數(shù)控機床與編程寧波大學工學院二00五年

數(shù)控加工與編程技術前言一、本課程性質等二、為什么要學習本課程三、本課程要求四、本課程目的課程性質：重要專業(yè)課課程學時：64（講授學時：48；實驗學時：16）周學時：3+1教材：鄭堤主編.數(shù)控機床與編程.機械工業(yè)出版社，2005參考書：朱曉春主編.《數(shù)控技術》.機械工業(yè)出版社，2006

李恩林主編.《數(shù)控技術應用自學讀本》.機械工業(yè)出版社，2006

授課方式：課堂教學+實驗+作業(yè)考核方式：期末考試（60%）+平時（出勤、答疑、實驗、作業(yè)）（40%）一、本課程性質等是先進制造技術內容之一是制造裝備數(shù)字化的主要內容是柔性自動化的基礎數(shù)控機床是典型的機電一體化產品數(shù)控機床的應用越來越普及數(shù)控機床應用人才需求量大且迫切數(shù)控技術適用領域廣泛是機械工程領域的人才必備的專業(yè)知識二、為什么要學習本課程？

(一)柔性制造單元(FMC)1．配有機器人的FMC圖1中，加工中心3上的工件2，由機器人1來裝卸，加工完畢的工件放在工件架上。監(jiān)控器4協(xié)調加工中心和機器人的動作。1—機器人2—工件3—加工中心4—監(jiān)控器圖1例

2．配有托盤交換系統(tǒng)構成的FMC

圖2是由加工中心和托盤交換系統(tǒng)構成的FMC。圖2

1．加工系統(tǒng)加工系統(tǒng)中的自動化加工設備通常由5～10臺數(shù)控機床和加工中心組成，它們都帶有刀具庫，并具有自動換刀裝置。

2．物料輸送系統(tǒng)物料輸送系統(tǒng)主要是工件和刀具的輸送。

3．信息系統(tǒng)信息控制系統(tǒng)的主要功能是：識別進入系統(tǒng)的工件，選擇相應的數(shù)控加工程序，根據(jù)不同工件和不同的加工內容，使工件按不同順序通過相應的機床進行加工；當工件改變時，上述內容又能自動地作相應地改變。

(二)柔性制造系統(tǒng)(FMS)

柔性制造系統(tǒng)是一個由中央計算機控制的自動化制造系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)由加工系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)和信息系統(tǒng)組成。介紹如下：

(三)計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)計算機集成制造系統(tǒng)就是用計算機通過信息集成實現(xiàn)現(xiàn)代化的生產制造，以求得企業(yè)的總體效益。CIMS通常由管理信息系統(tǒng)、產品設計與制造工程設計自動化系統(tǒng)、制造自動化系統(tǒng)、質量保證系統(tǒng)以及計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等六個分系統(tǒng)組成，它們之間的關系，如圖3所示。圖3

藍領：機床操作

銀領（灰領）：工藝設計與編程，維修，數(shù)控改造

金領（白領）：管理金領銀領藍領社會急需的數(shù)控加工人才類型：三、本課程要求要求不缺課，認真聽課，課前預習，課后復習認真實驗，按時獨立完成作業(yè)，積極參加課堂討論有問題及時答疑并反饋信息廣泛查閱參考資料充分利用實驗室的開放條件真正學到知識和本領。四、本課程目的掌握數(shù)控技術的基本原理、數(shù)控機床的組成、工作原理及特點了解數(shù)控技術的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀與趨勢了解數(shù)控裝置的構成、工作原理及性能特點掌握數(shù)控機床機械系統(tǒng)的結構、性能特點及設計計算方法掌握數(shù)控機床手工編程方法，能夠編制較簡單零件的數(shù)控加工程序了解數(shù)控機床計算機輔助編程方法了解數(shù)控機床的選用、購置、維護與管理第一章緒論第一節(jié)數(shù)控技術基本概念與原理第二節(jié)數(shù)控機床第三節(jié)數(shù)控機床的發(fā)展本章要求了解并掌握數(shù)控技術基本原理；了解并掌握數(shù)控機床的組成、工作原理、分類與特點；掌握數(shù)控機床坐標系及其命名方法；了解數(shù)控機床的發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢。第一節(jié)數(shù)控技術基本概念與原理數(shù)字控制技術，簡稱數(shù)控技術（NC）：采用數(shù)字指令信號對機電產品或設備進行控制的一種自動控制技術。數(shù)控技術與傳統(tǒng)的設備自動控制技術的顯著區(qū)別：坐標控制——采用數(shù)字指令信號對設備的運動部件的坐標運動進行控制。ZYX數(shù)控技術的基本原理將被控設備末端執(zhí)行部件的運動（或多個末端執(zhí)行部件的合成運動）納入到適當?shù)淖鴺讼抵?，將所要求的復雜運動分解成各坐標軸的簡單直線運動或回轉運動，并用一個滿足精度要求的基本長度單位（BasicLengthUnit，BLU）對各坐標軸進行離散化，由電子控制裝置（即數(shù)控裝置）按數(shù)控程序規(guī)定的運動控制規(guī)律產生與基本長度單位對應的數(shù)字指令脈沖對各坐標軸的運動進行控制，并通過伺服執(zhí)行元件加以驅動，從而實現(xiàn)所要求的復雜運動。幾個基本概念插補：插補是數(shù)控技術的核心。插補裝置的功用是將期望的設備運動軌跡沿各坐標軸微分成基本長度單位，并轉換成可控制各坐標軸運動的一系列數(shù)字指令脈沖。驅動：將插補裝置輸出的數(shù)字指令脈沖進行轉換與放大，驅動執(zhí)行元件，實現(xiàn)由數(shù)字指令脈沖序列規(guī)定的坐標運動，并最終由各坐標運動合成所期望的運動軌跡。功率放大伺服電動機傳動機構工作臺指令脈沖脈沖當量：對應于插補裝置輸出的每一個數(shù)字指令脈沖，伺服驅動系統(tǒng)末端執(zhí)行部件所實現(xiàn)的理論位移被稱為脈沖當量，它是系統(tǒng)所能控制的最小位移，又稱系統(tǒng)的控制分辨率，一般取為基本長度單位（BLU）。BLUNC與CNCNC——早期采用硬件數(shù)字電路實現(xiàn)的數(shù)控。CNC——現(xiàn)代采用微型計算機實現(xiàn)的數(shù)控，稱計算機數(shù)字控制技術，簡稱計算機數(shù)控（ComputerNumericalControl，CNC）。CNC是先進制造技術或生產模式的基礎，是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎柔性自動化（FMS）計算機集成制造（CIM）智能制造（IM）敏捷制造（AM）虛擬制造（VM）……

