数控课件-数控车工基础

数控技术

第一章数控的基本知识数控设备的产生和发展数控技术与设备NC.(NumericalControl)控制量（对象）：位移、角度、速度、温度、压力、流量、颜色。应用：机床、气割机、弯管机、冲剪机、压力机、绘图机、测量机、雕刻机、绣花机、衣料开片机。数控设备的产生与与发展产生——要解决如下问题：单件（小批量）生产精度复杂型面加工发展五代：电子管（1952年，NC）、晶体管（1959年,NC）、小规模集成电路（1965年,NC）、大规模集成电路及小型计算机（1970年,CNC）、微型计算机（1974年,MNC）数控设备的产生与与发展（续）前三代：NC后二代：CNCDNC(分布式数控）FMSCIMS目前代表性的数控技术日本FANUC；德国西门子；美国A-B；西班牙法格；意大利ABOSZA；法国NUM。机床量：普通数控机床——〉加工中心——〉FMC——〉FMS——〉CIMS高端：64位和多CPU系统、20轴可控、10轴以上联动、分辨率0.0001mm、行程：240m/min第二节数控设备的分类按工艺用途分类按控制运动的方式分类按伺服系统分类按数控装置的功能水平分类按工艺用途分类普通数控机床数控加工中心多坐标数控机床数控特种加工机床按控制运动的方式分类点位控制：数控钻、镗、冲床等直线控制：在点位控制的基础上，控制速度，用于简易数控车、镗铣床轮廓控制：对速度，位移（两轴以上）进行连续相关控制，有数控车、铣、磨床和加工中心按伺服系统分类

开环控制特点：结构简单，成本低，精度低闭环控制特点：精度高，系统复杂半闭环控制特点：检角位移而不检工作台位移混合控制

按数控装置的功能水平分类低档：中档：高档：数控设备的特点和应用范围特点应用范围特点适应性强能实现复杂的运动精度高，质量稳定生产率高减轻劳动强度有利于生产管理应用范围（p53）复杂程度零件批量数控机床的技术发展趋势高可靠性高柔性化高精度化高速度化复合化制造系统自动化设计CAD化和宜人化数控加工原理

数控车床一般由CNC（ComputerizedNumericalControl）、伺服系统和机械系统三大部分组成。计算机数控系统CNC由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程控制器（PLC）、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成。其原理如图所示一、数控车床的组成数控系统基本工作过程硬件支持下执行软件的过程，内容包括：输入：光电阅读机纸带、键盘、磁盘和DNC。分为存储式输入和NC方式输入；译码：把各种零件轮廓信息、加工速度信息（F代码）、其他辅助信息（M，S，T代码）解释成数控装置能识别的语言，并存放在指定的内存区；刀具补偿：分为半径补偿和刀具长度补偿；进给速度处理：把加工轨迹切线速度分解成运动坐标方向的分速度；插补：合成的负责运动称为插补；数控系统基本工作过程位置控制：理论位置与实际位置比较，控制进给电机，提高机床的定位精度；I/O处理：处理CNC装置与机床间的强电信息（如换刀、换档、冷却等）；显示：程序显示、参数显示、图形仿真、刀具位置和报警等；诊断：联机和脱机诊断方式。数控系统硬件结构CPU和总线存储器：只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）、紫外线擦除只读存储器（EPROM）；位置控制器：位置控制单元、速度控制单元；PLC：实现机床顺序控制功能，替代继电器的作用，提高可靠性和灵活性。数控系统硬件接口输入输出接口；控制设备接口；通信显示接口；通讯与网络接口；数控机床的伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。进给伺服系统是数控机床的进给运动执行部分，包括位置控制单元、速度控制单元、执行电动机、测量反馈单元等部分，它接受计算机发来的各种动作命令，驱动执行电动机运动。执行电动机可以是步进电动机、电液马达、直流伺服电动机或交流伺服电动机。进给伺服系统性能的好坏将直接影响数控机床加工精度和生产效率。主轴伺服系统是数控机床主轴运动的控制部分，包括主轴控制单元、主轴电动机、测量反馈单元等部分。数控车床的机械系统，除机床基础件以外，由下列各部分组成：1）主轴部件：包括主轴电动机和主轴传动系统；2）进给系统：包括进给执行电动机和进给传动系统；3）实现工件回转、定位的装置和附件；4）实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。如冷却、排屑、防护等装置；5）刀库和自动换刀装置；6）自动托盘交换装置。机床基础件通常是指床身（或底座）、立柱、横梁、滑座和工作台等，它是整台机床的基础和框架。机床的其它零、部件，或者固定在基础件上，或者工作时在它的导轨上运动。其它机械结构组成则按机床的功能需要选用。二、数控车床简介与组成数控车床分为立式数控车床和卧式数控车床两种类型。立式数控车床用于回转直径较大的盘类零件的车削加工。卧式数控车床用于轴向尺寸较长或小型盘类零件的车削加工。相对于立式数控车床来说，卧式数控车床的结构形式较多、加工功能丰富、使用面广。卧式数控车床按功能可进一步分为经济型数控车床、普通数控车床和车削加工中心。数控车床由数控系统、床身、主轴、进给系统、回转刀架、操作面板和辅助系统等部件组成。三、数控车床的刀具

