數字控制技術與數控機床和數控機床編程及加工

數字控制技術與數控機床主講：于濤第一章概述數控機床簡介數控機床的產生及其重要性數字控制機床，是為了解決單件、小批量、特別是復雜型面零件加工的自動化并保證質量要求而產生的。1952年，MIT伺服機構研究所用實驗室制造的控制裝置和新新那提（CincinnatiHydrotel）公司的立式銑床成功地實現了三軸聯(lián)動數控運動，可控制銑刀進行連續(xù)空間曲面的加工，揭開了數控加工技術的序幕。數控機床是綜合應用了微電子、計算機、自動控制、自動檢測以及精密機械等技術的最新成果而發(fā)展起來的完全新型的機床，它標志著機床工業(yè)進入了一個新的階段。數控技術的發(fā)展非常迅速，使制造技術發(fā)生了根本性的變化，幾乎所有品種的機床都實現了數控化。

數控技術是機械加工現代化的重要基礎與關鍵技術。應用數控加工可大大提高生產率、穩(wěn)定加工質量、縮短加工周期、增加生產柔性、實現對各種復雜精密零件的自動化加工，易于在工廠或車間實行計算機管理，還使車間設備總數減少、節(jié)省人力、改善勞動條件，有利于加快產品的開發(fā)和更新?lián)Q代，提高企業(yè)對市場的適應能力并提高企業(yè)綜合經濟效益。數控加工技術也是發(fā)展軍事工業(yè)的重要戰(zhàn)略技術。數控機床應用范圍及特點目前的數控加工主要應用于以下兩個方面：常規(guī)零件加工，如二維車削、箱體類鏜銑等，其目的在于：提高加工效率，避免人為誤差，保證產品質量；以柔性加工方式取代高成本的工裝設備，縮短產品制造周期，適應市場需求。另一方面的應用是復雜形狀零件加工，如模具型腔、渦輪葉片等，該類零件在眾多的制造行業(yè)中具有重要的地位，其加工質量直接影響以至決定著整機產品的質量。這類零件型面復雜，常規(guī)加工方法難以實現，它不僅促使了數控加工技術的產生，而且也一直是數控加工技術的主要研究及應用對象。數控機床在機械制造領域中得到日益廣泛的應用，是因為它具有如下特點：高柔性生產效率高加工精度高、加工質量穩(wěn)定可靠自動化程度高能完成復雜型面的加工有利于生產管理的現代化數控機床的基本工作原理數控機床的基本工作原理國家標準GB8129－1987將數控（NumericalControl）定義為：用數字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法。國際信息處理聯(lián)盟IFIP（InternationalFederationofInformationProcessing）將數控機床定義為：數控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，機床的運動和動作按照這種程序控制系統(tǒng)發(fā)出的由特定代碼和符號編碼組成的指令進行。這種程序控制系統(tǒng)稱之為機床的數控系統(tǒng)。

CNC系統(tǒng)框圖

數控機床加工零件時，首先應編制零件的數控程序，這是數控機床的工作指令。將數控程序輸入到數控裝置，再由數控裝置控制機床主運動的變速、啟停，進給運動的方向、速度和位移大小，以及其他諸如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的啟、停等動作，使刀具與工件及其他輔助裝置嚴格地按照數控程序規(guī)定的順序、路程和參數進行工作，從而加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。普通機床與NC機床普通機床具有手動加工和機動加工功能，加工過程全部由人工干預。主傳動和進給傳動一般采用三相交流異步電動機，由變速箱實現多極變速以滿足工藝要求，機床傳動鏈長。加工過程中，必須由人工不斷地進行測量，保證工件的加工精度。普通機床與NC機床NC機床具有手動加工（電手輪）、機動加工和控制程序自動加工功能，加工過程一般不需人工干預。具有CRT屏幕顯示功能，自動報警顯示功能。普通機床不具備此功能。主傳動和進給傳動采用直流或交流無級調速伺服電動機。一般沒有主軸變速箱和進給變速箱，傳動鏈短。普通機床與NC機床NC機床具有工件測量系統(tǒng)。加工過程中不需進行工件尺寸的人工測量。CNC機床與普通機床最顯著的區(qū)別當加工對象（工件）改變，CNC機床只需改變加工程序（應用軟件），而不需對機床作較大的調整，就能加工出各種不同的工件。普通機床與NC機床數控機床的組成

