第一章数控加工编程基础

第1章数控加工编程基础1.1数控加工的基本概念1.2数控机床的坐标系1.3数控编程的步骤与方法1.4数控加工工艺基础1.5数控车削工艺基础1.6数控铣床和加工中心工艺基础1.7数控加工常用刀具数控机床的产生•1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。•1949年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床。•1959年，加工中心•1967年，柔性制造系统•20世纪80年代初，柔性制造单元•20世纪80年代末90年代初，计算机集成制造系统我国数控机床现况•中国数控机床的发展，大致经历三个阶段：•1.起步阶段（1958-1979年）•2.引进技术与开发阶段（1980-1989年）•3.产业化阶段（1990-2005年）数控机床发展趋势•高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性和经济性。•1．持续地提高经济加工精度•1950-2000年的50年内加工精度提升100倍左右。•2．推进全面高速化实现高效制造•在刀具材料和刀具结构不断发展的支持下，切削速度不断地提高。高速化加工另一个特点是大多从单一的高速切削发展至全面高速化，不仅要缩短切削时间，也要力求降低辅助时间和技术准备时间。•3．复合加工机床促进新一代高效机床的形成•复合机床的含义是在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。复合机床根据其结构特点，可以分为工艺复合型和工序复合型两类。•4．工艺适用性的专门化数控机床正不断涌现•近年来对并联机构机床和混联机构机床的研究（图）以及对可重构机床（RMT）技术的探索，反映了对制造装备能更方便地实现个性化、多样化发展的一个追求。•5．智能化和集成化成为数字化制造的重要支撑技术•采用智能技术来实现多信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、复杂曲面加工运动轨迹优化控制、故障自诊断和智能维护以及信息集成等功能，将大大提升成形和加工精度、提高制造效率。•6．发展适应敏捷制造和网络化分布式的制造系统•近10年来制造系统的发展历程，基本上遵循以下两个方向：增强制造系统的智能化和自治管理功能；发展新型制造系统以适应不确定性的市场环境。•7．向大型化和微小化两极发展•8．配套装置和功能部件的品种质量日臻完善•齐齐哈尔第二机床集团公司与清华大学合作研制的加工水轮机叶轮的混联机构机床一、数控机床的组成x-y数控拖板变频主轴机床本体数控系统及其操作面板行程开关控制电柜Z轴伺服电机如图所示是一台三坐标数控铣床组成图•1.信息输入•输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。•2.数控装置•数控装置是数控机床的核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。•3.伺服驱动装置及检测反馈装置•驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。•位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。•4.机床本体•机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。•5.辅助控制装置•辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。•由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。数控机床的工作过程•（1）准备阶段•根据加工零件的图纸，确定有关加工数据（刀具轨迹坐标点、加工的切削用量、刀具尺寸信息等）。根据工艺方案、选用的夹具、刀具的类型等选择有关其他辅助信息。•（2）编程阶段•根据加工工艺信息，用机床数控系统能识别的语言编写数控加工程序（对加工工艺过程的描述），并填写程序单。•（3）准备信息载体•根据已编好的程序单，将程序存放在信息载体（穿孔带、磁带、磁盘等）上，通过信息载体将全部加工信息传给数控系统。若数控加工机床与计算机联网时，可直接将信息载入数控系统。•（4）加工阶段•当执行程序时，机床数控系统（CNC）将加工程序语句译码、运算，转换成驱动各运动部件的动作指令，在系统的统一协调下驱动各运动部件的适时运动，自动完成对工件的加工。数控机床的特点•数控机床的特点•1.自动化程度高，减轻劳动强度，改善劳动条件•数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成、不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。•2.适应性强•利用数控机床加工改型零件，只需要重新编制程序就能实现对零件的加工。•3.精度高•首先是在结构上引入了滚珠丝杠螺母机构、各种消除间隙结构等，使机械传动的误差尽可能小；其次是采用了软件精度补偿技术，使机械误差进一步减小；第三是用程序控制加工，减少了人为因素对加工精度的影响。•4.效率高•零件加工所需要的时间包括在线加工时间与辅助时间两部分。数控机床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床高得多。