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数控工艺及编程机械工程学院2015年3月主讲教师：客观方面的原因第二次世界大战中体现出来的对武器装备要求更加精良；计算机技术的产生和不断发展；机床技术的不断发展和成熟等。1.1.1数控技术的发展原因主观方面的原因要求减轻工人的劳动强度；不断提高劳动效率；工厂实现自动化的要求等。第一节数控发展概述半个世纪以来，数控系统已经历了两个阶段、六代的发展硬线数控阶段（1952-1970年）。最初采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬线数控（HardwiredNumericalControl)，简称数控（NC）。这个阶段经历了三代的发展1952年开始的第一代数控系统，其主要特点是以电子管、继电器、模拟电路元件为主；1959年开始的第二代数控系统，其主要特点是以晶体管数字电路元件为主；1965年开始的第三代数控系统，其主要特点是以集成数字电路器件为主。1.1.2数控机床的发展史计算机数控阶段（1970年至今）1970年开始的第四代数控系统，其主要特点是基于小型计算机并采用中小规模集成电路的数控系统；1974年开始的第五代数控系统，其主要特点是基于微处理器并具有数字显示、故障自诊断功能的数控系统；1990年开始的第六代数控系统，其特点是基于PC的数控系统。1.1.3数控机床与数控加工的基本概念数控（NumericalControl，简称NC）：用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控机床：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，机床的运动和动作按照这种程序控制系统发出的由特定代码和符号编码组成的指令进行。这种程序控制系统称之为机床的数控系统。为满足单件、小批、多品种、自动化生产的需要而研制的一种灵活的、通用的能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床，具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高的优点。适应能力强，适应于多品种、单件小批量零件的加工；加工精度高；工序高度集中，可以大大减轻工人的体力劳动；生产准备周期短，具有较高的加工生产率和较低的加工成本；能完成复杂型面的加工；技术含量高，有利于实现机械加工的现代化管理。1.1.4数控机床的优点数控技术由机床技术、数控系统技术和外围技术等三大技术组成。机床技术包括基础件（床身、立柱、工作台）和配套件（刀架、刀库、丝杠、导轨）等；数控系统技术包括控制系统（硬件、软件）、驱动系统（伺服系统、电动机）和测量与反馈系统（各种传感器）等；外围技术包括工具系统（刀片、刀杆）、编程技术（编程机、编程系统）和管理技术等。1.2.1数控机床的技术组成1.２数控机床的组成数控机床的结构组成如图1－1所示。1.2.2数控机床的结构组成各部分的功能及作用分别为：数控装置是数控机床的核心，它的功能是接收由输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分进行规定的、有序的动作；伺服系统是数控系统的执行部分，它由伺服驱动电路和伺服驱动装置（电动机）组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。机床本体包括主运动部件、进给运动执行部件、工作台、刀架及其传动部件和床身立柱等支撑部件，还有冷却、润滑、转位和夹紧装置等。测量装置用来直接或间接测量执行部件的实际位移或转动角度等运动情况。是保证机床精度的信息来源，具有十分重要的作用。1.2.3数控机床工作过程数控程序输入到数控系统，并被调入执行程序缓冲区以后，一旦操作者按下启动按钮，程序就将被逐条逐段的自动执行。数控程序的执行，实际上是不断地向伺服系统发出运动指令。数控系统在执行数控程序的同时，还要实时地进行各种运算，来决定机床运动机构的运动规律和速度。伺服系统在接收到数控系统发来的运动指令后，经过信号放大和位置、速度比较，控制机床运动机构的驱动元件（如主轴回转电动机和进给伺服电动机）运动。