数控技术和应用作业指导书

数控技术和应用作业指导书TOC\o"1-2"\h\u18098第1章数控技术概述 3129121.1数控技术基本概念 343301.2数控系统的组成与分类 319351.3数控技术的发展与应用 318389第2章数控编程基础 4192212.1数控编程的基本概念 489712.2数控编程的方法与步骤 4113142.3数控编程的坐标系与指令 531509第3章数控机床结构与原理 5141053.1数控机床的组成与分类 545953.1.1按照控制轴数分类 5311993.1.2按照加工方式分类 6105273.2数控机床的机械结构 6135733.2.1床身 662293.2.2立柱 675633.2.3横梁 6296703.2.4滑板 693563.2.5刀架 616383.2.6工作台 663103.3数控机床的电气系统 6166193.3.1电源系统 7224643.3.2数控系统 777463.3.3驱动系统 7153433.3.4反馈系统 763333.3.5保护系统 71157第4章数控机床的进给系统 739794.1进给系统的组成与分类 7175484.2伺服电动机及其控制 781234.3进给系统的传动与调整 827205第5章数控机床的主轴系统 8220995.1主轴系统的组成与分类 8203145.2主轴电动机及其控制 931055.3主轴系统的调速与制动 932741第6章数控机床的数控系统 93166.1数控系统的组成与功能 957626.1.1输入输出设备 9156836.1.2处理单元（CPU） 10158646.1.3存储器 1089256.1.4位置控制单元 10115976.1.5伺服驱动单元 10225476.1.6可编程逻辑控制器（PLC） 10228356.1.7功能概述 10292886.2数控系统的硬件结构 10118336.2.1处理单元（CPU） 1033056.2.2存储器 102896.2.3位置控制单元 10244586.2.4伺服驱动单元 1039166.2.5输入输出接口 11272686.2.6可编程逻辑控制器（PLC） 11304886.3数控系统的软件结构 1175716.3.1系统软件 1142646.3.2应用软件 11251646.3.3驱动软件 1144606.3.4中间件 11270956.3.5数据库 11310726.3.6用户界面 1125049第7章数控机床的故障诊断与维修 11324827.1数控机床故障诊断方法 1144367.1.1望诊法 1157707.1.2听诊法 1296577.1.3问诊法 12241687.1.4检测法 12311257.2数控机床的维修流程与技巧 12124377.2.1维修流程 12106067.2.2维修技巧 12325157.3常见数控机床故障案例分析 1312502第8章数控加工工艺 13273578.1数控加工工艺的基本概念 13227118.2数控加工工艺的制定与优化 13235608.3数控加工工艺参数的确定 1418792第9章数控加工编程实例 14167659.1车削加工编程实例 14261299.1.1零件分析 14106399.1.2编程步骤 1411119.1.3加工程序 1465009.2铣削加工编程实例 15272609.2.1零件分析 1513179.2.2编程步骤 1539159.2.3加工程序 1558049.3钻削加工编程实例 16129309.3.1零件分析 1678739.3.2编程步骤 16229569.3.3加工程序 1611559第10章数控技术在现代制造业的应用 172367010.1数控技术在汽车制造业的应用 172815410.2数控技术在航空航天制造业的应用 171767310.3数控技术在模具制造业的应用 18799410.4数控技术在精密加工领域的应用 18第1章数控技术概述1.1数控技术基本概念数控技术，即数字控制技术，是一种采用数字信息对机械运动进行控制的技术。