數(shù)控銑削加工理論教案

1、第1章概述（4學(xué)時(shí)）本章重點(diǎn)：數(shù)控機(jī)床的組成及各部分的作用數(shù)控機(jī)床的分類方法第1講2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展1.2 數(shù)控機(jī)床工作原理及組成1.3 數(shù)控機(jī)床的分類1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)字控制（NumericalControl,NC）,是用數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行控制的一種方法。1947年，美國(guó)的Parsons公司為了提高生產(chǎn)飛機(jī)零件的靠模和機(jī)翼檢查樣板的精度及效率，提出了用穿孔卡來控制機(jī)床的設(shè)想；后與MIT（麻省理工學(xué)院）合作，于1952年研制出了世界上第一臺(tái)試驗(yàn)性的三人材數(shù)控立銃床，控制裝置由真空管組成。1954年生產(chǎn)出了第一臺(tái)工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床，1955年類似產(chǎn)品投產(chǎn)了一百臺(tái)。

2、這些數(shù)控機(jī)床在復(fù)雜曲面零件加工中發(fā)揮了很大作用。半個(gè)世紀(jì)以來，隨著自動(dòng)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)及機(jī)械制造技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到了快速發(fā)展，產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，品種不斷增多。就數(shù)控裝置而言，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展過程：第一代數(shù)控裝置由真空管組成，第二代采用晶體管和印刷電路，第三代采用小規(guī)模集成電路，并出現(xiàn)了DNC（DirectNumericalControl,直接數(shù)控）控制方式，第四代采用大規(guī)模集成電路及小型通用計(jì)算機(jī)控制，被稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（ComputerizedNC,CNC,第一代采用微型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)（MicrocomputerNC,MNCo現(xiàn)在，大多采用多個(gè)

3、微處理器組成的微型計(jì)算機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，數(shù)控裝置的各項(xiàng)功能被分配到各個(gè)微處理器，在主微處理器的統(tǒng)一控制和管理下，并行、協(xié)調(diào)地工作，使數(shù)控機(jī)床向高精度、高速度方向發(fā)展。我國(guó)于1958年開始研制數(shù)控機(jī)床，“七五”期間，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。此后，采取自主開發(fā)中、高檔數(shù)控系統(tǒng)與購(gòu)買國(guó)外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合的方針，加速了我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的發(fā)展和使用水平的提高。數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品已覆蓋了車、銃、鏈、鉆、磨、齒輪加工、線切割加工、電火花加工等機(jī)床，另外各種機(jī)電產(chǎn)品或設(shè)備如加工中心、彎管機(jī)、火焰切割機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、繪圖機(jī)以及激光快速成型機(jī)等均采用數(shù)控技術(shù)原理進(jìn)行控制，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品品種已達(dá)300多種。1

4、.2 數(shù)控機(jī)床工作原理及組成數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)控技術(shù)對(duì)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)和切削加工過程進(jìn)行控制的機(jī)床，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是數(shù)控技術(shù)的最典型應(yīng)用。1.2.1 數(shù)控機(jī)床的組成典型數(shù)控機(jī)床的組成如圖所示。由圖可知，數(shù)控機(jī)床主要由零件加工程序、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、輔助控制裝置、檢測(cè)反饋裝置、機(jī)床本體等七部分組成，其中數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、輔助控制裝置、檢測(cè)反饋裝置又合稱為數(shù)控系統(tǒng)。實(shí)際上，零件加工程序并非數(shù)控機(jī)床的物理組成部分，但從邏輯上講，數(shù)控機(jī)床加工過程必須按數(shù)控加工程序的規(guī)定進(jìn)行，數(shù)控加工程序是數(shù)控機(jī)床加工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此常將數(shù)控加工程序作為數(shù)控機(jī)床的一個(gè)組成部分。1 .輸入裝置

5、數(shù)控機(jī)床的零件加工程序是通過程序輸入裝置輸入數(shù)控機(jī)床的。輸入裝置與輸入方法有關(guān)。(1)控制介質(zhì)輸入所謂控制介質(zhì)就是零件加工程序存貯介質(zhì)即程序載體。通常程序載體有穿孔紙帶、磁帶、磁盤、光盤等，與之相應(yīng)的輸入裝置為光電紙帶閱讀機(jī)、錄音機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器、光驅(qū)等。早期的數(shù)控機(jī)床常用穿孔紙帶存貯加工程序，即在特制的紙帶上穿孔，孔的不同位置的組合構(gòu)成不同的數(shù)字或數(shù)控代碼。通過光電紙帶閱讀機(jī)將紙帶上的零件加工程序轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制代碼輸入數(shù)控裝置中的存貯器。雖然現(xiàn)在很多數(shù)控機(jī)床上仍附帶有紙帶閱讀機(jī)長(zhǎng)磁帶錄機(jī)音機(jī)，但由于微型計(jì)算機(jī)的普遍使用期，穿孔紙帶和磁帶控制介質(zhì)的應(yīng)用已越來越少。(2)手工輸入利用鍵盤輸入控

6、制機(jī)床運(yùn)動(dòng)和刀具運(yùn)動(dòng)的指令。具體說有三種情況：手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入(ManualDataInput,MDI)，通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的相應(yīng)按鍵，把數(shù)控程序指令逐條輸入存儲(chǔ)器中。這種方法一般只適用于一些較為簡(jiǎn)短的程序。在數(shù)控顯示的程序編輯界面，通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的相應(yīng)按鍵，輸入程序指令，存于內(nèi)存中。后面有關(guān)章節(jié)中的手工編程主要就是采用這種輸入方法。用這種方法還可以調(diào)出已存入的數(shù)控程序并對(duì)其進(jìn)行編輯修改。在具有對(duì)話功能的數(shù)控裝置上，根據(jù)軟件的邏輯格式和顯示屏上的對(duì)話提示，選擇不同的菜單，輸入有關(guān)的數(shù)字和信息后，可自動(dòng)生成控制程序存入內(nèi)存。這種方法雖然是手工輸入，但卻是自動(dòng)編程。(3)通訊方式輸入存儲(chǔ)器

7、從自動(dòng)編程機(jī)上、計(jì)算機(jī)上或網(wǎng)絡(luò)上，將編制好的數(shù)控加工程序通過通信接口直接輸入數(shù)控裝置的存儲(chǔ)器。2 .數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心部件，由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括通用I/O接口、CPU存儲(chǔ)器、可編程序控制器(ProgrammableLogicController,PLC)及數(shù)字通信接口等。采用單微處理器的數(shù)控裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。軟件包括管理軟件和控制軟件。管理軟件用來管理零件程序的輸入、輸出，顯示零件程序、刀具位置、系統(tǒng)參數(shù)及報(bào)警，診斷數(shù)控裝置是否正常并檢查故障原因?？刂栖浖t完成譯碼、插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、位置控制等。數(shù)控裝置的主要功能為讀入數(shù)值并存儲(chǔ)、對(duì)程序進(jìn)行譯碼及數(shù)據(jù)處

8、理、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制和I/O處理，產(chǎn)生控制指令控制機(jī)床各部件協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，按確定的順序和設(shè)定的條件完成零件加工程序。輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床的機(jī)械與液壓部件之間的各種開關(guān)執(zhí)行電器的控制裝置。主要實(shí)現(xiàn)各種輔助功能控制，如機(jī)床的起停、換刀、冷卻液開關(guān)等控制，目前多由數(shù)控裝置內(nèi)置的可編程序控制器來實(shí)現(xiàn)。3 .伺服驅(qū)動(dòng)裝置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及位置、速度檢測(cè)反饋裝置三個(gè)部分組成。伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)裝置則是伺服電機(jī)的動(dòng)力源。來自數(shù)控裝置的控制指令脈沖經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，進(jìn)而通過機(jī)械傳動(dòng)裝置帶動(dòng)機(jī)床主軸、工作臺(tái)或刀架等機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，其輸入為電信號(hào)

