数控加工技术基础讲解

第一节数控设备简介一、数控设备的产生与发展现代制造业的水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产。”——马克思第一、二章数控加工技术基础1．数控设备的产生机械产品日趋精密、复杂，而且改型频繁，因此对加工机械产品的生产设备提出了三高（高性能、高精度和高自动化）的要求。通用机床上是由人工操作，劳动强度大，而且难以提高生产效率和保证质量，实现这类产品生产的自动化成为了机械制造业中长期未能解决的难题。仿形加工部分地解决了小批量、复杂零件的加工，但有两个缺点：一是必须制造相应的靠模或样件；二是靠模和样件的制造误差和磨损影响加工精度。很难达到高精度。解决高产优质的问题，也可采用专用机床、组合机床、专用自动化机床以及专用自动生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设备，生产周期长，产品改型不易，因而使新产品的开发周期增长，生产设备使用的柔性很差。精密复杂，加工批量小，改型频繁，显然不能在专用机床或组合机床上加工。而借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。特别对空间的复杂曲线曲面，在普通机床上根本无法实现。数字程序控制机床的产生，有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产，特别是复杂型面零件提供了自动化加工手段，使机械制造业的发展进入了一个新的阶段。2．数控设备的发展电子管（1952年）、晶体管和印刷电路板（1960年）、小规模集成电路（1965年）、前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬逻辑（硬线）数控系统，简称NC（NumericalControl），目前已被淘汰。小型计算机（1970年）、微处理器或微型计算机（1974年）和基于PC-NC的智能数控系统（90年代后）。这种数控系统又称为软线数控，即计算机数控系统，简称CNC（ComputerNumericalControl）。基于PC-NC的第六代数控系统，它充分利用现有PC机的软硬件资源，规范设计新一代数控。第六代数控的优势在于：（1）元器件集成度高、可靠性好；（2）技术进步快、升级换代容易；（3）提供了开放式的基础，可供利用的软、硬件资源极为丰实。数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；国家战略技术和体现国家综合国力水平重要标志。专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。数字控制与数控技术数字控制（NumericalControlNC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行编程控制的自动化方法。数控技术（NumericalControlTechnology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）以计算机为控制核心的数字控制系统。计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）、计算机辅助制造CAM（ComputerAidedManufacturing）、计算机辅助检验CAT（ComputerAidedTesting）计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem），加工中心MC（MachiningCenter）柔性加工单元FMC（FlexibleManufacturingCell）在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（AutoPalletChanger—APC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元。FMC不仅是实现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。FMC构成分两大类：1、加工中心配上自动托盘系统（APC）；2、数控机床配机器人。FMC既是柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展速度较快。柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）。在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统FMS。FMS不仅可以进行长时间的无人化加工，而且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。计算机集成制造系统CIMS：将市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全过程均由计算机集成管理和控制，由此构成的完整的自动生产制造系统，称为计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem）CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成二、数控设备的工作原理、组成与特点1．数控设备的工作原理工艺分析数控加工程序工序卡BACKSPACECTRLINSCRTABALT0SHIFTZENDWHOMETPgDnOPgUpJRSTE65“432？198:7YXVU[]SRPQNMKLIHFGDCABESC14''彩色显示器空运行Z轴锁定MST锁定任选程序段机床锁定快进+JOG-JOG主轴正转主轴停主轴反转急停超程解除循环驱动进给保持冷却液开关刀松/刀紧主轴修调16010进给修调16050403020100电源关开1自动方式选择回零手摇点动步进单段驱动器NC机床电源XYZA主轴超程报警手摇脉冲发生器2010090增量倍率1000101001坐标轴选择ZYX传统加工数控加工数控加工的概念操作者根据数控工作要求编制数控程序，并将数控程序记录在程序介质（如穿孔纸带、磁带、磁盘等）上。