1、广东技术师范学院天河学院广东技术师范学院天河学院王如意王如意数控编程与加工技术数控编程与加工技术课题一课题一 认识数控机床认识数控机床一、新课的导入一、新课的导入1 1、常用的机械加工设备有哪些？、常用的机械加工设备有哪些？2 2、它们有什么样的加工特点？、它们有什么样的加工特点？3 3、各种机械加工应用于什么场合？、各种机械加工应用于什么场合？11 数控机床的产生与发展111 数控机床的产生数控机床的产生112 我国数控机床的现状我国数控机床的现状113 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势二、新课的教学内容二、新课的教学内容 1949年美国Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研
2、制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“Numerical Control”。1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类加工中心。1.1.11.1.1数控机床的产生数控机床的产生 1968年年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系柔性制
3、造系统统FMS。1974年年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC(计算机数控系统计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的发展得软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。以快速发展。1976年年美国美国Lockhead公司开始使用公司开始使用图像编程。图像编程。利用利用CAD(计算机辅助设计计算机辅助设计)绘出加工零件的模型，在显示器上绘出加工零件的模型，在显示器上“指指点点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC
4、程序。程序。1.1.2 我国数控机床发展概况 我国我国虽然早在虽然早在19581958年年就开始研制数控机床，但由于历史就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。原因，一直没有取得实质性成果。2020世纪世纪7070年代初期，曾掀年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差。定，可靠性差。19801980年北京机床研究所引进年北京机床研究所引进日本日本FANUC5FANUC5、7 7、3 3、6 6数控数控系统，上海机床研究所引进美国系统，上海机床研究所引进美国GEGE公司的公司的MTCMT
5、C1 1数控系统，数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国辽宁精密仪器厂引进美国BendixBendix公司的公司的DynapthDynapth LTD10 LTD10数控数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出床研究所又开发出BS03BS03经济型数控和经济型数控和BS04BS04全功能数控系统，全功能数控系统，航天部航天部706706所研制出所研制出MNC864MNC864数控系统。数控系统。“八五八五”期间国家又组期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻
6、数控技术攻关关”，从而为数控技术产业化建立了基础。，从而为数控技术产业化建立了基础。2020世纪世纪9090年代末，华中数控年代末，华中数控自主开发出基于自主开发出基于PC-NCPC-NC的的HNCHNC数数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。的竞争力度。据据1997年不完全统计，全国共拥有数控机床年不完全统计，全国共拥有数控机床12万台。目前，我万台。目前，我国数控机床生产企业有国数控机床生产企业有100多家，年产量增加到多家，年产量增加到1万多台，品种万多台，品种满足率达满足率达80%，并在有些企业实施了，
7、并在有些企业实施了FMS和和CIMS工程，数控工程，数控机床及其加工技术进入了实用阶段。机床及其加工技术进入了实用阶段。现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展。体化、网络化和智能化等方向发展。1)1)高速切削高速切削 受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算重要方向之一。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。高
8、主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。因此，经高速加工减小，加工精度和表面质量得到显著改善。因此，经高速加工的工件一般不需要精加工。的工件一般不需要精加工。1.1.3 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 2)高精度控制高精度控制 高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面。床制造的几何精度和机床
9、使用的加工精度控制两方面。提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，提提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来达到的。目前精整加工精度已提高到助措施来达到的。目前精整加工精度已提高到0.1 m，并进入，并进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代。了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代。(加工精度达加工精度达0.01 m)3)高柔性化高柔性化 柔性是指机床适应加工对象变化的能力。目前，在进一柔性是指机床适应加工对象变化的能力。目前，在进一步提高单机柔性自动化加
