第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控機床概述

數(shù)控機床的分類與數(shù)控加工的特點數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展方向第一章數(shù)控加工技術(shù)概述??第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展

科學技術(shù)的不斷發(fā)展對機械產(chǎn)品的品種、結(jié)構(gòu)、精度、加工效率的要求越來越高，單件、中小批量機械產(chǎn)品的比例越來越大（70%-80%），傳統(tǒng)的通用、專用機床和工藝設(shè)備已不能適應(yīng)高質(zhì)量、高效率、多樣化加工的要求，一種新型的數(shù)字控制機床由此誕生。

1.數(shù)控技術(shù)的基本概念數(shù)字控制（NumericalControl

NC）:是一種借助數(shù)字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）進行可編程控制的自動化方法。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控技術(shù)（NumericalControlTechnology）:采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)就是利用數(shù)字化信號進行控制的技術(shù)。數(shù)控機床（NumericalControlMachineTools）是采用數(shù)字控制技術(shù)對機床的加工過程進行自動控制的一類機床。它是數(shù)控技術(shù)典型應(yīng)用的例子。2.數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展1948年：美國Pasons公司在研制加工直升機葉片時提出數(shù)控機床設(shè)想1949年：美國帕森斯公司&麻省理工學院研制1952年：世界第一臺三坐標數(shù)控銑床誕生

1955年：投入實用階段?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述發(fā)展歷程：1959---加工中心MC；

1960---直接數(shù)字控制系統(tǒng)DNC（計算機群控系統(tǒng)）；

1967---柔性制造系統(tǒng)FMS；

1978---柔性制造單元FMC；

1990---計算機集成制造系統(tǒng)CIMS；相關(guān)概念及術(shù)語：

CNC：計算機數(shù)字控制

CAD：計算機輔助設(shè)計

CAM：計算機輔助制造

CAT：計算機輔助檢驗?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控機床的構(gòu)成與工作原理1.數(shù)控機床的工作原理數(shù)控機床與普通機床相比較，其工作原理的不同之處就在于數(shù)控機床是按控制指令進行加工的。兩者加工零件的區(qū)別如下圖:?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控機床加工零件的原理(過程)如下:首先要將被加工零件的樣圖及工藝信息用規(guī)定的代碼和程序格式編寫成加工程序；然后將所編程序指令輸入到機床的數(shù)控裝置中；數(shù)控裝置再將程序進行翻譯、運算后，向機床各個坐標的伺服機構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號，伺服機構(gòu)和輔助控制裝置驅(qū)動機床各個運動部件完成所需的運動，最后加工出合格零件。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述2.數(shù)控機床的構(gòu)成

數(shù)控機床一般由輸入/輸出設(shè)備、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、測量與反饋系統(tǒng)、機床本體等組成?，F(xiàn)代數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)都采用模塊化結(jié)構(gòu)，伺服系統(tǒng)中的伺服單元和驅(qū)動裝置往往被看作數(shù)控系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，輸入/輸出裝置也被視為數(shù)控系統(tǒng)中的一個功能模塊，所以現(xiàn)在的觀點認為數(shù)控機床主要由計算機數(shù)控系統(tǒng)和機床本體組成，數(shù)控機床的組成框圖如圖所示。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控機床組成:(數(shù)控程序\操作面板)、輸入/輸出設(shè)備、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、測量與反饋系統(tǒng)、機床本體?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述操作面板它是操作人員與數(shù)控裝置進行信息交流的工具。是數(shù)控機床特有部件。組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計算機鍵盤一樣）和顯示器。CRT顯示器MDI鍵盤?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述機床控制面板?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述程序載體

程序載體是記錄零件加工程序的媒介，如：紙帶（八單位標準穿孔紙帶）、磁帶或磁盤。圖片輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進行零件加工程序交互的裝置。即將編制好的記錄在程序載體上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的程序載體上。

數(shù)控機床常用的程序載體和輸入輸出設(shè)備見表1：?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述表1：程序載體和輸入輸出設(shè)備表程序載體輸入設(shè)備輸出設(shè)備穿孔紙帶紙帶閱讀機紙帶穿孔機磁帶磁帶機或錄音機磁盤磁盤驅(qū)動器?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控裝置(CNC單元)——數(shù)控機床的核心組成：計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進行相應(yīng)的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC等)，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述伺服系統(tǒng)伺服單元和驅(qū)動裝置主軸伺服驅(qū)動裝置和主軸電機：接受主軸運動指令，實現(xiàn)零件加工的切削運動（速度控制）進給伺服驅(qū)動裝置和進給電機：接受進給運動指令，實現(xiàn)零件加工的成形運動（速度和位置控制）?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述位置反饋系統(tǒng)（測量裝置）

