某机械加工厂需对一批45号钢材质的箱体类零件进行数控加工，该零件需完成平面铣削、孔系加工等工序，选用FANUCiMate-MD数控系统[1]的立式加工中心进行加工。请结合《数控机床与编程》相关知识，完成以下各小题解答。(1): 请阐述该加工场景所采用的FANUCiMate-MD数控系统的基本组成，并详细说明数控机床的核心工作原理，同时分析数控系统在箱体零件加工过程中的核心作用。(2): 结合立式加工中心的结构特点，说明该数控机床的核心机械结构组成部分，分别阐述各组成部分的功能及设计要求，并分析这些机械结构对箱体零件加工精度的影响。(3): 数控加工编程是零件加工的关键环节，请说明数控加工编程的基本步骤，阐述数控编程中坐标系的建立原则（包括机床坐标系、工件坐标系），并解释ISO标准中常用的G功能指令（至少5种）和M功能指令（至少3种）的含义及应用场景。

本题主要考察《数控机床与编程》相关知识，包括FANUC iMate - MD数控系统、立式加工中心的结构以及数控加工编程等方面的内容。解题思路是分别针对每个小题，依据所学知识详细阐述相关概念、原理、组成部分及其作用、编程步骤和指令含义等。

(1)

• FANUC iMate - MD数控系统的基本组成：
  • FANUC iMate - MD数控系统主要由CNC装置、伺服驱动系统、主轴驱动系统、输入/输出设备、PLC及机床本体组成。CNC装置是数控系统的核心，它负责对加工程序进行处理和运算；伺服驱动系统根据CNC装置发出的指令，驱动机床的各坐标轴运动；主轴驱动系统控制机床主轴的转速和转向；输入/输出设备用于程序的输入、输出和数据的传输；PLC（可编程逻辑控制器）主要负责机床的辅助控制，如刀具交换、冷却液开关等；机床本体则是实现加工的机械部分。
• 数控机床的核心工作原理：
  • 首先，将编写好的加工程序输入到数控系统中。数控系统的CNC装置对加工程序进行译码和处理，把程序分解为一个个具体的指令。然后，这些指令被传送给伺服驱动系统，伺服驱动系统根据指令驱动机床的各坐标轴运动，同时主轴驱动系统控制主轴的转速和转向。通过各坐标轴的精确运动和主轴的旋转，刀具与工件之间实现相对运动，从而完成零件的加工。
• 数控系统在箱体零件加工过程中的核心作用：
  • 在箱体零件加工中，数控系统可以实现多轴联动，能够同时控制多个坐标轴的运动，使刀具按照预定的轨迹进行加工，从而完成复杂的平面铣削和孔系加工等工序。它还具有高精度控制的能力，能够精确地控制各坐标轴的运动位置和速度，保证加工精度。此外，数控系统可以实现自动化加工，减少人工干预，提高生产效率和加工质量。

(2)

• 立式加工中心的核心机械结构组成部分及功能、设计要求：
  • 床身：床身是机床的基础部件，它为机床的其他部件提供安装和支撑的平台。其功能是承受机床的全部重量和加工过程中的切削力，因此设计要求具有足够的刚性和稳定性，以保证机床在加工过程中不会产生过大的变形。
  • 立柱：立柱主要用于支撑主轴箱，使主轴能够在垂直方向上进行运动。它需要具备良好的刚性和导向精度，以确保主轴在运动过程中的稳定性和准确性。
  • 主轴箱：主轴箱内装有主轴和主轴驱动系统，其功能是带动刀具旋转，实现对工件的切削加工。主轴的精度和转速稳定性对加工质量有重要影响，因此主轴箱的设计要求主轴具有高的回转精度、低的振动和良好的热稳定性。
  • 工作台：工作台是放置工件的地方，它需要能够实现水平方向的移动，以便调整工件的加工位置。工作台的设计要求具有足够的承载能力和平面度，以保证工件在加工过程中的稳定性和加工精度。
  • 导轨：导轨为机床各运动部件提供导向，保证各部件能够沿着预定的方向进行运动。导轨的直线度和精度直接影响机床的加工精度，因此设计要求导轨具有高的直线度、低的摩擦系数和良好的耐磨性。
  • 进给系统：进给系统负责控制机床各坐标轴的运动速度和位置，实现刀具与工件之间的相对运动。它需要具有快速响应能力和高精度的定位能力，以保证加工过程的稳定性和加工精度。
  • 换刀系统：换刀系统用于在加工过程中自动更换刀具，提高加工效率。换刀系统的设计要求换刀动作准确、可靠，换刀时间短，以减少非加工时间。
• 对箱体零件加工精度的影响：
  • 床身和立柱的刚性不足会导致机床在加工过程中产生变形，从而影响加工精度。例如，床身的变形可能会导致工作台的平面度发生变化，影响工件的加工平面精度；立柱的变形可能会影响主轴的垂直度，导致孔的位置精度和垂直度偏差。
  • 主轴的跳动会使刀具在旋转过程中产生偏心，从而导致加工出的孔径不圆，影响孔的尺寸精度和形状精度。
  • 导轨的直线度误差会使机床各运动部件在运动过程中产生偏移，导致孔距偏差、平面度误差等问题，影响箱体零件的加工精度。
  • 进给系统的响应速度慢或定位精度低会导致刀具的运动轨迹不准确，影响加工精度和表面质量。
  • 换刀系统的换刀精度不高可能会导致换刀后刀具的位置不准确，影响后续加工的精度。