數控程序和控制介質

輸入裝置數控裝置（CNC單元）通訊現代的數控系統(tǒng)除采用輸入輸出設備進行信息交換外，一般都具有用通訊方式進行信息交換的能力。它們是實現CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術。采用的方式有：串行通訊（RS-232等串口）、自動控制專用接口和規(guī)范（DNC方式，MAP協(xié)議等）網絡技術（internet，LAN等）。CNC裝置(CNC單元)組成：計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應的控制軟件。作用：根據輸入的零件加工程序進行相應的處理（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)，所有這些工作是由CNC裝置內硬件和軟件協(xié)調配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心伺服單元、驅動裝置和測量裝置伺服單元和驅動裝置主軸伺服驅動裝置和主軸電機進給伺服驅動裝置和進給電機測量裝置位置和速度測量裝置。以實現進給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。作用保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令：進給運動指令：實現零件加工的成形運動（速度和位置控制）。主軸運動指令，實現零件加工的切削運動（速度控制）機床的機械部件機床：數控機床的主體，是實現制造加工的執(zhí)行部件。組成：由主運動部件、進給運動部件（工作臺、拖板以及相應的傳動機構）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動交換系統(tǒng)工件自動交換系統(tǒng)）和輔助裝置（如排屑裝置等）。數控機床的分類按工藝用途分類普通數控機床、加工中心、金屬成形類數控機床、數控特種加工機床、其他類型數控機床按運動方式分類點位控制、直線控制、輪廓控制按伺服機構的控制方式分類開環(huán)控制、閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制分類按加工方式進行數控機床的分類金屬切削類機床車、加工中心、鉆、磨、鏜。金屬成型類機床數控折彎機、數控回轉頭壓力機數控特種加工機床數控線切割機床、數控電火花加工機床、數控激光切割機床其它類型數控三坐標測量機分類點位控制系統(tǒng)這類控制方式只要求控制刀具從一點移到另一點的準確位置，而對運動軌跡原則上不加控制。數控機床在刀具移動的過程中，并不進行切削加工，而是作快速空行程的定位運動。屬于點位控制的數控機床有數控鉆床、數控鏜床、數控沖床和數控測量機。點位控制系統(tǒng)在從點1到點2的軌跡中，刀具不切削。因此可以從任意選擇的方向接近點2?，F在圖示的是兩種可能的路徑。直線控制系統(tǒng)這類控制方式除了控制點與點之間的準確位置外，還要保證被控制的兩點間移動的軌跡是一條直線而且移動的速度是給定的。在兩點間移動時，刀具切削材料，進行加工。一般的簡易數控系統(tǒng)均屬于直線控制系統(tǒng)。直線控制系統(tǒng)必須是沿著平行于某一坐標軸方向，或沿著與坐標軸成45度的直線。在這個例子中，顯示的是關于銑削的一個直線控制系統(tǒng)。工件的a-b-c外形被加工。注意輪廓控制系統(tǒng)該系統(tǒng)能對刀具相對零件的運動軌跡進行連續(xù)控制，以加工任意斜率的直線、圓弧、拋物線或其它函數關系的曲線。刀具以一定的進給速度運動的同時，進行加工。數控銑床、功能完善的數控車床、數控凸輪磨床等均采用。輪廓控制系統(tǒng)

