05数控机床简介和数控机床编程及加工

1数控机床的产生与发展一、数控机床的诞生是内因、外因共同作用的结果。内在动力：零件加工的复杂程度迫切需要一种精度高、柔性好的加工设备；外在的技术基础：电子技术、计算机技术、控制技术的发展。

1952年，合作研制成功世界上第一台数控机（铣）床，用它来加工直升飞机叶片轮廓检查用样板，可做直线插补。研制成功后立即生产100台交付军工使用。在成果上显示了它是社会需求、科技水平、人员素质三者的结晶；在技术上则显示出机电一体化机床在控制方面的巨大创新。

数控机床为单件、小批生产的精密、复杂零件提供了自动化加工手段。2二、数控机床的基本概念需要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的“数控”，实质上已是指“计算机数控”了。数字控制技术：简称数控（NumericalControl,NC）采用数字化信息实现加工自动化的控制技术。NC机床：用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床。CNC机床：采用微处理器或专用微机作为数控系统，由系统程序来实现对机床的运动及其加工过程进行控制的机床。即用数字化信号对机床的运动及加工过程进行控制的机床。3三、数控机床的特点1、适应性强，具有高柔性。2、加工精度高，产品质量稳定3、自动化程度高，劳动强度低（改善劳动条件）4、生产效率高，减少辅助时间和机动时间5、良好的经济效率6、有利于生产管理的现代化四、数控机床的使用特点1、数控机床对操作维修人员的要求2、数控机床对夹具和刀具的要求4五、数控机床的发展趋势1、继续向开放式、基于PC的第六代发展2、向高速化和高精度化发展3、向智能化方向发展4、提高数控系统的可靠性5图1.10数控机床的组成加工图纸程序编制输入、输出装置数控装置CNC机床主进辅运给助动运动机动作构机机构构电控制装置辅助控制及强置检测装置伺服驱动及位加工零件6数控机床组成

程序、输人/输出装置、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统、机床本体组成。1、程序的存储介质，又称程序载体穿孔纸带（过时、淘汰）；盒式磁带（过时、淘汰）；软盘、磁盘、U盘；2、输人/输出装置对于穿孔纸带，配用光电阅读机；（过时、淘汰）；对于盒式磁带，配用录放机；（过时、淘汰）；对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡；现代数控机床，还可以通过手动方式(MDI方式)；串口通讯,包括RS232，RS485。DNC网络通讯73、数控装置（又称CNC单元）

CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件做进给运动。其它的还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助指令信号等。准备功能：G00,G01,G02,G03,辅助功能：M03，M04刀具、进给速度、主轴：T，F，S数控机床组成

8数控机床组成

4、伺服系统由驱动器、驱动电机及检测元件组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。脉冲当量：每一个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量。常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。9数控机床组成

5、位置反馈系统（检测反馈系统）伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构(工作台)的位移反馈。包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。反馈装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。反馈系统包括半闭环、闭环两种系统。10数控机床组成

6、机床的机械部件主运动部件进给部件（工作台、刀架）基础支承件（床身、立柱等）辅助装置：液压、气动、冷却、润滑等对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统更便于实现自动化扩展。11在数控机床上加工零件要经过以下的步骤：（1）准备阶段

根据加工零件的图纸，确定有关加工数据（刀具轨迹坐标点、加工的切削用量、刀具尺寸信息等）。根据工艺方案、选用的夹具、刀具的类型等选择有关其他辅助信息。（2）编程阶段

根据加工工艺信息，用机床数控系统能识别的语言编写数控加工程序（对加工工艺过程的描述），并填写程序单。（3）准备信息载体

根据已编好的程序单，将程序存放在信息载体（穿孔带、磁带、磁盘等）上，通过信息载体将全部加工信息传给数控系统。若数控加工机床与计算机联网时，可直接将信息载入数控系统。（4）加工阶段当执行程序时，机床数控系统（CNC）将加工程序语句译码、运算，转换成驱动各运动部件的动作指令，在系统的统一协调下驱动各运动部件的适时运动，自动完成对工件的加工。数控机床工作步骤