9、，輸出為機(jī)床的位移、速度和力。4 .機(jī)床本體機(jī)床本體是實(shí)現(xiàn)切削加工的主體，對(duì)加工過程起支撐作用。數(shù)控機(jī)床的精度、精度保持性、剛性、抗振性、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、熱穩(wěn)定性等主要性能均取決于機(jī)床本體。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件包括：主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件如工作臺(tái)、拖板及其傳動(dòng)部件以及床身、立柱等支承部件，此外還有冷卻、潤(rùn)滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。對(duì)于加工中心類的數(shù)控機(jī)床，還有存放刀具的刀庫(kù)、刀具交換裝置等部件。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部件的組成與普通機(jī)床相似，但傳動(dòng)結(jié)構(gòu)要求更為簡(jiǎn)單，在精度、剛度、抗振性等方面要求更高，而且其傳動(dòng)和變速系統(tǒng)要便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。1.2.2數(shù)控機(jī)床的工作原理在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，首先根

10、據(jù)零件圖樣的要求，結(jié)合所采用的數(shù)控機(jī)床的功能、性能和特點(diǎn)，確定合理的加工工藝，編程相應(yīng)的數(shù)控加工程序，并采用適當(dāng)?shù)姆绞綄⒊绦蜉斎氲綌?shù)控裝置。在數(shù)控機(jī)床加工過程中，數(shù)控裝置對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行編譯、運(yùn)算和處理，輸出坐標(biāo)控制指令到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，順序邏輯控制指令到PLC通過伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和PLC驅(qū)動(dòng)機(jī)床刀架或工作臺(tái)按照數(shù)控加工程序規(guī)定的軌跡和工藝參數(shù)運(yùn)動(dòng)，從而加工出符合圖紙要求的零件。1.3數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的種類很多，分類方法不一。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的功能和組成，可以從如下幾個(gè)不同的角度進(jìn)行分類。1.3.1 按數(shù)控機(jī)床的加工工藝分類1 .普通數(shù)控機(jī)床根據(jù)數(shù)控機(jī)床的加工工藝不同，并與傳統(tǒng)機(jī)床的稱謂相對(duì)應(yīng)，

11、可將數(shù)控機(jī)床分為數(shù)控車床，數(shù)控銃床，數(shù)控鉆床，數(shù)控磨床，數(shù)控鍵床等。2 .加工中心機(jī)床將多種加工工藝內(nèi)容集中在同一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，并具有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，可在工件一次裝卡后連續(xù)自動(dòng)地完成銃削、鉆削、鏈削、較孔、擴(kuò)孔、攻絲等多道工序的加工，這樣的數(shù)控機(jī)床叫加工中心(MachiningCenter,MC)。常見的加工中心機(jī)床有車削加工中心和鉆銃鏈加工中心。3 .特種加工機(jī)床特種加工機(jī)床有數(shù)控電火花、數(shù)控線切割、激光快速成型機(jī)、數(shù)控等離子切割、火焰切割等。4 .其它還有采用數(shù)控技術(shù)的其它設(shè)備如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控繪圖儀等。1.3.2 按控制系統(tǒng)的功能特點(diǎn)分類按數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的控制方式可將

12、數(shù)控機(jī)床分成點(diǎn)位控制、點(diǎn)位直線控制和輪廓控制三類。1 .點(diǎn)位控制(PointtoPointControl,PTP)點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是，只要求控制刀具相對(duì)于工件在機(jī)床加工平面內(nèi)從某一加工點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一加工點(diǎn)的精確坐標(biāo)位置，而對(duì)兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡原則上不加以控制，且在運(yùn)動(dòng)過程中不作任何加工，如圖所示。典型的點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床有數(shù)控鉆床、數(shù)控鍵床、數(shù)控沖床等。這類機(jī)床無需插補(bǔ)器，其基本要求是定位精度、定位時(shí)間和移動(dòng)速度，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡無精度要求。為了精確定位和提高定痊速度，運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，移動(dòng)部件首先高速運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)定位終點(diǎn)前減速以實(shí)現(xiàn)慢速接近定位點(diǎn)并最終準(zhǔn)確定位。2 .點(diǎn)位直線控制(StraightL

13、ineControlorParaxialControl)點(diǎn)位直線控制的數(shù)控機(jī)床又簡(jiǎn)稱為直線控制的數(shù)控機(jī)床。這類數(shù)控機(jī)床不僅可以控制刀具或工作臺(tái)由一個(gè)位置點(diǎn)到另一個(gè)位置點(diǎn)的精確坐標(biāo)位置，還可以控制他們以給定的速度沿著平行于某一坐標(biāo)軸方向作直線運(yùn)動(dòng)并在移動(dòng)的過程中進(jìn)行加工，如圖1.4所示。這類數(shù)控系統(tǒng)也可控制刀具或工作臺(tái)兩個(gè)坐標(biāo)同時(shí)以相同的速度運(yùn)動(dòng)，從而加工出與坐標(biāo)軸成45。的斜線。典型的點(diǎn)位直線控制的數(shù)控機(jī)床如簡(jiǎn)單的具有外圓、端面及45。錐面加工的數(shù)控車床。3 .輪廓控制(ContourControl)輪廓控制也稱連續(xù)控制。這類機(jī)床的特點(diǎn)是，不僅要求刀具相對(duì)于工件在機(jī)床加工空間內(nèi)從一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一

14、點(diǎn)的精確坐標(biāo)位置，而且要求對(duì)兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡及軌跡上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行精確控制，且能夠邊移動(dòng)邊加工，如圖所示。典型的連續(xù)控制數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控銃床、加工中心等。這類機(jī)床用于加工二維平面輪廓或三維空間輪廓。這類機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)帶有插補(bǔ)器，以精確實(shí)現(xiàn)各種曲線或曲面。能進(jìn)行連續(xù)控制的數(shù)控機(jī)床，一般也能進(jìn)行點(diǎn)位控制和點(diǎn)位直線控制。1.3.3 按伺服系統(tǒng)的功能特點(diǎn)分類按所采用的伺服系統(tǒng)控制方式不同，可將數(shù)控機(jī)床分成開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床三類。開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶位置反饋裝置數(shù)控機(jī)床，其伺服系統(tǒng)由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖所示。機(jī)床的工作精度取決于步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)精度及變速

15、機(jī)構(gòu)、絲杠等機(jī)械傳動(dòng)部件的精度。開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調(diào)試、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)部件的誤差沒有補(bǔ)償和校正，所以精度低。一般適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊機(jī)床數(shù)控化改造。部件的移動(dòng)速度和位移量是由輸入脈沖的頻率和脈沖數(shù)決定。2 .閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床有位置和速度的檢測(cè)裝置，并且直線位移檢測(cè)裝置直接裝在機(jī)床移動(dòng)部件如工作臺(tái)上，將測(cè)量的結(jié)果直接反饋到數(shù)控裝置中，與輸入指令進(jìn)行比較控制，使移動(dòng)部件按照指令要求運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)精確定位，如圖所示。因?yàn)榘褭C(jī)床工作臺(tái)納入了位置控制環(huán)，故稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床其伺服系統(tǒng)由交流或直流伺服驅(qū)動(dòng)和交流或直流伺服電機(jī)組成

