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数控编程与操作实训教程书名：数控编程与操作ISBN：978-7-111-46176-0作者：陈文杰出版社：机械工业出版社本书配有电子课件数控编程与操作实训教程第1章数控技术概论1.1数控技术基础1.2加工中心操作工国家职业标准数控编程与操作实训教程1.1.1数控机床的组成1.1.2数控机床的分类1.1.3数控机床的主要功能1.1.4数控机床常用术语1.1.5常用数控系统1.1数控技术基础数控编程与操作实训教程1.1.1数控机床的组成数控机床主要由以下6部分组成(如图1.1所示)。图1.1数控机床的组成1．计算机数控装置(CNC装置)计算机数控装置是计算机数控系统的核心，其主要作用是根据输入的工件加工程序或操作命令进行译码、运算、控制等相应的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动单元和PLC等)，完成工件加工程序或操作者所要求的工作。它主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、扩展功能模板以及相应的控制软件的模块组成。数控编程与操作实训教程2．伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置、主轴电动机、进给伺服驱动装置及进给电动机。测量装置是指位置和速度检测装置，它是实现主运动和进给运动的速度、位置闭环控制的必要装置。主轴运动的伺服系统的主要作用是实现工件加工的切削运动，其控制量为速度；进给伺服系统的主要作用是实现工件加工的成形运动，其控制量为速度和位置，特点是能灵敏、准确地实现CNC装置的位置和速度指令。3．机床本体机床本体是数控系统的控制对象，是实现加工工件的执行部件。主要组成有：主运动部件(主轴、主运动传动机构)、进给运动部件(工作台、拖板及相应的传动机构)、支撑件(立柱、床身等)以及特殊装置、自动工件交换(APC)系统、自动刀具交换(ATC)系统和辅助装置(如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等)。4．控制介质与程序I/O(输入/输出)设备控制介质是记录工件加工程序的媒介，是人与机床建立联系的介质。程序I/O(输入/输出)设备是CNC系统与外部设备进行信息交互的装置，其作用是将记录在控制介质上的工件加工程序输入CNC系统，或将已调试好的工件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的介质上。目前数控机床常用的控制介质和程序输入/输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。此外，现代数控系统一般可利用通信方式进行信息交换。这种方式是实现CAD(计算机辅助设计)与CAM(计算机辅助制造)的集成，FMS(柔性制造系统)和CIMS(计算机集成制造系统)应用的基本技术。目前在数控机床上常用的通信方式有：串行通信、自动控制专用接口、网络技术。数控编程与操作实训教程5．PLC及机床I/O(输入/输出)电路和装置•PLC是用于进行与逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制部件，它由硬件和软件组成。机床I/O电路和装置是用于实现I/O控制的执行部件，是由继电器、电磁阀、行程开关和接触器等组成的逻辑电路。它们共同完成以下任务。•(1)接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作。•(2)接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令，控制CNC系统的工作状态和机床的动作。6．控制面板控制面板又称操作面板，是操作人员与数控机床(系统)进行信息交互的工具。操作人员可以通过控制面板对数控机床(系统)进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床(系统)的运行状态。它是数控机床的一个I/O部件，主要由按钮站、状态灯、按键阵列(功能与计算机键盘一样)和显示器等部分组成。数控编程与操作实训教程1.1.2数控机床的分类1．按控制功能分类(1)点位控制机床点位控制数控机床只控制刀具或工作台，从一个点(坐标位置)准确、快速地移动到下一个点(坐标位置)，然后控制第3个坐标轴进行切削加工。