機械加工數(shù)控技術(shù)培訓(xùn)教材前言隨著現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已成為衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化水平的核心標志之一。它集機械制造、計算機技術(shù)、自動控制、傳感檢測等多學(xué)科技術(shù)于一體，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、模具加工、精密儀器等關(guān)鍵領(lǐng)域。本教材旨在為有志于學(xué)習和掌握機械加工數(shù)控技術(shù)的學(xué)員提供一套系統(tǒng)、專業(yè)且實用的學(xué)習資料。本教材的編寫注重理論與實踐相結(jié)合，內(nèi)容由淺入深，循序漸進。我們將從數(shù)控技術(shù)的基本概念入手，逐步深入到數(shù)控機床的組成、工作原理、數(shù)控編程、加工工藝、操作規(guī)范及日常維護等核心內(nèi)容。通過本教材的學(xué)習，學(xué)員應(yīng)能對數(shù)控技術(shù)形成全面的認識，并具備一定的數(shù)控編程與操作能力，為今后在實際生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)控技術(shù)打下堅實基礎(chǔ)。本教材適用于職業(yè)技術(shù)院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生、企業(yè)數(shù)控技術(shù)初學(xué)者及希望提升技能的技術(shù)工人。建議學(xué)員在學(xué)習過程中，結(jié)合實際機床操作和編程練習，以加深理解和掌握。第一章數(shù)控技術(shù)概述1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念數(shù)控技術(shù)，即數(shù)字控制（NumericalControl,NC）技術(shù)，是指用數(shù)字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。采用數(shù)控技術(shù)的機床，稱為數(shù)控機床。它通過預(yù)先編制的程序，將加工過程所需的各種操作（如主軸變速、刀具選擇、進給運動、冷卻液開關(guān)等）和步驟，以數(shù)字代碼的形式輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)對這些信息進行處理和運算后，發(fā)出相應(yīng)的指令，控制機床各運動部件按規(guī)定的軌跡和參數(shù)進行有序動作，從而自動完成零件的加工。與傳統(tǒng)的手動操作或普通機床相比，數(shù)控技術(shù)的核心在于“數(shù)字控制”，它將人的操作經(jīng)驗和技能固化為精確的數(shù)字指令，實現(xiàn)了加工過程的自動化、柔性化和高精度化。1.2數(shù)控技術(shù)在機械加工中的地位與優(yōu)勢在現(xiàn)代機械加工領(lǐng)域，數(shù)控技術(shù)占據(jù)著至關(guān)重要的地位，它是實現(xiàn)制造過程自動化、集成化、智能化的基礎(chǔ)。其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：1.加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定：數(shù)控機床采用高精度的傳動系統(tǒng)和伺服控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)微米級甚至更高精度的位移控制。同時，加工過程由程序控制，避免了人為操作誤差，保證了零件加工的一致性和穩(wěn)定性。2.生產(chǎn)效率高：數(shù)控機床可以進行多工序集中加工，減少了工件的裝夾次數(shù)和輔助時間。其主軸轉(zhuǎn)速和進給速度范圍寬，可選用合理的切削用量，有效縮短了切削時間。3.加工柔性好，適應(yīng)性強：當加工對象改變時，只需更換數(shù)控程序，無需對機床進行復(fù)雜的調(diào)整，就能適應(yīng)新產(chǎn)品的加工要求。這對于多品種、小批量生產(chǎn)尤為重要，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。4.減輕勞動強度，改善勞動條件：數(shù)控加工過程由機床自動完成，操作者主要負責程序輸入、編輯、裝卸工件、刀具準備、加工過程的觀察與監(jiān)控等工作，勞動強度顯著降低。