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1、第一節(jié) 數控設備簡介 一、數控設備的產生與發(fā)展 現代制造業(yè)的水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度 “ 各種經濟時代的區(qū)別，不在于生產什么，而在于怎樣生產，用什么勞動資料生產?！?馬克思,第一、二章 數控加工技術基礎,1數控設備的產生 機械產品日趨精密、復雜，而且改型頻繁，因此對加工機械產品的生產設備提出了三高（高性能、高精度和高自動化）的要求。 通用機床上是由人工操作，勞動強度大，而且難以提高生產效率和保證質量，實現這類產品生產的自動化成為了機械制造業(yè)中長期未能解決的難題。,仿形加工部分地解決了小批量、復雜零件的加工，但有兩個缺點：一是必須制造相應的靠?；驑蛹?；二是靠模和
2、樣件的制造誤差和磨損影響加工精度。很難達到高精度。 解決高產優(yōu)質的問題，也可采用專用機床、組合機床、專用自動化機床以及專用自動生產線和自動化車間進行生產。但是應用這些專用生產設備，生產周期長，產品改型不易，因而使新產品的開發(fā)周期增長，生產設備使用的柔性很差。,精密復雜，加工批量小，改型頻繁，顯然不能在專用機床或組合機床上加工。而借助靠模和仿形機床，或者借助劃線和樣板用手工操作的方法來加工，加工精度和生產效率受到很大的限制。特別對空間的復雜曲線曲面，在普通機床上根本無法實現。 數字程序控制機床的產生，有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批量生產，特別是復雜型面零件提供了自動化加工手段，使
3、機械制造業(yè)的發(fā)展進入了一個新的階段。,,2數控設備的發(fā)展 電子管（1952年）、晶體管和印刷電路板（1960年）、小規(guī)模集成電路（1965年）、前三代數控系統是屬于采用專用控制計算機的硬邏輯（硬線）數控系統，簡稱NC（Numerical Control），目前已被淘汰。 小型計算機（1970年）、微處理器或微型計算機（1974年）和基于PC-NC的智能數控系統（90年代后）。這種數控系統又稱為軟線數控，即計算機數控系統，簡稱CNC（Computer Numerical Control）。,基于PC-NC的第六代數控系統，它充分利用現有PC機的軟硬件資源，規(guī)范設計新一代數控。第六代數控的
4、優(yōu)勢在于： （1）元器件集成度高、可靠性好； （2）技術進步快、升級換代容易； （3）提供了開放式的基礎，可供利用的軟、硬件資源極為豐實。,數控技術是提高產品質量、提高勞動生產率必不可少的物質手段；國家戰(zhàn)略技術和體現國家綜合國力水平重要標志。 專家們預言: 二十一世紀機械制造業(yè)的競爭，其實質是數控技術的競爭。 數字控制與數控技術 數字控制（Numerical Control NC）是一種借助數字、字符或其它符號對某一工作過程（如加工、測量、裝配等）進行編程控制的自動化方法。 數控技術（Numerical Control Technology）采用數字控制的方法對某一工作過程實現自動控制的技術。
5、,數控機床（Numerical Control Machine Tools） 是采用數字控制技術對機床的加工過程進行自動控制的一類機床。它是數控技術典型應用的例子。 數控系統（Numerical Control System）實現數字控制的裝置。 計算機數控系統（Computer Numerical Control CNC ）以計算機為控制核心的數字控制系統。,計算機輔助設計CAD（ Computer Aided Design）、 計算機輔助制造CAM（Computer Aided Manufacturing）、 計算機輔助檢驗CAT（Computer Aided Testing） 計算機集成
