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1、第1章 数控加工编程概述1.1 数控加工的基本工作原理 数控技术基本概念1、数控技术的产生20世纪40年头，美国Parsons公司与空军签订了发展一种柔性限制系统合同，希望在这种系统限制下的机床既适合中、小批量零件的生产，又能在规定精度条件下获得最高的生产效率。1949年作为主要承包商的Parsons公司在美国麻省理工学院（MJT）的帮助下，历经三年时间探讨，于1952年研制胜利了三坐标数控系统，并在Cincinnate铣床装备了这种系统。由于当时限制系统采纳电子管式，体积浩大、功耗大，除了军事部门运用外，其它行业几乎没有运用这一新技术。数控技术是指用字符、数字发出指令并实现自动限制的技术。科
2、学技术和社会生产飞速发展，制造技术发生了重大改变，社会对产品的质量、性能、品种、生产效率提出了更高要求。机械制造业80零件属于单件、小批量生产，传统的一般加工技术，因其生产效率低、劳动强度大、难以保证加工质量等众多缺点，已不能很好适应生产的须要。工业发达国家特别重视发展先进制造技术，将计算机、微电子、自动限制、自动检测、精密机械等技术有机结合在一起，应用于加工设备之中，来适应现代化生产的须要。数控技术是制造工业现代化的重要基础，它干脆影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界各国均实行重大措施发展数控技术。我国发展数控技术起步于1958年，受电子技术发展水平的制约
3、，长期未打开局面。到70年头末共生产了4108台数控机床，其中86是数控线切割机床。改革开放后，在引进、消化、汲取国外先进技术的基础上，目前我国已初步建成了以中、低档为主的数控机床的产业体系。特殊是近十年来，我国开发并生产了数控铣床、车床、磨床、加工中心等四十多个新品种，一些较高档次的五轴联动数控系统已经开发出来。引进和自行开发建成FMS（柔性制造系统）生产线及CIMS（计算机集成制造系统）。2、NC、CNC数控机床和加工中心NC（Numerical Control）是一种用数字化信息对某一工作过程进行可编程限制，实现加工自动化的限制技术。早期数控机床的NC装置是由各种逻辑、记忆元件组成的专用
4、电路，由硬件实现数控功能，称为硬件数控，用这种技术实现的数控机床一般称作NC机床。CNC（Computer Numerical Control），现代数控机床一般采纳小型计算机、微型计算机用为NC装置。由存放在存储器中的系统软件来实现逻辑限制，通过接口与外围设备进行联系，称为软件数控，用这种技术实现的数控机床一般称作CNC机床。数控机床是装有程序限制系统的机床，能逻辑地处理具有运用代码或其它符号编码指令规定的程序。它是计算机技术与机床相结合的产物，因此在实际运用中不同的场合具有多种含义。既可以在广义上代表一种限制技术，又可在狭义上作为数控技术的代名词。加工中心（CNC）是带有刀库和自动刀具交换
5、装置的数控机床。它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多道工序的加工，削减零件安装定位次数、换刀时间，从而缩短了协助加工时间，提高了机床加工精度和效率。目前加工中心是数控机床中应用最广、产量最大的数控机床。 数控机床组成及其工作原理用数控机床加工零件时，首先应依据图样编制加工程序。然后将加工程序送入数控装置，由数控装置限制机床运动，使刀具和工件产生相对位移，严格依据程序中规定的参数有条不紊地工作，从而加工出符合图样要求的零件。数控机床的种类很多，通常由存储介质、输入输出设备、计算机数控装置、伺服系统、检测反馈系统和机床本体组成,如图1-1所示。 图1-1 数控机床的组成1、存储介质数控机床工作
