数控编程概述和数控机床编程及加工

刘军（）QQ：281663747适用专业:机设数控机床与编程第一节数控机床的产生与发展第一章数控机床概述第三节数控机床的组成和工作原理第四节数控机床的分类第二节数控机床的特点及适用范围第一节数控机床的产生与发展

2.制造业的发展需求产品日趋精密、复杂，改型频繁，提出高性能、高精度和高自动化要求一.产生背景1．传统机床的不足人工操作，劳动强度大难以提高生产效率人为误差，难以保证质量难以加工复杂形状的零件不利于生产管理现代化1．国外

1930年，数控专利

1948年，数控机床生产的萌芽

1952年，第一台数控铣床

1958年，第一台加工中心1968年，柔性制造系统

1974年，采用微处理器1990年，采用基于工业PC的计算机数控系统2．国内1958年，第一台数控铣床1975年，第一台加工中心20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统二．产生与发展历程第一节数控机床的产生与发展第一节数控机床的产生与发展

4.数控技术的基本概念数控技术：用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。数控系统：采用数控技术的控制系统。数控机床：用数字技术实施加工控制的机床。硬、软件数控软件数控第五代：微处理器数控(1974年)第四代：小型机数控硬件数控第三代：集成电路式第二代：晶体管分立元件式第一代：电子管、继电器式ïïïþïïïýüþýüïþïýü3．数控系统的产生和发展1.设备情况

全国有一百家数控机床生产厂家。2023年进口数控花费44亿美元，出口6亿多数控系统：基于工业PC的计算机数控系统伺服系统：开环、半闭环、闭环伺服系统，交直流伺服电机驱动检测装置：光栅尺、光电脉冲编码器2.人才情况数量短缺：教育部的五大紧缺专业之一，大约缺人60万区域不均待遇较高3.培训情况职业教育高校教育劳动部数控工艺人员培训4.数控赛事全国数控技能大赛，在人民大会堂颁奖，各省也组织数控技能大赛三．国内现状第一节数控机床的产生与发展1.设备情况生产数控16台教学数控9台数控原理实验台3台自动编程机房3个(装有CAXA软件)2.课程安排金工实习(编程、操作)数控技术及应用数控加工工艺数控操作实训3.培训情况劳动部数控工艺人员培训：考试合格后劳动部发证，全国通用四．我校的现状第一节数控机床的产生与发展五.数控机床的发展趋势1高速化

采用高速的32位以上的微处理器，可提高数控系统的分辨率及实现连续小程序段的高速、高精加工。日本产的FANUC15系统开发出64位CPU系统，能达到最小移动单位时，最大进给速度为100m/min；直线电机直接驱动；电主轴。2多功能化3智能化

引进了自适应控制技术.自适应控制（AdaptiveControl，简称AC）技术是能调节在加工过程中所测得的工作状态特性，且能使切削过程达到并维持最佳状态的技术。4高精度化通过减少数控系统误差和采用补偿技术可提高数控机床的加工精度。5高可靠性通过提高数控系统的硬件质量，采用模块化、标准化和通用化来提高其可靠性；更多地使用软件。6具有更高的通信功能多台数控机床组成生产线或DNC系统，配置网络接口，实现远程监视和控制加工第一节数控机床的产生与发展六.先进制造技术简介1、计算机直接数控系统

：用一台中央计算机直接控制和管理一群数控设备进行零件加工或装配的系统。2、柔性制造单元和柔性制造系统：由加工中心与工件自动交换装置组成，同时，增加了自动检测与工况自动监控等功能。3、计算机集成制造系统

：其核心是一个公用的数据库，对信息资源进行存储与管理，并与各个计算机系统进行通信。第一节数控机床的产生与发展第二节数控机床的特点及适用范围1.加工精度高，产品质量稳定2.劳动生产率高3.加工零件的适应性强，灵活性好4.减轻工人劳动强度5.生产管理水平提高

数控机床适用范围一．数控机床应用的特点二．数控机床适用范围数控机床适用于品种变换频繁、批量较小，加工方法区别大且复杂程度较高的零件。第三节数控机床的组成和工作原理数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成。1.输入输出设备2.数控装置3.伺服系统4.测量反馈装置5.机床本体输入输出设备数控装置伺服系统机床本体测量反馈装置数控机床组成图一.数控机床的组成第三节数控机床的组成和工作原理

1．程序的编制从零件图样到制成控制介质的全部过程。2．输入是把零件程序、控制参数和补偿数据输入到数控装置中去。3．译码将加工信息和其它辅助信息翻译成计算机能识别的数据形式并存在指定的内存专用区域。4．刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。5．插补根据给定速度和轮廓线型的要求，在轮廓之间，确定中间点的方法。6．位置控制和机床加工

插补二．数控机床的工作流程第四节数控机床的分类1.按机械加工的运动轨迹分类(1)点位控制数控机床(2)直线控制数控机床(3)轮廓控制数控机床2.按伺服系统的控制原理分类1.开环控制数控机床

