第一章數(shù)控加工實用基礎(chǔ)

1、第一章 數(shù)控加工實用基礎(chǔ)【教學(xué)目標】 通過本章節(jié)的理論教學(xué)：了解數(shù)控技術(shù)的發(fā)展過程及其發(fā)展趨勢；掌握數(shù)控機床的組成、工作原理、分類及特點；數(shù)控機床的適用范圍；數(shù)控編程基礎(chǔ)；數(shù)控加工的工藝處理；數(shù)控加工的工藝指令和工藝文件?！窘虒W(xué)重點】 數(shù)控機床及其坐標系統(tǒng)；數(shù)控編程基礎(chǔ)；數(shù)控加工的工藝處理?！窘虒W(xué)難點】 數(shù)控機床的組成、工作原理；數(shù)控機床坐標系統(tǒng)及工處理。1.1 數(shù)控加工概述1.1.1 數(shù)控加工原理和特點 1數(shù)控加工原理圖1-1 數(shù)控加工原理框圖從圖1-1可以看出，數(shù)控加工過程總體上可分為數(shù)控程序編制和機床加工控制兩大部分2數(shù)控加工的特點(1) 自動化程度高，具有很高的生產(chǎn)效率。(2) 對加工

2、對象的適應(yīng)性強。(3) 加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。(4) 易于建立與計算機間的通信聯(lián)絡(luò)，容易實現(xiàn)群控。1.1.2 數(shù)控加工常用術(shù)語 1坐標聯(lián)動加工坐標聯(lián)動加工是指數(shù)控機床的幾個坐標軸能夠同時進行移動，從而獲得平面直線、平面圓弧、空間直線和空間螺旋線等復(fù)雜加工軌跡的能力(如圖1-3所示)。2脈沖當量、進給速度與速度修調(diào)單位脈沖作用下工作臺移動的距離就稱之為脈沖當量。手動操作時數(shù)控坐標軸的移動通常是采用按鍵觸發(fā)或采用手搖脈沖發(fā)生器(手輪方式)產(chǎn)生脈沖的，采用倍頻技術(shù)可以使觸發(fā)一次的移動量分別為0.001 mm、0.01 mm、0.1 mm、1 mm等多種控制方式，相當于觸發(fā)一次分別產(chǎn)生1、10、100

3、、1000個脈沖。 3插補與刀補數(shù)控加工直線或圓弧軌跡時，程序中只提供線段的兩端點坐標等基本數(shù)據(jù)，為了控制刀具相對于工件走在這些軌跡上，就必須在組成軌跡的直線段或曲線段的起點和終點之間，按一定的算法進行數(shù)據(jù)點的密化工作，以填補確定一些中間點，如圖1-4(a)、(b)所示，各軸就以趨近這些點為目標實施配合移動，這就稱之為插補。這種計算插補點的運算稱為插補運算。刀補是指數(shù)控加工中的刀具半徑補償和刀具長度補償功能。圖1-4 插補和刀補(a) 直線插補；(b) 圓弧插補；(c) 刀具半徑補償1.1.3 數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展 1數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展歷程2數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展方向1) 高速切削2) 高精度控制3

4、) 高柔性化 4) 高一體化5) 網(wǎng)絡(luò)化6) 智能化1.2 數(shù)控系統(tǒng)控制原理1.2.1 CNC硬件組成與控制原理CNC即計算機數(shù)控系統(tǒng)(Computerized Numerical Control)的縮寫，它是在硬線數(shù)控(NC)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由一臺計算機完成早期NC機床數(shù)控裝置的所有功能，并用存儲器實現(xiàn)了零件加工程序的存儲。圖1-5 CNC系統(tǒng)構(gòu)成圖1-6是典型的微處理器數(shù)控系統(tǒng)框圖。其各組成部分功用如下所述： (1) 微處理器CPU及其總線。(2) 存儲器。 (3) MDI/CRT接口。(4) 輸入裝置(紙帶讀入和穿孔輸出接口)。(5) 數(shù)據(jù)輸入/輸出(I/O)接口。(6) 位置控

