第1章数控加工基础.

1-1第1章数控加工基础数控加工在现代工业上的应用非常广泛，不同的数控加工技术，其数控加工基础原理却是类似的。使用者不管采取手工编程还是通过软件自动编程，都必须先了解数控的一些基础知识。本章主要讲解数控加工的一些理论基础，包括数控机床的基本知识、数控编程的基础、编程格式、机床坐标系、数控加工工艺等。1-21.1数控机床概述本节主要介绍数控机床定义、数控机床的特点、数控机床的组成、数控机床的发展等。数控机床是所有数控发展的基础。数控机床产业的发展推动制造业高速发展，同时也推动了机械制造工艺的发展，因而数控机床在现代制造业的发展过程中具有非常巨大的推动作用。1-31.1.1数控机床概念数控机床也称CNC，是Computerized（计算机）、Numerical（数值）、Control（控制）3个英文词首字母缩写，即利用计算机数值控制的机床。数控机床是一种安装了程序控制系统的智能机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序，再将其编译，成为机器能识别的语言，从而控制机床运动，使其加工零件。数控机床在现代模具制造业、军工产业、汽车产业、家电产业等各个领域发挥着越来越重要的作用。1-41.1.2数控机床的特点数控机床的操作和监控全部在数控单元中完成，数控单元是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点。加工精度高，具有稳定的加工质量。可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件。加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间。机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）。机床自动化程度高，可以减轻劳动强度。对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。1-51.1.3数控机床的组成数控机床一般由下列几个部分组成。主机：是数控机床的主体，包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置：是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置：是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。它在数控装置的控制下通过电气伺服系统或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。辅助装置：指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头以及刀具及监控检测装置等。编程及其他附属设备：可用在机外进行零件的程序编制、存储等。1-61.1.4数控机床的发展1948年，美国空军为制造飞机零件提供设备科研经费，由G&L公司与MIT合作研究4年，于1952年试制出世界第一台数控机床。随后研发者立即生产100台交付军工使用。该数控系统采用电子管元件和硬件连接电路。随着科学技术发展，数控系统从电子管、晶体管、集成电路、专用数控装置发展到现在采用通用计算机。数控机床已经成为现代工业不可或缺的设备，也是衡量一个国家加工制造业水平高低的标志。1-71.2数控编程基本概念数控编程即编写机器能识别的代码形成程序，同时也是自动编程的基础，所以需要了解数控编程的一些基础知识。本节主要介绍数控编程的基础知识，包括数控编程的概念、自动编程概念和特点、自动编程的内容与步骤等。1-81.2.1数控编程的概念数控机床是按事先采用G、M代码编制好的数控加工程序，对加工零件进行自动加工。编程人员把零件的参数（加工工艺路线、工艺参数、刀具的运动轨迹、位移量、切削参数以及辅助功能）按照数控机床标准的指令代码及程序格式编写成数控加工程序，这种从零件图的分析到编制成加工程序的全过程叫做数控程序的编制，简称数控编程。编制好的程序输入到数控机床的数控装置中，就可以控制机床进行自动加工。从以上分析可以看出，数控机床与普通机床加工零件的区别在于数控机床是按照程序自动加工零件，容易实现自动化，只需要改变控制机床动作的数控加工程序就可以加工不同零件。而普通机床完全由人工来操作，同样的零件也必须重复操作。因此，数控机床适用于加工小批量且形状复杂，特别是普通机床不容易加工的、要求精度又比较高的零件。1-91.2.2自动编程概念和特点数控加工程序的编制方法除了手工编制程序外，还可利用软件编制程序即自动编程。自动编程也称为计算机辅助编程，这种程序编制的大部分工作甚至全部工作由计算机完成。如完成坐标值计算、编写零件加工程序单，或者进行工艺处理。自动编程的程序可以通过计算机或机床进行刀具运动轨迹模拟检查，编程人员可以及时检查程序是否正确，并及时修改。自动编程大大减轻了编程人员的劳动强度，提高几十倍乃至上百倍效率，同时解决了手工编程无法解决的许多复杂零件的编程难题。