工作台减速器开环控制系统框图步进电机控制电路数控装置输入第二节数控机床的分类2.闭环控制数控机床工作台

数控装置控制电路伺服电机闭环控制系统框图速度检测元件位置检测元件位置反馈速度反馈输入第二节数控机床的分类3.半闭环控制数控机床

数控装置控制电路伺服电机工作台速度检测元件转角检测元件半闭环控制系统框图速度反馈位置反馈输入第2章数控系统及其应用从前的NC装置是由各种逻辑元件、记忆元件和逻辑电路组成的，是一种固定接线的硬件结构，由硬件来实现数控功能。随着计算机技术的发展，由于微型计算机(以下简称微机)集成度高、体积小、可靠性好且价格低廉，很快被用于数控系统，称为计算机数控系统(CNC系统)。计算机数控装置可以是采用存储程序的专用计算机，也可以采用通用计算机加上接口电路板组成。它由软件来实现其部分或全部数控功能，具有良好的“柔性”，很容易通过软件来改变或扩展其功能，以适应各类数控机床的特殊要求。采用了计算机的数控机床，综合了计算机、传感器和测量技术、自动控制和机械制造等技术领域的最新成就，为柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)的发展奠定了基础。2.1CNC系统的组成和计算机的功用2.1.1CNC系统的组成图是一个典型的CNC系统的原理框图。系统由数控计算机、程序输入/输出装置和机床控制装置三部分组成。2.1.2CNC系统中的计算1.计算机的作用机床数控系统主要是一种位置控制系统。数控系统接收工件加工程序后，识别程序所注明的加工方式和加工尺寸，根据这些数据插补出理论的刀具轨迹，然后将插补的结果，输出到执行部件，使刀具按轨迹加工出所需形状的工件来。2.计算机的工作过程(1)工件加工程序的输入、编辑和存储。(2)工件加工程序的译码处理。(3)机床状态的监测。(4)刀具补偿。(5)插补计算。(6)伺服控制。(7)故障诊断。3.计算机的硬件结构(1)单微处理器结构。(2)多微处理器结构。2.1.3CNC系统中的可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)简称为可编程控制器(PLC)。PLC诞生于1969年，最初应用于汽车制造业的自动生产线等顺序控制的场合。由于其性能优越，可靠性高，现已取代传统的继电器逻辑，大量应用于各种机械和生产过程的控制，成为工业自动化的重要部件。1.PLC在数控机床中的功用2.PLC的工作原理3.PLC与CNC功能系统的连接(1) 通用型PLC(2) 内置式(集成式)2.1.4机床控制I/O部件的实现CNC系统要实现对机床的控制及其状态的检测，需要由专门的机床控制I/O部件来完成。因此，与普通的I/O接口相比，具有以下几个显著特点：(1)能够在计算机与输入/输出装置之间进行必要的信息形式的转换。(2)能够输入并可靠地传送控制机床动作的相应控制信息，同时应具备阻断或抑制干扰信号进入计算机的能力，防止误动作，增加可靠性。1.光电隔离电路2.信息转换电路举例2.2数控系统的模块化设计2.2.1概述模块之间的信息都可以通过母板进行交换。此外，每个模块与外设或控制对象的联系是靠模块另一端的连接插座引出各种控制信号，或从控制现场输入信息。采用标准总线模块化设计时，对每一模块的设计布局也有所规定，它主要是按照功能分布，将模块上的电气元件和电路作出合理安排。一般的原则是使每个模块的总线接口与I/O接口之间呈直线连接，尽量使信息传输路径最短。这样，一方面降低了总线信号和I/O信号之间的干扰，提高了可靠性，另一方面也便于故障诊断和维修。数控系统模块化设计有下列优点：(1) 提高了设计效率，缩短了系统的设计周期。(2) 通用性强，易于改进和扩展系统功能。(3) 有利于提高可靠性。(4) 便于调试和维修。(5) 降低了生产成本。2.2.2总线标准1.总线结构总线包括外部总线(如串行总线、并行总线)和内部总线。这里所说的总线为内部总线。所谓总线是指为多个功能部件服务的信息线。通常作为标准应从它的物理特性、功能特性、电气特性、时间特性等四个方面详细地向外界公布，以供用户使用。2.常用的标准总线(1)S-100总线(2)多总线(Multibus)(3)VME总线(4)STD总线3.总线标准的选择(1)根据CPU来选择(2)根据模块的几何尺寸来选择(3)根据总线的技术性能来选择

2.2.3总线功能模块模块化设计CNC系统时，选择总线功能模块是其主要任务。模块选择恰当，将会得到性价比更高的系统。以下分别叙述主要模块的选择。1.CPU模块CPU模块主要由微处理器、内部存储器和时钟电路等组成。2.存储器模块存储器模块主要用于系统内存的扩充。3.I/O模块I/O模块的种类较多，主要有数字量I/O、模拟量I/O、工业用I/O等模块和外部设备控制器等。4.专用功能模块(1) 中断控制器(2) 定时/计数器(3) 时钟模块(4) 掉电处理模块(5) 伺服控制模块2.3CNC系统中的插补运算2.3.1概述1.脉冲增量插补法脉冲增量插补法适用于以步进电动机作为驱动元件的开环数控系统。这类插补方法的特点是每个插补周期只产生一个行程增量。在整个插补过程中，计算机不断输出驱动步进电动机旋转的脉冲序列。2.数字增量插补法(数据采样插补法)这种插补方法与脉冲增量插补法不同，它的插补周期不随进给速度而变化。每次插补计算所输出的，是这个插补周期内的进给增量数据，可以控制一段距离的进给。2.3.2脉冲增量插补法

