第一章 數(shù)控技術(shù)概述和數(shù)控機床編程及加工

主講人：李國平濟(jì)南大學(xué)機械工程學(xué)院數(shù)控技術(shù)5/15/20231第一章數(shù)控技術(shù)概述課程說明

本課程是機械工程及自動化專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)方向課。主要以數(shù)控機床為對象研究計算機數(shù)控系統(tǒng)的工作原理、組成及其應(yīng)用。通過理論課教學(xué)和實驗教學(xué)，使學(xué)生掌握簡單數(shù)控編程，數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計思想，伺服進(jìn)給系統(tǒng)組成和檢測系統(tǒng)組成等。先修課程有：微機原理與應(yīng)用，測試技術(shù)，機電傳動控制，控制工程基礎(chǔ)等。5/15/20232第一章數(shù)控技術(shù)概述課程說明推薦教材及主要參考書1.數(shù)控技術(shù)，張建鋼，華中科技大學(xué)出版社2.機床數(shù)控技術(shù)，李郝林，機械工業(yè)出版社3.微機數(shù)控系統(tǒng)，黃大貴，電子科技出版社課程考核方案考試方式:閉卷。成績評定：出勤、作業(yè)和課堂表現(xiàn)占總成績的20%，期末考試成績占總成績的80%。5/15/20233第一章數(shù)控技術(shù)概述第一章數(shù)控技術(shù)概述

目錄1.1基本概念與特點

1.2工作原理與分類

1.3發(fā)展?fàn)顩r

5/15/20234第一章數(shù)控技術(shù)概述§數(shù)控技術(shù)的基本概念與特點一概念：數(shù)控技術(shù)以數(shù)字量編程實現(xiàn)控制機械或其它設(shè)備自動工作的技術(shù)。數(shù)控設(shè)備一種設(shè)備的控制過程是以數(shù)字形式來描述的，工作過程是可編程序的并能在程序控制下自動地運行。5/15/20235第一章數(shù)控技術(shù)概述一概念：工作（加工，控制）要求數(shù)控程序工作（加工，控制）結(jié)果數(shù)控設(shè)備數(shù)控設(shè)備的工作原理圖§數(shù)控技術(shù)的基本概念與特點5/15/20236第一章數(shù)控技術(shù)概述特點優(yōu)點加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定；生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益好；減輕操作者的勞動強度、操作簡單；有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化；有利于向高級計算機控制方面發(fā)展；§數(shù)控技術(shù)的基本概念與特點5/15/20237第一章數(shù)控技術(shù)概述二特點缺點1．造價相對較高。2．維護(hù)比較復(fù)雜，需要專門的維護(hù)人員。3．需要高度熟練和經(jīng)過培訓(xùn)零件編程人員。

§數(shù)控技術(shù)的基本概念與特點5/15/20238第一章數(shù)控技術(shù)概述§數(shù)控機床工作原理與數(shù)控系統(tǒng)的分類5/15/20239第一章數(shù)控技術(shù)概述一、數(shù)控機床的組成及工作原理數(shù)控車床5/15/202310第一章數(shù)控技術(shù)概述一、數(shù)控機床的組成及工作原理數(shù)控立式銑床5/15/202311第一章數(shù)控技術(shù)概述一、數(shù)控機床的組成及工作原理數(shù)控萬能銑床5/15/202312第一章數(shù)控技術(shù)概述一、數(shù)控機床的組成及工作原理立式加工中心5/15/202313第一章數(shù)控技術(shù)概述一、數(shù)控機床的組成及工作原理臥式加工中心5/15/202314第一章數(shù)控技術(shù)概述一、數(shù)控機床的組成及工作原理五軸加工中心5/15/202315第一章數(shù)控技術(shù)概述一、數(shù)控機床的組成及工作原理數(shù)控電火花加工機床5/15/202316第一章數(shù)控技術(shù)概述（一）數(shù)控機床組成

數(shù)控機床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機床主機等五部分組成。

控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機床主機測量反饋裝置5/15/202317第一章數(shù)控技術(shù)概述（二）數(shù)控機床的工作原理加工圖紙編制數(shù)控程序輸入裝置數(shù)控裝置伺服驅(qū)動位置檢測輔助控制機床主運動進(jìn)給運動輔助動作加工零件5/15/202318第一章數(shù)控技術(shù)概述二、數(shù)控系統(tǒng)的分類