第二節(jié)

數(shù)控機床

一、數(shù)控機床的組成與工作原理

程序編制數(shù)控裝置檢測反饋系統(tǒng)機床本體伺服驅動系統(tǒng)圖樣產品強電控制系統(tǒng)毛坯數(shù)控系統(tǒng)二、數(shù)控機床的分類1.按數(shù)控機床的加工工藝分類

數(shù)控車床數(shù)控銑床加工中心機床：具有自動換刀功能，工序集中，可一次裝夾連續(xù)自動地完成銑削、鉆削、鏜削、鉸孔、擴孔、攻絲等多道工序的加工。數(shù)控鉆床數(shù)控磨床數(shù)控鏜床數(shù)控剪板機數(shù)控折彎機數(shù)控電加工機床數(shù)控三坐標測量機

數(shù)控車床數(shù)控車削中心數(shù)控立式倒置主軸車床數(shù)控立式車床立式加工中心機床臥式加工中心機床數(shù)控磨床數(shù)控沖床數(shù)控激光切割機床三維數(shù)控激光加工機床數(shù)控滾齒機數(shù)控折彎機電火花成型機床數(shù)控線切割機床

三坐標測量機2.按數(shù)控機床運動軌跡控制方式分類點位控制數(shù)控機床連續(xù)控制數(shù)控機床（輪廓控制數(shù)控機床）

XZY3.按伺服系統(tǒng)控制方式分類

開環(huán)控制數(shù)控機床

數(shù)控裝置步進電動機機床工作臺閉環(huán)控制數(shù)控機床

數(shù)控裝置伺服馬達機床工作臺位置檢測器半閉環(huán)控制數(shù)控機床

數(shù)控裝置伺服馬達位置檢測器機床工作臺位置檢測器4.按數(shù)控機床功能強弱分類

經濟型數(shù)控機床——簡易數(shù)控，脈沖當量：0.001-0.01mm

全功能數(shù)控機床——普及型數(shù)控機床，脈沖當量：0.1-1μm

高檔型數(shù)控機床——五軸以上聯(lián)動控制、高度柔性、超高速、超精密,脈沖當量：<0.1

μm5.按控制聯(lián)動坐標軸數(shù)分類

二坐標數(shù)控機床主要用于加工二維平面輪廓；三坐標數(shù)控機床主要用于加工三維立體輪廓；四坐標和五坐標數(shù)控機床主要用于加工空間復雜曲面或一些高精度、難加工的特殊型面。

三、數(shù)控機床的特點

自動化程度高

加工精度高

生產率高

對工件的適應性強

有利于生產管理信息化

四、數(shù)控機床坐標系

數(shù)控機床最重要的功能是坐標控制功能。數(shù)控機床坐標系是設計、制造和使用數(shù)控機床的基礎。

有關數(shù)控機床坐標系的國際標準：ISO841—1974JB/T3051—1999《數(shù)控機床坐標和運動方向的命名》

1．數(shù)控機床坐標系

采用右手笛卡兒直角坐標系：坐標軸X、Y、Z的正向采用右手定則確定坐標軸A、B、C的正向采用右手螺旋定則確定

通常在命名數(shù)控機床坐標系時，總是假定工件不動，刀具相對于工件運動，則坐標系用XYZABC表達；若刀具不動，工件相對于刀具運動，則相應的坐標系用X′Y′Z′A′B′C′來表達。兩種坐標系中的正運動方向正好相反。