在数控车床或车削加工中心上车削零件时，应根据车床的刀架结构和可以安装刀具的数量，合理、科学地安排刀具在刀架上的位置，并注意避免刀具在静止和工作时，刀具与机床、刀具与工件以及刀具相互之间的干涉现象。数控车床上常用的刀具如图所示。刀具系统刀具特点：P64刀具材料技术要求：P64-65刀具材料种类：高速钢；硬质合金；涂层刀具；其他刀具。四、机床坐标系和运动方向数控机床上的坐标系是采用右手直角迪卡儿坐标系。大拇指的方向为X轴的正方向；食指为Y轴的正方向；中指为Z轴的正方向。1、运动方向的确定（1）Z坐标的运动Z坐标的运动，是由传递切削力的主轴所决定，与主轴轴线平行的坐标轴即为Z坐标。对于车床、磨床等来说是主轴带动工件旋转；对于铣床、钻床、镗床等来说是主轴带着刀具旋转，那么与主轴平行的坐标轴即为Z坐标。如果机床没有主轴（如牛头刨床），Z轴垂直于工件装夹面。Z坐标的正方向为增大工件与刀具之间距离的方向，即刀架远离工件的方向。如在钻镗加工中，钻入和镗入工件的方向为Z坐标的负方向，而退出为正方向。2）X坐标的运动X坐标是水平的，它平行于工件的装卡面。这是在刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。对于工件旋转的机床（如车床、磨床），X坐标的方向是在工件的径向上，具平行于横滑座。刀具离开工件旋转中心的方向为X轴正方向。对于刀具旋转的机床（如铣床、镗床、钻床等），如Z轴是垂直的，当从刀具主轴向立柱看时，X运动的正方向指向右。如Z轴（主轴）是水平的，当从主轴向工件方向看时，X运动的正方向指向右方。3）Y坐标的运动Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴。Y运动的正方向根据X和Z坐标的正方向，按照右手直角迪卡儿坐标系来判断。（4）旋转运动A、B和CA、B和C相应地表示轴线平行于X、Y和Z坐标的旋转运动。A、B和C的正方向，相应地表示在X、Y和Z坐标正方向上按照右旋螺旋前进的方向。（5）附加坐标如果在X、Y、Z主要坐标以外，还有平行于它们的坐标，可分别指定为U、V、W。如还有第三组运动，则分别指定为P、Q和R。（7）主轴旋转运动的方向主轴的顺时针旋转运动方向（正传），是按照右旋螺纹旋入工件的方向。2、绝对坐标系与增量（相对）坐标系（1）．绝对值编程绝对值编程是根据预先设定的编程原点计算出绝对值坐标尺寸进行编程的一种方法。采用绝对值编程，首先指出编程原点位置，并用地址X、Z进行编程（X为直径）。有的数控系统采用G90指令指定绝对值编程。（2）．增量值编程增量值编程是根据与前一位置的坐标值增量来表示位置的一种编程方法。即程序中的终点坐标是相对于起点坐标而言的。采用增量值编程时，用地址U、W代替X、Z进行编程。U、W的正负由行程方向来确定，行程方向与机床坐标相同时为正，反之为负。（3）．混合编程绝对值编程与增量值编程混合起来编程的方法叫混合编程。编程时必须设定编程原点。3、坐标系统数控车床坐标系统分为机床坐标系和工件坐标系（编程坐标系）。无论哪种坐标系统都规定与车床主轴轴线平行的方向为Z轴，且规定从卡盘中心至尾座顶尖中心的方向为正方向。