数控车床_课件

1、第一章第一章 1.1 1.1 数控机床的基本知识数控机床的基本知识 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 1.1 1.1 数控机床的基本知识数控机床的基本知识 1.1 1.1 数控机床的基本知识数控机床的基本知识 1.1.1 数控与数控机床的概念 数字控制（Numerical Control，简称数控或NC）技 术，国家标准（GB8129-87）定义为：“用数字化信号对 机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。装备了数 控系统的机床称为数控机床。随着科学技术的发展，数控

2、 系统也采用专用或通用计算机及控制软件与相关的电气元 部件一起来实现数控功能，称为计算机数控（CNC）系统。 1.1 1.1 数控机床的基本知识数控机床的基本知识 1.1.2 1.1.2 数控车床型号及技术参数数控车床型号及技术参数 1.1.2.1 数控车床型号 根据金属切削机床型号编制的方法（JB1838-85） 中规定，机床均用汉语拼音字母和数字，按一定规律组合 进行编号，以表示机床的类型和主要规格。数控车床编号 CK6136中，字母与数字含义如下所示： C K 6 1 36 主参数代号 （床身上工件最大回转直径的1/10，单位） 系代号（卧式车床系） 组代号（落地及卧式车床组） 特性代号

3、（数控） 类代号（车床类） 1.1 1.1 数控机床的基本知识数控机床的基本知识 1.1.2.2 数控车床技术参数 技术参数是用户购买机床时的主要依据，表11为 CK6136和CA6140的技术参数，旨在了解数控车床与普通车 床在技术参数种类和数值上的不同。数控机床性能指标的 含义和对机床的影响见表12数控机床性能指标表。 1.1 1.1 数控机床的基本知识数控机床的基本知识 规格及参数名称单位CK6136ACA6140 与 工 件 尺 寸 和 工 夹 具 有 关 的 参数 床身上工件最大回转直径360400 两顶尖间最大支撑长度750750 主轴通孔直径5848 主轴内孔锥度No.莫氏6号莫

4、氏6号 主轴端部代号No.D6 尾架套筒内孔锥度No.莫氏4号莫氏4号 与 机 床 动 力 特 性 和 技 术 经 济 指 标 有 关 的 参 数 主轴转速范围r/min2001820101400（正转） 141580（反转） 主轴转速级数无级正转24，反转12 Z轴最快进给速度m/min64 X轴最快给速度n/min32 最小设定单位（脉冲当量）Z：0.01 X：0.005Z：0.1 X：0.02 定位精度0.04（z）0.03（x） 重复定位精度0.016（z）0.012（x） 主电机功率Kw4 或5.57.5 进给电机功率Kw 外形尺寸（长宽高） 机床净重kg16002000 表11数控

5、车床和普通车床技术参数 1.1 1.1 数控机床的基本知识数控机床的基本知识 种类 项目 含义影响 精 度 指 标 定位精度 数控机床工作台等移动部件在 确定的终点所达到的实际位置 的水平 直接影响加工零件的位 置精度 重复定位精度 同一数控机床上， 应用相同加 工程序加工一批零件所得连续 质量的一致程度 影响一批零件的加工一 致性、质量稳定性 分度精度 分度工作台在分度时，理论要 求回转的角度值与实际回转角 度值的差值 影响零件加工部位的空 间位置及孔系加工的同 轴度 分辨率 数控机床对两个相邻的分散细 节间可分辨的最小间隔， 决定机床的加工精度和 表面质量 脉冲当量 执行运动部件的移动量决

6、定机床的加工精度和 表面质量 坐 标 轴 可控轴数 机床数控装置能控制的轴数影响机床功能、加工适 应性和工艺范围 联动轴数 机床数控装置控制的坐标轴同 时到达空间某一点的坐标数目 影响机床功能、加工适 应性和工艺范围 表12数控机床性能指标表 1.1 1.1 数控机床的基本知识数控机床的基本知识 运 动 性 能 指 表 主轴转速 机床主轴转动速度可加工小孔和提高零 件表面质量 进给速度 机床进给线速度影响零件加工质量、 生产效率、刀具寿命 行程 数控机床坐标轴空间运动范 围 影响零件加工大小 摆角范围 数控机床摆角坐标的转角大 小 影响加工零件的空间 大小和机床刚度 刀库容量 刀库能存放加工所

7、需的刀具 数量 加工适应性及加工资 源 换刀时间 带自动换刀装置的机床在主 轴用刀与刀库中下一工序用 刀交换所需的时间 影响加工效率 加工能 力指标 每分钟最大金 属切除率 单位时间内去除金属余量的 体积 影响加工效率 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.1 数控车床组成及其作用 图11为数控车床CK6136外形图。 图11 CK6136外形图 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 传统观点认为数控机床由程序载体、输入输出设备、 数控系统、伺服系统、机床主体等组成。但现代数控机床 的数控系统都采用模块化结构，伺

8、服系统中的伺服单元和 驱动装置为数控系统中的一个子系统，输入输出装置也为 数控系统中的一个功能模块，所以现在的观点认为数控机 床主要由计算机数控系统和机床本体组成， 如图12。其中每一部分的功用如下。 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 机床 I/O 电路和装置 测量装置 主轴驱动装置 进给驱动装置 主轴伺服单元 进给伺服单元 计算机 数 控 装 置 操作面板 PLC 计算机数控系统计算机数控系统 机机 床床 辅助控制机构 进给传动机构 主运动机构 键盘 输入输出 设备 图12 数控机床的组成 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.1.1 输入装置 数控机床是

