，即只需按照零件轮廓编制程序，在选用不同直径铣刀时，只要增加相应的偏移补偿量即可。见表5．4－20。
表5．4－20 刀具半径补偿
偏移量可以用G功能指令，也可以用MDI输入。由数控装置自动计算，并使刀具按照计算结果补偿。
偏移量也可以用H代码指令，其偏移补偿数据也是预先存入存储器中的。
(2)刀具长度补偿
刀具长度补偿可以在不改变程序的情况下，随时补偿刀具长度尺寸的变化。其补偿量存入由H代码指令存储器中。刀具长度补偿的程序段形式见表5．4－21。
表5．4－21 刀具长度补偿的程序段形式
(3)夹角补偿圆弧插补(G39)
两平面相交处为夹角，在这一点可能产生超程现象，目前数控系统都具备夹角补偿插补功能。它可用在G01、G02和G03中，指令形式为：G39X_Y_*。这条指令只有在补偿状态下，并且与G41和G42被指令后才能使用。另外，由于这条指令是非模态的，所以只在指令的程序段内才有效。
5．坐标系设定
当用绝对值编程时，应先设定工件坐标系。
工件坐标系可用下面指令设定：
G92 X_Y_Z_*
指令中X、Y、Z的坐标值即为刀尖或刀具上某一点在工件坐标系中的位置。
用G92指令时，X、Y、Z的数值即确定了工件坐标的原点，当执行这一程序段时，机床不动作，即X、Y、Z轴均不移动，只是在CRT显示器上的工件坐标值发生变化。
以图5．4－6为例说明坐标系的设定：
图5．4－6 G92指令执行情况
如图5．4－6(a)所示，当刀具中心在机床O点位置时，执行G92指令之前的显示情况，工件各坐标值均为O；当执行G92X14．0Y20．0指令后，变为图5．4－6(b)所示状况，此时工件坐标就建立了。它说明此刻机床坐标原点O，位于工件坐标的X14、Y20点处，图中虚线表示的即为工件坐标系，O′为工件坐标系的原点，它位于机床原点(也称参考点)的X=－14，Y=－20的点处。
6．自动返回参考点(表5．4－22)
表5．4－22 自动返回参考点
机床参考点是可以任意设定的，设定的位置主要根据机床加工或换刀的需要。设定的方法有两种：其一用参数设定，即根据刀杆上某一点或刀具刀尖等坐标位置存入76、77、78号参数中，来设定机床参考点；其二用调整机床上各相应的挡铁位置，也可以设定机床参考点。一般参考点选作机床坐标的原点，在使用手动返回参考点功能时，刀具即可在机床X、Y、Z坐标参考点定位，这时返回参考点指示灯亮，表明刀具在机床的参考点位置。
7．固定循环功能
FANUC－3MA数控系统具有的固定循环功能如表5．4－23所示。固定循环功能的指定如表5．4－24所示。
表5．4－23 FANUC－3MA数控系统的循环功能
表5．4－24 固定循环功能的指定
刀具返回起始点用G98；返回中间R点用G99，一般在孔系加工中，钻第一个孔以后用G99，返回R点平面，以减少机动时间；钻最后一个孔时用G98，以便返回起始点平面。G73～G89固定循环中孔加工数据的程序段为：
孔加工数据：
Z、R——参见图，起始点平面到中间R点的距离，R点到孔底的距离，可以用绝对值或增量值输入；
Q——指定G73、G83间歇进给的每次进给量或G76、G87切削进给的位移量，一般用增量值输入。
P——指定刀具在孔底的暂停时间，参见G04。
F——指定切削进给速度。图中动作3的速度用F码指令，动作5根据不同加工方式可以用F码也可用快速进给；其余动作均用G00码指令。
(1)孔加工方式被指定后，直至指令其他孔加工方式或取消固定循环G代码为止，孔加工方式不变。所以，加工同一种孔时，加工方法连续运转，不需要每个程序段都指定。因此在固定循环开始时，必须把孔加工所需的全部数据都指定出来，在循环中只指定变更的数据。
(2)在固定循环中，如果用了复位，孔加工方式及孔加工数据保持不变，但孔的位置数据被消除。孔加工方式指令由G80取消，R点、Z点也被取消，即在增量指令中R=0、Z=0，然后进行一般动作。使用G00、G01、G02、G03码时，孔加工方式及孔加工数据也全部取消。
(3)指定固定循环的注意事项：
①在指令固定循环之前，必须用辅助功能(M03、M04)使主轴旋转。
②在固定循环状态下，必须给出X、Y、Z、R数据中的任一个数据，固定循环才会执行。
③当使用G74、G84、G86等控制主轴回转的固定循环功能时，如连续加工孔距坐标较小的孔系，或从起始点平面到中间R点平面距离短的孔时，往往在进入切削动作时，主轴尚未达到正常转速，所以在各孔动作之间应加入G04暂停，以获得时间使主轴正常回转。
④在固定循环执行过程中，若利用复位或急停使数控装置停止，此时孔加工方式和数据尚被储存着。当再开始加工时，应使停止前固定循环剩余动作进行完毕。
8．机床的主轴功能(S)、刀具功能(T)和辅助功能(M)
机床主轴功能码S用来指定主轴转速，刀具功能码T用来指定刀号，供手动换刀时参考，辅助功能码M前面已介绍。在每个程序段中，上述三种代码，每种只能指令一个，如指令多个时，只有最后一个代码有效。
9．子程序
在程序中如果某一程序反复出现，一般称为子程序。子程序可以提前寄存起来，这样可以使程序简化。子程序可以在自动状态下调出供主程序使用，一条调出指令可以反复调用子程序999次。
10．用户宏指令
用户宏指令功能是用户把编好的宏程序事先作为子程序登录在存储器中，用NC指令程序，随时都可以用简单的操作调用。使用宏指令登录的子程序称为用户程序，又称宏程序。因此，就可以按照某些工件加工要求用宏指令列出各坐标的计算过程，在加工时根据工件尺寸再输入相应数据，宏指令根据这些数据进行计算，并与已知条件进行比较，再与NC指令配合，使机床运行加工。宏指令的调出与子程序的调出方法相同。变量的设定可以用程序输入，也可以采用MDI方式。
(1)变量的类型及表示
变量分为通用变量和系统变量两种。编程时经常用的变量为通用变量。在FANUC－3MA系统中通用变量为#100～#131和#500～#515。两者区别为#100～#131在电源切断后被清除，电源接通时全部为“0”；而#500～#515在电源切断后不被清除，它的值一直保持。
变量是用来置换地址后面的数值。用#i(i=1，2，3，…)表示。
(2)宏指令的形式
一般形式为：G65HmP#iQ#jR#k
其中 m——取01～99表示宏指令功能；
#i——运算结果的变量名；
#j——待运算的变量名1，也可以是常数；
#k——待运算的变量名2，也可以是常数。
用G65指定的H代码功能及定义如表5．4－25。
表5．4－25 H代码功能及定义