模具CAD与CAM第七章 数控编程

7数控加工原理与程序编制7.1概述7.1.1数控加工的基本概念7.1.2数控机床的组成、分类及发展7.1.3数控加工程序编制的内容和步骤7.1.4程序编制方法7.2数控加工程序的编制（重点、难点）7.2.1零件编程的通用标准7.2.2点位、直线控制系统的程序编制7.2.3轮廓控制系统的程序编制7.1概述7.1.1数控加工的基本概念7.1.2数控机床的组成、分类及发展7.1.3数控加工程序编制的内容和步骤7.1.4程序编制方法7.1.1数控加工的基本概念一、数控加工概念：指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法。与一般加工方法比较仅在控制方式有所不同。普通机床：开车、停车、进给、主轴变速由人工控制。自动机床和仿形机床：上述操作通过凸轮、靠模、挡块等装置以模拟量的形式设定。优点：能加工较复杂的零件，有一定的灵活性和通用性；缺点：加工精度受凸轮、靠模等制造精度影响，工序准备时间长。7.1.1数控加工的基本概念一、数控加工数控机床：通过数字指令（程序）来操纵机床的各种动作。工件的加工内容、尺寸和操作步骤等用数字代码表示，通过载体输入到机床的数控装置或系统中，由数控装置或系统加以运算处理后，转换成各种信号，控制机床动作，自动加工出工件来。数控加工的实质：由数控装置或系统代替人操纵机床进行机械零件加工的一种自动化加工方法。优点：广泛的适应性，加工对象改变时只需改变输入的程序指令；加工精度高，能加工复杂型面。缺点：价格昂贵，控制系统复杂。7.1.1数控加工的基本概念二、工件轮廓的生成方法（7-1）7.1.1数控加工的基本概念二、工件轮廓的生成方法工作原理：数控机床的执行部件，如工作台或刀架通常只能沿相互垂直的坐标方向作直线进给，因此当被加工工件上的轮廓为曲线轮廓或为执行部件移动方向不一致的直线轮廓时，此工件轮廓就只能沿工作台或刀架运动的细分线段来逼近代替。插补运算：根据零件轮廓上已知的起、终点坐标，求出各细分点的坐标值，作为控制机床执行部件运动的依据。由数控系统的插补器或插补软件实现。具体加工时，数控系统根据插补运算的结果，分别沿细分线段发出脉冲指令，指挥驱动系统控制工作台或刀架作步进式进给移动。7.1.1数控加工的基本概念二、工件轮廓的生成方法脉冲当量：每一单位细分线段的长度。脉冲当量越小，工件轮廓精度越高。一般脉冲当量定为0.01~0.005mm。直线插补：具有沿直线分配脉冲功能的插补方式。圆弧插补：具有沿圆弧分配脉冲功能的插补方式。数控机床的数控系统大多具有直线和圆弧插补功能，有的还具有抛物线和其他高次曲线的插补功能。加工直线：知道直线的起、终点坐标信息。加工圆弧：知道圆弧的起、终点坐标及圆心坐标或半径。7.1.1数控加工的基本概念三、数控加工作业过程（7-2）7.1.1数控加工的基本概念三、数控加工作业过程通常由下述几个方面内容组成：1、根据被加工零件的工序图纸编写该零件的加工程序，包括：1）根据加工要求把加工过程分成若干个程序段；2）确定各程序段的加工控制指令；3）计算刀具运动轨迹的坐标数据；4）按加工过程编排各指令以及按规定的自动控制语言和格式编写程序单。2、将程序单全部加工程序的信息记录在信息载体上3、通过输入装置将程序输入数控系统7.1.1数控加工的基本概念三、数控加工作业过程4、数控系统对输入的信息进行计算处理，根据处理结果向机床各坐标的驱动伺服系统分配进给脉冲，并发出必要的动作信号5、伺服系统将进给脉冲转换放大，驱动机床执行件按要求的轨迹运动，并配以其它机床动作实现零件的加工。7.1.1数控加工的基本概念四、数控加工中的几个重要术语1、数控机床的坐标轴与运动方向为了正确地控制数控机床的运动和进行程序编制，有关标准（如JB3051-82）对机床坐标轴及运动方向作出了如下规定：1）一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义一个坐标轴不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，一律假设工件不动，用刀具相对于工件作进给运动的方向确定坐标轴方向。7.1.1数控加工的基本概念四、数控加工中的几个重要术语1、数控机床的坐标轴与运动方向2）机床的直线进给运动的直角坐标系用X、Y、Z表示，成为基本坐标系。