9、按照编程人员编制的工件加工程序运行的。 在工件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨 迹、工艺参数（走刀量、主轴转速等）和辅助运动等。通 常编程人员将工件加工程序以一定的格式和代码存储在一 种载体上，如录音磁带、软磁盘或硬盘等，通过数控机床 的输入装置，将程序信息输入到数控装置内。 输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读入 数控装置。根据程序载体的不同，输入装置可以是录音机 或软盘驱动器等。 数控机床还可以不用任何程序载体，通过数控机床操 作面板上的键盘，用手工将工件加工程序输入数控装置； 或者将存储在计算机硬盘上的工件加工程序传送到数控装 置。 1.2 1.2 数控车床工作原理数

10、控车床工作原理 1.2.1.2 计算机数控装置 数控装置是数控机床的核心。它根据输入的数据，完 成数值计算、逻辑判断、输入输出控制等。数控装置一般 由专用（或通用）计算机、输入输出接口板及可编程序控 制器（PLC）等组成。可编程序控制器主要用于对数控机 床辅助功能、主轴转速功能和刀具功能的控制。 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.1.3 伺服系统 伺服系统包括主轴伺服单元、进给伺服单元、机床控 制线路、功率放大线路及驱动装置，它接受数控装置发来 的各种动作命令，驱动数控机床传动系统的运动。它的伺 服精度和动态响应是影响数控机床的加工精度、表面质量 和生产率的重要因素之一

11、。 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.1.4 测量装置 测量装置的作用是通过位置传感器将伺服电动机的 角位移或数控车床执行机构的直线位移转换成电信号，输 送给数控装置，使之与指令信号进行比较，并由数控装置 发出指令，纠正所产生的误差，使数控车床按工件加工程 序要求的进给位置和速度完成加工。 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.1.5 机床本体 机床本体包括：主传动系统、进给系统以及辅助装置 等。对于数控加工中心，还有存放刀具的刀库、自动换刀 装置（ATC）和自动托盘交换装置等。与传统的机床相比， 数控机床的结构强度、刚度和抗振性，传动系统和刀具系

12、统的部件结构，操作机构等方面都发生了很大的变化，其 目的是为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的效 能。 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.2 1.2.2 数控系统的主要功能数控系统的主要功能 数控系统的功能取决于数控系统硬件和软件的配置， 一般说来，数控系统的主要功能可归纳为以下几点： 1.2.2.1 多轴控制功能 控制系统可以控制坐标轴的数 目指的是数控系统最多可以控制多少个坐标轴,其中包括 平动轴和回转轴, 基本平动坐标轴是X、Y、Z轴， 基本回 转坐标轴是A、B、C轴。 联动轴是指数控系统按照加工的 要求可以控制同时运动的坐标轴的数目。 如某型号的数 控机床

13、具有X、Y、Z三个坐标轴运动方向, 而数控系统只 能同时控制两个坐标（XY、YZ或XZ）方向的运动, 则该机 床的控制轴数为3轴（称为三轴控制）,而联动轴数为2轴 （称为两联动）。 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.2.2 插补功能 指数控机床能够实现的运动轨迹。 如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、正弦曲线等。 数控机 床的插补功能越强， 说明加工的轮廓种类越多。 1.2.2.3 进给功能 包括快速进给（空行程移动）、切削 进给、手动连续进给、点动， 进给量调整（倍率开关）、 自动加速减速功能等性能。 进给功能与伺服驱动系统的 性能有很大的关系。 1.2.2.4 主轴功能

14、可实现恒转速、恒线速度、定向停 车及转速调整（倍率开关）等功能。恒线速度指的是主轴 可以自动变速， 使得刀具对工件切削点的线速度保持不 变。 主轴定向停车功能主要用于数控机床在换刀、精镗 等工序退刀前， 对主轴进行准确定位， 以便于退刀。 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.2.5 刀具功能 指在数控机床上可以实现刀具的自动选 择和自动换刀。 1.2.2.6 刀具补偿功能 包括刀具位置补偿、半径补偿和长 度补偿功能。 半径补偿中有车刀的刀尖半径、铣刀半径 的补偿， 长度补偿中有车刀长度变化的补偿。 1.2.2.7 机械误差补偿功能 指系统可以自动补偿机械传 动部件因间隙产

15、生的误差的功能。 1.2.2.8 操作功能 数控机床通常有单程序段运行、跳段执 行、连续运行、试运行、图形模拟仿真、机械锁住、暂停 和急停等功能， 有的还有软件操作功能。 1.2.2.9 程序管理功能 指对加工程序的检索、编制、插入、 删除、更名、锁住、在线编辑（即后台编辑, 在执行自动 加工的同时进行编辑）以及程序的存储通信等。 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.2.10 图形显示功能 在显示器（CRT）上进行二维或三 维、单色或彩色的图形显示。图形可以进行缩放、旋转， 还可以进行刀具轨迹动态显示。 1.2.2.11 辅助编程功能 如固定循环、镜像、图形缩放、 子程序