用于數(shù)控機床移動部件位置和速度測量裝置。并輸送給數(shù)控裝置，使之與指令信號進行比較，并由數(shù)控裝置發(fā)出指令，糾正所產(chǎn)生的誤差，使數(shù)控機床按工件加工程序要求的進給位置和速度完成加工。以實現(xiàn)進給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述

機床I/O電路和裝置

測量裝置

主軸驅(qū)動裝置

進給驅(qū)動裝置

主軸伺服單元

進給伺服單元

計算機數(shù)

控

裝

置

操作面板

PLC

計算機數(shù)控系統(tǒng)

機

床

輔助控制機構(gòu)

進給傳動機構(gòu)

主運動機構(gòu)

鍵盤

輸入輸出

設(shè)備

?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述PLC、機床I/O電路和裝置

PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成與邏輯運算有關(guān)，順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；功能：接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號，控制主軸電機的起停、速度；輔助裝置完成機床相應(yīng)的開關(guān)動作；

機床I/O電路和裝置：實現(xiàn)輸入/輸出(I/O)控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路；功能：接受操作面板和機床側(cè)的I/O信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出相應(yīng)信號，控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機床的動作。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述

機床I/O電路和裝置

測量裝置

主軸驅(qū)動裝置

進給驅(qū)動裝置

主軸伺服單元

進給伺服單元

計算機數(shù)

控

裝

置

操作面板

PLC

計算機數(shù)控系統(tǒng)

機

床

輔助控制機構(gòu)

進給傳動機構(gòu)

主運動機構(gòu)

鍵盤

輸入輸出

設(shè)備

?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述PLCCNC?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述機床本體數(shù)控機床的主體，是實現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。組成：由主運動部件、進給運動部件（工作臺、拖板以及相應(yīng)的傳動機構(gòu)）、支承件（立柱、床身等）。

機床I/O電路和裝置

測量裝置

主軸驅(qū)動裝置

進給驅(qū)動裝置

主軸伺服單元

進給伺服單元

計算機數(shù)

控

裝

置

操作面板

PLC

計算機數(shù)控系統(tǒng)

機

床

輔助控制機構(gòu)

進給傳動機構(gòu)

主運動機構(gòu)

鍵盤

輸入輸出

設(shè)備

?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)不僅應(yīng)用于機床的控制,還應(yīng)用于科學技術(shù)的各個領(lǐng)域,如:數(shù)控繪圖機、數(shù)控測量儀、機器人、航天航空領(lǐng)域等。

此外，數(shù)控機床還包括：特殊裝置（刀具自動交換系統(tǒng)、工件自動交換系統(tǒng)）和輔助裝置（如排屑裝置\冷卻裝置\潤滑裝置等）?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控加工的特點及數(shù)控機床的分類數(shù)控加工的特點1）自動化程度高，勞動強度低

在進行數(shù)控加工中，除了開始時要進行手工裝夾毛坯并輸入程序之外，其余的全部加工過程都是由數(shù)控機床自動完成，直至零件加工完畢。這樣不僅提高了生產(chǎn)的自動化程度，還簡化了工人的操作難度，改善了勞動條件，使勞動強度大大降低。2）對加工對象的柔性好，適應(yīng)性強

由于數(shù)控系統(tǒng)可實現(xiàn)多個坐標的聯(lián)功控制，所以數(shù)控設(shè)備能加工普通機電設(shè)備很難加工或無法加工的復雜曲線、曲面。當改變加工零件時，除了要解決毛坯的裝夾方式和更換刀具之外，數(shù)控設(shè)備只需更換零件加工的程序，不需要作其他任何復雜的調(diào)整。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述3）加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定

