數控工藝課件

數控工藝課件第1頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五第1章數控加工工藝系統(tǒng)

本章主要內容如下：1.1數控加工工藝系統(tǒng)概述1.2數控機床組成系統(tǒng)1.3數控加工與工藝技術的新發(fā)展第2頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五1.1數控加工工藝系統(tǒng)概述1.1.1數控加工工藝系統(tǒng)的概念與組成1、工藝系統(tǒng)的概念：在數控機床加工過程中，由機床、夾具、刀具和工件等組成的系統(tǒng)，稱為數控加工工藝系統(tǒng)。

2、數控加工工藝系統(tǒng)的組成：由數控機床、夾具、刀具和工件等組成。第3頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五工藝系統(tǒng)的組成第4頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五1．數控設備的工作原理1.1.2數控加工原理及加工過程下圖是數控設備的一般工作原理圖：

數控設備基本結構框圖：第5頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.數控加工過程零件圖紙工藝分析數值計算編制輸入程序安裝工件對刀試切加工檢驗第6頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五數控加工工藝設計的主要內容

選擇并確定進行數控加工的內容

數控加工的工藝分析

零件圖形的數學處理及編程尺寸設定值的確定

制定數控加工工藝方案確定工步和進給路線選擇數控機床的類型

選擇和設計刀具、夾具與量具確定切削參數編寫、校驗和修改加工程序首件試加工與現(xiàn)場問題處理

數控加工工藝技術文件的定型與歸檔

第7頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五3.數控加工的內容

一般來說，數控加工主要包括以下幾個方面的內容：(1)通過數控加工的適應性分析選擇并確定進行數控加工的零件的內容；(2)結合加工表面的特點和數控設備的功能對零件進行數控加工的工藝分析；(3)進行數控加工的工藝設計；(4)對零件圖形進行數學處理和計算；第8頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五(5)編寫加工程序單；(6)按程序單制作控制介質，如磁帶、磁盤等；(7)檢驗與修改加工程序；(8)首件試加工以進一步修改加工程序；(9)編制數控加工工藝技術文件，如數控加工工序卡，刀具卡，程序說明卡，走刀路線圖等。第9頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五4.數控加工特點1．對加工對象改型的適應性強2．加工精度高3．加工生產率高4．減輕操作者的勞動強度5．良好的經濟效益6．有利于生產管理的現(xiàn)代化第10頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五1.2數控機床組成系統(tǒng)1.2.1數控機床的組成與分類數控機床是一種利用數控技術，按照事先編好的程序實現(xiàn)動作的機床。它由程序載體、輸入裝置、CNC單元、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)和機床機械部件構成。第11頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五第12頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五1.程序的載體程序的載體是人機交流的媒介。將零件加工程序用一定的格式和代碼，存儲在一種載體上，如穿孔紙帶、盒式磁帶或軟磁盤等，通過數控機床的輸入裝置，將程序信息輸入到CNC單元內?！駭悼貦C床的組成第13頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.輸入裝置（1）控制介質輸入一種方法是通過紙帶輸入。另一種方法是軟驅輸入。第14頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五(2)手動輸入手動數據輸入(ManualDataInput,MDl)。程序編輯界面(EDIT)狀態(tài)下，用按鍵輸入。(3)直接輸入存儲器使用數控裝置的串行口，直接讀入在自動編程機上、其他計算機上或網絡上編制好的加工程序。第15頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成，是數控機床的中樞。程序載體通過輸入裝置將加工信息傳給CNC單元，編譯成計算機能識別的信息、由信息處理部分按照控制程序的規(guī)定，逐步存儲并進行處理后，通過輸出單元發(fā)出位置和速度指令給伺服系統(tǒng)和主運動控制部分。

3．CNC單元

第16頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五伺服系統(tǒng)是數控機床的執(zhí)行部分。它能將數控裝置送來的指令信息加以放大，經功率放大后。通過機床進給傳動元件(如齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母等)，去驅動機床移動部件(工作臺或刀架)，以便精確定位或按照規(guī)定的軌跡和速度運動，使機床加工出符合圖樣要求的零件。信息輸入到CNC單元內。伺服系統(tǒng)中常用的驅動裝置有：開環(huán)伺服系統(tǒng)常用步進電動機，閉環(huán)伺服系統(tǒng)常用脈寬調速直流電動機和交流伺服電機等。