它具有较高的位置定位精度，在移动过程中不进行切削加工，所以对运动轨迹没有要求。点位控制数控机床主要用于加工平面内的孔系，主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床和三坐标测量机等。(2)直线控制数控机床直线控制数控机床可控制刀具或工作台，按规定的进给速度，从一个点以直线方式准确地移动到下一个点。移动过程中能进行直线的切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调节。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带着多轴箱轴向进给进行钻、镗等切削加工，它可以算做一种直线控制的数控机床。(3)轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床具有控制几个轴同时协调运动的能力，即坐标轴联动，使刀具相对于工件按程序规定的轨迹和速度运动，能在运动过程中进行连续切削加工。这类数控机床有用于加工曲线和曲面形状工件的数控车床、数控铣床、加工中心等。现代的数控机床基本上都是这种类型。若根据其联动轴数还可细分为2轴(X、Y轴联动或X、Z轴联动)、2.5轴(任意2轴联动，第3轴周期进给)、3轴(X、Y、Z3轴联动)、4轴(X、Y、Z和A或B4轴联动)、5轴(X、Y、Z和A、B或X、Y、Z和A、C或X、Y、Z和B、C5轴联动)联动数控机床。联动轴数越多，加工程序的编写越难，通常3轴联动以上的工件加工程序只能采用自动编程系统编写。数控编程与操作实训教程2．按进给伺服系统类型分类•(1)开环数控机床•开环数控机床采用开环进给伺服系统。如图1.2所示为开环进给伺服系统简图。由图可知，开环进给伺服系统没有位置反馈装置，信号流是单向的(数控装置→进给系统)，故系统稳定性好。但由于无位置反馈，精度(相对闭环系统)不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。该系统一般以步进电机为伺服驱动元件，具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力距不大的场合得到了广泛应用。图1.2开环进给伺服系统简图数控编程与操作实训教程•(2)半闭环数控机床•半闭环数控机床的进给伺服系统如图1.3所示。半闭环数控系统的位置检测点是从驱动电动机(常用交、直流伺服电动机)或丝杠端引出，通过检测电动机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。由于在半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，可获得较稳定的控制性能，其系统稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。另外，在位置环内各组成环节的运动误差可得到某种程度的纠正，位置环外不能直接消除的丝杠螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差等，可通过软件补偿来提高运动精度，所以在现代CNC机床中得到了广泛的应用。图1.3半闭环进给伺服系统简图数控编程与操作实训教程•(3)闭环数控机床•闭环进给伺服系统(如图1.4所示)直接对工作台的实际位置进行检测。理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制精度。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统不稳定。因此闭环系统的设计、安装和调试都有相当的难度，对其环节的精度、刚性和传动特性等都有较高的要求，故价格昂贵。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精磨床以及较大型的数控机床等。图1.4闭环进给伺服系统简图数控编程与操作实训教程•3．按工艺用途分类•(1)切削加工类•此类是指即具有切削加工功能的数控机床。在金属切削机床常用的车床、铣床、刨床、磨床、钻床、镗床、拉床、切断机床、齿轮加工机床等中，国内外都开发了数控机床，而且品种分得越来越细。比如，在数控磨床中不仅有数控外圆磨床，数控内圆磨床，集磨外圆，内圆于一机的数控万能磨床，数控平面磨床，数控坐标磨床，数控工具磨床，数控无心磨床，数控齿轮磨床，还有专用或专门化的数控轴承磨床、数控外螺纹磨床、数控内螺纹磨床、数控双端面磨床、数控凸轮轴磨床、数控曲轴磨床，能自动换砂轮的数控导轨磨床等，还有工艺范围更广的车削中心、加工中心和柔性制造单元等。