6、制造系統CIMS（Computer Integrated Manufacturing System），,加工中心MC（Machining Center） 柔性加工單元FMC（Flexible Manufacturing Cell）在加工中心的基礎上，通過增加多工作臺（托盤）自動交換裝置（Auto Pallet ChangerAPC）以及其他相關裝置，組成的加工單元稱為柔性加工單元。 FMC不僅是實現了工序的集中和工藝的復合，而且通過工作臺（托盤）的自動交換和較完善的自動監(jiān)測、監(jiān)控功能，可以進行一定時間的無人化加工，從而進一步提高了設備的加工效率。,FMC構成分兩大類： 1、加工中心配上自動托
7、盤系統（APC）； 2、數控機床配機器人。 FMC既是柔性制造系統FMS（Flexible Manufacturing System）的基礎，又可以作為獨立的自動化加工設備使用，因此其發(fā)展速度較快。,柔性制造系統FMS（Flexible Manufacturing System）。 在FMC和加工中心的基礎上，通過增加物流系統、工業(yè)機器人以及相關設備，并由中央控制系統進行集中、統一控制和管理，這樣的制造系統稱為柔性制造系統FMS。FMS不僅可以進行長時間的無人化加工，而且可以實現多品種零件的全部加工和部件裝配，實現了車間制造過程的自動化，它是一種高度自動化的先進制造系統。,計算機集成制造系統
8、CIMS：將市場預測、生產決策、產品設計、產品制造直到產品銷售的全過程均由計算機集成管理和控制，由此構成的完整的自動生產制造系統，稱為計算機集成制造系統（Computer Integrated Manufacturing System） CIMS將一個更長的生產、經營活動進行了有機的集成，實現了更高效益、更高柔性的智能化生產，是當今自動化制造技術發(fā)展的最高階段。在CIMS中，不僅是生產設備的集成，更主要的是以信息為特征的技術集成和功能集成,,,,,,,,,,,,,,二、數控設備的工作原理、組成與特點 1數控設備的工作原理,操作者根據數控工作要求編制數控程序，并將數控程序記錄在程序介質（如穿孔
9、紙帶、磁帶、磁盤等）上。數控程序經數控設備的輸入輸出接口輸入到數控設備中，控制系統按數控程序控制該設備執(zhí)行機構的各種動作或運動軌跡，達到規(guī)定的工作結果。 其主要步履： 1）、數控加工程序編制 根據被加工零件工作圖所規(guī)定的零件的形狀、尺寸、材料及技術要求等，確定零件加工的工藝過程、工藝參數，按編程手冊和程序格式編寫零件數控加工程序。 2）、數控機床執(zhí)行數控加工程序,2、數控機床的組成與功能 數控機床是數值控制的工作母機的總稱。一般由輸入輸出設備、數控裝置、伺服系統、測量反饋裝置和機床本體組成，見圖1-1。 圖1-2 數控機床的組成框圖,（1）輸入輸出設備 （2）數控裝置 數控
10、裝置的主要功能如下： 多坐標控制(多軸聯動) 插補功能（如直線、圓弧和其它曲線插補) 程序輸入、編輯和修改功能(人機對話、手動數據輸入、上位機通信輸入) 故障自診斷功能 補償功能 補償主要包括刀具半徑補償、刀具長度補償、傳動間隙補償、螺距誤差補償等 信息轉換功能 主要包括EIA/ISO代碼轉換、英制米制轉換、坐標轉換、絕對值增量值轉化等 多種加工方式選擇 可以實現多種加工方式循壞、重復加工、凹凸模加工和鏡像加工等 輔助功能 輔助功能也稱M功能。 顯示功能 通信和聯網功能,（3）伺服系統 （4）測量反饋裝置 （5）機床本體 3、數控機床的特點 1）適應性廣 2）、生產準備周期短 3）、工序高度集
