数控技术第1章

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1、第1章 数控机床概述 1.1 数控机床的产生与发展 在20世纪40年代，汽车、飞机和航空制造工业发展 迅速，原来的加工设备已无法承担复杂型面零件的加工。麻省理工学院于1952年试制成功世界上第一台数控机 床样机。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型 面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。当前数控机床的发展方向：（1）高速 高的主轴转速、高的进给速度、高的换刀速度。 （2）高精度微米级到亚纳米级。 （3）高可靠性 （4）复合化 工件在一次装夹后，可完成多工序、多表面的复合加工。 （5）智能化加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过 程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题

2、。有：工艺参数自动生成；自动编程、人机界面；智能 诊断、监控等。 （6）柔性与集成化数控单机、加工中心、FMS、CIMS。1.2 数控机床的组成及特点定义：数字控制是一种借助数字、字符或者其他符号对某一 工作过程进行编程控制的自动化方法，简称数控 (Numerical Control，NC)。数控机床，就是用数控技术实时加工控制的机床。数控机床是集机、电、液、气、光高度一体化的产品 。 组成:数控机床由控制介质、输入输出装置、数控装置、伺 服驱动装置、检测装置和机床主体组成。（1）控制介质存储着加工零件所需要的全部操作信息，数控系统通过 这些信息来控制机床动作和加工零件。 （2）输入输出装置输

3、入输出装置主要实现程序编制、程序和数据的输入以 及显示、存储和打印。 （3）数控装置是数控系统的核心，接受来自输入装置的程序和数据， 并进行编译、运算和逻辑处理，最终将信号输出给伺服系 统。（4）伺服驱动装置是连接数控系统和机床主机的关键部分，它接受来自数 控系统的指令，驱动数控机床上的执行件实现预期的运动 。（5）检测装置将数控机床各坐标轴的实际速度和位移检测出来，经反 馈系统输入到机床的数控装置中。 （6）机床主体机床主体主要指用于完成各种切削加工的机械部分， 包括床身、立柱、主轴、进给机构等。数控机床的特点 （1）提高零件的加工精度、稳定产品的质量。数控机床是按照预定的程序进行加工的，加

4、工过程中 消除了操作者人为因素的影响，零件加工的一致性好，质 量稳定。 （2）对加工对象的适应性强。由于数控机床具有多坐标联动功能，并可按照零件加 工的要求变换加工程序，所以它可以完成普通机床难以完 成或根本不能加工的复杂曲面的零件的加工。 （3）生产效率高。数控机床的主轴转速、进给速度快，定位精度高，从 而可以合理选择切削用量、减少停机次数，提高生产效率 。1.3 数控机床分类1)按机械加工的运动方式分类（1）点位控制数控机床只要求刀具能最终准确到达目标位置，而不控制点与点之间的运 动轨迹。有数控钻床，数控镗床，数控冲床等。（2）直线控制数控机床要保证点与点之间的准确定位，而且要控制两相关点

5、之间 的位移速度和路线，其路线一般是由平行于各坐标轴或与坐标轴成 45夹角的直线。有简易数控车床，简易数控铣床等。（3）轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床的数控系统能同时控制2-5个坐标轴联动，可 以使刀具和工件按平面直线、曲线或空间曲面轮廓进行相对运动，加 工出任何形状的复杂零件。有数控车床，数控铣床，加工中心等。2)按伺服系统的控制方式分类 （1）开环控制数控机床没有位置检测反馈装置，通常使用使用步进电动机作 为执行元件。 （2）闭环控制数控机床数控机床带有位置检测装置，其将位移的实际值反馈 回去与指令值比较，用比较后的差值去控制，直至差值消 除时才停止修正动作。 （3）半闭环控制系统的数控

6、机床与闭环系统的不同之处仅在于检测元件被安装在传动 链的旋转部位，它检测与位移量有关的旋转轴的转角量。3)按工艺用途分类 金属切削类数控机床:数控车床，数控钻床，数控铣床，数控磨床，数 控镗床及加工中心。这些机床都适用于单件、小批量和多 品种的零件加工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的 生产率和自动化程度，以及很高的设备柔性。 数控车床，能自动控制完成对轴类与盘类零件内外圆 柱面、圆锥面、圆弧面、螺纹等切削加工，并能进行切槽 、钻孔、扩孔和铰孔等工作。CNC车床由机床主轴带动工件旋转实现主运动，刀具 并不旋转，切削刀具安装的转塔刀架或四方刀架上，沿平 行主轴轴向（Z）和垂直主轴轴线的横向（X