(3)

• 数控加工编程的基本步骤：
  1. 分析图样：仔细研究零件的加工图样，了解零件的形状、尺寸、精度要求、表面粗糙度等技术要求，确定加工的难点和关键部位。
  2. 确定工艺：根据零件的加工要求和机床的性能，制定合理的加工工艺，包括选择加工方法、刀具、切削用量、加工顺序等。
  3. 建立工件坐标系：根据零件的加工要求和机床的坐标系，确定工件在机床坐标系中的位置，建立工件坐标系。工件坐标系的原点通常选择在零件的某个特征点上，如角点、中心点等。
  4. 编写程序：根据加工工艺和工件坐标系，使用数控编程语言（如G代码、M代码等）编写加工程序。在编写程序时，需要按照一定的格式和规则，将加工的运动轨迹、刀具选择、切削用量等信息准确地表达出来。
  5. 校验试切：将编写好的程序输入到数控系统中，进行程序校验和试切。通过模拟加工和实际试切，检查程序的正确性和加工效果，发现问题及时进行修改。
  6. 正式加工：在试切合格后，进行正式加工。在加工过程中，需要密切关注加工情况，及时调整加工参数，确保加工质量。
• 数控编程中坐标系的建立原则：
  • 机床坐标系：机床坐标系是由机床制造商在设计机床时定义的，它是机床的基本坐标系，其原点通常称为机床原点。机床坐标系的方向和单位由机床制造商规定，用户不能随意更改。
  • 工件坐标系：工件坐标系是为了方便编程和加工而建立的坐标系，它与机床坐标系之间存在一定的位置关系。工件坐标系的原点通常选择在零件的某个特征点上，如角点、中心点等，其方向和单位与机床坐标系一致。工件坐标系的建立原则是要与零件的图样一致，方便编程和加工。
• ISO标准中常用的G功能指令和M功能指令的含义及应用场景：
  • 常用G功能指令：
    • G00：快速移动指令。它使刀具以机床设定的最快速度移动到指定的位置，不进行切削加工，主要用于刀具的快速定位。例如，在换刀后，使用G00指令将刀具快速移动到加工起始点。
    • G01：直线插补指令。它使刀具以指定的进给速度沿直线移动到指定的位置，用于加工直线轮廓。例如，在加工箱体零件的平面时，使用G01指令控制刀具沿直线进行铣削加工。
    • G02/G03：圆弧插补指令。G02表示顺时针圆弧插补，G03表示逆时针圆弧插补。它们使刀具以指定的进给速度沿圆弧轨迹移动到指定的位置，用于加工圆弧轮廓。例如，在加工箱体零件的圆弧孔或圆弧槽时，使用G02或G03指令控制刀具进行圆弧插补加工。
    • G90：绝对编程指令。它表示程序中的坐标值是相对于工件坐标系原点的绝对坐标值。在使用G90指令时，编程人员可以直接使用零件图样上的尺寸进行编程，方便编程和理解。例如，在编写箱体零件的加工程序时，使用G90指令可以直接按照零件的尺寸进行坐标编程。
    • G41/G42：刀具半径补偿指令。G41表示左刀补，即刀具沿进给方向的左侧进行半径补偿；G42表示右刀补，即刀具沿进给方向的右侧进行半径补偿。刀具半径补偿指令可以使编程人员在编程时不考虑刀具的半径大小，直接按照零件的轮廓尺寸进行编程，简化了编程过程。例如，在加工箱体零件的内孔或外轮廓时，使用G41或G42指令可以自动补偿刀具的半径，保证加工尺寸的准确性。
  • 常用M功能指令：
    • M03：主轴正转指令。它使机床主轴按照指定的转速正转，用于切削加工。例如，在加工箱体零件时，使用M03指令启动主轴正转，带动刀具进行切削。
    • M08：冷却液开指令。它使机床的冷却液系统开始工作，向加工区域喷射冷却液，以降低切削温度、冲走切屑、提高加工表面质量。例如，在进行铣削或钻孔加工时，使用M08指令打开冷却液，保护刀具和工件。
    • M30：程序结束指令。它表示加工程序结束，机床停止所有运动，主轴停止转动，冷却液关闭，程序指针返回到程序开头，准备下一次加工。例如，在完成箱体零件的加工后，使用M30指令结束程序。