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1、数控加工工艺教案35页第一章 数控加工技术概述备课人：学习本课程的目的1. 了解数控机床的产生；2. 了解数控机床的发展;课程的主要内容:1-1 数控机床的产生与发展1.数控机床的产生1.1 数控加工技术的内容（1）零件的加工工艺分析根据零件的材质、几何形貌、加工精度等要求，确定数控机床及刀具的选型（机床的数控轴数目、数控轴的控制形式，刀具的形式如球形刀、平底刀、锥形刀及鼓形刀等，刀具的材质）、并拟定相应的工艺方案。 （2）零件的几何建模根据零件的实体模型、工程设计图纸或CAD文件等建立零件待加工表面的曲面模型（参数化描述）。 *主要用到图形学、计算机辅助图形学方面的知识，多采用贝齐尔（Bez

2、ier）曲面、B样条曲面或非均匀有理B样条（NURBS）曲面进行曲面描述。 *涉及的主要问题有：曲面的拟合精度、曲面的裁剪、曲面片的拼接与偏置、曲面片的过渡与求交等。 *清华大学（孙家广），浙江大学（石教英、谭建荣、柯映林），北京航空航天大学（唐荣锡、朱心雄），电子科技大学（叶尚辉）等。 （3）加工过程规划加工环节规划（如粗加工，精加工环节），刀具轨迹规划（粗加工刀具轨迹规划，精加工刀具轨迹规划）等。 *涉及的重要问题：刀具轨迹的规划方法，工件加工精度的控制，刀具与工件的干涉检验（切触干涉、刀底干涉和刀杆干涉），刀具的更换，刀具位姿的作业空间检验，加工路径长度的控制，机床进给速率的选定等。 （

3、4）刀具轨迹的生成根据加工过程规划确定刀位数据（刀具的位姿数据）。 （5）加工过程坊真对（2）（4）过程进行计算机图形实体仿真、或刀具轨迹仿真。 （6）机床运动指令生成由刀位数据以及其它的相关功能（如换刀、刀具主轴控制、加工过程中的检验及冷却润滑等辅助功能要求）生成机床的运动指令。 （7）生成有效的加工代码根据机床运动指令生成相应的G代码与M代码。 （8）数控系统接收、解释加工代码，形成机床伺服轴及其它功能部件的运动控制信号。 （9）伺服驱动系统接受运动控制信号，功率放大，驱动机床伺服轴运动。 （10）机床主机在各伺服轴及相关功能部件的协调运动前提下，驱动刀具完成零件曲2.数控机床的发展P1、

4、21-2 数控加工的特点及适用对象学习本课程的目的1.数控加工的特点及主要技术指标课程内容1加工的特点:（1）具有复杂形状加工能力由于刀具自由度较多、其运动可以任意控制，数控加工能够完成普通加工方法难以或无法完成的复杂型面零件的加工作业。 （2）加工质量好采用数字程序控制实现自动加工，排除了人工操作带来的误差因素。此外，加工误差还可以通过数控系统由软件进行补偿与校正。因此，数控加工获得很好的加工质量。 （3）加工效率高数控机床在完成软件编程后，可自动控制刀具及各种辅助操作的运动。零件在一次装卡后，刀具几乎可以完成不同部位的加工作业。因此，加工的效率较高；特别是在加工复杂型面零件时，与普通机床相

5、比具有更高的效率。 2适用的对象:（1）具有复杂形状零件的加工如模具型腔、水轮机叶轮、航空发动机叶片、飞行器机翼等形貌复杂、加工精度要求较高的零件。 （2）常规零件的加工需进行多种工序联合加工的零件，公差带小、互换性高及精度要求高的零件，采用普通机床加工需设计、制造复杂工装的零件等。2. 数控编程技术的发展（1）APT数控加工语言20世纪50年代美国的麻省理工学院（MIT）设计出第一种用于机械零件数控加工程序编制语言APT；其后，MIT又组织美国各大飞机制造公司共同开发了APT-。到60年代，在APT-的基础上开发出的APT-进入实际应用。随后，结合计算机技术、图形学技术以及计算几何技术的发展

