第1章数控加工基础教案

第1章数控加工基础1本章提要第1章数控加工基础本章主要介绍数控加工的基础知识，内容包括数控编程简述、数控机床、数控加工工艺概述、高度与安全高度以及走刀路线的选择等。1.1数控加工概论数控技术即数字控制技术（numericalcontroltechnology），指用计算机以数字指令方式控制机床动作的技术。数控加工具有产品精度高、自动化程度高、生产效率高以及生产成本低等特点，在制造业及航天加工业，数控加工是所有生产技术中相当重要的一环。尤其是汽车和航天产业的零部件，其几何外形复杂且精度要求较高，更突出了数控加工制造技术的优点。数控加工技术集传统的机械制造、计算机、信息处理、现代控制、传感检测等光机电技术于一体，是现代机械制造技术的基础。它的广泛应用给机械制造业的生产方式及产品结构带来了深刻的变化。近年来，由于计算机技术的迅速发展，数控技术的发展相当迅速。数控技术的水平和普及程度，已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。1.2数控编程简述数控编程一般可以分为手工编程和自动编程。手工编程是指从零件图样分析、工艺处理、数值计算、编写程序到程序校核等各步骤的数控编程工作，均由人工完成的全过程。该方法适用于零件形状不太复杂、加工程序较短的情况，而对于复杂形状的零件，如具有非圆曲线、列表曲面或组合曲面的零件，或者零件形状虽不复杂，但是程序很长，则比较适合于自动编程。自动数控编程是从零件的设计模型（即参考模型）获得数控加工程序的全部过程。其主要任务是计算加工走刀过程中的刀位点（CutterLocationPoint，简称CL点），从而生成CATIAV5数控加工教程2刀位数据文件。采用自动编程技术可以帮助人们解决复杂零件的数控加工编程问题，其大部分工作由计算机来完成，编程效率大大提高，还能解决手工编程无法解决的许多复杂形状零件的加工编程问题。CATIAV5数控模块提供了多种加工类型用于各种复杂零件的粗精加工，用户可以根据零件结构、加工表面形状和加工精度要求选择合适的加工类型。数控编程的主要内容有分析零件图样、工艺处理、数值处理、编写加工程序、输入数控系统、程序检验及试切。（1）分析零件图样及工艺处理。在确定加工工艺过程时，编程人员首先应根据零件图样对工件的形状、尺寸和技术要求等进行分析，然后选择合适的加工方案，确定加工顺序和路线、装夹方式、刀具以及切削参数，为了充分发挥机床的功用，还应该考虑所用机床的指令功能，选择最短的加工路线，选择合适的对刀点和换刀点，以减少换刀次数。（2）数值处理。根据图样的几何尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系，计算工件粗、精加工的运动轨迹，得到刀位数据。零件图样坐标系与编程坐标系不一致时，需要对坐标进行换算。形状比较简单的零件的轮廓加工，需要计算出几何元素的起点、终点及圆弧的圆心，两几何元素的交点或切点的坐标值，有的还需要计算刀具中心运动轨迹的坐标值。对于形状比较复杂的零件，需要用直线段或圆弧段逼近，根据要求的精度计算出各个节点的坐标值。（3）编写加工程序。确定加工路线、工艺参数及刀位数据后，编程人员可以根据数控系统规定的指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序。此外，还应填写有关的工艺文件，如数控刀具卡片、数控刀具明细表和数控加工工序卡片等，随着数控编程技术的发展，现在大部分的机床已经直接采用自动编程。（4）输入数控系统。即把编制好的加工程序，通过某种介质传输到数控系统。过去我国数控机床的程序输入一般使用穿孔纸带，穿孔纸带的程序代码通过纸带阅读器输入到数控系统。随着计算机技术的发展，现代数控机床主要利用键盘将程序输入到计算机中。随着网络技术进入工业领域，通过CAM生成的数控加工程序可以直接通过数据接口传输到数控系统中。（5）程序检验及试切。程序必须经过检验和试切才能正式使用。检验的方法是直接将加工程序输入到数控系统中，让机床空运转，即以笔代刀，以坐标纸代替工件，画出加工路线，以检查机床的运动轨迹是否正确。