第一章 数控技术概述和数控机床编程及加工

主讲人：李国平济南大学机械工程学院数控技术5/15/20231第一章数控技术概述课程说明

本课程是机械工程及自动化专业学生必修的一门专业方向课。主要以数控机床为对象研究计算机数控系统的工作原理、组成及其应用。通过理论课教学和实验教学，使学生掌握简单数控编程，数控系统的硬件和软件设计思想，伺服进给系统组成和检测系统组成等。先修课程有：微机原理与应用，测试技术，机电传动控制，控制工程基础等。5/15/20232第一章数控技术概述课程说明推荐教材及主要参考书1.数控技术，张建钢，华中科技大学出版社2.机床数控技术，李郝林，机械工业出版社3.微机数控系统，黄大贵，电子科技出版社课程考核方案考试方式:闭卷。成绩评定：出勤、作业和课堂表现占总成绩的20%，期末考试成绩占总成绩的80%。5/15/20233第一章数控技术概述第一章数控技术概述

目录1.1基本概念与特点

1.2工作原理与分类

1.3发展状况

5/15/20234第一章数控技术概述§数控技术的基本概念与特点一概念：数控技术以数字量编程实现控制机械或其它设备自动工作的技术。数控设备一种设备的控制过程是以数字形式来描述的，工作过程是可编程序的并能在程序控制下自动地运行。5/15/20235第一章数控技术概述一概念：工作（加工，控制）要求数控程序工作（加工，控制）结果数控设备数控设备的工作原理图§数控技术的基本概念与特点5/15/20236第一章数控技术概述特点优点加工精度高、质量稳定；生产效率高、经济效益好；减轻操作者的劳动强度、操作简单；有利于生产管理的现代化；有利于向高级计算机控制方面发展；§数控技术的基本概念与特点5/15/20237第一章数控技术概述二特点缺点1．造价相对较高。2．维护比较复杂，需要专门的维护人员。3．需要高度熟练和经过培训零件编程人员。

§数控技术的基本概念与特点5/15/20238第一章数控技术概述§数控机床工作原理与数控系统的分类5/15/20239第一章数控技术概述一、数控机床的组成及工作原理数控车床5/15/202310第一章数控技术概述一、数控机床的组成及工作原理数控立式铣床5/15/202311第一章数控技术概述一、数控机床的组成及工作原理数控万能铣床5/15/202312第一章数控技术概述一、数控机床的组成及工作原理立式加工中心5/15/202313第一章数控技术概述一、数控机床的组成及工作原理卧式加工中心5/15/202314第一章数控技术概述一、数控机床的组成及工作原理五轴加工中心5/15/202315第一章数控技术概述一、数控机床的组成及工作原理数控电火花加工机床5/15/202316第一章数控技术概述（一）数控机床组成

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机等五部分组成。

控制介质数控装置伺服系统机床主机测量反馈装置5/15/202317第一章数控技术概述（二）数控机床的工作原理加工图纸编制数控程序输入装置数控装置伺服驱动位置检测辅助控制机床主运动进给运动辅助动作加工零件5/15/202318第一章数控技术概述二、数控系统的分类

数控设备的数据处理和控制电路以及伺服系统，统称为数控系统。

目前，数控系统的种类很多，分类方法不一。根据数控系统的基本原理，可以从如下几个不同的角度进行分类。5/15/202319第一章数控技术概述

(一)按运动轨迹分类

1．点位控制系统（P）

2．连续（轮廓）控制系统（C）5/15/202320第一章数控技术概述(二)按进给伺服系统的控制方式分类

1．开环数控系统

开环控制方式调试方便，维修简单，成本低，但控制的精度和速度受到限制。一般适用于精度要求不高的中、小型数控设备。5/15/202321第一章数控技术概述(二)按所用进给伺服系统的不同分类2．闭环数控系统闭环控制方式的优点是精度高，速度快，但调试和维修比较复杂、成本高。一般用于运动速度和精度要求较高的大、中型和精密数控系统上。

5/15/202322第一章数控技术概述半闭环伺服系统介于开环和闭环之间，精度比开环高，调试却比闭环容易，成本也比闭环低。目前这种伺服系统适用于大多数数控系统上。(二)按所用进给伺服系统的不同分类3．半闭环数控系统5/15/202323第一章数控技术概述

