第1章 数控机床编程

数控机床编程及应用主讲袁德为合肥腾飞职业技术学校课程安排总学时：40学时，理论36学时实验4学时考核：100分=平时成绩20分+期末考试80分平时成绩20分：考勤5分+作业5分+实验10分期末考试80分：笔试80分

课程基本要求掌握数控机床的组成及结构特点掌握数控车床的手工编程掌握数控铣床的手工编程掌握数控机床的基本操作，能够独立完成零件的编程与加工了解加工中心的编程与操作掌握CAM软件零件造型及后置处理方法，能通过自动编程独立完成零件的编程与加工第1章数控机床基本知识1.1数控机床的产生与发展1.2数控机床的组成结构及工作原理1.3数控机床加工过程的控制与特点1.4数控机床的分类

1.5机床数控技术的发展趋势1.1数控机床的产生与发展随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事（东芝事件）等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备，东芝事件20世纪80年代初，由于日本东芝机械公司背着巴黎统筹委员会，向前苏联出售高精密的加工船用螺旋桨的数控机床一事，造成了震动国际政坛的“东芝事件”。背景始于美国和前苏联核潜艇技术的竞争。据统计，前苏联有256艘攻击型核潜艇，而美国只有96艘，但美国的核潜艇噪声小，苏联的核潜艇噪声大。一般情况下，美国的反潜系统在距前苏联核潜艇200海里时，便能发现它并辨别其特征，因此，前苏联若不尽快设法清除噪声，一旦爆发战争，前苏联的核潜艇将是一推废铁。核潜艇的噪音主要是由螺旋桨造成的。1981年，前苏联谋求从日本东芝机械公司进口MBP－10铣床。东芝机械公司明知这种机床在巴黎统筹委员会的货单上是绝对禁止向经互会成员国出口的，便以符合巴统规定的TDP70－110机床申请出口。在装船时，耍个掉包计，骗过日本通产省和海关的所有官员，甚至还派人员到列宁格勒安装调试机床。效果很快显示出来：前苏联新型攻击核潜艇的噪声降到原来的1／10及到1％，美国潜艇必须靠近到20海里以内才能发现并跟踪前苏联潜艇。美国若要保持其优势，必须改进反潜系统，估计需要花费200至400亿美元。事情败露后，日本通产省宣布在一年内禁止东芝机械公司向14个国家出口产品，仅此一项使东芝机械公司损失1亿美元。

美国对见利忘“义”的东芝报复更为激烈，国会通过法案，禁止东芝公司电子产品进入美国市场。在日本，许多当事人被捕，东芝机械公司乃至东芝公司首脑先后引咎辞职，一时间东芝股票价格猛跌，企业陷入困境。

普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。一种新型的生产设备——数控机床就应运而生了。帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）合作，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。1959年，美国克耐·杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功开发了加工中心（MachiningCenter）。1.2数控机床的构成与工作原理1.2.1数控机床的组成输入装置输出装置计算机数控装置PLC主轴控制单元主轴机床伺服电机速度控制单元工作台位置检测反馈装置1.控制介质数控机床工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。2．数控系统数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件，数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置4大部分组成。3．伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。目前所使用的数控系统脉冲当量通常为0.001mm/脉冲。4．辅助控制系统辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。5．机床本体机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。1.2.2数控机床的关键结构部件1．伺服系统驱动电机（1）步进电动机步进电动机通常用于开环伺服系统机床。（2）直流伺服电动机①小惯量直流电动机②宽调速直流电动机③无刷直流电动机（3）交流伺服电动机近年来新型功率开关器件、专用集成电路和新的控制算法等的发展带动了交流驱动电源的发展，使其调速性能更能适应数控机床伺服系统的要求。交流速度控制系统正逐步取代直流速度控制系统。2．位置检测装置检测装置是把位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字送回计算机，和脉冲指令信号相比较，以控制驱动元件正确运转。（1）感应同步器感应同步器是一种电磁式的高精度位移检测元件，按其结构方式的不同可分为直线式和旋转式两种，前者用于长度测量，后者用于角度测量。感应同步器的特点是：精度高，工作可靠，抗干扰性强，维护简单，寿命长，可测量长距离位置，成本低，易于批量生产。（2）光栅光栅就是在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻划很多条与运动方向垂直的条纹，条纹之间的距离成为栅距。光栅测量装置是一种非接触式测量，利用光路减少了机械误差，具有精度高，响应速度快等特点，因此是数控机床和数显系统常用的检测元件。（3）磁栅磁栅是用电磁的方法计算磁波数目的一种位置检测元件，磁栅测量装置由磁性标尺、读取磁头和检测电路组成。磁栅位置检测电路的特点是：容易制造，检测精度高（能达到每米±3

m），安装使用方便，对环境条件要求较低，若磁性标尺膨胀系数与机床一致，可在一般车间使用。由于磁头与磁栅为有接触的相对运动，因而有磨损，使用寿命受到一定的限制。一般使用寿命可达到5年，涂上保护膜后寿命则可进一步延长。（4）旋转变压器旋转变压器是一种角位移检测元件，由定子和转子组成，分为有刷和无刷两种形式。有刷旋转变压器定子和转子均为两相交流分布绕组。数控机床检测装置主要使用无刷旋转变压器，因为无刷旋转变压器具有可靠性高、寿命长、体积小、不用维修以及输出信号大、抗干扰能力强等优点。（5）脉冲编码器脉冲编码器是把机械转角转化为电脉冲的一种常用角位移传感器。（6）测速发电机测速发电机是速度反馈元件，相当于一台永磁式直流电动机。3．进给运动传动部件滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型理想传动装置。具有如下优点。（1）传动效率高。（2）摩擦力小。（3）使用寿命长。（4）经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。（5）反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。4．CRT显示及其接口5．数控机床通信RS-232接口1.3

数控机床加工过程的控制与特点数控系统的主要任务之一就是控制执行机构按预定的轨迹运动。一般情况是已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，由数控系统实时地算出各个中间点的坐标。即需要“插入、补上”运动轨迹各个中间点的坐标，通常这个过程就称为“插补”。1．逐点比较法直线插补2.数字积分法圆弧插补③插补计算过程 偏差判断 坐标进给 偏差计算 终点判别1.4数控机床的分类1.4.1按控制系统的特点分类1．点位控制数控机床 这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。2．直线控制数控机床这类机床主要有数控车床、数控磨床和数控镗铣床等，相应的数控装置称为直线控制装置。3．轮廓控制数控机床属于这类机床的有数控车床、数控铣床、加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓数控装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，功能齐全得多。1.4.2按进给伺服系统的类型分类1．开环进给伺服系统数控机床 开环进给伺服系统通常不带有位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。2．闭环进给伺服系统数控机床 闭环进给控制系统带有位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移，并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。3．半闭环进给伺服系统数控机床 半闭环进给伺服系统是将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服机构的转角，将此信号反馈给数控装置进行指令值比较，用差值控制伺服电动机。1.4.3按工艺用途分类1．金属切削类数控机床金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。2．金属成型类数控机床金属成型类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。3．数控特种加工机床数控特种加工机床如数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光切割机床等。4．其他类型的数控机床其他类型的数控机床如数控三坐标测量机等。1.4.4按所用数控装置的构成方式分类1．硬线数控系统2．软线数控系统1.5机床数控技术发展趋势第1代数控机床：1952年～1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（MNC）。1．计算机直接数控系统所谓计算机直接数控（DirectNumericalControl，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。2．柔性制造系统