16、。與伺服電機(jī)同軸剛性連接的測(cè)速器件，隨時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋至數(shù)控系統(tǒng)，與速度指令信號(hào)進(jìn)行比較，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)定位精度高、調(diào)節(jié)速度快。但該系統(tǒng)調(diào)試?yán)щy，系統(tǒng)復(fù)雜并且成本高，故適用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床，如精密數(shù)控鏈銃床、超精密數(shù)控車床等。3 .半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床也有位置和速度的檢測(cè)裝置，只是其角位移檢測(cè)裝置裝在交流或直流伺服電機(jī)的輸出軸上，通過檢測(cè)角位移間接地檢測(cè)移動(dòng)部件的位移，并反饋到數(shù)控系統(tǒng)中。由于慣性較大的機(jī)床移動(dòng)部件不包括在控制環(huán)中，因而稱作半閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖所示。由于系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可獲得穩(wěn)定的控制特性。另外，機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差可用誤差補(bǔ)償

17、的辦法消除，因此可獲得滿意的精度。半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床精度較高，安裝調(diào)試方便，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床中。1.1.4 按數(shù)控機(jī)床功能強(qiáng)弱分類按數(shù)控機(jī)床功能強(qiáng)弱可將數(shù)控機(jī)床分為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床、全功能型數(shù)控機(jī)床和高檔數(shù)控機(jī)床。1 .經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床又稱簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床，主要采用功能較弱、價(jià)格低廉的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置,多為開環(huán)控制，其機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)差異不大，剛度與精度均較低。由于這類機(jī)床經(jīng)濟(jì)性好，因此在我國(guó)中小企業(yè)中應(yīng)用廣泛。目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控儀表機(jī)床多為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，有些企業(yè)還用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，獲得經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量一般在0.0010.01mm

18、范圍內(nèi)。2 .全功能型數(shù)控機(jī)床3 .全功能型數(shù)控機(jī)床又稱普及型數(shù)控機(jī)床，采用功能完善、價(jià)格較高的數(shù)控裝置，采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制，直流或交流伺服電機(jī)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了強(qiáng)度、剛度、抗振性、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、精度、熱穩(wěn)定性和操作宜人等方面的要求，能實(shí)現(xiàn)高速、強(qiáng)力切削。全功能型數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量一般在0.11um范圍內(nèi)。4 .高檔型數(shù)控機(jī)床高檔型數(shù)控機(jī)床是指三軸以上聯(lián)動(dòng)控制、能加工復(fù)雜形狀零件的數(shù)控機(jī)床，或者工序高度集中、具備高度柔性的數(shù)控機(jī)床，或者可進(jìn)行超高速、精密、超精密甚至納米加工的數(shù)控機(jī)床。這類機(jī)床性能好、價(jià)格高，一般僅用在特別需要的場(chǎng)合。高檔型數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量一般為0.1um甚至更

19、小。1.1.5 按聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸數(shù)分類按所能控制聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸數(shù)目的不同，數(shù)控機(jī)床還可分成兩坐標(biāo)、三坐標(biāo)、四坐標(biāo)、五坐標(biāo)等數(shù)控機(jī)床。兩坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床主要用于加工二維平面輪廓，三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床主要用于加工三維立體輪廓，四坐標(biāo)和五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床主要用于加工空間復(fù)雜曲面或一些高精度、難加工的特殊型面。第2講2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：1.4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。1.5 數(shù)控系統(tǒng)的主要功能。1.4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍1.4.1 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)與傳統(tǒng)機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有下述顯著特點(diǎn)：1 .自動(dòng)化程度高數(shù)控機(jī)床上的零件加工是在程序的控制下自動(dòng)完成的。在零件加工過程中，操作者只需完成裝卸工件、裝刀對(duì)刀、操作鍵盤、啟動(dòng)加

20、工、加工過程監(jiān)視、工件質(zhì)量檢驗(yàn)等工作，因此勞動(dòng)強(qiáng)度低，勞動(dòng)條件明顯改善。數(shù)控機(jī)床是柔性自動(dòng)化加工設(shè)備，是制造裝備數(shù)字化的主角，是計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)、柔性制造系統(tǒng)(FlexibleManufacturingSystem,FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Compute門ntegratedManufacturingSystem,CIMS）等柔性自動(dòng)化制造系統(tǒng)的重要底層設(shè)備。2 .加工精度高數(shù)控機(jī)床的控制分辨率高，機(jī)床本體強(qiáng)度、剛度、抗振性、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、精度、熱穩(wěn)定性等性能均很好，具有各種誤差補(bǔ)償功能，機(jī)械傳動(dòng)鏈很短，且采用閉環(huán)或半閉環(huán)反饋

21、控制，因此本身即具有較高的加工精度。有數(shù)控機(jī)床的加工過程自動(dòng)完成，排除了人為因素的影響，因此加工零件的尺寸一致性好，合格率高，質(zhì)量穩(wěn)定。3 .生產(chǎn)率高一方面，數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)速度和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度范圍大且無級(jí)調(diào)速，快速空行程速度高,結(jié)構(gòu)剛性好，驅(qū)動(dòng)功率大，可選擇最佳切削用量或進(jìn)行高速高強(qiáng)力切削，與傳統(tǒng)機(jī)床相比切削時(shí)間明顯縮短。另一方面，數(shù)控機(jī)床加工可免去劃線、手工換刀、停機(jī)測(cè)量、多次裝夾等加工準(zhǔn)備和輔助時(shí)間，從而明顯提高數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率。此外，有些數(shù)控機(jī)床采用了雙工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，使工件的裝卸輔助時(shí)間與機(jī)床的切削時(shí)間重合，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。4 .對(duì)工件的適應(yīng)性強(qiáng)數(shù)控機(jī)床具有坐標(biāo)控制功能，配有完善的刀

22、具系統(tǒng)，可通過數(shù)控編程加工各種形狀復(fù)雜的零件。數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)速度和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度范圍大且無級(jí)調(diào)速，可適應(yīng)多種難加工材料零件的加工。數(shù)控機(jī)床屬柔性自動(dòng)化通用機(jī)床，在不需對(duì)機(jī)床和工件進(jìn)行較大調(diào)整的情況下，即可適應(yīng)各種批量的零件加工。5 .有利于生產(chǎn)管理信息化數(shù)控機(jī)床按數(shù)控加工程序自動(dòng)進(jìn)行加工，可以精確計(jì)算加工工時(shí)、預(yù)測(cè)生產(chǎn)周期，所用工裝簡(jiǎn)單，采用刀具已標(biāo)準(zhǔn)化，因此有利于生產(chǎn)管理的信息化?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床正向智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，可將工藝參數(shù)自動(dòng)生成、刀具破損監(jiān)控、刀具智能管理、故障診斷專家系統(tǒng)、遠(yuǎn)程故障診斷與維修等功能集成到數(shù)控系統(tǒng)中，并可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)支持下將多臺(tái)數(shù)控機(jī)床集成為柔性

