1、第3章 数控机床及其数控技术,,,2.5 数控机床简介,2.5.1数控机床的定义 数字控制NC(硬件数控）Numerical Control，用数字化信息（数字逻辑电路）发出指令并实现自动控制的技术； 计算机数控CNCComputerized Numerical Control，指用计算机实现部分或全部数控功能，是现代化工业生产中的一门新型高新技术。 数字控制机床（数控机床）是一种用数字化的代码作为指令，由数字控制系统进行处理、实现自动控制的机床，是综合应用计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等领域的先进技术成就而发展起来的一种新型自动化机床。它有效地解决了多品种、小批量生产精密、复杂零件
2、的自动化问题。,,2.5.2 数控机床的工作原理和组成,1.数控机床的工作原理数控机床通过控制刀具相对于工件的运动实现对零件的加工。数控装置按加工程序规定的运动轨迹要求，将刀具对工件的运动分割成最小的位移量，通过不断地向各坐标轴方向输出脉冲形式的指令，使刀具沿各坐标移动若干个脉冲当量，实现对工件的相对运动，完成对零件的加工。,,数控机床的工作原理(续)用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入装置送入数控系统中，经过数控系统的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大，驱动伺服电动机带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装
3、置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。,,2.5.2 数控机床的工作原理和组成,2.数控机床的控制原理数控加工中数据转换的过程:,,刀具补偿处理：编程时，通常将车刀刀尖作为一点来考虑，但实际上刀尖处存在圆角，左图。当用按理论刀尖点编出的程序进行端面、外径、内径等与轴线平行或垂直的表面加工时，是不会产生误差的。但在进行倒角、锥面及圆弧切削时，则会产生少切或过切现象，右图。,刀补处理,,插补处理,插补处理：数控装置在控制刀具进行轮廓加工时，需要在规定的加工轮廓起点和终点之间进行数值的“密化”，计算出多个中间点的坐标值，以控制机床各坐标轴的运动。插补方式
4、有直线插补，圆弧插补，抛物线插补，样条线插补等 。,如，加工曲线L，可将L分成L0，L1，L2，等线段，设切削Li 的时间为ti ，刀具在各坐标方向的位移量为 Xi 和 Yi 时，则,,在数控机床上加工任意曲线的零件时，用直线去逼近曲线，逼近误差应满足零件公差T的要求，即 max T,直线插补（linear interpolation ）：,在此方式中，根据两端点间的插补数字信息，计算出逼近实际圆弧的点群，控制刀具沿这些点运动，加工出圆弧曲线。,圆弧插补（Circula Interpolation）：,,数控机床的组成,3.数控机床的组成数控机床一般由输入装置、数控系统、伺服系统、检测环节和机
5、床本体(组成机床本体的各机械部件)等部分组成。数控机床组成示意图,,数控机床的组成,（1）程序编制数控机床的程序编制是建立在对加工零件进行充分的工艺基础上的。一般地，程序编制的过程包括：,确定零 件的编 程坐 标系,确定零 件加工 的工艺 路线,主运动 的启、 停、方 向、变 速,进给 运动 的速 度,选择 刀具,辅助 装置 的设 置,标准格 式的数 控程 序单,,（2）输入装置 操作面板：是操作人员与数控装置进行信息交流的工具，组成：按钮站/状态灯/按键阵列/显示器。下图为西门子的一款数控系统的操作面板：,数控机床的组成,人机交互设备数控机床在加工运行时，通常都需要操作人员对数控系统进行状态
6、干预，对输入的加工程序进行编辑、修改和调试，对数控机床运行状态进行显示等，也就需要人机交互设备：键盘、显示器、光电阅读机等。,,数控机床的组成,（3） 计算机数控（CNC）装置数控装置是数控机床的中枢，它如同机床的“大脑”，指挥着机床按预定程序动作。 组成：计算机(硬件和软件)系统、可编程控制器(PLC)和接口电路 作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。,,（4） 进给伺服驱动系统 伺服驱动的作用
