第1章數(shù)控加工概述和數(shù)控機床編程及加工

第一節(jié)數(shù)控加工的概念第一章數(shù)控加工概述第二節(jié)數(shù)控機床的組成及分類第三節(jié)常見數(shù)控機床簡介第四節(jié)數(shù)控機床的控制系統(tǒng)第五節(jié)數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展第六節(jié)以數(shù)控機床為基礎(chǔ)的生產(chǎn)自動化技術(shù)第一節(jié)數(shù)控加工的概念

一、數(shù)字控制與數(shù)控機床數(shù)字控制（NumericalControl)，是用數(shù)字化信號對機床運行及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱數(shù)控（NC）。數(shù)控機床（NumericalControlMachineTools)是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有特定代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。二、數(shù)控機床的工作原理數(shù)控加工原理如下圖所示：三、數(shù)控加工的定義數(shù)控加工是指在數(shù)控機床上對工件進行自動加工的一種工藝方法。

四、數(shù)控加工的特點（1）柔性自動化，具有廣泛的適應(yīng)性。（2）精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。（3）生產(chǎn)效率高。（4）能實現(xiàn)復(fù)雜零件的加工。（5）減輕勞動強度，改善勞動條件。（6）有利于現(xiàn)代化生產(chǎn)與管理。數(shù)控機床的初始投資及維護費用較高，對操作與管理人員的素質(zhì)要求較高。

五、數(shù)控加工常用術(shù)語1.數(shù)控機床的可控軸數(shù)：指機床數(shù)控系統(tǒng)可控制的、按加工要求運動的坐標軸數(shù)目。2.數(shù)控機床的聯(lián)動軸數(shù)：指機床數(shù)控系統(tǒng)可同時控制的、按加工要求運動的坐標軸數(shù)目。3.脈沖當量：數(shù)控裝置每發(fā)出一個脈沖信號使機床移動部件產(chǎn)生的位移量。4.插補：數(shù)控系統(tǒng)依照一定方法確定刀具運動軌跡，使刀具運動軌跡以一定精度逼近給定線段的過程。插補a)直線插補b)圓弧插補第二節(jié)數(shù)控機床的組成及分類

一、數(shù)控機床的組成

數(shù)控機床一般由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、操作面板、進給伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）、位置檢測裝置及其接口電路和機床本體等部分組成，如圖所示。

數(shù)控機床的組成二、數(shù)控機床的分類目前數(shù)控機床的品種、規(guī)格繁多，功能各異，通?？砂聪铝袔追N方法進行分類。（一）按控制的運動軌跡分根據(jù)數(shù)控機床刀具與工件相對運動軌跡的類型，可將數(shù)控機床劃分為點位控制、直線控制和輪廓控制三種類型。如下圖所示：(a)點位控制(b)直線控制(c)輪廓控制（二）按伺服控制方式分

主要有開環(huán)控制數(shù)控機床、閉環(huán)控制數(shù)控機床和半閉環(huán)控制數(shù)控機床。開環(huán)控制系統(tǒng)框圖

1．開環(huán)控制數(shù)控機床

開環(huán)控制數(shù)控機床沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號是單方向傳送的。閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2．閉環(huán)控制數(shù)控機床

閉環(huán)控制數(shù)控機床在其移動部件上直接裝有直線位置檢測裝置，將測量的實際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的位移值進行比較，用差值進行控制，使移動部件按照實際需要的位移量運動，實現(xiàn)移動部件的精確定位。半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖3．半閉環(huán)控制數(shù)控機床

半閉環(huán)控制數(shù)控機床的位置檢測元件安裝在伺服電機上，通過測量伺服電機的角位移間接計算出機床工作臺等執(zhí)行部件的實際位置（或位移），反饋到計算機數(shù)控裝置中進行位置比較，用比較的差值進行控制。

（三）按工藝用途分按其工藝用途可分為四大類。

（四）按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分按照數(shù)控系統(tǒng)的功能水平，數(shù)控機床可以分為三種類型。

2.普及型3.高檔型第三節(jié)常見數(shù)控機床簡介一、數(shù)控車床

（一）數(shù)控車床的組成

如圖所示：數(shù)控車床由主軸箱、刀架、進給傳動系統(tǒng)、床身、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等部分組成。（二）數(shù)控車床的特點數(shù)控車床與普通臥式車床相比具有以下幾個特點：（1）精度高。（2）效率高。（3）高柔性。（4）可靠性高。（5）工藝能力強。

（三）數(shù)控車床的分類（1）經(jīng)濟型數(shù)控車床。（2）全功能型數(shù)控車床。（3）FMC車床。（1）臥式數(shù)控車床。（2）立式數(shù)控車床。（1）兩軸（2）四軸（雙刀架）