幾種坐標系機床坐標系：機床上固有的坐標系，并設有固定的坐標原點，稱機床零點或機械零點；由數(shù)控機床制造商提供，機床出廠時該坐標系就已確定，用戶不能輕易修改；與機床的位置檢測系統(tǒng)相對應，是數(shù)控機床的基準；機床每次上電開機后，應首先使運動部件返回機床零點，對機床坐標系進行校準。

工件坐標系

是為編程和加工方便由編程人員在編制零件數(shù)控加工程序時設置的，可以任意設置；不同的零件或不同的編程人員可以根據(jù)習慣或工藝特點而采用不同的工件坐標系；采用工件坐標系進行編程時，可以不考慮加工時所采用的具體機床的坐標系及工件在機床上的裝夾位置，為編程人員帶來很大方便。

YY1OO1XX1工件坐標系偏置工件坐標系機床坐標系絕對坐標系和相對坐標系

絕對坐標系是指刀具運動軌跡上所有點的坐標值均從某一固定坐標原點計量的坐標系；相對坐標系（又稱增量坐標系）是指刀具運動軌跡的終點坐標是相對于起點計量的坐標系；絕對坐標系和相對坐標系可通過標準數(shù)控代碼G90（絕對坐標指令代碼）和G91（相對坐標指令代碼）進行轉換。

OO1X1YXABY130123515附加坐標系

機床在主坐標系XYZABC的坐標運動之外還有與之平行的坐標運動，構成附加坐標系UVWPQR；附加坐標系一般僅在大型數(shù)控機床上會出現(xiàn)。

2．數(shù)控機床坐標軸的確定

Z軸及其方向有主軸機床（車、銑、鉆鏜等），Z軸與主軸軸線平行；無主軸機床（刨、插等），或多主軸機床（龍門式輪廓銑床等），Z軸與工件裝夾面（即工作臺面）的法線平行。使刀具遠離工件或使工件尺寸增大的運動方向為Z軸的正方向。

X軸及其方向一般位于與主軸軸線垂直或與工件裝夾面平行的水平面內。在工件旋轉的機床上，如車床等，X軸垂直于主軸軸線且平行于橫向滑板，使刀具遠離工件或使工件尺寸增大的運動方向為X軸的正方向。在刀具旋轉的機床上若主軸是水平的，如臥式銑床等，則逆著Z軸正向由刀具（主軸）向工件看，X軸的正向指向右邊；若主軸是垂直的，如立式銑床等，則由刀具向立柱看，X軸的正向指向右邊。

Y軸及其方向

Y軸及其方向可在已經確定好Z軸和X軸的基礎上，按右手定則來確定。

ZX臥式數(shù)控車床坐標系+X+ZXYZZXY第三節(jié)

數(shù)控機床的發(fā)展

一、數(shù)控機床發(fā)展簡史

1948年，美國人JohnParsons提出設想；1952年，試制成功世界上第一臺數(shù)控機床；1952~1959：第一代電子管數(shù)控系統(tǒng)；1959~1965：第二代晶體管數(shù)控系統(tǒng)；1965~1970：第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)；1970~1974：第四代大規(guī)模集成電路及小型通用計算機數(shù)控系統(tǒng)；1974~：第五代微型計算機數(shù)控系統(tǒng)；20世紀末~：第六代基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。第一階段NC第二階段CNC柔性自動化體積減小，功能性能提高數(shù)控機床布局數(shù)控機床結構數(shù)控機床傳動機構主傳動進給傳動導向機構數(shù)控機床造型數(shù)控機床功能數(shù)控機床性能隨著數(shù)控技術的發(fā)展，對機械系統(tǒng)要求越來越高，促使精密機械技術得到了快速的發(fā)展我國數(shù)控機床發(fā)展的三個階段第一階段：1958-1979，封閉式發(fā)展階段

第二階段：“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，引進技術，消化吸收，初步建立起國產化體系階段第三階段：“八五”后期和“九五”期間，實施產業(yè)化的研究，進入市場競爭階段

目前：國產數(shù)控機床的國內市場占有率達50％，配置的國產數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10％；數(shù)控機床的普及率迅速提高，數(shù)控機床擁有率目前已接近3%二、數(shù)控機床發(fā)展趨勢

智能化：與人工智能相結合；模糊控制、學習控制、自適應控制、運動參數(shù)動態(tài)補償、自動識別負載并自動優(yōu)化調整參數(shù)、自診斷和故障監(jiān)控專家系統(tǒng)；更好地實現(xiàn)對人類智力的延伸。

開放化：基于PC，硬件、軟件和總線規(guī)范均對外開放，便于系統(tǒng)集成和二次開發(fā)，使數(shù)控系統(tǒng)具有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性。

網(wǎng)絡化：企業(yè)底層生產控制系統(tǒng)的集成更加簡便有效；促進企業(yè)間的合作與資源共享；使制造商能夠通過計算機網(wǎng)絡為用戶提供遠程故障診斷、維修、技術咨詢等服務。

高速化：充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質量和精度，適應制造業(yè)對高效、優(yōu)質、低成本生產的廣泛需求；目前，電主軸轉速可達15,000～100,000