7、）两个方向的 导轨，相对工件进给移动。图1-8 全功能数控车床HM-077外形和结构组成 1-主轴电机 2-主轴箱 3-排屑器 4-卡盘 5-防护罩 6-尾座 7- 刀架 8-床鞍滑板 9-床身 10-操作面板 数控车床的进给系统与传统通用车床的进给系统在 结构上存在着本质上的差别:传统卧式车床主轴的运动经过挂轮架、进给箱、 溜板箱传到刀架，实现纵向和横向进给运动，传动路线长 ，传动精度低。而数控车床是采用伺服电动机，经滚珠丝 杠传到滑板和刀架，实现Z向（纵向）和X向（横向）进 给运动，传动路线短，传动精度高。 数控铣床，常主要设计为轮廓加工和孔加工的具有 铣镗功能的数控机床。它可以进行平面铣

8、削、型腔铣削、 外形轮廓铣削、三维及三维以上复杂型面铣削，还可进行 钻削、镗削、螺纹切削等孔加工。加工中心、柔性制造单 元等都是在数控铣床的基础上产生和发展起来的。主轴在空间处于垂直状态的，称为立式数控铣床；主 轴在空间处于水平状态的，称为卧式数控铣床。 图1-9 立式数控铣床图 图 1-10 卧式数控铣 床 加工中心（Machining Center）是适应省力、省时 和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床。 相对那些普通数控机床更具有灵活性和适应性，并且效率 更高，工艺能力更强，自动化程度更高。图1-11 JCS- 018A型加工中心,机床能进行X、Y、Z三个坐标轴联动加工 。机

9、床有刀库，可装各类钻、铣类刀具并自动换刀。 车削加工中心 车削加工中心以车削为主，主体是数控车床，机床上 配备有转塔式刀库或由换刀机械手和链式刀库组成的大容 量刀库。车削加工中心还配置有铣削动力头。 镗铣加工中心镗铣加工中心，它将数控铣床、数控镗床、数控 钻床的功能聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装 置。镗铣加工中心是机械加工行业应用最多的一类数控设 备，其工艺范围主要是铣削、钻削和镗削。 （2）金属成型类数控机床金属成型类数控机床有数控冲床、数控压力机、数控 折弯机、数控弯管机等。 （3）数控特种加工机床数控特种加工机床包括数控线切割机床、数控电火花 加工机床、数控火焰切割机、数控激光

10、切割机床、专用组 合机床等。1.4 数控机床的坐标系 1.4.1坐标轴的命名 按照国际标准ISO841规定：数控机床的坐标轴采用右手 直角笛卡尔坐标系进行命名。该坐标系中，有三个互相垂 直的坐标(X、Y、Z坐标)，三个坐标的交点为坐标系的原 点。 坐标轴的命名规定 （1）坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行。 （2）A、B、C分别表示绕X、Y、Z的轴线或绕与X、Y、Z轴 线相平行的轴的转动。其正方向用右手螺旋定则确定。 （3）加工过程中不论是刀具移动还是工件移动，一律假 定工件静止不动，而刀具在移动，并规定刀具远离工件的 运动方向为坐标轴的正方向。1.4.2. 机床坐标系的确定方法 确定

11、机床坐标轴时，一般先确定Z轴，再确定X轴和Y轴 。 (1) Z轴。规定平行于机床主轴的轴线作为Z轴，刀具远离 工件的方向为Z轴的正方向。(2) X轴。规定X轴位于水平面内，垂直于Z轴并平行于工 件装夹面。对于工件旋转的机床，如车床，X轴在工件的径向并 平行于横向拖板，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的 正方向。对于刀具旋转的机床，若Z轴是水平的，如卧式 铣床、镗床等，则从刀具（主轴）后端向工件方向看，X 轴的正方向指向右边。若Z轴为垂直的，如立式铣床、钻 床等，面对刀具（主轴）向立柱方向看，X轴的正方向指 向右边。(3) Y轴。Y轴方向根据已选定的Z、X轴按右手直角笛 卡尔坐标系来确定。 (4