6、，经过多次的修改充实和完善，又相继发展成为APT-、APTAC和APT-/SS。经过历次的版本更新，APT由最初功能相对单一的数控加工编程语言发展成为集设计制造一体化的数控编程加工系统。 （2）APT衍生数控加工语言在APT语言的基础上，世界各国根据自身的需要开发了有一定特色和专用性更强的APT衍生语言。如美国的ADAPT、德国的EXAPT、日本的HAPT、英国的FAPT、法国的IFAPT及我国的EAPT等。 （3）CAD/CAM数控加工系统1972年，美国洛克西德-加利福尼亚飞机制造公司首先研制成功集计算机辅助设计、绘图仪及数控加工程序编制于一体的CADCAM系统。标志着CAD/CAM一体化

7、时代的到来。1975年，法国答索飞机制造公司引进了CADCAM系统，CALLBRB增加了二维设计和绘图功能。1978年在进一步扩充和开发的基础上，推出了CATIA系统。从此以后，数控编程系统进入了CAD/CAM一体化时代。 （4）应用较为广泛的数控编程系统APT-/SS、CADCAM、CATLA、EUKLID、UG、INTERGRAPH、PRO/ENGINEERING以及MASTERCAM等。国内也推出了NPU/GNCP、INTECAD等系统。 3. 数控编程的关键技术（1）复杂零件的几何建模目的：根据图纸或零件特征点数据建立满足精度要求的零件的几何模型。 （2）加工方案与加工参数的选择目的：

8、选取合适的加工机床、加工刀具组合以及合理的加工工艺。 （3刀具轨迹规划与路径生成目的：获得满足精度要求、具有较高加工效率、且能够同时满足工件及刀具与机床安全性的刀具运动路径和刀位数据。 （4）数控加工过程仿真目的：对数控加工的过程进行计算机仿真模拟，对加工方案、加工工艺，特别是刀具路径以及安全性进行检验。 （5）数控机床的后置处理目的：将生成的刀位数据转换为具体的机床加工数据。 第三节 数控机床的工作原理及组成 备课人：边秀芳教 学 方 法：板书、讲授 教学目的及要求：掌握数控机床的工作原理 数控机床的原理及组成 教 学 重 难 点：初步认识数控车床是怎样工作的 导 入 新 课：同学们，大家好

9、，我们学习的是数控机床，有没有人知道数控机床是个什 么东西，大家一定会说，加工工件的机器。还有呢，现在我们就正式开始 学习数控机床的工作原理以及它的组成 讲 授 新 课： 一、数控机床的工作原理 数控机床的工作原理 图样 程序 数 控 装 置 伺 服 机 构 机 床 本 体 工件 （1）、根据零件图样进行各项准备。 （2）、按规定格式编制出加工程序。 （3）、将加工程序以代码形式完整记录在信息介质上。 （4）、将代码转变为电信号输出。 （5）、数控装置将结果以脉冲信号形式向伺服系统发出执行信号。 （6）、伺服系统向执行电机驱动机床进给机构发出严格指令。 二、数控机床的组成 控 制 装 置 数

10、控 装 置 伺服机构 辅助控制装 机 床 本 体 检测装置图 1-1 数控机床组成示意图 1.控制介质 纸带、磁带、磁盘、键盘 控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的移动信息. 2、数控装置 数控装置是由专用计算机或通用计算机所组成。 控制系统的主要作用是对输入的零件加工程序进行数字运算和逻辑运算，然后向伺 服系统发出控制信号。 3、伺服机构 伺服系统的主要作用是根据数控系统发出的控制信号驱动执行元件运动。 4、辅助控制装置 辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。 5、检测反馈装置 检测反馈装置将数控机床各个坐标轴的实际位移量、 速度参数检测出

11、来， 转换成电信 号，并反馈到机床的数控装置中。 6、机床本体 机床本体是数控机床的主体， 是用于完成各种切削加工的机械部分， 包括主运动部件、 进给运动执行部件和床身、立柱、支承部件等。 第四节 数控机床的分类及应用 备课人:边秀芳教学目标:1.掌握数控机床的分类方法 2.掌握数控机床的分类. 3.掌握数控机床坐标系 4.掌握数控机床机械结构特点一、按工艺用途分类 1一般数控机床 最普通的数控机床有钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床。 2数控加工中心 加工中心是在一般数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置，构成一种带自动换刀装置的数控机床。 二、按加工路线分类 1点位控制机床 刀具与工

