《数控加工工艺及设备》教案_数控加工工艺教案

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《数控加工工艺及设备》教案

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第一章

数控加工工艺及设备基础

第一节

机床数控技术与数控加工设备概述

一、机床中有关数控的基本概念

1．数字控制（数控）及数控技术

一般意义的数字控制是指用数字化信息对过程进行的控制，是相对模拟控制而言的。机床中的数字控制是专指用数字化信号对机床的工作过程进行的可编程自动控制，简称为数控（NC）。这种用数字化信息进行自动控制的技术就叫数控技术。

2．数控系统

是实现数控技术相关功能的软硬件模块的有机集成系统，是数控技术的载体，它能自动阅读输入载体上事先给定的程序，并将其译码，从而使机床运动并加工零件。

在其发展过程中有硬件数控系统和计算机数控系统两类。

早期的数控系统主要由数控装置、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，数字信息由数字逻辑电路来处理，数控系统的所有功能都由硬件实现，故又称为硬件数控系统（NC系统）。

3．计算机数控系统

是以计算机为核心的数控系统，由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程逻辑控制器（PLC）、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，习惯上又称为CNC系统。CNC系统已基本取代硬件数控系统（NC系统）。

4．开放式CNC系统

国际电子与电气工程师协会提出的开放式CNC系统的定义是：一个开放式CNC系统应保证使开发的应用软件能在不同厂商提供的不同的软硬件平台上运行，且能与其它应用软件系统协调工作。

根据这一定义，开放式CNC系统至少包括以下五个特征：

（1）对使用者是开放的：应可以采用先进的图形交互方式支持下的简易编程方法，使得数控机床的操作更加容易；

（2）对机床制造商是开放的：应允许机床制造商在开放式CNC系统软件的基础上开发专用的功能模块及用户操作界面；

（3）对硬件的选择是开放的：即一个开放式CNC系统应能在不同的硬件平台上运行；

（4）对主轴及进给驱动系统是开放的：即能控制不同厂商提供的主轴及进给驱动系统；

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（5）对数据传输及交换等是开放的。

开放式CNC系统是数控系统未来发展的方向。5．数控机床

是指应用数控技术对其加工过程进行自动控制的机床。国际信息处理联盟第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码或其它符号编码指令规定的程序。

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二、数控机床的组成1．计算机数控装置（CNC装置）

计算机数控装置是计算机数控系统的核心。其主要作用是根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，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），完成零件加工程序或操作者所要求的工作。它主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通讯接口板、扩展功能模块以及相应的控制软件等模块组成。

2．伺服单元、驱动装置和测量装置

伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置及主轴电机和进给伺服驱动装置及进给电机。测量装置是指位置和速度测量装置，它是实现主轴、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制量为速度。进给伺服系统的主要作用是实现零件加工的成形运动，其控制量为速度和位置，特点是能灵敏、准确地跟踪CNC装置的位置和速度指令。

3．控制面板

控制面板又称操作面板，是操作人员与数控机床（系统）进行信息交互的工具。操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床（系统）的运行状态。它是数控机床的一个输入输出部件，主要由按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器等部分组成。

4．控制介质与程序输入输出设备

控制介质是记录零件加工程序的媒介，是人与机床建立联系的介质。程序输入输出设备是CNC系统与外部设备进行信息交互的装置，其作用是将记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统，或将已调试好的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的介质上。目前数控机床常用的控制介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。

此外，现代数控系统一般可利用通讯方式进行信息交换。这种方式是实现CAD／CAM的集成、FMS（柔性制造系统）和CIMS（计算机集成制造系统）的基本技术。目前在数控机床上常用的通讯方式有：

（1）串行通讯；（2）自动控制专用接口；（3）网络技术。

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5．PLC、机床I/O电路和装置

PLC是用于进行与逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置是用于实现I/O控制的执行部件，是由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。它们共同完成以下任务：

