第一章數(shù)控加工實(shí)用基礎(chǔ)

1、第一章 數(shù)控加工實(shí)用基礎(chǔ)【教學(xué)目標(biāo)】 通過本章節(jié)的理論教學(xué)：了解數(shù)控技術(shù)的發(fā)展過程及其發(fā)展趨勢(shì)；掌握數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理、分類及特點(diǎn)；數(shù)控機(jī)床的適用范圍；數(shù)控編程基礎(chǔ)；數(shù)控加工的工藝處理；數(shù)控加工的工藝指令和工藝文件?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】 數(shù)控機(jī)床及其坐標(biāo)系統(tǒng)；數(shù)控編程基礎(chǔ)；數(shù)控加工的工藝處理?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】 數(shù)控機(jī)床的組成、工作原理；數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)及工處理。1.1 數(shù)控加工概述1.1.1 數(shù)控加工原理和特點(diǎn) 1數(shù)控加工原理圖1-1 數(shù)控加工原理框圖從圖1-1可以看出，數(shù)控加工過程總體上可分為數(shù)控程序編制和機(jī)床加工控制兩大部分2數(shù)控加工的特點(diǎn)(1) 自動(dòng)化程度高，具有很高的生產(chǎn)效率。(2) 對(duì)加工

2、對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)。(3) 加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。(4) 易于建立與計(jì)算機(jī)間的通信聯(lián)絡(luò)，容易實(shí)現(xiàn)群控。1.1.2 數(shù)控加工常用術(shù)語 1坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工是指數(shù)控機(jī)床的幾個(gè)坐標(biāo)軸能夠同時(shí)進(jìn)行移動(dòng)，從而獲得平面直線、平面圓弧、空間直線和空間螺旋線等復(fù)雜加工軌跡的能力(如圖1-3所示)。2脈沖當(dāng)量、進(jìn)給速度與速度修調(diào)單位脈沖作用下工作臺(tái)移動(dòng)的距離就稱之為脈沖當(dāng)量。手動(dòng)操作時(shí)數(shù)控坐標(biāo)軸的移動(dòng)通常是采用按鍵觸發(fā)或采用手搖脈沖發(fā)生器(手輪方式)產(chǎn)生脈沖的，采用倍頻技術(shù)可以使觸發(fā)一次的移動(dòng)量分別為0.001 mm、0.01 mm、0.1 mm、1 mm等多種控制方式，相當(dāng)于觸發(fā)一次分別產(chǎn)生1、10、100

3、、1000個(gè)脈沖。 3插補(bǔ)與刀補(bǔ)數(shù)控加工直線或圓弧軌跡時(shí)，程序中只提供線段的兩端點(diǎn)坐標(biāo)等基本數(shù)據(jù)，為了控制刀具相對(duì)于工件走在這些軌跡上，就必須在組成軌跡的直線段或曲線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，按一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作，以填補(bǔ)確定一些中間點(diǎn)，如圖1-4(a)、(b)所示，各軸就以趨近這些點(diǎn)為目標(biāo)實(shí)施配合移動(dòng)，這就稱之為插補(bǔ)。這種計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)的運(yùn)算稱為插補(bǔ)運(yùn)算。刀補(bǔ)是指數(shù)控加工中的刀具半徑補(bǔ)償和刀具長度補(bǔ)償功能。圖1-4 插補(bǔ)和刀補(bǔ)(a) 直線插補(bǔ)；(b) 圓弧插補(bǔ)；(c) 刀具半徑補(bǔ)償1.1.3 數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展 1數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展歷程2數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展方向1) 高速切削2) 高精度控制3

4、) 高柔性化 4) 高一體化5) 網(wǎng)絡(luò)化6) 智能化1.2 數(shù)控系統(tǒng)控制原理1.2.1 CNC硬件組成與控制原理CNC即計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(Computerized Numerical Control)的縮寫，它是在硬線數(shù)控(NC)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成早期NC機(jī)床數(shù)控裝置的所有功能，并用存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)了零件加工程序的存儲(chǔ)。圖1-5 CNC系統(tǒng)構(gòu)成圖1-6是典型的微處理器數(shù)控系統(tǒng)框圖。其各組成部分功用如下所述： (1) 微處理器CPU及其總線。(2) 存儲(chǔ)器。 (3) MDI/CRT接口。(4) 輸入裝置(紙帶讀入和穿孔輸出接口)。(5) 數(shù)據(jù)輸入/輸出(I/O)接口。(6) 位置控