4．伺服系統(tǒng)第17頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五位置反饋分為伺服電動機的轉角位移反饋和數控機床執(zhí)行機構(工作臺)的位移反饋兩種，運動部分通過傳感器將上述角位移或直線位移轉換成電信號，輸送給CNC單元，與指令位置進行比較，并由CNC單元發(fā)出指令，糾正所產生的誤差，適時控制機床的運動位置。5．位置反饋系統(tǒng)第18頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五除了主運動系統(tǒng)、進給系統(tǒng)（如工作臺、刀架）、以及輔助部分（如液壓、氣動、冷卻和潤滑部分等）和支撐部件（如床身、立柱）等一般部件外，尚有些特殊部件，如儲備刀具的刀庫、自動換刀裝置(ATC)、自動托盤交換裝置等。

6．機床的機械部件第19頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五●數控機床的分類1.按機床運動軌跡的分類（1）點位控制數控機床點位控制

主要用于平面內的孔系，主要有數控鉆床、數控坐標鏜床、數控彎管機和數控沖剪床等。第20頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

直線控制數控機床又稱為平行切削控制。一般只能加工矩形、臺階形零件。主要有比較簡單的數控鏜銑床、數控車床和加工中心等。直線控制

（2）直線控制數控機床

第21頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五（3）輪廓控制數控機床

輪廓控制就是刀具與工作相對運動時，能對兩個或兩個以上坐標軸的運動同時進行控制。輪廓控制第22頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五指的是可以同時控制2軸。主要用于數控車床加工回轉曲面或數控銑床加工曲線柱面。a)b)2軸聯(lián)動的輪廓加工

①2軸控制第23頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

即指兩個軸連續(xù)控制、第3個軸作周期性的點位或直線控制，從而實現(xiàn)三個坐標軸X、Y、Z內的二維控制。二軸半聯(lián)動的曲面加工

②2.5軸控制第24頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五是指同時控制X、Y、Z三個直線坐標軸聯(lián)動，進行三維的立體加工，比較多的用于數控銑床、加工中心等。3軸聯(lián)動的曲面加工控制

③3軸控制第25頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五是指同時控制四個坐標運動，即在X、Y、Z三個直角坐標軸之外，再加一個旋轉坐標軸。4軸聯(lián)動的數控機床

④4軸控制第26頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五五軸是指在直線坐標X、Y、Z以外，再加上圍繞這些直線坐標旋轉的旋轉坐標A、B、C中的兩個坐標，形成同時控制五個軸聯(lián)動。⑤5軸控制第27頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五5軸聯(lián)動的加工中心加工工件

第28頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.按伺服系統(tǒng)類型分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)數控機床

這類機床的數控系統(tǒng)將零件的程序處理后，輸出數字指令信號給伺服系統(tǒng)，驅動機床運動，沒有來自位置傳感器的反饋信號。第29頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五開環(huán)伺服系統(tǒng)數控機床特點：

①沒有反饋信號。②精度低。③系統(tǒng)穩(wěn)定性好。④設計和調整方便。開環(huán)伺服系統(tǒng)數控機床應用：

多應用于經濟型數控和對舊機床的改造上。第30頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)數控機床在機床移動部件的位置上直接裝有直線位置檢測裝置，檢測刀具或工作臺的實際位移值并將檢測到的位移值及時反饋到CNC裝置中，與所要求的位移指令值進行比較，用比較的差值進行控制，直到差值消除為止。第31頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五閉環(huán)伺服系統(tǒng)數控機床特點：

①有位置反饋信號。②很高的加工精度。③設計和調整有較大的難度。④系統(tǒng)不穩(wěn)定。⑤檢測直線位移。閉環(huán)伺服系統(tǒng)數控機床應用：

用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精銑床等。

第32頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數控機床它是在開環(huán)控制系統(tǒng)的絲杠端頭或電動機端頭上裝有檢測裝置，通過檢測絲杠的角位移（轉角）和轉速，間接地檢測移動部件的實際位移量，然后反饋到CNC裝置中進行位置比較，用比較的差值進行控制。第33頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數控機床特點：①精度介于開環(huán)、閉環(huán)之間。②設計和調整較容易。③系統(tǒng)的較穩(wěn)定。④檢測角位移。第34頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五半閉環(huán)伺服系統(tǒng)數控機床應用：