7、，是把来自数控装置的位置控制移动指令(包括速度和位移信号）转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件。常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。,,数控机床的组成,（5） 位置检测装置位置检测装置是高性能数控机床的重要组成部分，安装在工作台或丝杠上，其作用是将机床移动的实际位置、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到CNC装置中，使CNC能随时判断机床的实际位置、速度是否与指令一致，并发出相应指令，纠正所产生的误差。,,数控机床的组成,（6）数控机床的机械部件机床本体数控机床的机械部件包括：主运动部件（如主轴组件、变速箱等），进给
8、运动执行部件，如工作台、拖板及其传动部件，床身、立柱等支承部件；此外，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手等部件。数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，与普通机床相比，应具有更好的抗振性和刚度，要求进给传动部分之间的间隙要小。所以其设计要求比通用机床更严格，加工、制造精度更高。,,我国第一台数控机床,名目繁多的数控机床,,名目繁多的数控机床,卧式数控车床,立式数控车床,,名目繁多的数控机床,立式数控铣床,卧式数控铣床,立卧两用数控铣床,,龙门式数控铣床,龙门加工中心,名目繁多的数控机床,,数控线切割快走丝机床,数控线切割慢走
9、丝机床,名目繁多的数控机床,,数控加工中心,卧式加工中心,立式加工中心,加工中心是带有刀库及自动换刀装置的数控机床，它可以在一台机床上实现多种加工。加工中心的刀库容量少则几把，多则几百把。加工中心上，工件一次装夹，可完成多种加工，既节省辅助工时，又提高加工精度。加工中心特别适用于箱体、壳体的加工。车削加工中心可以完成所有回转体零件的加工。,DMG DMC 70 H 卧式加工中心,,2.5.3 数控机床的分类,目前数控机床的品种很多，通常按下面四种方法进行分类。1、按运动方式分类 （1）点位控制数控机床 是指数控系统只控制机床的运动部件（刀具或工作台）从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的
10、轨迹不需要严格控制。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先以快速移动到终点附近位置，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。移动过程中刀具不进行切削。,这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。,,数控机床的分类,（2）直线控制数控机床 是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确地移动到下一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线。刀具移动过程可以进行切削。这类机床有数控车床、数控钻床和数控铣床等。,,数控机床的分类,（3）轮廓控制数控机床 也称连续切削数控机床 ，是指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制。它不仅能控制移动部件从一个点准确地移
11、动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。这类机床有数控铣床、数控车床、数控线切割机床和加工中心等。,,2、按伺服系统控制方式分类 （1）开环控制数控机床开环控制系统的特征是系统中没有位置和速度检测反馈装置，指令信息单方向传送，不再反馈回来。受步进电动机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度影响，开环系统的速度和精度都较低。但由于开环控制结构简单，调试方便，容易维修，成本较低，仍被广泛应用于经济型数控机床上。,数控机床的分类,,数控机床的分类,（2） 半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床不是直接检测工作台的位移量，而是采用转角位移检测元件，测出
