第1章 數(shù)控機床編程

數(shù)控機床編程及應(yīng)用主講袁德為合肥騰飛職業(yè)技術(shù)學(xué)校課程安排總學(xué)時：40學(xué)時，理論36學(xué)時實驗4學(xué)時考核：100分=平時成績20分+期末考試80分平時成績20分：考勤5分+作業(yè)5分+實驗10分期末考試80分：筆試80分

課程基本要求掌握數(shù)控機床的組成及結(jié)構(gòu)特點掌握數(shù)控車床的手工編程掌握數(shù)控銑床的手工編程掌握數(shù)控機床的基本操作，能夠獨立完成零件的編程與加工了解加工中心的編程與操作掌握CAM軟件零件造型及后置處理方法，能通過自動編程獨立完成零件的編程與加工第1章數(shù)控機床基本知識1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展1.2數(shù)控機床的組成結(jié)構(gòu)及工作原理1.3數(shù)控機床加工過程的控制與特點1.4數(shù)控機床的分類

1.5機床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，各類工業(yè)新產(chǎn)品層出不窮。機械制造產(chǎn)業(yè)作為國民工業(yè)的基礎(chǔ)，其產(chǎn)品更是日趨精密復(fù)雜，特別是在宇航、航海、軍事（東芝事件）等領(lǐng)域所需的機械零件，精度要求更高，形狀更為復(fù)雜且往往批量較小，加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，東芝事件20世紀80年代初，由于日本東芝機械公司背著巴黎統(tǒng)籌委員會，向前蘇聯(lián)出售高精密的加工船用螺旋槳的數(shù)控機床一事，造成了震動國際政壇的“東芝事件”。背景始于美國和前蘇聯(lián)核潛艇技術(shù)的競爭。據(jù)統(tǒng)計，前蘇聯(lián)有256艘攻擊型核潛艇，而美國只有96艘，但美國的核潛艇噪聲小，蘇聯(lián)的核潛艇噪聲大。一般情況下，美國的反潛系統(tǒng)在距前蘇聯(lián)核潛艇200海里時，便能發(fā)現(xiàn)它并辨別其特征，因此，前蘇聯(lián)若不盡快設(shè)法清除噪聲，一旦爆發(fā)戰(zhàn)爭，前蘇聯(lián)的核潛艇將是一推廢鐵。核潛艇的噪音主要是由螺旋槳造成的。1981年，前蘇聯(lián)謀求從日本東芝機械公司進口MBP－10銑床。東芝機械公司明知這種機床在巴黎統(tǒng)籌委員會的貨單上是絕對禁止向經(jīng)互會成員國出口的，便以符合巴統(tǒng)規(guī)定的TDP70－110機床申請出口。在裝船時，耍個掉包計，騙過日本通產(chǎn)省和海關(guān)的所有官員，甚至還派人員到列寧格勒安裝調(diào)試機床。效果很快顯示出來：前蘇聯(lián)新型攻擊核潛艇的噪聲降到原來的1／10及到1％，美國潛艇必須靠近到20海里以內(nèi)才能發(fā)現(xiàn)并跟蹤前蘇聯(lián)潛艇。美國若要保持其優(yōu)勢，必須改進反潛系統(tǒng)，估計需要花費200至400億美元。事情敗露后，日本通產(chǎn)省宣布在一年內(nèi)禁止東芝機械公司向14個國家出口產(chǎn)品，僅此一項使東芝機械公司損失1億美元。

美國對見利忘“義”的東芝報復(fù)更為激烈，國會通過法案，禁止東芝公司電子產(chǎn)品進入美國市場。在日本，許多當事人被捕，東芝機械公司乃至東芝公司首腦先后引咎辭職，一時間東芝股票價格猛跌，企業(yè)陷入困境。

