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1、2.4 数控机床加工,数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。,一、概述 （一）数控机床的产生 1结构日趋复杂、精度、性能日趋提高，效率、精度、自动化 2自动生产线，专用机床的出现：生产周期，准备时间长，产品更新慢； 37080%为单件、小批生产，一般用通用机床加工，对曲面、曲线或复杂零件靠样板或划线加工，或用靠模，精度和效率低；
2、41948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。 1952年，美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作，研制了第一台三坐标数控铣床：电子计算机，自动控制，伺服驱动，精密检测，新型结构等新技术成果，主要加工曲面零件,1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降； 1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广 1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的
3、发展。 60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC),使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。,1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4,（二）特点及应用 1自动化程度高，能适应不同零件的自动加工，生产准备周期短，利于更新换代； 2生产率、加工精度高，生产质量稳定 （1）定位精度0.03mm，重复时0.01mm （2）采用较大切削用量，自动
4、换速，自动换刀，无需工序间检测；较普通机床提高34倍 （3）机床本身精度高，可利用软件进行精度校正和补偿 3工序集中一机多用 4能高效、优质完成复杂型面零件的加工， 5高技术设备,（三）基本工作原理 1工艺与表面成型方法与普通机床相同，关键是自动控制原理与方法； 2数控机床使以数字化信息实现控制的； 3加工程序：与加工零件有关的信息，如工件与刀具运动规机的尺寸参数（进给尺寸）；切削加工工艺参数（主轴变速，刀具更换，冷却开停，工件夹紧、松开等）加工信息；用规范的文字、数字和符号组成的代码，按一定格式编写成的加工程序单。 4输入加工程序 5数控装置进行译码，寄存，运算后，控制伺服机构实现各功能。,
5、（四）数控机床的组成,1程序编制及程序载体 （1）编程 对加工零件进行工艺分析，再确定： 零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件安装位置； 刀具与零件相对运动的尺寸参数 加工工艺路线或加工顺序。工艺参数，以及辅助动作等。 程序载体,（2）输入装置：数控代码转化成电脉冲并送存在数控装置中， 光电阅读机，录放机，软盘驱动器，键盘输入等 （3）数控装置，及强电控制装置 核心：接受输入装置的脉冲信号，经系统软件或逻辑电路进行译码，运算处理或输出各种信号和指令，控制机床各个部分进行规定有序的动作。 输出信号：由插补运算决定的各坐标轴的进给位移量、进给方向和速度的指令，伺服系统驱动执行部件 *主轴变速
6、、换向，停启等 *选择、交换刀具，控制冷却，润滑，工件松开夹紧，分度等, 强电控制装置：介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统 主要作用：主运动变速，刀具选择交换，辅助动作等指令， 经编译、判断、功率放大后，直接驱动相应电器，液压，气动机械部件，完成动作 （4）伺服驱动系统及位置检测： 由伺服驱动电路和伺服驱动电机组成，与执行部件和传动部件组成进给系统 由指令控制执行部件的进给速度，方向，位移 伺服系统有开环、闭环和半闭环之分 （5）机床的机械部分，刀库，机械手,（五）数控机床分类 1按控制刀具相对工件移动的轨迹分 （1）点位控制系统：点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确
7、定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。 （2）直线控制系统：直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有平面铣削用的数控铣床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。 （3）连续控制系统连续轨迹控制(或称轮廓控制)能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。,2按检测及反馈分： （1）开环：开环伺服机构是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易
8、掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。,（2）闭环：位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。,脉冲指令,（3）半闭环：位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。,脉冲指令,二、数控加工程序编制 *什么是数控编程：将从零件图纸到获得数控机床所需的控制介质的全过程称为数控编程， *程序单：记录工艺过程、工艺参数的表格 *对普通机床
