模塊1數(shù)控編程與加工技術(shù)基礎(chǔ)

1.1

概述

1.1.1數(shù)控加工基本概念數(shù)控即數(shù)字控制，是指用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的自動(dòng)化方法，是由機(jī)床數(shù)控裝置或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)控技術(shù)是指用數(shù)字量及字符發(fā)出指令并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)技術(shù)。將計(jì)算機(jī)通過(guò)特定處理方式下的數(shù)字信息（不連續(xù)變化的數(shù)字量），用于機(jī)床自動(dòng)控制的技術(shù)通稱(chēng)為計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)即程序控制系統(tǒng)，是指采用數(shù)字控制技術(shù)的控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CNC系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床是一個(gè)裝有程序控制的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號(hào)碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。數(shù)控加工是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的一種工藝方法，其實(shí)質(zhì)就是根據(jù)零件圖樣及工藝要求等原始條件，編制零件數(shù)控加工程序，并輸入到數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，以控制數(shù)控機(jī)床中刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而完成零件的加工。1.1

概述

1.1.2數(shù)控機(jī)床的工作原理1.1

概述

1.1.3數(shù)控機(jī)床的組成1.輸入輸出裝置輸入輸出裝置是操作人員與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交流的載體，其主要功能有編制程序、存儲(chǔ)程序、輸入程序和數(shù)據(jù)、打印和顯示等。零件加工程序、機(jī)床參數(shù)及刀具補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)可以直接由操作人員手動(dòng)輸入到數(shù)控裝置，即通過(guò)機(jī)床上的CRT顯示器及鍵盤(pán)手動(dòng)輸入；也可以利用CAD/CAM軟件在計(jì)算機(jī)上編程，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)用通信方式將程序傳送到數(shù)控裝置。2.計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置數(shù)控裝置通常由專(zhuān)用（或通用）計(jì)算機(jī)、輸入輸出接口板及機(jī)床控制器等組成。輸入設(shè)備傳送的數(shù)控加工程序和操作指令，經(jīng)計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理（如運(yùn)動(dòng)軌跡處理、機(jī)床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件（伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和PLC等），控制其動(dòng)作，加工出需要的零件。3.伺服驅(qū)動(dòng)裝置伺服驅(qū)動(dòng)裝置包括主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置兩部分。將位置指令和速度指令轉(zhuǎn)化為機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。數(shù)控裝置發(fā)出的控制信息經(jīng)伺服系統(tǒng)中的控制電路、功率放大電路和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)受控設(shè)備工作，并可對(duì)其位置、速度等進(jìn)行控制。4.檢測(cè)反饋裝置其作用是通過(guò)傳感器將伺服電動(dòng)機(jī)角位移和數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線位移，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給數(shù)控裝置，與脈沖信號(hào)進(jìn)行比較，由數(shù)控裝置糾正誤差，控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件準(zhǔn)確運(yùn)轉(zhuǎn)。5.輔助控制裝置輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制裝置，通過(guò)可編程序控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC和數(shù)控裝置配合共同完成數(shù)控機(jī)床的控制。6.機(jī)床本體機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件包括：主運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件、支承件、特殊裝置和輔助裝置組成。1.1.4