（1）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；

（2）接受操作面板和机床侧的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．机床本体

机床本体是数控系统的控制对象，是实现加工零件的执行部件。它主要由主运动部件（主轴、主运动传动机构）、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、自动工件交换（APC）系统、自动刀具交换（ATC）系统和辅助装置（如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等）组成。

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三、数控机床的分类

1．按控制功能分类（1）点位控制数控机床

这类数控机床仅能控制两个坐标轴带动刀具或工作台，从一个点（坐标位置）准确地快速移动到下一个点（坐标位置），然后控制第三个坐标轴进行钻、镗等切削加工。它具有较高的位置定位精度，在移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有要求。点位控制的数控机床主要用于加工平面内的孔系，主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等。

（2）直线控制数控机床

这类数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，从一个点以一条直线准确地移动到下一个点，移动过程中能进行切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调节。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带着多轴箱轴向进给进行钻、镗等切削加工，它可以算作一种直线控制的数控机床。

（3）轮廓控制数控机床

这类数控机床具有控制几个坐标轴同时协调运动，即多坐标轴联动的能力，使刀具相对于工件按程序规定的轨迹和速度运动，能在运动过程中进行连续切削加工。这类数控机床有用于加工曲线和曲面形状零件的数控车床、数控铣床、加工中心等。现代的数控机床基本上都是这种类型。若根据其联动轴数还可细分为2轴（X、Z轴联动或X、Y轴联动）、2.5轴（任意2轴联动，第3轴周期进给）、3轴（X、Y、Z3轴联动）、4轴（X、Y、Z和A或B4轴联动）、5轴（X、Y、Z和A、C或X、Y、Z和B、C或X、Y、Z和A、B5轴联动）联动数控机床，联动坐标轴数越多，则加工程序的编制越难，通常3轴联动以上的零件加工程序只能采用自动编程系统编制。

2．按进给伺服系统类型分类

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按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量反馈装置可分为开环数控机床和闭环数控机床，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。

（1）开环数控机床

开环数控机床采用开环进给伺服系统。开环进给伺服系统没有位置测量反馈装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。但由于无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。该系统一般以步进电机作为伺服驱动元件。它具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。

（2）半闭环数控机床

半闭环数控系统的位置检测点是从驱动电机（常用交、直流伺服电机）或丝杠端引出，通过检测电机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。由于在半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，可获得较稳定的控制性能，其系统稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。另外，在位置环内各组成环节的误差可得到某种程度的纠正，位置环外不能直接消除的如丝杠螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差等，可通过软件补偿这类误差来提高运动精度，因此在现代CNC机床中得到了广泛应用。

（3）闭环数控机床

闭环进给伺服系统的位置检测点是工作台，它直接对工作台的实际位置进行检测。理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制精度。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统不稳定。因此闭环系统的设计、安装和调试都有相当的难度，对其组成环节的精度、刚性和动态特性等都有较高的要求，价格昂贵。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。

3．按工艺用途（机床类型）分类

（1）切削加工类

即具有切削加工功能的数控机床。在金属切削机床常用的车床、铣床、刨床、磨床、钻床、镗床、插床、拉床、切断机床、齿轮加工机床等中，国内外都开发了数控机床，而且品种越来越细。比如，在数控磨床中不仅有数控外圆磨床，数控内圆磨床，集可磨外圆、内圆于一机的数控万能磨床，数控平面磨床，数控坐标磨床，数控工具磨床，数控无心磨床，数控齿轮磨床，还有专用或专门化的数控轴承磨床，数控外螺纹磨床，数控内螺纹磨床，数控双端面磨床，数控凸轮轴磨床，数控曲轴磨床，能自动换砂轮的数控导轨磨床（又称导轨磨削中心）等等，还有工艺范围更宽的车削中心、加工中心、柔性制造单元（FMC）等。

（2）成型加工类

是具有通过物理方法改变工件形状功能的数控机床。如数控折弯机、数控冲床、数控弯管机、数控旋压机等。

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（3）特种加工类

是具有特种加工功能的数控机床。如数控电火花线切割机床，数控电火花成型机床，带有自动换电极功能的“电加工中心”，数控激光切割机床，数控激光热处理机床，数控激光板料成型机床，数控等离子切割机等。