5、制及主軸控制。(7) 可編程控制器(PLC)接口。1.2.2 CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)軟件是為實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項(xiàng)功能所編制的專用軟件，也叫控制軟件，存放在計(jì)算機(jī)EPROM中。1輸入數(shù)據(jù)處理程序(1) 輸入程序。(2) 譯碼程序。(3) 數(shù)據(jù)處理程序。2插補(bǔ)計(jì)算程序3速度控制程序4管理程序5診斷程序1.2.3 插補(bǔ)原理插補(bǔ)運(yùn)算可有硬件插補(bǔ)(插補(bǔ)器)和軟件插補(bǔ)兩種實(shí)現(xiàn)方式。而按插補(bǔ)計(jì)算方法又可細(xì)分為逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、時(shí)間分割法和樣條插補(bǔ)法等多種。圖1-7 逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法及其工作節(jié)拍1.2.4 典型數(shù)控系統(tǒng)1日本FANUC系列數(shù)控系統(tǒng)2德國SIEMENS公司的SINUMERIK系列數(shù)控系

6、統(tǒng)3華中數(shù)控系統(tǒng)HNC1.3 數(shù)控機(jī)床及其坐標(biāo)系統(tǒng)1.3.1 數(shù)控機(jī)床及其分類1按加工工藝方法分類按傳統(tǒng)的加工工藝方法來分有：數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床、數(shù)控沖床、數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控激光與火焰切割機(jī)和加工中心等。2按加工控制路線分類 有點(diǎn)位控制機(jī)床、直線控制機(jī)床和輪廓控制機(jī)床。圖1-8 按加工控制路線分類(a) 點(diǎn)位控制；(b) 直線控制；(c) 輪廓控制3按機(jī)床所用進(jìn)給伺服系統(tǒng)不同分類 有開環(huán)伺服系統(tǒng)型、閉環(huán)伺服系統(tǒng)型和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)型，見1.3.2節(jié)。4按所用數(shù)控裝置的不同分類 有NC硬線數(shù)控和CNC軟線數(shù)控機(jī)床。5按控制坐標(biāo)軸數(shù)目分類

7、 按機(jī)床數(shù)控裝置能同時(shí)聯(lián)動(dòng)控制的坐標(biāo)軸的數(shù)目來分，有兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床和多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。1.3.2 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)1開環(huán)伺服系統(tǒng)圖1-9 開環(huán)伺服系統(tǒng)2半閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖1-10 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖1-11 閉環(huán)伺服系統(tǒng)1.3.3 數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)1對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求(1) 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)要有較寬的調(diào)速范圍并盡可能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。(2) 較高的回轉(zhuǎn)精度和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。(3) 有旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸(C軸)的控制功能。(4) 具有恒線速切削功能。(5) 主軸準(zhǔn)?？刂乒δ?。2主軸調(diào)速與驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)主要有以下四種配置方式。(1) 帶有變速齒輪的主傳動(dòng)，如

8、圖1-12(a)所示。(2) 通過帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)，如圖1-12(b)所示。(3) 用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)主軸，如圖1-12(c)所示。(4) 內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)主軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖1-12(d)所示。3主軸準(zhǔn)停裝置圖1-13 主軸準(zhǔn)停裝置1.3.4 數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)軸與運(yùn)動(dòng)方向 (1) 先確定Z軸。(2) 再確定X軸。(3) 最后確定Y軸。1.3.5 機(jī)床原點(diǎn)、參考點(diǎn)和工件原點(diǎn) 機(jī)床原點(diǎn)就是機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)。它是機(jī)床上的一個(gè)固定的點(diǎn)，由制造廠家確定。機(jī)床坐標(biāo)系是通過回參考點(diǎn)操作來確立的，參考點(diǎn)是確立機(jī)床坐標(biāo)系的參照點(diǎn)。參考點(diǎn)(或機(jī)床原點(diǎn))是用于對(duì)機(jī)床工作臺(tái)(或滑板)與刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)與控制的點(diǎn)

