數(shù)控機(jī)床基本知識(shí)培訓(xùn)和數(shù)控機(jī)床編程及加工

第1章數(shù)控機(jī)床基本知識(shí)1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展1.2數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理1.3數(shù)控機(jī)床的分類

1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民工業(yè)的基礎(chǔ)，其產(chǎn)品更是日趨精密復(fù)雜，特別是在宇航、航海、軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求更高，形狀更為復(fù)雜且往往批量較小，加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高的自動(dòng)化機(jī)床顯然無(wú)法適應(yīng)這些要求。同時(shí)，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，企業(yè)生產(chǎn)也迫切需要進(jìn)一步提高其生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。一種新型的生產(chǎn)設(shè)備——數(shù)控機(jī)床就應(yīng)運(yùn)而生了。1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）合作，于1952年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。1959年，美國(guó)克耐·杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功開(kāi)發(fā)了加工中心（MachiningCenter）。1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展簡(jiǎn)況第1代數(shù)控機(jī)床：1952年～1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（NC）。第2代數(shù)控機(jī)床：從1959年開(kāi)始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。第3代數(shù)控機(jī)床：從1965年開(kāi)始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。第4代數(shù)控機(jī)床：從1970年開(kāi)始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（CNC）。第5代數(shù)控機(jī)床：從1974年開(kāi)始采用微型計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)（MNC）。1．計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)所謂計(jì)算機(jī)直接數(shù)控（DirectNumericalControl，DNC）系統(tǒng)，即使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)為數(shù)臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)編程，編程結(jié)果直接通過(guò)數(shù)據(jù)線輸送到各臺(tái)數(shù)控機(jī)床的控制箱。2．柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）也叫做計(jì)算機(jī)群控自動(dòng)線，它是將一群數(shù)控機(jī)床用自動(dòng)傳送系統(tǒng)連接起來(lái)，并置于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的統(tǒng)一控制之下，形成一個(gè)用于制造的整體。3．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制從定貨、設(shè)計(jì)、工藝、制造到銷售的全過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)一體化的高效率的柔性集成制造系統(tǒng)。1.1.3我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況1958年開(kāi)始并試制成功第一臺(tái)電子管數(shù)控機(jī)床。1965年開(kāi)始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到20世紀(jì)60年代末至70年代初成功。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，先后從日本、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。如北京機(jī)床研究所從日本FANUC公司引進(jìn)FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列產(chǎn)品的制造技術(shù)；上海機(jī)床研究所引進(jìn)美國(guó)GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動(dòng)化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢(shì)。m，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min，控制軸數(shù)可達(dá)16個(gè)。1.2數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理1.2.1數(shù)控機(jī)床的組成1．控制介質(zhì)數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，不需要操作工人直接操縱機(jī)床，但機(jī)床又必須執(zhí)行人的意圖，這就需要在人與機(jī)床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物即稱為控制介質(zhì)。2．?dāng)?shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床的中心環(huán)節(jié)。它能自動(dòng)閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床進(jìn)給并加工零件，數(shù)控系統(tǒng)通常由輸入裝置、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置4大部分組成。3．伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)或使執(zhí)行部分動(dòng)作，以加工出符合要求的工件。每一個(gè)脈沖使機(jī)床移動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量叫做脈沖當(dāng)量。目前所使用的數(shù)控系統(tǒng)脈沖當(dāng)量通常為0.001mm/脈沖。