10、工的同时，正努力向单元柔性和系步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性和系统柔性化发展。统柔性化发展。数控系统在数控系统在21世纪将具有最大限度的柔性，能实现多种世纪将具有最大限度的柔性，能实现多种用途。具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，视用途。具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，视需要系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格需要系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统。比可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统。4)高一体化高一体化 CNC系统与加工过程作为一个整体，实现机、电、光、声系统与加工过程作为一
11、个整体，实现机、电、光、声综合控制，测量、造型、加工一体化，加工、实时检测与修正综合控制，测量、造型、加工一体化，加工、实时检测与修正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。5)网络化网络化 实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMS(柔性柔性制造系统制造系统)、CIMS(计算机集成制造系统计算机集成制造系统)对基层设备的要求。对基层设备的要求。配置网络接口，通过配置网络接口，通过Internet可实现远程监视和控制加工，进行可实现远程监视和控制加工，进行远程检测和诊断，使维修变得简单。建立分布式网络化
12、制造系远程检测和诊断，使维修变得简单。建立分布式网络化制造系统，可便于形成统，可便于形成“全球制造全球制造”。6)智能化智能化 21世纪的世纪的CNC系统将是一个高度智能化的系统。具体是指系统将是一个高度智能化的系统。具体是指系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整；系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，可使用自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能可使用自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求等。监控
13、；采用专家系统以降低对操作者的要求等。数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成。装置和机床本体组成。1.1.输入输出设备输入输出设备2.2.数控装置数控装置3.3.伺服系统伺服系统4.4.测量反馈装置测量反馈装置5.5.机床本体机床本体6.6.辅助控制系统辅助控制系统输入输入输出输出设备设备数控数控装置装置伺服伺服系统系统机床机床本体本体测量反馈装置测量反馈装置数控机床组成图数控机床组成图数控机床的组成数控机床的组成主轴电机主轴电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定
14、位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机数控机床（数控机床（Numerical Control Machine Tools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它数控技术典型应用的例子。控制的一类机床。它数控技术典型应用的例子。数控系统（数控系统（Numerical Control System）实现数）实现数字控制的装置。字控制的装置。计算机数控系统（计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC）以计算机为核心的数控系统。）以计算机为核心的数控系统。数控机床工作过程加工准备阶段机床调整阶段程序调
15、试阶段试切加工阶段正式加工阶段检 测数控加工原理框图数控加工原理框图数值计算程序校核工艺分析制备控制介质编程序清单零件图纸输入装置工作台数控装置输出装置伺服机构毛坯工件编程部分机床控制部分 1 1数控编程及输入数控编程及输入 2 2数据处理和计算数据处理和计算 3 3伺服控制和机床加工伺服控制和机床加工 从上图可以看出，数控加工过程总体上可分为从上图可以看出，数控加工过程总体上可分为数控程数控程序编制序编制和和机床加工控制机床加工控制两大部分。两大部分。数控机床的数控机床的控制系统控制系统一般都能按照数字程序指令控制一般都能按照数字程序指令控制机床实现机床实现主轴自动启停主轴自动启停、换向和变
16、速换向和变速，能自动控制，能自动控制进给速度进给速度、方向和加工路线方向和加工路线，进行加工，能，进行加工，能选择刀具并根据刀具尺寸调整选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及行走轨迹吃刀量及行走轨迹，能完成加工中所需要的，能完成加工中所需要的各种辅助动作各种辅助动作。13数控机床的特点 1.适应性强适应性强 2.精度高，质量稳定精度高，质量稳定 3.生产效率高生产效率高 4.能完成复杂型面的加工能完成复杂型面的加工 5.减轻工人劳动强度，改善劳动条件减轻工人劳动强度，改善劳动条件 6.有利于生产管理的现代化有利于生产管理的现代化4数控机床的分类1.4.11.4.1、按工艺用途分类按工艺用途分类.金
17、属切削类金属切削类（1 1）普通数控机床）普通数控机床 数控车、铣、钻、镗及磨床等数控车、铣、钻、镗及磨床等（2 2）数控加工中心）数控加工中心多工序数控机床多工序数控机床带有刀库和自动换刀装置的数控机床，如镗铣加工带有刀库和自动换刀装置的数控机床，如镗铣加工中心和车削加工中心中心和车削加工中心特点：零件一次装夹，多种工艺、多道工序的集中特点：零件一次装夹，多种工艺、多道工序的集中连续加工，减少机床台数和装卸工件、更换调整刀连续加工，减少机床台数和装卸工件、更换调整刀具的辅助时间，提高了机床效率；减少了多次安装具的辅助时间，提高了机床效率；减少了多次安装造成的定位误差，提高了各加工面之间的位置