12数控机床的品种很多，根据其控制原理、功能和组成，可以从几个不同的角度进行分类：一、按工艺用途分类：数控机床是从普通机床的基础上发展起来的，各种类型的数控机床基本上起源于同类型的普通机床，按工艺用途分为：1)数控车床（NCLathe）2)数控铣床（NCMillingMachine）3)加工中心（MachineCenter）4)数控钻床（NCDrillingMachine）5)数控镗床（NCBoringMachine）数控机床的分类136)数控磨床数控平面磨床（NCSurfaceGrindingMachine）、数控外圆磨床（NCExternalGrindingMachine）、数控轮廓磨床（NCContourGrindingMachine）、数控坐标磨床（NCJigGrindingMachine）、数控工具磨床（NCToolGrindingMachine）7)数控电火花加工机床（NCDiesinkingElectricDischargeMachine）（NCEDMMachine）8)数控线切割机床（NCWireElectricDischargeMachine）9)数控激光加工机床（NCLaserBeamMachine）10)数控冲床（NCPunchingMachineorPunchingPress）11)数控超声波加工机床（NCUltrasonicMachine）12)数控齿轮加工机床（NCGearHollingMachine）13)并联机床还有数控等离子切割机，数控火焰切割机、数控折弯机、数控弯管机、数控水切割机、三坐标测量机等等。14数控机床的分类二、按运动方式分类：1)点位控制系统（PositioningControl）只控制刀具从一点移到另一点的位置，而在移动过程中不进行切削加工，如坐标镗床、钻床和冲床等。要求坐标位置有较高的定位精度，为提高生产效率，采用机床设定的最高进给速度进行定位运动，在接近定位点前要进行分级或连续降速，以便低速趋近终点，从而减少运动部件的惯性过冲和因此引起的定位误差。在定位移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有任何要求。2)直线控制系统（Straight－LineControl）直线控制系统是控制刀具或基础工作台以一定速度，沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一位置的精确移动。也称点位直线移动控制系统。153)轮廓控制系统（ContourControl）(又称连续控制或多坐标联动控制)是对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制(二轴、二轴半、三轴、四轴、五轴联动)，它不仅要控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且要控制整个加工过程的每一点的速度、方向和位移量，即要控制加工的轨迹，加工出要求的轮廓。运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。这类机床的数控装置的功能是最齐全的，能够进行两坐标甚至多坐标联动的控制，也能够进行点位和直线控制。除了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。16直线控制数控机床加工示意图点位控制数控机床加工示意图

移动时不加工轮廓控制数控机床加工示意图17三、按控制方式分类：实际上是按有无反馈及反馈的位置来分：1）开环控制系统（OpenLoopControl）

指不带反馈的控制系统，系统内没有位置反馈元件，通常采用步进电机作为执行机构。输入的数据经过数控系统的运算，发出指令脉冲，通过环形分配器和驱动电路，使步进电机转过一个步距角，再经过传动机构带动工作台移动一个脉冲当量的距离。移动部件的移动速度和位移由输入脉冲的频率和脉冲个数决定的。图1.14开环控制系统182)半闭环控制系统(Semi-closedLoopControl)在驱动电机端部或在传动丝杠端部安装角位移检测装置（光电编码器或感应同步器），通过检测电机或丝杠的转角间接测量执行部件的实际位置或位移，然后反馈到数控系统中。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，与闭环系统相比，易于实现系统的稳定性。现在大多数数控机床都广泛采用这种半闭环进给伺服系统。惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围内。图1.15半闭环控制系统193)闭环控制系统(ClosedLoopControl)在机床移动部件上直接接有检测装置，将测得的结果直接反馈到数控系统中。实际上是将位移指令值与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，实时进行比较，根据其差值进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位。具体的讲解见第四章伺服系统图1.16闭环控制系统20四、主要数控机床介绍数控车床：包括主轴、溜板、刀架等。数控系统包括显示器、控制面板、强电控制系统等。数控车床一般具有两轴联动功能，Z轴是与主轴平行方向的运动轴，X轴是在水平面内与主轴垂直方向的运动轴。远离工件方向为轴的正向。另外在最新的车铣加工中心，还增加了一个C轴，可用于工件的分度功能，在刀架中安放铣刀，对工件进行铣加工。还可以增加Y轴。刀具超过12把称为加工中心。主要加工盘套类零件。加工中心上，一次装夹，可以完成材料得车、铣、钻、镗加工。212223数控铣床：适于加工三维复杂曲面，在汽车、航空航天、模具等行业被广泛采用。可分为数控立式铣床、数控卧式铣床、数控仿形铣床等。2425加工中心：一般认为带有自动刀具交换装置（ATC）的数控镗铣床，称为加工中心。可以进行铣、镗、钻、扩、铰、攻丝等多种工序加工。不能包括磨削功能，因为微细的磨粒可能进入机床导轨，从而破坏机床的精度。而磨床上有特殊的保护措施。加工中心可分为立式加工中心、卧式加工中心。立式的主轴是垂直方向的，卧式的主轴是水平方向的。262728五轴数控龙门铣床293031323334数控钻床：分为立式钻床和卧式钻床。主要完成钻孔、攻丝功能，同时也可以完成简单的铣削功能。刀库可以存放多种刀具。数控磨床：用在高硬度、高精度加工表面。平面磨床、内圆磨床、轮廓磨床等。随着自动砂轮补偿技术、自动砂轮修整技术和磨削固定循环技术的发展，数控磨床的功能越来越强。数控电火花成形机床：（EDM）ElectronicDischargeMachine特种加工方法，利用两个不同极性的电极在绝缘体中产生放电现象，去除材料进而完成加工，适用于形状复杂的模具、难加工材料。数控线切割机床：（WEDM）原理与电火花成形机床一样，就是电极是电机丝，加工液一般是去离子水。35机械制造系统制造过程输入输出36机械制造系统的发展柔性制造的理解柔性制造系统的发展史及发展趋势柔性制造的分类柔性制造系统的组成计算机集成制造系统(CIMS)37自动化制造系统1）若干台CNC加工设备，实现自动制造功能；2）自动物流系统，即毛坯、工件、刀具的存储、输送、交换系统；3）控制整个系统运行的计算机系统；4）其它刀具监测及管理系统、零件测量系统、切屑排除系统等。一、柔性制造系统（FMS）38柔性制造系统391—半产品库2—刀具预调仪3—空架轨道4—刀具进出站5—机床6—中央刀库7—换刀机器人8—地面直线轨道9—清洗机10—托盘缓冲站11—有轨自动运输小车12—工件装卸站40FMS的分类：根据规模大小的不同可分为：1.柔性制造单元（FMC）