數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)1.按工藝用途分類(lèi)（1）切削加工類(lèi)數(shù)控機(jī)床（2）成形加工類(lèi)數(shù)控機(jī)床（3）特種加工類(lèi)數(shù)控機(jī)床（4）其他類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床2.按運(yùn)動(dòng)軌跡的控制方式分類(lèi)（1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床這類(lèi)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置只控制運(yùn)動(dòng)部件從一點(diǎn)位準(zhǔn)確移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)位，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有嚴(yán)格的要求，在移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行加工。（2）直線控制數(shù)控機(jī)床這類(lèi)數(shù)控機(jī)床不僅要控制運(yùn)動(dòng)部件從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，還要控制移動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡,保證兩點(diǎn)之間的軌跡為一條直線。刀具相對(duì)于工件移動(dòng)時(shí)進(jìn)行切削加工，其軌跡是平行機(jī)床各坐標(biāo)軸的直線。（3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床輪廓控制也稱(chēng)連續(xù)控制。插補(bǔ)結(jié)果向坐標(biāo)軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行各種斜線、圓弧、曲線的加工，實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制。3.按伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型分類(lèi)（1）開(kāi)環(huán)控制數(shù)控機(jī)床該類(lèi)機(jī)床構(gòu)造簡(jiǎn)單，沒(méi)有位置、速度等檢測(cè)裝置和反饋裝置。CNC裝置發(fā)出的指令信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大后，通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)，指令信號(hào)單方向傳送，不反饋回來(lái)。（2）閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床該類(lèi)機(jī)床帶有位置、速度等檢測(cè)裝置，直接對(duì)執(zhí)行件的實(shí)際位移量進(jìn)行檢測(cè)，可將執(zhí)行件的位移反饋，并與指令值比較，用比較差值進(jìn)行控制，直至差值消除為止。（3）半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床該類(lèi)機(jī)床不直接檢測(cè)執(zhí)行件的位移值，而是檢測(cè)與伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相聯(lián)系的傳動(dòng)件的角位移作為反饋值，檢測(cè)元件之后的傳動(dòng)件不在反饋環(huán)路之內(nèi)，因此傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差仍會(huì)影響機(jī)床的加工精度。4.按可控制聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸分類(lèi)5.按數(shù)控裝置的功能水平分類(lèi)6.按制造方式分類(lèi)（1）通用型數(shù)控系統(tǒng)以PC機(jī)作為CNC裝置的支撐平臺(tái)，各數(shù)控機(jī)床制造廠家根據(jù)用戶(hù)需求，有針對(duì)性地研制開(kāi)發(fā)數(shù)控軟件和控制卡等，構(gòu)成相應(yīng)的CNC裝置。（2）專(zhuān)用型數(shù)控系統(tǒng)各制造廠家專(zhuān)門(mén)研制、開(kāi)發(fā)制造的，專(zhuān)用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)合理，硬件通用性差，但其控制功能齊全，穩(wěn)定性好，如德國(guó)SIEMENS系統(tǒng)、日本FANUC系統(tǒng)等。7.按數(shù)控系統(tǒng)分類(lèi)數(shù)控機(jī)床可分為FANUC（發(fā)那科）數(shù)控系統(tǒng)、SIEMENS（西門(mén)子）數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控系統(tǒng)、三菱數(shù)控系統(tǒng)等的數(shù)控機(jī)床。1.1.5數(shù)控加工的特點(diǎn)1.數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn)（1）加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定（2）生產(chǎn)效率高（3）生產(chǎn)柔性大（4）能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)（5）自動(dòng)化程度高，可減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)、改善勞動(dòng)條件（6）便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助制造2.數(shù)控加工的缺點(diǎn)（1）加工成本一般較高（2）適宜于多品種中、小批量生產(chǎn)（3）加工中難以調(diào)整1.1.6數(shù)控加工的應(yīng)用范圍1.最適應(yīng)類(lèi)1）形狀復(fù)雜，加工精度高的零件。