16、、宏程序、坐标轴旋转、极坐标等功能， 可减少 手工编程的工作量和难度。 1.2.2.12 自诊断报警功能 指数控系统对其软件、硬件故 障的自我诊断能力。 这项功能可以用于监视整个机床和 整个加工过程是否正常， 并在发生异常时及时报警。 1.2.2.13 通讯功能 现代数控系统中一般到配有RS232接口 或DNC接口, 可以与上级计算机进行信号的高速传输。 高 档数控系统还可与MAP或INTERNET相连，以适应FMS、CIMS 的要求。 1.2 1.2 数控车床工作原理数控车床工作原理 1.2.3 1.2.3 数控机床工作原理数控机床工作原理 数控机床工作原理如图13。 1.2 1.2 数控车

17、床工作原理数控车床工作原理 根据零件图样，进行工艺分析，确定工艺方案，依据数 控系统的规定指令，编制零件的加工程序。视零件结构的复 杂程度，可以采用手工或计算机编程，程序较小时，可以直 接在车床的操作面板的输入区域操作；程序较大时，也可在 装有编程软件的普通计算机上进行，编程软件国内一般采用 模拟软件和专业软件，经过相应的后置处理，生成加工程序。 再通过车床控制系统上的通信接口或其他存储介质（软盘、 光盘等），把生成的加工程序输入到车床的控制系统中。进 入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变成脉冲信号。 有的信号输送到机床的伺服系统，通过伺服机构处理，传到 驱动装置（主轴电机、步进或交、直

18、流伺服电机），使刀具 和工件严格执行零件加工程序说规定的运动；有的信号送到 可编程控制器，用以控制机床的其他辅助运动，如主轴和进 给运动的变速、液压或气动装夹工件、冷却液开关等。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 1.3.1 1.3.1 数控车削加工工艺范围数控车削加工工艺范围 数控车床是数控机床中应用最广泛的一种，在数控 车床上可以加工各种带有复杂母线的回转体零件，高级的 数控车床（一般称为车削中心）还能进行铣削、钻削以及 加工多边形零件。如图14为在数控车床上加工的工艺范 围。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 图14

19、 车削工艺范围 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 1.3.2 1.3.2 数控车削特点数控车削特点 数控车床加工有普通车床无法比拟的特点，主要有以 下几点。 1.3.2.1 数控车床的特点 （1）传动链短 与普通车床相比，主轴驱动不再是电机-皮带-齿轮副 机构变速，而是采用横向和纵向进给分别由两台伺服电机 驱动刀架运动完成，不再使用挂轮、离合器等传动部件， 传动链大大缩短。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 （2）刚性高 为了与数控系统的高精度相匹配，数控机床的刚性高， 以便适应高精度的加工。 （3）轻拖动 刀架移动采用滚

20、珠丝杠副，摩擦小，移动轻便。丝杠 两端的支承是专用轴承，其压力角比普通轴承大，在出厂 时便选配好；数控车床的润滑部分采用油雾自动润滑，这 些措施都使得数控车床移动轻便。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 1.3.2.2 数控车床加工特点 （1）自动化程度高，可以减轻操作者的体力劳动强度 数 控加工过程是按输入的程序自动完成的，操作者只需开始 时对刀、装卸工件、更换刀具，加工过程中，主要是观察 和监督机床运行。但是，由于数控机床的技术含量高，操 作者的脑力劳动强度相应提高。 （2）加工的零件质量高且稳定 数控机床的定位精度和 重复定位精度都很高，较容易保证一批

21、零件尺寸的一致性， 只要工艺设计和程序正确合理，加之精心操作，就可以保 证零件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量 控制。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 （3）生产效率高 数控机床加工时能在一次装夹中加工多 个加工表面，一般只检测首件，所以可以省去普通机床加 工时的不少中间工序，如划线、尺寸检测等，减少了辅助 时间和机动时间，而且由于数控加工出的零件质量稳定， 为后续工序带来方便，其综合效率明显提高。 （4）便于新产品研制和改型 数控加工一般不需要很多复 杂的工艺装备，通过编制加工程序就可把形状复杂和精度 要求较高的零件加工出来，当产品改型，更改

22、设计时，只 要改变程序，而不需要重新设计工装。所以，数控加工能 大大缩短产品研制周期，为新产品的研制开发、产品的改 进、改型提供了捷径。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 （5）可向更高级的制造系统发展 数控机床及其加工技术 是计算机辅助制造的基础。 （6）加工成本较高 这是由于数控机床设备费用高，首 次加工准备周期较长，维修成本高等因素造成。 （7） 维修要求高 数控机床是技术密集型的机电一体化 的典型产品，需要维修人员既懂机械，又要懂微电子维修 方法的知识，同时还要配备较好的维修装备。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点

23、 1.3.2.3 适合数控机床加工的零件 （1）多品种中小批量零件最合适。随着数控车床制造成 本的逐步下降，现在不管是国内还是国外，加工大批量零 件的情况也已经出现。加工很小批量和单件生产时，如能 缩短程序的调试时间（机外编程与调试）和工装（刀、量、 夹具）的准备时间也是可以选用的。 （2）精度要求高的零件。由于数控车床的刚性好，制造 精度高，对刀精确，能方便的进行尺寸补偿，所以能加工 尺寸精度要求高的工件。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 （3）表面粗糙度值小的零件。在工件和刀具的材料、精 车余量及刀具角度一定的情况下，表面粗糙度取决于切削 速度和进给速