由一台或少数几台设备构成的小系统2.柔性制造系统（FMS）

由多台设备构成的大系统，多种制造功能3.柔性制造工厂（FMF）

全厂范围内的生产管理、机械加工和物料储运过程的全盘自动化41二、计算机集成制造系统（CIMS）ComputerIntegratedManufacturingSystem用计算机网络和数据库技术将生产活动全过程中各功能子系统集成为一个整体，以保证企业信息的共享性、可靠性和及时性，实现生产的自动化和柔性化，增强企业的竞争能力。CIMS一般分为四个应用子系统（MIS）

生产计划、经营销售、财务人事设备管理等（TIS）CAD/CAM/CAPP等技术信息（MAS）实现车间现场的调度与控制（CAQ）

质量目标、质量数据采集分析、控制补偿42

经营管理工程设计生产制造质量保证计算机通信网络＋分布式数据库原材料产品技术信息市场信息图1.1CIMS的功能示意图43计算机辅助制造广义CAM指应用计算机去完成与制造系统有关的生产准备和生产过程等方面的工作。一、计算机辅助制造的含义计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing）简称CAM，是指计算机在产品制造方面有关应用的统称。狭义CAM常指工艺准备或其中的某个活动应用计算机辅助工作，如数控编程。44按照计算机是否与物流系统有硬件接口联系CAM分为1.CAM的直接应用

物流运行控制生产控制质量控制2.CAM的间接应用

CAPP自动编程辅助工装设计辅助作业计划45二、CAM的数据库支持制造系统的数据库，需要包含的信息和数据面广量大，且应保持一致性和共享性。与制造系统有直接关系的工艺数据库一般包括：（一）材料文件各种工业用材料数据，刀具材料数据（二）刀具文件刀具种类、结构，识别号，特性数据等

（三）切削用量文件与加工方法、刀具、工件等有关的切削数据（四）夹具文件夹具名称、型号，识别号，尺寸数据等（五）机床文件机床名称、型号，识别号，性能数据等46制造系统比较474849数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍OpenSoftCNC软件包括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机床控制两大部分组成。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心为例，软件提供下列指令：以数控车床模拟仿真系统（OpenSoftCNC01T）组别指令功能编程格式模态

1G00快速线性移动G00X(U)_Z(W)_√G01直线插补G01X(U)_Z(W)_√G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆时针圆弧插补G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺纹插补G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺纹插补G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X轴返回程序零点G27

G28Z轴返回程序零点G28

G92定义绝对坐标系G92X_Z_√2G04延时G04E_

3M00暂停M00

M02程序结束M02

4M03主轴正转M03√M04主轴反转M04√M05主轴停M05√5M08开冷却液M08√M09关冷却液M09√

6M97程序跳转M97P_

M98子程序调用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定义开关1有效M20√M21自定义开关1无效M21√8M22自定义开关2有效M22√M23自定义开关