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中南大学CentralSouthUniversity机械制造工程训练中南大学工程训练中心多媒体教学课件1.4数控加工技术的特点(1)生产效率高，由于加工过程是自动进行的，且机床能自动换刀、自动不停车变速和快速空行程等功能，使加工时间大大减少(2)能稳定地获得高精度，数控加工时人工干预减少，可以避免人为误差，且机床重复精度高(3)由于机床自动化程度大大提高，减轻了工人劳动强度，改善了劳动条件(4)加工能力提高，应用数控机床可以很准确的加工出曲线、曲面、圆弧等形状非常复杂的零件，因此，可以通过编写复杂的程序来实现加工常规方法难以加工的零件1.5数控系统的组成•现代数控机床一般由数控装置(NCunit)、伺服系统(servosystem)、位置测量与反馈系统(feedbacksystem)、辅助控制单元(accessorycontrolunit)和机床主机(mainengine)组成，下图是各组成部分的逻辑结构简图：数控装置是数控机床的核心，能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种功能；伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件，它包括主轴驱动单元（主要是速度控制）、进给驱动单元（主要有速度控制和位置控制）、主轴电机和进给电机等。位置测量与反馈系统由检测元件和相应电路组成，其作用是检测速度与位移，并将信息反馈给数控装置，形成闭环控制；但不一定每种数控机床都装备位置测量与反馈系统（图中虚线部分表示该模块不是基本配置），没有测量与反馈系统的数控装置称开环控制系统（如运动简单的中低档数控车床），常用的测量元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅尺等。辅助控制单元用以控制机床的各种辅助动作，包括：冷却泵的启停等各种辅助操作。机床主机包括床身、主轴、进给机构等机械部件。滚珠丝杠螺母机构，在丝杠1和螺母4上各加工有圆弧，当螺母4旋转时，丝杠1的旋转面经滚珠2推动螺母4轴向移动，同时滚珠2沿螺旋形滚道滚动，使丝杠1和螺母4之间的滑动摩擦转为滚珠与丝杠1、螺母4之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管3连接起来，使滚珠2能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。各类中小型数控机床普遍采用滚珠丝杠。1.6数控机床主机中的传动机构为了适应数控机床加工范围广，工艺适应性强和自动化程度高的特点，要求主传动装置具有很宽的变速范围，并能无级变速，随着全数字化交流调速技术的日趋完善，齿轮分级变速传动在逐渐减少，大多数数控机床采用电动机直接驱动主轴的结构。数控机床的进给传动装置，灵敏度和稳定性，将直接影响到工件的加工质量，因此常采用不同于普通机床的进给机构，例如采用线性导轨、塑料导轨或静压导轨代替普通滑动导轨，用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构，以及采用可以消除间隙的齿轮传动副和可以消除间隙的键连接等数控加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等）和步骤以及与工件之间的相对位移等都用数字化的代码表示，并按工艺先后顺序组织成“NC程序”，数控机床之所以能够加工一些几何形状复杂的零件，就是因为数控机床的坐标轴能够联动，编程人员在编写NC程序时，使用规定的NC代码体系，只给出联动轴的起终点坐标及插补速度等的代码，而完成联动轴在起终点间的运动过程参数要由NC自动求出。2.数控加工原理•插补原理：插补是在已知曲线的起终点之间，确定一些中间点坐标的一种计算方法，机械零件大部分由直线和圆弧组成，因此NC都具有直线和圆弧的插补功能。•零件程序中提供了直线的起点和终点坐标，圆弧的起点坐标以及圆弧走向（顺时针或逆时针）或圆心相对于起点的偏移量或圆弧半径。插补的任务，是根据偏程进给速度的要求，完成从轮廓起点到终点的中间点坐标值的计算。