12、件相对移动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的路径和方向。 2直线控制机床 刀具与工件相对移动时，除控制从起点刀终点的准确定位外，还要保证平行于坐标轴的直线切削运动。 3轮廓控制机床 刀具与工件相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。 三、按可控制联动的坐标轴数分类 数控机床可控制联动的坐标轴数是指数控装置控制几个伺服电动机同时驱动机床移动部件运动的坐标轴数目。 1两坐标联动 数控机床能同时控制两个坐标轴联动，即数控装置同时控制X和Z方向运动，可用于加工各种曲线轮廓的回转体类零件。 2三坐标联动 数控机床能同时控制三个坐标轴联动，此时，铣床称为三坐标数控铣床

13、，可用于加工曲面零件。 3两轴半坐标联动 数控机床本身有三个坐标能作三个方向的运动，但控制装置只能同时控制两个坐标联动，而第三个坐标只能作等距周期移动。 4多坐标联动 能同时控制四个以上坐标轴联动的数控机床，多坐标数控机床的结构复杂、精度要求高、程序编制复杂，主要应用于加工形状复杂的零件。 四、按控制方式分类 1开环控制数控机床 开环控制数控机床系统中没有检测反馈装置，不检测运动的实际位置，没有位置反馈信号。指令信息在控制系统中单方向传送，不反馈。2全闭环控制数控机床 安装在工作台上的检测元件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。

14、 3半闭环控制数控机床 半闭环控制系统采用转角位移检测元件，测出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。 五、其它分类方式 1按加工方式分类 可以分为金属切削类数控机床、金属成形类数控机床、数控特种加工机床、其它类型数控机床等。 2按照功能水平分类 可分为高、中、低档三类。 六、数控机床的应用范围 1适于加工的零件 （1）多品种、小批量生产的零件。 （2）结构比较复杂的零件。 （3）需要频繁改型的零件。 （4）价值昂贵，不允许报废的关键零件。 （5）需要最小生产周期的急需零件。 （6）周期性投产的零件。 （7）新产品试制中的零件。 2

15、典型数控机床的加工应用 （1）数控车床 1）几何精度要求高、尺寸精度要求高的回转体零件。 2）表面质量要求高的回转体零件。 3）表面形状复杂的回转体零件。 4）带特殊螺纹的回转体零件。 （2）数控铣床 1）平面轮廓类零件 2）变斜角类零件 3）空间曲面轮廓零件 （3）加工中心 1）箱体零件 2）盘、套、板类零件 3）整体叶轮类零件 4）模具类零件 5）异形零件 第五节 数控机床坐标系 在数控编程时，为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证纪录数据的互换性，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化，ISO和我国都拟定了命名的标准。 通过这一部分的学习，能够掌握机床坐标系、编程坐标系、加工坐标系的

16、概念，具备实际动手设置机床加工坐标系的能力。 机床坐标系的确定步骤及方法: （1）机床相对运动的规定 在机床上，我们始终认为工件静止，而刀具是运动的。这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。 （2）机床坐标系的规定 标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。 在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。 例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动，如下图所示。在数控加工

17、中就应该用机床坐标系来描述。 图立式数控铣床标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定： 笛卡尔直角坐标系1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。 2)大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。 3)围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向,见上图。 （3）运动方向的规定 增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向，如图所示为数控车床上两个运动

18、的正方向。 图 机床运动的方向 第七节 数控机床的维护数控设备的正确操作和维护保养是正确使用数控设备的关键因素之一。正确的操作使用能够防止机床非正常磨损，避免突发故障；做好日常维护保养，可使设备保持良好的技术状态，延缓劣化进程，及时发现和消灭故障隐患，从而保证安全运行。 一、 引言 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控设备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴机械加工制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖制造业很多领域，是现代制造业的关键设备，是企业提高效率和竞争力的关键设备。 数控设备的正确操作和维护保养是正确使用数控设备的关键因素之一。正确的操作使

