数控机床加工.docx
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数控机床加工
第六章数控机床加工
一、本章的教学目的与要求
学习本章的主要目的：
了解数控机床的基本组成与结构；了解数控机床加工的编程方法；了解加工中心的特点与特殊机构；了解数控机床加工的主要特点。
本章在于重点了解：
普通数控机床的基本组成；数控编程的基本方法。
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学习本章内容建议：
与工程实践的数控实习相结合，加深理解数控机床的结构特点；通过数控实习与工程实践熟悉数控编程的方法。
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二、授课主要内容
1数控机床的基本组成
主要学习输入与输出装置、数控系统、伺服系统、数控机床主机、数控机床的辅助装置
2数控机床加工特点
主要学习数控机床在加工方面的特点、数控机床的适应性与经济性特点、数控机床在管理与使用方面的特点
3数控加工程序编制
主要学习数控程序编制的基本知识、数控加工程序的代码及其功能、代码使用举例、数控编程的种类
4数控编程实例
主要学习数控铣削加工的程序编制实例和数控车削加工程序编制
5加工中心
主要学习加工中心的分类与应用范围、加工中心的特点、加工中心编程的特点、加工中心的特殊构件、加工中心的发展个人收集整理勿做商业用途
三、重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）
本章在于重点了解：
普通数控机床的基本组成；数控编程的基本方法。
四、主要外语词汇
数字控制（NumericalControl）简称NC
计算机数字控制（ComputerNumericalControl）简称CNC
加工中心（MachiningCenter）简称MC
刀库系统简称ATC（AutomaticToolChanger）
五、辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等）
讲授+多媒体课件+工程实践数控实习
六、复习思考题
1．什么是数控技术？
什么是数控机床？
2．数控系统由哪些部分组成？
各个部分的功用是什么？
3．闭环控制系统工作原理是怎样的？
有什么特点？
4．为什么半闭环控制系统用得比较广泛？
5．交流伺服电机与直流伺服电机各有哪些优缺点？
6．步进电机有何特点？
主要应用在哪些场合？
7．数控机床上常用的导轨有哪几种类型？
它们各有什么特点？
8．与普通机床相比，数控机床的机械结构有什么特殊的要求？
9．数控机床最适合加工哪些类型的零件？
10．与普通机床相比，数控机床生产率比较高的主要原因是什么？
11．数控机床坐标轴是如何确定的？
它们的方向是如何判定？
12．数控加工程序的编制方法有哪几种？
各有什么特点？
13．手工编程的主要内容有哪些？
14．何谓绝对坐标系？
何谓相对坐标系？
编程时如何选用？
15．试分析刀具补偿的功能与作用？
16．何谓加工中心？
它与数控机床有何显著区别？
17．加工中心有哪些主要特点？
18．数控系统是如何识别与选取加工中心刀库中的刀具的？
七、参考资料；
（1）周文玉编著《数控加工技术基础》（中国轻工业出版社1999.8出版）；
（2）刘雄伟编著《数控加工理论与编程技术》（机械工业出版社1994.7出版）
第六章数控机床加工
数控机床加工技术是集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化的特点。
对机械制造实现柔性集成化、智能化起着至关重要的作用。
数控机床也是柔性制造系统、计算机集成制造系统的主体设备。
数控机床加工的能力和数控机床的拥有量是衡量一个国家工业现代化的重要标志。
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第一节数控机床的基本组成
⏹以数字技术实现机床主运动与进给运动的自动化控制，这种机床称为数控机床。
⏹在数控机床上，零件加工的全过程是由数控指令控制。
⏹数控指令是被加工零件的几何信息和工艺信息按规定格式编写的数字化代码，称为数控加工程序。
⏹数控机床主要是由输入与输出装置、数控系统、伺服驱动系统、机床主机和其它辅助装置组成。
⏹数控装备的供应厂家，一般将输出、输入装置，数控装置，位置控制和速度控制等部分集成在一起（如图6-1点划线框图）称为CNC系统。
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⏹伺服系统是指伺服电机和检测元件。