机床运动机构（如主轴和丝杠螺母机构）的运动结果是刀具与工件产生相对运动，实现切削加工，最终加工出所需要的零件。目前，数控机床品种非常之多，可以从不同的角度、按照多种原则进行分类。按工艺用途分类金属切削类数控机床数控车、铣、钻、磨、镗和加工中心等。金属成形类数控机床数控折弯机、弯管机、回转头压力机等。数控特种加工及其他类型数控机床数控线切割、电火花、激光切割和火焰切割机床等。1.3数控机床的分类按运动轨迹分类1．点位控制系统仅控制机床运动部件从一点准确地移动到另一点的准确定位，在移动过程中不进行加工，在移动过程中不进行加工。（如图1-2）123刀具工件2．直线控制系统除了控制机床运动部件从一点到另一点的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和运动轨迹（如图1-3）。工件刀具轨迹图1-3数控车床的直线控制3．轮廓控制系统能够对两个以上机床坐标轴的移动速度和运动轨迹同时进行连续相关的控制。插补结果向坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴联动，进行各种斜线、圆弧、曲线的加工，实现连续控制。（如图1-4所示）两轴联动图1-4数控线切割机床加工示意图按伺服系统的类型分类按照数控机床有无反馈及反馈的位置不同可以分为开环伺服、闭环伺服、半闭环伺服三种：开环数控机床系统无反馈无检测装置若有反馈，而且反馈环提供的信号来自机床的最后一个移动部件则系统为闭环数控机床。直线位移检测装置若数控机床有反馈，但信号来自中间环节则为半闭环数控机床。-----------------------------角位移检测按功能水平分类可将数控机床分为高、中、低档三类，但是这种分类方法没有一个确切定义。数控机床水平高低由主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平决定。还可以按数控机床的联动轴数来分类，这样可以分为2轴联动，2.5轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动等数控机床。其中，2.5轴联动是三个坐标轴中任意两轴联动，第三轴点位或直线控制。轮廓控制系统按所控制的联动轴数不同，可以分为下面几种主要形式：（1）二轴联动主要用于数控车床加工曲线旋转面或数控铣床加工曲线柱面两轴联动（2）二轴半联动主要用于控制三轴以上的机床，其中二个轴互为联动，而另一个轴作周期进给，如在数控铣床上用球头铣刀采用行切法加工三维空间曲面。两轴半联动（3）三轴联动一般分为两类，一类就是X、Y、Z三个直线坐标轴联动，比较多地用于数控铣床、加工中心等，如用球头铣刀铣切三维空间曲面（如图1-7所示）。另一类是除了同时控制X、Y、Z其中两个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。三轴联动（4）四轴联动即同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动（回转工作台）。四轴联动（5）五轴联动除了同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标，即形成同时控制五个轴联动。五轴联动a）b）数控系统国外数控系统FUNUC数控系统SIEMENS数控系统数控系统国内数控系统华中数控广州数控蓝天数控1.4数控编程的分类（一）手工直接编程手工直接编程是用数控机床提供的指令直接编写出零件加工程序的过程。手工直接编程又称手工编程，主要用于几何造型比较简单或有某种规律的曲线、曲面零件的数控编程，是目前数控机床操作人员和车间级编程人员较多使用的方法。（二）CAD/CAM集成系统数控编程一种情况是因在产品设计阶段，就已完成零件几何模型的构建，如Pro/E、UG等，NC程序实际上是在完成零件的几何模型建模后，再进入到加工模块，通过创建刀具、创建几何体、创建操作等一系列的操作，并生成刀具位置源文件（CLSF），然后再通过执行后处理生成某一特定数控系统所需的NC代码。另一种情况是针对以数控编程为主要目的而开发的CAD/CAM软件，如Mastercam等。