若数控机床有图形显示功能，可以采用模拟刀具切削过程的方法进行检验。但这些过程只能检验出运动是否正确，不能检查被加工零件的第1章数控加工基础3精度，因此必须进行零件的首件试切。首件试切时，应该以单程序段的运行方式进行加工，监视加工状况，调整切削参数和状态。从以上内容看来，作为一名数控编程人员，不但要熟悉数控机床的结构、功能及标准，而且必须熟悉零件的加工工艺、装夹方法、刀具以及切削参数的选择等方面的知识。1.3数控机床1.3.1数控机床的组成数控机床的种类很多，但是任何一种数控机床都主要由数控系统、伺服系统和机床主体三大部分以及辅助控制系统等组成。1．数控系统数控系统是数控机床的核心，是数控机床的“指挥系统”，其主要作用是对输入的零件加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺服系统发出控制信号。现代数控系统通常是一台带有专门系统软件的计算机系统，开放式数控系统就是将计算机配以数控系统软件而构成的。2．伺服系统伺服系统（也称驱动系统）是数控机床的执行机构，由驱动和执行两大部分组成，它包括位置控制单元、速度控制单元、执行电动机和测量反馈单元等部分，主要用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。它接收数控系统发出的各种指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求控制机床运动部件的进给速度、方向和位移。目前数控机床的伺服系统中，常用的位移执行部件有步进电动机、电液马达、直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两者均带有光电编码器等位置测量元件。一般来说，数控机床的伺服系统，要求有好的快速响应和灵敏而准确的跟踪指令功能。3．机床主体机床主体是加工运动的实际部件，除了机床基础件以外，还包括主轴部件、进给部件，实现工件回转、定位的装置和附件、辅助系统和装置（如液压、气压、防护等装置）、刀库和自动换刀装置（AutomaticToolsChanger，ATC）、自动托盘交换装置（AutomaticPalletChanger，APC）。机床基础件通常是指床身或底座、立柱、横梁和工作台等，它是整台机床CATIAV5数控加工教程4的基础和框架。加工中心则还应具有ATC，有的还有双工位APC等。数控机床的本体结构与传统机床相比，发生了很大变化，普遍采用了滚珠丝杠和滚动导轨，传动效率更高；由于现代数控机床减少了齿轮的使用数量，使得传动系统更加简单。数控机床可根据自动化程度、可靠性要求和特殊功能需要，选用各种类型的刀具破损监控系统、机床与工件精度检测系统、补偿装置和其他附件等。1.3.2数控机床的特点随着科学技术和市场经济的不断发展，对机械产品的质量、生产率和新产品的开发周期提出了越来越高的要求。为了满足上述要求，适应科学技术和经济的不断发展，数控机床应运而生了。20世纪50年代，美国麻省理工学院成功地研制出第一台数控铣床。1970年首次展出了第一台用计算机控制的数控机床（ComputerNumerialControl，CNC）。图1.1所示就是数控铣床，图1.2所示是数控加工中心。数控机床自问世以来得到了高速发展，并逐渐为各国生产组织和管理者接受，这与它在加工中表现出来的特点是分不开的。数控机床具有以下主要特点：高柔性。数控机床的最大特点是高柔性，即灵活、通用和万能，可以适应加工不同形状工件。如数控铣床一般能完成钻孔、镗孔、铰孔、攻螺纹、铣平面、铣斜面、铣槽、铣削曲面和铣削螺纹等加工，而且一般情况下，可以在一次装夹中完成所需的加工工序。加工对象改变，除相应更换刀具和解决工件装夹方式外，只需改变相应的加工程序即可。特别适应于目前多品种、小批量和变化快的生产特征。高精度，加工重复性高。目前，普通数控加工的尺寸精度通常可达到±0.005mm。数控装置的脉冲当量（即机床移动部件的移动量）一般为0.001mm，高精度的数控系统可达0.0001mm。数控加工过程中，机床始终都在指定的控制指令下工作，消除了人工操作所引起的误差，不仅提高了同一批加工零件尺寸的统一性，而且图1.2图1.1第1章数控加工基础5产品质量能得到保证，废品率也大为降低。