23、自動(dòng)化制造系統(tǒng)，為企業(yè)制造信息化奠定底1.4.2 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍數(shù)控機(jī)床的性能特點(diǎn)決定了它的應(yīng)用范圍。對(duì)數(shù)控加工，可按適應(yīng)程度將加工對(duì)象大致分為以下三類：1 .最適應(yīng)類最適應(yīng)數(shù)控加工的零件有：形狀復(fù)雜，加工精度要求高，用普通加工設(shè)備無法加工或雖然能加工但很難保證加工精度的零件；用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線或曲面輪廓零件；具有難測(cè)量、難控制進(jìn)給、難控制尺寸的不開敞內(nèi)腔的殼體或盒型零件；必須在一次裝夾中完成鉆、銃、鏈、錢等多道工序的零件。2 .較適應(yīng)類較適應(yīng)數(shù)控加工的零件有：在普通機(jī)床上加工生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量難穩(wěn)定控制的零件。另外毛坯獲得困難，不允許報(bào)廢的零件，在普通機(jī)床上加工時(shí)有一定難度

24、，受機(jī)床調(diào)、操作人員精神及工作狀態(tài)等多種因素影響，容易產(chǎn)生次品或廢品，應(yīng)用數(shù)控機(jī)床加工。用于改型比較以便進(jìn)行性能或功能測(cè)試的零件，其尺寸一致性要求高，應(yīng)在數(shù)控機(jī)床上加工。3 .不適應(yīng)類不適應(yīng)數(shù)控加工的零件一般是指：經(jīng)過數(shù)控加工后，在生產(chǎn)率與經(jīng)濟(jì)性方面無明顯改善，甚至可能弄巧成拙或得不償失。這類零件大致有以下幾種：生產(chǎn)批量大的零件（當(dāng)然不排除其中個(gè)別工序用數(shù)控機(jī)床加工）；裝夾困難或完全靠找正定位來保證精度的零件；加工余量很不穩(wěn)定，且數(shù)控機(jī)床上無在線檢測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整零件坐標(biāo)位置的；必須用特定的工藝裝備協(xié)調(diào)加工的零件。1.5 數(shù)控系統(tǒng)的主要功能CNC系統(tǒng)的功能是指它滿足不同控制對(duì)象各種要求的能力，

25、通常包括基本功能和選擇功能。基本功能是數(shù)控系統(tǒng)必備的功能，如控制功能、準(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能、進(jìn)給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能、字符顯示功能和自診斷功能等。選擇功能是供用戶根據(jù)不同機(jī)床的特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能，如補(bǔ)償功能、固定循環(huán)功能、通信功能和人機(jī)對(duì)話編程功能等。1.5.1 數(shù)控系統(tǒng)的基本功能1 .控制功能控制功能是指CNCt置控制各運(yùn)動(dòng)軸的功能，其功能的強(qiáng)弱取決于能控制的軸數(shù)以及能同時(shí)控制的軸數(shù)(即聯(lián)動(dòng)軸數(shù))多少?？刂戚S有移動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸、基本軸和附加軸。一般數(shù)控車床只需同時(shí)控制兩個(gè)軸；數(shù)控銃床、鏈床及加工中心等需要有3個(gè)或3個(gè)以上的控制軸；加工空間曲面的數(shù)控機(jī)床需要3個(gè)以上的聯(lián)動(dòng)軸?？?/p>

26、制軸數(shù)越多，CNC裝置就越復(fù)雜，編制程序也越困難。2 .準(zhǔn)備功能準(zhǔn)備功能也稱G功能，用來指定機(jī)床的動(dòng)作方式，包括基本移動(dòng)、程序暫停、平面選擇、坐標(biāo)設(shè)定、刀具補(bǔ)償、基準(zhǔn)點(diǎn)返回、固定循環(huán)、公英制轉(zhuǎn)換等指令。它用字母G和其后的兩位數(shù)字表示。ISO標(biāo)準(zhǔn)中準(zhǔn)備功能有G00至G99共100種。3 .插補(bǔ)功能現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)將插補(bǔ)分為軟年粗插補(bǔ)和硬件精插補(bǔ)兩步進(jìn)行：先用軟件算出每一個(gè)插補(bǔ)周期應(yīng)走的線段長(zhǎng)度，即進(jìn)行粗插補(bǔ)，再由硬件完成線段長(zhǎng)度上的一個(gè)個(gè)脈沖當(dāng)量逼近，即精插補(bǔ)。由于數(shù)控系統(tǒng)控制加工軌跡的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，插補(bǔ)計(jì)算程序要求不能太長(zhǎng)，采用粗精二級(jí)插補(bǔ)能滿足數(shù)控機(jī)床高速度和高分辨率的發(fā)展要求。4 .進(jìn)

27、給功能進(jìn)給功能用F指令直接指定各軸的進(jìn)給速度。(1)切削進(jìn)給速度以每分鐘進(jìn)給量的形式指定刀具切削速度，用字母F和其后的數(shù)字指定。單位為mm/min。(2)同步進(jìn)給速度以主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)給量規(guī)定的進(jìn)給速度，單位為mm/r。(3)快速進(jìn)給速度數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定了快速進(jìn)給速度，它通過參數(shù)設(shè)定，且G00指令執(zhí)行快速移動(dòng)，還可用操作面板上的快速倍率開關(guān)修調(diào)。(4)進(jìn)給倍率機(jī)床操作面板上設(shè)置了進(jìn)給倍率開關(guān)，倍率一般可在0%-200g間變化，每檔間隔為10%使用進(jìn)給倍率開關(guān)不用修改程序中的F代碼，就可改變機(jī)床的進(jìn)給速度。5 .主軸功能主軸功能是指定主軸轉(zhuǎn)速的功能，用字母S和其后的數(shù)值表示，單位為r/min或mm/min

28、。主軸車t向用M03和M04指定。機(jī)床操作面板上設(shè)置主同倍率開關(guān)，可以不修改程序改變主軸轉(zhuǎn)速。6 .輔助功能輔助功能是用來指定主軸的起停轉(zhuǎn)向、冷卻泵開關(guān)、自動(dòng)換刀等的功能，用字母M和其后的兩位數(shù)字表示。在ISO標(biāo)準(zhǔn)中輔助功能有M00至M99共100種。7 .刀具功能刀具功能是用來選擇刀具的功能，用字母T和其后的2位或4位數(shù)字表示。8 .字符圖形顯示功能CNC裝置可配單色或彩色不同尺寸的CRT或液晶顯示器，通過軟件和接口實(shí)現(xiàn)字符和圖形顯示?？梢燥@示程序、參數(shù)、補(bǔ)償值、坐標(biāo)位置、故障信息、人機(jī)對(duì)話編程菜單、零件圖形等。9 .自診斷功能CNC裝置中設(shè)置了故障診斷程序，可以防止故障的發(fā)生或擴(kuò)大。在故障

29、出現(xiàn)后可迅速查明故障類型及部位，減少故障停機(jī)時(shí)間。不同的CNCt置診斷程序的設(shè)置不同，可以設(shè)置在系統(tǒng)程序中，在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行檢查和診斷，也可作為服務(wù)性程序，在系統(tǒng)運(yùn)行前或故障停機(jī)后診斷故障的部位。還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程通信完成故障診斷。1.5.2 數(shù)控系統(tǒng)的選擇功能1 .補(bǔ)償功能在加工過程中，由于刀具磨損或更換刀具，以及機(jī)械傳動(dòng)中的絲杠螺距誤差和反向間隙等，將使實(shí)際加工出的零件尺寸與程序規(guī)定的尺寸不一致，千萬加工誤差。CNC裝置的補(bǔ)償功能是把刀具長(zhǎng)度或半徑的補(bǔ)償量、螺距誤差和反向間隙誤差的補(bǔ)償量輸入它的存儲(chǔ)器，數(shù)控系統(tǒng)就按補(bǔ)償量重新計(jì)算刀具運(yùn)動(dòng)的軌跡和坐標(biāo)尺寸，加工出符合要求的零件。2 .固定循環(huán)