它集计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机械加工技术于一体，通过预先编程的方式，实现工件加工的自动化、精确化和高效化。数控技术广泛应用于机械制造、航空航天、模具制造等领域。1.2数控系统的组成与分类数控系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括控制器、驱动器、伺服电机、传感器等，软件部分则包括系统软件、应用软件和编程软件等。数控系统根据其控制轴数的不同，可分为以下几类：（1）数控车床：主要用于轴类零件的加工，可分为两轴、三轴、四轴和五轴数控车床。（2）数控铣床：用于平面、曲面、复杂形状的零件加工，可分为三轴、四轴和五轴数控铣床。（3）数控加工中心：集铣、钻、镗、攻丝等工序于一体，可实现多面体、复杂形状零件的加工。（4）数控电火花加工机床：用于模具制造、精密加工等领域。（5）数控激光切割机、数控等离子切割机等：用于金属材料的高效、精确切割。1.3数控技术的发展与应用自20世纪50年代数控技术诞生以来，其发展经历了以下几个阶段：（1）第一阶段：采用电子管、晶体管等分立元件组成的数控系统，功能不稳定，但实现了数控技术的初步应用。（2）第二阶段：采用集成电路、小型计算机的数控系统，功能稳定，逐渐在工业生产中广泛应用。（3）第三阶段：微处理器技术的应用，使数控系统实现小型化、低成本、高功能。（4）第四阶段：基于计算机网络的数控系统，实现远程监控、故障诊断、智能制造等功能。数控技术的应用范围广泛，主要包括：（1）机械制造领域：数控机床已成为现代制造业的核心设备，提高了生产效率、降低了生产成本。（2）航空航天领域：数控技术在航空航天零件的加工中发挥了关键作用，保证了零件的高精度、高质量。（3）汽车制造领域：数控技术用于汽车零部件的加工，提高了汽车生产的自动化水平。（4）模具制造领域：数控技术提高了模具的加工精度，缩短了模具制造周期。（5）新能源、新材料领域：数控技术在新能源和新材料领域中的应用日益广泛，促进了相关产业的发展。数控技术还在电子、医疗器械、轨道交通等多个领域发挥着重要作用，为我国制造业的发展提供了有力支撑。第2章数控编程基础2.1数控编程的基本概念数控编程是数控技术中的核心环节，它是指将工件加工过程中所需的刀具运动轨迹、工艺参数及辅助操作等信息，按照一定的格式和规则编写成数控机床能识别的程序的过程。数控编程主要包括手工编程和自动编程两种方式，其中，手工编程依靠编程员根据零件图纸和工艺要求编写程序，而自动编程则通过计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）软件实现。2.2数控编程的方法与步骤数控编程的方法主要包括以下几种：（1）图形输入法：通过输入零件的图形，由计算机自动加工程序。（2）APT（AutomaticallyProgrammedTools）语言编程：利用APT语言描述零件的形状、尺寸和工艺要求，然后通过编译器加工程序。（3）ISO代码编程：按照ISO标准规定的数控编程代码，编写加工程序。数控编程的步骤如下：（1）分析零件图纸和工艺要求，确定加工工艺方案。（2）选择合适的数控机床、刀具和夹具。（3）确定加工坐标系和编程坐标系。（4）编写数控程序。（5）程序校验和修改。（6）程序输入机床并进行试运行。2.3数控编程的坐标系与指令数控编程坐标系主要包括以下几种：（1）工件坐标系：以工件上的某一固定点作为原点建立的坐标系。（2）机床坐标系：以机床上的某一固定点作为原点建立的坐标系。（3）编程坐标系：编程员在编程时所选用的坐标系。