19、用能够防止机床非正常磨损，避免突发故障；做好日常维护保养，可使设备保持良好的技术状态，延缓劣化进程，及时发现和消灭故障隐患，从而保证安全运行。 二、 数控设备使用中应注意的问题 1 数控设备的使用环境 为提高数控设备的使用寿命，一般要求要避免阳光的直接照射和其他热辐射，要避免太潮湿、粉尘过多或有腐蚀气体的场所。精密数控设备要远离振动大的设备，如冲床、锻压设备等。 2 良好的电源保证 为了避免电源波动幅度大(大于10%)和可能的瞬间干扰信号等影响，数控设备一般采用专线供电(如从低压配电室分一路单独供数控机床使用)或增设稳压装置等，都可减少供电质量的影响和电气干扰。 3 制定有效操作规程 在数控机

20、床的使用与管理方面，应制定一系列切合实际、行之有效的操作规程。例如润滑、保养、合理使用及规范的交接班制度等，是数控设备使用及管理的主要内容。制定和遵守操作规程是保证数控机床安全运行的重要措施之一。实践证明，众多故障都可由遵守操作规程而减少。 4 数控设备不宜长期封存 购买数控机床以后要充分利用，尤其是投入使用的第一年，使其容易出故障的薄弱环节尽早暴露，得以在保修期内得以排除。加工中，尽量减少数控机床主轴的启闭，以降低对离合器、齿轮等器件的磨损。没有加工任务时，数控机床也要定期通电，最好是每周通电12次，每次空运行1小时左右，以利用机床本身的发热量 来降低机内的湿度，使电子元件不致受潮，同时也能

21、及时发现有无电池电量不足报警，以防止系统设定参数的丢失。 三、数控机床的维护保养 数控机床种类多，各类数控机床因其功能，结构及系统的不同，各具不同的特性。其维护保养的内容和规则也各有其特色，具体应根据其机床种类、型号及实际使用情况，并参照机床使用说明书要求，制订和建立必要的定期、定级保养制度。下面是一些常见、通用的日常维护保养要点。 1 数控系统的维护 (1)严格遵守操作规程和日常维护制度 数控设备操作人员要严格遵守操作规程和日常维护制度，操作人员的技术业务素质的优劣是影响故障发生频率的重要因素。当机床发生故障时，操作者要注意保留现场，并向维修人员如实说明出现故障前后的情况，以利于分析、诊断出

22、故障的原因，及时排除。 (2)防止灰尘污物进入数控装置内部 在机加工车间的空气中一般都会有油雾、灰尘甚至金属粉末，一旦它们落在数控系统内的电路板或电子器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及电路板损坏。有的用户在夏天为了使数控系统能超负荷长期工作，采取打开数控柜的门来散热，这是一种极不可取的方法，其最终将导致数控系统的加速损坏，应该 尽量减少打开数控柜和强电柜门。 (3)防止系统过热 应该检查数控柜上的各个冷却风扇工作是否正常。每半年或每季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象，若过滤网上灰尘积聚过多，不及时清理，会引起数控柜内温度过高。 (4)数控系统的输入/输出装置的定期维护 8

23、0年代以前生产的数控机床，大多带有光电式纸带阅读机，如果读带部分被污染，将导致读入信息出错。为此，必须按规定对光电阅读机进行维护。 (5)直流电动机电刷的定期检查和更换 直流电动机电刷的过度磨损，会影响电动机的性能，甚至造成电动机损坏。为此，应对电动机电刷进行定期检查和更换。数控车床、数控铣床、加工中心等，应每年检查一次。 (6)定期检查和更换存储用电池 一般数控系统内对CMOS RAM存储器件设有可充电电池维护电路，以保证系统不通电期间能保持其存储器的内容。在一般情况下，即使尚未失效，也应每年更换一次，以确保系统正常工作。电池的更换应在数控系统供电状态下进行，以防更换时RAM内信息丢失。 (

24、7)备用电路板的维护 备用的印制电路板长期不用时 第二章数控机床的机械结构2-1概述 为了达到数控机床高的运动精度、定位精度和高的自动化性能，其机械结构的特点主要表现在如下几个方面。 1高刚度 数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，以减少工作中的变形和振动。例如，有的床身采用双结构，并配置有斜向肋板及加强肋，使其具有较高的抗弯刚度和抗扭刚度；为提高主轴部件的刚度，除主轴部件在结构上采取必要的措施以外，加工中心还要采用高刚度的轴承，并适当预紧；增加刀架底座尺寸，减少刀具的悬伸，以适应稳定的重切削等。 2高灵敏度 数控机床的运