数控机床主轴转速和进给量的范围比普通机床的范围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了在线加工时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，由于选用了很高的空行程运动速度，因而消耗在快进、快退和定位的时间要比一般机床少得多。•5.有利于生产管理的现代化•用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。数控机床在应用中也有不利的一面，如提高了起始阶段的投资，对设备维护的要求较高，对操作人员的技术水平要求较高等。数控机床的分类•按工艺方法分类•1.金属切削类数控机床•数控铣床、数控钻床、加工中心等•2.金属成型类及特种加工类数控机床•数控折弯机、数控弯管机、数控线切割、激光加工机、数控装配机、数控测量机按控制运动轨迹分类•1．点位控制数控机床•仅能控制刀具相对于工件的精确定位控制系统，而在相对运动的过程中不能进行任何加工。2．直线控制数控机床能实现沿某一坐标轴或两轴等速的直线移动和加工的功能的控制系统。3．轮廓控制数控机床•能实现两轴或两轴以上的联动加工，即具有实现对曲线或曲面轮廓零件的加工能力控制系统。所谓联动，就是机床上各坐标轴的运动之间有着确定的函数关系，这个函数就是零件的轮廓曲线（曲面）。按伺服系统的控制方式分类•按伺服系统的控制方式不同可将数控机床分为开环控制、闭环控制和半闭环控制数控机床。•1.开环控制数控机床•这类数控机床的运动部件没有位置检测反馈装置，采用步进电动机驱动，如图所示。图开环控制数控机床结构•2.闭环控制数控机床•这类数控机床的运动部件上安装有位置测量反馈装置，由直流或交流伺服电动机驱动，如图所示。图闭环控制数控机床结构•3.半闭环控制数控机床•将位置检测元件安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位移，与数控装置中的指令位移量相比较，实现差值控制，构成如图所示的半闭环控制。图半闭环控制数控机床结构图按功能水平分类•通常把数控机床分为高、中、低档（亦称经济型）三类。数控机床水平的高低主要指它们的主要技术参数，功能指标和关键部件的功能水平等内涵。如：•1．中央处理单元•2．分辨率和进给速度•3．多轴联动功能•4．显示功能•5．通讯功能一、数控系统及数控机床二、数控加工原理1.1数控加工的基本概念应用数控技术对其运动和辅助动作进行自动控制的机床。数控编程与加工技术一、数控系统及数控机床用数字化信号对机构的运动过程进行控制。实现数字控制相关功能的软、硬件模块的集成。以计算机为核心的数控系统1、数字控制2、数控系统3、计算机数控系统4、数控机床二、数控加工原理数控编程与加工技术LGDZY1、数控加工过程2、数据转换与控制过程①译码②刀补运算③插补计算④PLC控制一、机床坐标系二、坐标轴及其运动方向三、工件坐标系四、坐标原点五、工件坐标系的设定六、绝对坐标编程及增量坐标编程1.2数控机床的坐标系③相对于每个移动坐标轴的旋转运动坐标轴为A、B、C轴（旋转轴）。④旋转运动坐标轴A、B、C的正方向用右手螺旋定则来判定。数控编程与加工技术一、机床坐标系机床上固有的，用来确定工件坐标系的基本坐标系。①基本坐标轴为X、Y、Z轴（移动轴）②基本坐标轴X、Y、Z的关系及其正方向用右手直角定则来判定。⑤主轴旋转方向：从主轴后端向前端（装刀具或工件端）看，顺时针旋转为主轴正旋转方向。数控编程与加工技术1、ISO2001标准的有关规定(1)工件不动，刀具相对于静止的工件运动。(2)增大工件与刀具之间距离的方向为机床某一运动的正方向。2、坐标轴的判定方法①Z轴：平行于机床主轴轴线的坐标轴。数控卧式升降台铣床的X轴二、坐标轴及其运动方向④旋转运动A、B、C轴③Y轴：与Z、X轴垂直的坐标轴。数控卧式升降台铣床的Z轴数控车床的Z轴数控立式升降台铣床的Z轴②X轴：平行于工件装夹平面的坐标轴。数控车床的X轴数控立式升降台铣床的X轴三、工件坐标系数控编程与加工技术建立在零件图上，编程使用的坐标系，又称为编程坐标系。四、坐标原点1、机床坐标系原点机床参考点也称基准点，是大多数具有增量位置测量系统的数控机床所必须具有的。它是数控机床工作区确定的一个固定点，与机床原点有确定的尺寸联系，用“R”表示。3、工件原点机床坐标系原点也称机械原点或零点，用“M”表示。2、机床参考点件原点工件原点即工件坐标系原点，也称程序原点或编程原点，用“W”表示。它是编程时定义在工件上的几何基准点。五、工件坐标系的设定数控编程与加工技术1、采用G92指令设置工件坐标系以工件原点为基准，测量刀具起始点的坐标值，并把这个坐标值通过G92指令存到系统的存储器中，作为零件所有加工尺寸的基准点。因此，在每个程序的开头，都要设定工件原点的偏置值，其格式如下：N0010G92XaYbZc[在机床坐标系中设置工件坐标系]．．．．．．[加工零件]G92X_Y_Z_G92指令不使机床运动，其指定的坐标值只是设定了工件原点在机床坐标系中的位置，刀具并不产生运动。其中X，Y，Z的值为工件原点与刀具当前位置A的距离。2、采用G54～G59指令设置工件坐标系数控编程与加工技术使用G54~G59指令，可以在机床行程范围内设置6个工件坐标系。例如：采用G54~G56指令设置3个工件坐标系。首先设置G54~G56原点偏置寄存器：零件1：G54X12.0Y8.0Z0零件2：G55X24.0Y27.0Z0零件3：G56X42.0Y10.0Z0用G54~G59指令设置工件坐标系时，首先将G54~G59的坐标值设置在原点偏置寄存器中，编程时再用G54~G59指令调用。N01