二、數(shù)控銑床（一）數(shù)控銑床的用途及特點用途：一般情況下，在數(shù)控銑床上只能用來加工平面曲線的輪廓。對于有特殊要求的數(shù)控銑床，還可以加進一個回轉(zhuǎn)的A坐標或C坐標，即增加一個數(shù)控分度頭或數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，這時機床的數(shù)控系統(tǒng)為四坐標的數(shù)控系統(tǒng)，可用來加工螺旋槽、葉片等立體曲面零件。

與普通銑床比數(shù)控銑床的特點如下：（1）加工精度高。（2）加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。（3）對零件加工的適應(yīng)性強、靈活性好。（4）生產(chǎn)自動化程度高，操作者勞動強度低。（5）生產(chǎn)效率高。（6）適合加工復(fù)雜形狀或精度要求高的中小批量零件。（二）數(shù)控銑床的分類數(shù)控銑床通常按其主軸位置的不同分為下面三類：（1）立式數(shù)控銑床（2）臥式數(shù)控銑床（3）立臥兩用式數(shù)控銑床

三、加工中心（一）加工中心的特點（1）具有刀庫和自動換刀裝置。（2）帶有自動擺角的主軸。（3）有的加工中心帶有自動交換工作臺。

（二）加工中心的的分類（1）車削中心（2）銑削加工中心（1）立式（2）臥式（3）龍門式（4）復(fù)合式（1）轉(zhuǎn)塔刀庫加工中心（2）無機械手的加工中心（3）帶刀庫、機械手的加工中心

四、數(shù)控線切割機床

數(shù)控電火花線切割加工是利用作為負極的電極絲（鉬絲或銅絲）和作為正極的工件之間脈沖性火花放電的腐蝕作用來對工件進行加工的一種方法。在加工中，電極絲相對于工件的運動軌跡由數(shù)控程序控制，實現(xiàn)數(shù)控加工。

數(shù)控線切割機床

數(shù)控電火花線切割機床按其走絲速度分為快速走絲和慢速走絲線切割機床兩大類。第四節(jié)數(shù)控機床的控制系統(tǒng)一、數(shù)控機床控制系統(tǒng)的硬件組成

控制系統(tǒng)的硬件主要包括：微機基本系統(tǒng)、人機界面接口、通信接口、進給軸位置控制接口、主軸控制接口以及輔助功能控制接口等部分。（一）微機基本系統(tǒng)微機基本系統(tǒng)是數(shù)控機床的控制核心。其主要部分是一臺計算機。主要用于將加工程序編譯成計算機可識別的信息，然后進行處理和存儲。（二）接口二、數(shù)控機床控制系統(tǒng)的軟件組成及功能控制系統(tǒng)軟件由許多功能模塊組成。其中加工程序譯碼、預(yù)處理計算、插補運算與位置伺服四個功能模塊主要實現(xiàn)位置控制。另外還有一些模塊，其功能可從它們的名稱反映出來，如系統(tǒng)管理功能，加工程序輸入與存儲模塊，S（主軸）、T（刀具）、M（輔助）功能處理與數(shù)據(jù)輸入/輸出模塊，顯示服務(wù)模塊，加工程序編輯模塊，手動自動模塊，手動數(shù)據(jù)輸入功能模塊，系統(tǒng)監(jiān)視與故障診斷模塊等。三、典型數(shù)控系統(tǒng)（一）日本FANUC系列數(shù)控系統(tǒng)FANUC公司生產(chǎn)的CNC產(chǎn)品主要有0系列、1X系列。（二）德國SIEMENS公司的數(shù)控系統(tǒng)SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)常用的有SINUMERIK810,820T/M/G,840D/T,802D等幾種。（三）華中數(shù)控系統(tǒng)HNCHNC是武漢華中數(shù)控研制開發(fā)的國產(chǎn)型數(shù)控系統(tǒng)。已開發(fā)和應(yīng)用的產(chǎn)品有HNC－1和HNC－2023兩個系列，共計16種型號。

四、開放式數(shù)控系統(tǒng)簡介（一）開放式數(shù)控系統(tǒng)的定義符合系統(tǒng)規(guī)范的應(yīng)用系統(tǒng)，可以運行在多個銷售商的不同平臺上，可以與其他系統(tǒng)的應(yīng)用程序進行互操作，并且能夠給用戶提供一致性的人機交互方式。（二）開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點（1）相互操作性（2）可移植性（3）可縮放性（4）相互替代性第五節(jié)數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展一、數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展歷程1949年，美國帕森斯公司與麻省理工學院合作，開始了銑床的數(shù)控化研制工作，于1952年研制成功了世界上第一臺能進行三軸控制的立式數(shù)控銑床。1953年麻省理工學院開發(fā)出只需確定零件輪廓、指定切削路線，即可生成NC程序的自動編程語言。1959年美國Keaney&Trecker公司開發(fā)成功了帶刀庫，能自動進行刀具交換，一次裝夾中即能進行銑、鉆、鏜、攻螺紋等多種加工功能的數(shù)控機床，這就是數(shù)控機床的新種類——加工中心。1967年英國首次將多臺數(shù)控機床、無人化搬運小車和自動倉庫在計算機控制下連接成自動加工系統(tǒng)，這就是柔性制造系統(tǒng)FMS。1974年微處理器開始用于機床的數(shù)控系統(tǒng)中，從此CNC(計算機數(shù)控系統(tǒng))軟線數(shù)控技術(shù)隨著計算機技術(shù)的發(fā)展得以快速發(fā)展。1976年美國Lockhead公司開始使用圖像編程。利用CAD(計算機輔助設(shè)計)繪出加工零件的模型，在顯示器上“指點”被加工的部位，輸入所需的工藝參數(shù)，即可由計算機自動計算刀具路徑，模擬加工狀態(tài)，獲得NC程序。DNC(直接數(shù)控)技術(shù)始于20世紀60年代末期。它是使用一臺通用計算機，直接控制和管理一群數(shù)控機床及數(shù)控加工中心，進行多品種、多工序的自動加工。DNC群控技術(shù)是FMS柔性制造技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著DNC數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床已成為無人控制工廠的基本組成單元。