(三)按所用数控装置的构成方式分类

1．硬线数控系统(NC)

2．计算机数控系统(CNC)使用硬线数控装置，它的输入处理、插补运算和控制功能，都由专用的固定组合逻辑电路来实现，不同功能的机床，其组合逻辑电路也不相同。

由小型或微型计算机，加上通用或专用的大规模集成电路制成，数控机床主要功能几乎全部由系统软件来实现，所以不同功能的机床其系统软件也就不同，而修改或增减系统功能时，也不需变动硬件电路，只需改变系统软件。5/15/202324第一章数控技术概述

(四)按工艺用途分类

1．一般数控机床

2．数控加工中心机床和传统的通用机床种类一样，有数控的车、铣、镗、钻、磨床等，而且每一种又有很多品种，如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等。这类机床的工艺性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。在一般数控机床上加装一个刀库(可容纳10～100多把刀具)和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床(又称多工序数控机床或镗铣加工中心和车削中心，习惯上常简称为加工中心——MachiningCenter)，使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展。5/15/202325第一章数控技术概述(五)按联动轴(同时控制)数分类

1．2轴联动

2．3轴两联动(2.5轴联动)

3．3轴联动

4．4轴联动

5．5轴联动

同时控制五个坐标运动，即在三个移动坐标之外，再加上围绕这些直线坐标旋转的旋转坐标A、B、C中的任意两个坐标。适合加工叶片、叶轮或机翼。

同时控制四个坐标运动，即在三个移动坐标之外，再加一外旋转坐标。可用来加工叶轮或圆柱凸轮。

同时控制X、Y、Z三轴，这样刀具在空间有任意方向都可移动，因此可以进行三维的立体加工。

3轴两联动是指三个坐标轴(X，Y，Z)中任一时刻只能控制任意2轴联动，另一轴则是点位或直线控制。

可同时控制2轴，且相互独立。一般适用于平面曲线的轮廓加工。如数控车床、数控镗铣床。注：机床可能有3个轴，但同时控制的只有2个轴。5/15/202326第一章数控技术概述

数控机床轮廓控制系统一般都有点位和直线控制功能。目前世界上的数控系统，最多控制的轴数是24轴，同时联动轴数已达到6轴。

(五)按联动轴(同时控制)数分类5/15/202327第一章数控技术概述§1.3数控技术的发展状况数控机床的产生及其发展我国数控机床发展情况5/15/202328第一章数控技术概述一、数控机床的产生及其发展

采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是20世纪40年代初提出的。1947年，美国北密执安一个小型飞机承包商帕森斯公司(ParsonsCorporation)在制造飞机框架和直升飞机的机翼叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到了。5/15/202329第一章数控技术概述

1952年美国Parsons公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，成功地研制出一台三坐标联动的试验型数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床。

当时的电子元件是电子管(属第一代数控系统)。5/15/202330第一章数控技术概述数控系统发展历史5/15/202331第一章数控技术概述

目前市场上流行的和企业普遍使用的仍然是第五代数控系统，其典型代表是日本的FANUC-0系列和德国的Siemens810系列数控系统。近年来人们致力于开发基于Web的CNC系统(远程CNC系统)、智能CNC系统、CAD/CAM集成CNC系统。5/15/202332第一章数控技术概述二、我国数控机床发展情况

我国从1958年开始，由清华大学和北京机床研究所研制了101数控机床，一直到60年代中期处于研制、开发阶段。60年代末至70年代初研制成功X53K-1G数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。5/15/202333第一章数控技术概述我国数控系统发展历史5/15/202334第一章数控技术概述1.2023年的统计数据数控机床厂家：100数控系统厂家：50数控机床配套厂家：300年产量：14053台数控机床品种：1300产量数控化率：8%（95年3.6%）2.十五目标数控机床年增长率:>18%到2023年产量:25000－30000台品种:2023种数控化率:20%5/15/202335第一章数控技术概述作业：一、简述数控机床的组成和工作原理，以及各组成部分的功能。

5/15/202336第一章数控技术概述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√机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍在程序管理界面下，可进行有关数控加工程序文件的各种操作，如读入程序、编辑修改及查错编译等。每一个工件程序由若干个程序段组成；每一个程序段完成一个加工步骤；每一个程序指令有程序段号和若干个指令