12、伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。由于反馈环内没有包含工作台，故称半闭环控制。半闭环控制精度较闭环控制差，但稳定性好，成本较低，调试维修也较容易，因此应用比较普遍。,,数控机床的分类,（3） 闭环控制数控机床闭环控制数控机床是利用安装在工作台上的直线位移检测元件（光栅尺）将工作台实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。可见，闭环控制系统可以消除机械传动部件的各种误差和工件加工过程中产生的干扰的影响，从而使加工精度大大提高。这类机床特点是加工精度高，移动速度快，但调试和维修比较
13、复杂，成本高，目前主要用于精度要求很高的数控坐标镗床、数控精密磨床等。,,数控机床的分类,3、按联动轴数分类（对于轮廓控制数控机床） （1） 二轴联动主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。 （2） 二轴半联动主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给。,,数控机床的分类,（3） 三轴联动一般分为两类：第一类 ：X、Y、Z三个直线坐标轴联动，比较多见于数控铣床、加工中心等，下图为用球头铣刀铣削三维空间曲面。第二类 ：除了同时控制X、Y、Z其中两个直线坐标轴外，还同时控制某一旋转坐标轴，如数控车床。,,数控机床的分类,（4） 四轴联动同时控制X、Y、
14、Z三个直线坐标轴外，还同时控制某一旋转坐标轴。,,数控机床的分类,（5） 五轴联动同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴外，还同时控制某两个旋转坐标轴。刀具可以被定在空间的任何方位。,,数控机床的分类,4、按加工工艺及机床用途分类按工艺用途分类，数控机床可分为 （1）金属切削类主要包括数控钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床等，及加工中心。 （2）金属成形类主要包括数控压床、冲床、弯管机等。 （3）特种加工类主要包括数控电火花切割机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。另外，我国也有按数控系统的功能水平分类的，分为高、中、低三档。,,2.5.4 数控机床的特点和应用,1.数控机床的特点 （1）加
15、工精度高按预定程序自动加工，消除操作者的人为误差，零件的一致性好，可以获得比机床本身精度还高的加工精度和重复精度。 （2）对加工对象的适应性强当加工对象改变时，无需调整机床或制造专用夹具，只需更换加工程序，便可加工出新的零件，具有很高的“柔性”。 （3）加工形状复杂的工件比较方便数控机床能自动控制多个坐标联动，可以加工复杂表面。 （4）加工生产率高缩短加工准备时间、节省测量和检验时间、节约装夹时间，提高生产率。 （5）便于实现计算机辅助设计与制造一体化易于实现设计、制造一体化系统，实现快速重组、远程制造。但数控机床使用、维修技术高求高，价格贵。,,数控机床的应用,2.数控机床的应用范围 （1）
16、 批量小、品种多的零件； （2）几何形状复杂的零件； （3）贵重零件加工； （4）需要全部检验的零件； （5）急需件、试制件。数控机床具有一般机床所不具有的优点，其使用范围在不断扩大，但它并不能完全代替普通机床，也不能解决机械加工中的所有问题。通用机床、专用机床和数控机床的适用性不尽相同，主要受零件复杂程度和生产批量的影响。,,通用机床、专用机床和数控机床的适用性对比,,2.5.5 数控机床的发展趋势,1.高可靠性可靠性是数控机床质量的关键性指标，制约着数控机床的发展。其量化指标为数控系统MTBF值（平均无故障工作时间）， 从上世纪70年代的3000小时，发展到90年代的30000小时，目前达
17、到125个月。 2.高柔性化数控机床的出现，开创了柔性自动化加工的新纪元。目前正向单元柔性化和系统柔性化方向发展。 3.高精度化高精度化是数控技术追求的目标之一，包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度。目前已达微米级，以后会更小。 4.高速度化高速度化也是数控技术追求的目标之一，主要是提高切削速度，减少辅助时间。目前主轴转速可高达20000r/min（即333r/s）。 5.制造系统自动化、智能化以数控机床为主体的加工自动化从“点”、“线”、“面”向“体”发展。,,柔性制造系统,柔性制造系统（Flexible Manufacturing SystemFMS）,,3.2 数控加工工艺基础知识