24、度。普通车床是恒定转速，直径不同，切削 速度（线速度）不同，而数控车床具有恒线速度切削功能， 车端面、不同直径外圆时可以用同样的线速度，保证表面 粗糙度值既小又一致；在车削表面粗糙度不同的表面时， 粗糙度小的表面选用小的进给速度，粗糙度大的表面选用 大些的进给速度，可变性很好，这点在普通车床很难做到。 （4）轮廓形状复杂的零件。任意平面曲线都可用直线或 圆弧来逼近，数控车床具有圆弧插补功能，因此数控车床 不仅可以加工素线为直线的回转体，也可以加工素线为曲 线的回转体。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 1.3.2.4 数控车床所用工艺装备的特点 （1）刀架的

25、特点 刀架是数控车床的重要部件，它安装各种切削加工刀 具，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率。转塔式 刀架是普遍采用的刀架形式，如图1-5所示。它通过转塔 头的旋转、分度、定位来实现机床的自动换刀工作。两轴 连续控制的数控车床，一般都采用 612 工位转塔式刀 架。排刀式刀架主要用于小型数控车床，适用于短轴或套 类零件加工。方刀架在中低档数控车床中也有使用。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 （2）刀具的特点 数控机床刀具应满足以下要求： a. 精度较高、寿命高、尺寸稳定、变化小。数控

26、车床能 兼作粗精车削，为使粗车能大切深、大走刀，要求粗车刀 具有强度高、耐用度好；精车则保证加工精度，所以要求 刀具锋利、精度高、耐用度好。 b. 快速换刀； c. 刀柄应为标准系列； d. 能很好地控制切屑的折断、卷曲和排出；数控车床一 般在封闭环境中进行，要求刀具具有良好的断屑性能，断 屑范围要宽，一般采用三维断屑槽，其形式很多，选择时 应根据零件的材料及精度要求来确定。 e. 具有很好的可冷却性能。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 从结构上看车刀可分为整体式车刀、焊接式车刀和机 械夹固式车刀三大类。整体式车刀主要是整体式高速钢车 刀，它具有抗弯强度、

27、冲击韧性好，制造简单和刃磨方便、 刃口锋利等优点；焊接式车刀是将硬质合金刀片用焊接的 方法固定在刀体上，经刃磨而成；机械夹固式车刀可分为 机械夹固式可重磨车刀和机械夹固式不重磨车刀。数控车 床应尽可能使用机夹刀。由于机夹刀在数控车床上安装时， 一般不采用垫片调整刀尖高度，所以刀尖高的精度在制造 时就得到保证。对于长径比较大的内径刀杆，应具有良好 的抗震结构。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 从刀具的形状看，数控车削加工中常用的车刀如图1 6所示。 图16 数控车床用刀具 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 从刀具的材料看，

28、由于在数控加工中，速度要远高于 普通加工，为适合因高速而带来的高切削温度及严重摩擦， 而不致使刀具磨损过于迅速，数控加工刀具以硬质合金为 主，一般采用 YT 、YW类硬质合金加工钢料，YG 类硬质 合金加工铸铁。 为不断提高刀具切削性能，数控刀具中，越来越多地 采用涂层硬质合金，涂层材料及涂层技术的迅猛发展，为 数控刀具的性能提高提供了良好的条件。除此以外，数控 刀具中，亦有采用CBN 、金属复合陶瓷等特硬材料的。 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 1.3 1.3 数控车削加工工艺范围及特点数控车削加工工艺范围及特点 （3）夹具的特点 在经济型数控车床中，考

29、虑成本的因素，一般使用与 普通车床一样的手动自定心卡盘。在全功能型数控车床中 使用自定心液压或气动卡盘，如图17所示。液压动力卡 盘用于夹持加工零件，它主要由固定在主轴后端的液压缸 和固定在主轴前端的卡盘两部分组成，其夹紧力的大小通 过调整液压系统的压力进行控制 ,具有结构紧凑、动作灵 敏、能够实现较大夹紧力的特点。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 1.4.1 1.4.1 根据机床加工特性和主要加工工序分根据机床加工特性和主要加工工序分 与普通机床一样，数控机床根据加工特性和主要加工 工序可分成数控车床（含车削中心）、数控铣床（含铣削 中心）、数控镗床、以铣镗削为主带刀库的加工中心（

30、型 号用TH）、数控磨床（含磨削中心）、数控钻床（含钻削 中心）、数控拉床、数控刨床、数控切断机床、数控齿轮 加工机床、数控电火花加工机床（含电加工中心）、数控 板材成形加工机床、数控管料成形加工机床、柔性加工单 元（FMC）、柔性制造系统（FMS）等。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 1.4.2 1.4.2 根据数控系统的技术水平分根据数控系统的技术水平分 1.4.2.1 运动方式 （1）点位控制数控机床 这类数控机床的数控装置只控制刀具从一点到另一点 的准确定位。 在移动过程中不进行加工，对两点间的移 动速度及运动轨迹没有严格的要求。如图18所示，起点 到终点的运动轨迹可以是1轨