（4）其它类型

一些广义上的数控设备。如数控装配机、数控测量机、机器人等。

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注

四、数控机床的基本结构特征和主要辅助装置

1．数控机床的基本结构特征

（1）机床刚性提高，抗振性能大为改善；（2）机床热变形降低；（3）机床中间传动环节减少；

（4）机床各个运动副间的摩擦系数较小；（5）机床功能部件增多。2．数控机床的主要辅助装置

数控机床的辅助装置是一个完整的机器或装置，其作用是完成配合机床对零件加工的辅助工作。诸如切削液或油液处理系统中的冷却过滤装置，油液分离装置，吸尘吸雾装置，润滑装置及辅助主机实现传动和控制的气、液动装置等，虽然这些装置在某些自动化或精密型非数控机床上已配备使用，但是，数控机床要求配备的装置的质量、性能更为精化。

除上述通用辅助装置外，还有对刀仪、自动排屑器、物料储运及上下料装置等。

五、数控机床的规格、性能和可靠性指标

1．规格指标

规格指标是指数控机床的基本能力指标，主要有以下几方面：

（1）行程范围和摆角范围

行程范围是指坐标轴可控的运动区间，它反映该机床允许的加工空间，一般情况下工件轮廓尺寸应在加工空间的范围之内。摆角范围是指摆角坐标轴可控的摆角区间，也反映该机床的加工空间。

（2）工作台面尺寸

它反映该机床安装工件的最大范围，通常应选择比最大加工工件稍大一点的面积，这是因为要预留夹具所需的空间。

（3）承载能力

它反映该机床能加工零件的最大重量。

（4）主轴功率和进给轴扭矩

它反映该机床的加工能力，同时也可间接反映机床的刚度和强度。

（5）控制轴数和联动轴数

数控机床的控制轴数通常是指机床数控装置能够控制的进给轴数。数控机床控制轴数与数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。联动轴数是指数控机床同时控制多个进给轴，使它们按规定的路线和进给速度所确定的规律运动的进给轴数目。它反映数控机床的曲面加工能力。

（6）刀库容量

是指刀库能存放加工所需刀具的数量，它反映该机床能加工工序内容的多少。目前常见的中小型加工中心多为16~60把，大型加工中心达

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100把以上。

2．性能指标

（1）分辨率与脉冲当量

分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量，通常称为脉冲当量。脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。

（2）最高主轴转速和最大加速度

最高主轴转速是指主轴所能达到的最高转速，它是影响零件表面加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素之一。最大加速度是反映主轴速度提速能力的性能指标，也是加工效率的重要指标。

（3）最高快移速度和最高进给速度

最高快移速度是指进给轴在非加工状态下的最高移动速度，最高进给速度是指进给轴在加工状态下的最高移动速度，它们也是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。