工作表面形状越复杂，工艺过程越烦琐，自动编程的优势越明显。1-101.2.3自动编程的内容与步骤自动编程即利用电脑和软件将绘制的图形生成机器能识别的程序。数控自动编程是从零件图纸到获得合格的数控加工程序的过程，其任务是计算加工中的刀位点。刀位点一般为刀具轴线与刀具表面的交点。CAM编程是当前最先进的数控加工编程方法，它利用电脑以人机交互图形方式完成零件几何形状的绘制、轨迹生成与加工仿真到数控程序生成全过程，操作过程形象生动，效率高、出错概率低、容易简便，而且还可以通过软件的数据接口共享已有的CAD设计结果，实现CAD/CAM集成一体化，实现无图纸设计制造。这些也适应了现代工业产品形状复杂的零件加工、多轴加工、高速加工需要。1-111.3编程基础编程基础即数控程序编制基础知识。数控程序有其组成元素及固定的格式，需了解有关的程序基础知识，以便能读懂程序语言，并进行简单编辑和修改。本节主要讲解的编程基础知识为字和字的功能、程序格式等。1-121.3.1字与字的功能字符是用来组织、控制或表示数据的一些符号，如数字、字母、标点符号、数学运算符。数控系统只能接受二进制信息，所以必须把字符转换成8bit信息组合成的字节，用“0”和“1”组合的代码来表达。国际上广泛采用以下两种标准代码。（1）ISO国际标准化组织标准代码。（2）EIA美国电子工业协会标准代码。这两种标准代码的编码方法不同，在大多数现代数控机床上这两种代码都可以使用，只需用软件系统控制面板上的开关来选择，或用G功能指令来选择。1．字2．字的功能1-131.3.2程序格式一个数控加工程序由若干个程序段组成。程序段是可作为一个单位来处理的、连续的字组，是数控加工程序中的一条语句。1．程序段格式2．加工程序的一般格式1-141.4数控加工工艺工艺，是指加工制造产品或零件所使用的路线、设备及加工方法的总称。数控加工工艺主要是采用数控技术进行加工制造过程中的加工路线和加工方法等。工艺可以是多样化的，它会影响成本和效率。工艺质量越高，产品质量就越高，效率也越高，但是固定成本也会增加。数控加工工艺主要包括数控加工工艺的内容、数控加工工艺基本特点和数控加工工艺一般步骤与方法。1-151.4.1数控加工工艺的内容在进行数控加工工艺分析时，一般有以下几个方面的内容。（1）确定工序内容。选择适合在数控机床上加工的零件。（2）分析图样。明确加工内容及技术要求，在此基础上确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线，如工序的划分、加工顺序的安排、与传统加工工序的衔接。（3）设计工序。如工步的划分、零件的定位与夹具的选择、刀具的选择、切削用量的确定。（4）调整数控程序。如刀点、换刀点的选择、加工路线的确定、刀具的补偿。（5）检验数控程序。总之，数控加工工艺内容较多，有些与普通机床加工相似。1-161.4.2数控加工工艺的特点无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量。在编程中，对一些工艺问题（如对刀点、加工路线）也需做一些处理。因此程序编制中的工艺分析是一项十分重要的工作。在数控机床上加工零件时，要把被加工的全部工艺过程、工艺参数和位移数据编制成程序，并以数字信息的形式记录在控制介质上，用它控制机床加工。1-171.4.3工序与工步的划分工序的划分要根据零件特点进行合理的划分，并不是全部的工序都适合在数控机床上完成，有时只有一部分的工序适合数控加工。加工成本和加工精度是必须要考虑的两个最为重要的问题。数控设备加工的成本相对要高，普通设备加工成本要低，因而需要对零件图样进行详细的工艺分析，判断哪些是最适合、最需要进行数控加工的工序，结合现有设备，提高效率、降低成本，这样才能设计出好的工序。1．工序的划分2．工步的划分1-181.4.4确定走刀路线走刀路线即是刀具刀位点相对于工件运动的轨迹。它不仅包括了工步的内容，也反映工步的顺序。走刀路线也是编制程序的依据。1-191.4.5零件的安装与夹具的选择零件的安装和夹具的选择对加工的难易程度、精度、效率等都有影响，安装合理便于加工，夹具要方便和夹紧。1．定位安装的基本原则2．选择夹具的基本原则1-201.4.6刀具的选择与切削用量的确定对于数控加工来说，工件的材料、切削刀具和切削用量是三个关键要素。刀具的选择是数控加工工艺中重要内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。而切削用量决定了加工所需时间、刀具的寿命、工件的加工质量等。工件的材料会影响刀具和切削用量。因此，编程人员要根据工件材料，选择合理的刀具和切削用量，才能编制出经济和高效率的刀具路径。1．刀具的选择2．切削用量的确定1-211.4.7对刀点与换刀点的确定在编程时，应正确地选择“对刀点”和“换刀点”的位置。“对刀点”是在数控机床上加工零件时，刀具相对于工件运动的起点。由于程序段从该点开始执行，所以“对刀点”又称为“程序起点”或“起刀点”。对刀点的选择原则如下。（1）便于用数字处理和简化程序编制。（2）在机床上找正容易，加工中便于检查。（3）引起的加工误差小。