在水平面内与车床主轴轴线垂直的方向为X轴，且规定刀具远离主轴旋转中心的方向为正方向。（1）机床坐标系以机床原点为坐标原点建立起来的X，Z轴直角坐标系，称为机床坐标系。机床坐标系是机床固有的坐标系，它是制造和调整机床的基础，也是设置工件坐标系的基础。机床坐标系在出厂前已经调整好，一般情况下，不允许用户随意变动。机床原点为机床上的一个固定的点。车床的机床原点为主轴旋转中心与卡盘的端面之交点（图中的O1点）。与机床原点相对应的还有一个机床参考点，它是机床制造商在机床上用行程开关设置的一个物理位置，与机床原点的相对位置是固定的，机床出厂之前由机床制造商精密测量确定。参考点一般不同于机床原点，也是机床上的一个固定点，该点是刀具退离到一个固定不变的极限点（图中点O2即为参考点）其位置由机械挡块来确定。工件坐标系（编程坐标系）工件坐标系是编程时使用的坐标系，所以又称为编程坐标系。数控编程时，应该首先确定工件坐标系和工件原点。零件在设计中有设计基准。在加工过程中有工艺基准，同时要尽量将工艺基准与设计基准统一，该基准点通常称为工件原点。以工件原点为坐标原点建立的X、Z轴直角坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系是人为设定的，设定的依据是符合图样要求，从理论上讲，工件原点选在任何位置都是可以的，但实际上，为了编程方便以及各尺寸较为直观，应尽量把工件原点的位置选得合理些。在车床上工件原点的选择如图所示。Z向应取在工件的回转中心即主轴轴线上，X向一般在工件的左端面或右端面两者之中选择，即工件原点可选在主轴回转中心与工件右端面的交点O1上，也可选在主轴回转中心与工件左端面的交点O2上，工件坐标系（编程坐标系）也随之建立起来了。（图）工件坐标系设定编程人员在确定起刀点的位置X0Z0后，还应通过G50坐标系设定指令（有的机床用G92指令）告诉系统，刀尖点相对于工件原点的位置，即设定一个工件坐标系。G50是一个非运动指令，只起预置寄存作用，一般作为第一条指令放在整个程序的前面。其指令格式为G50X（α）Z(β)；式中，α、β分别为刀尖的起始点距工件原点在X向和Z向的尺寸。这就相当于在系统内部建立了一个以工件原点为坐标原点的工件坐标系。下面举例说明:如图所示,若选工件右端面O1点为坐标原点时,坐标系设定为：G50X150.0Z20.0；若选工件左端面O2点为坐标原点时，则坐标系设定为：G50X150.0Z100.0；由上可知，同一工件由于工件原点变了，所以程序段中的坐标尺寸也随之改变。因此，在编制加工程序前必须首先确定工件坐标系（编程坐标系）和工件原点（编程原点）。数控机床程序编制原理一、插补原理概念：根据给定的信息，在理想轮廓（或轨迹）上的已知两点之间，确定一些中间点的一种方法叫插补。逐点比较插补法：直线、圆弧和非圆弧的插补。P138数字积分插补法（DDA）时间分割插补三坐标联动直线插补二、程序编制误差逼近误差插补误差尺寸圆整误差三、程序编制的数值计算基点和节点的计算刀具半径补偿的计算C功能刀具半径补偿

