数控加工的编程基础.docx
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数控加工的编程基础
第1章数控加工的编程基础
1.1数控加工概述
1．教学目标
1）．了解数控加工原理和特点
2）．了解数控加工常用术语
3）.了解数控加工技术的发展
2．教学重点和难点
重点：
数控加工原理和特点、插补与刀补
难点：
插补与刀补
3．教学手段与方法：
多媒体、实物
4.讲授学时：
2学时
1.1数控加工概述
1.1.1数控加工原理和特点
1．数控加工原理
当我们使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。
采用普通机床加工时，这种开车、停车、走刀、换向、主轴变速和开关切削液等操作都是由人工直接控制的。
采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。
采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。
当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。
数控加工过程总体上可分为数控程序编制和机床加工控制两大部分。
数控机床的控制系统一般都能按照数字程序指令控制机床实现主轴自动启停、换向和变速，能自动控制进给速度、方向和加工路线，进行加工，能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹，能完成加工中所需要的各种辅助动作。
2．数控加工的特点
总的来说，数控加工有如下特点：
（1）自动化程度高，具有很高的生产效率。
除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。
若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节。
数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件；省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。
（2）对加工对象的适应性强。
改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要作其他任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。
（3）加工精度高，质量稳定。
加工尺寸精度在0.005～0.01mm之间，不受零件复杂程度的影响。
由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。
（4）易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。
由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。
3数控加工技术的发展
1）数控加工技术的发展历程
1949年美国Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“NumericalControl”。
1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。
1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心。
1968年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统FMS。
1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC（计算机数控系统）软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。
1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程。
利用CAD（计算机辅助设计）绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。
DNC（直接数控）技术始于20世纪60年代末期。
它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。
DNC群控技术是
FMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。
随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。
20世纪90年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统CIMS。
其中，数控是其基本控制单元。
20世纪90年代，基于PC-NC的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易。
充分利用现有PC机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现。
我国虽然早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。
20世纪70年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差。
1980年北京机床研究所引进日本FANUC5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC－1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的DynapthLTD10数控系统。
在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。
“八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关”，从而为数控技术产业化建立了基础。
20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。
据1997年不完全统计，全国共拥有数控机床12万台。
目前，我国数控机床生产企业有100多家，年产量增加到1万多台，品种满足率达80%，并在有些企业实施了FMS和CIMS工程，数控机床及其加工技术进入了实用阶段。
2）数控加工技术的发展方向
现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展。
A高速切削
受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。
高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。
高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。
因此，经高速加工的工件一般不需要精加工。
B高精度控制
高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。
它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面。
提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来达到的。
目前精整加工精度已提高到0.1μm，并进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代。
（加工精度达0.01μm）
C高柔性化
柔性是指机床适应加工对象变化的能力。
目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性和系统柔性化发展。
数控系统在21世纪将具有最大限度的柔性，能实现多种用途。
具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，视需要系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统。
D高一体化
CNC系统与加工过程作为一个整体，实现机电光声综合控制，测量造型、加工一体化，加工、实时检测与修正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。
E网络化
实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）对基层设备的要求。
配置网络接口，通过Internet可实现远程监视和控制加工，进行远程检测和诊断，使维修变得简单。
建立分布式网络化制造系统，可便于形成“全球制造”。
F智能化
21世纪的CNC系统将是一个高度智能化的系统。
具体是指系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，可使用自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求等。
1.2数控机床与刀具运动
1．教学目标
1）．了解数控机床及其分类
2）．掌握数控机床的主轴驱动
3）.掌握机床原点、参考点和工件原点、绝对坐标编程和相对坐标编程
2．教学重点和难点
重点：
机床原点、参考点和工件原点、绝对坐标编程和相对坐标编程
难点：
机床原点、参考点和工件原点
3．教学手段与方法：
多媒体、实物
4.讲授学时：
2学时
1.3.1数控机床及其分类
从机械本体的表面上看，很多数控机床都和普通的机床一样，看不出有多大的差别。
但事实上它们已经有本质上的不同。
驱动坐标工作台的电机已经由传统的三相交流电机换成了步进电机或交、直流伺服电机；由于电机的速度容易控制，所以传统的齿轮变速机构已经很少采用了。
还有很多机床取消了坐标工作台的机械式手摇调节机构，取而代之的是按键式的脉冲触发控制器或手摇脉冲发生器。
坐标读数也已经是精确的数字显示方式，而且加工轨迹及进度也能非常直观地通过显示器显示出来。
采用数控机床控制加工已经相当安全方便了。
1．按加工工艺方法分类
按传统的加工工艺方法来分有：
数控车床、数控钻床、数控镗床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床、数控冲床、数控折弯机、数控电加工机床、数控激光与火焰切割机和加工中心等。
其中，现代数控铣床基本上都兼有钻镗加工功能。
当某数控机床具有自动换刀功能时，即可称之为“加工中心”。
2．按加工控制路线分类
有点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床。
（1）点位控制机床。
只控制刀具从一点向另一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。
在从点到点的移动过程中，只作快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。
属于点位控制的典型机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
这类机床的数控功能主要用于控制加工部位的相对位置精度，而其加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进行。
按加工控制路线分类
（a）点位控制；（b）直线控制；（c）轮廓控制
（2）直线控制机床。
可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45°的斜线方向作直线轨迹的加工。
这种方式是一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45（的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。
一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，组成点位直线控制系统而用于机床上。
这种形式的典型机床有车阶梯轴的数控车床、数控镗铣床和简单加工中心等。
（3）轮廓控制机床。
它又称连续控制机床。
可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。
典型的轮廓控制型机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控磨床和数控电加工机床等。
3．按机床所用进给伺服系统不同分类
有开环伺服系统型、闭环伺服系统型和半闭环伺服系统型，见1.3.2节。
4．按所用数控装置的不同分类
有NC硬线数控和CNC软线数控机床。
（1）NC硬线数控机床。
它是早期20世纪50～60年代采用的技术，其计算控制多采用逻辑电路板等专用硬件的形式。
要改变功能时，需要改变硬件电路，因此通用性差，制造维护难，成本高。
（2）CNC软线数控机床。
它是伴随着计算机技术而发展起来的。
其计算控制的大部分功能都是通过小型或微型计算机的系统控制软件来实现的。
不同功能的机床其系统软件就不同。
当需要扩充功能时，只需改变系统软件即可。
5．按控制坐标轴数目分类
按机床数控装置能同时联动控制
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