数字控制和数控机床一、数控与计算-优.ppt

第一节 数控设备简介一、数控设备的产生与发展 现代制造业的水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产。”马克思,第一、二章 数控加工技术基础,1数控设备的产生 机械产品日趋精密、复杂，而且改型频繁，因此对加工机械产品的生产设备提出了三高（高性能、高精度和高自动化）的要求。通用机床上是由人工操作，劳动强度大，而且难以提高生产效率和保证质量，实现这类产品生产的自动化成为了机械制造业中长期未能解决的难题。,仿形加工部分地解决了小批量、复杂零件的加工，但有两个缺点：一是必须制造相应的靠模或样件；二是靠模和样件的制造误差和磨损影响加工精度。很难达到高精度。解决高产优质的问题，也可采用专用机床、组合机床、专用自动化机床以及专用自动生产线和自动化车间进行生产。但是应用这些专用生产设备，生产周期长，产品改型不易，因而使新产品的开发周期增长，生产设备使用的柔性很差。,精密复杂，加工批量小，改型频繁，显然不能在专用机床或组合机床上加工。而借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。特别对空间的复杂曲线曲面，在普通机床上根本无法实现。数字程序控制机床的产生，有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产，特别是复杂型面零件提供了自动化加工手段，使机械制造业的发展进入了一个新的阶段。,2数控设备的发展 电子管（1952年）、晶体管和印刷电路板（1960年）、小规模集成电路（1965年）、前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬逻辑（硬线）数控系统，简称NC（Numerical Control），目前已被淘汰。小型计算机（1970年）、微处理器或微型计算机（1974年）和基于PC-NC的智能数控系统（90年代后）。这种数控系统又称为软线数控，即计算机数控系统，简称CNC（Computer Numerical Control）。,基于PC-NC的第六代数控系统，它充分利用现有PC机的软硬件资源，规范设计新一代数控。第六代数控的优势在于：（1）元器件集成度高、可靠性好；（2）技术进步快、升级换代容易；（3）提供了开放式的基础，可供利用的软、硬件资源极为丰实。,数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；国家战略技术和体现国家综合国力水平重要标志。专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。数字控制与数控技术数字控制（Numerical Control NC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行编程控制的自动化方法。数控技术（Numerical Control Technology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。,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控制的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC）以计算机为控制核心的数字控制系统。,计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）、计算机辅助制造CAM（Computer Aided Manufacturing）、计算机辅助检验CAT（Computer Aided Testing）计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing System），,加工中心MC（Machining Center）柔性加工单元FMC（Flexible Manufacturing Cell）在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（Auto Pallet ChangerAPC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元。FMC不仅是实现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。,FMC构成分两大类：1、加工中心配上自动托盘系统（APC）；2、数控机床配机器人。FMC既是柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展速度较快。,柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）。在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统FMS。FMS不仅可以进行长时间的无人化加工，而且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。