⏹机械机构如滚珠丝杠机构、滑动工作台与机床床身等组成机床主机部分。
⏹冷却部分、转位刀架、液压油缸等为数控机床的辅助部分。
⏹将数控加工程序以适当的方式输入到数控机床的数控装置中，数控装置对数控加工程序的代码进行各种数值运算与处理，得到的结果以数字信号的形式传送给机床的伺服电机（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等），经传动装置（如滚珠丝杠螺母副等），使机床按数控程序规定的顺序、速度和位移量进行工作，从而加工出符合图纸技术要求的零件。
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一、输入与输出装置
1．输入装置
⏹将数控指令传输给数控系统的装置。
⏹手动输入和直接输入
（1）手动输入
⏹由操作者将数控程序直接输入数控系统中。
⏹1）操作者在数控装置操作面板上用键盘输入加工程序的指令，称为MDI功能。
⏹它适用于比较短的程序，只能使用一次，机床动作后程序即消失。
⏹MDI功能允许手动输入一个命令或一段程序的指令，并即时启动运行。
⏹2）在控制装置编辑状态下，用软件输入加工程序，并存入控制装置的存储器中，称为EDIT功能。
⏹这种输入方法可重复使用程序。
⏹一般手工编程均采用这种方法。
⏹3）在具有会话编程功能的数控装置上，按照显示器上提示，以人机对话的方式，输入有关的尺寸数值，就可自动生成加工程序。
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（2）直接输入方式
⏹零件加工程序在上级计算机中生成，以计算机与数控装置直接通讯的方式传输程序，CNC系统一边加工一边接收来自上级计算机的后续程序段。
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⏹这种方式是采用CAD／CAM软件设计的复杂工件并直接生成零件加工程序的情况。
2．输出装置
⏹输出装置有数码管显示，视频显示器，液晶显示器，输出接口等。
⏹通过软件与接口，可以在显示器上显示程序、加工参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息。
⏹可以采用人机对话编辑加工程序、零件图形、动态刀具轨迹等。
先进的数控系统有丰富的显示功能，如具有实时图形显示、PLC梯形图显示和多窗口的其它显示功能。
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二、数控系统
⏹现代数控机床采用的数控系统均为计算机数字控制（CNC系统）。
⏹通过CNC装置内部的信息处理来驱动机床的执行元件工作，达到控制机床的目的。
⏹CNC装置通过主轴驱动单元控制主轴运动；通过速度控制单元控制机床各坐标轴的进给运动；通过可编程控制器控制机床的开关电路；机床操作人员可以通过数控装置上的操作面板或通讯接口进行各种操作。
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⏹数控装置内部信息处理的结果能在显示器中显示出来。
按数控装置的功能不同，数控系统有下列三大类型：
⏹1.点位控制系统
⏹2.直线控制系统
⏹3.轮廓控制系统
1.点位控制系统
⏹这类数控装置在运动过程中不进行切削加工，对运动轨迹没有要求，要求有较高的终点定位精度。
⏹数控程序中一般不指定进给速度，按事先规定的速度（较快的定位速度）运动。
⏹该系统常用于数控钻床、数控钻镗床上。
2.直线控制系统
⏹直线运动控制系统通常在坐标轴运动的同时进行切削加工，坐标轴的驱动要承受切削力。
指令中要给出下一位置的数值，同时给出移动到该位置的进给速度。
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3.轮廓控制系统
⏹两个或两个以上的坐标轴根据指令要求协调地运行。
指令中指明运动轮廓曲线的类型（点位、直线、顺圆、逆圆，抛物线及样条曲线等），并指出下一点的位置和移动至该位置的进给速度。
各坐标轴的进给速度是根据轮廓各轴相互位置关系而变化的。
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⏹在轮廓控制系统中采用插补运算来处理各坐标轴速度的变化。
各坐标轴一边移动，刀具一边进行切削，各坐标轴均承受切削力。
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⏹数控车床、数控铣床及加工中心等均为轮廓控制系统。