数控编程指令包括以下几类：（1）准备指令：如启动、停止、回参考点等。（2）运动指令：如直线插补、圆弧插补、螺旋插补等。（3）工艺指令：如刀具补偿、速度控制、切削深度控制等。（4）辅助指令：如冷却液开关、主轴正反转等。（5）程序控制指令：如条件判断、循环控制等。第3章数控机床结构与原理3.1数控机床的组成与分类数控机床是一种采用数字控制系统进行控制的机床，主要由机床本体、数控系统、驱动系统和辅助装置等组成。根据不同的分类标准，数控机床可分为以下几类：3.1.1按照控制轴数分类数控机床可分为以下几种：（1）数控车床：具有两轴或两轴以上的数控车削功能；（2）数控铣床：具有三轴或三轴以上的数控铣削功能；（3）加工中心：具有三轴或三轴以上，同时具备铣削、钻孔、攻丝等多种加工功能的数控机床；（4）数控磨床：具有两轴或两轴以上的数控磨削功能。3.1.2按照加工方式分类数控机床可分为以下几种：（1）车削类数控机床：如数控车床、数控螺纹车床等；（2）铣削类数控机床：如数控铣床、加工中心等；（3）磨削类数控机床：如数控磨床、数控内外圆磨床等；（4）齿轮加工类数控机床：如数控滚齿机、数控剃齿机等。3.2数控机床的机械结构数控机床的机械结构主要包括床身、立柱、横梁、滑板、刀架、工作台等部分。3.2.1床身床身是数控机床的主体结构，用于支撑整个机床的重量，保证机床在加工过程中的稳定性。3.2.2立柱立柱主要用于支撑横梁，承受横梁和滑板的重量。3.2.3横梁横梁是数控机床的重要部件，用于安装刀架和滑板，其刚性和稳定性直接影响到机床的加工精度。3.2.4滑板滑板用于安装刀具，实现刀具在数控机床上的移动。3.2.5刀架刀架是数控机床上的刀具安装部件，可以安装多种类型的刀具，以满足不同加工需求。3.2.6工作台工作台用于安装和固定工件，保证工件的加工位置。3.3数控机床的电气系统数控机床的电气系统主要包括电源系统、数控系统、驱动系统、反馈系统和保护系统等。3.3.1电源系统电源系统为数控机床提供稳定的电源，保证机床的正常运行。3.3.2数控系统数控系统是数控机床的核心部分，负责接收、处理和输出加工程序，实现对机床的精确控制。3.3.3驱动系统驱动系统包括伺服电机、步进电机等，负责将数控系统的指令转化为机床各轴的运动。3.3.4反馈系统反馈系统包括编码器、光栅尺等，用于实时检测机床各轴的位置，并将信息反馈给数控系统，实现闭环控制。3.3.5保护系统保护系统包括过载保护、短路保护、急停等功能，保证机床在异常情况下及时停机，避免损坏。第4章数控机床的进给系统4.1进给系统的组成与分类数控机床的进给系统是机床执行机构的重要组成部分，其功能是精确控制刀具与工件之间的相对位置。进给系统主要由以下几部分组成：伺服电动机、传动装置、导轨、滚珠丝杠副及工作台等。进给系统可根据传动方式的不同，分为以下几类：（1）齿轮传动进给系统：通过齿轮副的啮合，实现电动机与工作台之间的动力传递。（2）滚珠丝杠传动进给系统：利用滚珠丝杠将伺服电动机的旋转运动转化为工作台的线性运动。（3）直线电动机进给系统：直线电动机直接产生线性运动，无需中间传动装置，具有高响应速度和精度。4.2伺服电动机及其控制伺服电动机是进给系统的核心部件，其功能直接影响数控机床的加工精度和速度。伺服电动机主要有以下几种类型：（1）交流伺服电动机：具有结构简单、运行稳定、维护方便等特点。（2）直流伺服电动机：具有良好的调速功能，但结构复杂，维护成本较高。（3）步进电动机：通过细分控制，实现高精度的位置控制。伺服电动机的控制主要包括以下方面：（1）速度控制：通过调整伺服电动机的输入电压和频率，实现电动机转速的调节。（2）位置控制：采用闭环控制，通过编码器或光栅尺等反馈元件，实现电动机位置的精确控制。（3）转矩控制：根据加工需求，调整伺服电动机的输出转矩。4.3进给系统的传动与调整进给系统的传动与调整是实现高精度加工的关键。