数控机床与编程宁波大学工学院二00五年

数控加工与编程技术前言一、本课程性质等二、为什么要学习本课程三、本课程要求四、本课程目的课程性质：重要专业课课程学时：64（讲授学时：48；实验学时：16）周学时：3+1教材：郑堤主编.数控机床与编程.机械工业出版社，2005参考书：–朱晓春主编.《数控技术》.机械工业出版社，2006–李恩林主编.《数控技术应用自学读本》.机械工业出版社，2006授课方式：课堂教学+实验+作业考核方式：期末考试（60%）+平时（出勤、答疑、实验、作业）（40%）一、本课程性质等是先进制造技术内容之一是制造装备数字化的主要内容是柔性自动化的基础数控机床是典型的机电一体化产品数控机床的应用越来越普及数控机床应用人才需求量大且迫切数控技术适用领域广泛是机械工程领域的人才必备的专业知识二、为什么要学习本课程？(一)柔性制造单元(FMC)1．配有机器人的FMC图1中，加工中心3上的工件2，由机器人1来装卸，加工完毕的工件放在工件架上。监控器4协调加工中心和机器人的动作。1—机器人2—工件3—加工中心4—监控器图1例2．配有托盘交换系统构成的FMC图2是由加工中心和托盘交换系统构成的FMC。图21．加工系统加工系统中的自动化加工设备通常由5～10台数控机床和加工中心组成，它们都带有刀具库，并具有自动换刀装置。2．物料输送系统物料输送系统主要是工件和刀具的输送。3．信息系统信息控制系统的主要功能是：识别进入系统的工件，选择相应的数控加工程序，根据不同工件和不同的加工内容，使工件按不同顺序通过相应的机床进行加工；当工件改变时，上述内容又能自动地作相应地改变。(二)柔性制造系统(FMS)柔性制造系统是一个由中央计算机控制的自动化制造系统。柔性制造系统由加工系统、物料输送系统和信息系统组成。介绍如下：(三)计算机集成制造系统(CIMS)计算机集成制造系统就是用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，以求得企业的总体效益。CIMS通常由管理信息系统、产品设计与制造工程设计自动化系统、制造自动化系统、质量保证系统以及计算机网络和数据库系统等六个分系统组成，它们之间的关系，如图3所示。图3蓝领：机床操作银领（灰领）：工艺设计与编程，维修，数控改造金领（白领）：管理金领银领蓝领社会急需的数控加工人才类型：三、本课程要求要求不缺课，认真听课，课前预习，课后复习认真实验，按时独立完成作业，积极参加课堂讨论有问题及时答疑并反馈信息广泛查阅参考资料充分利用实验室的开放条件真正学到知识和本领。四、本课程目的掌握数控技术的基本原理、数控机床的组成、工作原理及特点了解数控技术的发展历史、现状与趋势了解数控装置的构成、工作原理及性能特点掌握数控机床机械系统的结构、性能特点及设计计算方法掌握数控机床手工编程方法，能够编制较简单零件的数控加工程序了解数控机床计算机辅助编程方法了解数控机床的选用、购置、维护与管理第一章绪论第一节数控技术基本概念与原理第二节数控机床第三节数控机床的发展本章要求了解并掌握数控技术基本原理；了解并掌握数控机床的组成、工作原理、分类与特点；掌握数控机床坐标系及其命名方法；了解数控机床的发展历史与发展趋势。第一节数控技术基本概念与原理数字控制技术，简称数控技术（NC）：采用数字指令信号对机电产品或设备进行控制的一种自动控制技术。数控技术与传统的设备自动控制技术的显著区别：坐标控制——采用数字指令信号对设备的运动部件的坐标运动进行控制。ZYX数控技术的基本原理将被控设备末端执行部件的运动（或多个末端执行部件的合成运动）纳入到适当的坐标系中，将所要求的复杂运动分解成各坐标轴的简单直线运动或回转运动，并用一个满足精度要求的基本长度单位（BasicLengthUnit，BLU）对各坐标轴进行离散化，由电子控制装置（即数控装置）按数控程序规定的运动控制规律产生与基本长度单位对应的数字指令脉冲对各坐标轴的运动进行控制，并通过伺服执行元件加以驱动，从而实现所要求的复杂运动。几个基本概念插补：插补是数控技术的核心。