第一章数控加工实用基础

1、第一章 数控加工实用基础【教学目标】 通过本章节的理论教学：了解数控技术的发展过程及其发展趋势；掌握数控机床的组成、工作原理、分类及特点；数控机床的适用范围；数控编程基础；数控加工的工艺处理；数控加工的工艺指令和工艺文件。【教学重点】 数控机床及其坐标系统；数控编程基础；数控加工的工艺处理。【教学难点】 数控机床的组成、工作原理；数控机床坐标系统及工处理。1.1 数控加工概述1.1.1 数控加工原理和特点 1数控加工原理图1-1 数控加工原理框图从图1-1可以看出，数控加工过程总体上可分为数控程序编制和机床加工控制两大部分2数控加工的特点(1) 自动化程度高，具有很高的生产效率。(2) 对加工

2、对象的适应性强。(3) 加工精度高，质量稳定。(4) 易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。1.1.2 数控加工常用术语 1坐标联动加工坐标联动加工是指数控机床的几个坐标轴能够同时进行移动，从而获得平面直线、平面圆弧、空间直线和空间螺旋线等复杂加工轨迹的能力(如图1-3所示)。2脉冲当量、进给速度与速度修调单位脉冲作用下工作台移动的距离就称之为脉冲当量。手动操作时数控坐标轴的移动通常是采用按键触发或采用手摇脉冲发生器(手轮方式)产生脉冲的，采用倍频技术可以使触发一次的移动量分别为0.001 mm、0.01 mm、0.1 mm、1 mm等多种控制方式，相当于触发一次分别产生1、10、100

3、、1000个脉冲。 3插补与刀补数控加工直线或圆弧轨迹时，程序中只提供线段的两端点坐标等基本数据，为了控制刀具相对于工件走在这些轨迹上，就必须在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以填补确定一些中间点，如图1-4(a)、(b)所示，各轴就以趋近这些点为目标实施配合移动，这就称之为插补。这种计算插补点的运算称为插补运算。刀补是指数控加工中的刀具半径补偿和刀具长度补偿功能。图1-4 插补和刀补(a) 直线插补；(b) 圆弧插补；(c) 刀具半径补偿1.1.3 数控加工技术的发展 1数控加工技术的发展历程2数控加工技术的发展方向1) 高速切削2) 高精度控制3

4、) 高柔性化 4) 高一体化5) 网络化6) 智能化1.2 数控系统控制原理1.2.1 CNC硬件组成与控制原理CNC即计算机数控系统(Computerized Numerical Control)的缩写，它是在硬线数控(NC)系统的基础上发展起来的，由一台计算机完成早期NC机床数控装置的所有功能，并用存储器实现了零件加工程序的存储。图1-5 CNC系统构成图1-6是典型的微处理器数控系统框图。其各组成部分功用如下所述： (1) 微处理器CPU及其总线。(2) 存储器。 (3) MDI/CRT接口。(4) 输入装置(纸带读入和穿孔输出接口)。(5) 数据输入/输出(I/O)接口。(6) 位置控

5、制及主轴控制。(7) 可编程控制器(PLC)接口。1.2.2 CNC系统的软件结构CNC系统软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，也叫控制软件，存放在计算机EPROM中。1输入数据处理程序(1) 输入程序。(2) 译码程序。(3) 数据处理程序。2插补计算程序3速度控制程序4管理程序5诊断程序1.2.3 插补原理插补运算可有硬件插补(插补器)和软件插补两种实现方式。而按插补计算方法又可细分为逐点比较法、数字积分法、时间分割法和样条插补法等多种。图1-7 逐点比较插补法及其工作节拍1.2.4 典型数控系统1日本FANUC系列数控系统2德国SIEMENS公司的SINUMERIK系列数控系

