数控加工编程课件.ppt

数控加工编程,主讲教师：陕西理工学院赵知辛,课程性质：专业课,数控机床 周德俭等编 上海科学技术出版社；2007年现代数控机床毕承恩等著 机械工业出版社；1991年数字控制机床廖效果等著 华中科技大学出版社；2000年 数控技术 吴晓光等 华中科技大学出版社；200数控加工工艺与编程吴晓光等 华中科技大学出版社；2010年 机床计算机数控技术北京理工大学出版社；1996,主要参考书,课程简介 数控技术是先进制造技术AMT（Advanced Manufacturing Technology）以及计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）的核心环节和技术基石。 这一技术使普通机床的结构和控制有着质的变化。使产品的加工在时间、质量、成本上都有了很大进步。因此，数控技术成为现代生产工程技术人员特别是机械设计制造及其自动化专业、机械电子工程专业以及大类机械专业学生必须了解和掌握的一项专业技术课程。,第一章 概 论 （4）第二章 数控机床的程序编制 （4）第三章 数控插补原理 （10）第四章 计算机数字控制系统 （4）第五章 位置检测装置 （4）第六章 数控机床的伺服系统 （6）第七章 典型数控机床与数控化改造（2）,数控技术课程课时安排,第一章概论,1.1 数控技术概述1.2 机床控制技术的产生和发展1.3 机床数控系统的组成与分类1.4 数控机床的自由度和数控标准,数控加工零件成品,零件一般技术要求,技术要求,加工方式及特点,部分数控机床,1.1 数控技术概述,1.1.1 数控加工原理和特点 1)数控加工原理,采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由运算器处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码。,从图中可以看到，数控加工过程总体上可分为数控程序编制和机床加工控制两大部分。,数控系统一般都能按照数字程序指令控制机床实现主轴自动启停、换向和变速，能自动控制进给速度、方向和加工路线，进行加工，能选择刀具并根据刀具尺寸调整吃刀量及刀具行走轨迹，能完成加工中所需要的各种辅助动作。,数控加工的原理图,数控加工技术与传统加工技术的比较,BACK,SPACE,CTR,L,INS,CR,TAB,ALT,0,SHI,FT,畗,Z,END,瑌,W,HO,ME,瘆,T,P,g,D,n,瓆,O,P,g,U,p,J,RST,E,6,5,“,4,3,2,？,1,9,8,:,7,Y,X,V,U,S,R,P,Q,N,M,K,L,I,H,F,G,D,C,A,B,ESC,14,彩,色,显,示,器,2)数控加工的特点,(2) 对加工对象的适应性强。改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可。,(1) 自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。,(3) 加工精度高，质量稳定。加工尺寸精度在0.0050.01 mm之间，不受零件复杂程度的影响。,(4) 易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。,1.1.2 数控技术和数控机床的几个基本概念及数控加工常用术语,数字控制（Numerical Control 简称NC）：用数字化信息实现电气传动件控制的一种方法，即用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。数控系统： 采用数控技术的控制系统。数控机床：装备了数控系统的机床。,1)坐标联动加工,数控机床加工时的横向、纵向等进给量都是以坐标数据来进行控制的。像数控车床、数控线切割机床等是属于两坐标控制的，数控铣床则是三坐标控制的(如图1-2所示)，还有四坐标轴、五坐标轴甚至更多的坐标轴控制的加工中心等。,坐标联动加工是指数控机床的几个坐标轴能够同时进行移动，从而获得平面直线、平面圆弧、空间直线和空间螺旋线等复杂加工轨迹的能力(如图1-3所示)。,图1-2 数控机床的控制坐标数(a) 两坐标数控车床； (b) 三坐标数控铣床,图1-3 坐标联动加工及空间坐标加工,2)脉冲当量、进给速度与速度修调,数控机床各轴采用步进电机、伺服电机或直线电机驱动，是用数字脉冲信号进行控制的。每发送一个脉冲，电机就转过一个特定的角度（步距角），通过传动系统或直接带动丝杠，从而驱动与螺母副连结的工作台移动一个微小的距离。,单位脉冲作用下工作台移动的距离就称之为脉冲当量。,手动操作时数控坐标轴的移动通常是采用按键触发或采用手摇脉冲发生器(手轮方式)产生脉冲的，采用倍频技术可以使触发一次的移动量分别为0.001 mm、0.01 mm、0.1 mm、1 mm等多种控制方式，相当于触发一次分别产生1、10、100、1000个脉冲。,进给速度（F）是指单位时间内坐标轴移动的距离，也即是切削加工时刀具相对于工件的移动速度。,2)脉冲当量、进给速度与速度修调,如某步进电机驱动的数控轴，其脉冲当量为0.002 mm，若数控装置在0.5分钟内发送出20000个进给指令脉冲，那么其进给速度应为：200000.002/0.5=80 mm/min。,加工时的进给速度（F）由程序代码中的F指令控制，但实际进给速度还是可以根据需要作适当调整的，这就是进给速度修调。修调是按倍率来进行计算的，如程序中指令为F80，修调倍率调在80%挡上，则实际进给速度为8080%=64 mm/min。同样地，有些数控机床的主轴转速也可以根据需要进行调整，那就是主轴转速修调。,2)脉冲当量、进给速度与速度修调,3)插补与刀补 如图1-4(a)、(b)所示，各轴就以趋近这些点为目标实施配合移动，这就称之为插补。这种计算插补点的运算称为插补运算。,N3G01X-45000Y-75000F150,刀补刀补是指数控加工中的刀具半径补偿和刀具长度补偿功能。,零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。,直线插补,圆弧插补,刀补过和,刀补,1.2 数控技术的发展 1)数控技术的发展历程,1949年美国研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“Numerical Control”。,1953年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K&T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。,1968年英国首次推出柔性制造系统FMS。,1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC快速发展。,1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程。利用CAD(计算机辅助设计)绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”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NC程序。,数控技术的发展历程,DNC(直接数控) 是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工。