第1章数控加工概述和数控机床编程及加工

第一节数控加工的概念第一章数控加工概述第二节数控机床的组成及分类第三节常见数控机床简介第四节数控机床的控制系统第五节数控加工技术的发展第六节以数控机床为基础的生产自动化技术第一节数控加工的概念

一、数字控制与数控机床数字控制（NumericalControl)，是用数字化信号对机床运行及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控（NC）。数控机床（NumericalControlMachineTools)是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序。二、数控机床的工作原理数控加工原理如下图所示：三、数控加工的定义数控加工是指在数控机床上对工件进行自动加工的一种工艺方法。

四、数控加工的特点（1）柔性自动化，具有广泛的适应性。（2）精度高，质量稳定。（3）生产效率高。（4）能实现复杂零件的加工。（5）减轻劳动强度，改善劳动条件。（6）有利于现代化生产与管理。数控机床的初始投资及维护费用较高，对操作与管理人员的素质要求较高。

五、数控加工常用术语1.数控机床的可控轴数：指机床数控系统可控制的、按加工要求运动的坐标轴数目。2.数控机床的联动轴数：指机床数控系统可同时控制的、按加工要求运动的坐标轴数目。3.脉冲当量：数控装置每发出一个脉冲信号使机床移动部件产生的位移量。4.插补：数控系统依照一定方法确定刀具运动轨迹，使刀具运动轨迹以一定精度逼近给定线段的过程。插补a)直线插补b)圆弧插补第二节数控机床的组成及分类

一、数控机床的组成

数控机床一般由输入输出设备、数控装置、操作面板、进给伺服系统、主轴驱动系统、可编程控制器（PLC）、位置检测装置及其接口电路和机床本体等部分组成，如图所示。

数控机床的组成二、数控机床的分类目前数控机床的品种、规格繁多，功能各异，通常可按下列几种方法进行分类。（一）按控制的运动轨迹分根据数控机床刀具与工件相对运动轨迹的类型，可将数控机床划分为点位控制、直线控制和轮廓控制三种类型。如下图所示：(a)点位控制(b)直线控制(c)轮廓控制（二）按伺服控制方式分

主要有开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。开环控制系统框图

1．开环控制数控机床

开环控制数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号是单方向传送的。闭环控制系统框图

2．闭环控制数控机床

闭环控制数控机床在其移动部件上直接装有直线位置检测装置，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的位移值进行比较，用差值进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，实现移动部件的精确定位。半闭环控制系统框图3．半闭环控制数控机床

半闭环控制数控机床的位置检测元件安装在伺服电机上，通过测量伺服电机的角位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置（或位移），反馈到计算机数控装置中进行位置比较，用比较的差值进行控制。

（三）按工艺用途分按其工艺用途可分为四大类。

（四）按数控系统的功能水平分按照数控系统的功能水平，数控机床可以分为三种类型。

2.普及型3.高档型第三节常见数控机床简介一、数控车床

（一）数控车床的组成

如图所示：数控车床由主轴箱、刀架、进给传动系统、床身、液压系统、冷却系统、润滑系统等部分组成。（二）数控车床的特点数控车床与普通卧式车床相比具有以下几个特点：（1）精度高。（2）效率高。（3）高柔性。（4）可靠性高。（5）工艺能力强。

（三）数控车床的分类（1）经济型数控车床。（2）全功能型数控车床。（3）FMC车床。（1）卧式数控车床。（2）立式数控车床。（1）两轴（2）四轴（双刀架）

二、数控铣床（一）数控铣床的用途及特点用途：一般情况下，在数控铣床上只能用来加工平面曲线的轮廓。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加进一个回转的A坐标或C坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台，这时机床的数控系统为四坐标的数控系统，可用来加工螺旋槽、叶片等立体曲面零件。

与普通铣床比数控铣床的特点如下：（1）加工精度高。（2）加工质量稳定可靠。（3）对零件加工的适应性强、灵活性好。（4）生产自动化程度高，操作者劳动强度低。（5）生产效率高。（6）适合加工复杂形状或精度要求高的中小批量零件。（二）数控铣床的分类数控铣床通常按其主轴位置的不同分为下面三类：（1）立式数控铣床（2）卧式数控铣床（3）立卧两用式数控铣床

三、加工中心（一）加工中心的特点（1）具有刀库和自动换刀装置。（2）带有自动摆角的主轴。（3）有的加工中心带有自动交换工作台。

（二）加工中心的的分类（1）车削中心（2）铣削加工中心（1）立式（2）卧式（3）龙门式（4）复合式（1）转塔刀库加工中心（2）无机械手的加工中心（3）带刀库、机械手的加工中心

四、数控线切割机床

数控电火花线切割加工是利用作为负极的电极丝（钼丝或铜丝）和作为正极的工件之间脉冲性火花放电的腐蚀作用来对工件进行加工的一种方法。在加工中，电极丝相对于工件的运动轨迹由数控程序控制，实现数控加工。