6、统3华中数控系统HNC1.3 数控机床及其坐标系统1.3.1 数控机床及其分类1按加工工艺方法分类按传统的加工工艺方法来分有：数控车床、数控钻床、数控镗床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床、数控冲床、数控折弯机、数控电加工机床、数控激光与火焰切割机和加工中心等。2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。图1-8 按加工控制路线分类(a) 点位控制；(b) 直线控制；(c) 轮廓控制3按机床所用进给伺服系统不同分类 有开环伺服系统型、闭环伺服系统型和半闭环伺服系统型，见1.3.2节。4按所用数控装置的不同分类 有NC硬线数控和CNC软线数控机床。5按控制坐标轴数目分类

7、 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。1.3.2 数控机床的进给伺服系统1开环伺服系统图1-9 开环伺服系统2半闭环伺服系统图1-10 半闭环伺服系统3闭环伺服系统图1-11 闭环伺服系统1.3.3 数控机床的主轴驱动1对主轴驱动的要求(1) 数控机床主传动要有较宽的调速范围并尽可能实现无级变速。(2) 较高的回转精度和良好的动态响应性能。(3) 有旋转进给轴(C轴)的控制功能。(4) 具有恒线速切削功能。(5) 主轴准停控制功能。2主轴调速与驱动数控机床的主轴驱动主要有以下四种配置方式。(1) 带有变速齿轮的主传动，如

8、图1-12(a)所示。(2) 通过带传动的主传动，如图1-12(b)所示。(3) 用两个电动机分别驱动主轴，如图1-12(c)所示。(4) 内装电动机主轴传动结构，如图1-12(d)所示。3主轴准停装置图1-13 主轴准停装置1.3.4 数控机床的坐标轴与运动方向 (1) 先确定Z轴。(2) 再确定X轴。(3) 最后确定Y轴。1.3.5 机床原点、参考点和工件原点 机床原点就是机床坐标系的原点。它是机床上的一个固定的点，由制造厂家确定。机床坐标系是通过回参考点操作来确立的，参考点是确立机床坐标系的参照点。参考点(或机床原点)是用于对机床工作台(或滑板)与刀具相对运动的测量系统进行定标与控制的点

9、，一般都是设定在各轴正向行程极限点的位置上。编程坐标系在机床上就表现为工件坐标系，坐标原点就称之为工件原点。工件原点一般按如下原则选取：(1) 工件原点应选在工件图样的尺寸基准上。(2) 能使工件方便地装夹、测量和检验。(3) 尽量选在尺寸精度、光洁度比较高的工件表面上，这样可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。(4) 对于有对称几何形状的零件，工件原点最好选在对称中心点上。1.3.6 绝对坐标编程和相对坐标编程当运动轨迹的终点坐标是相对于线段的起点来计量的话，称之为相对坐标或增量坐标表达方式。若按这种方式进行编程，则称之为相对坐标编程。当所有坐标点的坐标值均从某一固定的坐标原点计量的话

10、，就称之为绝对坐标表达方式，按这种方式进行编程即为绝对坐标编程。1.4 数控编程基础1.4.1 数控加工程序的格式1.4.1 数控加工程序的格式 数控程序按程序段(行)的表达形式可分为固定顺序格式、表格顺序格式和地址数字格式三种。固定顺序格式属于早期采用的数控程序格式，因其可读性差、编程不直观等原因，现已基本不用。表格顺序格式程序的每个程序行都具有统一的格式，加工用数据间用固定的分隔符分隔，其编程工作类似于填表。地址数字格式程序是目前国际上较为通用的一种程序格式。其组成程序的最基本的单位称之为“字”，每个字由地址字符(英文字母)加上带符号的数字组成。各种指令字组合而成的一行即为程序段，整个程序

11、则由多个程序段组成。即：字母+符号+数字指令字程序段程序。1.4.2 程序编制的过程及方法1程序编制过程(1) 分析零件图纸。(2) 确定工艺过程。(3) 数值计算。(4) 编写程序单。(5) 制备控制介质。(6) 程序调试和检验。2程序编制方法数控程序的编制方法有手工编程和自动编程两种。1.4.3 程序传送的载体1穿孔纸带穿孔纸带是早期数控机床上常用的控制介质。2数据磁带3软磁盘或联机控制4MDI手动输入1.5 数控加工的工艺处理数控加工工艺处理的主要内容有：(1) 选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。(2) 分析被加工零件图样，明确加工内容和技术要求，在此基础上确定零件的加工方案