其主要内容包括：（1）传动装置的选用与布局：根据机床功能要求，合理选择齿轮、滚珠丝杠等传动装置，并进行布局优化。（2）导轨的选用与调整：选择合适的导轨类型，如滑动导轨、滚动导轨等，并进行间隙调整，保证运动平稳、精度高。（3）滚珠丝杠副的预紧与调整：通过预紧滚珠丝杠副，提高其刚性和承载能力，并进行适当的调整，保证运动精度。（4）伺服电动机与传动装置的连接：采用合适的连接方式，如弹性联轴器、同步带等，降低传动误差。（5）进给系统的动态平衡：对进给系统进行动态平衡，降低振动和噪音，提高加工质量。通过以上内容的详细阐述，本章对数控机床的进给系统进行了全面介绍，为后续章节的实际应用奠定了基础。第5章数控机床的主轴系统5.1主轴系统的组成与分类数控机床的主轴系统是机床的核心部件之一，其主要功能是驱动刀具或工件进行高速旋转，实现各种切削加工。主轴系统一般由主轴、轴承、传动机构、冷却系统等组成。主轴系统的分类根据不同的标准有以下几种：（1）按主轴传动方式分类，可分为皮带传动、齿轮传动、直驱式等；（2）按主轴结构形式分类，可分为头架式、尾架式、双主轴式等；（3）按主轴速度范围分类，可分为低速主轴、中速主轴、高速主轴等。5.2主轴电动机及其控制主轴电动机是主轴系统的动力来源，其功能直接影响机床的加工质量和效率。主轴电动机主要有异步电动机、同步电动机和直流电动机等类型。主轴电动机的控制主要包括以下几个方面：（1）速度控制：通过调节电动机的输入电压、频率等参数，实现主轴转速的精确控制；（2）转矩控制：根据加工过程中负载的变化，调节电动机的输出转矩，保证加工过程的稳定性；（3）位置控制：通过电动机的位置反馈，实现主轴在加工过程中的精确位置控制。5.3主轴系统的调速与制动主轴系统的调速与制动是保证加工质量和效率的关键环节。（1）调速：根据加工工艺要求，主轴系统需要实现宽范围、高精度的速度调节。目前常用的调速方法有：变频调速、矢量控制调速、直接转矩控制调速等；（2）制动：在加工过程中，为满足快速停止、换向等要求，主轴系统需要具备良好的制动功能。制动方法主要有：能耗制动、反接制动、再生制动等。通过以上对数控机床主轴系统的组成、分类、电动机控制以及调速与制动的介绍，可以更好地理解主轴系统在机床加工过程中的重要作用。在实际应用中，应根据机床类型、加工工艺和功能要求，合理选择和配置主轴系统。第6章数控机床的数控系统6.1数控系统的组成与功能数控系统作为数控机床的核心，主要负责对机床的运动进行控制，实现工件加工的自动化和精确化。数控系统主要由以下几部分组成：6.1.1输入输出设备输入输出设备主要包括键盘、显示器、打印机等，用于实现人与数控系统之间的交互。6.1.2处理单元（CPU）处理单元是数控系统的核心，负责对输入的信息进行运算处理，并输出控制指令。6.1.3存储器存储器用于存储系统程序、加工程序以及各种参数等信息。6.1.4位置控制单元位置控制单元负责对机床各轴的运动进行控制，实现加工过程中各轴的精确位置和速度控制。6.1.5伺服驱动单元伺服驱动单元接收来自位置控制单元的指令，驱动伺服电机实现机床各轴的运动。6.1.6可编程逻辑控制器（PLC）可编程逻辑控制器用于实现机床的各种逻辑控制功能，如刀库、冷却液等。6.1.7功能概述数控系统的主要功能包括：程序输入与编辑、程序运行与控制、位置控制与伺服驱动、故障诊断与报警等。6.2数控系统的硬件结构数控系统的硬件结构主要包括以下几部分：6.2.1处理单元（CPU）处理单元是数控系统硬件的核心，主要由微处理器、存储器、输入输出接口等组成。6.2.2存储器存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），用于存储系统程序、加工程序及各种参数。6.2.3位置控制单元位置控制单元主要包括位置控制器、比较器、脉冲发生器等，实现各轴的运动控制。