模塊1數(shù)控編程與加工技術基礎

1.1

概述

1.1.1數(shù)控加工基本概念數(shù)控即數(shù)字控制，是指用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的自動化方法，是由機床數(shù)控裝置或系統(tǒng)實現(xiàn)的。數(shù)控技術是指用數(shù)字量及字符發(fā)出指令并實現(xiàn)自動控制的技術，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產的基礎技術。將計算機通過特定處理方式下的數(shù)字信息（不連續(xù)變化的數(shù)字量），用于機床自動控制的技術通稱為計算機數(shù)控技術。數(shù)控系統(tǒng)即程序控制系統(tǒng)，是指采用數(shù)字控制技術的控制系統(tǒng)。計算機數(shù)控系統(tǒng)是以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)，簡稱CNC系統(tǒng)。數(shù)控機床是一個裝有程序控制的機床，該系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。數(shù)控加工是指在數(shù)控機床上進行零件加工的一種工藝方法，其實質就是根據(jù)零件圖樣及工藝要求等原始條件，編制零件數(shù)控加工程序，并輸入到數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)，以控制數(shù)控機床中刀具與工件的相對運動，從而完成零件的加工。1.1

概述

1.1.2數(shù)控機床的工作原理1.1

概述

1.1.3數(shù)控機床的組成1.輸入輸出裝置輸入輸出裝置是操作人員與機床數(shù)控系統(tǒng)進行信息交流的載體，其主要功能有編制程序、存儲程序、輸入程序和數(shù)據(jù)、打印和顯示等。零件加工程序、機床參數(shù)及刀具補償?shù)葦?shù)據(jù)可以直接由操作人員手動輸入到數(shù)控裝置，即通過機床上的CRT顯示器及鍵盤手動輸入；也可以利用CAD/CAM軟件在計算機上編程，然后通過計算機用通信方式將程序傳送到數(shù)控裝置。2.計算機數(shù)控裝置數(shù)控裝置通常由專用（或通用）計算機、輸入輸出接口板及機床控制器等組成。輸入設備傳送的數(shù)控加工程序和操作指令，經計算機數(shù)控裝置系統(tǒng)進行相應的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應的執(zhí)行部件（伺服單元、驅動裝置和PLC等），控制其動作，加工出需要的零件。3.伺服驅動裝置伺服驅動裝置包括主軸伺服驅動裝置和進給伺服驅動裝置兩部分。將位置指令和速度指令轉化為機床運動部件的運動。數(shù)控裝置發(fā)出的控制信息經伺服系統(tǒng)中的控制電路、功率放大電路和伺服電機驅動受控設備工作，并可對其位置、速度等進行控制。4.檢測反饋裝置其作用是通過傳感器將伺服電動機角位移和數(shù)控機床執(zhí)行機構的直線位移，轉換成電信號輸送給數(shù)控裝置，與脈沖信號進行比較，由數(shù)控裝置糾正誤差，控制驅動執(zhí)行元件準確運轉。5.輔助控制裝置輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制裝置，通過可編程序控制器來實現(xiàn)。PLC和數(shù)控裝置配合共同完成數(shù)控機床的控制。6.機床本體機床本體是數(shù)控機床的主體，是用于完成各種切削加工的機械部分。數(shù)控機床的機械部件包括：主運動部件，進給運動部件、支承件、特殊裝置和輔助裝置組成。1.1.4