⏹轮廓控制系统能加工复杂曲面的零件，能控制多坐标轴联动的数控机床，并具有空间直线或圆弧的插补功能。
⏹配置有轮廓控制CNC系统的数控车床，具有两轴联动，能加工外圆、锥度以及母线为曲线的回转体。
⏹数控铣床具有两轴半或三轴联动的CNC系统，能进行平面插补或空间插补。
两轴半的数控铣床，其中两轴联动，当两轴停止时，另一轴作进给运动。
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⏹加工中心具有三轴、四轴或五轴联动的功能。
能加工空间任意曲面，具备直线插补、圆弧插补、条样插补、渐开线插补、螺旋插补等多种插补功能。
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⏹插补功能越强与控制的轴数越多，CNC系统越复杂，造价也越高。
⏹能进行轮廓控制的CNC系统，也能进行直线控制或点位控制。
先进的数控系统都属于轮廓控制的CNC系统。
三、伺服系统
⏹伺服系统是数控系统与机床主机联接的重要环节，是数控机床执行机构的驱动部件。
⏹伺服系统的作用是把数控系统发出的脉冲信号，经功率放大、整形处理后转换成机床执行部件的直线位移或角位移。
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⏹伺服系统的性能直接影响到数控机床执行机构的工作精度、负载能力、响应快慢和稳定程度等。
⏹伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。
⏹驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电机、进给伺服电机组成。
步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机是常用的伺服元件。
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⏹执行机构（如主轴箱、工作台、转位刀架等）由相应的驱动装置来驱动。
1．伺服电机的类型
（1）直流伺服电机
（2）交流伺服电机
（3）步进电机
（4）直线电机
2．伺服系统的分类
⏹
（1）开环控制伺服系统
⏹
（2）闭环控制伺服系统
⏹（3）半闭环控制伺服系统
3．伺服系统检测元件
⏹
（1）直线型检测元件：
如磁尺
⏹
（2）回转型的检测元件：
脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅等。
四、数控机床主机
⏹数控机床的机械构件要求传动刚度、传动精度更高；传动系统更具稳定性；快速响应能力更强。
数控机床主机中的关键部件，如机床床身、导轨副、丝杠螺母副等，其特殊结构是普通机床所没有的。
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1．机床床身结构
⏹起着支承和导向的作用。
要求采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。
⏹如数控车床的床身采用封闭的箱体结构，抗弯刚度与抗扭刚度高了许多。
⏹箱式机床床身结构中还保留着铸件的泥心，这能提高系统的抗振能力并能吸收噪声。
⏹现代数控机床可以采用焊接床身，比铸造床身的刚度有较大的提高。
⏹焊接床身的设计自由度大，可以灵活地布置焊缝、设计隔板、筋板，从而充分发挥结构的承载和抗变形能力。
⏹钢的弹性模量约为铸铁的一倍。
因此，采用钢板焊接结构的固有频率提高，从而提高床身的结构刚度。
2．导轨副
⏹数控系统要求机床导轨运动轻便、灵活、摩擦系数小、动、静摩擦系数的差别小。
启动阻力小，低速运行时无爬行现象等。
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（1）滚动直线导轨
（2）滚动导轨块
（3）贴塑导轨
3．滚珠丝杠螺母副
⏹在丝杠和螺母的圆弧螺旋槽之间装有滚珠作为传动元件，因而摩擦系数小，传动效率可达90－95％，动、静摩擦系数相差小。
在施加预紧后轴向刚度好，传动平稳，无间隙，不易产生爬行，随动精度和定位精度都较高。
是目前数控机床进给系统最常用的机械结构之一。
但是滚珠丝杠螺母副安装时要通过预紧消除间隙保证换向精度。
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五、数控机床的辅助装置
⏹1.气动、液压装置。
应用气动、液压系统，使机床完成自动换刀所需的动作，实现运动部件的制动和滑移齿轮移动变速、完成工作台的自动夹紧、松开，工件、刀具定位表面的自动吹屑等辅助功能。