•(2)成型加工类•此类是指具有通过物理方法改变工件形状功能的数控机床，如数控折弯机、数控冲床、数控弯管机和数控旋压机等。•(3)特种加工类•此类是指具有特种加工功能的数控机床，如数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、带有自动换电极功能的“电加工中心”、数控激光切割机床、数控激光热处理机床、数控激光板料成型机床和数控等离子切割机等。•(4)其他类型•此类是指一些广义上的数控设备，如数控装配机、数控测量机和机器人等。数控编程与操作实训教程1.1.3数控机床的主要功能1．多轴控制功能多轴控制功能是指CNC系统能控制和能联动控制数控机床各坐标轴的进给运动的功能。CNC系统的控制进给轴有：移动轴和回转轴、基本轴和附加轴。2．准备功能准备功能即G功能——指令机床运动方式。插补功能是指数控系统进行工件表面加工轨迹插补运算的功能。一般CNC系统仅具有直线和圆弧插补，较为高档的数控系统还具有抛物线、椭圆、极坐标、正旋线、螺旋线以及样条曲线等插补功能。在数控加工中，有些加工内容如钻孔、镗孔、攻螺纹等，所做的动作需要循环且十分典型，数控系统预先将这些循环动作用G代码进行定义，在加工时使用这类G代码可大大简化编程工作量，即为固定循环功能。3．补偿功能(1)刀具半径和长度补偿功能该功能实现用工件轮廓编写的程序，按刀具中心轨迹运动，以及在刀具半径和长度发生变化时，可对刀具半径或长度做相应的补偿。该功能由G指令或T指令实现。数控编程与操作实训教程•(2)传动链误差、反向间隙误差补偿功能•螺距误差补偿可预先测量出螺距误差和反向间隙，然后按要求输入CNC装置的存储单元内，在加工过程中进行实时补偿。•(3)智能补偿功能•对由于外界干扰所产生的随机误差，可采用人工智能、专家系统等方法建立模型，实施智能补偿。如热变形引起的误差，装置将会在相应部位自动进行补偿。•4．主轴功能•主轴功能是指数控系统对切削速度的控制功能，主要有以下5种控制功能。•(1)主轴转速：实现刀具切削点切削速度的控制功能。单位为r/min。•(2)恒线速度控制：实现刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。单位为m/min。•(3)主轴定向控制：实现主轴周向定位于定点的控制功能。•(4)C轴控制：实现主轴周向任意位置的控制功能。•(5)切削倍率：实现人工实时修调切削速度，即通过面板的倍率开关在0～200%之间对其进行实时修调。数控编程与操作实训教程•5．进给功能•进给功能指数控系统对进给速度的控制功能，主要有以下3种控制功能。•(1)进给速度：控制刀具或工作台的运动速度。单位为mm/min。•(2)同步进给速度：实现切削速度和进给速度的同步。单位为mm/r。用于加工螺纹。•(3)进给倍率：实现人工实时修调进给速度，即通过面板的倍率开关在0～200%之间对其进行实时修调。•6．宏程序功能•宏程序功能通过编辑子程序中的变量来改变刀具路径和刀具位置的功能。•7．辅助功能•辅助功能即M功能——规定主轴的启、停、转向，工件的夹紧和松开，冷却泵的接通和断开等机床辅助动作的功能。•8．刀具管理功能•刀具管理功能是实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理及刀具选择的功能。刀具几何尺寸是指刀具的半径和长度，这些参数供刀具补偿功能使用。刀具寿命是指总计切削时间，当某刀具的时间寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具。另外，CNC系统都具有T功能，即刀具号管理功能，它用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。数控编程与操作实训教程•9．人机对话功能•在CNC装置中配有单色或彩色阴极射线管显示器(CRT)，通过软件实现字符和图形的显示，以方便用户操作和使用。主要功能有：菜单结构的操作界面；数据及工件加工程序的输入及编辑；系统和机床参数、状态、故障信息的显示及查询等。•10．自诊断功能•自诊断功能是指CNC系统防止故障发生、进行故障诊断、故障定位和防止故障扩大的功能。现代CNC系统或多或少都具有自诊断功能，这些自诊断功能主要用软件来实现。具有此功能的CNC系统，可以防止故障的发生或能够在故障出现后迅速查明故障的类型或部位，减少故障停机时间，防止故障扩大。CNC装置的诊断程序既可以在系统软件中、在系统运行过程中进行检查