2）用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線或曲面輪廓零件。3）具有難測(cè)量、難控制進(jìn)給、難控制尺寸的殼體或盒形零件。4）必須在一次裝夾中合并完成銑、鏜、锪、鉸或攻螺紋的零件。2.較適應(yīng)類(lèi)1）一旦質(zhì)量失控會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失的零件。2）在通用機(jī)床上加工必須制造復(fù)雜的專(zhuān)用工裝的零件。3）需要多次更改設(shè)計(jì)后才能定型的零件。4）在通用機(jī)床上加工需要作長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整的零件。3.不適應(yīng)類(lèi)1）生產(chǎn)批量大的零件（不排除其中個(gè)別工序用數(shù)控機(jī)床加工）。2）裝夾困難或完全靠找正來(lái)保證加工精度的零件。3）加工余量很不穩(wěn)定的零件。4）必須用特定的工藝裝備協(xié)調(diào)加工的零件。1.2數(shù)控加工編程基礎(chǔ)1.2.1數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系1.機(jī)床坐標(biāo)系與機(jī)床原點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床上，機(jī)床的動(dòng)作是由數(shù)控裝置來(lái)控制的，為了確定機(jī)床上的成形運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)，必須先確定機(jī)床上運(yùn)動(dòng)的方向和移動(dòng)的距離，這就需要在機(jī)床上建立一個(gè)坐標(biāo)系，這個(gè)坐標(biāo)系稱(chēng)為機(jī)床坐標(biāo)系，也叫標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。對(duì)于數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸名稱(chēng)及其正負(fù)方向，我國(guó)已制定了《數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)方向的命名》的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)，它與ISO標(biāo)準(zhǔn)相同。標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，如圖1-12所示。在圖中，直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)用直角坐標(biāo)系X、Y、Z表示，常稱(chēng)為基本坐標(biāo)系，這個(gè)坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸與機(jī)床的主要導(dǎo)軌相平行，它與安裝在機(jī)床上，并按機(jī)床的主要直線導(dǎo)軌找正的工件有關(guān)；根據(jù)右手螺旋定則，圍繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸分別用A、B、C坐標(biāo)表示。具體確定機(jī)床各坐標(biāo)軸的方法如下：1）Z軸。Z坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)由主要傳遞切削動(dòng)力的主軸決定，取刀具遠(yuǎn)離工件的方向?yàn)檎较颍?Z）。2）X軸。X坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)是水平的，它平行于工件裝夾面，是刀具或工件定位平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的主要坐標(biāo)。3）Y軸。Y坐標(biāo)垂直于X、Z坐標(biāo)軸，并按照右手笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)確定。4）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)A、B、C軸。在確定了X、Y、Z坐標(biāo)的正方向后，可按右手螺旋定則確定A、B、C坐標(biāo)的正方向。2.工件坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系原點(diǎn)工件坐標(biāo)系是編程人員在編程時(shí)使用的坐標(biāo)系，也稱(chēng)編程坐標(biāo)系或加工坐標(biāo)系，它是編程人員根據(jù)零件圖樣及加工工藝等建立的坐標(biāo)系。工件坐標(biāo)系原點(diǎn)稱(chēng)為工件原點(diǎn)或編程原點(diǎn)。設(shè)定工件坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)遵循的原則如下：1）工件原點(diǎn)應(yīng)盡量選在零件圖的尺寸基準(zhǔn)上2）工件原點(diǎn)應(yīng)盡量選在尺寸精度高，粗糙度值低的工件表面上3）對(duì)于對(duì)稱(chēng)的工件，最好將工件原點(diǎn)設(shè)在工件的對(duì)稱(chēng)中心上。4）工件原點(diǎn)的選擇要便于裝夾、測(cè)量和檢驗(yàn)工件。3.機(jī)床參考點(diǎn)機(jī)床參考點(diǎn)是數(shù)控機(jī)床上一個(gè)特殊位置的點(diǎn)。機(jī)床參考點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)的距離由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，其值可以為零，如果為零則表示機(jī)床參考點(diǎn)與機(jī)床零點(diǎn)重合。3.數(shù)控車(chē)床工件坐標(biāo)系的確定在數(shù)控車(chē)床上，工件坐標(biāo)系原點(diǎn)一般設(shè)在右端面與主軸回轉(zhuǎn)中心線交點(diǎn)O上。坐標(biāo)系以機(jī)床主軸線方向?yàn)閆軸方向，刀具遠(yuǎn)離零件的方向?yàn)閆軸的正方向，接近零件的方向?yàn)樨?fù)方向。