•如图所示，刀具由O至A，直线OA是其理论轨迹。如何确定控制轴X、Z的走向呢？•用逐点比较法：每走一步与理论轨迹比较一下，从而确定下一步的走向。•起点坐标（0，0），终点坐标（Xe,Ze）•于是直线OA的方程为：X/Z=Xe/Ze;•即：ZXe-XZe=0;•①若点（X,Z）在直线上方，则：ZXe-XZe0;•②若点（X,Z）在直线下方，则：ZXe-XZe0;•于是：取F=ZXe-XZe,•在插补运算过程中，控制轴每移动一步之前，先由NC判断F的符号。2.6数控加工原理（续）•当F0时，NC发出移动微指令，使控制轴向+X方向移动一个步长；•当F0时，NC发出移动微指令，使控制轴向+Z方向移动一个步长；•当F=0时，可以规定NC使控制轴向+X或+Z方向移动一个步长这样可以不断地趋向终点，图中，带箭头的折线轨迹是机床实际运动的插补轨迹，直线OA是理论轨迹，由于插补运算所取的步长很小，所以可以近似地认为插补轨迹就是直线OA的理论轨迹。•刀具补偿原理：是指NC对编程时零件轮廓轨迹与刀具实际运行轨迹差值进行补偿的功能。•如右图所示：用一个半径为R的刀具加工图中的实线表示的工件，刀具运行的实际中心轨迹应为图中的虚线所示，于是刀具离开工件的这一个距离就是偏置（二者之间相差一个刀具半径R），偏置量(offsetvalue)是一个二维的矢量，可正可负•同理：在刀具长度方向上，每种刀具长度不一致，也是采用同样的方法进行补偿，称刀具长度补偿。•刀具补偿又可以分为形状补偿(geometryoffset)和磨损补偿(wearoffset)，运行程序前的刀具标称半径或长度是形状补偿量，在加工过程中，刀具由于磨损的作用发生细微的尺寸变化，这时，将磨损量输入到磨损补偿号中，可以不必改动形状补偿号。方便操作。3.数控加工编程基础３.1机 床 坐 标 系３.1.1机床坐标系和主运动方向1．标准坐标系的规定对数控机床中的坐标系和运动方向的命名，ISO标准和我国JB3052—82部颁标准都统一规定采用标准的右手笛卡儿直角坐标系，一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义一个坐标轴。标准中规定直线进给运动用右手直角笛卡儿坐标系X、Y、Z表示，常称基本坐标系。X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手定则决定。如图３-1所示，图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。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。＋Y＋Z＋X＋Z＋C＋Y′＋A＋X＋Z′＋B＋Y＋X′＋X、＋Y或＋Z＋A、＋B或＋C图3-1右手直角笛卡儿坐标系如果数控机床的运动多于X、Y、Z三个坐标，则可用附加坐标轴U、V、W分别表示平行于X、Y、Z三个坐标轴的第二组直线运动；如果在回转运动A、B、C外还有第二组回转运动，可分别指定为D、E、F。然而，大部分数控机床加工的动作只需三个直线坐标轴及一个旋转轴便可完成大部分零件的数控加工。2．运动方向的确定数控机床的进给运动，有的是由刀具向工件运动来实现的，有的是由工作台带着工件向刀具来实现的。为了在不知道刀具、工件之间如何作相对运动的情况下，便于确定机床的进给操作和编程，统一规定标准坐标系X、Y、Z作为刀具(相对于工件)运动的坐标系，增大刀具与工件距离的方向为坐标正方向，即坐标系的正方向都是假定工件静止、刀具相对于工件运动来确定的。考虑到刀具与工件是一对相对运动，即刀具向某一方向运动等同于工件向其相反方向运动的特点，图3-1中虚线所示的＋X'、＋Y'、＋Z'必然是工件(相对于刀具)正向运动的坐标系。3．坐标轴的确定(1) Z轴的确定。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动转矩的轴。如数控车床、数控外圆磨床是主轴带动工件旋转，数控铣床、数控钻床等是主轴带动刀具旋转。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。(2) X轴的确定。X轴为水平的、平行于工件装夹面的轴。