第二部分

数控编程的基本概念一、程序编制：是将加工零件的工艺过程、工艺参数、工件尺寸、刀具位移的方向及其它辅助动作，按运动顺序依照编程格式用指令代码编写程序单的过程。所编写的程序单即加工程序单。二、

编程的步骤1、确定工艺过程①

确定加工方法②

加工路线的设计③

加工工序内容设计2、建立适当的坐标系3、运动轨迹目标点（节点）的计算4、编写加工程序单5、程序检验和首件切削三、数控车床的指令1）、程序段序号N10N202）、准备功能字：G00－G99是使数控装置作某种操作的功能G代码分为模态代码和非模态代码两种。所谓模态代码是指某一G代码（G01）一经指定就一直有效，直到后边程序段中使用同组G代码（G03）才能取代它。而非模态代码只在指定的本程序段中有效。下一段程序需要时必须重写（如G04）。快速点定位指令G00G00指令是模态代码，它命令刀具分别以点定位控制方式从刀具所在点快速运动到下一个目标位置。它只是快速定位，而无运动轨迹要求。其指令书写格式是：G00X＿Z＿；刀具实际的运动路线不是直线，而是折线，所以使用G00指令时要注意刀具是否和工件急夹具发生干涉，忽略这一点，就容易发生碰撞，而在快速状态下的碰撞更加危险。直线插补指令G01直线插补指令是直线运动指令，也是模态代码。它命令刀具在两坐标或三坐标间以插补联动方式按指定的F进给速度（单位为mm/min）作任意斜率的直线运动。其指令书写格式是：G01X＿Z＿F＿；F指令也是模态指令，它可以用G00指令取消。如果早G01程序段之前的程序段没有F指令，则机床不动。因此，G哦程序中必须还有F指令。圆弧插补指令G02/G03（采用笛卡尔坐标判断）圆弧插补指令命令刀具在指定平面内按给定的F进给速度作圆弧运动，切削出圆弧轮廓。在车床上加工圆弧时，不仅要用G02/G03指出圆弧的顺逆时针方向，用XZ指定圆弧的终点坐标，而且还要指定圆弧的半径。其指令书写格式是：G02/G03X＿Z＿R＿；3）、辅助功能字：用来指定机床的辅助动作（如机床的开、关、换刀等〕M00－程序暂定M01－程序计划暂定M02－程序结束M03－主轴正转M30程序终止。4)、其他指令S指定主轴转速，如S800，表示主轴转速为800r/min。T功能：指令数控系统进行换刀，用地址T和其后的数字来指定刀具号和刀具补偿号。M04－主轴反转M05－主轴仃转M06－加工中心换刀M07、M08－冷却液开M09－冷却液关M10－工件夹紧M11－工件松开程序段结束符：LF数控车床程序：N10M03S800;N20T0101;N30G00X40Z5;N40G01X27Z0F0.1;N50X30Z－1.5;N60Z－30;N70G03X38Z－34R4;N80G01

Z－60;N90G00X100Z150；N100T0100;N110T0202;N120G00X40Z－30;N130G01X26F0.05;切槽N140X40;N150G00X100Z150;N160T0200;N170M30;数控加工工艺分析无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量。在编程中，对一些工艺问题（如对刀点、加工路线等)也需做一些处理。因此程序编制中的工艺分析是一项十分重要的工作。普通机床上加工零件时，是用工艺规程或工艺卡片来规定每道工序的操作程序，操作者按工艺卡上规定的“程序”加工零件。而在数控机床加工零件时，要把被加工的全部工艺过程、工艺参数和位移数据编制成程序用它控制机床加工。由此可见，数控机床加工工艺与普通机床加工工艺在原则上基本相同，但数控加工的整个过程是自动进行的，因而又有其特点。1)工序的内容复杂。这是由于数控机床比普通机床价格贵，若只加工简单工序在经济上不合算、所以在数控机床上通常安排较复杂的工件，甚至在普通机床上难以完成的工序。2）工步的安排更为详尽。这是因为在普通机床的加工工艺中不必考虑的问题，如工序内工步的安排、对刀点、换刀点及加工路线的确定等问题，在编制数控加工工艺时却不能忽略。一、数控加工工艺的基本特点