关系用右手定则（图7-3）。通常取Z轴平行于机床的主轴，Z轴的正方向是使刀具远离工件的方向。X轴取为水平且平行于工件的装夹面。3）围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示，其正向按右手螺旋定则确定（图7-3b）4）如果在X、Y、Z主要直线运动之外，另有轴线平行于它们的坐标系，可命名为U、V、W，称为第二坐标系。7.1.1数控加工的基本概念四、数控加工中的几个重要术语1、数控机床的坐标轴与运动方向（图7-3）7.1.1数控加工的基本概念四、数控加工中的几个重要术语2、数控机床的坐标数与联动轴数坐标数：指有几个进给运动采用了数字控制。图7-5a，X、Z方向控制，是一台两坐标数控车床；图7-5b，其X、Y、Z三个方向的进给运动都能进行控制，故是一台三坐标的数控铣床。7.1.1数控加工的基本概念四、数控加工中的几个重要术语2、数控机床的坐标数与联动轴数有些数控机床的运动部件较多，在同一坐标轴方向上会有两个或更多的进给运动是数控的，所以还有四坐标、五坐标、甚至更多坐标的数控机床。注意：数控机床的坐标数不要与“两坐标加工”、“三坐标加工”相混淆。图7-5b是一台三坐标数控铣床，若机床数控装置只能控制任意两坐标联动，则只能实现两坐标加工；若数控装置能控制三个坐标联动，则能实现三坐标加工。7.1.1数控加工的基本概念四、数控加工中的几个重要术语3、机床坐标系与工件坐标系机床坐标系：机床上固有的坐标系。其固定的坐标原点（也称机床原点），可用机床的坐标轴返回各自的原点（又称零点）以后，各坐标轴部件上的基准线和基准面之间的距离来确定。如立式数控铣床的机床原点为X、Y轴返回零点后主轴中心线与工作台面的交点，可由主轴中心线至工作台的两个侧面的给定距离来测定。7.1.1数控加工的基本概念四、数控加工中的几个重要术语3、机床坐标系与工件坐标系工件坐标系：是编程人员在编程时使用的，由编程人员以工件图样上的某一固定点为原点（也称工件原点）所建立的坐标系。编程尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定。在加工时，工件随夹具在机床上安装后，需测量工件原点与机床原点间的距离，此距离称为工件原点偏置。7.1.1数控加工的基本概念四、数控加工中的几个重要术语4、绝对坐标与相对坐标数控编程时，工件上各加工点的坐标可用以下两种方式描述：相对方式（增量方式）：其特点是处于坐标系中的各个点的位置，都是以该点的坐标与相邻点坐标之差来表示。优点：表示工件上的尺寸或距离比较直观，便于手工编程中的尺寸检查；缺点：当改变工件上某一点的坐标值时，将影响相邻点的增量坐标值。7.1.1数控加工的基本概念四、数控加工中的几个重要术语4、绝对坐标与相对坐标（图7-6）绝对方式：其特点是处于坐标系中的每一点位置，都是以该点对坐标原点的坐标来表示。优点：当改变工件上某一尺寸的坐标时，不会影响其它尺寸的坐标值。绝对坐标：Ⅰ、Ⅱ两点X1=30，Y1=35，XⅡ=12，YⅡ=15相对坐标：以Ⅰ点为原点XⅡ=-18，YⅡ=-207.1.2数控机床的组成、分类及发展一、数控机床的组成（图7-7）7.1.2数控机床的组成、分类及发展一、数控机床的组成1、输入介质采用数控机床加工零件时，应首先将加工一个零件所必需的全部信息（零件的装夹位置、加工的工艺路线、机床的进给方向、速度和位移大小、主运动的控制及刀具的选择、交换等）用标准的数控代码，按规定的方法和格式，编制成零件的数控程序并存放到一种便于输入给数控装置的信息载体上。输入介质是将人的操作意图转达给数控机床的中间媒介。7.1.2数控机床的组成、分类及发展一、数控机床的组成2、输入装置作用是将输入介质上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。输入装置可以是光电读带机、录音机或软盘驱动器。有些数控机床，不用任何程序存储载体，而是将数控程序单的内容通过数控装置上的键盘，用手工式输入，或者将数控程序由编程计算机用通讯方式传送到数控装置。