數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和控制電路以及伺服系統(tǒng)，統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)。

目前，數(shù)控系統(tǒng)的種類很多，分類方法不一。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的基本原理，可以從如下幾個不同的角度進(jìn)行分類。5/15/202319第一章數(shù)控技術(shù)概述

(一)按運動軌跡分類

1．點位控制系統(tǒng)（P）

2．連續(xù)（輪廓）控制系統(tǒng)（C）5/15/202320第一章數(shù)控技術(shù)概述(二)按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式分類

1．開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)

開環(huán)控制方式調(diào)試方便，維修簡單，成本低，但控制的精度和速度受到限制。一般適用于精度要求不高的中、小型數(shù)控設(shè)備。5/15/202321第一章數(shù)控技術(shù)概述(二)按所用進(jìn)給伺服系統(tǒng)的不同分類2．閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)閉環(huán)控制方式的優(yōu)點是精度高，速度快，但調(diào)試和維修比較復(fù)雜、成本高。一般用于運動速度和精度要求較高的大、中型和精密數(shù)控系統(tǒng)上。

5/15/202322第一章數(shù)控技術(shù)概述半閉環(huán)伺服系統(tǒng)介于開環(huán)和閉環(huán)之間，精度比開環(huán)高，調(diào)試卻比閉環(huán)容易，成本也比閉環(huán)低。目前這種伺服系統(tǒng)適用于大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)上。(二)按所用進(jìn)給伺服系統(tǒng)的不同分類3．半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)5/15/202323第一章數(shù)控技術(shù)概述

(三)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)(NC)

2．計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)使用硬線數(shù)控裝置，它的輸入處理、插補運算和控制功能，都由專用的固定組合邏輯電路來實現(xiàn)，不同功能的機床，其組合邏輯電路也不相同。

由小型或微型計算機，加上通用或?qū)Ｓ玫拇笠?guī)模集成電路制成，數(shù)控機床主要功能幾乎全部由系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)，所以不同功能的機床其系統(tǒng)軟件也就不同，而修改或增減系統(tǒng)功能時，也不需變動硬件電路，只需改變系統(tǒng)軟件。5/15/202324第一章數(shù)控技術(shù)概述

(四)按工藝用途分類

1．一般數(shù)控機床

2．?dāng)?shù)控加工中心機床和傳統(tǒng)的通用機床種類一樣，有數(shù)控的車、銑、鏜、鉆、磨床等，而且每一種又有很多品種，如數(shù)控銑床中就有立銑、臥銑、工具銑、龍門銑等。這類機床的工藝性和通用機床相似，所不同的是它能加工復(fù)雜形狀的零件。在一般數(shù)控機床上加裝一個刀庫(可容納10～100多把刀具)和自動換刀裝置而構(gòu)成的一種帶自動換刀裝置的數(shù)控機床(又稱多工序數(shù)控機床或鏜銑加工中心和車削中心，習(xí)慣上常簡稱為加工中心——MachiningCenter)，使數(shù)控機床更進(jìn)一步地向自動化和高效化方向發(fā)展。5/15/202325第一章數(shù)控技術(shù)概述(五)按聯(lián)動軸(同時控制)數(shù)分類

1．2軸聯(lián)動

2．3軸兩聯(lián)動(2.5軸聯(lián)動)

3．3軸聯(lián)動

4．4軸聯(lián)動

5．5軸聯(lián)動

同時控制五個坐標(biāo)運動，即在三個移動坐標(biāo)之外，再加上圍繞這些直線坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A、B、C中的任意兩個坐標(biāo)。適合加工葉片、葉輪或機翼。

同時控制四個坐標(biāo)運動，即在三個移動坐標(biāo)之外，再加一外旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。可用來加工葉輪或圓柱凸輪。

同時控制X、Y、Z三軸，這樣刀具在空間有任意方向都可移動，因此可以進(jìn)行三維的立體加工。

3軸兩聯(lián)動是指三個坐標(biāo)軸(X，Y，Z)中任一時刻只能控制任意2軸聯(lián)動，另一軸則是點位或直線控制。

可同時控制2軸，且相互獨立。一般適用于平面曲線的輪廓加工。如數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床。注：機床可能有3個軸，但同時控制的只有2個軸。5/15/202326第一章數(shù)控技術(shù)概述

