数控铣床教学基础篇

《数控加工技术》基础篇模块一数控概念及数控机床的产生

一、概念数控（NC）机床：采用数字化信号对机床的运动及加工过程进行控制的机床，称为数控机床。计算机数控（CNC）：采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能，则称为计算机数控。加工中心（MC）：具有刀库、自动换刀装置并能对工

件进行多工序加工的数控机床。模块一数控概念及数控机床的产生模块一数控概念及数控机床的产生二、数控机床的产生和发展

1、产生机械产品的自身要求模块一数控概念及数控机床的产生1、产生单件、多品种小批量零件约占80%以上变斜角零件

叶轮（曲面类零件）

箱体类零件a）组合机床主轴箱b）分离式减速箱c）车床进给箱d）泵壳模块一数控概念及数控机床的产生1952年美国Parsons公司和MIT三坐标数控立铣床1955年数控机床进入实用化阶段-复杂曲面加工数控系统采用电子管元件-电子管时代1959年采用晶体管和印制电路板-第二代数控系统1965年出现小规模集成电路-第三代数控系统1970年出现小型计算机代替专用硬接线装置-第四代数控系统（CNC系统）1974年以微处理器为核心的数控系统-第五代数控系统（MNC系统）1990年以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统-第六代数控系统2、发展印制电路板集成电路微处理器PC机3、我国1958年起步20世纪60年代末70年代初—研制出一些晶体管式数控系统20世纪80年代初1985年进入实用阶段1986—1990年数控机床大发展时期1991年300多种模块一数控概念及数控机床的产生原中捷友谊厂生产中国第一台数控机床三、数控机床的组成模块一数控概念及数控机床的产生1、（控制介质）加工程序载体控制介质—人与机床之间建立某种联系，这种联系的

中间媒介物称为控制介质。程序—包括加工零件所需的全部信息和刀具相对工件的位移信息。载体—穿孔纸带、磁带、磁盘（软盘、硬盘、内存RAM）模块一数控概念及数控机床的产生模块一数控概念及数控机床的产生穿孔纸带示例模块一数控概念及数控机床的产生2、数控（CNC）装置

作用：接受输入装置传来的加工信息，根据输入的零件加工程序进行相应的处理，然后输出控制命令到伺服驱动装置和PLC。CNC装置是CNC系统的核心。组成：输入装置信息处理输出装置模块一数控概念及数控机床的产生（1）输入装置作用：将程序载体内有关加工的信息读入CNC装置穿孔纸带—光电阅读机磁带—录放机磁盘—驱动器和驱动卡MDI—手动输入USB接口RS232C接口DNC接口模块一数控概念及数控机床的产生（2）信息处理作用：将程序载体内有关加工的信息编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。

模块一数控概念及数控机床的产生（3）输出装置作用：根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲，并把它送到各坐标的伺服控制系统，经过功率放大，驱动伺服系统，从而控制机床按规定要求运动。模块一数控概念及数控机床的产生3、伺服系统（伺服控制装置）作用：将数控装置发来的各种动作指令，转化成机床移动部件的运动。电动机（伺服驱动器件）：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机模块一数控概念及数控机床的产生4、检测反馈系统位置和速度测量系统。以实现进给伺服系统的闭环控制。

作用：保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：模块一数控概念及数控机床的产生5、机床本体主运动系统进给运动系统辅助部分模块一数控概念及数控机床的产生模块二数控机床的分类

一、按加工工艺方法分类1、普通数控机床与普通机床的区别：加工复杂形状的零件2、数控加工中心数控加工中心：带有刀库和自动换刀装置的数控机床。与一般数控机床的区别：减少机床台数，便于管理。减少定位误差工序集中，减少辅助时间，提高生产率减少专用工夹具数量模块二数控机床的分类

二、按工艺用途分类1、金属切削类数控机床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）。6）数控齿轮加工机床（NCGearHollingMachine）。7）数控平面磨床（NCSurfaceGrindingMachine）。模块二数控机床的分类

4、其它类型数控机床2、金属成型类数控机床1）数控电火花加工机床（NCDiesinkingElectricDischargeMachine）。2）数控线切割机床（NCWireElectricDischargeMachine）。3）数控激光加工机床（NCLaserBeamMachine）。3、数控特种加工机床模块二数控机床的分类

数控剪板机数控折弯机数控电火花线切割机录像三坐标测量机三、按运动方式分类特点：数控装置只能控制点与点的精确定位两相关位置之间的移动是先快后慢点与点之间运动轨迹不需要严格控制刀具在移动过程中不进行切削1、点位控制数控机床模块二数控机床的分类

采用这种控制方式的机床有数控钻床、数控冲床、数控镗床等模块二数控机床的分类

2、直线控制数控机床定义：是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削的系统。三、按运动方式分类模块二数控机床的分类

特点：控制两相关点的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45°角的方向进行直线移动和切削加工。刀具在移动过程中进行切削2、直线控制数控机床三、按运动方式分类模块二数控机床的分类