數(shù)控機床的分類1.按工藝用途分類（1）切削加工類數(shù)控機床（2）成形加工類數(shù)控機床（3）特種加工類數(shù)控機床（4）其他類型的數(shù)控機床2.按運動軌跡的控制方式分類（1）點位控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床的數(shù)控裝置只控制運動部件從一點位準確移動到另一個點位，對其運動軌跡沒有嚴格的要求，在移動過程中不進行加工。（2）直線控制數(shù)控機床這類數(shù)控機床不僅要控制運動部件從一點到另一點的準確定位，還要控制移動速度和運動軌跡,保證兩點之間的軌跡為一條直線。刀具相對于工件移動時進行切削加工，其軌跡是平行機床各坐標軸的直線。（3）輪廓控制數(shù)控機床輪廓控制也稱連續(xù)控制。插補結果向坐標軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標軸聯(lián)動，進行各種斜線、圓弧、曲線的加工，實現(xiàn)連續(xù)控制。3.按伺服驅動系統(tǒng)的類型分類（1）開環(huán)控制數(shù)控機床該類機床構造簡單，沒有位置、速度等檢測裝置和反饋裝置。CNC裝置發(fā)出的指令信號經驅動電路進行功率放大后，通過步進電動機帶動機床工作臺移動，指令信號單方向傳送，不反饋回來。（2）閉環(huán)控制數(shù)控機床該類機床帶有位置、速度等檢測裝置，直接對執(zhí)行件的實際位移量進行檢測，可將執(zhí)行件的位移反饋，并與指令值比較，用比較差值進行控制，直至差值消除為止。（3）半閉環(huán)控制數(shù)控機床該類機床不直接檢測執(zhí)行件的位移值，而是檢測與伺服驅動電動機相聯(lián)系的傳動件的角位移作為反饋值，檢測元件之后的傳動件不在反饋環(huán)路之內，因此傳動系統(tǒng)的傳動誤差仍會影響機床的加工精度。4.按可控制聯(lián)動的坐標軸分類5.按數(shù)控裝置的功能水平分類6.按制造方式分類（1）通用型數(shù)控系統(tǒng)以PC機作為CNC裝置的支撐平臺，各數(shù)控機床制造廠家根據(jù)用戶需求，有針對性地研制開發(fā)數(shù)控軟件和控制卡等，構成相應的CNC裝置。（2）專用型數(shù)控系統(tǒng)各制造廠家專門研制、開發(fā)制造的，專用性強，結構合理，硬件通用性差，但其控制功能齊全，穩(wěn)定性好，如德國SIEMENS系統(tǒng)、日本FANUC系統(tǒng)等。7.按數(shù)控系統(tǒng)分類數(shù)控機床可分為FANUC（發(fā)那科）數(shù)控系統(tǒng)、SIEMENS（西門子）數(shù)控系統(tǒng)、華中數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控系統(tǒng)、三菱數(shù)控系統(tǒng)等的數(shù)控機床。1.1.5數(shù)控加工的特點1.數(shù)控加工的優(yōu)點（1）加工精度高，質量穩(wěn)定（2）生產效率高（3）生產柔性大（4）能實現(xiàn)復雜的運動（5）自動化程度高，可減輕勞動負擔、改善勞動條件（6）便于實現(xiàn)計算機輔助制造2.數(shù)控加工的缺點（1）加工成本一般較高（2）適宜于多品種中、小批量生產（3）加工中難以調整1.1.6數(shù)控加工的應用范圍1.最適應類1）形狀復雜，加工精度高的零件。2）用數(shù)學模型描述的復雜曲線或曲面輪廓零件。