二、数控加工工艺分析的主要内容实践证明，数控加工工艺分析主要包括以下几方面：选择适合在数控机床上加工的零件，确度工序内容。分析被加工零件图样，明确加工内容及技术要求，在此基础上确定零件的加工方案，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。设计数控加工工序，如工步的划分，零件的定位与夹具的选择，刀具的选择，切削用量的确定等。调整数控加工工序的程序。如对刀点、换刀点的选择、加工路线的确定、刀具的补偿(T01,T02,G41,G42)。分配数控加工中的容差。处理数控机床上部分工艺指令。总之，数控加工工艺内容较多，有些与普通机床加工相似，因而本章仅对编程中的工艺分析予以讨论，而编程中工艺指令的处理将在数控编程中讨论。三、数控加工工艺分析的一般步骤与方法程序编制人员在进行工艺分析时，要有机床说明书、编程手册、切削用量表、标准工具、夹具手册等资料，根据被加工工件的材料、轮廓形状、加工精度等选用合适的机床，制定加工方案，确定零件的加工顺序，各工序所用刀具，夹具和切削用量等。此外，编程人员应不断总结，积累工艺分析方面的实际经验，编写出高质量的数控加工程序。（1）数控加工零件工艺性分析数控加工工艺性分析涉及面很广，在此仅从数控加工的可能性和方便性两方面加以分析。分析零件图样a、零件图上尺寸标注方法应适应数控加工的特点在数控加工零件图上，应以同一基准引注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注方法既便于编程，也便于尺寸之间的相互协调，在保持设计基准、工艺基准，检测基准与编程原点设置的一致性方面带来很大方便。由于零件设计人员一般在尺寸标注中较多地考虑装配等使用特性方面，而不得不采用局部分散的标注方法，这样就会给工序安排与数控加工带来许多不便。由于数控加工精度和重复定位精度都很高，不会因产生较大的积累误差而破坏使用特性，因此可将局部的分散标注法改为同一基准引注尺寸或直接给出坐标尺寸的标注法。b、构成零件轮廓的几何元素的条件应充分在手工编程时要计算基点或节点坐标。在自动编程时，要对构成零件轮廓的所有几何元素进行定义。因此在分析零件图时，要分析几何元素的给定条件是否充分。如圆孤与直线，圆弧与圆弧在图样上相切，但根据图上给出的尺寸，在计算相切条件时，变成了相交或相离状态。由于构成零件几何元素条件的不充分，使编程时无法下手。遇到这种情况时，应与零件设计者协商解决。c、尺寸公差要求分析零件图样（图）上的公差要求，以确定控制其尺寸精度的加工工艺，如刀具选择及确定切削用量等。在该项分析过程中，还可以同时进行一些编程尺寸的简单换算。在数控编程实践中，常常对零件（图）要求的尺寸取其最大和最小极限尺寸的平均值（图）即"中值"作为编程的尺寸依据。d、表面粗糙度要求表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求，也是合理选择机床、刀具及确定切削用量的重要依据。e、材料与热处理要求图样上给出的零件材料与热处理要求，是选择刀具，和选择机床型号及确定有关切削用量等的重要依据。制定加工方案加工方案又称工艺方案，数控机床的加工方案包括制定工序，工步及走刀路线等内容。在数控机床加工过程，由于加工对象复杂多样，特别是轮廓曲线的形状及位置千变万化，加上材料不同、批量不同等多方面因素的影响，在对具体零件制定加工方案时，应该行具体分析和区别对待，灵活处理。只有这样，才能使所制定的加工方案合理，从而达到质量优、效率高和成本低的目的。在对加工工艺进行认真和仔细的分析后，制定加工方案的一般原则为先粗后精，先近后远，先内后外，程序段最少，走刀路线最短及特殊情况特殊处理。

a）先粗后精（图3-7）

b）先近后远（图3-8）c）先内后外对既有内表面又有外表面的零件，在制定其加工方案时，通常应安排先加工内形和内腔，后加工外形表面。这是因为控制内表面的尺寸和形状