采用这种控制方式的机床有数控铣床、数控车床、数控磨床等模块二数控机床的分类

3、轮廓控制数控机床定义：是指数控系统能够连续控制两个或两个以上坐标方向联合运动的系统。三、按运动方式分类模块二数控机床的分类

3、轮廓控制数控机床特点：数控装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续插补控制加工复杂形状零件刀具在移动过程中进行切削三、按运动方式分类模块二数控机床的分类

采用这种控制方式的机床有数控铣床、数控车床、加工中心等模块二数控机床的分类

四、按伺服系统的控制方式分类1、开环数控机床特点：没有位置检测反馈和校正控制装置数控装置发出信号的流程是单向的速度和加工精度低，其精度取决于伺服系统的性能成本低，适用于中、小型数控机床

数控装置驱动电路步进电动机工作台指令脉冲齿轮箱模块二数控机床的分类

2、闭环数控机床特点：e=0，工作台停止检测工作台直线位移（检测元件：感应同步器、光栅）驱动元件：宽调速直流或交流伺服电机加工精度高，但结构复杂，造价高，调试维修困难适用于精度要求高的大型和精密机床

数控装置位置比较电路伺服电动机工作台指令脉冲齿轮箱速度控制电路

测量装置检测元件测速元件模块二数控机床的分类

3、半闭环数控机床特点：检测丝杠或电动机轴旋转角位移角位移检测元件：旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等精度低于闭环系统系统调试较容易，稳定性也较好

数控装置位置比较电路伺服电动机工作台指令脉冲齿轮箱速度控制电路

测量装置检测元件测速元件模块二数控机床的分类

五、按可联动轴数分类模块二数控机床的分类

模块二数控机床的分类

经济型数控机床步进电机实现的开环驱动，功能简单、价格低廉、精度中等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧及螺纹加工。一般控制轴数在3轴以下，脉冲当量（分辨率）多为0.01mm，快速进给速度在8-15m／min。六、按数控系统功能水平分类模块二数控机床的分类

六、按数控系统功能水平分类中档型数控机床采用交流或直流伺服电机实现半闭环驱动，能实现4轴或4轴以下联动控制，脉冲当量为1um，进给速度为15-24m／min，一般采用16位或32位处理器，具有RS232C通信接口、DNC接口和内装PLC，具有图形显示功能及面向用户的宏程序功能。模块二数控机床的分类

六、按数控系统功能水平分类高档型数控机床采用交流伺服电机形成闭环驱动，开始采用直线伺服电机，能实现5轴以上联动，脉冲当量（分辨率）为0.1um，进给速度可达100m／min以上。一般采用32位以上微处理器，形成多CPU结构。编程功能强，具有智能诊断、联网和通信功能。模块二数控机床的分类

模块三数控加工技术的发展趋势

1、高速度化机械方面：提高切削速度和减少辅助时间数控系统：CPU64位

主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。

–主轴最高转速达200000r/min。

–主轴转速的最高加（减）速为1.0g。换刀速度

–0.9秒（刀到刀）

–2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度

6.3秒模块三数控加工技术的发展趋势

高速加工示例模块三数控加工技术的发展趋势

2、高精度化提高机械设备的制造和装配精度；提高CNC系统的控制精度；采用误差补偿技术。

提高CNC系统的控制精度采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01mm/脉冲）；模块三数控加工技术的发展趋势

采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。模块三数控加工技术的发展趋势

3、多功能化：功能复合化功能复合化体现在：工件自动装卸，工件自动定位，刀具自动对刀，工件自动测量与补偿，集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工机床”等。模块三数控加工技术的发展趋势

自动对刀激光对刀自动测量自动装夹模块三数控加工技术的发展趋势

镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头）；铣镗钻车复合—复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；铣镗钻磨复合—复合加工中心（ATC，动力磨头）；可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；模块三数控加工技术的发展趋势

4、智能化“不仅有体力，而且有头脑，自己管理自己”配置各种微型传感器，具有监控和误差自动补偿等功能。自主管理加工程序仿真、作业排序、数据采集、刀具寿命管理和网络通信模块三数控加工技术的发展趋势

驱动并联化模块三数控加工技术的发展趋势

虚拟轴机床1—工作台2—工件3—刀具4—主轴箱5—导杆6—立柱模块三数控加工技术的发展趋势

设计巧妙的5杆并联机构电滚珠丝杠电主轴模块三数控加工技术的发展趋势

5、高可靠性提高元器件和系统的可靠性采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力使数控系统模块化、通用化和标准化提高自诊断及保护功能90年代数控机床可靠性水平MTBF≥800～900h本世纪初数控机床可靠性水平MTBF≥1000h～1200h模块三数控加工技术的发展趋势

RS232C串行接口、RS422等接口；DNC接口，实现多台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制；有的已配备与工业局域网（LAN）通信的功能以及MAP接口，促进系统集成化和信息综合化，使远程操作和监控、遥控及远程故障诊断成为可能。6、具有更高通信功能模块三数控加工技术的发展趋势

