數(shù)控加工技術(shù)基礎(chǔ)

數(shù)控加工技術(shù)實訓(xùn)邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系數(shù)控技術(shù)教研室2023/9/121單元1數(shù)控加工技術(shù)根底內(nèi)容提要：實訓(xùn)目的與要求數(shù)控加工的根本知識數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成數(shù)控加工的根本術(shù)語實訓(xùn)內(nèi)容

2023/9/1221.1實訓(xùn)目的與要求1、實訓(xùn)目的通過對數(shù)控加工技術(shù)根底知識的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，了解和掌握數(shù)控機(jī)床的加工原理、根本組成局部和機(jī)械結(jié)構(gòu)，為數(shù)控加工技術(shù)實訓(xùn)打下根底。2、實訓(xùn)要求了解數(shù)控加工技術(shù)的根本知識：數(shù)控加工的根本概念，數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與開展，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床的分類等；理解并掌握數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成，掌握數(shù)控加工的根本術(shù)語；完成數(shù)控機(jī)床認(rèn)識實訓(xùn)的內(nèi)容。2023/9/1231、產(chǎn)生背景從工業(yè)化革命以來人們實現(xiàn)機(jī)械加工自動化的手段有：自動機(jī)床組合機(jī)床專用自動生產(chǎn)線它們存在固有的缺點(diǎn)：初始投資大準(zhǔn)備周期長柔性差主軸承蓋加工數(shù)控組合機(jī)床軸承蓋加工自動線1.2數(shù)控加工的根本知識2023/9/124上述方法僅適用批量較大的零件生產(chǎn)。然而，隨著市場競爭的日趨劇烈產(chǎn)品更新?lián)Q代周期縮短，批量大的產(chǎn)品越來越少，而小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)所占的比重越來越大，約占總加工量的80％以上。在航空、航天、重型機(jī)床以及國防部門尤其如此。因此，迫切需要一種精度高、柔性好的加工設(shè)備來滿足上述需求，這是機(jī)床數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生和開展的內(nèi)在動力。另一方面，電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速開展那么為NC機(jī)床的進(jìn)步提供了堅實的技術(shù)根底，這是機(jī)床NC技術(shù)產(chǎn)生和開展的可能性。NC技術(shù)正是在這種背景下誕生和開展起來的。它極其有效地滿足了上述要求，為小批量、精密復(fù)雜的零件生產(chǎn)提供了自動化加工手段。它的產(chǎn)生給自動化技術(shù)帶來了新的概念，推動了加工自動化技術(shù)的開展。1.2數(shù)控加工的根本知識2023/9/1252、開展沿革1952研制了世界第一臺三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。50-60年代，開展到NC〔硬件數(shù)控〕階段。70年代，開展到CNC〔計算機(jī)數(shù)控〕階段。80年代，出現(xiàn)高速高精度CNC的開發(fā)和應(yīng)用階段。90年代，基于PC的開放式CNC的開發(fā)與應(yīng)用。當(dāng)代，也主要是基于PC的CNC開放式系統(tǒng)，軟件有所提高。1.2數(shù)控加工的根本知識2023/9/126一、按加工工藝方法分類1、一般數(shù)控機(jī)床切削加工類：捷克托斯數(shù)控鏜床CKA6150數(shù)控車床哈挺數(shù)控磨床1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/127成型加工類：數(shù)控折彎機(jī)數(shù)控彎管機(jī)數(shù)控型材彎弧機(jī)1.3數(shù)控機(jī)床的分類內(nèi)容講解2023/9/128特種加工類：火花成型線切割機(jī)火花小孔激光加工1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/129其它類型：三坐標(biāo)測量機(jī)CNC影像儀1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1210德馬吉立式加工中心2、帶自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床〔加工中心〕臥式加工中心德馬吉萬能車削中心1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1211點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的精確定位運(yùn)動；對軌跡不作控制要求；運(yùn)動過程中不進(jìn)行任何加工。適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測量機(jī)。二、按控制系統(tǒng)功能特點(diǎn)分類1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1212點(diǎn)位直線控制數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是機(jī)床移動部件不僅要實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動定位，而且能夠?qū)崿F(xiàn)平行坐標(biāo)軸方向的直線切削加工運(yùn)動。

點(diǎn)位直線數(shù)控機(jī)床雖然擴(kuò)大了點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床的工藝范圍，但它的應(yīng)用仍然受到了很大的限制