6.2.4伺服驱动单元伺服驱动单元包括伺服放大器、伺服电机等，负责驱动机床各轴的运动。6.2.5输入输出接口输入输出接口用于连接各种输入输出设备，实现数据交换。6.2.6可编程逻辑控制器（PLC）可编程逻辑控制器由输入模块、输出模块、处理单元等组成，实现机床的逻辑控制功能。6.3数控系统的软件结构数控系统的软件结构主要包括以下几部分：6.3.1系统软件系统软件主要包括操作系统、监控程序、诊断程序等，负责整个数控系统的运行与管理。6.3.2应用软件应用软件主要包括编程软件、仿真软件、参数设置软件等，用于辅助编程、调试和优化加工程序。6.3.3驱动软件驱动软件负责与硬件设备进行通信，实现对硬件设备的控制和数据交换。6.3.4中间件中间件提供各种软件模块之间的接口，实现模块间的协同工作。6.3.5数据库数据库用于存储系统运行过程中的各种数据，如加工程序、机床参数、故障信息等。6.3.6用户界面用户界面提供用户与数控系统交互的界面，包括操作面板、触摸屏等。通过以上对数控机床的数控系统的组成、硬件结构和软件结构的介绍，可以了解到数控系统在机床加工过程中的重要作用。在实际应用中，需要根据机床类型和加工要求选择合适的数控系统，以实现高效、精确的加工。第7章数控机床的故障诊断与维修7.1数控机床故障诊断方法7.1.1望诊法望诊法是指通过观察数控机床的运行状态、电气控制系统、机械结构等方面，初步判断故障范围和原因。观察内容包括：机床动作是否正常、报警指示灯是否亮起、电气元件是否烧毁、机械部件是否损坏等。7.1.2听诊法听诊法是通过听取数控机床运行时的声音，判断机床是否存在异常。正常的机床运行声音应该是平稳、均匀的，若出现异常声音，可能是由于机床内部零部件磨损、松动或断裂等原因。7.1.3问诊法问诊法是与操作者或维修人员沟通，了解故障发生的时间、现象、频率等情况，以便快速定位故障原因。7.1.4检测法检测法是利用专业检测设备或仪器，对数控机床的电气、机械、液压等系统进行检测，找出故障点。常用的检测方法包括：电压检测、电流检测、信号检测、阻抗检测等。7.2数控机床的维修流程与技巧7.2.1维修流程（1）报警记录：当数控机床出现故障时，首先要记录故障报警信息，以便查找故障原因。（2）故障诊断：根据报警信息，采用望诊、听诊、问诊等方法，确定故障范围和原因。（3）故障排除：针对诊断出的故障原因，进行相应的维修处理。（4）验证与调试：维修完成后，进行机床功能验证和功能调试，保证机床恢复正常运行。7.2.2维修技巧（1）了解机床结构：熟悉机床的电气、机械、液压等系统结构，有助于快速定位故障点。（2）掌握维修方法：熟练掌握各种维修方法，如电阻焊、电烙铁、调试工具等。（3）注意安全：在维修过程中，注意安全操作，避免触电、烫伤等。（4）配件管理：保证配件质量，避免使用劣质配件导致机床故障。7.3常见数控机床故障案例分析案例1：数控车床无法启动故障原因：电源断路器损坏。维修方法：更换电源断路器。案例2：数控铣床加工过程中突然停机故障原因：冷却液泄漏导致电气柜短路。维修方法：清理电气柜，修复冷却液泄漏处。案例3：数控磨床加工精度降低故障原因：磨头轴承磨损。维修方法：更换磨头轴承，调整磨头间隙。案例4：数控钻床主轴速度异常故障原因：主轴驱动器损坏。维修方法：更换主轴驱动器。案例5：数控镗床刀库无法换刀故障原因：刀库电机故障。维修方法：检查刀库电机线路，修复或更换刀库电机。第8章数控加工工艺8.1数控加工工艺的基本概念数控加工工艺是指运用数控机床进行工件加工过程中所涉及的工艺技术。它主要包括以下内容：（1）数控加工工艺原则：根据工件的形状、尺寸、材料及加工要求，制定合理的加工顺序、加工方法、切削参数和装夹方式。（2）数控加工工艺路线：根据工件加工要求，合理安排加工顺序，确定各工序的加工内容、加工方法和所用刀具。