1、数控加工与编程教 案授课班级 数控 61授课时间 07/08 学年度第一学期授课教师 符兴承第一章 数控加工实用基础 第 一 讲 1.1 数控加工概述教学目的: 了解数控加工基础知识教学内容: 数控加工原理、特点及常用术语教学重点: 数控加工原理、特点教学难点: 插补与刀补教学过程：1.1 数控加工概述1.1.1 数控加工原理和特点1数控加工原理当我们使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。采用普通机床加工时，这种开车、停车、走刀、换向、主轴变速和开关切削液等操作都是由人工直接控制的。采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作
2、和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代 码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象 时，只需要重新 编写程序代 码， 输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。数控加工的原理如图 1-1 所示。图 1-1
3、从图 1-1 可以看出，数控加工过程总体上可分为数控程序编制和机床加工控制两大部分。数控机床的控制系统一般都能按照数字程序指令控制机床实现主轴自动 启停、换向和变速，能自动控制进给速度、方向和加工路线，进行加工，能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹，能完成加工中所需要的各种辅助动作。2数控加工的特点总的来说，数控加工有如下特点：(1) 自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节。数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件；省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了
4、生产效率。(2) 对加工对象的适应性强。改变加工对象时 ，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要作其他任何复杂的调整，从而 缩短了生产准备周期。(3) 加工精度高， 质量稳 定。加工尺寸精度在 0.0050.01 mm 之间，不受零件复杂程度的影响。由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。(4) 易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成 CAD/CAM 一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控
5、。1.1.2 数控加工常用术语1坐标联动加工数控机床加工时的横向、纵向等进给量都是以坐标数据来进行控制的。像数控车床、数控线切割机床等是属于两坐标控制的，数控铣床则是三坐标控制的，还有四坐标轴、五坐标轴甚至更多的坐标轴控制的加工中心等。坐标联动加工是指数控机床的几个坐标轴能够同时进行移动，从而获得平面直线、平面圆弧、空间直线和空间螺旋线等复杂加工轨迹的能力。当然也有一些早期的数控机床尽管具有三个坐标轴，但能够同时进行联动控制的可能只是其中两个坐标轴，那就属于两坐标联动的三坐标机床。像 这类机床就不能获得空间直线、空间螺旋线等复杂加工轨迹。要想加工复杂的曲面，只能采用在某平面内进行联动控制，第三
6、轴作单独周期性进给的“两维半”加工方式。2脉冲当量、进给速度与速度修调数控机床各轴采用步进电机、伺服电机或直线电机驱动，是用数字脉冲信号进行控制的。每发送一个脉冲，电机就转过一个特定的角度，通过传动系统或直接带动丝杠，从而驱动与螺母副连结的工作台移动一个微小的距离。单位脉冲作用下工作台移动的距离就称之为脉冲当量。进给速度是指单位时间内坐标轴移动的距离，也即是切削加工时刀具相对于工件的移动速度。有些数控机床的主轴转速也可以根据需要进行调整，那就是主轴转速修调。3插补与刀补数控加工直线或圆弧轨迹时，程序中只提供线段的两端点坐标等基本数据，为了控制刀具相对于工件走在这些轨迹上，就必须在组成轨迹的直线
7、段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以填补确定一些中间点，如图 1-2(a)、(b)所示，各 轴就以趋近这些点为目标实施配合移动，这就称之为插补。这种计算插补点的运算称为插补运算。早期 NC 硬线数控机床的数控装置中是采用专门的逻辑电路器件进行插补运算的，称之为插补器。在现代 CNC 软线数控机床的数控装置中，则是通过软件来实现插补运算的。现代数控机床大多都具有直线插补和平面圆弧插补的功能，有的机床还具有一些非圆曲线的插补功能。图 1-2(a)、(b)1.1.3 数控加工技术的发展1数控加工技术的发展历程0YBRXA01234534XAY(a) (b) (c)2数控加
8、工技术的发展方向现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展。作业: 1、数控机床与普通机床加工的过程有什么区别？有何特点？2、简要说明数控加工常用述语课后记：第 二 讲 1.2 数控系统控制原理教学目的: 了解数控系统控制原理教学内容: CNC 系统的组成与控制原理教学重点: CNC 系统的软件结构教学难点: 插补原理教学过程： 1.2.1 CNC 硬件组成与控制原理CNC 即计算机数控系 统(Computerized Numerical Control)的缩写，它是在硬线数控(NC)系统的基础上发展起来的，由一台 计 算机完成早期 NC 机床数控装置的所
9、有功能，并用存储 器实现了零件加工程序的存储。数控系统的核心是计算机数字控制装置，即 CNC 装置。它由硬件(数控系统本体器件)和 软件( 系统控制程序如编译、中断、 诊断、管理、刀 补和插补等)组成。系统 中的一种功能，可用硬件电路实现，也可用软件实现。新一代的 CNC系统，大都采用软件来实现 数控系统的绝大部分功能。要增加或更新系统功能时，则只需要更换控制软件即可，因此， CNC 系统较之 NC 系统具有更好的通用性和灵活性。图 1-3 是小型计算机 CNC 系统构成图 1-31.2.2 CNC 系统的软件结构CNC 系 统软件是为实现 CNC 系统各项功能所 编制的专用软件，也叫控制软件
10、，存放在计算机 EPROM 中。各种 CNC 系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构和规模上差别很大，但是一般都包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。1输入数据处理程序 (PLC)CN()()它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系 统还要 进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。2插补计算程序CNC 系 统根据零件加工程序中提供的数据，如线段轨迹的种类、起点和终点坐标等进行运算。根据运算结果，分 别向各坐标轴发出进给脉冲。 进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具作相应的运动，