7、制造系统自动化FMC：柔性制造单元FMS：柔性制造系统CIMS：计算机集成制造系统模块三数控加工技术的发展趋势

模块三数控加工技术的发展趋势

模块三数控加工技术的发展趋势

CIMS：计算机集成制造系统模块三数控加工技术的发展趋势

模块四数控机床坐标系在国际ISO标准中，数控机床坐标轴和运动方向的设定均已标准化，我国机械工业部1982年颁布的JB3051-82标准与国际ISO标准等效。

一、数控机床坐标系的规定原则模块四数控机床坐标系规定：永远假定刀具相对于静止的工件而运动的原则。二、标准坐标系的规定1、右手笛卡尔直角坐标系（右手直角坐标系）模块四数控机床坐标系2、刀具运动坐标与工件运动坐标在坐标系中，字母不带“′”的坐标表示工件静止、刀具运动的坐标字母带“′”的坐标表示工件运动、刀具静止的坐标+Z’+X+Y’+Y+Z+X’+A+B+C模块四数控机床坐标系3、运动的正方向规定：增大刀具与工件之间距离的方向规定为机床某一部件运动的正方向模块四数控机床坐标系三、运动方向的确定（坐标轴确定）坐标轴的确定顺序为：Z轴、X轴、Y轴1、Z轴一般取传递切削动力的主轴轴线方向方向为Z轴正方向：增大刀具与工件之间距离的方向（刀具远离工件的方向为正方向）当机床有几个主轴时，选一个垂直工件装卡面的主轴为Z轴当机床没有主轴时，选与装卡工件的工作台面相垂直的直线为Z轴模块四数控机床坐标系+Z+Z模块四数控机床坐标系模块四数控机床坐标系2、X轴刀具旋转（例：数控铣床）主轴垂直（立式）：面对主轴（工件）向右为正主轴水平（卧式）：面对主轴（工件）向左为正模块四数控机床坐标系2、X轴工件旋转（数控车床）在水平面内取垂直于工件回转轴线的方向为X轴正方向：增大刀具与工件之间距离的方向（刀具远离工件的方向为正方向）模块四数控机床坐标系+X+Z3、Y轴按右手直角坐标系确定模块四数控机床坐标系车床坐标系

立铣床坐标系

卧铣床坐标系4、A、B、C轴旋转坐标模块四数控机床坐标系旋转运动A、B、C相应地表示其轴线平行于X、Y、Z的旋转运动，其正方向按照右旋螺纹旋转的方向。5、附加坐标主坐标或第一坐标系：X、Y、Z第二组附加坐标：U、V、W第三组附加坐标：P、Q、R旋转坐标：D、E模块四数控机床坐标系4轴联动的数控机床的坐标系模块四数控机床坐标系5轴联动的加工中心的坐标系模块四数控机床坐标系模块四数控机床坐标系四、绝对坐标系与相对坐标系1、绝对坐标：坐标系内所有坐标点的坐标植均从某一固定点坐标原点计量的坐标系，称为绝对坐标系。模块四数控机床坐标系四、绝对坐标系与相对坐标系2、相对坐标：坐标系内某一位置的坐标尺寸用相对于前一位置的坐标尺寸的增量进行计量的坐标系，称为相对坐标系。1、机床坐标系、机床原点、机床参考点数控车床坐标系的原点

模块四数控机床坐标系五、数控机床的两种坐标系机床坐标系是机床上固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具(刀架)或工件(工作台)位置的参考系，并建立在机床原点上。1、机床坐标系（机械坐标系）模块四数控机床坐标系五、数控机床的两种坐标系数控铣床坐标系的原点

在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上模块四数控机床坐标系机床参考点机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。模块四数控机床坐标系数控铣床上机床原点和机床参考点是重合的；数控车床上机床参考点是离机床原点最远的极限点。2、工件坐标系（编程坐标系）设置工件坐标系原点的原则：尽可能选择在工件的设计基准和工艺基准上，工件坐标系的坐标轴方向与机床坐标系的坐标轴方向保持一致数控车床工件坐标系的原点

数控铣床工件坐标系的原点

模块四数控机床坐标系机床坐标系与工件坐标系的关系模块四数控机床坐标系对刀模块四数控机床坐标系X轴对刀Z轴对刀模块四数控机床坐标系模块五数控编程的步骤一、数控机床编程的概念数控编程：从分析零件图纸到制成数控机床所能识别的数控加工程序的过程，称为数控编程。程序单：记录工艺过程、工艺参数的表格，称为程序单。模块五数控编程的步骤二、数控编程的内容和步骤1.数控编程的内容数控编程的主要内容有：分析零件图样，确定加工工艺过程；数值计算；编写零件加工程序单；输入程序/传送程序；程序校验，首件试切。2.数控编程的步骤模块五数控编程的步骤（1）分析零件图样和工艺处理数控加工合理性分析：哪些零件适合于数控机床的加工以及适合于在哪一类机床上加工。合理性分析考虑的因素是：零件的技术要求能否保证；对提高生产率是否有利；经济上是否合算。模块五数控编程的步骤分析零件图中的尺寸标注方法统一基准标注方法分散基准标注方法fabcdedfabceXYO模块五数控编程的步骤分析构成零件轮廓的几何元素条件SR5121432

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12模块五数控编程的步骤例1工件的内腔与外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸分析工件结构的工艺性