運(yùn)動過程中不進(jìn)行任何加工。適用范圍：簡易數(shù)控車床、數(shù)控銑鏜床。1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1213輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制(連續(xù)控制)系統(tǒng)：具有控制幾個進(jìn)給軸同時諧調(diào)運(yùn)動(坐標(biāo)聯(lián)動)，使工件相對于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運(yùn)動，在運(yùn)動過程中進(jìn)行連續(xù)切削加工的數(shù)控系統(tǒng)。適用范圍：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等用于加工曲線和曲面的機(jī)床?，F(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床根本上都是裝備的這種數(shù)控系統(tǒng)。1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1214三、按伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)分類按數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給伺服子系統(tǒng)有無位置測量裝置可分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)位置測量裝置安裝的位置又可分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種。1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1215開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的〔數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)〕，故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1216無位置反響，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1217半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如下圖，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反響單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實際位置反響實際速度反響1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/12181.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1219半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1220全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動部件的實際位置進(jìn)行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實際位置反饋實際速度反饋1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/12211.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1222從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1223按聯(lián)動軸數(shù)分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(shù)越多數(shù)控系統(tǒng)的控制算法就越復(fù)雜。四、按控制系統(tǒng)的功能水平分類1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1224圖不同聯(lián)動軸數(shù)所能加工的型面(a)二軸聯(lián)動；(b)二軸半聯(lián)動；(c)三軸聯(lián)動1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1225圖五軸聯(lián)動銑削曲面零件1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1226圖六軸加工中心坐標(biāo)示意圖1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1227按數(shù)控系統(tǒng)類型分類經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)〔又稱簡易數(shù)控系統(tǒng)〕這一檔次的數(shù)控機(jī)床僅能滿足一般精度要求的加工，能加工形狀較簡單的直線、斜線、圓弧及帶螺紋的零件，采用的微機(jī)系統(tǒng)為單板機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)，具有數(shù)碼顯示，CRT字符顯示功能，機(jī)床進(jìn)給由步進(jìn)電動機(jī)實現(xiàn)開環(huán)驅(qū)動，控制的軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)在3軸或3軸以下。1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1228普及型數(shù)控系統(tǒng)〔通常稱之為全功能數(shù)控系統(tǒng)〕這類數(shù)控系統(tǒng)功能較多，除了具有一般數(shù)控系統(tǒng)的功能以外，還具有一定的圖形顯示功能及面向用戶的宏程序功能等，采用的微機(jī)系統(tǒng)為16位或32位微處理機(jī)，具有RS-232C通信接口，機(jī)床的進(jìn)給多用交流或直流伺服驅(qū)動，一般系統(tǒng)能實現(xiàn)4軸或4軸以下聯(lián)動控制。1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1229高檔數(shù)控系統(tǒng)

采用的微機(jī)系統(tǒng)為32位以上微處理機(jī)系統(tǒng)，機(jī)床的進(jìn)給大多采用交流伺服驅(qū)動，除了具有一般數(shù)控系統(tǒng)的功能以外，應(yīng)該至少能實現(xiàn)5軸或5軸以上的聯(lián)動控制。具有三維動畫圖形功能和宜人的圖形用戶界面，同時還具有豐富的刀具管理功能、寬調(diào)速主軸系統(tǒng)、多功能智能化監(jiān)控系統(tǒng)和面向用戶的宏程序功能，還有很強(qiáng)的智能診斷和智能工藝數(shù)據(jù)庫，能實現(xiàn)加工條件的自動設(shè)定，且能實現(xiàn)與計算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)和通信。1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1230基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)

用通用微機(jī)技術(shù)開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)可以得到強(qiáng)有力的硬件與軟件支持，這些軟件和硬件的技術(shù)是開放式的，此時的通用微機(jī)除了具備本身的功能外，還具備了全功能數(shù)控系統(tǒng)的所有功能。

1.3數(shù)控機(jī)床的分類2023/9/1231工藝分析數(shù)控加工程序工序卡傳統(tǒng)加工數(shù)控加工傳統(tǒng)加工與數(shù)控加工的比較圖1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1232數(shù)控加工過程示意圖1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1233數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過程分以下幾個步驟：根據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序所編寫程序指令輸入數(shù)控裝置數(shù)控裝置將程序(代碼)進(jìn)行譯碼、運(yùn)算之后，向機(jī)床各個坐標(biāo)的伺服機(jī)構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號，以驅(qū)動機(jī)床的各運(yùn)動部件，并控制所需要的輔助動作，最后加工出合格的零件