,计算机集成制造系统CIMS：将市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全过程均由计算机集成管理和控制，由此构成的完整的自动生产制造系统，称为计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成,二、数控设备的工作原理、组成与特点1数控设备的工作原理,操作者根据数控工作要求编制数控程序，并将数控程序记录在程序介质（如穿孔纸带、磁带、磁盘等）上。数控程序经数控设备的输入输出接口输入到数控设备中，控制系统按数控程序控制该设备执行机构的各种动作或运动轨迹，达到规定的工作结果。其主要步履：1）、数控加工程序编制根据被加工零件工作图所规定的零件的形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件加工的工艺过程、工艺参数，按编程手册和程序格式编写零件数控加工程序。2）、数控机床执行数控加工程序,2、数控机床的组成与功能 数控机床是数值控制的工作母机的总称。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，见图1-1。图1-2 数控机床的组成框图,（1）输入输出设备（2）数控装置 数控装置的主要功能如下：多坐标控制(多轴联动)插补功能（如直线、圆弧和其它曲线插补)程序输入、编辑和修改功能(人机对话、手动数据输入、上位机通信输入)故障自诊断功能补偿功能 补偿主要包括刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补偿、螺距误差补偿等信息转换功能 主要包括EIA/ISO代码转换、英制米制转换、坐标转换、绝对值增量值转化等多种加工方式选择 可以实现多种加工方式循坏、重复加工、凹凸模加工和镜像加工等辅助功能 辅助功能也称M功能。显示功能 通信和联网功能,（3）伺服系统（4）测量反馈装置（5）机床本体3、数控机床的特点1）适应性广2）、生产准备周期短3）、工序高度集中4）、生产效率和加工精高、质量稳定5）、能完成复杂型面的加工6）、技术含量高7）、减轻劳动强度、改善劳动条件8）有利于生产管理,三、数控机床的分类 数控设备的种类很多，各行业都有自己的数控设备和分类方法。在机床行业，数控机床通常从以下不同角度进行分类。1按工艺用途分类 按其工艺用途可以划分为以下四大类：（1）金属切削类 指采用车、铣、镗、钻、铰、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可分为两类：普通数控机床数控加工中心,（2）金属成形类 指采用挤、压、冲、拉等成形工艺的数控机床，常用的有数控弯管机、数控压力机、数控冲剪机、数控折弯机、数控旋压机等。（3）特种加工类 主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控激光与火焰切割机等。（4）测量、绘图类 主要有数控绘图机、数控坐标测量机、数控对刀仪等。2按控制运动的方式分类（1）点位控制数控机床 这类数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。（2）点位直线控制数控机床 这类机床有数控车床和数控铣床等。（3）轮廓控制数控机床 这类机床有数控车床、铣床、磨床和加工中心等。,3按伺服系统的控制方式分类（1）开环数控机床,（2）半闭环控制数控机床,（3）闭环控制数控机床,此外，按所用数控系统的档次通常把数控机床分为低档、中档、高档三类数控机床。中档、高档数控机床一般称为全功能数控或标准型数控。,四、数控机床坐标系统（一）数控机床的坐标轴和运动方向我国标准JB3051-82，等效ISO8411、刀具相对静止的工件而运动的原则确定坐标系时，一律看作工件静止，刀具产生运动。2、标准坐标系的规定机床坐标系是右手笛卡尔坐标系。,1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。2)大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。3)围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、,C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为X、Y、Z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A、B、C的正向,数控机床某一部件运动的正方向是增大工件和刀具距离的方向。Z轴的确定：平行于主轴轴线方向为Z轴，取刀具远离工件的方向为正Z方向。X轴的确定：车床取横向滑座方向为X轴，取刀具远离工件的方向为正向。立式数控铣床：面对立柱，取右手方向为+X方向；卧式数控铣床:从主轴后端往前看，取右手方向为+X方向。Y轴的确定：+Y的运动方向，根据X、Z坐标的运动方向，按照右手笛卡尔坐标系来确定。,(二)绝对坐标系统与相对坐标系统1、绝对坐标系统 绝对坐标系统是指工作台位移是从固定的基准点开始计算的。2、相对坐标系统 相对坐标系统是指工作台的位移是从工作台现有位置开始计算的。,第二节 数控加工基础一、数控加工的定义 在数控机床上自动加工零件的一种工艺方法。一般来说，数控加工主要包括以下方面的内容：（1）选择并确定零件的数控加工内容；（2）对零件图进行数控加工的工艺分析；（3）设计数控加工的工艺；（4）编写数控加工程序单；（5）按程序单制作程序介质；（6）数控程序的校验与修改；（7）首件试加工与现场问题处理；（8）数控加工工艺技术文件的定型与归档。