第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)控機床編程及加工

數(shù)控技術(shù)第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)前

言一、本課程性質(zhì)二、為什么要學(xué)習(xí)本課程三、本課程要求四、本課程內(nèi)容課程性質(zhì)：本課程是機械類各專業(yè)的一門主要專業(yè)選修課。它以數(shù)控機床為對象，研究數(shù)字控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其在數(shù)控機床上的應(yīng)用。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生掌握數(shù)控技術(shù)的基本原理和基礎(chǔ)知識；掌握CNC數(shù)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和數(shù)控加工插補原理；理解并掌握數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測裝置的工作原理；具備數(shù)控加工工藝的初步分析能力，以及運用數(shù)控加工編程知識進行手工編程的能力。課程學(xué)時：56教材：李恩林主編.數(shù)控技術(shù)原理及應(yīng)用，北京：國防工業(yè)出版社，2023授課方式：課堂教學(xué)+實驗教學(xué)考核方式：期末考試（70%）+平時（30%）一、本課程性質(zhì)及考核方式是先進制造技術(shù)內(nèi)容之一是制造裝備數(shù)字化的主要內(nèi)容是柔性自動化的基礎(chǔ)數(shù)控機床是典型的機電一體化產(chǎn)品數(shù)控機床的應(yīng)用越來越普及數(shù)控機床應(yīng)用人才需求量大且迫切數(shù)控技術(shù)適用領(lǐng)域廣泛是機械工程領(lǐng)域的人才必備的專業(yè)知識二、為什么要學(xué)習(xí)本課程？藍領(lǐng)：機床操作銀領(lǐng)（灰領(lǐng)）：工藝設(shè)計與編程，維修，數(shù)控改造金領(lǐng)（白領(lǐng)）：管理金領(lǐng)銀領(lǐng)藍領(lǐng)社會急需的數(shù)控加工人才類型：三、本課程要求要求不缺課，認真聽課，課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)認真實驗，按時獨立完成作業(yè)，積極參加課堂討論有問題及時答疑并反饋信息廣泛查閱參考資料充分利用實驗室的開放條件真正學(xué)到知識和本領(lǐng)。四、本課程內(nèi)容數(shù)控技術(shù)的概念、發(fā)展方向，數(shù)控機床的分類，特點及優(yōu)越性；插補原理數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)及檢測裝置數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)數(shù)控機床的加工工藝數(shù)控機床編程基礎(chǔ)數(shù)控機床編程技術(shù)伺服驅(qū)動系統(tǒng)第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié) 數(shù)控機床的系統(tǒng)組成及其基本原理第二節(jié) 數(shù)控機床的分類第三節(jié) 數(shù)控機床的加工對象第四節(jié) 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向第一節(jié) 數(shù)控機床的系統(tǒng)組成及其基本原理數(shù)控機床的產(chǎn)生

科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求，迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動化機床。數(shù)字控制(Numerical

Control，簡稱NC或數(shù)控)機床，就是在這樣的背景下誕生與發(fā)展起來的。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動化加工手段。數(shù)控機床的發(fā)展介紹1948年，美國人John

Parsons提出設(shè)想;1952年，試制成功世界上第一臺數(shù)控機床；1952~1959：第一代電子管數(shù)控系統(tǒng)；1959~1965：第二代晶體管數(shù)控系統(tǒng)；1965~1970：第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)；1970~1974：第四代大規(guī)模集成電路及小型通用計算機數(shù)控系統(tǒng)；1974~ ：第五代微型計算機數(shù)控系統(tǒng)；20世紀末~：第六代基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。第一階段NC第二階段CNC體積減小，功能性能提高10NC與CNCNC——簡稱數(shù)控（NC），是采用數(shù)字指令信號對機電產(chǎn)品或設(shè)備進行控制的一種自動控制技術(shù)。早期采用硬件數(shù)字電路實現(xiàn)的數(shù)控，屬于早期數(shù)

控系統(tǒng)，數(shù)控裝置功能由邏輯電路實現(xiàn)，數(shù)控系

統(tǒng)通用性、靈活性較差，維修成本高。CNC——現(xiàn)代采用微型計算機實現(xiàn)的數(shù)控，稱計算機數(shù)字控制技術(shù)，簡稱計算機數(shù)控（Computer

Numerical

Control，CNC）。以微型計算機或小型計算機為控制單元，數(shù)控裝置功能幾乎全由軟件實現(xiàn)，硬件具有通用性。CNC是先進制造技術(shù)或生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)–柔性自動化（FMS）計算機集成制造（CIM）11數(shù)字控制技術(shù)（NC）數(shù)字控制技術(shù)，簡稱數(shù)控（NC）：采用數(shù)字指令信號對機電產(chǎn)品或設(shè)備進行控制的一種自動控制技術(shù)。數(shù)控技術(shù)與傳統(tǒng)的設(shè)備自動控制技術(shù)的顯著區(qū)別：坐標控制——采用數(shù)字指令信號對設(shè)備的運動部件的坐標運動進行控制。數(shù)控加工的過程根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫程序單，并把它記錄在載體上；把程序載體上的程序通過輸入裝置輸入到CNC單元中去；單元將輸入的程序經(jīng)過處理之后，向機床各個坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出信號；伺服系統(tǒng)根據(jù)CNC單元發(fā)出的信號，驅(qū)動機床的運動部件，并控制必要的輔助操作；通過機床機械部件帶動刀具與工件的相對運動，加工出要求的工件；檢測機床的運動，并通過反饋裝置反饋給CNC單元，以減小加工誤差。數(shù)控加工的過程數(shù)控系統(tǒng)的工作過程數(shù)控技術(shù)的基本原理將被控設(shè)備末端執(zhí)行部件的運動（或多個末端執(zhí)行部件的合成運動）納入到適當(dāng)?shù)淖鴺讼抵?，將所要求的?fù)雜運動分解成各坐標軸的簡單直線