31、迹或2轨迹种的任意一种。 这类数控机床主要有数控钻床、数控冲剪床、数控镗 床和数控测量机等。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 （2）直线控制数控机床 这类数控机床的数控装置除了控制点与点之间的准确 位置以外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而 且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化 的不同需要。这类数控机床主要有简易数控车床、数控镗 铣床等。如图19所示。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 （3）轮廓控制数控机床 这类数控机床的数控装置能同时对两个或两个以上运 动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，它不仅要控制 机床

32、移动部件的起点与终点坐标，而且要控制整个加工过 程每一点的速度、方向和位移量，使合成的平面或空间的 运动轨迹能满足加工的要求，如图110所示。由于需要 精确地同时控制两个或更多的坐标运动，数据处理的速度 比点位控制要高，因此，机床计算机一般要求具有较高速 度的运算和信息处理能力。这类数控机床主要有数控铣床、 数控车床等。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 随着数控装置的发展，要增加轮廓控制功能，只需 增加插补运算软件即可，这几乎不带来成本的提高。因此， 除少数专用的数控机床（如数控钻床、冲床等）以外，现 代的数控机床都具有轮廓控制功能。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 1.4

33、.2.2 伺服系统的控制方式 （1）开环控制系统的数控机床 开环控制系统的数控机床通常不带位置检测元件，使 用功率步进电动机作为执行元件。数控装置每发出一个指 令脉冲，经驱动电路功率放大后，就驱动步进电动机旋转 一个角度，再由传动机构带动工作台移动。图1-11是一个 典型的开环控制系统。 开环控制系统的数控机床受步进电动机的步距精度和 传动机构的传动精度的影响，难于实现高精度加工。但由 于系统结构简单、成本较低、技术容易掌握，所以目前仍 有应用。普通机床的数控化改造大多采用开环控制系统。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 （2）闭环控制系统的数

34、控机床 闭环控制系统的数控机床是按闭环控制系统。数控装置 将位移指令信号与位置元件检测测得的工作台实际位置反馈 信号随时进行比较，根据其差值及指令进给速度的要求，按 一定的规律进行转换后，得到进给伺服系统的速度指令信号。 此外还利用与伺服驱动电动机同轴钢性连接的测速元器件， 随时实测驱动电动机的转速，得到速度反馈信号，将它与速 度指令信号相比较，得到速度误差信号，对驱动电动机的转 速随时进行校正。利用上述的位置控制和速度控制的两个回 路，可以获得比开环伺服系统精度更高、速度更快、驱动功 率更大的特性指标。从图1-12中可以看到，闭环系统的位置 检测元件安装在执行部件上，用以实测执行部件的位置或

35、位 移量。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 （3）半闭环控制系统的数控机床 如果将位置检测元件安装在驱动电动机的端部，或安 装在传动丝杠端部，间接测量执行部件的实际位置或位移， 就是半闭环控制系统。如图1-13所示。它可以获得比开环 系统更高的精度，但它的位移精度比闭环系统的要低。由 于位置检测元件安装方便、调试容易，现在大多数数控机 床多采用半闭环控制系统。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 1.4.2.3 功能水平 （1）经济型数控机床 经济型数控机床大多指采用开环 控制系统的数控机床，其

36、功能简单，价格便宜，适用于自 动化程度和加工精度要求不高的场合。 （2）中档数控车床，中档数控机床大多指采用半闭环控 制系统的数控机床，一般具有单色显示的CRT，程序储存 和编辑功能，能进行刀尖圆弧半径补偿、固定循环、螺纹 切削等功能。 （3）多功能型数控机床 这类数控机床的功能齐全，价 格较贵。加工复杂零件的大中型机床及柔性制造系统、计 算机集成制造系统使用的数控机床一般为多功能型。这是 指较高档次的数控车床，这类机床一般具备刀尖圆弧半径 自动补偿、恒线速度切削、倒角、固定循环、螺纹切削、 图形显示、用户宏程序等功能。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 各种功能数控机床的性能比较如表

37、13。 系统功能高档中档经济型 功能无级变速、C轴功能机械变速 分辩率0.1m1 m10 m 进给速度15100m/min1524m/min815m/min 伺服驱动闭环半闭环开环 电机交、直流伺服电机步进电机 联动轴数24轴或25轴23轴 通信功能MAP，联网功能RS232CRS485无 显示功能三维图形彩显CRT图形显示数码或CRT字符 内装PLC有有无 主CPU32位或64位16位或32位8位 表13 各种功能数控机床的性能 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 对数控车床而言,又可根据主轴的配置形式，可以分 为卧式数控车床和立式数控车床；根据床身导轨结构形式， 分为水平导轨和斜床身

38、导轨数控车床，如图1-14所示。 1.4 1.4 数控机床分类数控机床分类 车削中心的主体是数控车床，一般配有刀库、自动换 刀装置、分度装置、铣削动力头和机械手等部件，与数控 车床单机相比，其自动选择和使用的刀具数量大大增加， 可实现多工序复合加工。卧式车削中心还具备如下两种功 能：一是动力刀具功能，即刀架上某一刀位或所有刀具可 使用回转刀具，如铣刀和钻头；另一种是C轴位置控制功 能（分度，低速回转）,所谓C轴是指以z轴（对于车床是 指卡盘与工件的轴线）为中心的旋转坐标轴。该功能主轴 能达到很高的角度定位分辨率（一般0.001）,还能使主 轴和卡盘按进给脉冲作任意低速的回转,这样车床就具有X、

