B第4章 数控加工技术基础

1、15:091第第4章章 数控加工技术基础数控加工技术基础15:092 4.1 4.1 数控机床组成和工作原理数控机床组成和工作原理 4.1.14.1.1数控技术的基本概念数控技术的基本概念15:09315:094控制介质控制介质输入输出装置输入输出装置数控装置数控装置CNC伺服驱动及伺服驱动及位置检测位置检测电控制装置电控制装置辅助控制及强辅助控制及强机床机床主运动机构主运动机构进给运动机构进给运动机构辅助动作机辅助动作机构构4.1.2 数控机床的组成和作用数控机床的组成和作用1.数控机床的组成数控机床的组成15:095 1 1、数控程序及控制介质、数控程序及控制介质 数控程序数控程序是数控机

2、床自动加工零件的工作指令。即把加工零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，按规定的方法、格式和代码，所编制的程序。 控制介质控制介质是记录零件加工程序的媒介。 常用的控制介质：穿孔纸带、盒式磁带、硬盘、软盘、穿孔纸带、盒式磁带、硬盘、软盘、U U盘盘15:0962、输入输出装置、输入输出装置 输入输出设备输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互的装置，交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的零件加工程序输入CNC装置或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。15:0971.1. 键盘输入键盘输入2.2. 对于盒式磁带，配用录放机对于盒式磁带，配用录放机3.3.纸

3、带输入（穿孔纸带）纸带输入（穿孔纸带）4.4.磁盘输入（硬盘、软盘、磁盘输入（硬盘、软盘、U U盘）盘）5.5.网络通讯网络通讯(RS232(RS232、DNCDNC、TCP/IPTCP/IP）15:09815:099 3. CNC装置装置(CNC单元单元) 15:0910 4、伺服驱动系统及位置检测装置、伺服驱动系统及位置检测装置 数控机床的动力装置数控机床的动力装置 （1）伺服驱动系统）伺服驱动系统 伺服驱动系统伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给并与机床的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给

4、系统。系统。 主轴伺服驱动系统用于控制机床主轴的旋转运动，并为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。15:0911 进给伺服驱动装置和进给电机其功能是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作台或移动刀架的运动，使其按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件。脉冲当量（mm/P）：数控装置输出一个脉冲信号（一个移位节拍指令）使机床工作台移动的位移量。衡量数控机床精度的重要参数，其值越小，加工精度越高。15:0912 （2）作用作用 1.1.接受数控装置的输出接受数控装置的输出 2.2.驱动与放大驱动与放大 3.3.实现实现电电机机转换转换（3）15:0913（4）检测装置检测装置 位

5、置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。15:09145.辅助控制装置辅助控制装置 PLC PLC (Programmable Logic Controller)：用于控制机床顺序动作，完成与逻辑运算有关的开关量I/O控制，它由硬件和软件组成； 机床机床I/OI/O电路和装置：电路和装置：实现开关量I/O控制的执行部件，即由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等电器组成的逻辑电路；15:091515:09166.机床机床（1）主运动部件（2）进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）导轨 滚珠丝杠副（3）支承件（立柱、床身等）（4）特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统）换刀 装

6、刀卸刀（5）辅助装置（如排屑装置等）。内滚道外滚道( )( )15:091715:09184.1.3 数控机床的工作原理数控机床的工作原理加工图纸加工图纸程序程序编制编制输入输入装置装置数控数控装置装置CNCCNC伺服伺服驱动驱动辅助辅助装置装置机床机床主运动主运动进给运动进给运动辅助动作辅助动作加工零件加工零件15:09194.1.4 数控机床的分类数控机床的分类15:09201. 按加工工艺类型的分类按加工工艺类型的分类 （1） 普通数控机床普通数控机床 这类数控机床和传统的通用机床一样，有车、这类数控机床和传统的通用机床一样，有车、铣铣 、钻、镗、磨床等，与通用机床不同的是他能、钻、镗、

7、磨床等，与通用机床不同的是他能加工具有复杂形状的零件。加工具有复杂形状的零件。15:092115:092215:0923 （2） 数控加工中心数控加工中心 （3） 金属成型类数控机床金属成型类数控机床 这是一种在普通数控机床上加装一个刀具库这是一种在普通数控机床上加装一个刀具库和自动换刀装置而构成的数控机床。和自动换刀装置而构成的数控机床。 数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机。数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机。 （4） 数控特种加工机床数控特种加工机床 数控线切割机床、数控电火花加工机床、数数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床。控激光切割机床。15:092415:

8、0925数控弯管机数控弯管机数控卷簧机数控卷簧机15:09262. 按机床运动轨迹分类按机床运动轨迹分类 （1）点位控制数控机床）点位控制数控机床点位控制钻孔加工示意图点位控制钻孔加工示意图工件工件刀具刀具15:0927（2）直线控制数控机床）直线控制数控机床 除点到点的准确位置之外，还要保证两点之除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进间移动的轨迹是直线，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。行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。 简易数控车床、数控镗铣床，一般有简易数控车床、数控镗铣床，一般有2 2 3 3个可个可控坐标

9、轴，但同时控制的坐标轴只有一个。控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。直线控制切削加工直线控制切削加工15:0928 （3） 轮廓控制的数控机床轮廓控制的数控机床 能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速能够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，因而可进行曲线或曲面度进行连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面的加工。的加工。2轴控制，同时控制两个坐标轴控制，同时控制两个坐标15:0929 3轴联动，轴联动，(3轴控制轴控制)4轴控制轴控制多轴联动数控加工的原理图多轴联动数控加工的原理图 5轴联动加工轴联动加工 5轴联动加工轴联动加工15:09303.按伺服系统分类按伺服系统分类（

10、1） 开环伺服数控机床开环伺服数控机床15:0931 特点：没有位置测量装置，信号流是单向的，故系统稳定性好。无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。15:09322. 闭环控制数控机床闭环控制数控机床15:0933特点： 全闭环数控系统直接对运动部件的实际位置进行检测。具有很高的位置控制精度。但很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。15:0934 3. 半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床 15:0935特点：半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动

11、部件的实际位置。可获得稳定的控制性能，其精度较闭环差，较开环好。15:09364. 按用数控装置的类型分类按用数控装置的类型分类 （1）硬件式数控机床（）硬件式数控机床（NC） （2）软件式数控机床）软件式数控机床 （CNC）使用硬件式数控装置。改变或增、减控制、使用硬件式数控装置。改变或增、减控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件电运算功能时，需要改变数控装置的硬件电路。通用性、灵活性差，制造周期长，成路。通用性、灵活性差，制造周期长，成本高。本高。使用计算机数控装置。主要功能由系统使用计算机数控装置。主要功能由系统软件来完成。无需改变系统硬件，只需软件来完成。无需改变系统硬件，只需改变系

12、统软件，即可改变系统功能。改变系统软件，即可改变系统功能。15:09375. 按数控装置的功能水平分类按数控装置的功能水平分类可以根据一些功能和指标将数控机床分可以根据一些功能和指标将数控机床分为低、中、高档三类。其中中、高档称为低、中、高档三类。其中中、高档称为为全功能数控全功能数控或标准数控。或标准数控。经济型数控经济型数控属于低档数控，由单板机、单片机和步属于低档数控，由单板机、单片机和步进电机组成数控系统，功能简单，价格进电机组成数控系统，功能简单，价格低。低。15:09384.1.5 几种典型数控系统的功能与特点几种典型数控系统的功能与特点 1日本日本FANUC公司的公司的CNC装置

13、装置 FANUCFANUC生产的生产的CNCCNC装置有装置有F5F5、 F7F7、 F6F6、 F3F3、 F9F9、 F10/11/12F10/11/12、 F0F0、 F15F15、F16F16、F18F18等系列。等系列。F0 MateF0 Mate为为F0F0系列的派生产品。它与系列的派生产品。它与F0F0系列比较，是功系列比较，是功能简单、结构更为紧凑的经济型能简单、结构更为紧凑的经济型CNCCNC装置。装置。F00/100/110/120/150F00/100/110/120/150系列是在系列是在F0/10/11/12/15F0/10/11/12/15系列的系列的基础上加了基础