4．輔助控制系統(tǒng)輔助控制系統(tǒng)是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的強(qiáng)電控制裝置。5．機(jī)床本體機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，由機(jī)床的基礎(chǔ)大件（如床身、底座）和各運(yùn)動(dòng)部件（如工作臺(tái)、床鞍、主軸等）所組成。1.2.2數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件1．伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通常用于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)機(jī)床。（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)①小慣量直流電動(dòng)機(jī)②寬調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)③無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（3）交流伺服電動(dòng)機(jī)近年來(lái)新型功率開(kāi)關(guān)器件、專用集成電路和新的控制算法等的發(fā)展帶動(dòng)了交流驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展，使其調(diào)速性能更能適應(yīng)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的要求。交流速度控制系統(tǒng)正逐步取代直流速度控制系統(tǒng)。2．位置檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置是把位移和速度測(cè)量信號(hào)作為反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字送回計(jì)算機(jī)，和脈沖指令信號(hào)相比較，以控制驅(qū)動(dòng)元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)。（1）感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種電磁式的高精度位移檢測(cè)元件，按其結(jié)構(gòu)方式的不同可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，前者用于長(zhǎng)度測(cè)量，后者用于角度測(cè)量。感應(yīng)同步器的特點(diǎn)是：精度高，工作可靠，抗干擾性強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，可測(cè)量長(zhǎng)距離位置，成本低，易于批量生產(chǎn)。（2）光柵光柵就是在一塊長(zhǎng)條形的光學(xué)玻璃上均勻地刻劃很多條與運(yùn)動(dòng)方向垂直的條紋，條紋之間的距離成為柵距。光柵測(cè)量裝置是一種非接觸式測(cè)量，利用光路減少了機(jī)械誤差，具有精度高，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此是數(shù)控機(jī)床和數(shù)顯系統(tǒng)常用的檢測(cè)元件。（3）磁柵磁柵是用電磁的方法計(jì)算磁波數(shù)目的一種位置檢測(cè)元件，磁柵測(cè)量裝置由磁性標(biāo)尺、讀取磁頭和檢測(cè)電路組成。磁柵位置檢測(cè)電路的特點(diǎn)是：容易制造，檢測(cè)精度高（能達(dá)到每米±3m），安裝使用方便，對(duì)環(huán)境條件要求較低，若磁性標(biāo)尺膨脹系數(shù)與機(jī)床一致，可在一般車間使用。由于磁頭與磁柵為有接觸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而有磨損，使用壽命受到一定的限制。一般使用壽命可達(dá)到5年，涂上保護(hù)膜后壽命則可進(jìn)一步延長(zhǎng)。（4）旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移檢測(cè)元件，由定子和轉(zhuǎn)子組成，分為有刷和無(wú)刷兩種形式。有刷旋轉(zhuǎn)變壓器定子和轉(zhuǎn)子均為兩相交流分布繞組。數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置主要使用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器，因?yàn)闊o(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、體積小、不用維修以及輸出信號(hào)大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。（5）脈沖編碼器脈沖編碼器是把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為電脈沖的一種常用角位移傳感器。（6）測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是速度反饋元件，相當(dāng)于一臺(tái)永磁式直流電動(dòng)機(jī)。3．進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)部件滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的新型理想傳動(dòng)裝置。具有如下優(yōu)點(diǎn)。（1）傳動(dòng)效率高。（2）摩擦力小。（3）使用壽命長(zhǎng)。（4）經(jīng)預(yù)緊后可以消除軸向間隙，提高系統(tǒng)的剛度。（5）反向運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)空行程，可以提高軸向運(yùn)動(dòng)精度。4．CRT顯示及其接口5．?dāng)?shù)控機(jī)床通信RS-232接口1.2.3數(shù)控機(jī)床的工作原理數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)之一就是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。一般情況是已知運(yùn)動(dòng)軌跡的起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)和曲線方程，由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地算出各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)。即需要“插入、補(bǔ)上”運(yùn)動(dòng)軌跡各個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)，通常這個(gè)過(guò)程就稱為“插補(bǔ)”。1．逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)（1）直線插補(bǔ)計(jì)算原理①偏差計(jì)算公式定義直線插補(bǔ)的偏差判別式如下：