3）具有難測量、難控制進給、難控制尺寸的殼體或盒形零件。4）必須在一次裝夾中合并完成銑、鏜、锪、鉸或攻螺紋的零件。2.較適應類1）一旦質量失控會造成重大經濟損失的零件。2）在通用機床上加工必須制造復雜的專用工裝的零件。3）需要多次更改設計后才能定型的零件。4）在通用機床上加工需要作長時間調整的零件。3.不適應類1）生產批量大的零件（不排除其中個別工序用數(shù)控機床加工）。2）裝夾困難或完全靠找正來保證加工精度的零件。3）加工余量很不穩(wěn)定的零件。4）必須用特定的工藝裝備協(xié)調加工的零件。1.2數(shù)控加工編程基礎1.2.1數(shù)控機床坐標系1.機床坐標系與機床原點在數(shù)控機床上，機床的動作是由數(shù)控裝置來控制的，為了確定機床上的成形運動和輔助運動，必須先確定機床上運動的方向和移動的距離，這就需要在機床上建立一個坐標系，這個坐標系稱為機床坐標系，也叫標準坐標系。對于數(shù)控機床坐標軸名稱及其正負方向，我國已制定了《數(shù)控機床坐標和運動方向的命名》的數(shù)控標準，它與ISO標準相同。標準坐標系采用右手笛卡爾坐標系，如圖1-12所示。在圖中，直線進給運動用直角坐標系X、Y、Z表示，常稱為基本坐標系，這個坐標系的各個坐標軸與機床的主要導軌相平行，它與安裝在機床上，并按機床的主要直線導軌找正的工件有關；根據(jù)右手螺旋定則，圍繞X、Y、Z軸旋轉的轉動軸分別用A、B、C坐標表示。具體確定機床各坐標軸的方法如下：1）Z軸。Z坐標的運動由主要傳遞切削動力的主軸決定，取刀具遠離工件的方向為正方向（+Z）。2）X軸。X坐標運動是水平的，它平行于工件裝夾面，是刀具或工件定位平面內運動的主要坐標。3）Y軸。Y坐標垂直于X、Z坐標軸，并按照右手笛卡爾坐標系來確定。4）旋轉運動A、B、C軸。在確定了X、Y、Z坐標的正方向后，可按右手螺旋定則確定A、B、C坐標的正方向。2.工件坐標系與工件坐標系原點工件坐標系是編程人員在編程時使用的坐標系，也稱編程坐標系或加工坐標系，它是編程人員根據(jù)零件圖樣及加工工藝等建立的坐標系。工件坐標系原點稱為工件原點或編程原點。設定工件坐標系時應遵循的原則如下：1）工件原點應盡量選在零件圖的尺寸基準上2）工件原點應盡量選在尺寸精度高，粗糙度值低的工件表面上3）對于對稱的工件，最好將工件原點設在工件的對稱中心上。4）工件原點的選擇要便于裝夾、測量和檢驗工件。3.機床參考點機床參考點是數(shù)控機床上一個特殊位置的點。機床參考點與機床原點的距離由系統(tǒng)參數(shù)設定，其值可以為零，如果為零則表示機床參考點與機床零點重合。3.數(shù)控車床工件坐標系的確定在數(shù)控車床上，工件坐標系原點一般設在右端面與主軸回轉中心線交點O上。坐標系以機床主軸線方向為Z軸方向，刀具遠離零件的方向為Z軸的正方向，接近零件的方向為負方向。X軸位于水平面且垂直于零件旋轉軸線的方向，刀具遠離主軸軸線的方向為X軸正方向。前置刀架臥式數(shù)控車床的坐標系與方向。4.數(shù)控銑床工件坐標系的確定不論機床的具體結構是工件靜止、刀具運動，還是工件運動、刀具靜止，確定坐標系時，一律看作工件靜止，刀具產生運動。Z軸的確定：一般取產生切削力的軸線（即主軸軸線）為Z軸，取刀具遠離工件的方向為Z軸正方向。X軸的確定：立式數(shù)控銑床時，面對立柱，取右手方向為+X方向；臥式數(shù)控銑床：從主軸后端往前看，取右手方向為+X方向。Y軸的確定：+Y的運動方向，根據(jù)X、Z坐標的運動方向，按照右手笛卡爾坐標系來確定。1.