任务一 经济型数控车床结构与工艺范围

任务导入

《国家职业标准》对数控车工的职业定义为：从事编制数控加工程序并操作数控车床进行零件车削加工的人员。数控车削加工是数控车工这一职业工种的主要工作内容。

世界技能组织（WorldSkills International）对数控车削加工的定义为：利用数控车床对工件进行数控金属切削加工而产生回转体零件的一种加工方法。这样的一些回转体零件被广泛应用于金属制造业，例如汽车、工具和模具、航空甚至航天工业。

数控车工需根据工程图样编制数控程序，设定所用的切削刀具、切削用量和走刀路径，制造所需的零件，并使零件的尺寸与形状、位置精度通常精确到1/100mm的数量级（0.01mm大约是一根人的头发直径的1/8）、表面粗糙度通常精确到1/1000mm的数量级。

一、任务布置

本任务以FANUC Series 0i Mate-TD系统卧式经济型数控车床为主要对象，学习数控车床主要组成部分的名称、作用和工艺范围，掌握基本开关机、回参考点和面板操作等技能。

（一）知识目标

（1）熟悉数控车床的工艺范围。

（2）了解数控车床的组成与工作原理。

（二）技能目标

（1）会进行数控车床的开关机和回参考点操作。

（2）会进行数控车床操作面板的基本操作。

二、知识链接

数控车床是金属切削机床家族的重要组成成员，是目前使用比较广泛的数控机床。典型的卧式经济型数控车床如图1-1所示，其型号可参阅国家标准GB/T 15375—1994《金属切削机床型号编制方法》进行解读。CK6136S型卧式数控车床的主要技术参数如表1-1所示。

（一）数控车床的组成及工作原理

数控车床由程序、输入装置、数控装置（computer numerical control, CNC）、伺服驱动装置、位置检测与反馈装置、辅助控制装置、机床本体等几部分组成，其工作原理框图如图1-2所示。

1．数控程序

数控程序是数控车床零件自动加工执行的工作指令，内含零件在机床上的安装位置、刀具与零件相对运动的尺寸参数、零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等加工信息。编程人员得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制数控加工程序。对于形状复杂的零件，则可以借助计算机辅助设计与制造软件（CAD/CAM）完成零件程序的自动编制。

2．输入装置

输入装置的作用是将程序载体上的数控代码传递并存入数控系统中。根据存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机、软盘驱动器、光盘驱动器等。数控车床加工程序也可通过数控系统面板上的键盘用手工方式直接输入数控系统，还可以由编程计算机采用传输线以网络通信方式传输到数控系统中。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工（数控系统内存较小），即在线加工；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，加工时再从内部存储器中逐段调出指令进行加工。

3．数控装置

数控装置是数控车床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置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，控制机床各部分工作，使其进行规定的有序运动和动作。

4．伺服驱动装置

伺服驱动装置接受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移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控车床加工精度、表面质量和生产率的重要因素。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大多采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

5．位置检测与反馈装置

位置检测装置将数控车床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，由数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值进行修正与补偿。

6．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、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧等开关辅助动作。

7．机床本体

数控车床的机床本体是加工运动的实际机械部件，主要包括：主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等。

从外观观察，卧式经济型数控车床的主要组成部分及功能如表1-2所示。

（二）数控车床的工艺范围

机床的工艺范围是指机床适应不同生产要求的能力，即机床上可以完成的工序种类，能加工的零件种类，毛坯、材料种类，适应的生产规模等。

与普通车削一样，数控车削也是由工件（主轴）回转作主运动，刀具（刀架）沿纵向导轨或横向导轨作进给运动。这种切削成形运动的形式决定了数控车削主要适宜于加工回转体零件。

随着机床制造技术水平的突飞猛进，各类全功能型数控车床、车削中心等设备不断出现，许多在传统机械制造业中划属铣削、钻削、铰削的加工工艺逐渐以各种灵活的形式融入数控车床中来，使现代数控车床的加工工艺范围不断扩大。但就加工整体工艺划属而言，数控车床仍然适合于加工各种精度要求高、结构形状复杂、表面粗糙度要求高、尺寸一致性要求好、批量大小合适的轴、盘、套等回转体零件（见图1-3）。

如图1-4所示，经济型数控车床能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、螺纹等轮廓要素的切削加工，并能进行切内外槽、切断、车端面、车成型面、滚花等加工。在操作者手动配合下，还能进行钻中心孔、钻孔、铰孔等工序种类的加工。

三、任务分析

（一）开机、回参考点、急停、关机

1．开机

在检查机床各部件初始状态正常后，接通机床电源和CNC电源。经自检后，引导进入系统操作界面，通常会出现回参考点的提示窗口。然后解除已被按下的“急停”按钮，给伺服系统复位上电。