25、动部件应具有较高的灵敏度。导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。 3高抗振性 数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下减少振动，以保证加工零件的高精度和高的表面质量。特别要注意的是避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出了更高的要求。 4热变形小 机床的主轴、工作台、刀架等运动部件在运动中会产生热量，加工中心从而产生相应的热变形。而工艺过程的自动化和精密加工的发

26、展，对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量要少，以防产生过大的热变形。为此，机床结构根据热对称的原则设计，并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。如MJ50CNC数控车床主轴箱壳体按照热对称原则设计，并在壳体外缘上铸有密集的散热片结构，主轴轴承采用高性能油脂润滑，并严格控制注入量，使主轴温升很低。加工中心对于产生大量切屑的数控机床，一般都带有良好的自动排屑装置等。 5高精度保持性 为了加快数控机床投资的回收，必须使机床保持很高的开动比(比普通机床高23倍)，因此必须提高机床的寿命和精度保持性，在保证尽可能地减少电气和机械故障

27、的同时，要求数控机床在长期使用过程中不丧失精度。 6高可靠性 数控机床在自动或牛自动条件下工作，尤其在柔性制造系统(FMS)中的数控机床，可在24小时运转中实现无人管理，这就要求机床具有高的可靠性。为此，要提高数控装置及机床结构的可靠性，例如在工作过程中动作频繁换刀机构、托盘、工件交换装置等部件，必须保证在长期工作中十分可靠。加工中心另外，引入机床机构故障诊断系统和自适应控制系统、优化切削用量等，也都有助于机床可靠地工作。 7模块化 模块化设计思想的灵活机床配置，使用户在数控机床的功能、规格方面有更多的选择余地，做到既能满足用户的加工要求，又尽可能不为多余的功能承担额外的费用。 数控机床通常由

28、床身、立柱、主轴箱、工作台、刀架系统及电气总成等部件组成。如果把各种部件的基本单元作为基础，按不同功能、规格和价格设计成多种模块，用户可以按需要选择最合理的功能模块配置成整机。这不仅能降低数控机床的设计和制造成本，而且能缩短设计和制造周期，加工中心最终赢得市场。目前，模块化的概念已开始从功能模块向全模块化方向发展，它已不局限于功能的模块化，而是扩展到零件和原材料的模块化。 8机电一体化 数控机床的机电一体化是对总体设计和结构设计提出的重要要求。它是指在整个数控机床功能的实现以及总体布局方面必须综合考虑机械和电气两方面的有机结合。新型数控机床的各系统已不再是各自不相关联的独立系统。最具典型的例子

29、之一是数控机床的主轴系统已不再是单纯的齿轮和带传动的机械传动，而更多的是由交流伺服电动机为基础的电主轴。电气总成也已不再是单纯游离于机床之外的独立部件，加工中心而是在布局上和机床结构有机地融为一体。由于抗干扰技术的发展， 目前已把电力的强电模块与微电子的计算机弱电模块组合成一体，既减小了体积，又提高了系统的可靠性 22 数控机床的主传动系统一、主传动的基本要求和变速方式数控机床和普通机床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的传递，以适应不同的加工要求并且，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的转矩，满足切削的需要。 1、数控机床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求有

30、以下几点：1)为了达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高效、高速的加工需要。2、主传动的变速方式主传动的无极变速通常有以下三种方法：1)采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的数控机床或大型数控机床（主轴功率超过100KW）上，也有采用直流主轴驱动系统的情况。2)在经济性、普及性数控机床上，为了降低成本，可以采用变频带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。3)在高速加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件-电主轴。电主轴的电动机转子和主轴一体，无须任何传动

31、件，可以使主轴达到每分钟数万转，甚至十几万转的高速。 但是，不管采用任何形式，数控机床的主传动系统结构都要比普通机床简单得多3)为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。4)在加工中心上，还必须具有安装道具和刀具交换所需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。5)为了扩大机床的功能，实现对C轴的控制，主轴还需安装位置检测装置以便实现对主轴位置的控制。3、对主传动的要求1) 转速高、功率大，能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。2) 主轴必须具有较宽的调速范围，能迅速可靠地实现无级调速，2) 主轴必须具有较宽的调速范围，