1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1234數(shù)控機(jī)床的根本組成1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1235操作面板它是操作人員與數(shù)控裝置進(jìn)行信息交流的工具。組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列〔功能與計算機(jī)鍵盤一樣〕和顯示器；。它是數(shù)控機(jī)床特有部件。1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1236控制介質(zhì)與輸入輸出設(shè)備控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。數(shù)控機(jī)床常用的控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備見表1：1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1237表1控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備表1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1238通訊現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)備進(jìn)行信息交換外，一般都具有用通訊方式進(jìn)行信息交換的能力。它們是實現(xiàn)CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的根本技術(shù)。采用的方式有：串行通訊〔RS-232等串口〕、自動控制專用接口和標(biāo)準(zhǔn)〔DNC方式，MAP協(xié)議等〕網(wǎng)絡(luò)技術(shù)〔internet，LAN等〕。1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1239CNC裝置(CNC單元)組成：計算機(jī)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(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進(jìn)行相應(yīng)的處理〔如運(yùn)動軌跡處理、機(jī)床輸入輸出處理等〕，然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1240伺服單元、驅(qū)動裝置和測量裝置伺服單元和驅(qū)動裝置主軸伺服驅(qū)動裝置和主軸電機(jī)進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置和進(jìn)給電機(jī)測量裝置位置和速度測量裝置。以實現(xiàn)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。作用保證靈敏、準(zhǔn)確地跟蹤C(jī)NC裝置指令：進(jìn)給運(yùn)動指令：實現(xiàn)零件加工的成形運(yùn)動〔速度和位置控制〕。主軸運(yùn)動指令，實現(xiàn)零件加工的切削運(yùn)動〔速度控制〕1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1241

PLC、機(jī)床I/O電路和裝置PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成；機(jī)床I/O電路和裝置：實現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路；功能：接受CNC的M、S、T指令，對其進(jìn)行譯碼并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號，控制輔助裝置完成機(jī)床相應(yīng)的開關(guān)動作接受操作面板和機(jī)床側(cè)的I/O信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機(jī)床的動作。1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/1242機(jī)床機(jī)床：數(shù)控機(jī)床的主體，是實現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。組成：由主運(yùn)動部件、進(jìn)給運(yùn)動部件〔工作臺、拖板以及相應(yīng)的傳動機(jī)構(gòu)〕、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〕。1.4數(shù)控機(jī)床的工作原理及組成2023/9/12431、數(shù)字控制〔NumericalControlNC〕是一種借助數(shù)字、字符或其它符號對某一工作過程〔如加工、測量、裝配等〕進(jìn)行可編程控制的自動化方法。2、數(shù)控技術(shù)〔NumericalControlTechnology〕采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)自動控制的技術(shù)。1.5數(shù)控加工的根本術(shù)語2023/9/12443、數(shù)控機(jī)床〔NumericalControlMachineTools〕是采用數(shù)字控制技術(shù)對機(jī)床的加工過程進(jìn)行自動控制的一類機(jī)床。它數(shù)控技術(shù)典型應(yīng)用的例子。4、數(shù)控系統(tǒng)〔NumericalControlSystem〕實現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。5、計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)〔ComputerNumericalControlCNC〕以計算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)。1.5數(shù)控加工的根本術(shù)語2023/9/12456、坐標(biāo)聯(lián)動：坐標(biāo)軸的非獨(dú)立運(yùn)動。即：一個軸的運(yùn)動要受到其它軸運(yùn)動的制約。7、坐標(biāo)聯(lián)動加工：數(shù)控機(jī)床加工時的橫向、縱向等進(jìn)給量都是以軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)控制的。如：兩坐標(biāo)車床、三坐標(biāo)銑床、五軸加工中心等。8、脈沖當(dāng)量：相對于數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的每個進(jìn)給脈沖信號，機(jī)床移動部件的位移量。也稱為最小設(shè)定〔移動〕單位，數(shù)控機(jī)床根據(jù)其精度的不同，常用的脈沖當(dāng)量為0.0lmm，0.005mm，及0.001mm。1.5數(shù)控加工的根本術(shù)語2023/9/12469、進(jìn)給速度：單位時間內(nèi)坐標(biāo)軸移動的距離?！布庸r刀具相對于工件的移動速度〕單位：mm/min或mm/r。10、速度修調(diào)：通過修調(diào)倍率對速度進(jìn)行適量修調(diào)。數(shù)控機(jī)床在加工過程中能通過速度修調(diào)實時調(diào)整進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，便于加工。11、插補(bǔ)：在組成軌跡的直線段或曲線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，按一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作，以確定一些中間點(diǎn)的方法就稱之為“插補(bǔ)〞。計算插補(bǔ)點(diǎn)的運(yùn)算稱為插補(bǔ)運(yùn)算.1.5數(shù)控加工的根本術(shù)語2023/9/124712、刀補(bǔ)運(yùn)算：零件的加工程序一般是按零件輪廓和工藝要求的進(jìn)給路線編制的，而數(shù)控機(jī)床在加工過程中所控制的是刀具中心的運(yùn)動軌跡。不同的刀具，其幾何參數(shù)也不相同，加工前必須將編程軌跡變換成刀具中心的軌跡，這樣才能加工出符合要求的零件。刀補(bǔ)運(yùn)算就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。13、機(jī)床坐標(biāo)系：是數(shù)控機(jī)床安