11、中 4）、生產效率和加工精高、質量穩(wěn)定 5）、能完成復雜型面的加工 6）、技術含量高 7）、減輕勞動強度、改善勞動條件 8）有利于生產管理,三、數控機床的分類 數控設備的種類很多，各行業(yè)都有自己的數控設備和分類方法。在機床行業(yè)，數控機床通常從以下不同角度進行分類。 1按工藝用途分類 按其工藝用途可以劃分為以下四大類： （1）金屬切削類 指采用車、銑、鏜、鉆、鉸、磨、刨等各種切削工藝的數控機床。它又可分為兩類： 普通數控機床 數控加工中心,（2）金屬成形類 指采用擠、壓、沖、拉等成形工藝的數控機床，常用的有數控彎管機、數控壓力機、數控沖剪機、數控折彎機、數控旋壓機等。（3）特種加工類 主要有
12、數控電火花線切割機、數控電火花成形機、數控激光與火焰切割機等。 （4）測量、繪圖類 主要有數控繪圖機、數控坐標測量機、數控對刀儀等。 2按控制運動的方式分類 （1）點位控制數控機床 這類數控機床有數控鉆床、數控坐標鏜床、數控沖床等。 （2）點位直線控制數控機床 這類機床有數控車床和數控銑床等。 （3）輪廓控制數控機床 這類機床有數控車床、銑床、磨床和加工中心等。,3按伺服系統的控制方式分類 （1）開環(huán)數控機床,（2）半閉環(huán)控制數控機床,,,（3）閉環(huán)控制數控機床,此外，按所用數控系統的檔次通常把數控機床分為低檔、中檔、高檔三類數控機床。中檔、高檔數控機床一般稱為全功能數控或標準型數控。,四、
13、數控機床坐標系統 （一）數控機床的坐標軸和運動方向 我國標準JB3051-82，等效ISO841 1、刀具相對靜止的工件而運動的原則 確定坐標系時，一律看作工件靜止，刀具產生運動。 2、標準坐標系的規(guī)定 機床坐標系是右手笛卡爾坐標系。,,1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互為90。則大拇指代表X坐標，食指代表Y坐標，中指代表Z坐標。 2)大拇指的指向為X坐標的正方向，食指的指向為Y坐標的正方向，中指的指向為Z坐標的正方向。 3)圍繞X、Y、Z坐標旋轉的旋轉坐標分別用A、B、,C表示，根據右手螺旋定則，大拇指的指向為X、Y、Z坐標中任意軸的正向，則其余四指的旋轉方向即為旋轉坐標A、B、C的正向
14、,數控機床某一部件運動的正方向是增大工件 和刀具距離的方向。 Z軸的確定：平行于主軸軸線方向為Z軸，取刀具遠離工件的方向為正Z方向。 X軸的確定：車床取橫向滑座方向為X軸，取刀具遠離工件的方向為正向。 立式數控銑床：面對立柱，取右手方向為+X方向； 臥式數控銑床:從主軸后端往前看，取右手方向為+X方向。 Y軸的確定：+Y的運動方向，根據X、Z坐標的運動方向，按照右手笛卡爾坐標系來確定。,(二)絕對坐標系統與相對坐標系統 1、絕對坐標系統 絕對坐標系統是指工作臺位移是從固定的基準點開始計算的。 2、相對坐標系統 相對坐標系統是指工作臺的位移是從工作臺現有位置開始計算的。,第二節(jié) 數控加工基礎
15、 一、數控加工的定義 在數控機床上自動加工零件的一種工藝方法。一般來說，數控加工主要包括以下方面的內容： （1）選擇并確定零件的數控加工內容； （2）對零件圖進行數控加工的工藝分析； （3）設計數控加工的工藝； （4）編寫數控加工程序單； （5）按程序單制作程序介質； （6）數控程序的校驗與修改； （7）首件試加工與現場問題處理； （8）數控加工工藝技術文件的定型與歸檔。,1)數控加工的工藝內容十分具體； 2)數控加工的工藝相當嚴密。 3）數控加工的工序相對集中 4）適宜于多品種小批量或中批量生產 二、數控加工中常用的術語 1、幾坐標數控機床與幾坐標加工數控機床 幾坐數控加工表示了數控機