数控程序经数控设备的输入输出接口输入到数控设备中，控制系统按数控程序控制该设备执行机构的各种动作或运动轨迹，达到规定的工作结果。其主要步履：1）、数控加工程序编制根据被加工零件工作图所规定的零件的形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件加工的工艺过程、工艺参数，按编程手册和程序格式编写零件数控加工程序。2）、数控机床执行数控加工程序2、数控机床的组成与功能数控机床是数值控制的工作母机的总称。一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，见图1-1。图1-2数控机床的组成框图数控装置伺服系统机床本体输入输出装置（1）．输入输出设备（2）．数控装置数控装置的主要功能如下：多坐标控制(多轴联动)插补功能（如直线、圆弧和其它曲线插补)程序输入、编辑和修改功能(人机对话、手动数据输入、上位机通信输入)故障自诊断功能补偿功能补偿主要包括刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补偿、螺距误差补偿等信息转换功能主要包括EIA/ISO代码转换、英制／米制转换、坐标转换、绝对值／增量值转化等多种加工方式选择可以实现多种加工方式循坏、重复加工、凹凸模加工和镜像加工等辅助功能辅助功能也称M功能。显示功能通信和联网功能（3）．伺服系统（4）．测量反馈装置（5）．机床本体3、数控机床的特点1）适应性广2）、生产准备周期短3）、工序高度集中4）、生产效率和加工精高、质量稳定5）、能完成复杂型面的加工6）、技术含量高7）、减轻劳动强度、改善劳动条件8）有利于生产管理三、数控机床的分类数控设备的种类很多，各行业都有自己的数控设备和分类方法。在机床行业，数控机床通常从以下不同角度进行分类。1．按工艺用途分类按其工艺用途可以划分为以下四大类：（1）金属切削类指采用车、铣、镗、钻、铰、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可分为两类：①普通数控机床②数控加工中心（2）金属成形类指采用挤、压、冲、拉等成形工艺的数控机床，常用的有数控弯管机、数控压力机、数控冲剪机、数控折弯机、数控旋压机等。（3）特种加工类主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控激光与火焰切割机等。（4）测量、绘图类主要有数控绘图机、数控坐标测量机、数控对刀仪等。2．按控制运动的方式分类（1）点位控制数控机床这类数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。（2）点位直线控制数控机床这类机床有数控车床和数控铣床等。（3）轮廓控制数控机床这类机床有数控车床、铣床、磨床和加工中心等。3．按伺服系统的控制方式分类（1）开环数控机床（2）半闭环控制数控机床（3）闭环控制数控机床此外，按所用数控系统的档次通常把数控机床分为低档、中档、高档三类数控机床。中档、高档数控机床一般称为全功能数控或标准型数控。四、数控机床坐标系统（一）数控机床的坐标轴和运动方向我国标准JB3051-82，等效ISO8411、刀具相对静止的工件而运动的原则确定坐标系时，一律看作工件静止，刀具产生运动。2、标准坐标系的规定机床坐标系是右手笛卡尔坐标系。1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。2)大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。3)围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向数控机床某一部件运动的正方向是增大工件和刀具距离的方向。Z轴的确定：平行于主轴轴线方向为Z轴，取刀具远离工件的方向为正Z方向。X轴的确定：车床取横向滑座方向为X轴，取刀具远离工件的方向为正向。立式数控铣床：面对立柱，取右手方向为+X方向；卧式数控铣床:从主轴后端往前看，取右手方向为+X方向。Y轴的确定：+Y的运动方向，根据X、Z坐标的运动方向，按照右手笛卡尔坐标系来确定。(二)绝对坐标系统与相对坐标系统1、绝对坐标系统绝对坐标系统是指工作台位移是从固定的基准点开始计算的。2、相对坐标系统相对坐标系统是指工作台的位移是从工作台现有位置开始计算的。第二节数控加工基础一、数控加工的定义在数控机床上自动加工零件的一种工艺方法。一般来说，数控加工主要包括以下方面的内容：（1）选择并确定零件的数控加工内容；（2）对零件图进行数控加工的工艺分析；（3）设计数控加工的工艺；（4）编写数控加工程序单；（5）按程序单制作程序介质；（6）数控程序的校验与修改；（7）首件试加工与现场问题处理；（8）数控加工工艺技术文件的定型与归档。1)数控加工的工艺内容十分具体；2)数控加工的工艺相当严密。3）数控加工的工序相对集中4）适宜于多品种小批量或中批量生产二、数控加工中常用的术语1、几坐标数控机床与几坐标加工数控机床几坐数控加工表示了数控机床几个坐标实现了数字控制,几坐标加工数控机床表示了数控机床能同时控制的坐标轴数.即几坐标联动.2、插补在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，如何使切削加工运动沿着预定轨迹移动呢？数控系统根据这些信息实时地计算出各个中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。插补实质上是根据有限的信息完成“数据点的密化”工作。加工各种形状的零件轮廓时，必须控制刀具相对工件以给定的速度沿指定的路径运动，即控制各坐标轴依某一规律协调运动，这一功能为插补功能。平面曲线的运动轨迹需要两个运动来协调；空间曲线或立体曲面则要求三个以上的坐标产生协调运动。插补：填补空白的工作。把计算插补点的工作称为插补运算，实现插补运算的装置叫插补器。直线插补：具有沿平滑直线分配脉冲功能的叫直线插补。实现这种直线插补运算的装置叫直线插补器。圆弧插补：具有沿圆弧分配脉冲功能的