6、时，不须要工人干脆操作，但又必需执行人的意图。所以，在人和机床间要求建立某种联系，这种联系的媒介称为存储介质。数控机床是依据输入的工件加工程序运行的，数控程序中包含有刀具与工件相对运动轨迹、工艺参数（如进给量、主轴参数等）和协助运动等指令。存储介质可以是穿孔带、磁带、磁盘等，采纳哪种存储介质取决于数控装置的类型。随着微型计算机的广泛运用，磁盘正成为最主要的限制介质。2、输入、输出装置输入装置的作用是将存储介质内的加工信息读入数控装置内。依据存储介质不同，输入装置相应地有光电阅读机、磁带机、磁盘驱动器、USB接口、RS232串行接口，还可用键盘进行MDI手动输入加工程序；加工程序和加工的图形可以
7、通过输出装置中的CRT或液晶显示屏显示。 3、数控装置数控装置是数控机床的中枢，它的作用是接受输入装置送入的数字化信息，经过逻辑电路和限制软件译码、运算和逻辑处理后，输出指令脉冲信号到伺服系统，以限制机床依据程序中规定的动作执行加工过程。它限制各坐标的进给速度、方向和位移量；刀具的选择与交换；冷却液的启停；主轴的启停、变速、换向等。4、伺服系统伺服系统是数控装置与机床的连接环节。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动。相对于每一个脉冲信号，机床移动部件的位移量称作脉冲当量。常用的脉冲当量为0.01mm/脉冲、0.005mm/脉冲及0.001mm/脉冲。在数控机床的伺服系统中
8、，常用的伺服驱动元件主要有直流伺服电机、沟通伺服电机、直流电动机等。伺服系统的性能干脆影响机床的加工精度、零件的表面质量和生产率的凹凸。一般来说，要求伺服系统具有良好的快速响应性能、进给速度范围要大、灵敏而精确地跟踪指令功能和转速，在较大范围内有良好的工作稳定性。5、检测反馈系统检测反馈系统的作用是检测机床的运动方向、速率、距离等参数，并将物理量转变为电信号送入数控装置，使数控装置对工作的实际位置是否与指令设定值一样，并由数控装置向伺服系统发出指令脉冲，订正产生的误差。常用的检测装置有光栅、磁栅、旋转变压器、编码器、感应同步器等。其主要应用于闭环和半闭环限制的数控机床之中。6、机床机床是数控机
9、床的主体，是用于执行各种切削加工的机械部分。主要包括主运动部件（如主轴），进给运动部件（如工作台、刀架）和支承部件（如床身等），还有冷却、润滑、换刀机械手等协助装置。与一般机床相比，数控机床的外观、操作机构、整体布局都发生了很大改变，尤其是传动系统更为简洁，主运动、进给运动都是由单独的伺服电机驱动，传动链尽可能的缩短。为了保证机床的快速响应性，数控机床普遍运用滚珠丝杠和直线导轨副等。1.1.3 数控机床加工零件的全过程数控机床进行零件加工前应图样要求确定加工工艺，进行数值计算、编写加工程序、校验，后将程序送入数控系统处理，由数控机床依据程序进行切削加工，如图1-2所示。 图1-2 数控机床上加
10、工零件全过程1、数控机床上加工零件全过程（1）熟识图样通过细致阅读图样，了解零件材料、工件几何形态、尺寸及精度要求。（2）工艺处理图样加工所需设备、工装夹具、刀具、加工路途、加工余量和切削用量等。（3）数值计算借助计算器或计算机进行必要到数值计算、精度计算等。（4）数控编程依据机床编程手册，由前面所确定的加工路途、基点、节点坐标进行数控程序编制。（5）校验程序借助相应的软件对编制的程序进行加工模拟。（6）译码、数据处理、插补数控系统以程序段为单位将程序翻译成计算机内部能识别的数据格式，对编程轮廓进行刀具半径补偿，计算出刀具中心轨迹。依据程序中指定刀具运动的起点、终点和运动轨迹，完成起点与终点间