5、制及主軸控制。(7) 可編程控制器(PLC)接口。1.2.2 CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)軟件是為實現(xiàn)CNC系統(tǒng)各項功能所編制的專用軟件，也叫控制軟件，存放在計算機EPROM中。1輸入數(shù)據(jù)處理程序(1) 輸入程序。(2) 譯碼程序。(3) 數(shù)據(jù)處理程序。2插補計算程序3速度控制程序4管理程序5診斷程序1.2.3 插補原理插補運算可有硬件插補(插補器)和軟件插補兩種實現(xiàn)方式。而按插補計算方法又可細分為逐點比較法、數(shù)字積分法、時間分割法和樣條插補法等多種。圖1-7 逐點比較插補法及其工作節(jié)拍1.2.4 典型數(shù)控系統(tǒng)1日本FANUC系列數(shù)控系統(tǒng)2德國SIEMENS公司的SINUMERIK系列數(shù)控系

6、統(tǒng)3華中數(shù)控系統(tǒng)HNC1.3 數(shù)控機床及其坐標系統(tǒng)1.3.1 數(shù)控機床及其分類1按加工工藝方法分類按傳統(tǒng)的加工工藝方法來分有：數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機床、數(shù)控沖床、數(shù)控折彎機、數(shù)控電加工機床、數(shù)控激光與火焰切割機和加工中心等。2按加工控制路線分類 有點位控制機床、直線控制機床和輪廓控制機床。圖1-8 按加工控制路線分類(a) 點位控制；(b) 直線控制；(c) 輪廓控制3按機床所用進給伺服系統(tǒng)不同分類 有開環(huán)伺服系統(tǒng)型、閉環(huán)伺服系統(tǒng)型和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)型，見1.3.2節(jié)。4按所用數(shù)控裝置的不同分類 有NC硬線數(shù)控和CNC軟線數(shù)控機床。5按控制坐標軸數(shù)目分類

7、 按機床數(shù)控裝置能同時聯(lián)動控制的坐標軸的數(shù)目來分，有兩坐標聯(lián)動數(shù)控機床、三坐標聯(lián)動數(shù)控機床和多坐標聯(lián)動數(shù)控機床。1.3.2 數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)1開環(huán)伺服系統(tǒng)圖1-9 開環(huán)伺服系統(tǒng)2半閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖1-10 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3閉環(huán)伺服系統(tǒng)圖1-11 閉環(huán)伺服系統(tǒng)1.3.3 數(shù)控機床的主軸驅(qū)動1對主軸驅(qū)動的要求(1) 數(shù)控機床主傳動要有較寬的調(diào)速范圍并盡可能實現(xiàn)無級變速。(2) 較高的回轉(zhuǎn)精度和良好的動態(tài)響應(yīng)性能。(3) 有旋轉(zhuǎn)進給軸(C軸)的控制功能。(4) 具有恒線速切削功能。(5) 主軸準?？刂乒δ?。2主軸調(diào)速與驅(qū)動數(shù)控機床的主軸驅(qū)動主要有以下四種配置方式。(1) 帶有變速齒輪的主傳動，如

8、圖1-12(a)所示。(2) 通過帶傳動的主傳動，如圖1-12(b)所示。(3) 用兩個電動機分別驅(qū)動主軸，如圖1-12(c)所示。(4) 內(nèi)裝電動機主軸傳動結(jié)構(gòu)，如圖1-12(d)所示。3主軸準停裝置圖1-13 主軸準停裝置1.3.4 數(shù)控機床的坐標軸與運動方向 (1) 先確定Z軸。(2) 再確定X軸。(3) 最后確定Y軸。1.3.5 機床原點、參考點和工件原點 機床原點就是機床坐標系的原點。它是機床上的一個固定的點，由制造廠家確定。機床坐標系是通過回參考點操作來確立的，參考點是確立機床坐標系的參照點。參考點(或機床原點)是用于對機床工作臺(或滑板)與刀具相對運動的測量系統(tǒng)進行定標與控制的點