高效率。机床自动化程度高，工序和刀具可自行更换和检测。例如，加工中心在一次装夹后，除定位表面不能加工外，其余表面均可加工；生产准备周期短，加工对象变化时，一般不需要专门的工艺装备设计制造时间；切削加工中可采用最佳切削参数和走刀路线。数控铣床一般不需要使用专用夹具和工艺装备。在更换工件时，只需调用储存于计算机中的加工程序、装夹工件和调整刀具数据即可，可大大缩短生产周期。更主要的是数控铣床的万能性带来高效率，如一般的数控铣床都具有铣床、镗床和钻床的功能，工序高度集中，提高了劳动生产率，并减少了工件的装夹误差。大大减轻了操作者的劳动强度。数控铣床对零件加工是根据加工前编好的程序自动完成的。操作者除了操作键盘、装卸工件、中间测量及观察机床运行外，不需要进行繁重的重复性手工操作，可大大减轻劳动强度。易于建立计算机通信网络。数控机床使用数字信息作为控制信息，易于与CAD（ComputerAidedDesign）系统连接，从而形成CAD/CAM（ComputerAidedManufacturing）一体化系统，它是FMS（FlexibleManufacturingSystem）、CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）等现代制造技术的基础。初期投资大，加工成本高。数控机床的价格一般是普通机床的若干倍，且机床备件的价格也高；另外，加工首件工件需要进行编程、程序调试和试加工，时间较长，因此使零件的加工成本也大大高于普通机床。1.3.3数控机床的分类数控机床的分类有多种方式。1．按工艺用途分类按工艺用途分类，数控机床可分为数控钻床、车床、铣床、磨床和齿轮加工机床等，还有压床、冲床、电火花切割机、火焰切割机和点焊机等也都采用数字控制。加工中心是带有刀库及自动换刀装置的数控机床，它可以在一台机床上实现多种加工。工件只需一次装夹就可以完成多种加工，这样既节省了工时，又提高了加工精度。加工中心特别适用于箱体类和壳类零件的加工。车削加工中心可以完成所有回转体零件的加工。2．按机床数控运动轨迹划分（1）点位控制数控机床。指在刀具运动时，只控制刀具相对于工件位移的准确性，不CATIAV5数控加工教程6考虑两点间的路径。这种控制方法用于数控钻床、数控冲床和数控点焊设备，还可以用在数控坐标镗铣床上。（2）点位直线控制数控机床。就是要求在点位准确控制的基础上，还要保证刀具运动是一条直线，且刀具在运动过程中还要进行切削加工。采用这种控制的机床有数控车床、数控铣床和数控磨床等，一般用于加工矩形和台阶形零件。（3）轮廓控制数控机床。轮廓控制（亦称连续控制）是对两个或更多的坐标运动进行控制（多坐标联动），刀具运动轨迹可为空间曲线。它不仅能保证各点的位置，而且还能控制加工过程中的位移速度，也就是刀具的轨迹。既保证尺寸的精度，还能保证形状的精度。在运动过程中，同时向两个坐标轴分配脉冲，使它们能走出所要求的形状来，这就叫插补运算。插补运算是一种软仿形加工，而不是硬（靠模）仿形，这种软仿形加工的精度比硬仿形加工的精度高很多。这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机和加工中心等。在模具行业中，对于一些复杂曲面的加工，使用这类机床较多，如3个坐标以上的数控铣或加工中心。3．按伺服系统控制方式划分（1）开环控制是无位置反馈的一种控制方法，它采用的控制对象、执行机构多半是步进式电动机或液压转矩放大器。因为没有位置反馈，所以其加工精度及稳定性差，但其结构简单、价格低廉、控制方法简单，对于精度要求不高、且功率需求不大的地方，是比较适用的。（2）半闭环控制是在丝杠上装有角度测量装置作为间接的位置反馈。因为这种系统未将丝杠螺母副和齿轮传动副等传动装置包含在闭环反馈系统中，因而称为半闭环控制系统，它不能补偿传动装置的传动误差，但却得以获得稳定的控制特性。这类系统介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试比闭环方便。（3）闭环控制是对机床移动部件的位置直接用直线位置检测装置进行检测，再把实际测量出的位置反馈到