配備精密滾珠絲杠的半閉環(huán)控制系統(tǒng)得到廣泛采用。滾珠絲杠結構示意圖

1-絲杠

2-滾珠

3-回珠管

4-螺母

第35頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五3.按數控系統(tǒng)功能水平的分類數控機床按數控系統(tǒng)功能水平可分為低、中、高三檔。檔次功能低檔數控機床中檔數控機床高檔數控機床進給當量和進給速度進給當量為10μm，進給速度在8-15m／min進給當量為1μm，進給速度為15-24m／min進給當量為0.1μm，進給速度為15-100m／min伺服進給系統(tǒng)

開環(huán)、步進電動機

半閉環(huán)直流伺服系統(tǒng)或交流伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)、電動機主軸、直線電動機聯(lián)動軸數2-3軸3-4軸3軸以上通信功能

無

RS232或DNC接口

RS232、RS485、DNC、MAP接口顯示功能

數碼管顯示或簡單的CRT字符顯示功能較齊全的CRT顯示或液晶顯示功能齊全的CRT(三維動態(tài)圖形顯示)內裝PLC

無

有

有強功能的PLC，有軸控制的擴展功能主CPU

8位或16位CPU由16位向32位CPU過渡32位向64位CPU發(fā)展第36頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五1.2.2數控機床的主要性能指標(1)數控機床的精度指標①定位精度和重復定位精度定位精度是指數控機床工作臺等移動部件在確定的終點所達到的實際位置的精度。重復定位精度是指在同一臺數控機床上，應用相同程序相同代碼加工一批零件，所得到的連續(xù)結果的一致程度。第37頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五②分度精度分度精度是指分度工作臺在分度時，理論要求回轉的角度值和實際回轉的角度值的差值。③分辨度與脈沖當量分辨度是指兩個相鄰的分散細節(jié)之間可以分辨的最小間隔。第38頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五1.2.2數控機床的主要性能指標(2)數控機床的可控軸數與聯(lián)動軸數數控機床的可控軸數是指機床數控裝置能夠控制的坐標數目。(3)數控機床的運動性能指標①主軸轉速②進給速度③行程④擺角范圍⑤刀庫容量和換刀時間六軸加工中心

第39頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五1．3數控加工與工藝技術的新發(fā)展

1.高速化①選用高速微處理器。②提高多軸控制水平。③配置高速、強功能可編程序控制器CPU。

2.多功能①具有多種監(jiān)控、檢測及補償功能。②彩色CRT圖形顯示。③人機對話功能。④自診斷功能。⑤很強的通信功能。

第40頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五3.智能化①工件自動檢測、自動定心。②刀具折損檢測及自動更換備用刀具。③刀具壽命及刀具收存情況管理。④負載監(jiān)控。⑤數據管理。⑥維修管理。⑦利用反饋控制實時補償動量的功能。第41頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五4.高精度化加工中心的定位精度由2um提高到1um。5.高可靠性①提高數控系統(tǒng)的硬件質量。②模塊化，標準化和通用化。

第42頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

6.網絡化、柔性化、集成化①數控裝備的網絡化:(Siemens公司OME)②CIMS、分布式、網絡集成制造系統(tǒng)

7．新技術標準、規(guī)范的建立研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISOl4649(STEP—NC),實現(xiàn)整個制造過程，乃至各個工業(yè)領域產品信息的標準化第43頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五數控加工工藝與普通加工工藝的區(qū)別及特點

由于數控加工采用了計算機控制系統(tǒng)和數控機床，使得數控加工具有加工自動化程度高、精度高、質量穩(wěn)定、生成效率高、周期短、設備使用費用高等特點。在數控加工工藝上也與普通加工工藝具有一定的差異。

第44頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五數控加工與工藝技術的新發(fā)展

隨著計算機技術突飛猛進的發(fā)展，數控技術正不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就，使其朝著高速化、高精化、復合化、智能化、高柔性化及信息網絡化等方向發(fā)展。整體數控加工技術向著CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）方向發(fā)展。

第45頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

高速切削

高速加工技術是自上個世紀80年代發(fā)展起來的一項高新技術，其研究應用的一個重要目標是縮短加工時的切削與非切削時間，對于復雜形狀和難加工材料及高硬度材料減少加工工序，最大限度地實現(xiàn)產品的高精度和高質量。由于不同加工工藝和工件材料有不同的切削速度范圍，因而很難就高速加工給出一個確切的定義。目前，一般的理解為切削速度達到普通加工切削速度的5～10倍即可認為是高速加工。第46頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