11、完成程序规定的加工任务。CNC 系 统的工作方式是一 边进行插补运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式，所以插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此要尽可能地缩短运算时间，这是插补运算程序的关键。3速度控制程序速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率，以保证预定的进给速度。在速度变化较大时，需要 进行自动加减速控制，以避免因速度突 变而造成驱动系统失步。4管理程序管理程序负责对数据输入、数据处理和插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对由面板命令、时钟信号和故障信号等引起的中断进行处理。5诊断程序诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类
12、型。也可以在运行前或故障发生后， 检查系统各主要部件(如 CPU、存储器、接口、开关和伺服系统等) 的功能是否正常，并指出 发 生故障的部位。在整体结构上，CNC 系统软件可有前后台型和中断型两种不同的处理方式。 1.2.3 插补原理插补是在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以确定一些中间点。将它 应用于数控加工中就是：CNC 装置根据程序中 给定的 线段方式和端点信息进行相应的数学计算，以插补运算出的中间密化点为趋近目标，不断地向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲或数据，使被控机械部件按趋近指定的路线移动，从而最大限度地保证加工轨迹与理想轨迹相一致。1
13、.2.4 典型数控系统1日本 FANUC 系列数控系 统2德国 SIEMENS 公司的 SINUMERIK 系列数控系统3华中数控系统 HNC作业: 1数控系统主要组成部分有哪些？功用如何？2什么是插补？试由直线的逐点比较工作节拍说明其插补过程。课后记：第 三 讲 1.3 数控机床及其坐标系统(1)教学目的: 掌握数控机床分类及其坐标系统教学内容: 数控机床及其分类、进给伺服系统、主 轴驱动教学重点: 数控机床及其分类教学难点: 进给伺服系统教学过程：1.3.1 数控机床及其分类从机械本体的表面上看，很多数控机床都和普通的机床一样，看不出有多大的差别。但事实上它们已经有本质上的不同。 驱动坐标
14、工作台的电机已经由传统的三相交流电机换成了步进电机或交、直流伺服电机；由于电机的速度容易控制，所以传统的齿轮变速机构已经很少采用了。还有很多机床取消了坐标工作台的机械式手摇调节机构，取而代之的是按键式的脉冲触发控制器或手摇脉冲发生器。坐标读数也已经是精确的数字显示方式，而且加工轨迹及进度也能非常直观地通过显示器显示出来。采用数控机床控制加工已经相当安全方便了。1按加工工艺方法分类按传统的加工工艺方法来分有：数控车床、数控钻床、数控镗床、数控 铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床、数控冲床、数控折弯机、数控电加工机床、数控激光与火焰切割机和加工中心等。其中，现代数控铣床基本上都兼有钻镗加工功能。当某
15、数控机床具有自动换刀功能时，即可称之为“ 加工中心”。2按加工控制路线分类有点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床。(1) 点位控制机床。只控制刀具从一点向另一点移 动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。在从点到点的移动过程中，只作快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。属于点位控制的典型机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。这类机床的数控功能主要用于控制加工部位的相对位置精度，而其加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进行。(2) 直线控制机床。可控制刀具相 对于工作台以适当的 进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成 45的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一次同时只有某一轴
16、在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45(的斜 线，所以其控制难度不大，系 统结构比较简单 。一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，组成点位直线控制系统而用于机床上。这种形式的典型机床有车阶梯轴的数控车床、数控镗铣床和简单加工中心等。(3) 轮廓控制机床。它又称连续控制机床。如 图 1-8(c)所示，可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。典型的轮廓控制型机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控磨床和数控电加工机床等。3按机床所用进给伺服系统不同分类有开环伺服系统型、闭环伺服系统型和半闭环伺服系统4按所
17、用数控装置的不同分类有 NC 硬线数控和 CNC 软线数控机床。5按控制坐标轴数目分类按机床数控装置能同时联动控制的坐标轴的数目来分，有两坐标联动数控机床、三坐标联动数控机床和多坐标联动数控机床。1.3.2 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。它的作用是：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电机，电液动脉冲马达和功率步进电机等)和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工件进给和快速运动。1开环伺服系统开环伺服系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机和
18、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，通 过环形分配器、按步 进电机的通电方式进行分配，并经功率放大后送给步进电机的各相绕组，使之按规定的方式通、断电，从而驱动步进电机旋转。再经同步齿 形带、滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。每给一脉冲信号，步进电机就转过一定的角度，工作台就走过一个脉冲当量的距离。数控装置按程序加工要求控制指令脉冲的数量、频率和通电顺序，达到控制执行部件运动的位移量、速度和运 动方向的目的。由于它没有检测和反馈系统，故称之为开环。其特点是 结构简单， 维护方便，成本较低。2半闭环伺服系统半闭环伺服系统具有检测和反馈系统，测量元件(脉冲编码器、旋转变压器和圆感应同步器等)装在丝杠或伺服电机的轴端部，通过测量元件检测丝杠或电机的回转角。间接测出机床运动部件的位移， 经反馈回路送回控制系统和伺服系统，并与控制指令值相比较。如果二者存在偏差，便将此差 值信号进行
