数控机床加工程序编制基础

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1、单元一数控技术基础一、教学目的：明确数控加工技术的相关概念，以及数控加工的基本原理和加工的过程。了解目前国内外数控加工领域在数控加工工艺技术方面的最新发展动向和趋势二、教学安排：（一）新课教学知识点与重点、难点：1. 数控机床的产生和发展（了解）2. 数控机床的组成（熟悉）3. 数控机床的工作过程（ 掌握 ）4. 数控机床的分类（ 掌握 ）按加工控制路线分类按机床所用进给伺服系统不同分类按加工工艺方法分类按控制坐标轴数目分类5. 数控机床的性能指标与功能（了解）6. 数控机床的特点7. 数控加工技术的新发展（了解）高速切削高精加工复合化加工控制智能化互联网络化计算机集成制造系统（CIMS ）（

2、二）新课内容：数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动的对被加工工件进行加工。一.数控机床的产生和发展1949 年美国 Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“NumericalControl ”。数控即数字控制(Numerical Control ，简称 NC) 。数控技术即 NC 技术，是指用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。计算机数控 (Computerized Numerical Control ，简称 CNC) 是指用计算机实现部分或全部的数控功能。采用数控技术的自动控制系统为数控系统，采用计算机数控技术的自

3、动控制系统为计算机数控系统，其被控对象可以是生产过程或设备。如果被控对象是机床，则称为数控机床。二.数控机床的组成1 程序编制及程序载体12 输入装置3 数控装置4 强电控制装置5 伺服控制装置6 机床的机械部件与传统的普通机床相比，数控机床机械部件有如下几个特点：(1) 采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，机械传动结构得到简化，传动链较短。(2) 机械结构具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼刚度、耐磨性以及抗热变形性能。(3) 较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。(4) 还有一些配套部件 (如冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置 )和辅属设备 (编程机和对刀仪等

4、 )。三 .数控机床的工作过程数控机床是一种高度自动化的机床，它在加工工艺与加工表面形成方法上与普通机床基本相同，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上：数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的。在数控机床上加工零件时，首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化。先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数、刀具参数，再按数控机床规定采用的代码和程序格式，将与加工零件有关的信息如工件的尺寸、刀具运动中心轨迹、位移量、切削参数(主轴转速、切削进给量、背吃刀量)以及辅助操作 (换刀、主轴的正转与反转、切削液的开与关 )等编制成数控加工程序，然后将程序输入到数控装置中，经数控

5、装置分析处理后，发出指令控制机床进行自动加工。数控加工过程如图所示，其具体步骤为：阅工制数程读艺定控序零分工编传件析艺程输第一步：首先阅读零件图纸，充分了解图纸的技术要求，如尺寸精度、形位公差、表面2粗糙度、工件的材料、硬度、加工性能以及工件数量等；第二步：根据零件图纸的要求进行工艺分析，其中包括零件的结构工艺性分析、材料和设计精度合理性分析、大致工艺步骤等；第三步：根据工艺分析制定出加工所需要的一切工艺信息如：加工工艺路线、工艺要求、刀具的运动轨迹、位移量、切削用量（主轴转速、进给量、吃刀深度）以及辅助功能（换刀、主轴正转或反转、切削液开或关）等，并填写加工工序卡和工艺过程卡；第四步：根据零

6、件图和制定的工艺内容，再按照所用数控系统规定的指令代码及程序格式进行数控编程；第五步：将编写好的程序通过传输接口，输入到数控机床的数控装置中。调整好机床并调用该程序后，就可以加工出符合图纸要求的零件。四.数控机床的分类1按加工控制路线分类有点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床。(a) 点位控制；(b) 直线控制；(c) 轮廓控制(1) 点位控制机床。它如图 (a)所示，只控制刀具从一点向另一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。在从点到点的移动过程中，只作快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。属于点位控制的典型机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。这类机床的数控功能主要用于控制

7、加工部位的相对位置精度，而其加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进行。(2) 直线控制机床。它如图 (b)所示，可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45(的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，组成点位直线控制系统而用于机床上。这种形式的典型机床有车阶梯轴的数控车床、数控3镗铣床和简单加工中心等。(3) 轮廓控制机床。它又称连续控制机床。如图 (c)所示，可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率

8、的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。典型的轮廓控制型机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控磨床和数控电加工机床等2按机床所用进给伺服系统不同分类(1) 开环伺服系统开环伺服系统开环伺服系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机和电液脉冲马达等。如图所示。由数控系统送出的进给指令脉冲，通过环形分配器、按步进电机的通电方式进行分配，并经功率放大后送给步进电机的各相绕组，使之按规定的方式通、断电，从而驱动步进电机旋转。再经同步齿形带、滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。每给一脉冲信号，步进电机就转过一定的角度，工作台就走过一个脉冲当量的距离。数控装置按程序加工要求控制

9、指令脉冲的数量、频率和通电顺序，达到控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向的目的。由于它没有检测和反馈系统，故称之为开环。其特点是结构简单，维护方便，成本较低。但加工精度不高，如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可稍有提高。(2) 半闭环伺服系统半闭环伺服系统半闭环伺服系统具有检测和反馈系统，如图所示。测量元件(脉冲编码器、旋转变压4器和圆感应同步器等 )装在丝杠或伺服电机的轴端部，通过测量元件检测丝杠或电机的回转角。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。如果二者存在偏差，便将此差值信号进行放大，继续控制电机带动移动部件向着减小偏差