在普通的CNC程序中，逐点比较法得到了广泛的应用。以下介绍逐点比较法的计算过程，从中可以了解到软件插补的基本思路。1.逐点比较法逐点比较法的基本想法是：刀具在按照要求的轨迹运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较一下，根据比较结果，决定下一步的移动方向，使刀具更接近规定的轨迹。(1)直线插补(2)圆弧插补2.数字积分插补法数字积分插补法简称为DDA(DigitalDifferentialAnalyzer)法。它利用数字积分法，确定三刀具沿各坐标轴的位移，使得刀具沿着所加工的曲线进给。(1)直线插补(2)圆弧插补(3)速度分析2.3.3数字增量插补法(数据采样法)数据采样插补法的计算过程比较复杂，有时要用到浮点运算，插补占用CPU的时间长。但是，由于在每个插补循环中发出的指令位移增量大，使得这种插补方法的进给速度比脉冲增量插补法的进给速度高出很多。以下简单介绍数据采样法中的直线插补和圆弧插补。1.直线插补法2.圆弧插补法3.插补周期的选取(1)插补误差(2)插补周期与插补运算时间的关系(3)插补周期与位置反馈采样周期的关系(4)与寄存器长度的关系2.4CNC系统的控制软件CNC系统的控制软件是一系列完成各种各样功能的程序集合。设计这些程序的目的是为了充分发挥和完善计算机的硬件功能，使软件和硬件结合，形成一个具有规定功能的计算机控制系统。因此，了解控制软件的功能和实现方法对掌握CNC系统的工作原理是至关重要的。2.4.1CNC控制软件的组成图所示为典型的CNC系统控制软件组成形式。一个CNC系统控制软件主要由以下部分组成：系统总控程序；工件加工程序的输入和输出管理；工件加工程序的编辑；机床手动调整的控制；工件加工程序的解释和执行；插补运算；伺服系统；系统自检。2.4.2CNC控制软件的结构本节中将讨论如何将控制软件中的程序模块组合到一起，构成整体的控制软件的方式。CNC系统控制软件的构成方式，或者说软件的结构，主要有前后台型和中断驱动型两种。下面分别予以介绍。1.前后台型如图所示为一个典型的前后台结构的CNC控制程序的框图。

2.中断驱动型这种结构的控制程序实质上是一个多重中断系统。CNC系统中插补、进给、程序的输入/输出和显示、操作面板开关状态的改变等操作，都是通过识别不同的中断并执行对应的中断服务程序来实现的。2.5习题(1) 试述CNC系统的基本组成部分及各部分完成的主要功能。(2) 数控计算机一般连接了哪些输入输出设备？这些设备各完成什么功能？(3) 机床数控装置由哪两部分组成？各自的功能是什么？(4) 数控计算机在CNC系统中的主要作用是什么？(5) 对零件加工程序作译码处理的作用是什么？(6) 说明CNC装置的单微处理器结构的组成部分及其各部分的功能。(7) 系统的控制程序放在哪种存储器中，理由是什么？(8) 多微处理器结构的数控计算机有何特点？应用于什么场合？(9) CNC系统中的PLC完成哪些功能？CNC与PLC是怎样连接的？(10) 说明数控计算机的I/O接口的功能、作用、基本组成部分以及对它的特殊要求。(11) 光电耦合电路的作用是什么？说明常用的光电隔离器件的工作原理。(12) 在数控计算机中，机床控制I/O部件中为什么要进行D/A和A/D转换？(13) 试列举提高数控计算机可靠性的措施。(14) 为什么数控系统要采用模块化设计？(15) 说明数控计算机的总线的构成和各部分的功能。2.5习题(16) 在模块化设计中，常用的标准总线有几种？各适用于什么场合？如何选择总线标准？(17) 在构成一台数控计算机时，常配备哪些模块？(18) 什么叫作脉冲当量和最小设定单位？(19) 插补的作用是什么？(20) 插补方法分哪两大类？各有什么特点？各用于什么场合？(21) 什么叫作逐点插补法？试写出逐点插补法中直线插补和圆弧插补的偏差函数表达式。(22) 设oB为第一象限逆圆弧，起点为原点，终点B(0,6)，用逐点比较法加工该直线。(23) 设AB为第一象限逆圆弧，起点为A(6,0)，终点B(0,6)，用逐点比较法加工该圆弧。(24) 何谓DDA插补法？(25) 简述数字增量插补的基本过程。(26) 选取数字增量插补法的周期时，应考虑哪些因素？(27) 说明数控软件的组成部分和各部分的功能。(28) 数控程序软件有哪几种结构形式？它们各自的优缺点如何？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√