X軸位于水平面且垂直于零件旋轉(zhuǎn)軸線的方向，刀具遠(yuǎn)離主軸軸線的方向?yàn)閄軸正方向。前置刀架臥式數(shù)控車(chē)床的坐標(biāo)系與方向。4.數(shù)控銑床工件坐標(biāo)系的確定不論機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)是工件靜止、刀具運(yùn)動(dòng)，還是工件運(yùn)動(dòng)、刀具靜止，確定坐標(biāo)系時(shí)，一律看作工件靜止，刀具產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。Z軸的確定：一般取產(chǎn)生切削力的軸線（即主軸軸線）為Z軸，取刀具遠(yuǎn)離工件的方向?yàn)閆軸正方向。X軸的確定：立式數(shù)控銑床時(shí)，面對(duì)立柱，取右手方向?yàn)?X方向；臥式數(shù)控銑床：從主軸后端往前看，取右手方向?yàn)?X方向。Y軸的確定：+Y的運(yùn)動(dòng)方向，根據(jù)X、Z坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，按照右手笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)確定。1.數(shù)控加工工藝過(guò)程（1）分析圖樣，確定加工方案（2）工件的定位與裝夾（3）刀具的選擇與安裝（4）編制數(shù)控加工程序（5）試切削、試運(yùn)行并校驗(yàn)數(shù)控加工程序（6）數(shù)控加工（7）工件的驗(yàn)收與質(zhì)量誤差分析1.2.2數(shù)控加工工藝2.數(shù)控加工工藝過(guò)程的特點(diǎn)（1）數(shù)控加工工藝內(nèi)容具體、詳細(xì)（2）數(shù)控加工工藝嚴(yán)密、精確（3）零件圖形的數(shù)學(xué)處理和編程尺寸設(shè)定值的計(jì)算（4）考慮進(jìn)給速度對(duì)零件形狀精度的影響（5）強(qiáng)調(diào)刀具選擇的重要性（6）數(shù)控加工采用工序集中，其工序內(nèi)容比普通機(jī)床加工的工序內(nèi)容復(fù)雜（7）注意干涉問(wèn)題（8）程序的編寫(xiě)、校驗(yàn)與修改3.零件圖樣的工藝分析（1）分析零件的幾何要素首先從零件圖的分析中，了解工件的外形、結(jié)構(gòu)，工件上須加工的部位及其形狀、尺寸精度、和表面粗糙度；了解各加工部位之間的相對(duì)位置和尺寸精度；了解工件材料及其它技術(shù)要求。（2）分析了解工件的工藝基準(zhǔn)包括其外形尺寸、在工件上的位置、結(jié)構(gòu)及其他部位的相對(duì)關(guān)系等。（3）了解工件的加工數(shù)量不同的加工數(shù)量所采用的工藝方案也不同。4.數(shù)控加工工序劃分的原則（1）工序集中的原則將工件的加工集中在少數(shù)幾道工序內(nèi)完成，每道工序的加工內(nèi)容較多。工序集中有利于采用數(shù)控機(jī)床、高效專(zhuān)用設(shè)備及工裝。（2）工序分散原則將工件的加工分散在較多的工序內(nèi)進(jìn)行，每道工序的加工內(nèi)容很少。工序分散使用的設(shè)備及工藝裝備比較簡(jiǎn)單，調(diào)整和維修方便，操作簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)產(chǎn)容易；但工藝路線較長(zhǎng)，所需設(shè)備及工人數(shù)量多，占地面積大。1.手工編程手工編程是指主要由人工來(lái)完成數(shù)控編程中各個(gè)階段的工作，包括分析零件圖、確定工藝過(guò)程、數(shù)值計(jì)算、編寫(xiě)加工程序單、程序輸入、程序校驗(yàn)等。2.自動(dòng)編程自動(dòng)編程就是用計(jì)算機(jī)及相應(yīng)編程軟件編制數(shù)控加工程序的過(guò)程，也稱(chēng)為計(jì)算機(jī)輔助編程。常見(jiàn)軟件有MasterCAM、UG、Pro/E、CAXA制造工程師等。1.2.3數(shù)控編程的方法1.2.4數(shù)控編程的步驟及主要內(nèi)容1.數(shù)控車(chē)床的編程方式（1）絕對(duì)坐標(biāo)編程方式與增量（相對(duì)）坐標(biāo)編程方式所有坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值均從編程原點(diǎn)計(jì)算的坐標(biāo)系，稱(chēng)為絕對(duì)坐標(biāo)系。坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值是相對(duì)刀具前一位置（或起點(diǎn)）來(lái)計(jì)算的，稱(chēng)為相對(duì)（增量）坐標(biāo)系。相對(duì)坐標(biāo)常用U、W表示，與X、Z軸平行且同向。（2）直徑編程與半徑編程采用直徑編程，在絕對(duì)坐標(biāo)方式編程中，X值為零件的直徑值，增量坐標(biāo)方式編程中，X為刀具徑向?qū)嶋H位移量的兩倍。采用半徑編程，即X值為零件半徑值或刀具實(shí)際位移量。（3）小數(shù)點(diǎn)編程1.2.5數(shù)控編程方式2.數(shù)控銑床的編程方式數(shù)控銑床上可以采用增量編程和絕對(duì)編程，但沒(méi)有直徑編程和半徑編程之分。在采用不同的系統(tǒng)軟件進(jìn)行編程時(shí)，相同的加工零件所用到的指令不盡相同，但分析的方法一樣。1.程序的結(jié)構(gòu)（1）程序名（程序號(hào)）位于程序的開(kāi)始部分，為程序的開(kāi)始標(biāo)記，供其在數(shù)控裝置存儲(chǔ)器中的程序目錄中查找、調(diào)用。（3）程序主體（程序內(nèi)容）是整個(gè)程序的核心，由若干程序段組成，表示數(shù)控機(jī)床要完成的全部動(dòng)作。（4）程序結(jié)束一般用輔助功能代碼M02（程序結(jié)束）或M30（程序結(jié)束，返回起點(diǎn)）等來(lái)表示，作為整個(gè)程序結(jié)束的標(biāo)志，一般要求單列一段。1.2.6數(shù)控加工程序的結(jié)構(gòu)與格式2.程序段的組成與格式程序段格式是指一個(gè)程序段中的字、字符和數(shù)據(jù)的書(shū)寫(xiě)規(guī)則。程序段的格式可分為地址格式、分割順序格式、固定程序段格式和可變程序段格式等。最常用的是可變程序段格式。在程序段中表示地址的英文字母可分為尺寸