裝置系統(tǒng)一般都是兩坐標或兩坐標以上的多坐標聯(lián)動控制系統(tǒng)，其功能齊全，可加工任意形狀的曲線或型腔，如平板凸輪。二軸三軸五軸四軸開環(huán)控制系統(tǒng)通常不帶位置測量元件，伺服驅動元件為步進電機。輸入的數據通過數控系統(tǒng)的運算分配出指令脈沖，每一個脈沖送給步進電機，它就轉動一個精度，再通過傳動機構使被控制的工作臺移動。對實際傳動機構的動作情況是不進行檢查的，沒有被控制對象的反饋值，指令發(fā)送出去不再反饋回來，稱為開環(huán)控制。優(yōu)點是結構簡單，調試容易，價格便宜。但是控制精度和運動速度受到限制。步進電機工作臺步進電機驅動線路進給脈沖半閉環(huán)控制系統(tǒng)工作臺模數轉換執(zhí)行單元角度測量位置指令位置反饋對工作臺的實際位置不進行檢查測量，而是通過與伺服電機（執(zhí)行單元）有機聯(lián)系的測量元件（如測速電機、光電編碼器等）檢測出伺服電機的轉角，間接地推算出工作臺實際位移量，用此值與指令值進行比較，用差值來實現控制。由于檢測的不是工作臺的位移，所以稱之為半閉環(huán)。精度沒有閉環(huán)高，但調試卻比閉環(huán)容易。閉環(huán)控制系統(tǒng)位置指令位置反饋工作臺執(zhí)行單元模數轉換計算機位置檢測器必須具備測量元件。直接在移動工作臺上安裝直線位移檢測裝置如光柵、磁尺、感應同步器等，檢測出來的反饋信號與輸入指令相比較，用比較的差值進行控制，直至差值消除時停止，這叫閉環(huán)控制。優(yōu)點是控制精度高，但是安裝、調試和維護比較復雜，而且價格昂貴。數控機床分類表數控機床的種類數控車床加工中心機床數控銑床數控鉆床數控鏜床數控磨床數控電加工機床數控金屬成型機床控制系統(tǒng)類別點位、直線控制輪廓控制點位、直線控制開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)特殊用途的輪廓控制點位、直線控制輪廓控制點位控制開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)閉環(huán)閉環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)點位、直線控制點位、直線控制輪廓控制輪廓控制執(zhí)行機構類別加工對象類別沒錐度、圓弧的軸有錐度、圓弧的軸齒輪箱、框架等箱體飛機零件的輪廓加工箱體平面輪廓的凸輪、樣板、沖模，壓、鑄模印刷電路基板、多孔零件箱體精密箱體凸輪、軋輥、沖模模具沖壓，板材、彎管等按數控機床的功能水平分類低檔數控機床（經濟型數控機床）中檔數控機床高檔數控機床按可聯(lián)動的坐標數分類2軸聯(lián)動（平面曲線）3軸聯(lián)動（空間曲面，球頭刀）4軸聯(lián)動（空間曲面）5軸聯(lián)動及6軸聯(lián)動（空間曲面）。聯(lián)動軸數越多數控系統(tǒng)的控制算法就越復雜。數控技術的發(fā)展數控系統(tǒng)及數控機床的發(fā)展歷程1952年美國麻省理工學院研制成數控銑床后，隨著電子技術、計算機技術、自動控制技術和精密測量技術的發(fā)展，以集成電路的集成度為推動力，先后經歷了電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路、小型計算機（CNC）和微型機（MNC）數控系統(tǒng)等五個發(fā)展階段。90年代以來，受通用微機技術飛速發(fā)展的影響，數控系統(tǒng)正朝著以通用微機（個人計算機－PC）為基礎、體系結構開放和智能化的方向發(fā)展。1994年基于PC的NC控制器在美國首先出現于市場，此后得到迅速發(fā)展。由于基于PC的開放式數控系統(tǒng)可充分利用通用微機豐富的硬軟件資源和適用于通用微機的各種先進技術，已成為數控技術發(fā)展的潮流和趨勢。在伺服驅動方面，隨著微電子、計算機和控制技術的發(fā)展，伺服驅動系統(tǒng)的性能也不斷提高，從最初的電液伺服電機和功率步進電機開環(huán)控制驅動發(fā)展到直流伺服電機和目前廣泛應用的交流伺服電機閉環(huán)(半閉環(huán))控制驅動，并由模擬控制向數字化控制方向發(fā)展。在高性能的數控系統(tǒng)上已普遍采用數字化的交流伺服驅動，使用高速數字信號處理器(DSP)和高分辨率的檢測器，以極高的采樣頻率進行數字補償，實現伺服驅動的高速高精度化。1958年美國Kearney&Trecker公司開發(fā)了世界上第一臺加工中心，從而揭開了加工中心的序幕。1967年，英國首先把幾臺數控機床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS。數控機床的發(fā)展現狀與趨勢高精度化高速度化高柔性化高自動化復合化智能化網絡化高可靠性先進數控技術概述CNC系統(tǒng)采用高性能CPU及開放式體系結構目前先進的CNC系統(tǒng)普遍使用32位甚至64位CPU多總線的體系結構和實時多任務、多用戶的操作系統(tǒng)，以提高運算處理速度。