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⏹2.排屑，冷却、润滑装置。
⏹3.回转工作台和数控分度头。
⏹4.防护、照明等装置。
第二节数控机床加工特点
一、数控机床在加工方面的特点
1．精度高
⏹
（1）数控机床的机床结构具有很高的刚度和热稳定性，并采取了减小误差的措施。
有了误差还可以由数控装置进行补偿，所以数控机床有较高的加工精度。
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⏹
（2）数控机床的传动系统采用无间隙的滚珠丝杠、滚动导轨、零间隙的齿轮机构等，大大提高了机床传动刚度、传动精度与重复精度。
先进的数控机床采用直线电机技术，使机床的机械传动误差为零。
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⏹（3）数控系统的误差补偿功能消除了系统误差。
⏹（4）数控机床是自动加工，消除人为误差，提高同批零件加工尺寸的一致性，加工质量稳定。
一次安装能进行多道工序的连续加工，减少了安装误差。
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2．能加工形状复杂的零件
⏹采用二轴以上联动的数控机床，可以加工母线为曲线的旋转体、凸轮、各种复杂空间曲面的零件，能完成普通机床难完成的加工。
例如船用螺旋桨是空间曲面体复杂零件，加工时采用端面铣刀、五轴联动卧式数控机床才能进行加工。
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3．生产率高
⏹
（1）节省辅助时间
⏹数控机床配备有转位刀架、刀库等自动换刀机构。
⏹机械手能自动装卸刀具与工件大大节省辅助时间。
⏹生产过程无需检验，节省检验时间。
⏹当加工零件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换程序，节省了准备与调整时间。
⏹与普通机床相比，数控机床的生产率可提高2～3倍、加工中心生产率可提高十几倍至几十倍。
⏹
（2）提高进给速度
⏹数控机床能有效地节省机动时间，快速移动缩短空行程的时间，进给量的范围较大。
能有效的选用合理的切削用量。
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⏹（3）采用高速切削
⏹数控加工时采用小直径刀具、小切深、小切宽、快速多次走刀来提高切削效率。
⏹高速加工的切削力大幅度减小，需要的主轴扭矩相应减小。
⏹工件的变形也小。
高速切削不但提高生产率，也有利于提高加工精度、降低表面粗糙度。
二、数控机床的适应性与经济性特点
1．适应性强
⏹数控机床能适应不同品种、规格和尺寸的工件加工。
当改变加工零件时，只需用通用夹具装夹工件、更换刀具、更换加工程序，就可立即进行加工。
计算机数控系统能利用系统控制软件灵活地增加或改变数控系统的功能，能适应生产发展的需要。
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2．有利于向更高级的制造系统发展
⏹数控机床是机械加工自动化的基本设备，柔性加工单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以及计算机集成制造系统（CIMS）都是以数控机床为主体，根据不同的加工要求、不同对象，由一台或多台数控机床，配合其他辅助设备（如运输小车、机器人、可换工作台、立体仓库等）而构成自动化的生产系统。
数控系统具有通讯接口，易于进行计算机间的通信，实现生产过程的计算机管理与控制。
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3．数控机床的经济性
⏹数控机床的造价比普通机床高，加工成本相对较高。
所以，不是所有零件都适合在数控机床上加工，它有一定的加工适用范围。
要根据产品的生产类型、结构大小、复杂程度来决定其是否适合用数控机床加工。
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⏹通用机床适合于单件、小批量生产，加工结构不太复杂工件。
⏹专用机床适合于大批量工件的加工。
⏹数控机床适合于复杂工件的成批加工。
三、数控机床在管理与使用方面的特点
⏹数控机床造价昂贵，是企业中关键产品、关键工序的关键设备，一旦故障停机，其影响和损失是很大的。
数控机床作为机电一体化设备有其自身的特点。
对管理、操作、维修、编程人员的技术水平要求比较高。