30、功能用數(shù)控機(jī)床加工零件，一些典型的加工工序，如鉆孔、鎮(zhèn)孔、深孔鉆削、攻螺紋等，所需完成的動(dòng)作循環(huán)十分典型，將這些典型動(dòng)作預(yù)先編好程序并存儲(chǔ)在內(nèi)存中，用G代碼指令形式進(jìn)行調(diào)用，形成固定循環(huán)。固定循環(huán)功能可大大簡(jiǎn)化程序編制。3 .通信功能CNCt置通常具有RS232cg口，有的還配置有DNCg口，可以連接多種輸入、輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)程序和參數(shù)的輸入、輸出和存儲(chǔ)。有的CNCt置可以與MAP（制造自動(dòng)化協(xié)議）相連，接入工廠的通信網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)FMSCIMS的要求。4 .人機(jī)對(duì)話編程功能有的CNCt置可以根據(jù)藍(lán)圖直接編程，編程員只需輸入表示圖樣上幾何尺寸的簡(jiǎn)單命令，就能自動(dòng)地計(jì)算出全部交點(diǎn)、切點(diǎn)和圓心坐標(biāo)，生

31、成加工程序。有的CN嚎置可能根據(jù)引導(dǎo)圖和說明顯示進(jìn)行對(duì)話式編程。有的CN嚎置還備有用戶宏程序，用戶自已編寫一些特殊加工子程序，使用時(shí)由零件主程序調(diào)入，可以重復(fù)使用。本章小結(jié)數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)或者裝備了數(shù)控系統(tǒng)控制的機(jī)床。1952年，美國(guó)Parsons公司與美國(guó)麻省理工學(xué)院合作，研制成功了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床一一三坐標(biāo)數(shù)控銃床。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有自動(dòng)化程度高、加工精度高、生產(chǎn)率高、對(duì)工件的適應(yīng)性強(qiáng)、有利于生產(chǎn)管理信息化等特點(diǎn)，在現(xiàn)代制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床的種類很多，按工藝用途可分為普通數(shù)控機(jī)床、加工中心和特種

32、加工數(shù)控機(jī)床；按數(shù)控機(jī)床功能強(qiáng)弱可分為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床、全功能型數(shù)控機(jī)床和高檔數(shù)控機(jī)床；按伺服系統(tǒng)的控制方式又可分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)數(shù)控機(jī)床。按控制聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸數(shù)目可分成兩坐標(biāo)、三坐標(biāo)、四坐標(biāo)、五坐標(biāo)等數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床主要由零件加工程序、輸入裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、輔助控制裝置、檢測(cè)反饋裝置、機(jī)床本體等七部分組成，其中數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、輔助控制裝置、檢測(cè)反饋裝置又合稱為數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的功能有控制功能、準(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能、進(jìn)給功能、主軸功能、輔助功能、刀具功能、字符圖形顯示功能、自診斷功能、補(bǔ)償功能、固定循環(huán)功能、通信功能、人機(jī)對(duì)話編程功能。第2章數(shù)控編程中的數(shù)學(xué)處理(2學(xué)時(shí))本

33、章重點(diǎn)：基點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)的概念本章難點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算第3講2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：2.1 程序編制中的基點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)。2.2 程序編制中的誤差。2.3 非圓曲線的直線逼近方法。2.4 非圓曲線的圓弧逼近方法。2.1 數(shù)控編程中數(shù)值計(jì)算的內(nèi)容根據(jù)零件圖樣要求，按照已確定的加工路線和允許的編程誤差，計(jì)算出機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)所需輸入的數(shù)據(jù)，稱為數(shù)控編程白數(shù)值計(jì)算.對(duì)于帶有自動(dòng)刀補(bǔ)功能的數(shù)控裝置來說，通常要計(jì)算出零件輪廓上一些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)值。2.1.1 數(shù)控編程中數(shù)值計(jì)算的內(nèi)容1 .基點(diǎn)零件的輪廓曲線一般是由許多不同的幾何元素組成的，如直線、圓弧、二次曲線等。通常將各個(gè)幾何元素間的連接點(diǎn)稱為基點(diǎn)。如兩條直線的交點(diǎn)、直線與圓弧

34、的交點(diǎn)或切點(diǎn)、圓弧與圓弧的交點(diǎn)或切點(diǎn)、圓弧與二次曲線的交點(diǎn)或切點(diǎn)等。2 .節(jié)點(diǎn)一般數(shù)控系統(tǒng)都具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，當(dāng)零件的輪廓為非圓曲線時(shí)，常用連續(xù)的直線段或圓弧段逼近零件輪廓曲線，逼近直線或逼近圓弧與非圓曲線的交點(diǎn)或切點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn).3 .刀具中心軌跡的計(jì)算對(duì)于不具有刀具補(bǔ)償功能的數(shù)控機(jī)床，如某些經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床，必須計(jì)算刀具中心軌跡。4 .輔助計(jì)算輔助計(jì)算包括增量計(jì)算、脈沖數(shù)計(jì)算和輔助程序段的數(shù)值計(jì)算。不同的數(shù)控系統(tǒng)輔助計(jì)算的內(nèi)容和步驟也不盡相同。(1)增量計(jì)算絕對(duì)坐標(biāo)編程時(shí)，一般不需要計(jì)算增量值。用增量坐標(biāo)編程時(shí)，輸入的終點(diǎn)坐標(biāo)是相對(duì)于本次運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)的增量值；對(duì)于圓弧段，當(dāng)用起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓心

35、坐標(biāo)編程時(shí)，需計(jì)算圓弧終點(diǎn)相對(duì)于起點(diǎn)的坐標(biāo)增量以及圓弧的圓心相對(duì)于圓弧起點(diǎn)的坐標(biāo)增量值。(2)脈沖數(shù)計(jì)算進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，單位通常是毫米，其數(shù)據(jù)常帶有小數(shù)點(diǎn)。對(duì)于開環(huán)系統(tǒng)來說，要求輸入的數(shù)據(jù)是以脈沖為計(jì)量單位的整數(shù)，因此，應(yīng)將計(jì)算出的坐標(biāo)數(shù)據(jù)換算成為脈沖數(shù)(坐標(biāo)數(shù)據(jù)除以脈沖當(dāng)量)，即進(jìn)行脈沖數(shù)計(jì)算。對(duì)于閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)，則可直接輸入帶小數(shù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。(3)輔助程序段的數(shù)值計(jì)算指由對(duì)刀點(diǎn)到切入點(diǎn)的切入程序，由零件切削終點(diǎn)返回到對(duì)刀點(diǎn)的切出程序，以及無尖角過渡功能數(shù)控系統(tǒng)的尖角過渡程序等所需的數(shù)值計(jì)算。2.1.2 程序編制中的允許誤差確定程序編制的允許誤差，不僅為制定加工方案提供了重要的依據(jù)，還對(duì)工藝

36、準(zhǔn)備工作中的某些要求(如夾具的定位、刀具的對(duì)刀等)提供了較為具體的參考數(shù)據(jù)。1 .數(shù)控加工誤差在數(shù)控加工中，其加工誤差A(yù)加將由多種誤差決定：4加=£(A編,A控,A伺,A刀,A定)(2-1)其中A編程序編制誤差；A控?cái)?shù)控裝置系統(tǒng)誤差；A伺伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)誤差；A刀對(duì)刀誤差;A定工件的定位誤差。2 .程序編制誤差通常所說的程序編制誤差A(yù)編，主要由以下兩項(xiàng)誤差決定：4編=£(4擬,A計(jì))(2-2)式中A擬為用直線或圓弧擬合零件輪廓曲線時(shí)所產(chǎn)后的誤差；計(jì)為在數(shù)學(xué)處理中，由計(jì)算過程而產(chǎn)生的數(shù)值計(jì)算誤差。3 .程序編制中的允許誤差在數(shù)控加工誤差中，由于數(shù)控裝置系統(tǒng)誤差一般極小，可忽略不計(jì)