18、精度。造成的定位误差，提高了各加工面之间的位置精度。.金属成型类数控机床金属成型类数控机床 数控冲床、数控折弯机、数控弯管机、数控数控冲床、数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等回转头压力机等.数控特种加工机床数控特种加工机床 数控线切割机床、数控电火花加工机床、数数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控高压水切割机、数控等离控激光切割机床、数控高压水切割机、数控等离子切割机等子切割机等.其他类型的数控机床其他类型的数控机床 数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控绘图仪等绘图仪等 1.4.2 1.4.2 按加工控制路线分类按加工控制路
19、线分类 有点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床。有点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床。1.点位控制机床。它如图点位控制机床。它如图1-3(a)所示，只控制刀具从一点向另所示，只控制刀具从一点向另一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。在从点到点的一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。在从点到点的移动过程中，只作移动过程中，只作快速空程快速空程的定位运动，因此不能用于加工过的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。属于点位控制的典型机床有程的控制。属于点位控制的典型机床有数控钻床、数控镗床和数控钻床、数控镗床和数控冲床等。数控冲床等。这类机床的数控功能主要用于控制加工部位的相这类机
20、床的数控功能主要用于控制加工部位的相对位置精度，而其加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进对位置精度，而其加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进行。行。图图1-3 按加工控制路线分类按加工控制路线分类(a)点位控制；点位控制；(b)直线控制；直线控制；(c)轮廓控制轮廓控制 (2)直线控制机床。它如图直线控制机床。它如图1-3(b)所示，可控制刀具相对所示，可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成与坐标轴成45的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一次同时只有某一轴在运
21、动，或让两轴以相同的速度同时运一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成动以形成45(的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，组成点单。一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，组成点位直线控制系统而用于机床上。这种形式的典型机床有位直线控制系统而用于机床上。这种形式的典型机床有车阶车阶梯轴的数控车床、数控镗铣床和简单加工中心等。梯轴的数控车床、数控镗铣床和简单加工中心等。(3)轮廓控制机床。它又称连续控制机床。如图轮廓控制机床。它又称连续控制机床。如图1-3(c)所所示，可控制刀具相对
22、于工件作连续轨迹的运动，能加工任意示，可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。典型的轮廓控制型机床有任意形状的曲线和曲面。典型的轮廓控制型机床有数控铣床、数控铣床、功能完善的数控车床、数控磨床和数控电加工机床等。功能完善的数控车床、数控磨床和数控电加工机床等。1.4.3.1.4.3.按伺服系统的控制原理分类按伺服系统的控制原理分类 1.1.开环控制数控机床开环控制数控机床工作台减速器开环控制系统框图开环控制系统框图步进电机控制电路数控装置输入螺 母步 进 电 机
23、功 率放 大环 形分 配C N C丝 杠滑 板（工 作 台）开环伺服系统开环伺服系统2.2.半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床数控数控装置装置控制控制电路电路伺服伺服电机电机工作台工作台速度检测元件速度检测元件转角检测元件转角检测元件半闭环控制系统框图半闭环控制系统框图速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈输入输入半闭环伺服系统半闭环伺服系统螺 母丝 杠滑 板（工 作 台）伺 服放大器C N C比较器角 位 移测量装置反馈信号指令信号伺 服 电 机丝杠螺母伺服电机滑板(工作台)角位移测量装置伺 服放大器比较器CNC指令信号反馈信号3.3.闭环控制数控机床闭环控制数控机床工作台数控装置控制电路伺服电
24、机闭环控制系统框图闭环控制系统框图速度检测元件位置检测元件位置反馈位置反馈速度反馈速度反馈输入输入闭环伺服系统闭环伺服系统螺 母丝 杠伺 服放大器C N C比较器反馈信号指令信号直线位移测量装置滑 板（工 作 台）伺 服 电 机1.51.5数控机床坐标系数控机床坐标系1.5.11.5.1机床坐标系机床坐标系、机床坐标系的确定、机床坐标系的确定（1 1）机床相对运动的规定）机床相对运动的规定 在机床上，我们始终认为工件静止，而刀具是运动的。在机床上，我们始终认为工件静止，而刀具是运动的。这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就