数控机床的使用效果很大程度上取决于使用者的技术水平，数控加工工艺的拟定以及数控程序编制的正确与否。
所以，数控机床的使用技术不是一般设备使用的问题，而是人才、管理、设备系统的技术应用工程。
数控机床的使用人员要有丰富的工艺知识，同时在数控技术应用等方面有较强的操作能力，以保证数控机床有较高的完好率与开工率。
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四、数控编程的种类
⏹数控编程分为手工编程与自动编程两类。
1.手工编程
⏹
（1）确定工艺过程根据零件图纸进行工艺分析，确定零件加工的工艺路线、工步顺序、切削用量等工艺参数。
确定采用的刀具与刀具数量。
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⏹（２）计算加工轨迹和尺寸
⏹（３）编写程序清单并校验
⏹（4）输入程序清单的内容通过输入装置将数控程序单的内容输入到数控装置中。
⏹（5）数控程序的校验和试切启动数控装置，使数控机床进行空运转，检查程序运动轨迹的正确性。
用木料或塑料制品代替工件进行试切，检查切削用量的正确性。
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⏹（6）首件试切
2．自动编程
⏹借助计算机编制数控加工程序的过程，称为自动编程。
⏹对于几何形状复杂的零件，手工编程的工作量比较大而且容易出错。
⏹对于空间曲面零件编程计算非常繁琐，人工无法胜任。
而自动编程时，节点坐标的数据计算，刀具轨迹的生成，程序的编制以及输出等工作均由计算机自动完成。
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⏹国内、外数控编程软件均采用图形自动编程技术。
高级的图形自动编程软件应用CAD/CAM无缝集成，从图形几何元素的生成，设计信息的工艺处理，刀具中心轨迹的计算，刀具类型的选择，定义刀位文件的数据以及数据的后处理，直到进行模拟加工，校验数控程序的正确性。
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第五节加工中心
加工中心简称MC。
⏹加工中心与数控机床显著的区别在于它装有一套能自动换刀的刀库系统。
⏹刀库系统由刀库、机械手和驱动机构组成。
⏹在数控系统及可编程控制器的控制下，执行电机或液压气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。
⏹加工中心伺服单元控制三轴至五轴的联动伺服机构。
一，加工中心的分类与应用范围
1．卧式加工中心
⏹指主轴中心线为水平状态的加工中心。
⏹通常带有可分度的回转工作台。
⏹此类加工中心主要以镗铣削加工为主，适合于加工壳体、泵体、阀体等箱体类零件以及复杂零件特殊曲线与曲面轮廓的多工序加工，个人收集整理勿做商业用途
2．立式加工中心
⏹指主轴中心线为垂直状态的加工中心。
⏹此类加工中心主要以钻铣削加工为主，适合于加工中、小零件的钻、扩、铰、攻螺纹等切削加工。
⏹也能进行连续轮廓的铣削加工，
3．万能加工中心
⏹也称五面体加工中心或复合加工中心。
⏹此类加工中心是多轴联动控制，能进行卧、立切削加工，适用于复杂多面体零件的加工，
⏹加工中心比普通数控机床复杂得多，而功能也大得多。
加工中心是属于高技术、价格昂贵的复杂设备。
⏹选购哪一类加工中心要考虑到零件的加工规范、生产效率，经济成本和投资效益。
⏹卧式加工中心与立式加工中心相比，规格相近（指工作台的宽度）的卧式加工中心比立式加工中心的价格要高50-100%，但卧式加工中心纯切削加工时间比立式加工中心多50-100%。
完成同样的工艺内容，立式加工中心比卧式加工中心更经济，但卧式加工中心的工艺性比较广泛。
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二、加工中心的特点
⏹1．加工中心上装备有自动换刀装置。
⏹使工件一次装夹，通过自动更换刀具，自动完成镗削、铣削、钻削、铰孔、攻螺纹等工序。
甚至是从毛坯加工到成品，大大节省辅助工时和在制品周转时间。
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⏹2.加工中心刀库系统集中管理和使用刀具，有可能用最少量的刀具，完成多工序的加工，并提高刀具的利用率。
⏹3．加工中心加工零件的连续切削时间比普通机床高得多，所以设备的利用率高。
⏹4．在加工中心上装备有托盘机构，使切削加工与工件装卸同时进行，提高生产效率。
⏹所以，加工中心就是一个柔性制造单元。
