数控机床基础知识教案和数控机床编程及加工

§1－1数控与数控机床§1－2数控机床的分类和常见数控机床简介§1－3数控机床的加工特点第一章数控机床基础知识第一章数控机床基础知识1

机床是人类社会生产力发展的重要标志，随着科学技术的飞跃发展，各机械制造业迅速发展，零件的形状越来越复杂，精度及批量生产要求越来越高，数控机床及其应用技术应运而生并在生产实践中显示了优越和强大的生命力。提供了一种自动化加工手段。数控与数控机床2

一、数控与数控机床的概念数控又称为数字控制(NumericalControl),是一种利用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术.（简称数控）——将通过计算机进行自动控制的技术统称为数控技术。数控技术:1.数控的定义

数控：3

2.数控加工的特点加工工艺是否先进、合理关系到加工质量的忧虑，在编制加工程序时必须认真分析加工过程的每一个细节，以免出现事故。（1）加工过程规范零件的切削用量的确定及机床的辅助控制都在加工前预先设计及优化处理，安排在规范的加工程序中并自动控制完成，不会受到人工干预。（2）工艺制定严密4

3.数控机床定义数字控制机床：(NumericalControlMachineTools)数控机床是采用了数字控制技术的加工设备,它通过数字化信息对机床的运动方向及加工过程进行控制,实现要求的机械动作,并自动完成加工任务.它是一种典型的技术密集且自动化程度很高的机电一体化产品.

简称数控机床。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。5

数控机床的产生与发展:

数控机床诞生于美国.1952年,美国帕森斯公司与麻省理工学院共同研制成功了世界上第一台数控机床,用来加工直升机叶片轮廓检查用样板.半个世纪以来,数控技术得到了迅猛的发展,其加工精度和加工效率不断提高.数控机床发展至今已经历了两个阶段共六个时代.1.硬件数控阶段:(NC)：早期的计算机运算速度低,不能适应机床实时控制的要求,人们只好用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统,这就是硬件连接数控,简称数控(NC).这个阶段一共经历了三代,即第一代的电子管数控机床,第二代的晶体管数控机床,第三代的小规模集成电路数控机床.2.计算机数控阶段:(CNC)：这个阶段也经历了三代:即第四代的小型计算机数控机床,第五代的微型计算机数控机床以及第六代基于PC的数控机床.前三代数控机床采用专用控制计算机的硬件数控装置,早已被淘汰;后三代的数控机床,则以小型／微型计算机取代硬件控制计算机作为核心部件，数控机床的许多控制功能由专用软件实现,其数控系统被称为软件控制系统,又称CNC系统.6数控机床的特点:1.具有高柔性.2.生产效率高,减少辅助时间和机动时间.3.加工精度高,产品质量稳定.4自动化程度高,劳动强度低.5能加工形状复杂的零件.7

二、数控机床的组成控制介质数控装置伺服机构辅助控制装置检测装置机床本体

外观图8

数控机床组成示意图9

1.控制介质将零件加工信息传送到数控装置去的程序载体，常用的有磁盘、U盘等移动硬盘U盘磁盘10

加工信息即数控程序，是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（APT），或CAD/CAM设计。编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种介质上，它可以是磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。

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2.数控装置——数控机床的核心。它由输入装置（如键盘）、控制运算器和输出装置（如显示器）等构成。接受控制介质上的数字化信息，经过控制软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，进行规定的、有序的运动。——对数控机床进行指挥、控制

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3.伺服机构——驱动机床执行机构实施运动

伺服机构——数控机床的执行机构，由驱动和执行两大部分组成。它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给速度、方向和位移。脉冲当量——每一脉冲使机床移动部件产生的位移量。常用的脉冲当量为～。常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机。伺服电动机驱动装置13

辅助控制装置——介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。作用：接受数控装置输出的主运动变速、刀具选择和交换、辅助动作等指令信息，经过必要的编译、逻辑判断、功率放大后，直接驱动相应的电气、液压和机械部件，以完成各种规定的动作。4．辅助控制装置可编程控制器（PLC）14

可编程控制器(PLC)具有响应快，性能可靠，易于使用，编程和修改程序，并可直接驱动机床电气等特点而成为广泛应用的数控机床辅助控制装置。15作用：检测数控机床各个坐标轴的实际位移量，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量与设定值进行比较，控制伺服机构按指令设定值运动。常用检测元件：直线光栅、光电编码器、圆光栅、绝对编码尺等。5．检测反馈装置直线光栅光电编码器5．检测反馈装置16