39、 Z和C三坐标，可实现三坐标两联动轮廓控制。近年出现的 双轴车削中心，在一个主轴进行加工结束后，无需停机， 零件被转移至另一主轴加工另一端，加工完毕后，零件除 了去毛刺以外，不需要其它的补充加工。 第二章第二章 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.3 2.3 数控车床编程特点数控车床编程特点 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 数控编程是实现零件数控加工的关键环节，它包括从 零件分析到获得数控加工程序的全过程。如图21所示。 图21数控机床加工过程 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述

40、2.1.1 2.1.1 数控编程的内容数控编程的内容 一般说来，数控编程包括以下工作。 2.1.1.1 分析零件图，制定加工工艺方案 根据零件图样，对零件的形状、尺寸、材料、精度和 热处理要求等进行工艺分析，合理选择加工方案，确定工 件的加工工艺路线、工序及切削用量等工艺参数，确定所 用机床、刀具和夹具。 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 2.1.1.2 数学处理 根据零件的几何尺寸、工艺要求及编程的方便，设定 坐标系，计算工件粗、精加工的轮廓轨迹，获得刀位数据。 数控系统一般具有直线和圆弧插补功能，所以对于由直线 和圆弧组成的形状简单的零件轮廓加工，只需计算出几何 元素的起点、终点、

41、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切 点坐标值即可，有些要计算刀具中心的运动轨迹；对于由 非圆曲线或曲面组成的形状复杂的零件，需要用直线段或 圆弧段来逼近曲线，根据加工精度的要求，计算出节点坐 标，这个工作一般使用计算机完成。 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 2.1.1.3 编写零件加工程序 根据制定的加工工艺路线、切削用量、刀具补偿量、 辅助动作及刀具运动轨迹等条件，按照机床数控系统规定 的功能指令代码及程序格式，逐段编写加工程序。 2.1.1.4 制备控制介质并输入到数控机床 把编制好的程序记录在控制介质上，并输入到数控机 床中，这个工作可通过手工在操作面板直接输入，或利用 通信方式

42、输入，由传输软件把计算机上的加工程序传输到 数控机床。 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 2.1.1.5 程序校验和试切 输入到数控系统的加工程序在正式加工前需进行验证， 以确保程序正确。通常可以采用机床空运行的方法，检查 机床动作和运动轨迹是否正确；在有图形显示功能的数控 机床上，可以利用模拟加工的图形显示来检查运行轨迹的 正确性。需注意的是这些方法只能检验运动轨迹是否正确， 不能检验被加工零件的精度。因此，需进行零件的首件试 切，当发现加工的零件不符合加工技术要求时，分析产生 加工误差的原因，找出问题，修改程序或采取尺寸补偿等 措施。 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 2.

43、1.2 2.1.2 数控编程方法数控编程方法 2.1.2.1 手工编程 手工编程就是指数控编程内容的工作全部由人工完成。 对加工形状较简单的工件，其计算量小，程序短，手工编 程快捷、简便。对形状复杂的工件采用手工编程有一定的 难度，有时甚至无法实现。一般说来，由直线和圆弧组成 的工件轮廓采用手工编程，非圆曲线、列表曲线组成的轮 廓采用自动编程。 2.1.2.2 自动编程 自动编程就是利用计算机专用软件完成数控机床程序 编制工作。编程人员只需根据零件图样的要求，使用数控 语言，由计算机进行数值计算和工艺参数处理，自动生成 加工程序，再通过通讯方式传入数控机床。 2.1 2.1 数控编程概述数控编

44、程概述 2.1.3 2.1.3 程序格式程序格式 2.1.3.1 字符与代码 字符是用于组织、控制或表示数据的一些符号，进行 信息交换，数字、字母、标点符号、数学运算符都可以用 作字符，常规加工程序应用四种字符：英文字母、数字和 小数点、正负号、功能字符。 2.1.3.2 程序字（简称字或指令字） 字是一套可以作为一个信息单元进行存储、传递和操 作的有规定次序的字符，字符的个数即为字长。常规加工 程序中的字都是由英文字及随后的数字组成，这个英文字 称为地址符，地址符与后续数字之间可有正负号。如X30 Z15。 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 2.1.3.3 字的几种功能 （1）语句号

45、N （也称为程序段号）程序是一句一句编写 的，一句程序称为程序段。程序段号字用以识别每一程序 段，由地址码N和若干位数字组成。例如：N40表示该程序 段的语句号为40。 （2）准备功能字G（又称G功能、G指令，G代码） 顾名思 义，准备功能用来建立机床或数控系统工作方式的一种命 令，使数控机床做好某种操作准备，用地址码G和两位或 三位数字表示。需要指出的是不同生产厂家数控系统的G 指令的功能相差大，编程时必须遵照机床使用说明书进行。 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 G指令分为模态指令（续效指令）和非模态指令，非 模态指令只在本程序段中有效，模态指令可在连续几个程 序段中有效，直到被相