5.有利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化：數(shù)控加工的程序化使得生產(chǎn)計劃、調(diào)度、成本核算等管理工作更加清晰和便捷，為實現(xiàn)計算機輔助制造（CAM）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）乃至工廠自動化（FA）奠定了基礎(chǔ)。1.3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)正朝著高速化、高精度化、智能化、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化和綠色化等方向迅猛發(fā)展。*高速高精度化：不斷提高主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和定位精度，以滿足對復(fù)雜精密零件的高效加工需求。*智能化：引入人工智能技術(shù)，如自適應(yīng)控制、故障診斷與預(yù)報、自動編程、智能監(jiān)控等，提高機床的自主決策能力和加工適應(yīng)性。*復(fù)合化：在一臺機床上實現(xiàn)多種加工工藝的集成，如車銑復(fù)合、銑磨復(fù)合等，減少工件裝夾次數(shù)，提高加工效率和精度。*網(wǎng)絡(luò)化：通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)控機床的遠程監(jiān)控、程序傳輸、故障診斷和生產(chǎn)管理，便于資源共享和優(yōu)化調(diào)度。*綠色化：注重節(jié)能降耗、減少環(huán)境污染，開發(fā)環(huán)保型切削液、采用低噪聲設(shè)計、實現(xiàn)切屑和廢液的集中回收處理等。第二章數(shù)控機床的基本構(gòu)成與工作原理2.1數(shù)控機床的基本構(gòu)成數(shù)控機床是一個復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，通常由以下幾個基本部分組成：1.機床主體：是數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)實體，用于完成實際的切削加工。它包括床身、立柱、主軸箱、進給溜板、工作臺等基礎(chǔ)部件，以及刀庫、自動換刀裝置（ATC）等輔助部件。與普通機床相比，數(shù)控機床的主體結(jié)構(gòu)具有更高的剛度、精度保持性和抗振性。2.數(shù)控系統(tǒng)（CNC系統(tǒng)）：是數(shù)控機床的“大腦”，負責接收、處理和輸出控制信息。它由硬件（計算機主板、顯示器、鍵盤、I/O接口等）和軟件（系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件）組成。其主要功能包括零件程序的輸入與編輯、數(shù)據(jù)處理、插補運算、位置控制、主軸控制、輔助功能控制等。3.伺服系統(tǒng)：是數(shù)控系統(tǒng)與機床主體之間的連接環(huán)節(jié)，負責將數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號轉(zhuǎn)換為機床移動部件的實際運動。它主要由伺服驅(qū)動裝置（伺服放大器）和伺服電動機組成。伺服系統(tǒng)的性能直接影響數(shù)控機床的定位精度、跟蹤精度和動態(tài)響應(yīng)速度。4.檢測反饋裝置：用于實時檢測機床移動部件的實際位置、速度等信息，并將其反饋給數(shù)控系統(tǒng)，形成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。常用的檢測裝置有光柵尺、編碼器、感應(yīng)同步器等。5.輔助裝置：包括液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、排屑裝置、防護裝置等，它們?yōu)閿?shù)控機床的正常運行提供必要的條件和保障。2.2數(shù)控機床的工作原理數(shù)控機床的工作過程本質(zhì)上是一個信息轉(zhuǎn)換和執(zhí)行的過程，其基本工作原理如下：1.信息輸入：將被加工零件的幾何形狀、尺寸、加工工藝（如切削速度、進給量、刀具選擇等）等信息，按照一定的格式和代碼（如G代碼、M代碼）編制成數(shù)控加工程序，并通過鍵盤、磁盤、U盤或網(wǎng)絡(luò)等方式輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。