高速加工與傳統(tǒng)的數控加工方法相比沒有什么本質的區(qū)別，兩者牽涉到同樣的工藝參數，但其加工效果相對于傳統(tǒng)的數控加工有著無可比擬的優(yōu)越性：

高速切削

簡化了傳統(tǒng)加工工藝；經濟效益顯著提高。有利于提高生產率；有利于改善工件的加工精度和表面質量；有利于延長刀具的使用壽命和應用直徑較小的刀具；有利于加工薄壁零件和脆性材料；第47頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

受高生產率的驅使，高速化已是現(xiàn)代機床技術發(fā)展的重要方向之一。主要表現(xiàn)在：數控機床主軸高轉速工作臺高快速移動和高進給速度

高速切削

第48頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五目前，高速加工涉及到的新技術主要有：

高速切削

高速加工是通過大幅度提高主軸轉速和加工進給速度來實現(xiàn)的，為了適應這種高速切削加工，主軸設計采用了先進的主軸軸承、潤滑和散熱等新技術；高速主軸第49頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

高速切削

高速伺服進給系統(tǒng)高速加工通常要求在高主軸轉速下，使用在很大范圍內變化的高速進給。高速進給的需求已引起機床結構設計上的重大變化：采用直線伺服電機來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機絲杠驅動；第50頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

高速切削

適于高速加工的數控系統(tǒng)高速加工數控系統(tǒng)需要具備更短的伺服周期和更高的分辨率，同時具有待加工軌跡監(jiān)控功能和曲線插補功能，以保證在高速切削時，特別是在4-5軸坐標聯(lián)動加工復雜曲面輪廓時仍具有良好的加工性能。第51頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

高速切削

刀具技術刀具性能和質量對高速切削加工具有重大影響，新型刀具材料的采用，使切削加工速度大大提高，從而提高了生產率，延長了刀具壽命。第52頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

高速切削

刀夾裝置及快速刀具交換技術在高速加工中，切削時間和每個托盤化零件加工時間已顯著縮短。高速、高精度定位的托盤交換裝置已成為今后的發(fā)展方向。第53頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

高速加工作為一種新的技術，其優(yōu)點是顯而易見的，它給傳統(tǒng)的數控加工帶來了一種革命性的變化，但是，目前既便是在加工機床水平先進的瑞士、德國、日本、美國，對這一嶄新技術的研究也還處在不斷的摸索研究中。有許多問題有待于解決：如高速機床的動態(tài)、熱態(tài)特性；刀具材料、幾何角度和耐用度問題；機床與刀具間的接口技術（刀具的公平衡、扭矩傳輸）；冷卻潤滑液的選擇；CAD/CAM的程序后處理問題；高速加工時刀具軌跡的優(yōu)化問題等等。國內在這一方面的研究采尚處于起步階段，要趕上并盡快縮小與國外同行業(yè)間的差距，還有許多路要走。

高速切削

第54頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

高精加工是高速加工技術與數控機床的廣泛應用結果。以前汽車零件的加工精度要求在0.01mm數量級，現(xiàn)在隨著計算機硬盤、高精度液壓軸承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到0.1μm，加工精度進入了亞微米世界。

高精加工第55頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五高精加工提高機械設備的制造精度和裝配精度減小數控系統(tǒng)的控制誤差提高數控系統(tǒng)的分辨率以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給使CNC控制單位精細化提高位置檢測精度位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制采用補償技術齒隙補償絲桿螺距誤差補償刀具誤差補償熱變形誤差補償空間誤差綜合補償第56頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

機床的復合化加工是通過增加機床的功能，減少工件加工過程中的多次裝夾、重新定位、對刀等輔助工藝時間，來提高機床利用率。復合化加工第57頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五復合化加工的兩重含義：復合化加工一臺裝夾可完成多工種、多工序企業(yè)向復合型發(fā)展，為用戶提供成套服務工序和工藝的集中工藝的成套即即第58頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

數控技術智能化程度不斷提高，體現(xiàn)在以下幾個方面：控制智能化加工過程自適應控制技術加工參數的智能優(yōu)化與選擇故障自診斷功能智能化交流伺服驅動裝置第59頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