四、加工中心的特殊构件
1．主轴结构
⏹加工中心是以镗、铣、钻为主的数控机床，它的主运动是刀具的旋转运动，刀具由装夹机构安装在主轴上。
⏹为保证刀具的刀套能准确地在主轴上定位，主轴上必须设计有准停机构与刀具的装夹机构。
2．刀库系统
⏹是由刀库与机械手组成的自动换刀装置，简称ATC。
（1）刀库
⏹存储加工所需要刀具的仓库。
⏹刀库具备输送刀具，并作移位运动达到换刀位置，并且能准确定位，保证换刀可靠。
否则，换刀时机械手抓刀不准，容易产生掉刀现象。
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⏹加工中心的功能主要体现在刀库容量与刀库类型上。
1）刀库容量
⏹刀库的容量大，存储的刀具多，使机床的结构复杂，编制加工程序的工作量大，程序复杂。
刀库容量小，存储的刀具少，不能满足工艺上的要求。
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⏹一般情况下，加工中心刀库中只存一种零件在一次装夹中所完成的加工工序所需要的刀具。
刀具数量不能超过刀库容量。
刀库的容量受到机床结构的制约。
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⏹通常立式加工中心的刀库容量为20把刀具，卧式加工中心刀库的容量为40把刀具，万能加工中心能容纳120把刀具。
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2）刀库类型
⏹主要有二大类型即圆盘式刀库与链式刀库。
a.轴向b.径向c.斜向
⏹圆盘式刀库上刀具轴线相对于刀库轴线可以按不同方向配置，有轴向、径向或斜向。
⏹采用这些结构可以简化取刀动作，结构简单紧凑，应用较多。
但因刀具单环排列空间利用率低，因此多用于刀库容量小的场合。
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a.单链结构b.多链结构c.回转式链结构
⏹链式刀库是在环形链条上装有许多刀座，刀座孔中装各种刀具，链条由链轮驱动。
⏹这种刀库容量较大，扩展性好、在加工中心上的配置位置灵活，但结构复杂。
⏹链环可根据机床的总体布局要求配置成适当形式，以利于换刀机构的工作。
刀库取刀多为轴向取，
（2）刀具的选用与识别
1）顺序方式选刀
⏹刀库中的刀具按照加工零件的加工顺序排列。
加工时按顺序依次选用刀具。
⏹这种选刀方法使刀库的控制与驱动装置简单，无须编码，也不需要刀具识别装置。
但是加工零件改变时，刀具要按加工零件的加工顺序重新排列，增加了机床的准备时间。
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2）编码方式选刀
⏹在加工中心刀库中，对每一把刀具都进行编码。
加工时通过刀具的识别装置来识别和选择所需要的刀具。
⏹这种随机选择刀具的方式使刀库中刀具的排列是任意的，与加工零件的加工顺序无关。
当加工零件改变时，刀具在刀库中原有的排列顺序不变，减少刀具的调整时间。
加工时可以重复使用同一把刀具，减少刀库中刀具的数量。
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⏹这种选刀方式更适合于多品种、少批量的生产类型。
⏹编码方式选刀必须对刀具进行编码。
加工中心要配置有刀具编码的识别装置，以控制机械装置选取所需要的刀具。
⏹编码方法有二种，一是直接对刀具编码，另一种是将刀具安装在刀座上，然后对刀座进行编码。
3）计算机记忆方式选刀
⏹在安装有位置检测装置的刀库中，把刀具号和刀库上的存刀位置相对应地存储在计算机的存储器中，计算机始终跟踪着刀具在刀库中的实际位置。
加工中刀具可以随机的取存。
而且不必对刀具进行编码，也省去编码识别装置。
现在大多数加工中心采用计算机记忆方式来选取加工所需的刀具，不但简化了控制系统，而且增加了可靠性。
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（3）自动换刀装置
⏹担负自动换刀的机构是机械手。
⏹机械手能准确、迅速、可靠地进行自动换刀。
⏹随着机床的布局不同，自动换刀装置的机械结构有很大的差异，机械手也是各式各样的。
但最常见的是单臂双爪回转式机械手，个人收集整理勿做商业用途
⏹单臂双爪回转式机械手的工作步骤是：
⏹a.单臂旋转，双爪夹紧刀具；
⏹b.单臂前伸，同时从主轴孔和刀库中取出刀具；
⏹c.单臂
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