对于加工过程中主轴带动工件旋转的机床，如数控车床、数控磨床等，X轴沿工件的径向并平行于横向拖板，刀具或砂轮离开工件旋转中心的方向为X轴的正向。对于如铣床、钻床、镗床等刀具旋转的机床，若Z轴水平(主轴是卧式的)，当从主轴(刀具)向工件看时，X轴的正向指向右边，如数控卧式镗床、铣床；若Z轴垂直(主轴是立式的)，对于单立柱机床，当从主轴向立柱看时，X轴的正向指向右边，对于双立柱机床，当从主轴向左侧立柱看时，X轴的正向指向右边。(3) Y轴的确定。根据X、Z轴及其方向，可按右手直角笛卡儿坐标系，利用右手螺旋法则确定轴。根据X、Y、Z轴及其方向，利用右手螺旋法则即可确定A、B、C的方向。一些数控机床的坐标系如图3-2所示。(b)(a)＋Y(c)＋X＋Z＋YO＋W＋V＋Y＋A＋X′(d)＋Z＋X＋C′＋Z＋Z＋Y＋Z＋Y＋X－X＋X′＋Z＋X＋U＋Y＋Z＋W＋X′＋B′＋C＋ZOO3.1.2机床原点和机床参考点1．机床原点机床原点是机床基本坐标系的原点，是工件坐标系、机床参考点的基准点，又称机械原点、机床零点，它是机床上的一个固定点，其位置是由机床设计和制造单位确定的，通常不允许用户改变，如图3-3所示。数控车床的机床原点一般在卡盘前端面或后端面的中心；数控铣床的机床原点，各生产厂不一致，有的在机床工作台的中心，有的在进给行程的终点。工件原点＋Z机床参考点＋X机床原点图3-3数控机床的机床原点与参考点2．机床参考点机床参考点是机床坐标系中一个固定不变的点，是机床各运动部件在各自的正向自动退至极限的一个点(由限位开关精密定位)，如图3-3所示。机床参考点已由机床制造厂测定后输入数控系统，并记录在机床说明书中，用户不得更改。实际上，机床参考点是机床上最具体的一个机械固定点，既是运动部件返回时的一个固定点，又是各轴启动时的一个固定点，而机床零点(机床原点)只是系统内运算的基准点，处于机床何处无关紧要。机床参考点对机床原点的坐标是一个已知定值，可以根据该点在机床坐标系中的坐标值间接确定机床原点的位置。在机床接通电源后，通常要做回零操作，使刀具或工作台运动到机床参考点。注意，通常我们所说的回零操作，其实是指机床返回参考点的操作，并非返回机床零点。当返回参考点的工作完成后，显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值，表明机床坐标系已经自动建立。机床在回参考点时所显示的数值表示参考点与机床零点间的工作范围，该数值被记忆在CNC系统中，并在系统中建立了机床零点作为系统内运算的基准点。也有机床在返回参考点时，显示为零(X0，Y0，Z0)，这表示该机床零点被建立在参考点上。3.1.3工件坐标系和工件原点工件坐标系是编程人员在编程时使用的，由编程人员以工件图纸上的某一固定点为原点所建立的坐标系，编程尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定。为保证编程与机床加工的一致性，工件坐标系也应该是右手笛卡儿坐标系，而且工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。工件坐标系的原点称为工件原点或编程原点。工件原点在工件上的位置可以任意选择，为了有利于编程，工件原点最好选在工件图样的基准上或工件的对称中心上，例如回转体零件的端面中心、非回转体零件的角边、对称图形的中心等。在数控车床上加工零件时，工件原点一般设在主轴中心线与工件右端面或左端面的交点处如图3-4(a)所示；在数控铣床上加工零件时，工件原点一般设在工件的某个角上或对称中心上，如图3-4(b)所示。(a)工件原点＋Z＋X机床原点(b)＋Z＋Z′＋Y′＋Y工件原点X′X机床原点图3-4工件原点设置(a)数控车床；(b)数控铣床3.1.4工件坐标系和机床坐标系的关系编程时，尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定，不必考虑工件在机床上的安装位置和安装精度，但在加工时需要确定机床坐标系、工件坐标系、刀具起点三者的位置才能加工。工件装夹在机床上后，可通过对刀确定工件在机床上的位置。所谓对刀，就是确定工件坐标系与机床坐标系的相互位置关系。在加工时，工件随夹具在机床上安装后，测量工件原点与机床原点之间的距离，这个距离称为工