现代数控加工工艺与装备第1章

数控加工工艺与装备1、理解数控加工工艺系统、数控技术、数控机床的概念2、熟悉数控加工过程及数控加工原理3、掌握数控加工工艺特点和数控加工的主要内容4、掌握数控机床的组成与分类；数控机床的主要性能指标及应用范围5、了解数控加工与工艺技术的新发展学习目的第1章数控加工工艺系统1.1数控加工工艺系统概述第1章数控加工工艺系统本章主要内容如下：●现场教学：数控实训中心1.2数控机床组成系统1.3数控加工与工艺技术的新发展1.1数控加工工艺系统概述1.1.1数控加工原理及加工过程

1.数控概念

(1)数字控制(NC)：是一种用数字化信号对控制对象进行自动控制的技术。(2)数控技术：是指用数字、字母和符号对某一工作过程进行可编程自动控制的技术。(3)数控系统：是指实现数控技术相关功能的软硬件

（6）工艺系统的概念：在数控机床加工过程中，由机床、夹具、刀具和工件等组成的系统，称为数控加工工艺系统。

（7）数控加工工艺系统的组成：由数控机床、夹具、刀具和工件等组成。

(5)数控机床(NCMachine)：是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。模块的有机集成系统，它是数控技术的载体。(4)计算机数控系统(CNC)：是指以计算机为核心的数控系统。

数控加工就是根据零件图样及工艺要求等原始条件，编制零件数控加工程序，并输入到数控机床的数控系统，以控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。2.数控加工过程数控加工流程3.数控加工原理

CNC系统的数据转换过程：译码、刀补处理、插补计算、PLC控制。1.1.2数控加工工艺过程

1．工艺过程

数控加工工艺是指采用数控机床加工零件时，所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程。数控加工工艺过程是利用切削刀具在数控机床上直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置、表面状态等，使其成为成品或半成品的过程。

2．数控加工工艺与数控编程的关系(1)数控程序(2)数控编程(3)数控加工工艺与数控编程的关系1.1.3数控加工工艺特点1．数控加工工艺内容要求更加具体、详细

2．数控加工工艺要求更严密、精确

3．数控加工零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算4．考虑进给速度对零件形状精度的影响5．强调刀具选择的重要性

6．数控加工工艺的特殊要求7．数控加工程序的编写、校验与修改是数控加工工艺的一项特殊内容(1)通过数控加工的适应性分析选择并确定进行数控加工的零件的内容；零件图纸工艺分析数值计算编制输入程序安装工件对刀试切加工检验1.1.4数控加工的内容和特点一.数控加工内容(2)结合加工表面的特点和数控设备的功能对零件进行数控加工的工艺分析；(3)进行数控加工的工艺设计；(4)对零件图形进行数学处理和计算；

(5)编写加工程序单；(6)按程序单制作控制介质，如磁带、磁盘等；(7)检验与修改加工程序；(8)首件试加工以进一步修改加工程序；(9)编制数控加工工艺技术文件，如数控加工工序卡，程序说明卡，走刀路线图等。二.数控加工特点1．对加工对象改型的适应性强2．加工精度高3．加工生产率高4．减轻操作者的劳动强度5．良好的经济效益6．有利于生产管理的现代化1.2数控机床组成系统1.2.1数控机床的组成与分类

数控机床是一种利用数控技术，按照事先编好的程序实现动作的机床。它由控制介质(穿孔带、磁带)、数控装置、伺服系统和机床四部分及辅助装置组成。（1）控制介质控制介质是人机交流的媒介。将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种载体上，如穿孔纸带、盒式磁带或软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元内。1数控机床的组成●控制介质输入一种方法是通过纸带输入。另一种方法是软驱输入。●手动输入手动数据输入(ManualDataInput,MDl)。程序编辑界面(EDIT)状态下，用按键输入。●直接输入存储器使用数控装置的串行口，直接读入在自动编程机上、其他计算机上或网络上编制好的加工程序。

由信息的输入、处理和输出三个部分组成，是数控机床的中枢。程序载体通过输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息、由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。

（2）数控装置（CNC单元）伺服系统是数控机床的执行部分。它能将数控装置送来的指令信息加以放大，经功率放大后。通过机床进给传动元件(如齿轮减速箱和滚珠丝杠螺母等)，去驱动机床移动部件(工作台或刀架)，以便精确定位或按照规定的轨迹和速度运动，使机床加工出符合图样要求的零件。信息输入到CNC单元内。伺服系统中常用的驱动装置有：开环伺服系统常用步进电动机，闭环伺服系统常用脉宽调速直流电动机和交流伺服电机等。

（3）伺服系统

数控机床的本体是指其机械结构实体，是实现加工零件的执行部件。它主要由主运动系统、进给系统（如工作台、刀架）、以及辅助部分（如液压、气动、冷却和润滑部分等）和支撑部件（如床身、立柱）等一般部件外，尚有些特殊部件，如储备刀具的刀库、自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置等。