37、，對(duì)刀誤差可通過自動(dòng)補(bǔ)償?shù)冉o予排除，因此伺服系統(tǒng)誤差和工件的定位誤差占數(shù)控加工誤差的比例很大，所以程序編制誤差A(yù)編允許占數(shù)控加工誤差A(yù)加的比例較小。確定程序編制允許誤差8允的途徑，主要是通過按一定比例壓縮其工件公差T工而實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)控加工實(shí)踐中，一般取8允為工件公差的1/3左右，對(duì)精度要求較高的工件，則取其工件公差的1/101/15。2.2 由直線和圓弧組成的零件輪廓的基點(diǎn)計(jì)算平面零件輪廓曲線多由直線和圓弧組成，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床都具有直線和圓弧插補(bǔ)功能、刀具半徑補(bǔ)償功能，因此只需計(jì)算出零件輪廓的基點(diǎn)坐標(biāo)即可。計(jì)算時(shí)，首先選定零件坐標(biāo)系的原點(diǎn)，然后列出各直線和圓弧的數(shù)學(xué)方程，求出相鄰幾何元素的交點(diǎn)

38、或切點(diǎn)即可。對(duì)于直線，均可化為一次方程的一般形式(2-3)(2-4)AxBy=C對(duì)于圓弧，均可化為圓的標(biāo)準(zhǔn)方程(x-)2(y-)2=R2式中，之、。為圓弧的圓心坐標(biāo)，R為圓弧半徑。解上述直線與直線、直線與圓弧、圓弧與圓弧聯(lián)立的方程組，即可求出相關(guān)的基點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)數(shù)控裝置沒有刀補(bǔ)功能時(shí)，需要計(jì)算出刀具中心軌跡上的基點(diǎn)坐標(biāo)。這時(shí)，可根據(jù)零件的輪廓和刀具半徑求零件輪廓的等距線。直線的等路線方程為(2-5)AxBy=C_r刀.A2B2同心圓的方程為(x，)2+(y-”)2=(R士r刀)2(2-6)式中，r刀為刀具半徑。解上述相關(guān)等距線方程聯(lián)立的方程組即可求出刀心軌跡的基點(diǎn)坐標(biāo)。2.3 直線逼近非圓曲線的

39、節(jié)點(diǎn)計(jì)算平面輪廓除了直線和圓弧外，還有橢圓、雙曲線、拋物線、阿基米德螺旋線等函數(shù)曲線。對(duì)于這類曲線，無法直接用直線、圓弧插補(bǔ)指令進(jìn)行加工，而常用直線段或圓弧段逼近曲線，因此需計(jì)算出相鄰二逼近直線或圓弧的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。用直線逼近非圓曲線的常用數(shù)學(xué)方法有三種：等間距法、等步長(zhǎng)法和等誤差法。2.3.1 等間距法等間距法就是將某一坐標(biāo)軸劃分為相等的間距，然后求出曲線上相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，將相鄰節(jié)點(diǎn)連成直線，用這些直線段組成的折線代替原來的輪廓曲線。如圖所示，沿X軸方向取等間距Ax,已知曲線方程為y=f(x)。由起點(diǎn)開始，設(shè)起點(diǎn)為(X0,y(),則Xi=x()+Ax,將xi代入y=f(x)得到y(tǒng)i,則(xi,yi)

40、即為求出的逼近直線的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)xi=xi-i+i.Ax依次求出yi=f(xi)得到一系列節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。Ax的取值應(yīng)保證各逼近直線段與曲線y=f(x)間的最大法向距離小于編程允許誤差8允。一般先取Ax=0.1試算出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，然后選擇曲線上曲率最大的曲線段進(jìn)行逼近誤差校驗(yàn)。2.3.2 等步長(zhǎng)法等步長(zhǎng)直線逼近即所有逼近線段的長(zhǎng)度都相等，如圖所示。計(jì)算步驟如下：1 .求Rmin：已知曲線方程為y=f(x),由于曲線各處的曲率不等，等步長(zhǎng)逼近后最大逼近誤差8max必然產(chǎn)生在曲率最大的地方，也即曲率半徑最小的地方。曲線上任一點(diǎn)的曲率半徑為23/2R=(y-)(2-10)y令亟=0,得dx3yy"

41、;2一(1一y'2)y=0(2-11)將y=f(x)、V、V、ym代入可求得x,將x代入式(2-4)即可求得RinoRnin為曲線上最小曲率半徑。2 .確定允許的步長(zhǎng)L:如圖2.2所示，在給定的允許誤差6介下的步長(zhǎng)L為：L:2,端-(Rm.-占允)2%2j2Rmin鼠(2-12)3 .求節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(xj,yi)：以曲線起點(diǎn)a(x0,y0)為圓心，以步長(zhǎng)L為半徑作圓與曲線y=f(x)相交于b點(diǎn)(x1)1)，求聯(lián)立方程組(2-13)(x-xa)2(y-Ya)2=L2y=f(x)可求得(x1,y1)。4 .順序以b、c為圓心，重復(fù)步驟3),即可求得其余各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。等步長(zhǎng)法計(jì)算過程簡(jiǎn)便，常用

42、于曲率變化不大的輪廓曲線的節(jié)點(diǎn)計(jì)算。2.3.3等誤差法該方法使得所有逼近線段的誤差8相等，以相等的誤差來確定各插補(bǔ)段的步長(zhǎng)。如圖2.3所示。設(shè)零件輪廓曲線方程為y=f(x),計(jì)算步驟如下：1 .作允差圓以起點(diǎn)a(xa，Ya)為圓心，以允許誤差6允為半徑作圓，稱為允差圓。其方程為222(x-xa)+(yYa)=8允(2-14)2 .求允差圓與曲線y=f(x)的公切線PT,點(diǎn)P(xp,yp),T(xT,yT)分別為該圓和曲線y=f(x)的公切線的切點(diǎn)，則切線的斜率K為(2-15)(2-16)Kxt-xp為求yT、yP、xT、xP,需求解聯(lián)立方程組，P=F(xP)允差圓方程iyT-yP=F(xP)(

43、xT-xP)允差圓切線方程yT=f(xT)曲線方程JT一Yp=f(xT)(xT-xP)曲線切線方程其中，Y=F(x)為允差圓方程。3 .過起點(diǎn)a作直線ab,使ab平行于公切線PT,交曲線y=f(x)于b點(diǎn)，則直線ab的方程為：(2-17)y-Ya=K(x-xa)4 .求下面聯(lián)立方程組的解，即可得節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(xb,yb)(2-18)卜-Ya=K(x-xa)y=f(x)c點(diǎn)，重復(fù)上述步驟依次求得c、5 .以b點(diǎn)為圓心，以允許誤差6允為半徑作圓交曲線于d、e各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。利用等誤差法，程序段數(shù)目最少，但計(jì)算過程較復(fù)雜。適用于復(fù)雜形狀的零件以及曲率變化較大的輪廓曲線的節(jié)點(diǎn)計(jì)算。2.4圓弧逼近非圓曲線的節(jié)點(diǎn)