普通機床或?qū)I(yè)化程度高的自動化機床顯然無法適應(yīng)這些要求。同時，隨著市場競爭的日益加劇，企業(yè)生產(chǎn)也迫切需要進一步提高其生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本。一種新型的生產(chǎn)設(shè)備——數(shù)控機床就應(yīng)運而生了。帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)實驗室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）合作，于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床試驗性樣機。1959年，美國克耐·杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功開發(fā)了加工中心（MachiningCenter）。1.2數(shù)控機床的構(gòu)成與工作原理1.2.1數(shù)控機床的組成輸入裝置輸出裝置計算機數(shù)控裝置PLC主軸控制單元主軸機床伺服電機速度控制單元工作臺位置檢測反饋裝置1.控制介質(zhì)數(shù)控機床工作時，不需要操作工人直接操縱機床，但機床又必須執(zhí)行人的意圖，這就需要在人與機床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物即稱為控制介質(zhì)。2．數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，是數(shù)控機床的中心環(huán)節(jié)。它能自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字，并將其譯碼，從而使機床進給并加工零件，數(shù)控系統(tǒng)通常由輸入裝置、控制器、運算器和輸出裝置4大部分組成。3．伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電動機和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動機床的移動部件運動或使執(zhí)行部分動作，以加工出符合要求的工件。每一個脈沖使機床移動部件產(chǎn)生的位移量叫做脈沖當量。目前所使用的數(shù)控系統(tǒng)脈沖當量通常為0.001mm/脈沖。4．輔助控制系統(tǒng)輔助控制系統(tǒng)是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的強電控制裝置。5．機床本體機床本體是數(shù)控機床的主體，由機床的基礎(chǔ)大件（如床身、底座）和各運動部件（如工作臺、床鞍、主軸等）所組成。1.2.2數(shù)控機床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件1．伺服系統(tǒng)驅(qū)動電機（1）步進電動機步進電動機通常用于開環(huán)伺服系統(tǒng)機床。（2）直流伺服電動機①小慣量直流電動機②寬調(diào)速直流電動機③無刷直流電動機（3）交流伺服電動機近年來新型功率開關(guān)器件、專用集成電路和新的控制算法等的發(fā)展帶動了交流驅(qū)動電源的發(fā)展，使其調(diào)速性能更能適應(yīng)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的要求。交流速度控制系統(tǒng)正逐步取代直流速度控制系統(tǒng)。2．位置檢測裝置檢測裝置是把位移和速度測量信號作為反饋信號，并將反饋信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字送回計算機，和脈沖指令信號相比較，以控制驅(qū)動元件正確運轉(zhuǎn)。（1）感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種電磁式的高精度位移檢測元件，按其結(jié)構(gòu)方式的不同可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種，前者用于長度測量，后者用于角度測量。感應(yīng)同步器的特點是：精度高，工作可靠，抗干擾性強，維護簡單，壽命長，可測量長距離位置，成本低，易于批量生產(chǎn)。（2）光柵光柵就是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上均勻地刻劃很多條與運動方向垂直的條紋，條紋之間的距離成為柵距。光柵測量裝置是一種非接觸式測量，利用光路減少了機械誤差，具有精度高，響應(yīng)速度快等特點，因此是數(shù)控機床和數(shù)顯系統(tǒng)常用的檢測元件。（3）磁柵磁柵是用電磁的方法計算磁波數(shù)目的一種位置檢測元件，磁柵測量裝置由磁性標尺、讀取磁頭和檢測電路組成。磁柵位置檢測電路的特點是：容易制造，檢測精度高（能達到每米±3

m），安裝使用方便，對環(huán)境條件要求較低，若磁性標尺膨脹系數(shù)與機床一致，可在一般車間使用。由于磁頭與磁柵為有接觸的相對運動，因而有磨損，使用壽命受到一定的限制。一般使用壽命可達到5年，涂上保護膜后壽命則可進一步延長。（4）旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移檢測元件，由定子和轉(zhuǎn)子組成，分為有刷和無刷兩種形式。有刷旋轉(zhuǎn)變壓器定子和轉(zhuǎn)子均為兩相交流分布繞組。數(shù)控機床檢測裝置主要使用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，因為無刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有可靠性高、壽命長、體積小、不用維修以及輸出信號大、抗干擾能力強等優(yōu)點。（5）脈沖編碼器脈沖編碼器是把機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為電脈沖的一種常用角位移傳感器。（6）測速發(fā)電機測速發(fā)電機是速度反饋元件，相當于一臺永磁式直流電動機。3．進給運動傳動部件滾珠絲杠螺母副是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的新型理想傳動裝置。具有如下優(yōu)點。（1）傳動效率高。（2）摩擦力小。（3）使用壽命長。（4）經(jīng)預(yù)緊后可以消除軸向間隙，提高系統(tǒng)的剛度。（5）反向運動時無空行程，可以提高軸向運動精度。4．CRT顯示及其接口5．數(shù)控機床通信RS-232接口1.3