7.1.2数控机床的组成、分类及发展一、数控机床的组成3、数控装置数控机床的中枢，它接受输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编辑、运算及逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分进行规定的、有序的动作。4、机床的机械部件包括：主运动部件、进给运动执行部件、床身、立柱等支承部件。7.1.2数控机床的组成、分类及发展一、数控机床的组成5、伺服系统伺服系统由伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。作用：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件实现工作进给和快速运动。伺服系统的性能在很大程度上决定数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率。7.1.2数控机床的组成、分类及发展一、数控机床的组成6、反馈系统包括位置、速度反馈回路和适应控制反馈回路两个部分。位置、速度反馈回路的作用：将机床的实际位置、速度参数检测出来，转变成电信号，输送给数控装置，使数控装置能够校核机床的实际位置及实际速度是否与指令一致，如果一致则由数控系统发出指令进行纠正。适应控制回路作用：在切削过程中随时检测某些状态参数，并能够根据预定的评价指标或约束条件及时修正机床的输入参数（切削力、速度、功率等），从而使切削工程达到最佳状态，以获得最优的切削效益。（较贵，目前采用较少）7.1.2数控机床的组成、分类及发展二、数控机床的分类1、按数控机床的加工功能不同分类（1）点位控制数控机床：点位控制数控机床只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。这类机床主要有数控钻床、冲床和镗床。（2）直线控制数控机床：它除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要保证被控制的两点间的位移轨迹是平行于某一坐标轴的直线，并且在直线位移过程中按需要的进给速度进行切削。直线控制的数控车床和数控磨床，只有两个坐标轴，可用于阶梯轴的车削和磨削加工；直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面铣削加工。7.1.2数控机床的组成、分类及发展二、数控机床的分类1、按数控机床的加工功能不同分类（1）轮廓控制数控机床：又称连续轨迹控制或多坐标联动数控机床。机床上有几个坐标轴，数控装置能同时连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。数控装置具有插补运算的功能，能协调各坐标轴间的运动速度，能够进行多坐标联动控制，能进行点位和直线控制。现代的数控机床（数控铣床、磨床、加工中心、点火花线切割）都具有轮廓控制功能（除少数专用数控机床：数控钻床、冲床）7.1.2数控机床的组成、分类及发展二、数控机床的分类2、按所用进给伺服系统的不同分类（1）开环数控机床：没有位置检测器和反馈线路等环节。优缺点：比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制（图7-8）。7.1.2数控机床的组成、分类及发展二、数控机床的分类2、按所用进给伺服系统的不同分类（2）半闭环数控机床：速度检测器和伺服马达同轴刚性连接，随时实测伺服马达的转速。机床数控装置是根据来自位置检测器的位置反馈信息和来自速度检测器的速度反馈信息与指令信息相比较的结果来控制位置和速度的。7.1.2数控机床的组成、分类及发展二、数控机床的分类2、按所用进给伺服系统的不同分类（3）闭环数控机床：同（2），但位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制。缺点：系统复杂，调试维修困难，成本高（图7-10）。7.1.2数控机床的组成、分类及发展三、数控机床的发展1952年：麻省理工学院试制成功世界上第一台数控铣床，数控装置采用电子管，体积庞大，价格昂贵；1959年：数控装置采用晶体管和印制电路板，第二代；1965年：采用集成电路数控装置，第三代，体积小，功耗少，可靠性提高；60年