16、床幾個坐標實現了數字控制,幾坐標加工數控機床表示了數控機床能同時控制的坐標軸數.即幾坐標聯動.,2、插補 在數控加工中，一般已知運動軌跡的起點坐標、終點坐標和曲線方程，如何使切削加工運動沿著預定軌跡移動呢？數控系統根據這些信息實時地計算出各個中間點的坐標，通常把這個過程稱為“插補”。 插補實質上是根據有限的信息完成“數據點的密化”工作。 加工各種形狀的零件輪廓時，必須控制刀具相對工件以給定的速度沿指定的路徑運動，即控制各坐標軸依某一規(guī)律協調運動，這一功能為插補功能。 平面曲線的運動軌跡需要兩個運動來協調； 空間曲線或立體曲面則要求三個以上的坐標產生協調運動。,插補：填補空白的工作。把
17、計算插補點的工作稱為插補運算，實現插補運算的裝置叫插補器。 直線插補：具有沿平滑直線分配脈沖功能的叫直線插補。實現這種直線插補運算的裝置叫直線插補器。 圓弧插補：具有沿圓弧分配脈沖功能的叫圓弧插補。實現這種圓弧插補運算的裝置叫圓弧插補器。 插補運算可以用邏輯電路實現，在CNC數控機床中是靠軟件來實現的。,3、刀具半徑補償 數控裝置能使刀具中心從零件實際輪廓上偏離一個指定的刀具半徑值（補償值）并使刀具中心在這一被補償的軌跡上運動，從而把工件加工成圖紙上要求的輪廓形狀。 編程按零件實際輪廓編程，其刀補值用“刀具半徑撥碼盤”或鍵撥入。 刀具半徑補償,,,,,,,,,,,,,,,
18、,,,,,精加工時刀補值=實際刀具半徑值,粗加工時刀補值= 實際刀具半徑值+精加工余量,三、數控加工的工藝設計 (一)、數控加工工藝設計的主要內容 1）、選擇并確定零件數控加工內容 2）、對零件圖進行數控加工工藝性設計 3）、數控加工工藝路線設計 4）、數控加工的工序設計 5）、數控加工技術文件的編寫,(二)、選擇并確定數控加工內容 1）、普通機床無法加工的內容 2）、普通機床難加工、質量難保證的內容 3）、普通機床加工效率低，工人勞動強度大的加工內容 (三)、數控加工工藝性分析 對刀點：對刀點是指通過對刀確定刀具與工件相對位置的基準點。對刀點可以設置在被加工零件上，也可以設置在夾具上與零件定
19、位基準有一定尺寸聯系的某一位置，用于確定工件坐標系與機床坐標系的相對位置。,刀具在機床上的位置是由“刀位點”的位置來表示的。 對刀點的選擇原則： 1）、在機床上對刀方便、便于觀察和檢測。 2）、編程時便于數學處理和有利于簡化編程。,3）、對刀點可選擇在零件上或夾具上。 4）、為提高零件的加工精度，減少對刀誤差，對刀點應盡量選擇在零件的設計基準或工藝基準上。如以孔定位的零件，應將孔的中心作為對刀點。 換刀點是為加工中心、數控車床等采用多刀進行加工的機床而設置的，因為這些機床在加工過程中要自動換刀。對于手動換刀的數控銑床，也應確定相應的換刀位置。為防止換刀時碰傷零件、刀具或夾具，換刀點常常設
20、置在被加工零件的輪廓之外，并留有一定的安全量,審查與分析工藝基準的可靠性 選擇合適的零件安裝方式,(四)、數控加工工藝路線的設計 1）、工序的劃分 一次安裝加工工作為一道工序； 同一把刀具加工內容為一道工序； 以粗、精加工內容劃分為一道工序。 2）、加工順序的安排 以定位和夾緊的需要來考慮，重點是保證工件的剛性不被破壞。 3）、數控加工工序與普通工序的銜接 如何留余量，熱處理等。,(五)、確定走刀路線和安排工步順序 1確定走刀路線和安排工步順序 零件加工的走刀路線是刀具在整個加工工序中的運動軌跡。 總則：走刀路線最短、程序段數目最少、數值計算簡單、便于保證加工質量。 1）、盡可能縮短走刀路