另外，还有换刀速度和工作台交换速度，它们也是影响生产效率的性能指标。3．可靠性指标

（1）平均无故障时间MTBF（Mean time between failures）

它是指一台数控机床在使用中平均两次故障间隔的时间，即数控机床在寿命范围内总工作时间和总故障次数之比，即

MTBF总工作时间

总故障次数备

注

很显然，这段时间越长越好。

（2）平均修复时间MTTR（Mean time to restore。）

它是指一台数控机床从开始出现故障直到能正常工作所用的平均修复时间，即

MTTR总故障停机时间

总故障次数考虑到实际系统出现故障总是难免的，故对于可维修的系统，总希望一旦出现故障，修复的时间越短越好，即希望MTTR越短越好。

（3）平均有效度A 如果把MTBF看作设备正常工作的时间，把MTTR看作设备不能工作的时间，那么正常工作时间与总时间之比称为设备的平均有效度A，即

A平均无故障时间MTBF 平均无故障时间故障平均修复时间MTBFMTTR平均有效度反映了设备提供正确使用的能力，是衡量设备可靠性的一个重要指标。

六、数控机床的精度项目及检验

数控机床的精度项目主要包括几何精度、定位精度和切削精度。1．主要几何精度项目及检验

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数控机床的几何精度

是综合反映机床的关键零部件及其组装后的几何形位误差的指标。该指标可分为两类：一类是对机床的基础件和运动大件（如床身、立柱、工作台、主轴箱等）的直线度、平面度、垂直度等的要求，如工作台面的平面度，各坐标方向移动的直线度和相互垂直度，X、Y（立式）或X、Z（卧式）坐标方向移动时工作台面的平行度，X坐标方向移动时工作台面T形槽侧面的平行度等；另一类是对机床主轴的要求，如主轴的轴向窜动，主轴孔的径向跳动，主轴箱移动时主轴轴线的平行度，主轴轴线与工作台面的垂直度（立式）或平行度（卧式）等。

以卧式加工中心为例，主要有以下各项：（1）X、Y、Z坐标的相互垂直度；（2）工作台面的平面度；

（3）X轴和Z轴移动工作台面的平行度；（4）主轴回转轴心线对工作台面的平行度；（5）主轴在X、Y、Z各轴方向移动的直线度；（6）X轴移动工作台边界定位基准面的平行度；

（7）工作台中心线到边界定位器基准面之间的距离精度；（8）主轴轴向跳动；（9）主轴孔径向跳动。

几何精度常用检测工具有精密水平仪、精密方箱、直角尺、平尺、千分表、测微仪、高精度主轴心棒等。

2．定位精度的项目及检验

数控机床定位精度是指机床各运动部件在数控装置的控制下空载运动所能达到的位置准确程度。根据各轴能达到的位置精度就能判断出加工时零件所能达到的精度。

（l）直线运动定位精度

是指数控机床的移动部件沿某一坐标轴运动时实际值与给定值的接近程度，其误差称为直线运动定位误差。

XijPijPj

（1-1）

XijPijPj

（1-2）i=1，2，3„„n

代表向每一目标趋近的次数；

j=1，2，3„„m

代表目标位置。

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注

n次单向趋近目标位置Pj时，可得到单向平均位置偏差Xj和Xj的值。Xjn XjnXi1nnij

（1-3）

Xi1ij

（1-4）

这样可得到从正、负方向趋近目标位置Pj时的反向差值Bj。

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BjXjXj

（1-5）n次单向趋近目标位置Pj时的标准偏差Sj和Sj为

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注

Sj1n11n1Xi1nnijXj

2（1-6）

SjXi1ijXj2

（1-7）

定位精度A可分为单向定位精度Au和双向定位精度Ab二种。单向定位精度Au是取正、负方向趋近目标位置时定位误差中的最大值。正、负方向趋近目标位置时的定位精度如下：



A3S3S

（1-9）双向定位精度A为X3S、X3S中的最大值与X3S、X3S中的最小值之差值，即

AX3SX3S

（1-10）

AuXj3SjmaxXj3Sjmin

（1-8）

ujjmaxjjminbXXjjjjjjjjbjjmaxjjmin正常情况下，实际加工的某一坐标轴任意两点间的距离误差大约为该轴双向定位精度的2倍。

（2）直线运动的重复定位精度

是指在同一台数控机床上，应用相同程序、相同代码加工一批零件，所得到结果的一致程度。一般情况下，重复定位精度是正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是反映轴运动精度稳定性的最基本指标。

重复定位精度R为标准偏差Sj和Sj中最大值的6倍，即

R6Sjmax

（1-11）（3）直线运动的反向误差B

直线运动的反向误差也叫失动量，是该坐标轴进给传动链上驱动部件（如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等）的反向死区及各机械运动传动副的反向间隙和弹性变形等误差的综合反映。误差越大，则定位精度和重复定位精度也越差。