12、，制定数控加工工艺路线，如工序的划分、加工顺序的安排与传统加工工序的衔接等。(3) 设计数控加工工序。(4) 调整数控加工工序的程序。(5) 分配数控加工中的容差。1.5.1 数控加工零件及加工方法的选定(1) 多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件，短期急需的零件。(2) 轮廓形状复杂，对加工精度要求较高的零件。(3) 用普通机床加工较困难或无法加工(需昂贵的工艺装备)的零件。(4) 价值昂贵，加工中不允许报废的关键零件。1.5.2 加工工序的划分1按零件装夹定位方式与加工部位划分2按粗、精加工方式划分3按所用刀具划分工序1.5.3 工件的安装与夹具的选择1定位装夹的基本原则(1) 力

13、求设计、工艺与编程计算的基准统一。(2) 尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。(3) 避免采用占机人工调整式加工方案，以充分发挥数控机床的效能。2选择夹具的基本原则(1) 当零件加工批量不大时，应尽量采用组合夹具、可调式夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间，节省生产费用。(2) 零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时间。(2) 夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工。1.5.4 对刀点与换刀点的确定在进行数控加工编程时，往往是将整个刀具浓缩视为一个点，那就是“刀位点”。它是在刀具上用于表现刀具位置的参照点。对刀操作就是要测定出在程序起点处刀具刀位点

14、(即对刀点，也称起刀点)相对于机床原点以及工件原点的坐标位置。图1-23 对刀点与换刀点1.5.5 加工路线的确定加工路线是指刀具刀位点相对于工件运动的轨迹和方向。(1) 加工方式、路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度。如铣削轮廓时，应尽量采用顺铣方式，可减少机床的“颤振”，提高加工质量。 (2) 尽量减少进、退刀时间和其他辅助时间，尽量使加工路线最短。(3) 进、退刀位置应选在不大重要的位置，并且使刀具尽量沿切线方向进、退刀，避免采用法向进、退刀和进给中途停顿而产生刀痕。 图1-24 点位加工路线图1-26 切入和切出对于槽形铣削，若为通槽，可采用行切法来回铣切，走刀换向在工件外部进行，如

15、图1-27(a)所示。图1-27 铣槽方案1.5.6 刀具与切削用量的选择1 刀具的选择2切削用量的确定切削用量包括主轴转速(切削速度)、背吃刀量和进给量。对于不同的加工方法，需要选择不同的切削用量，并应编入程序单内。(1) 背吃刀量阿ap (mm)，亦称切削深度。主要根据机床、夹具、刀具和工件的刚度来决定。(2) 主轴转速n(r/min)主要根据允许的切削速度nc(m/min)选取。 (3) 进给量(进给速度)f(mm/min或mm/r)是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件材料性质选取。1.6 数控加工的工艺指令和工艺文件1.6.1 程序中常用

16、的工艺指令1准备功能G指令2辅助功能M指令M指令也是由字母M和两位数字组成。该指令与控制系统插补器运算无关，一般书写在程序段的后面，是加工过程中对一些辅助器件进行操作控制用的工艺性指令。3F、S、T指令F指令为进给速度指令，是表示刀具向工件进给的相对速度，单位一般为mm/min，当进给速度与主轴转速有关(如车螺纹)时，单位为mm/r。进给速度一般有两种表示方法。代码法和直接指定法。1.6.2 数控加工的工艺文件数控加工工艺文件既是数控加工、产品验收的依据，又是操作者要遵守、执行的规程，同时还为产品零件重复生产作了技术上的必要工艺资料积累和储备。1数控加工工件安装和零点设定卡片它应表示出数控加工零件定位方法