6.机床本体数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分17

数控机床的主要三大部分：（1）机床主体——机床床身。（2）数控装置——对数控机床进行指挥、控制。（3）伺服机构——驱动机床执行机构实施运动。18

工作过程三、数控机床的工作原理19

数控机床的加工步骤：（1）根据零件图样进行各项准备。（2）按规定格式编制出加工程序。（3）将加工程序以代码形式完整记录在信息（4）将代码输入到数控装置中。（5）数控装置将结果以脉冲信号形式向伺服系统发出执行信号（6）伺服系统向执行电机驱动机床进给机构发出严格指令。（7）机床自动加工出合格零件20

1机床坐标系（标准坐标系）四数控机床的坐标系机床坐标系

编程坐标系应用目的：为确定机床上运动的位移和方向，需建立坐标系21

为了确定机床的运动方向与运动距离,以描述刀具与工件之间的位置与变化关系,我们需要建立机床坐标系.确认机床坐标系应遵循的基本原则是:(1)刀具相对于静止零件运动原则.(2)机床坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系.（1）机床坐标系的规定右手的大拇指、食指和中指互相垂直时,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.以X、Y、Z坐标轴线或以与X、Y、Z坐标轴平行的坐标轴线为中心旋转的圆周进给坐标轴分别以A、B、C表示,其正方向由右手螺旋法则确定.22

机床坐标系的方向规定：将增大刀具与工件距离的方向确定为各坐标轴的正方向，23机床坐标系各坐标轴确定的顺序先确定Z轴:与主轴轴线平行或重合的坐标轴为Z轴,以刀具远离工件的方向为正向.再确定X轴:平行于工件装夹面,与Z轴垂直的水平方向的坐标轴为X轴,以刀具远离工件的方向为正向.最后确定Y轴:当X轴和Z轴确定以后,利用右手法则确定Y轴及其正方向.24

模块二数控机床结构及主要部件+Ｚ+Ｘ+Ｙ0立式数控铣床坐标系+Ｚ+Ｙ025

（2）机床坐标系、机床零点和机床参考点机床原点又称机床零点，也就是机床坐标系的原点，是指在机床上设置的一个固定点，它在机床装配、调试时就确定了，是数控机床进行加工运动的基准参考点，由厂家设定位置,不允许用户更改.。而机床参考点是机床位置测量系统的基准点,一般位于机床各坐标轴正向极限位置的附近,与机床原点的距离是固定的.

机床参考点可以与机床零点重合，也可以不重合，通过参数指定机床参考点到机床零点的距离。铣床一般两点重合，车床不重合。机床回到了参考点位置，也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点，CNC就建立起了机床坐标系。只有机床的参考点确认后，刀具（或工作台）的移动才有基准。26

2.编程坐标系（工件坐标系）、程序原点和对刀点编程坐标系也称为工件坐标系，是编程人员在编程时使用的，编程人员选择工件上的某一已知点为原点（也称程序原点），建立一个新的坐标系，称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。

工件坐标系的原点选择要尽量满足编程简单，尺寸换算少，引起的加工误差小等条件。一般情况下，程序原点应选在尺寸标注的基准或定位基准上。对车床编程而言，工件坐标系原点一般选在，工件轴线与工件的前端面、后端面、卡爪前端面的交点上。27

对刀点是零件程序加工的起始点，也称为“起刀点”或“程序起点”。对刀的目的是确定程序原点在机床坐标系中的位置，对刀点可与程序原点重合，也可在任何便于对刀之处，但该点与程序原点之间必须有确定的坐标联系。可以通过CNC将相对于程序原点的任意点的坐标转换为相对于机床零点的坐标。对刀点选择的原则：1、找正容易；2、编程方便；3、对刀误差小；4、加工时检查方便、可靠。

对刀使刀位点与对刀点重合的操作。刀位点指刀具的定位基准点。刀位点是指刀具的定位基准点，对于各种立铣刀，一般取刀具轴线与刀具底端面的交点；对车刀取刀尖；钻头取钻尖。28