插补装置的功用是将期望的设备运动轨迹沿各坐标轴微分成基本长度单位，并转换成可控制各坐标轴运动的一系列数字指令脉冲。驱动：将插补装置输出的数字指令脉冲进行转换与放大，驱动执行元件，实现由数字指令脉冲序列规定的坐标运动，并最终由各坐标运动合成所期望的运动轨迹。功率放大伺服电动机传动机构工作台指令脉冲脉冲当量：对应于插补装置输出的每一个数字指令脉冲，伺服驱动系统末端执行部件所实现的理论位移被称为脉冲当量，它是系统所能控制的最小位移，又称系统的控制分辨率，一般取为基本长度单位（BLU）。BLUNC与CNCNC——早期采用硬件数字电路实现的数控。CNC——现代采用微型计算机实现的数控，称计算机数字控制技术，简称计算机数控（ComputerNumericalControl，CNC）。CNC是先进制造技术或生产模式的基础，是现代制造业的基础–柔性自动化（FMS）–计算机集成制造（CIM）–智能制造（IM）–敏捷制造（AM）–虚拟制造（VM）–……第二节数控机床一、数控机床的组成与工作原理程序编制数控装置检测反馈系统机床本体伺服驱动系统图样产品强电控制系统毛坯数控系统二、数控机床的分类1.按数控机床的加工工艺分类数控车床数控铣床加工中心机床：具有自动换刀功能，工序集中，可一次装夹连续自动地完成铣削、钻削、镗削、铰孔、扩孔、攻丝等多道工序的加工。数控钻床数控磨床数控镗床数控剪板机数控折弯机数控电加工机床数控三坐标测量机数控车床数控车削中心数控立式倒置主轴车床数控立式车床立式加工中心机床卧式加工中心机床数控磨床数控冲床数控激光切割机床三维数控激光加工机床数控滚齿机数控折弯机电火花成型机床数控线切割机床三坐标测量机2.按数控机床运动轨迹控制方式分类点位控制数控机床连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）XZY3.按伺服系统控制方式分类1)开环控制数控机床数控装置步进电动机机床工作台2)闭环控制数控机床数控装置伺服马达机床工作台位置检测器3)半闭环控制数控机床数控装置伺服马达位置检测器机床工作台位置检测器4.按数控机床功能强弱分类经济型数控机床——简易数控，脉冲当量：0.001-0.01mm全功能数控机床——普及型数控机床，脉冲当量：0.1-1μm高档型数控机床——五轴以上联动控制、高度柔性、超高速、超精密,脉冲当量：0.1μm5.按控制联动坐标轴数分类二坐标数控机床主要用于加工二维平面轮廓；三坐标数控机床主要用于加工三维立体轮廓；四坐标和五坐标数控机床主要用于加工空间复杂曲面或一些高精度、难加工的特殊型面。三、数控机床的特点1.自动化程度高2.加工精度高3.生产率高4.对工件的适应性强5.有利于生产管理信息化四、数控机床坐标系数控机床最重要的功能是坐标控制功能。数控机床坐标系是设计、制造和使用数控机床的基础。有关数控机床坐标系的国际标准：ISO841—1974JB/T3051—1999《数控机床坐标和运动方向的命名》1．数控机床坐标系采用右手笛卡儿直角坐标系：–坐标轴X、Y、Z的正向采用右手定则确定–坐标轴A、B、C的正向采用右手螺旋定则确定通常在命名数控机床坐标系时，总是假定工件不动，刀具相对于工件运动，则坐标系用XYZABC表达；若刀具不动，工件相对于刀具运动，则相应的坐标系用X′Y′Z′A′B′C′来表达。两种坐标系中的正运动方向正好相反。几种坐标系1)机床坐标系：–机床上固有的坐标系，并设有固定的坐标原点，称机床零点或机械零点；–由数控机床制造商提供，机床出厂时该坐标系就已确定，用户不能轻易修改；–与机床的位置检测系统相对应，是数控机床的基准；–机床每次上电开机后，应首先使运动部件返回机床零点，对机床坐标系进行校准。2)工件坐标系是为编程和加工方便由编程人员在编制零件数控加工程序时设置的，可以任意设置；不同的零件或不同的编程人员可以根据习惯或工艺特点而采用不同的工件坐标系；采用工件坐标系进行编程时，可以不考虑加工时所采用的具体机床的坐标系及工件在机床上的装夹位置，为编程人员带来很大方便。