12、) A、B、C的转向。选定X、Y、Z坐标轴后，根据右手 螺旋定则来确定A、B、C三个转动的正方向。图图1-131-13卧式车床卧式车床 图图1-141-14立式铣床立式铣床 图图1-161-16卧式铣床卧式铣床1.4.2 机床坐标系与工件坐标系 1.机床坐标系与机床原点机床坐标系，是机床上固定的坐标系，机床坐标系的原 点又叫机床原点O（机械原点），是数控机床进行加工运 动的基准参考点。工件坐标系与工件原点 工件坐标系（ Workpiece Coordinate System ）固定于工 件上的笛卡尔坐标系，是编程人员在编制程序时用来确定 刀具和程序起点的，该坐标系的原点可由编程人员根据工 件加

13、工时的具体情况确定。 工件原点Op（程序原点），是指零件被装夹好后， 相应的编程原点在机床坐标系中的位置。对一般零件，工 件坐标系即为编程坐标系，工件原点亦即编程原点。对于车床，一般编程时，数控车床的工件坐标系 原点建立在工件右（或左）端面和主轴轴心线的交点处， 即右（或左）端面的中心。数控铣床的工件坐标系原点建 立在工件上表面几何中心处或上表面与某侧端面的交点处 。数控加工时，必须测量出工件坐标系原点，即工件原点 。1.3.机床坐标系与工件坐标系的关系 机床坐标系与工件坐标系的相应坐标轴一般相平行 ，方向也相同，但原点不同。工件原点与机床原点间的距 离称为工件原点偏置，加工时，这个偏置值需预

14、先输入到 数控系统中，自动的附加到工件坐标系上，使数控系统可 按机床坐标系确定加工时的坐标值。1.绝对坐标系所有坐标值均从坐标原点计量的坐标系即为绝对 坐标系。所用的编程指令称为绝对指令。绝对坐标常用X 、Y、Z代码表示。2. 增量坐标系 运动轨迹的终点坐标值相对于起点计量的坐标系称为增 量坐标系，其坐标原点是移动的。所用的编程指令称为增 量指令。增量坐标常用U、V、W代码表示。1.5 数控机床的插补原理 所谓插补是指数据点密化的过程。在对数控系统输 入有限坐标点（例如起点、终点）的情况下，计算机根据 线段的特征（直线、圆弧、椭圆等），运用一定的算法， 自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数

15、据，从而自 动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行 ，使机床加工出所要求的轮廓曲线。大多数 CNC 系统一般都具有直线和圆弧插补功能。对 于非直线或圆弧组成的轨迹，可以用小段的直线或圆弧来 拟合。1.5.1 脉冲增量插补 该插补算法主要为各坐标轴进行脉冲分配计算。其 特点是每次插补的结束仅产生一个行程增量，以一个个脉 冲的方式输出给步进电动机。在数控系统中，一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做 脉冲当量，通常用表示。基准脉冲插补通常有以下几种方法：逐点比较法、数 字积分法、比较积分法、矢量判断法、最小偏差法、数字 脉冲乘法器法等。 适用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统。1.逐点比

16、较插补法的原理及用法1基本原理每给x或y坐标方向一个脉冲后，使加工点沿相应方向 产生一个脉冲当量的位移，然后对新的加工点所在的位置 与要求加工的曲线进行比较，根据其偏离情况决定下一步 该移动的方向，以缩小偏离距离，使实际加工出的曲线与 要求的加工曲线的误差为最小。2工作节拍逐点比较插补法的一个插补循环包括四个节拍： 偏差判别判别加工点对规定曲线的偏离位置，决定进给方向； 进给根据偏差判别结果，控制刀具相对于工件轮廓进给一步 ，即向给定的轮廓靠拢，减少偏差； 偏差计算计算新的加工点对规定曲线的偏差，作为下一步偏差判 别的依据； 终点判别判断刀具是否到达加工终点，若到达终点，停止插补， 否则再回到第一个工作节拍。2.直线插补图1-21 直线插补轨迹1.5.2 数据采样插补