9、，一般都是設(shè)定在各軸正向行程極限點的位置上。編程坐標系在機床上就表現(xiàn)為工件坐標系，坐標原點就稱之為工件原點。工件原點一般按如下原則選?。?1) 工件原點應(yīng)選在工件圖樣的尺寸基準上。(2) 能使工件方便地裝夾、測量和檢驗。(3) 盡量選在尺寸精度、光潔度比較高的工件表面上，這樣可以提高工件的加工精度和同一批零件的一致性。(4) 對于有對稱幾何形狀的零件，工件原點最好選在對稱中心點上。1.3.6 絕對坐標編程和相對坐標編程當運動軌跡的終點坐標是相對于線段的起點來計量的話，稱之為相對坐標或增量坐標表達方式。若按這種方式進行編程，則稱之為相對坐標編程。當所有坐標點的坐標值均從某一固定的坐標原點計量的話

10、，就稱之為絕對坐標表達方式，按這種方式進行編程即為絕對坐標編程。1.4 數(shù)控編程基礎(chǔ)1.4.1 數(shù)控加工程序的格式1.4.1 數(shù)控加工程序的格式 數(shù)控程序按程序段(行)的表達形式可分為固定順序格式、表格順序格式和地址數(shù)字格式三種。固定順序格式屬于早期采用的數(shù)控程序格式，因其可讀性差、編程不直觀等原因，現(xiàn)已基本不用。表格順序格式程序的每個程序行都具有統(tǒng)一的格式，加工用數(shù)據(jù)間用固定的分隔符分隔，其編程工作類似于填表。地址數(shù)字格式程序是目前國際上較為通用的一種程序格式。其組成程序的最基本的單位稱之為“字”，每個字由地址字符(英文字母)加上帶符號的數(shù)字組成。各種指令字組合而成的一行即為程序段，整個程序

11、則由多個程序段組成。即：字母+符號+數(shù)字指令字程序段程序。1.4.2 程序編制的過程及方法1程序編制過程(1) 分析零件圖紙。(2) 確定工藝過程。(3) 數(shù)值計算。(4) 編寫程序單。(5) 制備控制介質(zhì)。(6) 程序調(diào)試和檢驗。2程序編制方法數(shù)控程序的編制方法有手工編程和自動編程兩種。1.4.3 程序傳送的載體1穿孔紙帶穿孔紙帶是早期數(shù)控機床上常用的控制介質(zhì)。2數(shù)據(jù)磁帶3軟磁盤或聯(lián)機控制4MDI手動輸入1.5 數(shù)控加工的工藝處理數(shù)控加工工藝處理的主要內(nèi)容有：(1) 選擇適合在數(shù)控機床上加工的零件，確定工序內(nèi)容。(2) 分析被加工零件圖樣，明確加工內(nèi)容和技術(shù)要求，在此基礎(chǔ)上確定零件的加工方案

12、，制定數(shù)控加工工藝路線，如工序的劃分、加工順序的安排與傳統(tǒng)加工工序的銜接等。(3) 設(shè)計數(shù)控加工工序。(4) 調(diào)整數(shù)控加工工序的程序。(5) 分配數(shù)控加工中的容差。1.5.1 數(shù)控加工零件及加工方法的選定(1) 多品種、小批量生產(chǎn)的零件或新產(chǎn)品試制中的零件，短期急需的零件。(2) 輪廓形狀復(fù)雜，對加工精度要求較高的零件。(3) 用普通機床加工較困難或無法加工(需昂貴的工藝裝備)的零件。(4) 價值昂貴，加工中不允許報廢的關(guān)鍵零件。1.5.2 加工工序的劃分1按零件裝夾定位方式與加工部位劃分2按粗、精加工方式劃分3按所用刀具劃分工序1.5.3 工件的安裝與夾具的選擇1定位裝夾的基本原則(1) 力