智能CAD把工程數據庫及其管理系統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、擬人化用戶接口管理系統(tǒng)集于一體。

控制智能化第60頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

智能制造技術包括專家系統(tǒng)、模糊推理和人工神經網絡三大部分?？刂浦悄芑?1頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五控制智能化專家系統(tǒng)先是采集領域專家的知識，然后將知識分解為事實與規(guī)則，存儲于知識庫中，通過推理作出決策。模糊推理模糊推理又稱模糊邏輯，它是依靠模糊集和模糊邏輯模型進行多個因素的綜合考慮，采用關系矩陣算法模型、隸屬度函數、加權、約束等方法，處理模糊的、不完全的乃至相互矛盾的信息。人工神經網絡神經網絡是人腦部分功能的某些抽象、簡化與模擬，由數量巨大的以神經元為主的處理單元互連構成，通過神經元的相互作用來實現(xiàn)信息處理。第62頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

網絡功能正逐漸成為現(xiàn)代數控機床、數控系統(tǒng)的特征之一。諸如現(xiàn)代數控機床的遠程故障診斷、遠程狀態(tài)監(jiān)控、遠程加工信息共享、遠程操作（危險環(huán)境的加工）、遠程培訓等都是以網絡功能為基礎的。互聯(lián)網絡化第63頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五美國波音公司利用數字文件作為制造載體，首次利用網絡功能實現(xiàn)了無圖紙制造波音777新型客機。

圖示為波音公司利用計算機輔助設計對777客機的零部件進行信息化處理。

互聯(lián)網絡化第64頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

現(xiàn)代意義上的快速成型技術始于70年代末期出現(xiàn)的立體光刻技術（SLA）,它是洶涌而來的數字化浪潮在加工領域中不可避免的延拓，連續(xù)的曲面被離散成用STL文件表達的三角面片，零件在加工方向上被離散成若干層。這種離散化使得任意復雜的零件原型都可以加工出來，加工過程也大大簡化了?？焖僭偷?5頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五創(chuàng)意測量計算機輔助設計計算機工藝設計計算機輔助制造數控加工構思草圖快速原型現(xiàn)代產品開發(fā)模式圖形文檔數控代碼工藝文檔產品快速原型第66頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

快速原型的英文縮寫為RP，在RP出現(xiàn)的初期，其用途主要是加工產品原型，隨著成型工藝、材料的進步以及快速制模技術的發(fā)展，RP已發(fā)展成能直接或間接制造功能零件和模具的快速成型制造,奠定了在制造業(yè)中的位置,并且形成了一個不斷擴大的RP/RT市場。據WholersAssociates的統(tǒng)計，全球RP設備已有近7000臺，分布在58個國家?？焖僭偷?7頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

RP技術發(fā)展到今天已有20余年的歷史，新的快速成型工藝不斷產生、功能不斷完善、精度不斷提高、成型速度不斷提高。快速原型例如：隨著固態(tài)激光技術的突破，高達1000mw的紫外激光器應用在SLA設備中，使其成型速度得到大大提高，激光器的使用壽命由最初的2500小時延長到上萬小時。第68頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

RP技術發(fā)展到今天已有20余年的歷史，新的快速成型工藝不斷產生、功能不斷完善、精度不斷提高、成型速度不斷提高?？焖僭屠纾盒滦透咝阅芄饷魳渲某霈F(xiàn)，解決了SLA的收縮變形和強度等問題。EOS公司的EOSINT_M激光金屬粉末燒結快速成型設備可直接成型金屬零件或注塑模具。第69頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

RP技術發(fā)展到今天已有20余年的歷史，新的快速成型工藝不斷產生、功能不斷完善、精度不斷提高、成型速度不斷提高?？焖僭屠纾涸谲浖矫?，STL文件的處理軟件不斷專業(yè)化，使得各種文件的轉換和STL文件的修復、處理、操作等功能日臻完善，形成了基于STL的CAD平臺。第70頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

從RP/RT技術的現(xiàn)狀來看，未來幾年的主要發(fā)展趨勢如下：快速原型提高RP系統(tǒng)的速度、控制精度和可靠性開發(fā)專門用于檢驗設計、模擬制品可視化，而對尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求不高的概念機。研究開發(fā)成本低、易成形、變形小、強度高、耐久及無污染的成形材料。研究開發(fā)新的成形方法研究新的高精度快速模具工藝第7