14、上加了MMCMMC（Man Machine ControllerMan Machine Controller）功能）功能。 15:09392德国德国SIEMENS公司的公司的CNC装置装置 SIEMENS CNCSIEMENS CNC装置有装置有SINUMERIK3SINUMERIK3、8 8、810810、820820、850850、880880系列。其中系列。其中SINUMERIK810SINUMERIK810和和820820在体系结构和在体系结构和功能上相近，功能上相近，SINUMERIK850SINUMERIK850和和880880也在体系结构和功能也在体系结构和功能上也相近。因此将西

15、门子的上也相近。因此将西门子的CNCCNC装置归结为装置归结为4 4种：种：SINUMERIK3SINUMERIK3、SINUMERIK8SINUMERIK8、SINUMERIK810/820SINUMERIK810/820和和SINUMERIK850/880SINUMERIK850/880。 15:09403美国美国AB公司公司CNC装置装置A AB B公司的公司的CNCCNC装置有装置有82008200系列、系列、84008400系列和系列和86008600系列。系列。-CINCINATI-CINCINATI4北京数控设备厂（北京数控设备厂（BESK）CNC装置装置 北京数控设备厂生产的北

16、京数控设备厂生产的CNCCNC产品有三类：一类是从产品有三类：一类是从FANUCFANUC公司引进的产品，有公司引进的产品，有FANUCFANUCBESK3BESK3系列、系列、FANUCFANUCBESK6EBESK6E系系列。还有一类与列。还有一类与FANUCFANUC公司合作生产的产品公司合作生产的产品FANUCFANUCBESK O BESK O Mate EMate E系列。还有一类是自行开发的产品，有系列。还有一类是自行开发的产品，有BS02BS02系列、系列、BS03CBS03C系列、系列、BS04BS04系列、系列、BS06BS06系列和系列和BS07BS07系列。系列。 15

17、:09414.1.6 数控机床的产生和发展数控机床的产生和发展15:094215:094315:094415:094515:094615:094715:094815:094915:095015:095115:09524.并联机构机床及其控制并联机构机床及其控制15:095315:09544.1.7 数控机床的性能指标数控机床的性能指标15:0955p 定位精度定位精度 指数控机床工作台等移动部件所达到的实际位置的精指数控机床工作台等移动部件所达到的实际位置的精度。实际运动位置和指令位置之间的差值为度。实际运动位置和指令位置之间的差值为定位误差定位误差。一般数控机床的定位精度为一般数控机床的定位

18、精度为0.01mm0.01mm。 p 重复定位精度重复定位精度 指在相同的操作方法和条件下，重复进行同一动作时，指在相同的操作方法和条件下，重复进行同一动作时，得到结果的得到结果的一致程度一致程度。一般数控机床的重复定位精度为。一般数控机床的重复定位精度为0.005mm0.005mm。 p 最高转速和最大加速度最高转速和最大加速度p 最高快移速度和最高进给速度最高快移速度和最高进给速度p 刀具系统刀具系统15:09564.1.8数控机床的特点加工的对象数控机床的特点加工的对象15:095715:09584.2.1 数控编程的基本概念数控编程的基本概念 4.2 数控机床的编程基础数控机床的编程基

19、础 1. 数控编程的定义数控编程的定义从零件图纸到编制零件加工程序和制作控制介从零件图纸到编制零件加工程序和制作控制介质的全部过程，称为质的全部过程，称为数控编程。数控编程。 15:09592.数控编程的内容数控编程的内容 将零件的加工信息：加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数(F、S、T)及辅助动作（变速、换刀、冷却液启停、工件夹紧松开等）等，用规定的文字、数字、符号组成的代码按一定的格式编写加工程序单，并将程序单的信息变成控制介质的整个过程。15:09604.2.2 数控加工工艺基础数控加工工艺基础一、数控加工工序的划分原则一、数控加工工序的划分原则1.1.先面后孔的原则；先面后孔的原则；

20、 2.2.刀具集中的原则；刀具集中的原则； 3.3.粗、精分开的原则；粗、精分开的原则； 4.4.按部位分序的原则。按部位分序的原则。二、走刀路线的选择二、走刀路线的选择 走刀路线是指数控加工过程中刀具参考点相对于被加走刀路线是指数控加工过程中刀具参考点相对于被加工工件的运动轨迹。工工件的运动轨迹。15:09611.轮廓铣削加工路线的分析轮廓铣削加工路线的分析15:09622.曲面的加工路线的分析曲面的加工路线的分析15:09633.孔系加工的路线孔系加工的路线15:09644.走刀路线的选择原则：走刀路线的选择原则： 保证零件的加工精度和表面租糙度；保证零件的加工精度和表面租糙度； 方便数值