13、求設(shè)計、工藝與編程計算的基準統(tǒng)一。(2) 盡量減少裝夾次數(shù)，盡可能在一次定位裝夾后，加工出全部待加工表面。(3) 避免采用占機人工調(diào)整式加工方案，以充分發(fā)揮數(shù)控機床的效能。2選擇夾具的基本原則(1) 當零件加工批量不大時，應(yīng)盡量采用組合夾具、可調(diào)式夾具和其他通用夾具，以縮短生產(chǎn)準備時間，節(jié)省生產(chǎn)費用。(2) 零件的裝卸要快速、方便、可靠，以縮短機床的停頓時間。(2) 夾具上各零部件應(yīng)不妨礙機床對零件各表面的加工。1.5.4 對刀點與換刀點的確定在進行數(shù)控加工編程時，往往是將整個刀具濃縮視為一個點，那就是“刀位點”。它是在刀具上用于表現(xiàn)刀具位置的參照點。對刀操作就是要測定出在程序起點處刀具刀位點

14、(即對刀點，也稱起刀點)相對于機床原點以及工件原點的坐標位置。圖1-23 對刀點與換刀點1.5.5 加工路線的確定加工路線是指刀具刀位點相對于工件運動的軌跡和方向。(1) 加工方式、路線應(yīng)保證被加工零件的精度和表面粗糙度。如銑削輪廓時，應(yīng)盡量采用順銑方式，可減少機床的“顫振”，提高加工質(zhì)量。 (2) 盡量減少進、退刀時間和其他輔助時間，盡量使加工路線最短。(3) 進、退刀位置應(yīng)選在不大重要的位置，并且使刀具盡量沿切線方向進、退刀，避免采用法向進、退刀和進給中途停頓而產(chǎn)生刀痕。 圖1-24 點位加工路線圖1-26 切入和切出對于槽形銑削，若為通槽，可采用行切法來回銑切，走刀換向在工件外部進行，如

15、圖1-27(a)所示。圖1-27 銑槽方案1.5.6 刀具與切削用量的選擇1 刀具的選擇2切削用量的確定切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速(切削速度)、背吃刀量和進給量。對于不同的加工方法，需要選擇不同的切削用量，并應(yīng)編入程序單內(nèi)。(1) 背吃刀量阿ap (mm)，亦稱切削深度。主要根據(jù)機床、夾具、刀具和工件的剛度來決定。(2) 主軸轉(zhuǎn)速n(r/min)主要根據(jù)允許的切削速度nc(m/min)選取。 (3) 進給量(進給速度)f(mm/min或mm/r)是數(shù)控機床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件材料性質(zhì)選取。1.6 數(shù)控加工的工藝指令和工藝文件1.6.1 程序中常用

16、的工藝指令1準備功能G指令2輔助功能M指令M指令也是由字母M和兩位數(shù)字組成。該指令與控制系統(tǒng)插補器運算無關(guān)，一般書寫在程序段的后面，是加工過程中對一些輔助器件進行操作控制用的工藝性指令。3F、S、T指令F指令為進給速度指令，是表示刀具向工件進給的相對速度，單位一般為mm/min，當進給速度與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)(如車螺紋)時，單位為mm/r。進給速度一般有兩種表示方法。代碼法和直接指定法。1.6.2 數(shù)控加工的工藝文件數(shù)控加工工藝文件既是數(shù)控加工、產(chǎn)品驗收的依據(jù)，又是操作者要遵守、執(zhí)行的規(guī)程，同時還為產(chǎn)品零件重復(fù)生產(chǎn)作了技術(shù)上的必要工藝資料積累和儲備。1數(shù)控加工工件安裝和零點設(shè)定卡片它應(yīng)表示出數(shù)控加工零件定位方法