18、,数控加工工艺是指利用数控机床加工零件时所运用的各种方法和技术手段的总和，它是人们大量数控加工实践的经验总结，是逐步发展和完善起来的一门应用技术。 数控加工工艺主要内容包括：,数 控 加 工 内 容,工艺 分析,数 值 处 理,确 定 加 工 方 案,选择 机床 刀具 夹具 量具,确定 切削 参数 编程 校验,试 切,工 艺 文 件,,3.2.1 数控机床的坐标系统和原点偏置,1、数控机床的坐标系数控机床的坐标系包括坐标系、坐标原点和运动方向。目前国际上标准的坐标系右手直角笛卡尔坐标系。,,数控机床的进给运动，有的由主轴带动刀具运动来实现，有的由工作台带着工件运动来实现。上述坐标轴正方向，是假
19、定工件不动、刀具相对于工件作进给运动的方向。如果是工件移动，则用加“” 的字母表示。按相对运动的关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：+X-X ， +y-y ， +Z-Z,,数控铣床的坐标系,数控车床的坐标系,,2、数控机床的坐标原点 （1）机床原点（machine origin）数控机床的基准位置，称为机床原点或机械原点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。,数控铣床的机床原点,数控车床的机床原点,,（2）机床参考点（reference point）是制造商在机床上用限位开关设置的一个物理位置，与机床原点相对位
20、置固定，出厂前已确定。通常数控铣床上机床原点和参考点重合；数控车床参考点是离机床原点最远的极限点；加工中心的参考点为机床的自动换刀位置。,数控车床的机床参考点,,（3）程序原点（program origin ）（或工件原点（part origin）是编程人员在数控编程过程中定义在工件上的几何基准点，程序原点一般用G92或G54G59（对于数控镗铣床）和G50（对于数控车床）设置。,数控铣床的程序原点,数控车床的程序原点,,（4）装夹原点（fixture origin）装夹原点常见于带回转（摆动）工作台的数控机床或加工中心，一般是机床工作台上的一个固定点，比如回转中心，与机床参考点的偏移量可通过
21、测量得到，然后存入数控系统的原点偏置寄存器中，供数控系统原点偏移计算用。,,3.2.2 数控系统的插补实现插补的任务就是根据进给速度的要求，完成在轮廓起点和终点之间的中间点的坐标值计算。人们一直在努力探求计算速度快同时计算精度高的插补算法，目前普遍应用的插补算法分为脉冲增量插补和数据采样插补两大类。,,（1）脉冲增量插补这类插补算法是以脉冲形式输出，每次插补运算一次，最多给每一轴一个进给脉冲。把每次插补运算产生的指令脉冲输出到伺服系统，以驱动工作台运动。 脉冲当量是脉冲分配计算的基本单位，根据加工的精度选择，普通机床取0.01mm，较为精密的机床取1m或0.1m 。插补误差不得大于一个脉冲当量
22、。 这种方法控制精度和进给速度低，主要运用于以步进电动机为驱动装置的开环控制系统中。,,（2）数据采样插补（数字增量插补）适用于闭环和半闭环以直流或交流伺服电动机为执行机构的数控系统。使用数字采样插补法的数控系统，其位置伺服通过计算机及检测装置构成闭环，插补结果输出的不是脉冲，而是数据。计算机实时地对反馈回路采样，得到的采样数据与插补程序所产生的指令数据相比较后，输出误差信号去驱动伺服电动机。加工轮廓的精度和插补周期（ 24ms ）有关，插补周期越长，输出的微小直线段的长度就越长，拟合的轮廓误差就越大。,,这类插补算法的特点是数控装置产生的不是单个脉冲，而是数字量。插补运算分两步完成。 第一步
23、为粗插补，它是在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小直线段来拟合给定曲线，每一微小直线段的长度L都相等。粗插补时每一微小直线段的长度L与进给速度F和插补T周期有关，即LFT。,,第二步为精插补，它是在粗插补算出的每一微小直线上再作“数据点的密化”工作。这一步相当于对直线的脉冲增量插补。,,3.2.3 数控系统的刀具补偿着重介绍车削加工中的刀尖半径补偿方法。当使用车刀来切削加工锥面时，必须将假设的刀尖点的路径作适当的修正，便之车削加工出来的工件能获得正确的尺寸，这种修正方法称为刀尖半径补偿。车削加工刀尖半径补偿分为左补偿（用G41指令）和右补偿（用G42指令）。,,3.2.4 数