9、，一般都是設(shè)定在各軸正向行程極限點(diǎn)的位置上。編程坐標(biāo)系在機(jī)床上就表現(xiàn)為工件坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)就稱之為工件原點(diǎn)。工件原點(diǎn)一般按如下原則選?。?1) 工件原點(diǎn)應(yīng)選在工件圖樣的尺寸基準(zhǔn)上。(2) 能使工件方便地裝夾、測(cè)量和檢驗(yàn)。(3) 盡量選在尺寸精度、光潔度比較高的工件表面上，這樣可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。(4) 對(duì)于有對(duì)稱幾何形狀的零件，工件原點(diǎn)最好選在對(duì)稱中心點(diǎn)上。1.3.6 絕對(duì)坐標(biāo)編程和相對(duì)坐標(biāo)編程當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡的終點(diǎn)坐標(biāo)是相對(duì)于線段的起點(diǎn)來計(jì)量的話，稱之為相對(duì)坐標(biāo)或增量坐標(biāo)表達(dá)方式。若按這種方式進(jìn)行編程，則稱之為相對(duì)坐標(biāo)編程。當(dāng)所有坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值均從某一固定的坐標(biāo)原點(diǎn)計(jì)量的話

10、，就稱之為絕對(duì)坐標(biāo)表達(dá)方式，按這種方式進(jìn)行編程即為絕對(duì)坐標(biāo)編程。1.4 數(shù)控編程基礎(chǔ)1.4.1 數(shù)控加工程序的格式1.4.1 數(shù)控加工程序的格式 數(shù)控程序按程序段(行)的表達(dá)形式可分為固定順序格式、表格順序格式和地址數(shù)字格式三種。固定順序格式屬于早期采用的數(shù)控程序格式，因其可讀性差、編程不直觀等原因，現(xiàn)已基本不用。表格順序格式程序的每個(gè)程序行都具有統(tǒng)一的格式，加工用數(shù)據(jù)間用固定的分隔符分隔，其編程工作類似于填表。地址數(shù)字格式程序是目前國際上較為通用的一種程序格式。其組成程序的最基本的單位稱之為“字”，每個(gè)字由地址字符(英文字母)加上帶符號(hào)的數(shù)字組成。各種指令字組合而成的一行即為程序段，整個(gè)程序

11、則由多個(gè)程序段組成。即：字母+符號(hào)+數(shù)字指令字程序段程序。1.4.2 程序編制的過程及方法1程序編制過程(1) 分析零件圖紙。(2) 確定工藝過程。(3) 數(shù)值計(jì)算。(4) 編寫程序單。(5) 制備控制介質(zhì)。(6) 程序調(diào)試和檢驗(yàn)。2程序編制方法數(shù)控程序的編制方法有手工編程和自動(dòng)編程兩種。1.4.3 程序傳送的載體1穿孔紙帶穿孔紙帶是早期數(shù)控機(jī)床上常用的控制介質(zhì)。2數(shù)據(jù)磁帶3軟磁盤或聯(lián)機(jī)控制4MDI手動(dòng)輸入1.5 數(shù)控加工的工藝處理數(shù)控加工工藝處理的主要內(nèi)容有：(1) 選擇適合在數(shù)控機(jī)床上加工的零件，確定工序內(nèi)容。(2) 分析被加工零件圖樣，明確加工內(nèi)容和技術(shù)要求，在此基礎(chǔ)上確定零件的加工方案

12、，制定數(shù)控加工工藝路線，如工序的劃分、加工順序的安排與傳統(tǒng)加工工序的銜接等。(3) 設(shè)計(jì)數(shù)控加工工序。(4) 調(diào)整數(shù)控加工工序的程序。(5) 分配數(shù)控加工中的容差。1.5.1 數(shù)控加工零件及加工方法的選定(1) 多品種、小批量生產(chǎn)的零件或新產(chǎn)品試制中的零件，短期急需的零件。(2) 輪廓形狀復(fù)雜，對(duì)加工精度要求較高的零件。(3) 用普通機(jī)床加工較困難或無法加工(需昂貴的工藝裝備)的零件。(4) 價(jià)值昂貴，加工中不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件。1.5.2 加工工序的劃分1按零件裝夾定位方式與加工部位劃分2按粗、精加工方式劃分3按所用刀具劃分工序1.5.3 工件的安裝與夾具的選擇1定位裝夾的基本原則(1) 力