21、線，減少空行程時，提高生產效率。 2）、為保證表面粗糙度要求，最終輪廓連續(xù)加工完成。 3）、避免在輪廓處停刀或輪廓垂直方向切入或切出工件，應在切向方向進、退刀。,（1）對點位加工的數控機床，如鉆、鏜床，要考慮盡可能縮短走刀路線，以減少空程時間，提高加工效率。 （2）為保證工件輪廓表面加工后的粗糙度要求，最終輪廓應安排最后一次走刀連續(xù)加工。,3）刀具的進退刀路線須認真考慮 （4）銑削輪廓的加工路線要合理選擇， Z字形雙方向走刀方式，單方向走刀方式，環(huán)形走刀方式。在銑削封閉的凹輪廓時，刀具的切入或切出不允許外延，最好選在兩面的交界處否則，會產生刀痕。 （5）旋轉體類零件的加工一般采用數控車或數控
22、磨床加工。,2定位基準和夾緊方式的確定 在確定定位和夾緊方案時應注意以下幾個問題：（1）盡可能做到設計基準、工藝基準與編程計算基準的統一；（2）盡量將工序集中，減少裝夾次數，盡可能在一次裝夾后能加工出全部待加工表面；（3）避免采用占機人工調整時間長的裝夾方案；（4）夾緊力的作用點應落在工件剛性較好的部位。,3夾具的選擇 數控加工對夾具提出了兩個基本要求： 一是要保證夾具的坐標方向與機床的坐標方向相對固定；二是要能協調零件與機床坐標系的尺寸。 此外，當零件加工批量小時，盡量采用組合夾具、可調式夾具以及其它通用夾具；成批生產時才考慮專用夾具；零件裝卸要方便可靠。,,,,,X軸,Y軸,,,,,機床工
23、作臺,,工件,,,4、刀具的選擇 數控機床上的刀具選擇比較嚴格，有些刀具是專用的。選擇刀具應考慮工件材料、加工輪廓類型、機床允許的切削用量以及剛性和刀具耐用度。對加工凹輪廓，端銑刀的刀具半徑或球頭銑刀的球頭半徑必須小于被加工面的最小曲率半徑。對自動換刀的數控機床，在刀具裝到機床上以前，要在機外預調裝置（如對刀儀）中，根據編程確定的參數，調整到規(guī)定的尺寸或測出精確的尺寸。在加工前，將刀具有關尺寸輸入到數控裝置中。,一、數控編程的內容和步驟 數控加工是指在數控機床上進行零件加工的一種工藝方法；程序編制（簡稱數控編程）：將從零件圖樣到制成控制介質的全部過程。 數控編程的內容主要包括：分析零件圖
24、樣、確定加工工藝過程、數值計算、編寫零件加工程序、制作控制介質、程序校驗和試切削等。數控編程的步驟一般如圖2-1所示。具體過程如下： 1確定工藝過程,第三節(jié) 數控程序編制基礎,圖2-1 數控編程的步驟 2. 數學計算 它的主要任務就是根據圖紙數據求出編程所需的數據。,返回課件首頁,3. 編寫零件加工程序單 4. 制備控制介質 5.程序效驗和試切削 數控編程的方法有兩種：手工編程和自動編程。 手工編程時，整個程序的編制過程是由人工完成的。這就要求編程人員不僅要熟悉數控代碼及編程規(guī)則，而且還必須具備機械加工工藝知識和數值計算能力，其編程內容和步驟如圖1-21所示。對于點位加工和幾何形狀簡
25、單的零件加工，程序段較少，計算簡單，用手工編程即可完成。但對復雜型面或程序量很大的零件，則采用手工編程相當困難，必須采用自動編程。,,第三節(jié) 數控程序編制基礎 三、零件加工程序的結構 （一）、程序的組成 一個完整的零件加工程序，由若干程序段組成，每個程序段又由若干個代碼字組成，每個代碼字則由文字（地址符）和數字（有些數字還帶有符號）組成。字母、數字和符號統稱為字符。舉例如下： % N01 G91 G00 X50 Y60 LF N02 G01 X1000 Y5000 F150 S300 T12 M03 LF N10 G00 X-50 Y-60 M02 LF 上例為一個完整