10、的方向移动，直至偏差为零。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。(3) 闭环伺服系统闭环伺服系统闭环伺服系统如图所示。它的工作原理和半闭环伺服系统相同，但测量元件(直线感应同步器、长光栅等 )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，可消除机械系统引起的误差，精度高于半闭环伺服系统，但系统结构较复杂，控制稳定性较难保证，成本高，调试维修困难。3按加工工艺方法分类1) 金属切削类数控机床这类数控机床如数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床、数

11、控齿轮加工机床、加工中心等。尽管这些机床在加工工艺方面存在很大差异，具体的控制方法也各不相同，但它们都适合于单件、小批量和多品种的零件加工，具有很高的生产率和自动化程度。2) 金属成型类数控机床这类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床等。3) 数控特种加工及其他类型机床这类数控机床如数控线切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控电火花加工机床等。4按控制系统功能水平分按控制系统的功能水平，可以把数控机床分为经济型、普及型、高级型三类，主要由技术参数、功能指标、关键部件的功能水平来决定。这些指标具体包括 CPU 性能、分辨率、进给速度、伺服性能、通信功能、联动轴数等。1) 经济型数

12、控机床5这类数控机床通常为低档数控机床，一般采用8 位 CPU 或单片机控制，分辨率为10 m，进给速度为6 15 m/min ，采用步进电机驱动，具有RS232 接口。低档数控机床最多联动轴数为二轴或三轴，具有简单CRT 字符显示或数码管显示功能，无通信功能。2) 普及型数控机床这类数控机床通常为中档数控机床，一般采用16 位或更高性能的CPU，分辨率在1 m 以内，进给速度为 15 24 m/min ，采用交流或直流伺服电机驱动；联动轴数为35 轴；有较齐全的CRT 显示及很好的人机界面，大量采用菜单操作，不仅有字符，还有平面线性图形显示功能、人机对话、自诊断等功能；具有RS232 或 D

13、NC 接口，通过 DNC 接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。3) 高级型数控机床这类数控机床通常为高档数控机床，一般采用32 位或 64 位 CPU ，并采用精简指令集 RISC 作为中央处理单元，分辨率可达 0.1 m，进给速度为 15 100 m/min ，采用数字化交流伺服电机驱动，联动轴数在五轴以上，有三维动态图形显示功能。高档数控机床具有高性能通信接口，具备联网功能，通过采用MAP( 制造自动化协议)等高级工业控制网络或 Ethernet(以太网 )，可实现远程故障诊断和维修，为解决不同类型不同厂家生产的数控机床的联网和数控机床进入FMS(柔

14、性制造系统 )和 CIMS( 计算机集成制造系统)等制造系统创造了条件。4按控制坐标轴数目分类按机床数控装置能同时联动控制的坐标轴的数目来分，有两坐标联动数控机床、三坐标联动数控机床和多坐标联动数控机床。五.数控机床的性能指标与功能1.主要性能指标2.主要功能1.插补功能数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的一系列加工点、用基本线型完成所谓的数据 “密化 ”工作。称为插补插补有二层意思：一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等） ；二是用基本线型拟合其它轮廓曲线。插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补原理也叫轨迹控制原理。五坐标插补

15、加工仍是国外对我国封锁的技术。2.可控轴和联动轴数六.数控机床的特点1.数控机床的加工特点1). 广泛的适应性和较大的灵活性；62). 加工零件一致性好、重复精度高；3). 高自动化高效率；4). 只要改变程序就可改变加工件，不需要大量复杂工装夹具；5). 可以采用复合工艺；6). 工艺设计会经常变化的零件；2.数控机床的使用特点七 .数控加工技术的新发展随着计算机技术突飞猛进的发展，数控技术正不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及信息网络化等方向发展。整体数控加工技术向着CIMS （计算机集成制造系统）方向发展。1.智能化：与人工智能

16、相结合；模糊控制、学习控制、自适应控制、运动参数动态补偿、自动识别负载并自动优化调整参数、自诊断和故障监控专家系统；更好地实现对人类智力的延伸。2.开放化 ：基于 PC，硬件、软件和总线规范均对外开放，便于系统集成和二次开发，使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性。3.网络化：企业底层生产控制系统的集成更加简便有效；促进企业间的合作与资源共享 ；使制造商能够通过计算机网络为用户提供远程故障诊断、维修、技术咨询等服务。4.高速化：充分发挥现代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度，适应制造业对高效、优质、低成本生产的广泛需求；目前，电主轴转速可达

17、 15,000100,000 r/min 、进给运动部件快移速度达 60120 m/min ，切削进给速度达 60 m/min 。5.精密化：近10 多年来，普通级数控机床的加工精度已由10 m 提高到 5 m，精密级加工中心的加工精度则从 3 5 m 提高到 11.5 m，超精密数控机床加工精度已开始进入纳米级 (0.01 m)。6.复合化：工序高度集中，减少工序间转换时间；5 轴联动 5 面加工数控机床是典型的复合化数控机床；数控五面加工龙门铣床，可使生产周期缩短至非数控机床的16%，使切削时间比率由 17% 增至 70%，大大提高了机床的利用率，同时由于减少多次安装零件引起的误差，易于保证加工精度。（三）新课小结：数控技术的基本概念与加工原理；数控机床的组成、分类、与特点；数控机床的性能指标；数控机床的发展趋势：六化 智能化、开放化、网络化、高速化、精密化、复合化。7三、课堂作业：1-1数控机床的基本加工原理是什么？1-2按机床所用进给伺服系统不同可以分为几类1-3数控机床由哪几个部分组成？数控机床的工作原理是什么？1-4通过互联网查询典型数控系统的主要功能。四、教学后记：本次课主要是让学生了解数控加工的原理及加工过程，并让学生对目前一些最先进的数控加工工艺技术有所了解。本次课内容采取多媒体教学方式。进行边演示边讲解的教学方式。8