數(shù)控機床輪廓控制系統(tǒng)一般都有點位和直線控制功能。目前世界上的數(shù)控系統(tǒng)，最多控制的軸數(shù)是24軸，同時聯(lián)動軸數(shù)已達(dá)到6軸。

(五)按聯(lián)動軸(同時控制)數(shù)分類5/15/202327第一章數(shù)控技術(shù)概述§1.3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r數(shù)控機床的產(chǎn)生及其發(fā)展我國數(shù)控機床發(fā)展情況5/15/202328第一章數(shù)控技術(shù)概述一、數(shù)控機床的產(chǎn)生及其發(fā)展

采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機械加工的思想，最早是20世紀(jì)40年代初提出的。1947年，美國北密執(zhí)安一個小型飛機承包商帕森斯公司(ParsonsCorporation)在制造飛機框架和直升飛機的機翼葉片時，利用全數(shù)字電子計算機對葉片輪廓的加工路徑進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具半徑對加工路徑的影響，使得加工精度達(dá)到了。5/15/202329第一章數(shù)控技術(shù)概述

1952年美國Parsons公司與麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)實驗室合作，成功地研制出一臺三坐標(biāo)聯(lián)動的試驗型數(shù)控銑床，這是公認(rèn)的世界上第一臺數(shù)控機床。

當(dāng)時的電子元件是電子管(屬第一代數(shù)控系統(tǒng))。5/15/202330第一章數(shù)控技術(shù)概述數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展歷史5/15/202331第一章數(shù)控技術(shù)概述

目前市場上流行的和企業(yè)普遍使用的仍然是第五代數(shù)控系統(tǒng)，其典型代表是日本的FANUC-0系列和德國的Siemens810系列數(shù)控系統(tǒng)。近年來人們致力于開發(fā)基于Web的CNC系統(tǒng)(遠(yuǎn)程CNC系統(tǒng))、智能CNC系統(tǒng)、CAD/CAM集成CNC系統(tǒng)。5/15/202332第一章數(shù)控技術(shù)概述二、我國數(shù)控機床發(fā)展情況

我國從1958年開始，由清華大學(xué)和北京機床研究所研制了101數(shù)控機床，一直到60年代中期處于研制、開發(fā)階段。60年代末至70年代初研制成功X53K-1G數(shù)控銑床、CJK-18數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控非圓齒輪插齒機。5/15/202333第一章數(shù)控技術(shù)概述我國數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展歷史5/15/202334第一章數(shù)控技術(shù)概述1.2023年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)數(shù)控機床廠家：100數(shù)控系統(tǒng)廠家：50數(shù)控機床配套廠家：300年產(chǎn)量：14053臺數(shù)控機床品種：1300產(chǎn)量數(shù)控化率：8%（95年3.6%）2.十五目標(biāo)數(shù)控機床年增長率:>18%到2023年產(chǎn)量:25000－30000臺品種:2023種數(shù)控化率:20%5/15/202335第一章數(shù)控技術(shù)概述作業(yè)：一、簡述數(shù)控機床的組成和工作原理，以及各組成部分的功能。

5/15/202336第一章數(shù)控技術(shù)概述機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學(xué)中心實驗?zāi)康耐ㄟ^數(shù)控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機床上對工件進(jìn)行加工；結(jié)合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機械工程實驗教學(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。機械工程實驗教學(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、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。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)控機床，數(shù)控機床的CNC裝置對程序經(jīng)過處理之后，向機床各坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動機床完成相應(yīng)的運動。數(shù)控編程的目的機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，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校對程序及首件試加工。數(shù)控編程的內(nèi)容機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理數(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)程序校驗及試切數(shù)控機床機械工程實驗教學(xué)中心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動控制卡，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)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學(xué)中心OpenSoftCNC軟件介紹為例，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G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標(biāo)系G92X_Z_√2G04延時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自定義開關(guān)1有效M20√M21自定義開關(guān)1無效M21√8M22自定義開關(guān)2有效M22√M23自定義開關(guān)2無效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√機械工程實驗教學(xué)中心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、編輯修改及查錯編譯等。每一個工件程序由若干個程序段組成；每一個程序段完成一個加工步驟；每一個程序指令有程序段號和若干個指令