（3）数控加工工序：针对工件的具体加工要求，制定详细的加工步骤，包括切削速度、进给量、切削深度等参数。8.2数控加工工艺的制定与优化数控加工工艺的制定与优化是保证加工质量、提高生产效率、降低生产成本的关键。具体内容包括：（1）分析工件结构特点及加工要求，选择合适的数控机床和刀具。（2）合理布局工艺路线，减少装夹次数，缩短加工时间。（3）优化切削参数，提高加工质量和效率。（4）采用先进的数控编程技术，简化程序，提高加工精度。（5）对加工过程中可能出现的问题进行预测和预防，保证加工顺利进行。8.3数控加工工艺参数的确定数控加工工艺参数的确定是保证加工质量、提高生产效率的基础。主要包括以下内容：（1）切削速度：根据工件材料、刀具类型和加工要求，选择合适的切削速度。（2）进给量：根据工件材料、刀具直径和加工要求，合理确定进给量。（3）切削深度：根据工件材料、刀具直径和加工要求，选择适当的切削深度。（4）刀具补偿：针对刀具磨损、加工误差等因素，进行合理的刀具补偿。（5）装夹方式：根据工件形状、加工要求，选择合适的装夹方式，保证加工精度。通过以上内容，可以保证数控加工过程的稳定性和加工质量，提高生产效率，降低生产成本。第9章数控加工编程实例9.1车削加工编程实例本节通过一个简单的车削加工实例，介绍数控车削编程的基本步骤和指令。实例为一个轴类零件的车削加工。9.1.1零件分析轴类零件，材料为45钢，毛坯尺寸为准40mm×200mm。9.1.2编程步骤（1）确定加工工艺参数：主轴转速为1000r/min，进给速度为200mm/min。（2）编写加工程序。9.1.3加工程序O1000；（程序起始）G21；（公制单位）G96S1000；（恒速切削，主轴转速1000r/min）G0X20.0Z2.0；（快速定位到X轴20mm，Z轴2mm位置）G43H1；（开启刀具补偿）G94；（设定进给方式为每分钟进给）F200；（设定进给速度为200mm/min）T0101；（选择刀具）G0X0.0Z0.0；（快速定位到工件原点）G96；（恒速切削）G32X20.0Z50.0F200；（车外圆，至X轴20mm，Z轴50mm）G0X0.0Z80.0；（快速定位到X轴0mm，Z轴80mm位置）G32X20.0Z100.0F200；（车外圆，至X轴20mm，Z轴100mm）G0Z2.0；（快速定位到Z轴2mm位置）M30；（程序结束）9.2铣削加工编程实例本节通过一个简单的铣削加工实例，介绍数控铣削编程的基本步骤和指令。实例为一个平面零件的铣削加工。9.2.1零件分析平面零件，材料为铝，尺寸为100mm×100mm×10mm。9.2.2编程步骤（1）确定加工工艺参数：主轴转速为1200r/min，进给速度为300mm/min。（2）编写加工程序。9.2.3加工程序O2000；（程序起始）G90；（绝对编程）G21；（公制单位）G0X0Y0；（快速定位到工件原点）S1200；（设定主轴转速为1200r/min）F300；（设定进给速度为300mm/min）T0101；（选择刀具）G0Z2；（快速定位到Z轴2mm位置）G43H1；（开启刀具补偿）G94；（设定进给方式为每分钟进给）G17；（选择XY平面）G54；（选择坐标系1）G0Z2；（快速定位到Z轴2mm位置）G1X100Y100；（铣平面至X轴100mm，Y轴100mm）G0Z2；（快速定位到Z轴2mm位置）M30；（程序结束）9.3钻削加工编程实例本节通过一个简单的钻削加工实例，介绍数控钻削编程的基本步骤和指令。实例为一个孔类零件的钻削加工。9.3.1零件分析孔类零件，材料为45钢，尺寸为准20mm×100mm。9.3.2编程步骤（1）确定加工工艺参数：主轴转速为800r/min，进给速度为100mm/min。（2）编写加工程序。9.3.3加工程序O3000；（程序起始）G90；（绝对编程）G21；（公制单位）G