授課內容《數控機床的編程與操作》

授課老師：刁燕聊城市交通技工學校第1章數控加工編程基礎數控機床的基本知識1.1數控加工編程基礎

1.2數控機床坐標系1.3數控加工的工藝設計1.41.1數控機床的基本知識1.1.1數控機床的產生和發展歷程1.數控技術與數控機床數控即數字控制(NumericalControl，簡稱NC），數控技術即NC技術，是用數字化信號發出指令并控制機械執行預定動作的技術。計算機數控(ComputerNumericalControl，簡稱CNC）是指用計算機，按照存儲在計算機內讀寫存儲器中的控制程序去執行數控裝置的一部分或全部數控功能，實現部分或全部的數控功能。采用數控技術實現數字控制的一整套裝置和設備，稱為數控系統。數控機床就是裝備有數控系統，采用數字信息進行自動控制機床運動及其加工過程的機床。它是用輸入專用或通用計算機中的數字信息來控制機床的運動，自動將零件加工出來。

2.數控機床的產生和發展

數控機床主要是為了實現復雜多變零件的自動化加工而產生的，數控機床的發展，依賴于電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量技術的發展，軟件式數控是采用微處理器及大規模或超大規模集成電路組成的數控系統，它具有很強的程序存貯能力和控制功能，這些控制功能是由一系列控制程序(駐留系統內）來實現的。軟件或數控系統通用性很強，幾乎只需要改變軟件，就可以適應不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。目前微型機數控系統幾乎完全取代了以往的普通數控系統。

1.1.2數控機床的組成及加工原理1數控機床的組成數控機床主要由以下幾部分組成，如圖1-1所示。（1）控制介質與程序輸入輸出設備（2）數控裝置（3）伺服系統（4）輔助控制裝置（5）機床本體2.數控機床的加工原理機床本體主進輔運給助動運動機動作構機機構構電控制裝置輔助控制及強

數控裝置CNC輸入輸出裝置置檢測裝置伺服驅動及位圖1-1數控機床的組成圖1-2數控機床的加工過程1.1.3數控機床的分類

1．按工藝用途分（1）金屬切削類數控機床（2）金屬成型類數控機床（3）特種加工類數控機床（4）其他類數控機床2．按控制運動軌跡分類（1）點位控制數控機床（2）直線控制數控機床（3）輪廓控制數控機床3.按伺服系統的控制方式分類

（1）開環伺服系統工作原理：每當數控裝置發出一個指令脈沖信號，就使步進電動機的轉子旋轉一個固定角度，機床工作臺移動一定的距離。特點：開環伺服系統沒有工作臺位移檢測裝置，對機械傳動精度誤差沒有補償和校正，工作臺的位移精度完全取決于步進電動機的步距角精度、齒輪箱中齒輪副和絲杠螺母副的精度與傳動間隙等，所以這種系統很難保證較高的位置控制精度。同時由于受步進電動機性能的影響，其速度也受到一定的限制。但這種系統的結構簡單、調試方便、工作可靠、穩定性好、價格低廉，因此被廣泛用于精度要求不太高的經濟型數控機床上。（2）閉環伺服系統工作原理：數控裝置發出位移指令脈沖，經電動機和機械傳動裝置使機床工作臺移動，安裝在工作臺上的位量檢測器把機械位移變成電學量，反饋到輸入端與輸入信號相比較，得到的差值經過放大和變換，最后驅動工作臺向減少誤差的方向移動。如果輸入信號不斷地產生，則工作臺就不斷地跟隨輸入信號運動。特點：閉環伺服系統的位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，將工作臺的實際位置檢測出來并與CNC裝置的指令進行比較，用差值進行控制，因而可以達到很高的定位精度，同時還能達到較高的速度。在精度要求高的大型和精密機床上應用十分廣泛。由于系統增加了檢測、比較和反饋裝置，所以結構比較復雜，不穩定因素多，調試維修比較困難.（3）半閉環伺服系統