数控机床分类和常见数控机床简介1.按控制运动的轨迹分类点位控制数控机床直线控制数控机床连续控制数控机床一、数控机床的分类数控机床的分类方法很多，目前无统一规定，下面介绍几种常用的分类方法：29

实行点对点的准确控制，而对其点到点之间的运动轨迹不作要求，刀具在定位运动过程中不进行切削，只是快速进给到定位位置（不与工件接触）。1）点位控制数控机床数控钻床、数控冲床属于点位控制数控机床。2）直线控制数控机床除了要控制刀具相对于工件（或工作台）的起点和终点的准确位置外，还要控制每一程序段的起点与终点的位移过程，使刀具以给定的进给速度作平行于某一坐标轴方向的直线运动。1-20数控车床、数控磨床属于直线控制数控机床。

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3）连续控制数控机床又称轮廓控制数控机床，能同时对两个或两个以上的坐标轴进行控制，从而按给定的规律和速度进行准确的轮廓控制，使其运动轨迹成为所需要的直线、曲线或曲面。数控车床、数控铣床、线切割机床属于连续控制数控机床。

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二、按伺服系统的类型分类数控机床伺服驱动系统的基本组成如图所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两种类型的伺服驱动系统的基本组成不完全相同。按伺服系统的特点，可分为：32

（1）开环控制数控机床特点：控制系统不带反馈装置，执行机构采用步进电动机工作原理：数控装置发出的脉冲指令通过步进驱动电路，使步进电动机转过相应的步距角，再经传动系统带动工作台移动优缺点：精度不高、结构简单、工作稳定，价格低33

（2）闭环控制数控机床特点：在工作台上安装直线位移检测装置，将测量的位移值反馈到数控装置中，与输入的指令值比较，再控制，消除差值。优缺点：精度高、结构复杂、价格高34

（3）半闭环控制数控机床特点：反馈环内没有传动系统，传动误差仍影响工作台的位移精度，故称半闭环控制优缺点：精度没闭环高，但调试简单，稳定性好、价格低35

三、按数控机床的显示分类（1）低档数控机床特点：经济型，根据加工要求，合理简化系统。一般采用开环步进电动机驱动，用数码管或CRT显示。36

（2）中档数控机床特点：用比较齐全的CRT显示，显示字符和图形，人机对话。（3）高档数控机床特点：CRT具有中档功能外，还具有三维图形显示。37

二常见数控机床简介

1.数控车床特点：两轴联动，Z轴与主轴方向平行的运动；X轴是在水平面内与主轴方向垂直的运动38

2.数控铣床特点：加工复杂三维曲面，操作方便，灵活，在汽车，模具，航天等行业广泛应用39

3.加工中心特点：具有自动刀具交换装置，并能进行多种工序加工的数控机床。一次装夹即可完成铣镗赚铰攻螺纹等多到工序的加工。分为立式，卧式和万能加工中心。40

4.数控磨床特点：加工高硬度、高精度表面，有平面磨床、内圆磨床、轮廓磨床5.数控钻床特点：钻孔，攻螺纹，铣削等功能。有立式和卧式钻床41

6.数控电火花成型机床特点：特种加工机床，其原理是利用两个不同极性的电极的放电，去除材料完成加工。适用于复杂模具及难加工材料的加工。42

电动（或液压）回转刀架7.数控线切割机床特点：原理与电火花成型加工一样，其电极是电极丝。用于普通机床难加工结构的加工43

1、数控机床加工的特点：

数控机床的加工特点加工精度高对加工对象的适应性强自动化程度高生产效率高良好的经济效益有利于现代化管理44

（1）加工轮廓简单、精度要求低或生产批量特别大的零件。（2）装夹困难或必须依靠人工找正、定位才能保证加工精度的单件零件。（3）加工余量特别大或材质及余量都不均匀的批件。（4）加工中，刀具的质量（耐用度）特别差时。2、不适宜数控机床加工的范围45

（1）适用分期（不定期或周期）进行的轮番生产。（2）适用于多品种，中、小批量的生产。（3）在满足加工要求的前提下，应选择档次尽可能低一点的数控机床。（4）数控机床加工依赖于各种数字化信息指令3、数控机床的应用范围46END47机械工程实验教学中心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。数控编程的目的机械工程实验教学中心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。数控编程的内容机械工程实验教学中心数控编程的基本原理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机械工程实验教学中心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M