,DNC群控技术是FMS柔性制造技术的基础，现代数控机床上的DNC接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口。随着DNC数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元。,数控技术的发展历程,我国在20世纪70年代初期，当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差。,1980年在引进、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BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。,20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC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的竞争力度。,数控技术的发展历程,数控技术的发展历程,数控技术的发展历程,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。 a) 高速切削,2)数控技术的发展方向,b) 高精度控制 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。,c) 高柔性化 柔性是指机床适应加工对象变化的能力。,d) 高一体化CNC系统与加工过程作为一个整体，实现机电光声综合控制。,e) 网络化实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMS(柔性制造系统)、CIMS(计算机集成制造系统)对基层设备的要求。,数控技术的发展方向,f) 智能化 21世纪的CNC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；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；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求等。,信息化的车铣加工中心,数控技术的发展方向,FMS组成,柔性制造系统简称FMS(Flexible Manufacture System)，是一组数控机床和其他自动化的工艺设备，由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成，在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。1.标准的数控机床或制造单元。能自动上下料或在多个工位加工及装配的数控机床，即“制造单元”，是FMS的基本制造“细胞”。2.一个传送系统。在机床和装夹工位之间运送零件和刀具。3.一个总监控系统。发布指令，协调机床、工件和刀具的传送。4.中央刀具库及其管理系统。5.自动化仓库及其管理系统。,FMS系统,计算机集成制造系统CIMS,FMC和FMS是实现计算机集成制造系统的基础。,1.3 数控机床的逻辑组成与分类,MDI,1) 控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介。输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。,表1 控制介质和输入输出设备表,输出设备,1) 控制介质与输入输出设备,穿孔纸带,穿孔纸带制作,光电阅读机,2)通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAPP/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有： 串行通讯（RS-232等串口） 自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等） 网络技术（internet等）。,3)CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。 CNC装置是CNC系统的核心。,4)伺服单元、驱动装置和测量装置 伺服单元和驱动装置： 主轴伺服驱动装置和主轴电机 进给伺服驱动装置和进给电机 测量装置： 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。 作用：保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令 进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。 主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）,主轴伺服电机、进给伺服电、滚珠丝杠副,光栅动画,圆光栅,光栅,5)PLC、机床I/O电路和装置 PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成； 机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路； 功能：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作 接受操作面板和机床的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。,6)机床 机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。 组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。,按传统的加工工艺方法来分有：数控车床、数控钻床、数控镗床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床、数控冲床、数控折弯机、数控电加工机床、数控激光与火焰切割机和加工中心等。其中，现代数控铣床基本上都兼有钻镗加工功能。当某数控机床具有自动换刀功能时，即可称之为“加工中心”。,1.3.2 数控机床的分类,1)按加工工艺方法分类,2)按数控系统分类 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1-8(a)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。数控钻床、数控镗床和数控冲床等。这类机床的数控功能主要用于控制加工部位的相对位置精度。,(1)点位控制,图1-8 按加工控制路线分类,（1）点位控制。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。,(2) 直线控制机床。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与坐标轴成45的斜线方向作直线轨迹的加工。,(3) 轮廓控制机床。它又称连续控制机床。如图1-8(c)所示，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，可加工任意形状的曲线和曲面。