21、计算，减少编程工作量；方便数值计算，减少编程工作量； 缩短走刀路线，减少空行程。缩短走刀路线，减少空行程。15:09651.机床坐标系机床坐标系 机床坐标系机床坐标系是指用于确定机床的运动方向和移动距是指用于确定机床的运动方向和移动距离的坐标系。离的坐标系。4.2.3 机床坐标系机床坐标系 标准的标准的数控机床坐标系是一个右手笛卡尔直角坐标数控机床坐标系是一个右手笛卡尔直角坐标系，其基本坐标轴为系，其基本坐标轴为X X、Y Y、Z Z直角坐标，相对于每个坐直角坐标，相对于每个坐标轴的旋转运动坐标为标轴的旋转运动坐标为A A、B B、C C。15:0966右手笛卡尔直角坐标系右手笛卡尔直角坐标系

22、+X 、+Y 、+Z 表示工件表示工件的正移动方向的正移动方向。15:0967ISO标准的有关规定 不论数控机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是刀具静止、工件运动，都假定工件不动，刀具相对于静止的工件运动。 机床坐标系X、Y、Z轴的判定顺序为：先Z轴，再X轴，最后按右手定则判定Y轴。 增大刀具与工件之间距离的方向为坐标轴运动的正方向。15:09681. 坐标轴的确定坐标轴的确定15:0969卧式数控车床卧式数控车床15:097015:097115:0972 2机床原点机床原点 机床原点也称为机床零点，它的位置通常由机床制造厂确定。在机床经过设计、制造和调整之后，这个原点便被确定下来，它是固

23、定的点。 （1）数控车床的机床原点多定在主轴旋转中主轴旋转中心与卡盘后端面的交点上心与卡盘后端面的交点上。 （2）数控铣床的机床原点多定在进给行程范围的正极限点处，但也有的设置在机床工作台中心，使用前可查阅机床用户手册。15:097315:097415:0975 数控装置上电时并不知道机床原点，为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点（测量起点），机床起动时，通常要进行机动或手动回参考点，以建立机床坐标系。通过参数指定机床参考点到机床原点的距离。 每次开机启动后，或当机床因意外断电、紧急制动等原因停机而重新启动时，都应该先让各轴返回参考点，进行一次位

24、置校准，以消除上次运动所带来的位置误差。 3参考点参考点15:097615:09774.2.4 工件坐标系工件坐标系 编程坐标系编程坐标系是编程人员是编程人员在对零件图形进行编程计算时，必须要建立用于编程的坐标系，其坐标原点即为程序原点。编程尺寸都按编程坐标系中的尺寸确定。编程编程尺寸都按编程坐标系中的尺寸确定。编程坐标系的各坐标轴与机床坐标系相应的坐标轴平行。坐标系的各坐标轴与机床坐标系相应的坐标轴平行。 要把程序应用到机床上，程序原点应该放在工件毛坯的什么位置，其在机床坐标系中的坐标是多少，这些都必须让机床的数控系统知道，这一操作就是对刀。 编程坐标系在机床上就表现为工件坐标系，坐标原点就

25、称之为工件原点。15:0978工件原点选择的原则：工件原点选择的原则：（1）工件原点选在工件图纸的尺寸基准上工件原点选在工件图纸的尺寸基准上。这样可以。这样可以直接用图纸标注的尺寸，作为编程点的坐标值，减少直接用图纸标注的尺寸，作为编程点的坐标值，减少数据换算的工作量。数据换算的工作量。（2）能使工件方便地装卡、测量和检验能使工件方便地装卡、测量和检验。 （3）工件原点尽量选在尺寸精度高、粗糙度较细的工件原点尽量选在尺寸精度高、粗糙度较细的工件表面上。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）对于有对称形状的几何零件，工件零件最好选在对于有对称形状的几何零件，工件零件