新—代數控系統(tǒng)體系結構向開放式系統(tǒng)發(fā)展。CNC制造商、系統(tǒng)集成者、用戶都希望“開放式的控制器”，能夠自由地選擇CNC裝置、驅動裝置、伺服電動機、應用軟件等數控系統(tǒng)的各個構成要素，并能采用規(guī)范的、簡便的方法將這些構成要素組合起來?；赑C的開放式CNC大致可分為三類：專用CNC+PC型、運動控制器+PC型、純PC型傳統(tǒng)封閉式數控系統(tǒng)的缺點（1）各廠家產品軟硬件不兼容，主流技術遠落后于PC軟硬件技術，購買、使用成本高;（2）系統(tǒng)功能固定，不能充分反映數控設備制造廠的生產經驗，很難滿足最終用戶的特殊要求;（3）缺乏統(tǒng)一、有效和高速的通道與外部互連，信息被鎖在“黑匣子”中，成為自動化的“孤島”;（4）人機界面不靈活，系統(tǒng)的培訓和維護費用昂貴。PC-NC結構的不足（1）仍存在專有硬件（2）信息的交換還不是完全開放的（3）與I/O接口連線多（4）成本高（5）工業(yè)化設計不如傳統(tǒng)數控系統(tǒng)軟件化開放式是數控系統(tǒng)的發(fā)展方向（1）基于標準的PC硬件（2）信息的完全開放，軟件模塊的PnP，（3）與I/O的連接為現場總線結構PROFIBUS，SERCOS，MACRO,HS-Link,IEEE1394a(b),實時以太網（4）完善的網絡功能（5）成本低普遍采用全數字式交流伺服系統(tǒng)數控機床的高速、高精度化，要求機床主軸和進給驅動要具有更高的速度和更好的動靜態(tài)位置控制精度。數控系統(tǒng)大多采用全數字式交流伺服，電機的位置、速度、電流環(huán)均實現數字化，實現了幾乎不受機械負荷變動影響的高精度、高速響應的伺服系統(tǒng)，以及加工過程的柔性化和自動化，實現了高分辨率，保證了加工精度。直線電動機已開始推廣應用直線電動機取代傳統(tǒng)以滾珠絲杠為核心的進給驅動系統(tǒng)主要有如下優(yōu)勢：簡化結構、高速化、傳動效率高、響應速度快、便于保養(yǎng)、便于長行程化。我國數控產業(yè)現狀及發(fā)展數控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗目的通過數控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數控機床上對工件進行加工；結合機械加工工藝，實現最優(yōu)化編程，提高加工質量和生產效率。機械工程實驗教學中心數控編程的基本原理數控編程的目的；數控編程的內容；編程步驟。機械工程實驗教學中心數控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數、機床的運動以及刀具位移等內容，按照數控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質如程序紙帶、磁帶等，變成數控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數控機床，數控機床的CNC裝置對程序經過處理之后，向機床各坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅動機床完成相應的運動。機械工程實驗教學中心數控編程的目的數控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數據；③編寫零件加工程序；④制作控制介質；⑤校對程序及首件試加工。機械工程實驗教學中心數控編程的內容數控編程的基本原理機械工程實驗教學中心數控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數學處理編寫程序文件制作控制介質程序校驗及試切數控機床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數控車床模擬仿真和數控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標準硬件系統(tǒng)構成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學中心為例，軟件提供下列指令：以數控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標系G92X_Z_√2G04延時G04E_

3M00暫停M00

M02程序結束M02

4M03主軸正轉M03√M04主軸反轉M04√M05主軸停M05√5M08開冷卻液M08√M09關冷卻液M09√

6M97程序跳轉M97P_

M98子程序調用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定義開關1有效M20√M21自定義開關1無效M21√8M22自定義開關2有效M22√M23自定義開關2無效M23√9S主軸轉速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000√OpenSoftCNC軟件介紹