運動或回轉(zhuǎn)運動，并用一個滿足精度要求的基本

長度單位（Basic

Length

Unit，BLU）對各坐標軸進行離散化，由電子控制裝置（即數(shù)控裝置）按數(shù)控程序規(guī)定的運動控制規(guī)律，產(chǎn)生與基本長度單位對應(yīng)的數(shù)字指令脈沖，對各坐標軸的運動進行控制，并通過伺服執(zhí)行元件加以驅(qū)動，從而實現(xiàn)所要求的復(fù)雜運動。數(shù)控機床的組成數(shù)控機床由控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、反饋裝置、輔助裝置和機床本體6部分組成。第二節(jié) 數(shù)控機床的分類按數(shù)控裝置類型進行分類按伺服控制方式進行分類按數(shù)控系統(tǒng)功能水平進行分類按加工工藝及用途進行分類

按硬軟件進行分類按數(shù)控裝置類型進行分類1．點位控制數(shù)控機床對于一些孔加工用數(shù)控機床，只要求獲得精確的孔系坐標定位精度，而不管從一個孔到另外一個孔是按照什么軌跡運動。如圖所示點位控制數(shù)控鉆床加工。按數(shù)控裝置類型進行分類2．直線控制數(shù)控機床某些數(shù)控機床不僅要求具有準確定位的功能，而且要求從一點到另一點之間按直線移動，并能控制位移的速度。如圖所示直線控制切削加工。3．輪廓控制數(shù)控機床更多的數(shù)控機床具有輪廓控制的功能，即可以加工具有曲線或者曲面的零件。如圖所示輪廓控制銑削示意圖。按數(shù)控裝置類型進行分類二坐標數(shù)控機床主要用于加工二維平面輪廓；三坐標數(shù)控機床主要用于加工三維立體輪廓；四坐標和五坐標數(shù)控機床主要用于加工空間復(fù)雜曲面或一些高精度、難加工的特殊型面數(shù)控機床相關(guān)事情：東芝事件聯(lián)動坐標軸數(shù)1．開環(huán)控制數(shù)控機床這類機床的數(shù)控系統(tǒng)將零件的程序處理后，輸出數(shù)字指令信號給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動機床運動，沒有來自位置傳感器的反饋信號。如圖開環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。按伺服控制方式進行分類2．閉環(huán)控制數(shù)控機床這類機床可以接受插補器的指令，而且隨時接受工作臺測得的實際位置反饋信號，根據(jù)其差值不斷進行誤差修正。如圖閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。按伺服控制方式進行分類3．半閉環(huán)控制數(shù)控機床這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及工作臺，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性。如圖半閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。按伺服控制方式進行分類根據(jù)一些功能及指標，可以把數(shù)控機床分為低、中、高檔三類。經(jīng)濟型數(shù)控機床（低檔）——mm全功能數(shù)控機床（中檔）——μm高檔型數(shù)控機床（高檔）——μm按數(shù)控系統(tǒng)功能水平進行分類數(shù)控機床分類金屬切削類數(shù)控機床

如數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床等。金屬成形類數(shù)控機床

如數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機等。數(shù)控特種加工機床

如數(shù)控線切割機床、數(shù)控電火花加工機床、數(shù)控激光切割機等。測量、繪圖的類數(shù)控機床

如數(shù)控三坐標測量機、數(shù)控對刀儀、數(shù)控繪圖儀等。按加工工藝及用途進行分類數(shù)控車床數(shù)控車削中心數(shù)控立式倒置主軸車床數(shù)控立式車床立式加工中心機床臥式加工中心機床數(shù)控磨床數(shù)控沖床數(shù)控激光切割機床三維數(shù)控激光加工機床數(shù)控滾齒機數(shù)控折彎機電火花成型機床數(shù)控線切割機床三坐標測量機硬件式數(shù)控系統(tǒng)（NC系統(tǒng)）

屬于早期數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控裝置功能由邏輯電路實現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)通用性、