46、同组别的指令取代。指令表中标有 相同字母或数字的为一组。如G00、G01、G02、G03，其中 G00为非模态指令，其余为模态指令。 （3）尺寸字 表示由地址码、符号（、）、绝对 （或相对）数值组成。尺寸字的地址码有X、Y、Z、U、V、 W、P、Q、R、A、B、C、I、J、K、D、H等。例如：X15 Y- 20。其中“”可省略。 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 （4）进给功能字F 表示加工时的进给速度，单位由地址 码F和后面的若干位数字组成。 （5）主轴转速功能字S 表示数控机床主轴转速，单位由 地址码S和后面的若干位数字组成。 （6）刀具功能字T 表示由地址码T和后面的若干位数字

47、组成。数字表示刀号，数字位数由数控系统决定。 （7）辅助功能字M（又称M功能、M指令、M代码） 用来 控制机床辅助动作或系统的开关功能，由地址码M和后面 的两位数字组成。 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 2.1.3.4 程序段格式 零件的加工程序由若干个程序段组成。程序段格式是 指一个程序段中字、字符、数据的书写规则，目前使用最 多的是“字地址”程序段格式。 字地址程序段格式由程序段号字、数据字和程序段 结束组成。各字后有地址，字的排列顺序要求不严格,数 据的位数可多可少，不需要的字以及与上一程序段相同的 续效字可以不写。排列顺序如下： NG X U A Y V B Z W C FS

48、TMLF 例：N30 G01 X50 Z-20 F100 S400 T01 M03 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 该格式的优点是程序简短、直观、容易检查和修改。 需要说明的是数控加工程序内容、指令和程序段格式 虽然在国际上有很多标准，实际上并不是完全统一。所以 在编制加工程序前，必须详细了解机床数控系统的编程说 明书中的具体指令格式和编程方法。 2.1 2.1 数控编程概述数控编程概述 2.1.3.5 初识加工程序 加工程序可分为主程序和子程序。但不论是主程序还 是子程序，每一个程序都是由程序号、程序内容和程序结 束三部分组成。表21是SINUMERIK 802S数控车床的一个 加

49、工程序: 程序 说明 SK01.MPF N10 G54 G95 S500 M03 T01 N20 G00 X18 Z2 N30 G01 Z-15 F0.2 X24 Z-30 X26 N40 G00 X50 Z200 N50 M05 N60 M02 程序名 程序内容 程序结束 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2.1 2.2.1 坐标和运动方向命名的原则坐标和运动方向命名的原则 2.2.1.1 在数控机床中统一规定采用右手直角笛卡儿坐标轴 命名，如图2-2a）所示。图中大拇指的指向为X轴的

50、正方向， 食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z的正方向。 2.2.1.2 坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。 2.2.1.3 机床在加工过程中不论是刀具移动，还是被加工工 件移动，都一律假定被加工工件相对静止不动，而刀具在移 动，并规定刀具远离工件的运动方向为坐标轴的正方向。 2.2.1.4 旋转运动：在图2-2中，围绕X，Y，Z轴旋转的圆周 进给坐标轴分别用A，B，C表示，其正方向用右手螺旋法则确 定，以大姆指指向+X，+Y，+Z方向，则食指、中指等的指向 是圆周进给运动的+A，+B，+C，如图22c）所示。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2.2 2.2.2 坐

51、标运动的规定坐标运动的规定 2.2.2.1 Z坐标运动 Z坐标的运动由传递切削动力的主轴所决定： （1）与主轴轴线平行的标准坐标轴即为Z坐标。 如数控车 床、数控立式镗铣床等。 （2）若机床没有主轴（如数控刨床等），则Z坐标垂直于 工件主要装夹面。 （3）若机床有几个主轴，可选择一垂直于工件装夹面的主 要轴作为主轴，并以它确定Z标，如数控龙门铣床。 （4）Z坐标的正方向是增加刀具和工件之间距离的方向如 在钻镗加工中，钻入或镗入工件的方向是Z的负方向。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2.2.2 X坐标的运动 X坐标运动是水平的，它平行于工件装夹面，是刀具 或工件定位平面内运动

52、的主要坐标。 （1）在没有回转刀具和没有回转工件的机床上（如牛头 刨床）X坐标平行于主要切削方向，并且以该方向为正方 向。 （2）在有回转工件的机床上，如车床、磨床等，X坐标方 向是在工件径向，而且平行于横向滑座，对于安装在横向 滑座的主要刀架上的刀具，离开工件回转中心的方向是X 的正方向。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 （3）在有刀具回转的机床上（如铣床），若Z坐标是水平 的（主轴是卧式的），当由主要刀具主轴向工件看时，X 运动的正方向指向右方。如Z坐标是垂直的（主轴是立式 的），当由主要刀具主轴向立柱看时，X运动的正方向指 向右方。 2.2.2.3 Y坐标的运动：正向Y坐标

53、的运动，根据X和Z的运 动，按照右手笛卡儿坐标系来确定。 2.2.2.4 机床坐标系的原点：机床坐标系的原点位置是任 意选择的，由生产厂家调定的。A，B，C的运动原点（0 的位置）也是任意的，但A，B，C原点的位置最好选择为 与Y，Z，X坐标平行。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2.2.5 附加坐标 如果在X，Y，Z主要直线运动之外另有第二组平行与 它们的坐标运动，就称为附加坐标。它们分别被规定为U， V和W，如图22a）所示。 如果在第一组回转运动A，B，C之外，还有平行或不 平行于A，B，C的第二组回转运动，可指定为D，E或F。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐

54、标系 2.2.2.6 工件的运动：对于移动部分是工件而不是刀具 的机床，必须将前面所介绍的移动部分是刀具的各项规定， 在理论上作相反的安排。若用+X，+Y、+Z表示刀具相对于 工件正向运动的指令，则如果是工件移动则用加“”的 字母表示，按相对运动的关系，工件运动的正方向恰好与 刀具运动的正方向相反，即有： +X =-X, +Y =-Y, +Z =-Z +A =-A, +B =-B, +C =-C 同样两者运动的负方向也彼此相反, 如图22d）所示。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2.3 2.2.3 机床坐标系、机床原点和机床参考点机床坐标系、机床原点和机床参考点 2.2.3

55、.1 机床坐标系 机床坐标系是机床上固定有的坐标系，并设有固定的 坐标原点，就是机床原点，又称机械原点，即x=0、y=0、 z=0的点。对某一具体机床来说，在经过设计、制造和调 整后，这个原点便被确定下来，它是机床上固定的点。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2.3.2 机床参考点 为了正确地建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移 动范围内设置一个机床参考点作为测量起点，它是机床坐 标系中一个固定不变的极限点，其固定位置由各轴向的机 械挡块来确定。一般数控机床开机后，通常要进行机动或 手动回参考点以建立机床坐标系。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 机床参考点可以与

56、机床零点重合也可以不重合，通过 参数指定机床参考点到机床零点的距离。 机床回到了参考点位置也就知道了该坐标轴的零点位 置，找到所有坐标轴的参考点，机床坐标系就建立起来了。 机床参考点在数控机床出厂时，就已经调好并记录在 机床使用说明书中供用户编程使用，一般情况下，不允许 随意变动。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2.3.3 工件坐标系与原点 工件坐标系是编程人员在编程时使用的，编程人员选 择工件上的某一已知点为原点（也称工件原点、程序原 点），建立一个新的坐标系，称为工件坐标系。工件坐标 系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。 工件坐标系的原点是人为设定的，设定

57、的依据是要尽 量满足编程简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等条件。 一般情况下，程序原点应选在尺寸标注的基准或定位基准 上。对称零件或以同心圆为主的零件，编程原点应选在对 称中心线或圆心上；Z 轴的程序原点通常选在工件的表面。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2.4 2.2.4 数控车床坐标系数控车床坐标系 2.2.4.1 数控车床坐标系 数控车床坐标系如图2-3所示，Z轴与车床导轨平行 （取卡盘中心线），正方向是远离车床卡盘的方向，X轴 与Z轴垂直，平行于横向滑座，正方向是刀具远离主轴轴 线的方向，坐标原点0定在卡盘后端面与中心线交点处。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控

58、机床坐标系 a） 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 数控车床坐标系的表示形式如图2-4所示，机床原点 为主轴轴线与卡盘后端面的交点，如图24中的o点 。机 床参考点为刀具退离到一个固定不变的极限点，如图24 中的o点，其位置由机械挡铁或行程开关确定。 2.2 2.2 数控机床坐标系数控机床坐标系 2.2.4.2 工件坐标系和工件原点 工件坐标系原点可选在工件轴线与工件的前端面、后 端面、卡爪前端面的交点上。为方便编程，数控车床的工 件原点一般建立在工件设计基准上，工件直径方向为x轴 方向，工件轴线方向为z轴方向，如图25所示。 2.2.4.3 起刀点和换刀点的确定 起刀点是指在数控

59、机床上加工工件时，刀具相对于工 件运动的起始点。起刀点应选择在不妨碍工件装夹、不会 与夹具相碰及编程简单的地方。对于数控车床一般选在靠 近参考点附近。 数控车床在加工时常需换刀，故编程时还要设置一个 换刀点。换刀点应设在工件的外部，避免换刀时碰伤工件。 一般换刀点选择在第一个程序的起刀点或机床参考点上。 2.3 2.3 数控车床编程特点数控车床编程特点 2.3.1 2.3.1 尺寸字选用灵活尺寸字选用灵活 在一个程序中，根据被加工零件的图样标注尺寸，从 方便编程的角度出发，可采用绝对尺寸编程、增量尺寸编 程，也可以采用绝对、增量尺寸混合编程。 2.3.2 2.3.2 重复循环切削功能重复循环切

60、削功能 由于车削加工常用圆棒料或锻料作毛坯，加工余量较 大，要加工到图样标注尺寸，需要一层层切削，如果每层 加工都编写程序，编程工作量将大大增加。为简化编程， 数控系统有不同形式的循环功能，可进行多次重复循环切 削。 2.3 2.3 数控车床编程特点数控车床编程特点 2.3.3 2.3.3 直接按工件轮廓编程直接按工件轮廓编程 对于刀具位置的变化、刀具几何形状的变化及刀尖圆弧 半径的变化，都无需更改加工程序，编程人员可以按照工件 的实际轮廓尺寸进行编程。数控系统具有的刀具补偿功能使 编程人员只要将有关参数输入到存储器中，数控系统就能自 动进行刀具补偿。这样安装在刀架上不同位置的刀具，虽然 在装