Fm=ymxexmye

②終點(diǎn)判斷的方法一種方法是設(shè)置Σx、Σy兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器。另一種方法是設(shè)置一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器。第三種方法是選終點(diǎn)坐標(biāo)值較大的坐標(biāo)作為計(jì)數(shù)坐標(biāo)。③插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程 偏差判斷 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 終點(diǎn)判別2．逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)（1）圓弧插補(bǔ)計(jì)算原理①偏差計(jì)算公式 定義圓弧偏差判別式如下： Fm=Rm2R2=xm2+ym2R2

新加工點(diǎn)m+1點(diǎn)的偏差為Fm2xm+1新加工點(diǎn)的偏差值為Fm+2ym+1②終點(diǎn)判別方法③插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程1.3數(shù)控機(jī)床的分類1.3.1按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類1．點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床主要有數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)和數(shù)控折彎?rùn)C(jī)等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位控制數(shù)控裝置。2．直線控制數(shù)控機(jī)床這類機(jī)床主要有數(shù)控車床、數(shù)控磨床和數(shù)控鏜銑床等，相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為直線控制裝置。3．輪廓控制數(shù)控機(jī)床屬于這類機(jī)床的有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓數(shù)控裝置比點(diǎn)位、直線控制裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，功能齊全得多。1.3.2按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類1．開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)通常不帶有位置檢測(cè)元件，伺服驅(qū)動(dòng)元件一般為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。2．閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 閉環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng)帶有位置檢測(cè)元件，隨時(shí)可以檢測(cè)出工作臺(tái)的實(shí)際位移，并反饋給數(shù)控裝置，并與設(shè)定的指令值進(jìn)行比較，利用其差值控制伺服電動(dòng)機(jī)，直至差值為零為止。3．半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是將位置檢測(cè)元件安裝在伺服電動(dòng)機(jī)的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機(jī)床的位移量，而是檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角，將此信號(hào)反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行指令值比較，用差值控制伺服電動(dòng)機(jī)。1.3.3按工藝用途分類1．金屬切削類數(shù)控機(jī)床金屬切削類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心。2．金屬成型類數(shù)控機(jī)床金屬成型類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控組合沖床和數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。這類機(jī)床起步晚，但目前發(fā)展很快。3．?dāng)?shù)控特種加工機(jī)床數(shù)控特種加工機(jī)床如數(shù)控線（電極）切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、火焰切割機(jī)和數(shù)控激光切割機(jī)床等。4．其他類型的數(shù)控機(jī)床其他類型的數(shù)控機(jī)床如數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。1.3.4按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式分類1．硬線數(shù)控系統(tǒng)2．軟線數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床編程及加工機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)數(shù)控機(jī)床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計(jì)算機(jī)上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過(guò)程校驗(yàn)程序，然后在數(shù)控機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行加工；結(jié)合機(jī)械加工工藝，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過(guò)程、工藝參數(shù)、機(jī)床的運(yùn)動(dòng)以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機(jī)床的編程格式和能識(shí)別的語(yǔ)言記錄在程序單上的全過(guò)程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的CNC裝置對(duì)程序經(jīng)過(guò)處理之后，向機(jī)床各坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過(guò)程；②計(jì)算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對(duì)程序及首件試加工。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學(xué)處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗(yàn)及試切數(shù)控機(jī)床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標(biāo)準(zhǔn)硬件系統(tǒng)構(gòu)成，不要求專用硬件或運(yùn)動(dòng)控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機(jī)床控制兩大部分組成。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心OpenSoftCNC軟件介紹機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動(dòng)G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補(bǔ)G01X(U)_Z(W)_√G02順時(shí)針圓弧插補(bǔ)G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補(bǔ)G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補(bǔ)G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點(diǎn)G27

G28Z軸返回程序零點(diǎn)G28

G92定義絕對(duì)坐標(biāo)系G92X_Z_√2G04延時(shí)G04E_

3M00暫停M00

M02程序結(jié)束M02

4M03主軸正轉(zhuǎn)M03√M04主軸反轉(zhuǎn)M04√M05主軸停M05√5M08開(kāi)冷卻液M08√M09關(guān)冷卻液M09√

6M97程序跳轉(zhuǎn)M97P_

M98子程序調(diào)用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定義開(kāi)關(guān)1有效M20√M21自定義開(kāi)關(guān)1無(wú)效M21√8M22自定義開(kāi)關(guān)2有效M22√M23自定義開(kāi)關(guān)2無(wú)效M23√9S主軸轉(zhuǎn)速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000√OpenSoftCNC軟件介紹在程序管理界面下，可進(jìn)行有關(guān)數(shù)控加工程序文件的各種操作，如讀入程序、編輯修改及查錯(cuò)編譯等。每一個(gè)工件程序由若干個(gè)程序段組成；每一個(gè)程序段完成一個(gè)加工步驟；每一個(gè)程序指令有程序段號(hào)和若干個(gè)指令代碼組成，指令代碼在程序段中