半閉環控制系統是在開環控制系統的伺服機構中裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服機構的滾珠絲杠轉角間接檢測移動部件的位移，然后反饋到數控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，使移動部件補充位移，直到差值消除為止的控制系統。特點：半閉環控制系統伺服機構沒有將絲杠螺母機構齒輪機構等傳動機構包括在閉環中，所以這些傳動機構的傳動誤差仍然會影響移動部件的位移精度。但半閉環伺服系統將慣性大的工作臺安排在閉環之外，系統調試較容易，穩定性好。所能達到的精度、速度和動態特性優于開環伺服機構，為大多數中小型數控機床所采用。4．按可控制軸數與聯動軸數分類可控制軸數是指系統最多可以控制的坐標軸數目，聯動軸數是指數控系統按加工要求控制同時運動的坐標軸數目。多坐標軸按照一定的函數關系同時協調運動，稱為多軸聯動。按照聯動軸數可以分為：（1）兩軸聯動（2）兩軸半聯動（3）三軸聯動（4）多坐標聯動1.1.4數控機床的加工特點1．適應性強，用于單件小批量和具有復雜型面的工件的加工.2．加工精度高，加工零件質量穩定.3．生產效率高.4．能實現復雜的運動.5．減輕勞動強度，改善勞動條件.6．有利于生產管理.1.3數控機床坐標系1.3.1標準坐標系及其運動方向１．機床相對運動的規定2．坐標系的規定在數控機床上加工零件，機床的動作是由數控系統發出指令來控制的，為了確定機床上運動的位移和運動的方向，需要坐標系來實現，這個坐標系叫標準坐標系，也稱為機床坐標系。數控機床上的坐標系采用右手笛卡爾直角坐標系。圍繞X、Y、Z坐標旋轉的旋轉坐標分別用A、B、C表示，根據右手螺旋定則，大拇指的指向為X、Y、Z坐標中任意軸的正向，則其余四指的旋轉方向即為旋轉坐標A、B、C的正向，圖1-9右手笛卡爾直角坐標系3、運動方向的規定JB3051-82中規定：機床某一部件運動的正方向是增大刀具與工件之間距離的方向。（1）Z坐標Z坐標的運動由傳遞切削力的主軸決定，即平行主軸軸線的坐標軸為Z坐標。（2）X坐標X坐標平行于工件的裝夾面，一般是水平的。對于工件旋轉的機床，X坐標的在工件的徑向上，且平行于橫向拖板。刀具離開工件旋轉中心的方向為X坐標的正方向，X運動的正方向指向右，（3）Y坐標Y坐標軸垂直于X、Z坐標軸。Y坐標的正方向根據X和Z坐標的正方向，按照右手笛卡爾直角坐標系來確定。圖1-10機床坐標系1.3.2機床原點與機床參考點1.機床原點機床原點又稱機械原點，是機床坐標系的原點。該點是機床上設置的一個固定點，它在機床裝配、調試時就已確定下來，是數控機床進行加工運動的基準參考點。數控車床的機床原點一般取在卡盤端面與主軸中心線的交點處，如圖1-11所示。數控銑床的機床原點一般取在X、Y、Z坐標的正方向極限位置上，如圖1-12所示。2.機床參考點機床參考點的位置是由機床制造廠家在每個進給軸上用限位開關精確調整好的，坐標值已輸入數控系統中。通常在數控銑床上機床原點和機床參考點是重合的；而在數控車床上機床參考點是離機床原點最遠的極限點。圖1-13所示為數控車床的參考點與機床原點。圖1-11車床的機床原點圖1-12銑床的機床原點圖1-13數控車床的參考點1.3.3編程坐標系編程坐標系是編程人員根據零件圖樣及加工工藝等建立的坐標系。編程坐標系一般供編程使用，確定編程坐標系時不必考慮工件毛坯在機床上的實際裝夾位置。如圖1-14所示，其中O2即為編程坐標系原點

圖1-14編程坐標系1.3.4加工坐標系

加工坐標系是指以確定的加工原點為基準所建立的坐標系。加工原點也稱為編程原點，是指零件被裝夾好后，相應的編程原點在機床坐標系中的位置。加工原點一般按如下原則選取：(1)加工原點應選在工件圖樣的尺寸基準上。(2)能使工件方便地裝夾、測量和檢驗。(3)盡量選在尺寸精度、光潔度比較高的工件表面上，這樣可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。(4)對于有對稱幾何形狀的零件，加工原點最好選在對稱中心點上。

1.4數控加工的工藝設計1.4.1數控加工工藝內容的選擇

1.適于數控加工的內容（1）通用機床無法加工的內容應作為優先選擇內容；（2）通用機床難加工，質量也難以保證的內容應作為重點選擇內容；（3）通用機床加工效率低、工人手工操作勞動強度大的內容。2.不適于數控加工的內容（1）占機調整時間長。（2）加工部位分散，需要多次安裝、設置原點。（3）按某些特定的制造依據（如樣板等）加工的型面輪廓。1.4.2數控加工零件圖的工藝性分析

被加工零件的數控加工工藝性問題涉及面很廣，下面結合編程的可能性和方便性提出一些必須分析和審查的主要內容。1.尺寸標注應符合數控加工的特點2.幾何要素的條件應完整、準確3.定位基準可靠4.統一幾何類型及尺寸1.4.3數控加工的工藝設計1．加工方法的選擇一般地，數控車床適合于加工形狀比較復雜的軸類零件和由復雜曲線回轉形成的模具內型腔；立式數控銑床適合于加工平面凸輪、樣板、形狀復雜的平面或立體零件，以及模具的內、外型腔等；臥式數控銑床則適合于加工箱體、泵體和殼體類零件；多坐標聯動的加工中心還可以用于加工各種復雜的曲線、曲面、葉輪和模具等。2．工序的劃分（1）工序的劃分的原則工序的劃分原則有工序集中原則和工序分散原則兩種。（2）工序劃分方法①按零件裝夾定位方式劃分②按所用刀具劃分③按粗、精加工劃分④按加工部位劃分3．加工順序的安排①基面先行原則②先粗后精原則④先面后孔原則③先主后次原則4．零件的定位與夾具的選擇（1）定位與夾緊方案的選擇①盡可能使設計基準、工藝基準與編程計算基準統一。②減少裝夾次數，盡可能在一次裝夾后能加工出全部待加工表面。③避免采用占機人工調整時間長的裝夾方案。④夾緊力的作用點應落在工件剛性較好的部位。1.4.3數控加工的工藝設計（2）選擇夾具的基本原則數控加工的特點對夾具提出了兩個基本要求：一是要保證夾具的坐標方向與機床的坐標方向相對固定；二是要能協調零件和機床坐標系的尺寸關系。同時考慮以下幾點：①單件小批量生產時優先選用組合夾具、可調夾具和其他通用夾具，以縮短生產準備時間和節省生產費用。②零件的裝卸要快速、方便、可靠，以縮短機床的停頓時間，減少輔助時間。③夾具上各零部件應不妨礙機床對零件各表面的加工。即夾具要開敞，其定位夾緊機構元件不能影響加工中的走刀（如產生碰撞等）。④為提高數控加工效率，批量較大的零件加工可采用氣動或液壓夾具、多工位夾具。⑤為滿足數控加工精度，要求夾具定位、夾具精