,1)数控加工的工艺内容十分具体；2)数控加工的工艺相当严密。3）数控加工的工序相对集中 4）适宜于多品种小批量或中批量生产 二、数控加工中常用的术语1、几坐标数控机床与几坐标加工数控机床 几坐数控加工表示了数控机床几个坐标实现了数字控制,几坐标加工数控机床表示了数控机床能同时控制的坐标轴数.即几坐标联动.,2、插补 在数控加工中，一般已知运动轨迹的起点坐标、终点坐标和曲线方程，如何使切削加工运动沿着预定轨迹移动呢？数控系统根据这些信息实时地计算出各个中间点的坐标，通常把这个过程称为“插补”。插补实质上是根据有限的信息完成“数据点的密化”工作。加工各种形状的零件轮廓时，必须控制刀具相对工件以给定的速度沿指定的路径运动，即控制各坐标轴依某一规律协调运动，这一功能为插补功能。平面曲线的运动轨迹需要两个运动来协调；空间曲线或立体曲面则要求三个以上的坐标产生协调运动。,插补：填补空白的工作。把计算插补点的工作称为插补运算，实现插补运算的装置叫插补器。直线插补：具有沿平滑直线分配脉冲功能的叫直线插补。实现这种直线插补运算的装置叫直线插补器。圆弧插补：具有沿圆弧分配脉冲功能的叫圆弧插补。实现这种圆弧插补运算的装置叫圆弧插补器。插补运算可以用逻辑电路实现，在CNC数控机床中是靠软件来实现的。,3、刀具半径补偿数控装置能使刀具中心从零件实际轮廓上偏离一个指定的刀具半径值（补偿值）并使刀具中心在这一被补偿的轨迹上运动，从而把工件加工成图纸上要求的轮廓形状。编程按零件实际轮廓编程，其刀补值用“刀具半径拨码盘”或键拨入。刀具半径补偿,精加工时刀补值=实际刀具半径值,粗加工时刀补值=实际刀具半径值+精加工余量,三、数控加工的工艺设计(一)、数控加工工艺设计的主要内容1）、选择并确定零件数控加工内容2）、对零件图进行数控加工工艺性设计3）、数控加工工艺路线设计4）、数控加工的工序设计5）、数控加工技术文件的编写,(二)、选择并确定数控加工内容1）、普通机床无法加工的内容2）、普通机床难加工、质量难保证的内容3）、普通机床加工效率低，工人劳动强度大的加工内容(三)、数控加工工艺性分析对刀点：对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定尺寸联系的某一位置，用于确定工件坐标系与机床坐标系的相对位置。,刀具在机床上的位置是由“刀位点”的位置来表示的。对刀点的选择原则：1）、在机床上对刀方便、便于观察和检测。2）、编程时便于数学处理和有利于简化编程。,3）、对刀点可选择在零件上或夹具上。4）、为提高零件的加工精度，减少对刀误差，对刀点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上。如以孔定位的零件，应将孔的中心作为对刀点。换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量,审查与分析工艺基准的可靠性 选择合适的零件安装方式,(四)、数控加工工艺路线的设计1）、工序的划分一次安装加工工作为一道工序；同一把刀具加工内容为一道工序；以粗、精加工内容划分为一道工序。2）、加工顺序的安排 以定位和夹紧的需要来考虑，重点是保证工件的刚性不被破坏。3）、数控加工工序与普通工序的衔接如何留余量，热处理等。,(五)、确定走刀路线和安排工步顺序1确定走刀路线和安排工步顺序零件加工的走刀路线是刀具在整个加工工序中的运动轨迹。总则：走刀路线最短、程序段数目最少、数值计算简单、便于保证加工质量。1）、尽可能缩短走刀路线，减少空行程时，提高生产效率。2）、为保证表面粗糙度要求，最终轮廓连续加工完成。3）、避免在轮廓处停刀或轮廓垂直方向切入或切出工件，应在切向方向进、退刀。,（1）对点位加工的数控机床，如钻、镗床，要考虑尽可能缩短走刀路线，以减少空程时间，提高加工效率。（2）为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排最后一次走刀连续加工。,3）刀具的进退刀路线须认真考虑（4）铣削轮廓的加工路线要合理选择，Z字形双方向走刀方式，单方向走刀方式，环形走刀方式。在铣削封闭的凹轮廓时，刀具的切入或切出不允许外延，最好选在两面的交界处否则，会产生刀痕。（5）旋转体类零件的加工一般采用数控车或数控磨床加工。,2定位基准和夹紧方式的确定在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题：（1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一；（2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部待加工表面；（3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案；（4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。,3夹具的选择数控加工对夹具提出了两个基本要求：一是要保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能协调零件与机床坐标系的尺寸。此外，当零件加工批量小时，尽量采用组合夹具、可调式夹具以及其它通用夹具；成批生产时才考虑专用夹具；零件装卸要方便可靠。,X轴,Y轴,机床工作台,工件,4、刀具的选择 数控机床上的刀具选择比较严格，有些刀具是专用的。选择刀具应考虑工件材料、加工轮廓类型、机床允许的切削用量以及刚性和刀具耐用度。