2．回参考点

控制机床运动的前提是建立机床坐标系，为此，系统接通电源、复位后首先应进行机床各轴回参考点操作。若不回参考点，有的数控系统将出现坐标系位置混乱现象，有的数控系统则出现螺距误差补偿、反向间隙补偿功能无法实现的现象。当然，某些使用绝对式测量装置的数控车床，可不回参考点。

回参考点操作一般要将数控系统置于“→ZRN”（回参考点）方式下进行，顺序一般是先将X轴回参考点，然后再将Z轴回参考点。所有轴回参考点后，即建立了机床坐标系。回参考点操作还应注意：

（1）在回参考点前，应确保回零轴位于参考点的回参考点方向相反侧（如X轴的回参考点方向为负，则回参考点前应保证X轴当前位置在参考点的正向侧），否则应手动移动该轴直到满足此条件。

（2）在回参考点过程中，若出现超程，则利用系统提供的超程解除方法，向相反方向手动移动该轴使其退出超程状态，然后重新进行回参考点操作。

3．急停

机床运行过程中，在危险或紧急情况下，按下急停按钮，CNC即进入急停状态，伺服进给及主轴运转立即停止工作（控制柜内的进给驱动电源被切断）。松开急停按钮（右旋此按钮，自动弹起），CNC进入复位状态。

解除急停前，应先确认故障原因是否排除，且紧急停止解除后应重新执行回参考点操作，以确保坐标位置的正确性。一般地，在开机和关机之前也应按下急停按钮，以减少设备的电冲击。

4．关机

机床使用完毕，一般要按照下列顺序关机：

（1）将机床工作台置于行程内不易导致机床基础支撑件变形的位置上。卧式经济型数控车床将纵向拖板移动到尾架一侧未到达机床坐标系原点100mm左右的位置上，横向拖板移动到全行程的中间位置。

（2）按下【急停】按钮，使伺服断电。

（3）关闭CNC电源和机床电源。

（二）机床面板的基本操作

1．机床的手动操作

机床的手动操作主要包括：手动移动机床坐标轴（包括点动、增量、手摇等方式）、手动控制主轴（包括主轴正转、停止、反转等方式）、机床锁住、刀位转换、卡盘松紧、冷却液启停、手动数据输入（MDI）运行等。

机床手动操作主要由机床操作面板或手持单元完成。

2．程序编辑

程序编辑包括代码的插入、修改、删除和替换，还包括整个程序的删除和自动插入顺序号。高级数控系统还具有程序编辑的扩展功能，如复制程序、移动程序、合并程序、程序号检索、顺序号检索、字检索、地址检索等。

3．自动加工

自动加工的前提条件是：机床已经回过参考点；被加工零件及刀具在机床上正确定位并可靠装夹；系统处于复位状态；被加工零件的程序已经输入数控系统，并经调试校验无误，输入了必要的补偿值和各类参数。此时，调出零件加工程序，可正式启动运行。

一般地，数控系统的自动加工操作步骤是：

（1）选择机床控制面板上的【AUTO】自动模式按键，进入程序运行方式。

（2）按下机床控制面板上的“循环启动”按键，机床开始自动运行调出的零件加工程序。

（三）FANUC Series 0i Mate-TD系统操作面板

FANUC Series 0i Mate-TD系统操作面板分为数控系统面板和机床操作面板两部分。

1．数控系统面板

如图1-5所示为FANUC Series 0i Mate-TD数控系统面板，包括显示屏与MDI键盘。MDI键盘功能分区如图1-6所示，各键使用方法如表1-3所示。

2．机床操作面板

不同机床生产厂家生产的卧式经济型数控车床所配置的机床操作面板布局不尽相同，但其功能却大同小异。机床操作面板主要用于控制机床的运行状态，由工作方式选择按钮、程序运行控制开关等多个部分组成。

如图1-7所示的机床操作面板，各键功能如表1-4所示。

四、技能实训

（一）开机、关机练习

数控车床的开机按下列顺序操作，而关机则按相反顺序操作。

（1）打开机床电气柜的电源总开关，接通机床主电源，电源指示灯亮，电气柜散热风扇启动；

（2）在机床操作面板上按下系统电源启动【ON】键（关机时按【OFF】键），为数控系统上电，待显示器工作并显示初始画面；

（3）松开【急停】按钮（关机时按下【急停】按钮），为伺服系统上电。

（二）回参考点练习

1．手动回参考点

使工作方式置于【回零】键的位置上，该键指示灯亮，按【+ X】键，此时工作台以快速进给方式移向参考点。返回参考点后“X零点”指示灯亮。同样按【+ Z】键完成Z向返回参考点的操作。