其NC代码的生成过程，首先要通过软件的CAD功能，完成线架造型、曲面造型或实体造型，当然也可将其他软件创建的实体模型或曲面模型转换到系统中，通过刀具路径规划，刀位文件生成、刀具路径模拟以及实体切削验证，确认刀具路径合理，无过切及碰撞等情况，即可通过执行后处理程序，得到零件加工所需的NC代码。1.5数控编程的步骤就手工编程而言，其编程过程主要包括：分析零件图样、工艺处理、数值计算、编写程序单、程序输入、程序校验及首件试切。1．分析零件图样和工艺处理首先要根据零件图样，对零件的尺寸、形状、材料、精度和热处理等技术要求进行工艺分析，制定出合理的加工方案与工艺路线，确定加工工序和工步，选择机床、夹具、刀具及确定切削用量等工艺参数，设置工件坐标系及确定合理的进给路线，同时还要考虑刀具的切入、切出位置及对刀点、换刀点位置的安排等。2．数值计算根据零件上标注的几何尺寸和设定的工件坐标系，以及加工的进给路线，计算出刀位数据。主要是计算直线段的起点、终点坐标；圆弧段的起点、终点坐标及圆弧圆心点的坐标。对于较复杂的直线与圆弧或圆弧与圆弧的交点或切点的坐标计算，通常利用勾股定理、三角函数、代数方程可以完成这类计算工作，也可以利用绘图软件的查询功能来帮助完成这一步工作。3．编写零件加工程序编程人员可以根据数控系统提供的指令功能及程序书写格式，逐段编写加工程序。此外，还应填写有关的工艺文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、数控刀具明细表、工件安装和零点设定卡片等。4．程序输入数控加工程序的输入有手动数据输入、介质输入、通信输入等方式。（1）手动数据输入手动数据输入方式即MDI方式。它是指利用数控机床操作面板上的键盘，将编好的程序直接输入到数控系统中。其特点是输入简单，检验与校核、修改方便。（2）介质输入介质输入是指将加工程序记录在软磁盘（FloppyDisk）、存储卡（M-CARD）、U盘（USBflashDisk）等存储介质上，通过数控系统相对应的插槽或端口将程序一次性输入。其输入的特点是输入速度快、便于程序的长期保存和重复使用。（3）通信输入数据传输的方式有串口通信方式与并口通信方式。串口通信方式是指通过电缆线将计算机与数控机床上的标准串行接口连接起来，一次性将零件加工程序输入到数控机床的存储器，加工时再从存储器一段一段地往外读出；并口通信方式常称为DNC方式，是一种边传送边加工的工作方式。对于具有复杂曲面形状的模具加工，采用CAD/CAM软件编程时的程序长度常常会超过数控机床内存储器的存储容量，此时，DNC工作方式是程序输入的主要方式。5．程序检验程序检验包括程序格式错误检查，MDI方式下输入时的键盘输入差错，加工过程中的安全性检查以及零件加工后最终的零件合格性检查。（一）数控机床坐标轴和运动方向的规定统一规定数控机床的坐标轴及运动的正、负方向可使编程简便，并使所编程序对于同类型机床具有互换性。目前国际标准化组织已经统一了标准坐标系。我国也制订了JB3051－1999《数字机床坐标运动方向的命名》的标准，对数控机床的坐标轴和运动方向做出了明确规定。1．坐标和运动方向命名的原则为了便于编程人员编写程序，编程人员可不考虑实际机床在加工零件时是刀具移向工件，还是工件移向刀具，而一律假定工件固定，刀具相对于静止的工件而运动。2．标准坐标系的规定在数控机床上加工零件，机床的动作是由数控机床发出的指令来控制的。为了确定机床的运动方向，移动的距离，就要在机床上建立一个坐标系，这个坐标系就叫标准坐标系，也叫机床坐标系。在编制程序时，就可以以该坐标系来规定运动的方向和距离。第二节数控编程的基础知识12/29/201936•围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示。根据右手螺旋法则，可以方便地确定A、B、C三个旋转坐标轴。以大拇指指向＋X、＋Y、＋Z方向，则食指、中指等的指向是圆周进给运动＋A、＋B、＋C方向。右手直角笛卡儿坐标系12/29/2019371对于没有主轴的机床，规定垂直于工件装夹表面的方向为Z坐标轴的方向，正向是使刀具离开工件的方向统一规定与机床主轴重合或平行的坐标为Z轴，远离工件的方向为正方向。机床主轴是传递切削