2.信息處理：數(shù)控系統(tǒng)對輸入的加工程序進行譯碼、語法檢查、刀具補償、坐標系轉(zhuǎn)換、速度規(guī)劃等一系列處理，將零件的輪廓信息轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)能夠識別和處理的中間數(shù)據(jù)。3.插補運算：由于零件的輪廓通常是由直線、圓弧或其他復(fù)雜曲線構(gòu)成，而數(shù)控裝置每一個脈沖所能產(chǎn)生的位移量（脈沖當量）是很小的，因此需要通過插補運算，在已知的起點和終點之間，計算出一系列中間點的坐標值，從而控制機床的刀具沿著預(yù)定的軌跡運動。常用的插補方法有直線插補、圓弧插補等。4.伺服驅(qū)動與執(zhí)行：數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)插補運算的結(jié)果，向伺服系統(tǒng)發(fā)出位置控制指令。伺服驅(qū)動裝置將指令信號進行放大和轉(zhuǎn)換，驅(qū)動伺服電動機旋轉(zhuǎn)，再通過滾珠絲杠螺母副等傳動機構(gòu)，帶動機床的工作臺或刀架等移動部件按指令要求運動，實現(xiàn)刀具與工件之間的相對運動，完成零件的切削加工。5.檢測與反饋：在加工過程中，檢測反饋裝置實時檢測機床移動部件的實際位置和速度，并將這些信息反饋給數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)將實際位置與指令位置進行比較，根據(jù)偏差值及時調(diào)整輸出指令，以保證加工精度。這種帶有反饋的控制方式稱為閉環(huán)控制或半閉環(huán)控制。通過上述過程的循環(huán)往復(fù)，數(shù)控機床能夠自動、精確地完成零件的加工任務(wù)。第三章數(shù)控編程基礎(chǔ)3.1數(shù)控編程概述數(shù)控編程是指根據(jù)零件圖樣和加工工藝要求，按照數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的指令格式和代碼，編制出能夠控制數(shù)控機床完成特定加工任務(wù)的程序的過程。編制好的加工程序是數(shù)控機床的工作指令。數(shù)控編程是數(shù)控加工技術(shù)的核心環(huán)節(jié)之一，其質(zhì)量直接影響零件的加工精度、表面質(zhì)量和加工效率。一個優(yōu)秀的數(shù)控程序員不僅需要熟悉數(shù)控編程的指令和格式，還需要具備扎實的機械制造工藝知識和對所使用數(shù)控機床性能的深入了解。3.2坐標系與運動方向在數(shù)控編程中，坐標系的建立和運動方向的規(guī)定是非常重要的基礎(chǔ)。目前，國際上廣泛采用的是右手直角笛卡爾坐標系。1.機床坐標系與工件坐標系：*機床坐標系（MachineCoordinateSystem,MCS）：是機床固有的坐標系，由機床制造商設(shè)定，其原點（機床原點或機械原點）是機床上一個固定的點，通常位于機床運動范圍的極限位置。機床坐標系是數(shù)控機床進行位置控制的基準。*工件坐標系（WorkpieceCoordinateSystem,WCS）：也稱為編程坐標系，是編程人員為方便編程而在工件上或工件附近設(shè)定的坐標系。工件坐標系的原點（工件原點或編程原點）可由編程人員根據(jù)零件圖樣的特點自行確定，通常選擇在零件的設(shè)計基準或工藝基準上，如零件的對稱中心、端面中心等。在加工前，需要通過“對刀”操作，將工件坐標系與機床坐標系建立起聯(lián)系（即確定工件原點在機床坐標系中的位置）。2.坐標軸的命名與方向：*通常以機床主軸軸線方向為Z軸，刀具遠離工件的方向為Z軸正方向。*X軸通常平行于工件的裝夾平面，對于臥式車床，X軸平行于橫滑板，刀具遠離工件旋轉(zhuǎn)中心的方向為X軸正方向；對于立式銑床，X軸通常為工作臺的左右移動方向。*Y軸方向根據(jù)X軸和Z軸方向，按右手定則確定。*圍繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的坐標軸分別稱為A、B、C軸，其正方向也按右手定則確定。3.3數(shù)控加工程序的基本結(jié)構(gòu)與常用指令3.3.1程序的基本結(jié)構(gòu)一個完整的數(shù)控加工程序通常由若干個程序段組成，每個程序段由若干個指令字（字）組成，每個指令字由一個地址符和隨后的數(shù)字構(gòu)成。例如，一個典型的程序段格式（地址符可變程序段格式）為：`N_G_X_Y_Z_F_S_T_M_;`*N：程序段號，用于識別和查找程序段，一般按順序遞增。