数控线切割机床

数控电火花线切割机床按其走丝速度分为快速走丝和慢速走丝线切割机床两大类。第四节数控机床的控制系统一、数控机床控制系统的硬件组成

控制系统的硬件主要包括：微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能控制接口等部分。（一）微机基本系统微机基本系统是数控机床的控制核心。其主要部分是一台计算机。主要用于将加工程序编译成计算机可识别的信息，然后进行处理和存储。（二）接口二、数控机床控制系统的软件组成及功能控制系统软件由许多功能模块组成。其中加工程序译码、预处理计算、插补运算与位置伺服四个功能模块主要实现位置控制。另外还有一些模块，其功能可从它们的名称反映出来，如系统管理功能，加工程序输入与存储模块，S（主轴）、T（刀具）、M（辅助）功能处理与数据输入/输出模块，显示服务模块，加工程序编辑模块，手动自动模块，手动数据输入功能模块，系统监视与故障诊断模块等。三、典型数控系统（一）日本FANUC系列数控系统FANUC公司生产的CNC产品主要有0系列、1X系列。（二）德国SIEMENS公司的数控系统SIEMENS数控系统常用的有SINUMERIK810,820T/M/G,840D/T,802D等几种。（三）华中数控系统HNCHNC是武汉华中数控研制开发的国产型数控系统。已开发和应用的产品有HNC－1和HNC－2023两个系列，共计16种型号。

四、开放式数控系统简介（一）开放式数控系统的定义符合系统规范的应用系统，可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其他系统的应用程序进行互操作，并且能够给用户提供一致性的人机交互方式。（二）开放式数控系统的特点（1）相互操作性（2）可移植性（3）可缩放性（4）相互替代性第五节数控加工技术的发展一、数控加工技术的发展历程1949年，美国帕森斯公司与麻省理工学院合作，开始了铣床的数控化研制工作，于1952年研制成功了世界上第一台能进行三轴控制的立式数控铣床。1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻螺纹等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心。1967年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统FMS。1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC(计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程。利用CAD(计算机辅助设计)绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。DNC(直接数控)技术始于20世纪60年代末期。它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。DNC群控技术是FMS柔性制造技术的基础。随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。

20世纪80年代，出现了包括市场分析、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS。其中，数控机床是CIMS的基础。我国1958年开始研制数控机床，但没有取得实质性的成果。20世纪80年代前期，我国在引进国外先进的数控技术的基础上，加强了数控机床的研究和数控机床的生产，使我国的数控机床进入小批量生产的商品化时代。通过“七五”数控技术攻关和“八五”数控系统攻关，大大推进了我国数控机床的发展。目前我国已有自主版权的数控系统，并能生产门类齐全的各种数控机床，有些企业实施了FMS和CIMS工程，数控机床及其加工技术进入了实用阶段。二、数控加工技术的发展方向

1.高速化2.高精度化3.高柔性化4.复合化5.网络化6.智能化第六节以数控机床为基础的生产自动化技术采用单台数控机床实现单工序柔性自动化加工，对生产率的提高还是有限的，必须发挥生产线和整个制造系统的效能，为此出现了分布式数字控制（DNC）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。一、分布式数字控制（DNC）分布式数字控制（DistributedNumericalControl，简称DNC），原来称直接数字控制（DirectNumericalControl），是用一台计算机直接控制数台数控机床，形成分级连接和控制的制造系统，因此称为分布式数字控制系统更为合适，也称群控系统。中央计算机主要对多台数控系统进行数控加工程序和有关数据的分配，并分时监控各台数控系统的运行，会进一步提高数控机床的生产率。二、柔性制造单元（FMC）柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell，简称FMC），是由一或两台数控加工中心和自动上下料装置组成，它是实现单工序或双工序加工的可变加工单元，是最简单的柔性制造系统。

三、柔性制造系统（FMS）FMS目前尚无统一定义。在我国有关标准中，对FMS的定义为：柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，简称FMS）是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，以适宜于多品种、中小批量生产。四、计算机集成制造系统（CIMS）人们将CIM定义为：“CIM是一种组织、管理与运行企业生产的先进哲理，它在计算机和网络的支撑下，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术等，将企业生产经营全过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流与物质流有机地集成并优化运行，以实现产品高质量、低成本、上市快、服务好，从而使企业赢得市场竞争。”我们也可以把FMS通俗地理解为“用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益”。

复习思考题1.简述数控加工的定义和数控加工的特点。2.简述数控机床的工作原理。3.简述数控机床的分类。4.什么是数控机床的轴数和联动轴数？

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2无效M23√9S主轴转速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000√OpenSoftCNC软件介绍在程序管理界面下，可进行有关