靈活性較差，維修成本高。軟件式數(shù)控系統(tǒng)（CNC系統(tǒng)）

以微型計算機或小型計算機為控制單元，數(shù)控裝置功能幾乎全由軟件實現(xiàn)，硬件具有通用性。按軟硬件進行分類數(shù)控機床的優(yōu)勢及特點數(shù)控機床的使用范圍第三節(jié) 數(shù)控機床的加工對象可以加工具有復(fù)雜型面的工件；加工精度高，尺寸一致性好；生產(chǎn)效率高;可以減輕工人勞動強度；經(jīng)濟效益明顯；可以精準計算成本和安排生產(chǎn)進度；數(shù)控加工是CAD/CAM技術(shù)和先進制造的基礎(chǔ)。數(shù)控機床的優(yōu)勢及特點多品種、小批量的零件或新產(chǎn)品試制零件；幾何形狀復(fù)雜的零件；須進行多工序的零件;普通機床加工時，需昂貴工裝的零件；對精度要求高的零件；需多次修改的零件；不允許報廢的昂貴關(guān)鍵零件；需要最短生產(chǎn)周期的零件。數(shù)控機床的使用范圍第四節(jié) 數(shù)控機床的發(fā)展方向1948年，美國人John

Parsons提出設(shè)想；1952年，試制成功世界上第一臺數(shù)控機床；1952~1959：第一代電子管數(shù)控系統(tǒng)；1959~1965：第二代晶體管數(shù)控系統(tǒng)；1965~1970：第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)；1970~1974：第四代大規(guī)模集成電路及小型通用計算機數(shù)控系統(tǒng)；1974~ ：第五代微型計算機數(shù)控系統(tǒng)；20世紀末~：第六代基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。第一階段NC第二階段CNC體積減小柔，性功自能動性化能提高第一階段：1958-1979，封閉式發(fā)展階段第二階段：“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段第三階段：“八五”后期和“九五”期間，實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段目前：國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50％，配置的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10％；數(shù)控機床的普及率迅速提高，數(shù)控機床擁有率目前已接近3%我國數(shù)控機床發(fā)展的三個階段高速度化：充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質(zhì)量和精度，適應(yīng)制造業(yè)對高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)的廣泛需求；目前，電主軸轉(zhuǎn)速可達15,000～100,000

r/min、進給運動部件快移速度達60～120m/min，切削進給速度達60

m/min。高精度化：近10多年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由±10

μm提高到±5

μm，精密級加工中心的加工精度則從±3～5

μm提高到±1～1.5

μm，超精密數(shù)控機床加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢多功能化：工序高度集中，減少工序間轉(zhuǎn)換時間；

5軸聯(lián)動5面加工數(shù)控機床是典型的多功能化數(shù)控

機床；數(shù)控五面加工龍門銑床，可使生產(chǎn)周期縮

短至非數(shù)控機床的16%，使切削時間比率由17%增

至70%，大大提高了機床的利用率；具有通信、網(wǎng)絡(luò)功能。智能化：與人工智能相結(jié)合；模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、運動參數(shù)動態(tài)補償、自動識別負載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)、自診斷和故障監(jiān)控專家系統(tǒng)；更好地實現(xiàn)對人類智力的延伸。高可靠性：基于硬件質(zhì)量提高；硬件結(jié)構(gòu)采取模塊化、標準化、通用化，使數(shù)控系統(tǒng)具有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性；通過計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供故障診斷、維修、保護等服務(wù)。全自動編程：由CAD/CAM圖形交互式自動編程發(fā)展至CAD/CAPP/CAM方式，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得編程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動編程。數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢何謂數(shù)控？何謂數(shù)控機床？何謂CNC？試述點位控制、直線控制和輪廓控制的區(qū)別？何謂開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制？三者有何區(qū)別？數(shù)控機床按用途分為哪幾類？思考結(jié)束數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學(xué)中心實驗?zāi)康?/p>

通過數(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)控編程的基本所原謂理編程，就是把零件的機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)控編程的目的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)數(shù)控控編程編的程內(nèi)容的基本原理機械工程實驗教學(xué)中心數(shù)數(shù)控控編程編的程步驟的基本原理機械工程實驗教學(xué)中心零件圖紙

數(shù)控機床分析零件圖制紙定工藝規(guī)程數(shù)學(xué)處編理寫程序文制件作控制介程質(zhì)序校驗及試切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+標準硬件系統(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。OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學(xué)中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學(xué)中心件提供下列指令：1組別指令功能編程格式模態(tài)G00快速線性移動G00

X(U)_Z(W)_√G01

直線插補

G01

X(U)_Z(W)_G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_逆時針圓弧插補√√√√√G03G32G33G27G28恒螺距公制螺紋插補恒螺距英制螺紋插補

X軸返回程序零點Z軸返回程序零點G03

I_K_X(U)_Z(W)_G32

X(U)_Z(W)_K_I_HG33

X(U)_Z(W)_K_I_HG27G28G92定義絕對坐標系G92

X_Z_√2G04延時G04

E_3M00M02暫停程序結(jié)束M00M024M03M04主軸正轉(zhuǎn)主軸反轉(zhuǎn)M03M04√√M05主軸停M05√床模擬仿真系統(tǒng)（

OpenSof5

tCNC0M018T）M09開冷卻液關(guān)冷卻液M08M09√√6M97M98程序跳轉(zhuǎn)子程序調(diào)用M97

P_M98

P_L_M99子程序返回M997M20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√10