对加工凹轮廓，端铣刀的刀具半径或球头铣刀的球头半径必须小于被加工面的最小曲率半径。对自动换刀的数控机床，在刀具装到机床上以前，要在机外预调装置（如对刀仪）中，根据编程确定的参数，调整到规定的尺寸或测出精确的尺寸。在加工前，将刀具有关尺寸输入到数控装置中。,一、数控编程的内容和步骤 数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法；程序编制（简称数控编程）：将从零件图样到制成控制介质的全部过程。数控编程的内容主要包括：分析零件图样、确定加工工艺过程、数值计算、编写零件加工程序、制作控制介质、程序校验和试切削等。数控编程的步骤一般如图2-1所示。具体过程如下：1确定工艺过程,第三节 数控程序编制基础,图2-1 数控编程的步骤 2.数学计算 它的主要任务就是根据图纸数据求出编程所需的数据。,返回课件首页,3.编写零件加工程序单4.制备控制介质5.程序效验和试切削 数控编程的方法有两种：手工编程和自动编程。手工编程时，整个程序的编制过程是由人工完成的。这就要求编程人员不仅要熟悉数控代码及编程规则，而且还必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力，其编程内容和步骤如图1-21所示。对于点位加工和几何形状简单的零件加工，程序段较少，计算简单，用手工编程即可完成。但对复杂型面或程序量很大的零件，则采用手工编程相当困难，必须采用自动编程。,第三节 数控程序编制基础 三、零件加工程序的结构（一）、程序的组成 一个完整的零件加工程序，由若干程序段组成，每个程序段又由若干个代码字组成，每个代码字则由文字（地址符）和数字（有些数字还带有符号）组成。字母、数字和符号统称为字符。举例如下：%N01 G91 G00 X50 Y60 LFN02 G01 X1000 Y5000 F150 S300 T12 M03 LF N10 G00 X-50 Y-60 M02 LF 上例为一个完整的零件加工程序，它由10个程序段组成，每个程序段以序号“N”开头，用LF结束。M02代表整个程序的结束。有些数控系统还规定，整个程序要求以符号“%”开头，以符号“EM”结尾。,每个程序段中有若干个代码字，如第二程序段有9个代码字，一个程序段表示一个完整的加工工步或动作。（二）、程序段格式 程序段格式是指一个程序段中字的排列书写方式和顺序，以及每个字和整个程序段的长度限制和规定。不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符规定，则数控系统不能接受。常见的程序段格式有三种：（1）固定顺序程序段格式或带分隔符的固定顺序程序段格式 这种格式是用分隔符“HT”代替地址符，而且预先规定了所有可能出现的代码字的固定排列顺序，根据分隔符出现的顺序，就可判定其功能。不需要的字或与上一程序段相同功能的字可以不写，但其分隔符必须保留。如下：,H H H H H H H H L 01 91 00 50 60 T T T T T T T T F H H H H H H H H L 02 01 1000 5000 150 300 12 03 T T T T T T T T F H H H H H H H H L 10 00-50-60 02 T T T T T T T T F 我国数控线切割机床采用的“3B”或“4B”格式指令就是典型的分隔符固定顺序格式。其3B格式的一般表示为：BX BY BJ GZ。,（2）字地址符可变程序段格式 这种格式的特点是：程序简单，可读性强，易于检查。因此现代数控机床广泛采用这种格式。四、NC程序常用功能字（一）准备功能字（见表1-3）（二）坐标功能字用来设定机床各坐标的位移量。,（三）进给功能字F代码为进给速度功能代码，它是续效代码，用来指定刀具相对于工件的进给速度，单位一般为mm/min。F代码常有两种表示方法。编码法：即在地址符F后跟一串数字代码，这些数字不直接表示进给速度的大小，而是机床进给速度数列的序号，具体的进给速度需要查表确定。直接指定法：即F后面跟的数字就是进给速度的大小,（四）主轴功能字 S代码、主轴功能代码。该代码为续效代码，用来指定主轴的速度。它以地址符S为首，后跟一串数字。（五）刀具功能字当系统具有换刀功能时，刀具功能字用以选择替换刀具。T代码：为刀具功能代码。,（六）辅助功能M代码,辅助功能代码，也称M功能，M指令或M代码。它由地址码M和其它两位数组成。共有100种（M00-M99）。它是控制机床辅助动杂的指令，主要用作机床加工时的工艺性指令。如主轴的开，停，正反转，切削液的开，关，运动部件的夹紧与松开等。,对常用的M代码作简要的说明,M00程序停止。用以停止主轴转动，进给和冷却液，以便执行某一固定的手动操作。如手动变速，换刀，工件调头等。M01计划停止。该指令与M00基本相似，所不同的是，只有在操作面板上的“任意停止”按键被按下时，M01才有效，否则这个指令不起作用。该指令常用于工件关键尺寸的停机抽样检查或其它需要临时停车才场合。当检查完成后，按启动键继续执行以后的程序。,M02程序结束。当全部程序结束后。，用此指令使主轴，进给，冷却全部停止，并使数控系统处于复位状态。该指令必须出现在程序的最后一个程序段中。M03，M04，M05分别命令主轴正转，反转，和停转M06换刀指令M07，M08切削液开。M09 冷切削停。M10，M11运动部件的夹紧及松开。M30 程序结束。和M02相似，但M30可使程序返回到开始状态。,