11、中间点的计算。（7）加工由数据机床依据程序把毛坯成半成品加工出合格的成品。2、数控机床加工零件编程举例编制如图1-3所示零件的铣槽加工程序。 图1-3 铣槽零件的编程（1）选择刀具、机床选10直柄立铣刀，刀号为T01。采纳数控铣床或数控立式加工中心对零件进行加工，型号可依据企业现有设备选取。（2）确定加工工艺用10直柄立铣刀按试切法对刀，设置工件坐标系O-XYZ如图所示。（3）编制加工程序如下N10 T01M06；（换上10直柄立铣刀刀）N20 G00G90G54X0Y0 Z100M03S900；（刀具定位到原点上方100毫米处，主轴正转，转速为900r/min）N30 X36Y-16；（刀具
12、对准A点）N40 Z5（快速落刀至工件上表面5毫米处）N50 G01 Z-6 F30；（刀具慢速落刀，进给速度为30 mm/min）N60 Y16 F100；（工速直线切削至B点，进给速度为100 mm/min）N70 G03X16Y36R20；（工速圆弧切削至C点）N80 G01 X-16；（直线切削至D点）N90 G03X-36Y16R20；（圆弧切削至E点）N100 G01Y-16；（直线切削至F点）N110 G03X-16Y-36R20；（圆弧切削至J点）N120 G01X16；（直线切削至H点）N130 G03X36Y-16R20；（圆弧切削至A点）N140 G00Z100；（快速抬
13、刀）N150 X0Y0 M05；（对准原点并主轴停止转动）N160 M02；（程序结束）1.2 数控机床的分类数控机床的种类繁多，通常有以下四种分类。 按限制刀具与工件相对运动轨迹分类1、点位限制数控机床点位限制数控机床的特点是数控装置仅限制机床的移动部件从一个点到另外一点的精确定位，对两点之间的移动轨迹不作要求，在移动过程中，刀具不进行切削加工。如图1-4所示，为了实现快速精确定位，移动部件先快速移动，接近终点时慢速移动，精确定位在终点位置。 图1-4 点位限制数控机床这类机床主要有数控镗床、数控钻床、数控冲床等。2、点位直线限制数控机床点位直线限制数控机床的特点是数控装置不仅要求机床的移动
14、部件从一点到另外一点的精确定位，还要求移动轨迹平行于坐标轴或两轴同时移动构成45的斜线，在移动过程中，刀具进行切削加工。如图1-5所示。 图1-5 点位直线限制数控机床这类机床主要有简易数控车床、数控铣床、数控磨床等。3、轮廓限制数控机床如图1-6所示，轮廓限制数控机床的特点是数控装置能够对两个或两个以上坐标轴同时进行限制，不仅限制机床移动部件的终点坐标，而且限制整个移动轨迹每一点的速度和位移，使机床加工出符合设计要求的各种外形困难的零件。 图1-6 轮廓限制数控机床这类机床主要有数控车床、数控铣床、加工中心等。 按加工方式分类1、金属切削类数控机床金属切削类数控机床指采纳车、铣、刨、磨、钻、
15、镗等各种切削加工方式去除多余金属材料的数控机床。此类机床有数控车床、数控铣床、加工中心等。2、金属成型类数控机床金属成型类数控机床指采纳挤、压、冲、拉等成形方式进行加工的数控机床。此类机床有数控弯管机、数控折弯机、数控压力机等。3、特种加工类数控机床主要有数控电火花加工机床、数控线切割加工机床、数控激光切割机床等。4、其它类型的数控机床主要有三坐标测量机、数控对刀仪、数控绘图仪等。 按限制轴数及联动轴数分类一般数控系统可以限制基本坐标X、Y、Z和绕X、Y、Z轴回转的A、B、C轴。联动轴数是指数控系统限制同时运动的坐标轴数。按联动轴数分为以下几种形式。1、两轴联动机床主要用于数控铣床加工轮廓曲面或数控车上加工旋转曲面。2、两轴半联动机床这种机床是指在加工中可两轴联动，另一轴作周期性进给的