20世紀80年代，出現(xiàn)了包括市場分析、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計與制造和銷售等全過程均由計算機集成管理和控制的計算機集成制造系統(tǒng)CIMS。其中，數(shù)控機床是CIMS的基礎(chǔ)。我國1958年開始研制數(shù)控機床，但沒有取得實質(zhì)性的成果。20世紀80年代前期，我國在引進國外先進的數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，加強了數(shù)控機床的研究和數(shù)控機床的生產(chǎn)，使我國的數(shù)控機床進入小批量生產(chǎn)的商品化時代。通過“七五”數(shù)控技術(shù)攻關(guān)和“八五”數(shù)控系統(tǒng)攻關(guān)，大大推進了我國數(shù)控機床的發(fā)展。目前我國已有自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，并能生產(chǎn)門類齊全的各種數(shù)控機床，有些企業(yè)實施了FMS和CIMS工程，數(shù)控機床及其加工技術(shù)進入了實用階段。二、數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展方向

1.高速化2.高精度化3.高柔性化4.復(fù)合化5.網(wǎng)絡(luò)化6.智能化第六節(jié)以數(shù)控機床為基礎(chǔ)的生產(chǎn)自動化技術(shù)采用單臺數(shù)控機床實現(xiàn)單工序柔性自動化加工，對生產(chǎn)率的提高還是有限的，必須發(fā)揮生產(chǎn)線和整個制造系統(tǒng)的效能，為此出現(xiàn)了分布式數(shù)字控制（DNC）、柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。一、分布式數(shù)字控制（DNC）分布式數(shù)字控制（DistributedNumericalControl，簡稱DNC），原來稱直接數(shù)字控制（DirectNumericalControl），是用一臺計算機直接控制數(shù)臺數(shù)控機床，形成分級連接和控制的制造系統(tǒng)，因此稱為分布式數(shù)字控制系統(tǒng)更為合適，也稱群控系統(tǒng)。中央計算機主要對多臺數(shù)控系統(tǒng)進行數(shù)控加工程序和有關(guān)數(shù)據(jù)的分配，并分時監(jiān)控各臺數(shù)控系統(tǒng)的運行，會進一步提高數(shù)控機床的生產(chǎn)率。二、柔性制造單元（FMC）柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell，簡稱FMC），是由一或兩臺數(shù)控加工中心和自動上下料裝置組成，它是實現(xiàn)單工序或雙工序加工的可變加工單元，是最簡單的柔性制造系統(tǒng)。

三、柔性制造系統(tǒng)（FMS）FMS目前尚無統(tǒng)一定義。在我國有關(guān)標準中，對FMS的定義為：柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，簡稱FMS）是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)。它包括多個柔性制造單元，能根據(jù)制造任務(wù)或生產(chǎn)環(huán)境的變化迅速進行調(diào)整，以適宜于多品種、中小批量生產(chǎn)。四、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）人們將CIM定義為：“CIM是一種組織、管理與運行企業(yè)生產(chǎn)的先進哲理，它在計算機和網(wǎng)絡(luò)的支撐下，綜合運用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等，將企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營全過程中有關(guān)人、技術(shù)、經(jīng)營管理三要素及其信息流與物質(zhì)流有機地集成并優(yōu)化運行，以實現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)量、低成本、上市快、服務(wù)好，從而使企業(yè)贏得市場競爭?！蔽覀円部梢园袴MS通俗地理解為“用計算機通過信息集成實現(xiàn)現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造，求得企業(yè)的總體效益”。

復(fù)習思考題1.簡述數(shù)控加工的定義和數(shù)控加工的特點。2.簡述數(shù)控機床的工作原理。3.簡述數(shù)控機床的分類。4.什么是數(shù)控機床的軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)？

數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗?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。機械工程實驗教學中心數(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。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機械工程實驗教學中心數(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。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學中心為例，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√OpenSoftCNC軟件介紹在程序管理界面下，可進行有關(guān)