數(shù)控設(shè)備的加工精度一般在之間，且不受零件復雜程度的影響。另外數(shù)控機床按所編程序自動加工，消除了生產(chǎn)者的人為操作誤差，提高了同一批加工零件的尺寸一致性，使加工質(zhì)量更穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率更高。4）加工工序相對集中，生產(chǎn)效率高數(shù)控設(shè)備通?？梢栽谝淮窝b夾中加工出許多表面，特別是帶自動換刀的數(shù)控加工中心，在一次裝夾的情況下，幾乎可以完成零件的全部加工工序。減少了裝夾誤差，節(jié)約工序之間的運輸、測量和裝夾等輔助時間。在數(shù)控設(shè)備上可以來用較大的切削用量，有效地節(jié)省了機動工時。加上其他輔助操作的自動化，使輔助時間大為縮短，無需工序間的檢驗與測量，所以數(shù)控設(shè)備比普通的機電設(shè)備生產(chǎn)率高出3—4倍，甚至更高。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述5）易于建立與計算機間的通信聯(lián)絡(luò)，容易實現(xiàn)群控由于數(shù)控機床采用數(shù)字信息控制，易于與計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)連接，形成CAD/CAM一體化系統(tǒng)，并且可以建立各機床間的聯(lián)系，容易實現(xiàn)群控。有利于生產(chǎn)管理。6）加工成本高

這是由于數(shù)控機床價格高，首次加工準備周期較長，維修成本高等因素造成。7）維護與維修要求高

數(shù)控機床是技術(shù)密集型的機電一體化的典型產(chǎn)品，技術(shù)復雜，增加了電子設(shè)備的維護，需要維修人員既懂機械，又要懂微電子維修方面的知識，同時還要配備較好的維修設(shè)備。8）對工藝和編程要求較高，加工中難以調(diào)整，對操作人員的技術(shù)水平要求高。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控機床的分類1.按照加工原理分類1）普通數(shù)控機床車、銑、鉆、磨、加工中心等。2）特種加工數(shù)控機床電火花、線切割等。2.按照數(shù)控機床運動軌跡分類1）點位控制數(shù)控機床2）直線控制數(shù)控機床3）連續(xù)（輪廓）控制數(shù)控機床?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述特點:數(shù)控裝置只能控制點與點的精確定位在移動過程中不加工,對兩點間的移動速度和軌跡也沒有嚴格要求使用于鉆床、沖床、數(shù)控測量機等ZYX1）點位控制數(shù)控機床?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述2）直線控制數(shù)控機床特點:不但能控制點與點的精確定位，還要控制兩相關(guān)點之間的移動速度和路線,路線由與各個軸線平行的直線段組成控制的坐標軸為一個使用于簡易數(shù)控車、數(shù)控鏜銑床等?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述3）輪廓控制數(shù)控機床特點:數(shù)控裝置能夠同時對兩個或兩個以上的坐標軸進行連續(xù)控制（坐標軸聯(lián)動），能準確控制移動的速度和位置加工復雜形狀零件使用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述3.按進給伺服系統(tǒng)的類型分類1）開環(huán)控制系統(tǒng)特點：沒有位置檢測與反饋裝置,采用步進電機數(shù)控裝置發(fā)出信號的流程是單向的速度和加工精度低，其精度取決于伺服系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)穩(wěn)定性好成本低，適用于中、小型數(shù)控機床=t360oi

數(shù)控裝置驅(qū)動電路指令脈沖電機步進電動機工作臺?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述2）閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：采用直線位移傳感器,直接檢測工作臺直線位移驅(qū)動元件：直流或交流伺服電機利用偏差信號工作,e=0，工作臺停止加工精度高，但結(jié)構(gòu)復雜，造價高，調(diào)試維修困難適用于精度要求高的大型和精密機床位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)特點：采用角位移檢測傳感器,通過檢測絲杠或電動機軸旋轉(zhuǎn)的角度間接檢測工作臺的直線位移驅(qū)動元件：直流或交流伺服電機精度低于閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)試較容易，穩(wěn)定性也較好位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控機床的工作步驟在數(shù)控機床上加工零件經(jīng)過以下步驟:1.準備階段2.編程階段3.準備信息載體4.加工階段?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展方向

現(xiàn)代數(shù)控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一體化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方向發(fā)展。