*G：準備功能指令，用于指定機床的運動方式或工作模式，如G00（快速定位）、G01（直線插補）、G02（順時針圓弧插補）、G03（逆時針圓弧插補）、G90（絕對坐標編程）、G91（增量坐標編程）等。*X,Y,Z,A,B,C：坐標軸移動指令，后跟坐標值，表示刀具或工件在該坐標軸方向上的目標位置或移動量。*F：進給功能指令，指定刀具的進給速度，單位通常為mm/min（每分鐘進給）或mm/r（每轉(zhuǎn)進給）。*S：主軸功能指令，指定主軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min（轉(zhuǎn)每分鐘）。*T：刀具功能指令，指定刀具號。*M：輔助功能指令，用于控制機床的輔助動作，如M03（主軸正轉(zhuǎn)）、M05（主軸停止）、M08（冷卻液開）、M09（冷卻液關(guān)）、M30（程序結(jié)束并返回程序開頭）等。*;：程序段結(jié)束符。3.3.2常用G指令與M指令簡介（以下為部分常用指令示例，具體指令及格式請參考所用數(shù)控系統(tǒng)的編程手冊）*G00X_Y_Z_：快速定位。刀具以系統(tǒng)設(shè)定的快速移動速度移動到指令指定的坐標位置，用于非切削狀態(tài)下的快速移動。*G01X_Y_Z_F_：直線插補。刀具以F指令指定的進給速度，從當前位置沿直線移動到指令指定的坐標位置，用于直線輪廓的切削加工。*G02X_Y_Z_I_J_K_F_或G02X_Y_Z_R_F_：順時針圓弧插補。*G03X_Y_Z_I_J_K_F_或G03X_Y_Z_R_F_：逆時針圓弧插補。（X_Y_Z_為圓弧終點坐標；I_J_K_為圓弧起點到圓心的矢量分量；R為圓弧半徑）*G90：絕對坐標編程。程序中X、Y、Z等坐標值均為相對于工件坐標系原點的絕對位置。*G91：增量坐標編程。程序中X、Y、Z等坐標值均為相對于當前位置的移動增量。*G40：取消刀具半徑補償。*G41：刀具半徑左補償。*G42：刀具半徑右補償。*G80：取消固定循環(huán)。*G81~G89：各種固定循環(huán)指令，如鉆孔、鏜孔、攻絲等，用于簡化重復(fù)的加工操作。*M03S_：主軸順時針方向旋轉(zhuǎn)，S指定轉(zhuǎn)速。*M04S_：主軸逆時針方向旋轉(zhuǎn)。*M05：主軸停止旋轉(zhuǎn)。*M06T_：換刀指令，T指定刀具號。*M08：冷卻液開。*M09：冷卻液關(guān)。*M00：程序暫停。需按循環(huán)啟動鍵才能繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序。*M01：選擇暫停。當機床操作面板上的“選擇暫?！遍_關(guān)打開時，執(zhí)行到此指令會暫停。*M30：程序結(jié)束。不僅結(jié)束程序運行，還會使程序指針返回到程序開頭。3.4數(shù)控編程的步驟數(shù)控編程是一個嚴謹細致的過程，通常包括以下步驟：1.分析零件圖樣：仔細閱讀和理解零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸精度、表面粗糙度、材料性能及熱處理要求等，明確加工內(nèi)容和技術(shù)要求。2.制定加工工藝方案：根據(jù)零件圖樣要求和生產(chǎn)條件，確定合理的加工方法、加工路線（走刀路徑）、選用合適的機床、刀具、夾具和切削用量（切削速度、進給量、背吃刀量）。這是數(shù)控編程中最關(guān)鍵的一步，直接影響加工質(zhì)量和效率。3.數(shù)學(xué)處理：根據(jù)零件圖樣和確定的加工路線，計算出刀具運動軌跡的坐標數(shù)據(jù)。對于由直線和圓弧組成的簡單輪廓，計算較為簡單；對于復(fù)雜的曲線曲面，則需要使用計算機輔助設(shè)計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）軟件進行自動計算。4.編寫加工程序：根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的編程規(guī)則和指令格式，將加工工藝參數(shù)、刀具軌跡坐標數(shù)據(jù)等編制成零件加工程序。編程時需注意指令的正確性、坐標值的準確性、程序段順序的合理性。5.程序校驗與試切削：程序編寫完成后，必須進行嚴格的校驗，以檢查程序是否存在語法錯誤、邏輯錯誤或計算錯誤。校驗方法包括：*人工校驗：通過閱讀程序進行檢查。*計算機圖形模擬：利用數(shù)控系統(tǒng)或編程軟件的圖形模擬功能，動態(tài)顯示刀具軌跡，檢查是否與預(yù)期一致。*空運行校驗：在機床上不裝工件、不切削的情況下，啟動程序，讓機床空運行，觀察各運動部件的動作是否正確。*試切削：對于重要零件或復(fù)雜程序，還需進行首件試切削，在實際加工中檢驗程序的正確性和