2．MDI方式回参考点

（1）选择机床操作面板模式选择【MDI】键；

（2）选择数控系统面板程序功能【PROG】键；

（3）选择数控系统面板插入【INSERT】键，输入指令“G28 U0 W0”；

（4）按循环启动【CYSLE START】键，启动程序回零。

（三）超程解除练习

当机床移动到工作区间极限时会压住限位开关，数控系统会产生超程报警，此时机床不能工作。数控车床常采用软件超程保护和硬件超程保护两种方式对机床进行保护。

当X或Z轴出现超程，显示“出错”，按下【MESSAGE】键，该键可查明哪个轴出现超程，解除超程的步骤为：

（1）将工作方式置为手动【JOG】或手轮【MPJ】；

（2）按数控系统面板的复位【RESET】键（有【超程解除】键的，则按住【超程解除】键不放）；（3）若+ X方向超程，则选择相反的方向按【-X】键移动刀架，解除超程，其他方向超程解除方法与此相同。

（四）手动连续进给练习

将工作方式置于手动【JOG】方式下，该键指示灯亮，先设定进给修调倍率，再按【+ Z】或【-Z】、【+ X】或【-X】，坐标轴连续移动；在手动【JOG】方式进给时，同时按住【快进】键，则产生相应轴的正向或负向快速运动。

（五）手轮进给练习

将工作方式置于手轮【MPJ】方式下，该键指示灯亮，先设定进给修调倍率，选择所要移动的轴，假如需要移动Z轴，将坐标轴选择开关置于Z挡，顺时针或逆时针选择手轮脉冲发生器一格，可控制Z轴向正向或负向移动一个增量值，连续发生脉冲，则连续移动机床Z轴。移动X轴，将坐标轴选择开关置于X挡即可，其他操作与Z轴操作相同。

（六）程序的建立练习

在FANUC Series 0i Mate-TD系统中，程序的建立首先要输入程序号并存储，再输入程序字。具体操作如下：

（1）打开程序保护锁，将工作方式置于编辑【EDIT】方式下，该键指示灯亮；

（2）按程序【PROG】键，进入程序编辑画面，键入地址“O”及准备建立的程序号，如O0001，按分号【EOB】键，再按插入【INSERT】键后即建立新程序O0001；

（3）依次输入各程序段的字，每输完一个程序段后，按分号【EOB】键，再按插入【INSERT】键，直至全部程序段输入完成。如程序字输入错误可按取消【CAN】键取消，连续按取消【CAN】键可取消多个字。

（七）程序的编辑练习

程序的编辑包括修改、插入、替换、删除等操作，具体操作如下：

（1）替换字符：用光标移动键移动光标到需要替换的字。输入要替换的字符后，按下替换【ALTER】键。

（2）插入字符：用光标移动键移动光标到所需插入的前一个字，输入要插入的字符后，按下插入【INSERT】键。

（3）删除字符：用光标移动键移动光标到需要删除的字，按下删除【DELETE】键删除。

（八）程序的调用练习

调用存储器中已有的程序，编辑或为自动加工做准备，具体操作如下：将工作方式置于编辑【EDIT】方式下，该键指示灯亮。按下程序功能【PROG】键，输入程序号，如O0001。按光标向下键即可调用该程序。若程序超过一页，可按上下翻页键查看程序。

五、任务评价

根据技能实训情况，客观进行质量评价，评价表如表1-5所示。各项目配分分别为10分，按“好”计100%、“较好”计80%、“一般”计60%、“差”计40%的比例计算得分。

六、知识拓展

当今世界数控系统的种类规格极其繁多，有代表性的包括日本FANUC（发那科）数控系统，德国SIEMENS（西门子）数控系统、HEIDENHAIN（海德汉）数控系统，西班牙FAGOR（法格）数控系统，我国广数系统、华中系统、凯恩帝系统等。

（一）FANUC数控系统

FANUC数控系统最初是由日本富士通公司研制开发的。在中国市场上，应用于车床的数控系统主要有FANUC 18i-TA/TB、FANUC 0i-TA/TB/TC、FANUC Series 0i Mate-TD等。

（二）SIEM ENS数控系统

SIEM ENS数控系统由德国SIEM ENS公司研制开发，该系统在我国数控机床中的应用也相当普遍。目前，在我国市场上，常用的数控系统除SIEM ENS 840D/C、SIEM ENS 810T/M等型号外，还有专门针对我国市场开发的车床数控系统SINUMERIK 802S/Cbaseline、802D等型号。

（三）国产数控系统

自20世纪80年代初期以来，我国数控系统生产与研制得到了飞速的发展，并逐步形成了以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系统为主的企业，以及北京发那科、西门子数控（南京）有限公司等合资企业的基本力量。目前，常用于车床的数控系统有广州数控系统，如GSK928T、GSK980TDc等；华中数控系统，如HNC-21T、HNC-818A等；凯恩帝数控系统，如KND2000TC等。

国产数控系统目前在经济型数控车床中运用较多，这类数控系统的共同特点是编程与操作方便、性价比高、维修简便。大部分国产系统的编程方法与指令格式（包括固定循环）与FANUC等系统基本相同。因此，国产车床数控系统均可按其编程说明书或参考FANUC等系统的规定进行编程。