1)高速化受高生產(chǎn)率的驅(qū)使，高速化已是現(xiàn)代機床技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。高速切削可通過高速運算技術(shù)、快速插補運算技術(shù)、超高速通信技術(shù)和高速主軸等技術(shù)來實現(xiàn)。高主軸轉(zhuǎn)速可減少切削力，減小切削深度，有利于克服機床振動，傳入零件中的熱量大大減低，排屑加快，熱變形減小，加工精度和表面質(zhì)量得到顯著改善。因此，經(jīng)高速加工的工件一般不需要精加工。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述2)高精度化高精度化一直是數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展追求的目標。它包括機床制造的幾何精度和機床使用的加工精度控制兩方面。提高機床的加工精度，一般是通過減少數(shù)控系統(tǒng)誤差，提高數(shù)控機床基礎(chǔ)大件結(jié)構(gòu)特性和熱穩(wěn)定性，采用補償技術(shù)和輔助措施來達到的。目前精整加工精度已提高到0.1μm，并進入了亞微米級，不久超精度加工將進入納米時代。(加工精度達0.01μm)?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述3)高柔性化

柔性是指機床適應(yīng)加工對象變化的能力。目前，在進一步提高單機柔性自動化加工的同時，正努力向單元柔性和系統(tǒng)柔性化發(fā)展。數(shù)控系統(tǒng)在21世紀將具有最大限度的柔性，能實現(xiàn)多種用途。具體是指具有開放性體系結(jié)構(gòu)，通過重構(gòu)和編輯，視需要系統(tǒng)的組成可大可小；功能可專用也可通用，功能價格比可調(diào)；可以集成用戶的技術(shù)經(jīng)驗，形成專家系統(tǒng)?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述4)高一體化

CNC系統(tǒng)與加工過程作為一個整體，實現(xiàn)機電光聲綜合控制，測量、造型、加工一體化，加工、實時檢測與修正一體化，機床主機設(shè)計與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計一體化。5)網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)多種通訊協(xié)議，既滿足單機需要，又能滿足FMS(柔性制造系統(tǒng))、CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))對基層設(shè)備的要求。配置網(wǎng)絡(luò)接口，通過Internet可實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制加工，進行遠程檢測和診斷，使維修變得簡單。建立分布式網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)，可便于形成“全球制造”。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述6)智能化

21世紀的CNC系統(tǒng)將是一個高度智能化的系統(tǒng)。具體是指系統(tǒng)應(yīng)在局部或全部實現(xiàn)加工過程的自適應(yīng)、自診斷和自調(diào)整；多媒體人機接口使用戶操作簡單，智能編程使編程更加直觀，可使用自然語言編程；加工數(shù)據(jù)的自生成及智能數(shù)據(jù)庫；智能監(jiān)控；采用專家系統(tǒng)以降低對操作者的要求等。?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述柔性好

加工精度高

能加工復雜型面

生產(chǎn)效率高

勞動條件好

有利于生產(chǎn)管理

易于建立計算機通信網(wǎng)絡(luò)1)數(shù)控加工的優(yōu)點數(shù)控機床價格較貴，加工成本高，提高了起始階段的投資。

技術(shù)復雜，增加了電子設(shè)備的維護，維修困難。

對工藝和編程要求較高，加工中難以調(diào)整，對操作人員的技術(shù)水平要求高。2)數(shù)控加工的不足之處數(shù)控加工的優(yōu)點與不足?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述數(shù)控加工技術(shù)的主要應(yīng)用對象

貴重的、不允許報廢的關(guān)鍵零件

必須嚴格控制公差的零件多品種、小批量生產(chǎn)的零件幾何形狀復雜的零件

新產(chǎn)品的試制零件

需要最少生產(chǎn)周期的急需件?第1章數(shù)控加工技術(shù)概述?數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗?zāi)康耐ㄟ^數(shù)控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機床上對工件進行加工；結(jié)合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機床，數(shù)控機床的CNC裝置對程序經(jīng)過處理之后，向機床各坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動機床完成相應(yīng)的運動。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對程序及首件試加工。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗及試切數(shù)控機床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標準硬件系統(tǒng)構(gòu)成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標系G92X_Z_√2G04延時G04E_

3M00暫停M00

M02程序結(jié)束M02

4M03主軸正轉(zhuǎn)M03√M04主軸反轉(zhuǎn)M04√M05主軸停M05√5M08開冷卻液M08√M09關(guān)冷卻液M09√

6M97程序跳轉(zhuǎn)M97P_

M98子程序調(diào)用M98P_L_

M99子程序返回