9、：由工艺人员制定零件加工工艺规程 （一）一般方法和步骤 1分析零件图，确定工艺过程 分析内容：材料，形状，尺寸，精度，毛坯形状及热处理等 确定是否适宜在数控机床上加工，以及哪种（车铣磨等） 确定工艺方法和加工路线，选定刀具和切削用量 基本原则：充分发挥机床功效，加工路线短，减少换刀次数。,2运动轨迹的坐标计算 （1）根据零件图样尺寸和所确定的加工路线及设定的坐标系，计算出数控机床所需输入的参数，如：起点，终点等；圆刀具：刀具中心轨迹，非圆曲线，进行节点计算。 （2）点位控制的一般只需简单的换算； （3）对轮廓控制：如形状简单（直线，圆弧），一般只算出交点，切点；当形状复杂时，通用计算机； 3编
10、写加工程序单：根据计算出的加工路线数据和一确定的工艺参数，刀位参数，结合数控系统对输入信息的要求，按规定的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序单。 4程序输入：手动输入，介质输入，通信输入 5程序校验,（二）编程方法 1手工编程：全部由人工完成，运用于形状简单的零件，坐标计算简单，主要直线，圆弧组成的轮廓； 2自动编程：复杂零件，非圆曲线，曲面的表面，或程序量大，或进型复杂的工步与工艺处理的零件（如数控车削，加工中心等）（通用计算机+自动穿孔机）,（三）程序编制的有关指令代码 *一般以机床说明书为准 1早期使用穿孔纸带，另有磁带，磁盘（或MDI） （1）优点：能清楚的反应数字，文字，符号
11、，最终变成二进制的数字指令 机械式代码，便于长期保存 存储的程序量大 （2）标准纸带 五孔（宽17.5mm），用于线切割；八孔（25.4mm），用于数控机床 根据孔道上有孔、无孔的不同组合表示各种代码,（3）EIA (Electronics Industries Association) 和ISO (International Organization for Standardization)的主要区别： （4）代码规律： 所有数字符在b5和b6有孔；字母字符A-O在b7上有孔；,2数控机床的坐标 （1）右手直角坐标系 *常以刀具移动时坐标正向为程序编制正向,*Z轴坐标：规定平行于主轴轴线的坐
12、标为Z坐标 无主轴时，规定平行与工件装夹表面的方向为Z坐标方向； 正方向位刀具离开工件方向。 *X轴坐标：如刀具旋转，Z轴水平，则从刀具（主轴）向工件 看时，X轴的正方向指向右边； Z轴垂直，则从主轴向立柱看：单柱，X轴正向指向右 双柱：从主轴向左立柱看，X正向指向右边 若工件旋转机床：X轴的运动方向是工件的径向并平行于横向拖板，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴正向。 *Y轴坐标：由右手坐标系定,Z轴垂直，则从主轴向立柱看：单柱，X轴正向指向右 双柱：从主轴向左立柱看，X正向指向右边 若工件旋转机床：X轴的运动方向是工件的径向并平行于横向拖板，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴正向。 *Y轴坐标
13、：由右手坐标系定,X,Z,（2）机床坐标系及机床原点 机床坐标系是机床上固有的坐标系，有固定的原点 基准线；基准面 目的：确定机床的运动方向和移动距离，确定工件位置，机床运动部件的特殊位置，（换刀点，参考点等）以及运动范围； 机床原点：由厂商确定 *参考点：为缩短返回原点的时间，根据实际加工需要设置机床原点。,（3）工件坐标系 以工件设计尺寸为依据建立的坐标系，目的是方便编程； 编程尺寸按工件坐标系中的尺寸确定； 工件原点偏置：测得的工件原点与机床原点之间的距离称为工件原点偏置，加工前预存到数控系统中，加工时，偏置量自动加到工件坐标上，使机床实现准确的坐标运动 所以：编程人员可以不考虑工件在机
14、床上的安装位置，直接按图纸尺寸编程。,（4）绝对坐标与增量坐标 绝对坐标系：所有坐标点均以某一固定原点计量的坐标系； 增量坐标系：以运动轨迹的终点为起点计量的坐标系 绝对坐标：以坐标原点为基准确定的坐标 G90 G01 X30 Y40 相对坐标：零件上后一点的坐标相对于前一点的增量 G91 G01 X-20 Y-10,3G指令、M指令及其他指令 （1）准备功能G指令 用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（插补功能），机床坐标系，坐标平面，刀具补偿，坐标偏置等 G00G99共100种，分模态代码，非模态代码 （2）辅助功能M指令 作用：控制机床开、关功能的指令，如：开、停冷却，主轴正反转，程序结束等
15、 M00M99共100个,（3）F、S、T指令 F指令进给速度指令 代码法：FXX XX进给速度的序号 直接指定法：F100表进给速度100mm/min常用 S指令主轴转速指令（r/min） T指令：刀具指令 TXX XX刀具编号,（四）程序结构和格式 1程序的构成 例：% 开始 O020 调出加工程序编号020 N001 G01 X80 Z-30 F0.2 S300 T0101 M03 LF N002 X120 Z-60 LF N125 G00 X500 Z-200 M02 EM,程序由程序段（block）组成，每个程序段由按一定顺序和规则排列的字（Word）组成。字是由表示地址的英文字母、
16、特殊文字和数字集合而成。字表示某一功能的一组代码符号，如X2500为一个字，表示X向尺寸为2500mm。程序段的格式较多，应用较广泛的是“可变程序段、文字地址程序段”格式(Word address format)。,2程序段格式 （1）字地址程序段格式 （2）特点： 程序简单直观，不易出错； 各字的先后排列并不严格 数据位数可多可少（ 不需要的字以及与上一段程序段相同的续效数字可以不写,3主程序和子程序 （1）子程序 （2）子程序以外的为主程序,（五）数控铣床的加工和程序编制 1平面轮廓的加工：直线+圆弧，两坐标联动 （1）G41 左刀补 （2）G42 右刀补 *当平面轮廓为任意曲面时，可用直线或圆弧逼近,例：材料为Q195，立铣刀10mm，刀号T01，在XK0816A铣床上，每边余量2mm N0010 G00 Z5 T01 S1000 M03 N
