第1章 數(shù)控機(jī)床編程

數(shù)控機(jī)床編程及應(yīng)用主講袁德為合肥騰飛職業(yè)技術(shù)學(xué)校課程安排總學(xué)時(shí)：40學(xué)時(shí)，理論36學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)考核：100分=平時(shí)成績20分+期末考試80分平時(shí)成績20分：考勤5分+作業(yè)5分+實(shí)驗(yàn)10分期末考試80分：筆試80分

課程基本要求掌握數(shù)控機(jī)床的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)掌握數(shù)控車床的手工編程掌握數(shù)控銑床的手工編程掌握數(shù)控機(jī)床的基本操作，能夠獨(dú)立完成零件的編程與加工了解加工中心的編程與操作掌握CAM軟件零件造型及后置處理方法，能通過自動(dòng)編程獨(dú)立完成零件的編程與加工第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)床加工過程的控制與特點(diǎn)1.4數(shù)控機(jī)床的分類

1.5機(jī)床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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（東芝事件）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，東芝事件20世紀(jì)80年代初，由于日本東芝機(jī)械公司背著巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)，向前蘇聯(lián)出售高精密的加工船用螺旋槳的數(shù)控機(jī)床一事，造成了震動(dòng)國際政壇的“東芝事件”。背景始于美國和前蘇聯(lián)核潛艇技術(shù)的競爭。據(jù)統(tǒng)計(jì)，前蘇聯(lián)有256艘攻擊型核潛艇，而美國只有96艘，但美國的核潛艇噪聲小，蘇聯(lián)的核潛艇噪聲大。一般情況下，美國的反潛系統(tǒng)在距前蘇聯(lián)核潛艇200海里時(shí)，便能發(fā)現(xiàn)它并辨別其特征，因此，前蘇聯(lián)若不盡快設(shè)法清除噪聲，一旦爆發(fā)戰(zhàn)爭，前蘇聯(lián)的核潛艇將是一推廢鐵。核潛艇的噪音主要是由螺旋槳造成的。1981年，前蘇聯(lián)謀求從日本東芝機(jī)械公司進(jìn)口MBP－10銑床。東芝機(jī)械公司明知這種機(jī)床在巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)的貨單上是絕對(duì)禁止向經(jīng)互會(huì)成員國出口的，便以符合巴統(tǒng)規(guī)定的TDP70－110機(jī)床申請(qǐng)出口。在裝船時(shí)，耍個(gè)掉包計(jì)，騙過日本通產(chǎn)省和海關(guān)的所有官員，甚至還派人員到列寧格勒安裝調(diào)試機(jī)床。效果很快顯示出來：前蘇聯(lián)新型攻擊核潛艇的噪聲降到原來的1／10及到1％，美國潛艇必須靠近到20海里以內(nèi)才能發(fā)現(xiàn)并跟蹤前蘇聯(lián)潛艇。美國若要保持其優(yōu)勢(shì)，必須改進(jìn)反潛系統(tǒng)，估計(jì)需要花費(fèi)200至400億美元。事情敗露后，日本通產(chǎn)省宣布在一年內(nèi)禁止東芝機(jī)械公司向14個(gè)國家出口產(chǎn)品，僅此一項(xiàng)使東芝機(jī)械公司損失1億美元。

美國對(duì)見利忘“義”的東芝報(bào)復(fù)更為激烈，國會(huì)通過法案，禁止東芝公司電子產(chǎn)品進(jìn)入美國市場(chǎng)。在日本，許多當(dāng)事人被捕，東芝機(jī)械公司乃至東芝公司首腦先后引咎辭職，一時(shí)間東芝股票價(jià)格猛跌，企業(yè)陷入困境。

普通機(jī)床或?qū)I(yè)化程度高的自動(dòng)化機(jī)床顯然無法適應(yīng)這些要求。同時(shí)，隨著市場(chǎng)競爭的日益加劇，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。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，美國克耐·杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功開發(fā)了加工中心（MachiningCenter）。1.2數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成與工作原理1.2.1數(shù)控機(jī)床的組成輸入裝置輸出裝置計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置PLC主軸控制單元主軸機(jī)床伺服電機(jī)速度控制單元工作臺(tái)位置檢測(cè)反饋裝置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無刷直流電動(dòng)機(jī)（3）交流伺服電動(dòng)機(jī)近年來新型功率開關(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)簡單，壽命長，可測(cè)量長距離位置，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±3

m），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。（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)裝置主要使用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，因?yàn)闊o刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有可靠性高、壽命長、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。（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1.3

數(shù)控機(jī)床加工過程的控制與特點(diǎn)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)過程就稱為“插補(bǔ)”。1．逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)2.數(shù)字積分法圓弧插補(bǔ)③插補(bǔ)計(jì)算過程 偏差判斷 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 終點(diǎn)判別1.4數(shù)控機(jī)床的分類1.4.1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)控折彎機(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。1.4.2按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類1．開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床 開環(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)。1.4.3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)控折彎機(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。1.4.4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)1.5機(jī)床數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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)