,(1)点位控制,(2) 直线控制机床。,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车阶梯轴的数控车床、数控镗铣床和简单加工中心等。,(3) 轮廓控制机床。,典型的轮廓控制型机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控磨床和数控电加工机床等。,3)按机床所用进给伺服系统不同分类,有开环伺服系统型、闭环伺服系统型和半闭环伺服系统型。,数控机床的进给伺服系统 进给伺服系统: 伺服电路、伺服驱动装置、机械传动机构和执行部件组成。,它的作用是：接受数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置(直流、交流伺服电机，电液动脉冲马达和功率步进电机等)和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工件进给和快速运动。,1)开环伺服系统 开环伺服系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机和电液脉冲马达等。如图1-9所示。每给一脉冲信号，步进电机就转过一定的角度，工作台就走过一个脉冲当量的距离。数控装置按程序加工要求控制指令脉冲的数量、频率和通电顺序，达到控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向的目的。,由于它没有检测和反馈系统，故称之为开环。其特点是结构简单，维护方便，成本较低。但加工精度不高，如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可稍有提高。,步进电机,图1-9 开环伺服系统,开环伺服系统,2)半闭环伺服系统 半闭环伺服系统具有检测和反馈系统，如图1-10所示。测量元件(脉冲编码器、旋转变压器和圆感应同步器等)装在丝杠或伺服电机的轴端部，通过测量元件检测丝杠或电机的回转角。间接测出机床运动部件的位移，经反馈回路送回控制系统和伺服系统，并与控制指令值相比较。,由于只对中间环节进行反馈控制，丝杠和螺母副部分还在控制环节之外，故称半闭环。对丝杠螺母副的机械误差，需要在数控装置中用间隙补偿和螺距误差补偿来减小。,图1-10 半闭环伺服系统,半闭环伺服系统,视频放影,3)闭环伺服系统 闭环伺服系统如图1-11所示。它的工作原理和半闭环伺服系统相同，但测量元件(直线感应同步器、长光栅等)装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置。,该系统将所有部分都包含在控制环之内，可消除机械系统引起的误差，精度高于半闭环伺服系统，但系统结构较复杂，控制稳定性较难保证，成本高，调试维修困难(五坐标高精机床配置)。,图1-11 闭环伺服系统,闭环伺服系统,表2 数控系统的功能分类,4)按功能水平分类a）高级型数控系统(闭环)b）普及型数控系统(半闭环)c）经济型数控系统(开环),5)按所用数控装置的不同分类 有NC硬线数控和CNC软线数控机床。,(1) NC硬线数控机床。其计算控制多采用逻辑电路板等专用硬件的形式。要改变功能时，需要改变硬件电路，因此通用性差，制造维护难，成本高(目前很少见)。,(2) CNC软线数控机床。其计算控制的大部分功能都是通过小型或微型计算机的系统控制软件来实现的。不同功能的机床其系统软件就不同。当需要扩充功能时，只需改变系统软件即可。,1.4数控机床的自由度和数控标准,1.4.1数控机床的自由度,1机床的坐标系,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，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。,（1）机床相对运动的规定：,（2）机床坐标系的规定,标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手笛卡尔直角坐标系决定。,图3-3 直角坐标系,附加坐标轴U、V、W为，分 别平行于X、Y、Z轴且方向相同,+X,+Z,+Y,+C,+B,+A,+W,+V,+U,O,X、Y、Z为移动坐标,A、B、C分别为绕X、Y、Z轴的旋转坐标,图3-4所示,笛卡尔直角坐标系,O,主轴,工作台,眼睛,操作者,右,左,a)立式铣床坐标系,数控铣床运动方式,例如:数控铣床，有机床的纵向运动、横向运动以及垂向运动，如图3-5所示。在数控加工中就应该用机床坐标系来描述。,（1）Z坐标：平行于主轴，刀具离开工件的方向为正。 （2）X坐标：Z坐标垂直，且刀具旋转，所以面对刀具主轴向立柱方向看，向右为正。 （3）Y坐标：在Z、X坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。,立式铣床坐标系,O,卧式铣床坐标系,例如:数控车床和磨床: 增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向，如下图所示。,图3-6 数控车床,数车床坐标系,(3) 数控车床坐标轴方向的确定,Z坐标,Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。,X坐标 X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。,Y坐标 在确定X、Z坐标的正方向后，可以根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。如上图为数控车床的Y坐标。,(3)数控车床坐标轴方向的确定,1.1.4 典型数控系统,1)日本FANUC系列数控系统,FANUC公司生产的CNC产品主要有FS3、FS6、FS0、FS10/11/12、FS15、FS16、FS18和FS21/210等系列。目前，我国用户主要使用的有FS0系列、FS15、FS16、FS18和FS21/210等系列。,2)德国SIEMENS公司的SINUMERIK系列数控系统,SINUMERIK系列数控系统主要有SINUMERIK3、SINUMERIK8、SINUMERIK810/820、SINUMERIK850/880和SINUMERIK840等产品。,3)华中数控系统HNC HNC是武汉华中数控研制开发的国产型数控系统。,(1) 华中1型数控系统。该数控系统有HNC1M铣床、加工中心数控系统；HNC1T车床数控系统，HNC1Y齿轮加工数控系统HNC1P数字化仿形加工数控系统，HNC1L激光加工数控系统；HNC1G五轴联动工具磨床数控系统和HNC1FP锻压、冲压加工数控系统；HNC1ME多功能小型数控铣系统，HNC1TE多功能小型数控车系统和HNC1S高速珩缝机数控系统等。,国产的数控系统还有: 航天I型和蓝天I型数控系统,4)行业分析预测（中国数控机床（CNC）行业报告）, 由经济型为主转向普及型为主,2005年我国机床的数控化率为9.5%10.36% ；,2010年达到17.5%19.27%。（美国占机床总数的20% 以上、日本18%、俄、德、英等西方国家均在16%以上）。, 数控机床应用由单机向FMS、FMC方向发展,目前欧、美、日等国应用DNC已很普遍，FMC占数控机床30%以上。我国FMC、FMS的拥有量10%左右。,