13、求設(shè)計(jì)、工藝與編程計(jì)算的基準(zhǔn)統(tǒng)一。(2) 盡量減少裝夾次數(shù)，盡可能在一次定位裝夾后，加工出全部待加工表面。(3) 避免采用占機(jī)人工調(diào)整式加工方案，以充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效能。2選擇夾具的基本原則(1) 當(dāng)零件加工批量不大時(shí)，應(yīng)盡量采用組合夾具、可調(diào)式夾具和其他通用夾具，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，節(jié)省生產(chǎn)費(fèi)用。(2) 零件的裝卸要快速、方便、可靠，以縮短機(jī)床的停頓時(shí)間。(2) 夾具上各零部件應(yīng)不妨礙機(jī)床對(duì)零件各表面的加工。1.5.4 對(duì)刀點(diǎn)與換刀點(diǎn)的確定在進(jìn)行數(shù)控加工編程時(shí)，往往是將整個(gè)刀具濃縮視為一個(gè)點(diǎn)，那就是“刀位點(diǎn)”。它是在刀具上用于表現(xiàn)刀具位置的參照點(diǎn)。對(duì)刀操作就是要測(cè)定出在程序起點(diǎn)處刀具刀位點(diǎn)

14、(即對(duì)刀點(diǎn)，也稱起刀點(diǎn))相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)以及工件原點(diǎn)的坐標(biāo)位置。圖1-23 對(duì)刀點(diǎn)與換刀點(diǎn)1.5.5 加工路線的確定加工路線是指刀具刀位點(diǎn)相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)的軌跡和方向。(1) 加工方式、路線應(yīng)保證被加工零件的精度和表面粗糙度。如銑削輪廓時(shí)，應(yīng)盡量采用順銑方式，可減少機(jī)床的“顫振”，提高加工質(zhì)量。 (2) 盡量減少進(jìn)、退刀時(shí)間和其他輔助時(shí)間，盡量使加工路線最短。(3) 進(jìn)、退刀位置應(yīng)選在不大重要的位置，并且使刀具盡量沿切線方向進(jìn)、退刀，避免采用法向進(jìn)、退刀和進(jìn)給中途停頓而產(chǎn)生刀痕。 圖1-24 點(diǎn)位加工路線圖1-26 切入和切出對(duì)于槽形銑削，若為通槽，可采用行切法來回銑切，走刀換向在工件外部進(jìn)行，如

15、圖1-27(a)所示。圖1-27 銑槽方案1.5.6 刀具與切削用量的選擇1 刀具的選擇2切削用量的確定切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速(切削速度)、背吃刀量和進(jìn)給量。對(duì)于不同的加工方法，需要選擇不同的切削用量，并應(yīng)編入程序單內(nèi)。(1) 背吃刀量阿ap (mm)，亦稱切削深度。主要根據(jù)機(jī)床、夾具、刀具和工件的剛度來決定。(2) 主軸轉(zhuǎn)速n(r/min)主要根據(jù)允許的切削速度nc(m/min)選取。 (3) 進(jìn)給量(進(jìn)給速度)f(mm/min或mm/r)是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件材料性質(zhì)選取。1.6 數(shù)控加工的工藝指令和工藝文件1.6.1 程序中常用

16、的工藝指令1準(zhǔn)備功能G指令2輔助功能M指令M指令也是由字母M和兩位數(shù)字組成。該指令與控制系統(tǒng)插補(bǔ)器運(yùn)算無關(guān)，一般書寫在程序段的后面，是加工過程中對(duì)一些輔助器件進(jìn)行操作控制用的工藝性指令。3F、S、T指令F指令為進(jìn)給速度指令，是表示刀具向工件進(jìn)給的相對(duì)速度，單位一般為mm/min，當(dāng)進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)(如車螺紋)時(shí)，單位為mm/r。進(jìn)給速度一般有兩種表示方法。代碼法和直接指定法。1.6.2 數(shù)控加工的工藝文件數(shù)控加工工藝文件既是數(shù)控加工、產(chǎn)品驗(yàn)收的依據(jù)，又是操作者要遵守、執(zhí)行的規(guī)程，同時(shí)還為產(chǎn)品零件重復(fù)生產(chǎn)作了技術(shù)上的必要工藝資料積累和儲(chǔ)備。1數(shù)控加工工件安裝和零點(diǎn)設(shè)定卡片它應(yīng)表示出數(shù)控加工零件定位方法