44、計(jì)算常用的用圓弧逼近非圓曲線的節(jié)點(diǎn)計(jì)算方法有兩種：圓弧分割法和三點(diǎn)圓作圖法。本節(jié)僅介紹圓弧分割法。圓弧分割法應(yīng)用在曲線y=f（x）為單調(diào)的情況下，若不是單調(diào)曲線，可以在拐點(diǎn)處將曲線分段，使每段曲線為單調(diào)曲線。如圖所示，用圓弧分割法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)計(jì)算的方法與步驟如下：1 .求輪廓曲線y=f（X）起點(diǎn)（Xn,yj的曲率圓。其半徑為Rn=(1yn2)3/2Nyn(2-19)圓心坐標(biāo)為二Xn=yn1(yn)2_yn：yn2.1(yn)IFFyn2.求以（En,刀n）為圓心，以解聯(lián)立方程（2-20）Rn±8允為半徑的圓與曲線y=f(x)的交點(diǎn)(2-21)；(X-"+(y-，)2=(Rn&#

45、177;1)2y=f(x)得到（x,y）值，即為圓弧與y=f（x）的交點(diǎn)（Xn+1,yn+1）。式中，當(dāng)輪廓曲線曲率遞減時(shí)，取R+8允為半徑；當(dāng)輪廓曲線曲率遞增時(shí)，取R8允為半徑。重復(fù)以上步驟依次算她分割輪廓曲線的各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。3.求出y=f（x）上兩相鄰節(jié)點(diǎn)間逼近圓弧的圓心所求兩節(jié)點(diǎn)間的逼近圓弧是以（Xn，yn）為始點(diǎn)，以（Xn書，L書）為終點(diǎn)，以Rn為半徑的圓弧。分別以（xn,yn）和（xn書，yn+）為圓心，以Rn為半徑作兩個(gè)圓，兩圓弧的交點(diǎn)就是所求的圓心坐標(biāo)。即由聯(lián)立方程22,2_2(2-22)(XXn)+(yyn)=Rn=,、2,、2-2(x-Xn1)(y-yn1)=Rn解得的（X,y

46、）即為所求逼近圓弧的圓心坐標(biāo)（二尸m）。本章小結(jié)根據(jù)零件圖樣要求，按照已確定的加工路線和允許的編程誤差，計(jì)算出機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)所需輸入的數(shù)據(jù)，稱為數(shù)控編程的數(shù)值計(jì)算。數(shù)值計(jì)算的內(nèi)容有基點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算、刀具中心軌跡的計(jì)算、輔助計(jì)算。直線和圓弧組成的零件輪廓的基點(diǎn)計(jì)算采用初等幾何的方法，非圓曲線的節(jié)點(diǎn)計(jì)算有直線逼近法、圓弧逼近法。用直線逼近非圓曲線的常用數(shù)學(xué)方法有三種：等間距法、等步長(zhǎng)法和等誤差法。常用的用圓弧逼近非圓曲線的節(jié)點(diǎn)計(jì)算方法有兩種：圓弧分割法和三點(diǎn)圓作圖法。對(duì)列表曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)處理時(shí)，常用數(shù)學(xué)擬合的方法逼近零件輪廓，即根據(jù)已知列表點(diǎn)（也稱型值點(diǎn)）來推導(dǎo)出用于擬合的數(shù)學(xué)模型程序編

47、制誤差編=f（擬，計(jì)），擬為用直線或圓弧擬合零件輪廓曲線時(shí)所產(chǎn)后的誤差，計(jì)為在數(shù)學(xué)處理中，由計(jì)算過程而產(chǎn)生的數(shù)值計(jì)算誤差。數(shù)控加工誤差加=f（編,控，伺，刀，定），其中控為數(shù)控裝置系統(tǒng)誤差；伺伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)誤差；刀對(duì)刀誤差；定工件的定位誤差。程序編制允許誤差5允，主要是通過按一定比例壓縮其工件公差T工而實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)控加工實(shí)踐中，一般取程序編制的允許誤差為工件公差的1/3左右，對(duì)精度要求較高的工件，則取其工件公差的1/101/15。第3章數(shù)控編程基礎(chǔ)（6學(xué)時(shí)）本章重點(diǎn)：機(jī)床坐標(biāo)系建立的原則、如何確定機(jī)床坐標(biāo)系機(jī)床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、機(jī)床參考點(diǎn)程序格式常用G代碼:G0QG0«G02G03G

48、04G1又G18G19G4QG41、G42常用M代碼：M01M02M30M03M04M05M07M08F、S、T代碼本章難點(diǎn)：G92的使用，圓弧編程中I、J、K值的確定，G40G41G42的使用第4講2學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容：3.1 數(shù)控編程的概念。3.2 數(shù)控編程的基礎(chǔ)知識(shí)3.1概述數(shù)控加工程序編制是把加工零件的全部過程、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù)等，以代碼的形式記錄在控制介質(zhì)上，用控制介質(zhì)上的信息來控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)加工。把從零件圖分析到獲得數(shù)控機(jī)床所需的控制介質(zhì)的全過程稱作數(shù)控加工程序的編程。數(shù)控編程方法分為手工編程和自動(dòng)編程。3.1.1數(shù)控加工程序的內(nèi)容通常數(shù)控加程序包含以下內(nèi)容：(1)程序的

49、編號(hào)、程序段號(hào)。(2)工件原點(diǎn)的設(shè)置。(3)所用刀具的刀具號(hào)，換刀指令。(4)主軸的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速指令。(5)刀具的引進(jìn)、退出路徑。(6)加工方法，刀具切削運(yùn)動(dòng)的軌跡及進(jìn)給量(或進(jìn)給速度)指令。(7)其他輔助功能指令，如冷卻液的開、關(guān)，工件的松、夾等等。(8)程序結(jié)束指令。下面是一個(gè)鉆孔程序的實(shí)例。工件如圖所示，4個(gè)88mmE用88mnf占頭一次鉆通。其鉆孔加工程序如下：P0001N10T01M06S1000M03N20G54G90G00Z10N30G81G99X20Y40Z2I-15F80N40X40Y60N50X60Y40N60X40Y20N70G80G00Z50M05N80M30其中，

50、P0001是程序號(hào)地址及程序號(hào)，N10N70是程序段號(hào)。N10程序段的內(nèi)容是選1號(hào)刀，換刀，啟動(dòng)主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為1000r/min。N20程序段是建立工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的關(guān)系，同時(shí)將刀具快移至工件上表面上方10mmb。N30鉆孔固定循環(huán)，將刀具快速點(diǎn)定位至X20Y40處，快移至工件上方2mm以80mm/min速度鉆孔行程15mm然后快退至工件上方2mmN40在X40Y60位置重復(fù)鉆孔固定循環(huán)，鉆第二孔。N50在X60Y40位置重復(fù)鉆孔固定循環(huán)，鉆第三孔。N60在X40Y20位置重復(fù)鉆孔固定循環(huán)，鉆第四孔。N70取消鉆孔固定循環(huán)，快速退刀至工件上方50mn#,主軸停轉(zhuǎn)，程序結(jié)束。3.1