25、可以依据零件图样，确定机床的加工过程。就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。（2 2）机床坐标系的规定）机床坐标系的规定 标准机床坐标系中标准机床坐标系中X X、Y Y、Z Z坐标轴的相互关系用右手坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。笛卡尔直角坐标系决定。在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床了确定数控机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，上运动的位移和运动的方向，这就需要通过坐标系来实现，这个坐标系被称之为机床坐标系。
26、这个坐标系被称之为机床坐标系。例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动例如铣床上，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动。在数控加工中就应该用机床以及垂向运动。在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。坐标系来描述。标准机床坐标系中标准机床坐标系中X X、Y Y、Z Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定：直角坐标系决定：1 1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为9090。则大拇指。则大拇指代表代表X X坐标，食指代表坐标，食指代表Y Y坐标，中指代表坐标，中指代表Z Z坐标。坐标。2)2)大拇指的指向为大拇指的指向为X X坐
27、标的正方向，食指的指向为坐标的正方向，食指的指向为Y Y坐标的正方坐标的正方向，中指的指向为向，中指的指向为Z Z坐标的正方向。坐标的正方向。3)3)围绕围绕X X、Y Y、Z Z坐标旋转的旋转坐标分别用坐标旋转的旋转坐标分别用A A、B B、C C表示，根据表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为右手螺旋定则，大拇指的指向为X X、Y Y、Z Z坐标中任意轴的正向，坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A A、B B、C C的正向。的正向。（3 3）运动方向的规定）运动方向的规定 增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向，下图增大刀具与工件距离
28、的方向即为各坐标轴的正方向，下图为数控车床上两个运动的正方向。为数控车床上两个运动的正方向。（1 1）Z Z坐标坐标 Z Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为轴线的坐标轴即为Z Z坐标，坐标，Z Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。坐标的正向为刀具离开工件的方向。（2 2）X X坐标坐标 X X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。确定坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。确定X X轴的方向时，轴的方向时，要考虑两种情况：要考虑两种情况：1 1）如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为）如
29、果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X X坐标的正方向。坐标的正方向。2）如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：）如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：Z坐标水平时，观察者沿刀坐标水平时，观察者沿刀 具主轴向工件看时，具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。运动方向指向右方。下图所示为数控车床的下图所示为数控车床的X坐标。坐标。（3 3）Y Y坐标坐标 在确定在确定X X、Z Z坐标的正方向后，可以用根据坐标的正方向后，可以用根据X X和和Z Z坐标的方向，按照右手坐标
30、的方向，按照右手直角坐标系来确定直角坐标系来确定Y Y坐标的方向。坐标的方向。、坐标轴方向的确定、坐标轴方向的确定+Z+Y+Z+C+X+Y+B+X+A+A、+B或+C+X、+Y 或+ZYZZXXZXXZXZXZY(a)(b)数控机床坐标系示例数控机床坐标系示例(a)卧式车床；卧式车床；(b)立式铣床立式铣床 多轴数控机床坐标系示例多轴数控机床坐标系示例(a)卧式镗铣床；卧式镗铣床；(b)六轴加工中心六轴加工中心+XB+X+W+Z+Y+YB+ZC+X+WYZWXBXZWBYXC(a)(b)1)1)又称编程坐标系，是编程时用来定义工件形又称编程坐标系，是编程时用来定义工件形状和刀具相对工件运动的坐
31、标系。状和刀具相对工件运动的坐标系。2)2)为保证编程与机床加工的一致性，工件坐标为保证编程与机床加工的一致性，工件坐标系也应是右手笛卡尔坐标系。系也应是右手笛卡尔坐标系。3)3)工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机工件装夹到机床上时，应使工件坐标系与机床坐标系的坐标轴方向保持一致。床坐标系的坐标轴方向保持一致。4)4)编程坐标系的原点，也称编程原点或工件原编程坐标系的原点，也称编程原点或工件原点，其位置由编程者确定，如下图所示的点，其位置由编程者确定，如下图所示的o o2 2点，点，1.5.2 工件坐标系立式数控铣床坐标系和机床原点、工件原点立式数控铣床坐标系和机床原点、工件原点本章小结 介绍数控机床的产生和发展、数控机床的组成及介绍数控机床的产生和发展、数控机床的组成及工作过程、数控机床的特点、数控机床的分类、工作过程、数控机床的特点、数控机床的分类、数控机床坐标系以及数控机床的主要性能指标，数控机床坐标系以及数控机床的主要性能指标，旨在给出关于数控机床整体的宏观概念。旨在给出关于数控机床整体的宏观概念。