數(shù)控加工工藝過程（1）分析圖樣，確定加工方案（2）工件的定位與裝夾（3）刀具的選擇與安裝（4）編制數(shù)控加工程序（5）試切削、試運行并校驗數(shù)控加工程序（6）數(shù)控加工（7）工件的驗收與質量誤差分析1.2.2數(shù)控加工工藝2.數(shù)控加工工藝過程的特點（1）數(shù)控加工工藝內容具體、詳細（2）數(shù)控加工工藝嚴密、精確（3）零件圖形的數(shù)學處理和編程尺寸設定值的計算（4）考慮進給速度對零件形狀精度的影響（5）強調刀具選擇的重要性（6）數(shù)控加工采用工序集中，其工序內容比普通機床加工的工序內容復雜（7）注意干涉問題（8）程序的編寫、校驗與修改3.零件圖樣的工藝分析（1）分析零件的幾何要素首先從零件圖的分析中，了解工件的外形、結構，工件上須加工的部位及其形狀、尺寸精度、和表面粗糙度；了解各加工部位之間的相對位置和尺寸精度；了解工件材料及其它技術要求。（2）分析了解工件的工藝基準包括其外形尺寸、在工件上的位置、結構及其他部位的相對關系等。（3）了解工件的加工數(shù)量不同的加工數(shù)量所采用的工藝方案也不同。4.數(shù)控加工工序劃分的原則（1）工序集中的原則將工件的加工集中在少數(shù)幾道工序內完成，每道工序的加工內容較多。工序集中有利于采用數(shù)控機床、高效專用設備及工裝。（2）工序分散原則將工件的加工分散在較多的工序內進行，每道工序的加工內容很少。工序分散使用的設備及工藝裝備比較簡單，調整和維修方便，操作簡單，轉產容易；但工藝路線較長，所需設備及工人數(shù)量多，占地面積大。1.手工編程手工編程是指主要由人工來完成數(shù)控編程中各個階段的工作，包括分析零件圖、確定工藝過程、數(shù)值計算、編寫加工程序單、程序輸入、程序校驗等。2.自動編程自動編程就是用計算機及相應編程軟件編制數(shù)控加工程序的過程，也稱為計算機輔助編程。常見軟件有MasterCAM、UG、Pro/E、CAXA制造工程師等。1.2.3數(shù)控編程的方法1.2.4數(shù)控編程的步驟及主要內容1.數(shù)控車床的編程方式（1）絕對坐標編程方式與增量（相對）坐標編程方式所有坐標點的坐標值均從編程原點計算的坐標系，稱為絕對坐標系。坐標系中的坐標值是相對刀具前一位置（或起點）來計算的，稱為相對（增量）坐標系。相對坐標常用U、W表示，與X、Z軸平行且同向。（2）直徑編程與半徑編程采用直徑編程，在絕對坐標方式編程中，X值為零件的直徑值，增量坐標方式編程中，X為刀具徑向實際位移量的兩倍。采用半徑編程，即X值為零件半徑值或刀具實際位移量。（3）小數(shù)點編程1.2.5數(shù)控編程方式2.數(shù)控銑床的編程方式數(shù)控銑床上可以采用增量編程和絕對編程，但沒有直徑編程和半徑編程之分。在采用不同的系統(tǒng)軟件進行編程時，相同的加工零件所用到的指令不盡相同，但分析的方法一樣。1.程序的結構（1）程序名（程序號）位于程序的開始部分，為程序的開始標記，供其在數(shù)控裝置存儲器中的程序目錄中查找、調用。（3）程序主體（程序內容）是整個程序的核心，由若干程序段組成，表示數(shù)控機床要完成的全部動作。（4）程序結束一般用輔助功能代碼M02（程序結束）或M30（程序結束，返回起點）等來表示，作為整個程序結束的標志，一般要求單列一段。1.2.6數(shù)控加工程序的結構與格式2.程序段的組成與格式程序段格式是指一個程序段中的字、字符和數(shù)據(jù)的書寫規(guī)則。程序段的格式可分為地址格式、分割順序格式、固定程序段格式和可變程序段格式等。最常用的是可變程序段格式。在程序段中表示地址的英文字母可分為尺寸