26、的零件加工程序，它由10個程序段組成，每個程序段以序號“N”開頭，用LF結束。M02代表整個程序的結束。有些數控系統還規(guī)定，整個程序要求以符號“%”開頭，以符號“EM”結尾。,每個程序段中有若干個代碼字，如第二程序段有9個代碼字，一個程序段表示一個完整的加工工步或動作。 （二）、程序段格式 程序段格式是指一個程序段中字的排列書寫方式和順序，以及每個字和整個程序段的長度限制和規(guī)定。不同的數控系統往往有不同的程序段格式，格式不符規(guī)定，則數控系統不能接受。 常見的程序段格式有三種： （1）固定順序程序段格式或帶分隔符的固定順序程序段格式 這種格式是用分隔符“HT” 代替地址符，而且預先規(guī)定了所有可能
27、出現的代碼字的固定排列順序，根據分隔符出現的順序，就可判定其功能。不需要的字或與上一程序段相同功能的字可以不寫，但其分隔符必須保留。如下：,H H H H H H H H L 01 91 00 50 60 T T T T T T T T F H H H H H H H H L 02 01 1000 5000 150 300 12 03 T T T T T T T T F H H H H H H H H L 10 00 -50 -60 02
28、T T T T T T T T F 我國數控線切割機床采用的“3B”或“4B”格式指令就是典型的分隔符固定順序格式。其3B格式的一般表示為：BX BY BJ GZ。,（2）字地址符可變程序段格式 這種格式的特點是：程序簡單，可讀性強，易于檢查。因此現代數控機床廣泛采用這種格式。 四、NC程序常用功能字 （一）準備功能字（見表1-3） （二）坐標功能字 用來設定機床各坐標的位移量。,（三）進給功能字 F代碼為進給速度功能代碼，它是續(xù)效代碼，用來指定刀具相對于工件的進給速度，單位一般為mm/min。F代碼常有兩種表示方法。 編碼法：即在地址符F后跟一串數字代碼，這些數字
29、不直接表示進給速度的大小，而是機床進給速度數列的序號，具體的進給速度需要查表確定。 直接指定法：即F后面跟的數字就是進給速度的大小,（四）主軸功能字 S代碼 、主軸功能代碼。該代碼為續(xù)效代碼，用來指定主軸的速度。它以地址符S為首，后跟一串數字。 （五） 刀具功能字 當系統具有換刀功能時，刀具功能字用以選擇替換刀具。 T代碼 ： 為刀具功能代碼。,（六）輔助功能M代碼,輔助功能代碼，也稱M功能，M指令或M代碼。它由地址碼M和其它兩位數組成。共有100種（M00-M99）。 它是控制機床輔助動雜的指令，主要用作機床加工時的工藝性指令。如主軸的開，停，正反轉，切削液的開，關，運動部件的夾緊與松開等
30、。,對常用的M代碼作簡要的說明,M00程序停止。 用以停止主軸轉動，進給和冷卻液，以便執(zhí)行某一固定的手動操作。如手動變速，換刀，工件調頭等。 M01計劃停止。 該指令與M00基本相似，所不同的是，只有在操作面板上的 “任意停止”按鍵被按下時，M01才有效，否則這個指令不起作用。該指令常用于工件關鍵尺寸的停機抽樣檢查或其它需要臨時停車才場合。當檢查完成后，按啟動鍵繼續(xù)執(zhí)行以后的程序。,M02程序結束。當全部程序結束后。，用此指令使主軸，進給，冷卻全部停止，并使數控系統處于復位狀態(tài)。該指令必須出現在程序的最后一個程序段中。 M03，M04，M05分別命令主軸正轉，反轉，和停轉 M06換刀指令 M07，M08切削液開。 M09 冷切削停。 M10，M11運動部件的夾緊及松開。 M30 程序結束。和M02相似，但M30可使程序返回到開始狀態(tài)。,
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