24、控系统的指令集数控系统由一系列程序段和程序块构成。每个程序段用于描述准备功能、刀具坐标位置、工艺参数和辅助功能等。 1.程序段一般格式 如：N35 G01 X26.8 Y32. Z15.428 F152.,程序段号,准备功能,刀具运动的终点坐标,进给速度,（152mm/min）,（直线插补）,,2.常用的编程指令 （1）G指令（准备功能指令） 1）快速定位与插补指令a. G00（或G0）坐标快速定位b. G01（或G1）线性插补c. G02（或G2）（顺）圆弧插补G03（或G3）（逆）圆弧插补,模态指令,,如：a. G00 X0. Y0. Z100.刀具快速移动到（0，0，100）b. G01
25、 X10. Y20. Z20.刀具从当前位置沿直线运动到（10，20，20）,,c. G02（或G3） X20. Y20. I10. J0. X、Y为圆弧的终点坐标，I、J为圆弧相对于圆弧起点 (由上一条指令给出)的增量坐标,（a） 顺时针圆弧插补 （b） 逆时针圆弧插补,平面圆弧插补,,2）G17、G18、G19 坐标平面选择G17，指定X-Y平面上的加工G18，指定Z-X平面上的加工 模态指令G19，指定Y-Z平面上的加工(缺省为G17),,3）G40、G41、G42 刀具半径补偿(1) G41-左补偿，(2) G42-右补偿， 模态指令(3) G40-取消。缺省为G40。方向判断：按程序
26、路径前进方向刀具偏在零件左侧进给，叫左补偿；相反，叫右补偿。,,,4）G43、G44、G49 刀具长度补偿G43为刀具长度正向补偿，G44为刀具长度负向补偿， 模态指令G49为取消刀具长度补偿。缺省为G49。,,5）G54G59选择程序原点 G54第一工件坐标系设置 G55第二工件坐标系设置 G56第三工件坐标系设置 模态指令 G57第四工件坐标系设置 G58第五工件坐标系设置 G59第六工件坐标系设置 默认的缺省程序原点为机床参考点。,,6）G90、G91 绝对坐标及增量坐标编程G90绝对坐标编程模态指令G91增量坐标编程缺省为G90.,,7）G92(或G50) 设定工件坐标系工件坐标原点设
27、置 模态指令该指令只改变刀具当前的位置坐标，不产生任何机床动作。 8）G73G89 固定循环加工包括钻孔、攻螺纹、镗孔等循环加工功能。,,（2）辅助功能(M指令)辅助功能指令亦称“M”指令，由字母M和其后的两位数字组成。从M00M99，共100种。这类指令主要是用于机床加工操作时的工艺性指令。,,常用的M指令有:1）M00 程序停止在执行完M00指令程序段之后，主轴停转、进给停止、冷却液关闭，程序停止。当重新按下机床控制面板上的循环启动按钮之后，继续执行下一程序段；,,2）M01 计划（任选）停止该指令的作用与M00相似。所不同的是必须在操作面板上预先按下“任选停止”按钮，当执行完M01指令程
28、序段之后，程序停止；如果不按下“任选停止”按钮，则M01指令无效；,,3）M02 程序结束该指令用于程序全部结束，命令主轴停转、进给停止及冷却液关闭，并使数控系统处于复位状态； 4）M03，M04，M05主轴指令分别为主轴顺时针旋转、主轴逆时针旋转及主轴停止；,,5）M06换刀指令用于具有刀库的数控机床（如加工中心）的换刀功能； 6）M08，M09冷却液开、关打开冷却液、关闭冷却液；,7）M30 程序结束并返回在完成程序段的所有指令后，使主轴停车、进给停止和冷却液关闭，虽与M02相似，但是M30可使程序返回到开始状态。,,,（3）其他常用功能指令1)刀具功能(T功能)T代码用于选择刀具，但并不执行换刀操作，M06用于起动换刀操作。,,2）S功能 主轴速度功能S代码后的数值为主轴转速，要求为整数，速度范围从1到最大的主轴转速。 在零件加工之前一定要先启动主轴运转(M03或M04 )。 对于数控车床可以指定切削速度。,3）F功能 进给速度/进给率功能在只有X，Y，Z三坐标运动的情况下，F代码后面的数值表示刀具的运动速度，单位为mm/min（对数控车床还可为mm/r）。如果运动坐标有转动坐标A，B，C中的任何一个，则F代码后的数值表示进给率，即F=1/t，t表示走完一个程序段所需要的时间，F的单位为1/min。,,