51、.2編制數(shù)控加工程序的步驟上述程序是用GM等指令代碼編寫的，需人工參與編程的全過程，并書寫程序單，被稱為手工編程。其一般步驟如下：1 .分析零件圖了解工件材料、毛坯，查看工件幾何形狀、尺寸、表面粗糙度及熱處理等各項(xiàng)技術(shù)要求。2 .確定零件數(shù)控加工工藝如確定加工內(nèi)容、加工設(shè)備、工裝、加工路線、加工余量、切削用量，編制數(shù)控加工工序卡、機(jī)床調(diào)整卡等。3 .進(jìn)行必要的數(shù)值計(jì)算如基點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，刀具中心軌跡的計(jì)算等。4 .編寫程序清單根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)編程手冊(cè)用機(jī)床能識(shí)別的指令代碼編程。5 .程序校驗(yàn)將程序輸入機(jī)床或編程模擬器，對(duì)所編程序進(jìn)行圖形模擬以驗(yàn)證其正確性。6 .首件試加工首件試加工并檢測(cè)加工零

52、件是否符合圖紙的各項(xiàng)要求，進(jìn)行必要的修改，進(jìn)一步確認(rèn)零件的正確性。3.2 數(shù)控編程基礎(chǔ)3.2.1 數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系建立的原則在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件的加工，通常使用直角坐標(biāo)系來描述刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)數(shù)控機(jī)床中的坐標(biāo)系及運(yùn)動(dòng)部件白運(yùn)動(dòng)方向的命名，應(yīng)符合JB3051-82的規(guī)定。1 .刀具相對(duì)于靜止的工件而運(yùn)動(dòng)的原則。由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的不同，有的機(jī)床是刀具運(yùn)動(dòng)，工件固定，有的是刀具固定而工件運(yùn)動(dòng)等等。為編程方便，在描述刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一律規(guī)定工件靜止，刀具運(yùn)動(dòng)。2 .描述直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的笛卡爾坐標(biāo)系，各坐標(biāo)軸及其正方向滿足右手定則。如圖所示，姆指代表X軸，食指代表丫軸，中指為Z軸，

53、指尖所指的方向?yàn)楦髯鴺?biāo)軸的正方向，即增大刀具和工件距離的方向。3 .規(guī)定分別平行于X、YZ軸的第一組附加軸為HV、W第二組WW口軸為P、QR4 .若有旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，規(guī)定繞X、丫Z軸的旋轉(zhuǎn)軸分別為A、B、C軸，其方向滿足右手螺旋定則。見圖3.2。若還有附加的旋轉(zhuǎn)軸時(shí)用DE定義，其與直線軸沒有固定關(guān)系。5 .用+X'、+Y'、+Z'、+A'、+B'、+C'表示工件相對(duì)于刀具運(yùn)動(dòng)的正方向，與+X、+丫+Z、+A+B、+C相反。3.2.2 如何確定機(jī)床的坐標(biāo)系1 .先確定Z軸對(duì)于有單個(gè)主軸的機(jī)床，平彳T于主軸方向的軸就是Z軸，其正方向?yàn)榈毒哌h(yuǎn)離工件的方向。機(jī)

54、床主軸是傳遞主要切削動(dòng)力的軸，可以表現(xiàn)為加工過程帶動(dòng)工具旋轉(zhuǎn)，也可表現(xiàn)為帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。如車床、內(nèi)外圓磨床的Z軸是帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的主軸；而鉆床、銃床、鏈床的Z軸則是帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)的主軸。當(dāng)機(jī)床有幾個(gè)主軸時(shí)，則垂直于工件裝夾平面的主軸為主要主軸，與該軸平行的方向?yàn)閆軸。如果機(jī)床沒有主軸，如數(shù)控懸臂刨床，則Z軸垂直于工件在機(jī)床工作臺(tái)上的定位表面。2 .再確定X軸X軸一般是水平的，平行于工件的裝夾平面。對(duì)于加工過程不產(chǎn)生刀具旋轉(zhuǎn)或工件旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，X軸平行于主切削方向，坐標(biāo)軸正方向與切削方向一致，例如前面提到的數(shù)控懸臂刨床。對(duì)于主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，例如數(shù)控車床，X軸分布在徑向，平行于橫向滑座，刀具遠(yuǎn)離主

55、軸中心線的方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的正方向。對(duì)于主軸帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，例如數(shù)控銃床，X軸在水平面內(nèi)。如果Z軸是水平布置的，例如臥式銃床，則沿主軸軸線方向由主軸向工件看X軸正方向指向右；如果Z軸是垂直布置的，例如立式銃床，則由主軸向立柱看X軸正方向指向右。對(duì)于龍門式機(jī)床，例如數(shù)控龍門銃床，則從與Z軸平行的主軸向左側(cè)立柱看，X軸的正方向指向右。3 .最后確定Y軸在確定了數(shù)控機(jī)床的X、Z軸及其正方向后，利用右手定則可確定Y軸的方向；根據(jù)X、Y、Z軸及其方向，利用右手螺旋定則即可確定軸線平行于X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)A、B、C的方向。機(jī)床坐標(biāo)可在機(jī)床使用說明書或機(jī)床標(biāo)牌上找到。3.2.3 機(jī)床坐標(biāo)系、機(jī)床原點(diǎn)、機(jī)

56、床參考點(diǎn)1 .機(jī)床坐標(biāo)系機(jī)床坐標(biāo)系是機(jī)床上固有的坐標(biāo)系，并設(shè)有固定的坐標(biāo)原點(diǎn)，是按上述原則由數(shù)控機(jī)床制造商提供，機(jī)床出廠時(shí)該坐標(biāo)系就已確定，用戶不能輕易修改。該坐標(biāo)系與機(jī)床的位置檢測(cè)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，是數(shù)控機(jī)床的基準(zhǔn)，機(jī)床每次上電開機(jī)后應(yīng)首先進(jìn)行回零操作來建立機(jī)床坐標(biāo)系。2 .機(jī)床原點(diǎn)機(jī)床原點(diǎn)又叫機(jī)械原點(diǎn)或機(jī)械零點(diǎn)，它是機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)。該點(diǎn)是機(jī)床上的一個(gè)固定點(diǎn)，其位置由機(jī)床制造商確定，是機(jī)床坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)。數(shù)控車床的機(jī)床原點(diǎn)一般設(shè)在卡盤前端面或后端面與主軸中心線的交點(diǎn)。數(shù)控銃床的機(jī)床原點(diǎn)，各生產(chǎn)廠不一致，有的設(shè)在機(jī)床工作臺(tái)左下角頂點(diǎn)，有的設(shè)在機(jī)床工作臺(tái)的中心，還有的設(shè)在進(jìn)給行程的終點(diǎn)。3 .機(jī)床參

57、考點(diǎn)機(jī)床參考點(diǎn)是機(jī)床坐標(biāo)系中一個(gè)固定不變的位置點(diǎn)，是用于對(duì)機(jī)床工作臺(tái)、滑板與刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定和控制的點(diǎn)。機(jī)床參考點(diǎn)通常設(shè)置在機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸正向極限位置，通過減速行程開關(guān)粗定位而由零點(diǎn)脈沖精確定位。機(jī)床參考點(diǎn)相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)其坐標(biāo)是一個(gè)已知定值，也就是說，可以根據(jù)機(jī)床參考點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值間接確定機(jī)床原點(diǎn)的位置。機(jī)床接通電源后，通常都要做回零操作，使刀具或工作臺(tái)訪問參考點(diǎn)，從而建立機(jī)床坐標(biāo)系。回零操作又稱為返回參考點(diǎn)操作。當(dāng)機(jī)床回零后，顯示器即顯示出機(jī)床參考點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，表明機(jī)床坐標(biāo)系已建立?；亓悴僮骱?，測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，置零或置一個(gè)定值?？梢哉f“回零”操作是對(duì)基準(zhǔn)的重新核定，可消除由