（4）机床本件

辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、工件夹紧机构、润滑装置、冷却装置、照明装置、排屑装置、液压汽动系统、过载保护与限位保护装置等。

（5）

辅助装置2.数控机床的分类（1）按机床运动轨迹的分类

●点位控制数控机床点位控制

主要用于平面内的孔系，主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控弯管机和数控冲剪床等。

直线控制数控机床又称为平行切削控制。一般只能加工矩形、台阶形零件。主要有比较简单的数控镗铣床、数控车床和加工中心等。直线控制

●直线控制数控机床

●轮廓控制数控机床

轮廓控制就是刀具与工作相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。轮廓控制指的是可以同时控制2轴。主要用于数控车床加工回转曲面或数控铣床加工曲线柱面。a)b)2轴联动的轮廓加工

①2轴控制

即指两个轴连续控制、第3个轴作周期性的点位或直线控制，从而实现三个坐标轴X、Y、Z内的二维控制。二轴半联动的曲面加工

②2.5轴控制是指同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动，进行三维的立体加工，比较多的用于数控铣床、加工中心等。3轴联动的曲面加工控制

③3轴控制是指同时控制四个坐标运动，即在X、Y、Z三个直角坐标轴之外，再加一个旋转坐标轴。4轴联动的数控机床

④4轴控制五轴是指在直线坐标X、Y、Z以外，再加上围绕这些直线坐标旋转的旋转坐标A、B、C中的两个坐标，形成同时控制五个轴联动。⑤5轴控制5轴联动的加工中心加工工件

（2）按伺服系统类型分类●开环伺服系统数控机床

这类机床的数控系统将零件的程序处理后，输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。开环伺服系统数控机床特点：

①没有反馈信号。②精度低。③系统稳定性好。④设计和调整方便。开环伺服系统数控机床应用：

多应用于经济型数控和对旧机床的改造上。●闭环伺服系统数控机床在机床移动部件的位置上直接装有直线位置检测装置，检测刀具或工作台的实际位移值并将检测到的位移值及时反馈到CNC装置中，与所要求的位移指令值进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。闭环伺服系统数控机床特点：

①有位置反馈信号。②很高的加工精度。③设计和调整有较大的难度。④系统不稳定。⑤检测直线位移。闭环伺服系统数控机床应用：

用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精铣床等。

●半闭环伺服系统数控机床它是在开环控制系统的丝杠端头或电动机端头上装有检测装置，通过检测丝杠的角位移（转角）和转速，间接地检测移动部件的实际位移量，然后反馈到CNC装置中进行位置比较，用比较的差值进行控制。半闭环伺服系统数控机床特点：①精度介于开环、闭环之间。②设计和调整较容易。③系统的较稳定。④检测角位移。半闭环伺服系统数控机床应用：

配备精密滚珠丝杠的半闭环控制系统得到广泛采用。滚珠丝杠结构示意图

1-丝杠2-滚珠3-回珠管4-螺母

（3）按数控系统功能水平的分类数控机床按数控系统功能水平可分为低、中、高三档。档次功能低档数控机床中档数控机床高档数控机床进给当量和进给速度进给当量为10μm，进给速度在8-15m／min进给当量为1μm，进给速度为15-24m／min进给当量为0.1μm，进给速度为15-100m／min伺服进给系统

开环、步进电动机

半闭环直流伺服系统或交流伺服系统闭环伺服系统、电动机主轴、直线电动机联动轴数2-3轴3-4轴3轴以上通信功能

无

RS232或DNC接口

RS232、RS485、DNC、MAP接口显示功能

数码管显示或简单的CRT字符显示功能较齐全的CRT显示或液晶显示功能齐全的CRT(三维动态图形显示)内装PLC

无

有

有强功能的PLC，有轴控制的扩展功能主CPU

8位或16位CPU由16位向32位CPU过渡32位向64位CPU发展1.2.2数控机床的主要性能指标

(1)数控机床的精度指标①定位精度和重复定位精度定位精度是指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精度。重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。②分度精度分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。③分辨度与脉冲当量分辨度是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。1.2.2数控机床的主要性能指标(2)数控机床的可控轴数与联动轴数数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目。(3)数控机床的运动性能指标①主轴转速②进给速度③行程④摆角范围⑤刀库容量和换刀时间六轴加工中心

1．3数控加工与工艺技术的新发展

1.高速化①选用高速微处理器。②提高多轴控制水平。③配置高速、强功能可编程序控制器CPU。

2.多功能①具有多种监控、检测及补偿功能。②彩色CRT图形显示。③人机对话功能。④自诊断功能。⑤很强的通信功能。

3.智能化①工件自动检测、自动定心。②刀具折损检测及自动更换备用刀具。③刀具寿命及刀具收存情况管理。④负载监控。⑤数据管理。⑥维修管理。⑦利用反馈控制实