數(shù)控機床加工過程的控制與特點數(shù)控系統(tǒng)的主要任務(wù)之一就是控制執(zhí)行機構(gòu)按預(yù)定的軌跡運動。一般情況是已知運動軌跡的起點坐標、終點坐標和曲線方程，由數(shù)控系統(tǒng)實時地算出各個中間點的坐標。即需要“插入、補上”運動軌跡各個中間點的坐標，通常這個過程就稱為“插補”。1．逐點比較法直線插補2.數(shù)字積分法圓弧插補③插補計算過程 偏差判斷 坐標進給 偏差計算 終點判別1.4數(shù)控機床的分類1.4.1按控制系統(tǒng)的特點分類1．點位控制數(shù)控機床 這類機床主要有數(shù)控坐標鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控點焊機和數(shù)控折彎機等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為點位控制數(shù)控裝置。2．直線控制數(shù)控機床這類機床主要有數(shù)控車床、數(shù)控磨床和數(shù)控鏜銑床等，相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為直線控制裝置。3．輪廓控制數(shù)控機床屬于這類機床的有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓數(shù)控裝置比點位、直線控制裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，功能齊全得多。1.4.2按進給伺服系統(tǒng)的類型分類1．開環(huán)進給伺服系統(tǒng)數(shù)控機床 開環(huán)進給伺服系統(tǒng)通常不帶有位置檢測元件，伺服驅(qū)動元件一般為步進電動機。2．閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)數(shù)控機床 閉環(huán)進給控制系統(tǒng)帶有位置檢測元件，隨時可以檢測出工作臺的實際位移，并反饋給數(shù)控裝置，并與設(shè)定的指令值進行比較，利用其差值控制伺服電動機，直至差值為零為止。3．半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)數(shù)控機床 半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件安裝在伺服電動機的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機床的位移量，而是檢測伺服機構(gòu)的轉(zhuǎn)角，將此信號反饋給數(shù)控裝置進行指令值比較，用差值控制伺服電動機。1.4.3按工藝用途分類1．金屬切削類數(shù)控機床金屬切削類數(shù)控機床包括數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心。2．金屬成型類數(shù)控機床金屬成型類數(shù)控機床包括數(shù)控折彎機、數(shù)控組合沖床和數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機等。這類機床起步晚，但目前發(fā)展很快。3．數(shù)控特種加工機床數(shù)控特種加工機床如數(shù)控線（電極）切割機床、數(shù)控電火花加工機床、火焰切割機和數(shù)控激光切割機床等。4．其他類型的數(shù)控機床其他類型的數(shù)控機床如數(shù)控三坐標測量機等。1.4.4按所用數(shù)控裝置的構(gòu)成方式分類1．硬線數(shù)控系統(tǒng)2．軟線數(shù)控系統(tǒng)1.5機床數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢第1代數(shù)控機床：1952年～1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置（NC）。第2代數(shù)控機床：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。第3代數(shù)控機床：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。第4代數(shù)控機床：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)（CNC）。第5代數(shù)控機床：從1974年開始采用微型計算機控制的系統(tǒng)（MNC）。1．計算機直接數(shù)控系統(tǒng)所謂計算機直接數(shù)控（DirectNumericalControl，DNC）系統(tǒng)，即使用一臺計算機為數(shù)臺數(shù)控機床進行自動編程，編程結(jié)果直接通過數(shù)據(jù)線輸送到各臺數(shù)控機床的控制箱。2．柔性制造系統(tǒng)