26、最好选在对称中心上。对称中心上。15:0979对刀点对刀点 机床零点机床零点对刀点对刀点工作零点工作零点y0 x0 x1y1换刀点换刀点x2y2对刀点的坐标值对刀点的坐标值xy15:0980换刀点换刀点 一把刀具用完后，为防止刀具与工件相碰，刀具一把刀具用完后，为防止刀具与工件相碰，刀具要先到工件之外，再进行换刀这个位置就叫换刀点。要先到工件之外，再进行换刀这个位置就叫换刀点。 对刀点的选择原则：对刀点的选择原则： 对刀点应便于数学处理和程序编制；对刀点应便于数学处理和程序编制； 对刀点在机床上容易校准；对刀点在机床上容易校准； 在加工过程中便于检查；在加工过程中便于检查； 引起的加工误差小。

27、引起的加工误差小。 对刀点可以设置在零件、夹具上面或机床上面。对刀点可以设置在零件、夹具上面或机床上面。换刀点应根据工序内容的安排。为了防止换刀时刀具碰伤换刀点应根据工序内容的安排。为了防止换刀时刀具碰伤工件，换刀点往往设在零件的外面。工件，换刀点往往设在零件的外面。15:0981机床机床原点原点工件工件原点原点机床参机床参考点考点编程编程原点原点数控车床坐标系及相关点的关系数控车床坐标系及相关点的关系15:098215:0983输输入入输输出出处处理理控控制制位置控制位置控制程序输入程序输入译译 码码插插 补补显显示示诊诊断断数据处理数据处理15:098415:098515:0986刀具半径

28、、长度补偿是把零件刀具半径、长度补偿是把零件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹，轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹，编程员只需按零件轮廓轨迹编编程员只需按零件轮廓轨迹编程，减轻了工作量。程，减轻了工作量。速度计算是解决该加工程序段速度计算是解决该加工程序段以什么样的速度运动的问题。以什么样的速度运动的问题。编程所给的进给速度是合成速编程所给的进给速度是合成速度，速度计算是根据合成速度度，速度计算是根据合成速度来计算各坐标运动方向的分速来计算各坐标运动方向的分速度。另外对机床允许的最低速度。另外对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判断度和最高速度的限制进行判断并处理。并处理。辅助功能诸如换刀、主轴启停、辅助

29、功能诸如换刀、主轴启停、切削液开关等一些开关量信号也切削液开关等一些开关量信号也在此程序中处理。辅助功能处理在此程序中处理。辅助功能处理的主要工作是识别标志，在程序的主要工作是识别标志，在程序执行时发出信号，让机床相应部执行时发出信号，让机床相应部件执行这些动作。件执行这些动作。15:098715:098815:098915:099015:0991插补插补: :是指在轮廓控制系统中，根据给定的进给速度和是指在轮廓控制系统中，根据给定的进给速度和轮廓线形的要求，在已知数据点之间插入中间点的方轮廓线形的要求，在已知数据点之间插入中间点的方法，这种方法称为插补方法。每种方法又可能用不同法，这种方法称

30、为插补方法。每种方法又可能用不同的计算方法来实现，这种具体的计算方法称之为插补的计算方法来实现，这种具体的计算方法称之为插补算法。插补的实质就是数据点的密化。算法。插补的实质就是数据点的密化。15:099215:099315:099415:099515:099615:099715:099815:09990eiieyxyx0eiieyxyxeeiixyxy0eiieyxyxeeiixyxyeiieiyxyxFeeiixyxy 点在直线下方点在直线下方点在直线上方点在直线上方点在直线上点在直线上00015:091000iF0iF0iF1iF1iFeiieyxyx) 1(eeiieyyxyxeiyF

31、 eiieyxyx) 1(eeiiexyxyxeixF 15:091010iF0iFeiiyFF1eiixFF11终EEieiieiyxyxFx y 15:09102YYX(5,3)O15:09103终点判别 结束 Y N 偏差判别 开始 坐标进给偏差计算 一般来说，逐点比较法插补过程可按以下四个步骤进行：逐点比较法工作循环图15:091040)()(202202 yyxxji0)()(202202 yyxxji202022yxyxji 0)()(202202 yyxxji202022yxyxji )()(202202yyxxFjiij 202022yxyxji 点点在在圆圆弧弧内内点点在在圆圆弧弧外外点点在在圆圆弧弧上上00015:09105 jiF, 1 1, jiF11 iixx11 jjyyjjyy iixx 0 ijF0 ijF0 ijF 20