YY1OO1XX1工件坐标系偏置工件坐标系机床坐标系3)绝对坐标系和相对坐标系绝对坐标系是指刀具运动轨迹上所有点的坐标值均从某一固定坐标原点计量的坐标系；相对坐标系（又称增量坐标系）是指刀具运动轨迹的终点坐标是相对于起点计量的坐标系；绝对坐标系和相对坐标系可通过标准数控代码G90（绝对坐标指令代码）和G91（相对坐标指令代码）进行转换。OO1X1YXABY1301235154)附加坐标系机床在主坐标系XYZABC的坐标运动之外还有与之平行的坐标运动，构成附加坐标系UVWPQR；附加坐标系一般仅在大型数控机床上会出现。2．数控机床坐标轴的确定1)Z轴及其方向有主轴机床（车、铣、钻镗等），Z轴与主轴轴线平行；无主轴机床（刨、插等），或多主轴机床（龙门式轮廓铣床等），Z轴与工件装夹面（即工作台面）的法线平行。使刀具远离工件或使工件尺寸增大的运动方向为Z轴的正方向。2)X轴及其方向一般位于与主轴轴线垂直或与工件装夹面平行的水平面内。在工件旋转的机床上，如车床等，X轴垂直于主轴轴线且平行于横向滑板，使刀具远离工件或使工件尺寸增大的运动方向为X轴的正方向。在刀具旋转的机床上若主轴是水平的，如卧式铣床等，则逆着Z轴正向由刀具（主轴）向工件看，X轴的正向指向右边；若主轴是垂直的，如立式铣床等，则由刀具向立柱看，X轴的正向指向右边。3)Y轴及其方向Y轴及其方向可在已经确定好Z轴和X轴的基础上，按右手定则来确定。ZX卧式数控车床坐标系+X+ZXYZZXY第三节数控机床的发展一、数控机床发展简史1948年，美国人JohnParsons提出设想；1952年，试制成功世界上第一台数控机床；1952~1959：第一代电子管数控系统；1959~1965：第二代晶体管数控系统；1965~1970：第三代集成电路数控系统；1970~1974：第四代大规模集成电路及小型通用计算机数控系统；1974~：第五代微型计算机数控系统；20世纪末~：第六代基于PC的数控系统。第一阶段NC第二阶段CNC柔性自动化体积减小，功能性能提高数控机床布局数控机床结构数控机床传动机构主传动进给传动导向机构数控机床造型数控机床功能数控机床性能随着数控技术的发展，对机械系统要求越来越高，促使精密机械技术得到了快速的发展我国数控机床发展的三个阶段第一阶段：1958-1979，封闭式发展阶段第二阶段：“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段第三阶段：“八五”后期和“九五”期间，实施产业化的研究，进入市场竞争阶段目前：国产数控机床的国内市场占有率达50％，配置的国产数控系统（普及型）也达到了10％；数控机床的普及率迅速提高，数控机床拥有率目前已接近3%二、数控机床发展趋势智能化：与人工智能相结合；模糊控制、学习控制、自适应控制、运动参数动态补偿、自动识别负载并自动优化调整参数、自诊断和故障监控专家系统；更好地实现对人类智力的延伸。开放化：基于PC，硬件、软件和总线规范均对外开放，便于系统集成和二次开发，使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性。网络化：企业底层生产控制系统的集成更加简便有效；促进企业间的合作与资源共享；使制造商能够通过计算机网络为用户提供远程故障诊断、维修、技术咨询等服务。高速化：充分发挥现代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度，适应制造业对高效、优质、低成本生产的广泛需求；目前，电主轴转速可达15,000～100,000r/min、进给运动部件快移速度达60～120m/min，切削进给速度达60m/min。精密化：近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±3～5μm提高到±1～1.5μm，超精密数控机床加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)