BBjmax

（1-12）

（4）直线运动的原点返回精度（回零精度）

是指数控机床各坐标轴达到规定零点的准确程度，其误差称为回零误差。实质上是该坐标轴上一个特殊点的重复定位精度。

（5）分度精度A

是指分度工作台在分度时指令要求回转的角度值与实际回转的角度值的差值。

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AQj3Sj备

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maxQj3Sjmin

（1-13）

3．切削精度的项目及检验

机床的切削精度是一项综合精度指标，它不仅反映了机床的几何精度和定位精度，同时还反映了试件的材料、环境温度、刀具性能以及切削条件等各种因素造成的误差。

（1）镗孔精度检查

（2）端铣刀铣削平面精度检查

（3）直线铣削精度检查

（4）斜线铣削精度检查（5）圆弧铣削精度检查

七、数控机床的主要功能

1．多轴控制功能

是指CNC系统能控制和能联动控制数控机床各坐标轴的进给运动的功能。CNC系统的控制进给轴有：移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。

2．准备功能

即G功能——指令机床运动方式的功能。3．多种函数插补功能和固定循环功能

插补功能是指数控系统进行零件表面（平面或空间曲面）加工轨迹插补运算的功能。一般CNC系统仅具有直线和圆弧插补，较为高档的数控系统还具有抛物线、椭圆、极坐标、正弦线、螺旋线以及样条曲线等插补功能。

在数控加工中，有些加工内容如钻孔、镗孔、攻螺纹等，所做的动作需要循环且十分典型，数控系统预先将这些循环动作用G代码进行定义，在加工时使用这类G代码，可大大简化编程工作量，此即固定循环功能。

4．补偿功能

（1）刀具半径和长度补偿功能

该功能能实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心的轨迹，以及在刀具半径和长度发生变化（如刀具更换、刀具磨损）时，可对刀具半径或长度作相应的补偿。该功能由G指令或T指令实现。

（2）传动链误差、反向间隙误差补偿功能

螺距误差补偿可预先测量出螺距误差和反向间隙，然后按要求输入CNC装置相应的储存单元内，在加工过程中进行实时补偿。

（3）智能补偿功能

外界干扰产生的随机误差，可采用人工智能、专家系统等方法建立模型，实施智能补偿。如热变形引起的误差，装置将会在相应地方自动进行补偿。

5．主轴功能

是指数控系统对切削速度的控制功能。主要有以下五种控制功能：（1）主轴转速（切削速度）——实现刀具切削点切削速度的控制功能，单位为r／min（m／min）。

（2）恒线速度控制——实现刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。

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（3）主轴定向控制——实现主轴周向定位于特定点的控制功能。（4）C轴控制——实现主轴周向任意位置的控制功能。

（5）切削倍率——实现人工实时修调切削速度，即通过面板的倍率开关在0％~200％之间对其进行实时修调。

6．进给功能

是指数控系统对进给速度的控制功能。主要有以下三种控制功能：（1）进给速度——控制刀具或工作台的运动速度，单位为mm／min；（2）同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步，单位为mm／r，用于加工螺纹；

（3）进给倍率——实现人工实时修调进给速度，即通过面板的倍率开关在0％~200％之间对其进行实时修调。

7．宏程序功能

通过编辑子程序中的变量来改变刀具路径和刀具位置的功能。8．辅助功能

即M功能——规定主轴的起、停、转向，工件的夹紧和松开，冷却泵的接通和断开等机床辅助动作的功能。

9．刀具管理功能

是实现对刀具几何尺寸和刀具寿命的管理及刀具选择功能。刀具几何尺寸是指刀具的半径和长度，这些参数供刀具补偿功能使用。刀具寿命是指总计切削时间，当某刀具的时间寿命到期时，CNC系统将提示用户更换刀具。另外，CNC系统都具有T功能即刀具号管理功能，它用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。

10．人机对话功能

在CNC装置中配有单色或彩色阴极射线管，俗称显示器（CRT），通过软件可实现字符和图形的显示，以方便用户操作和使用。主要功能有：菜单结构的操作界面；数据及零件加工程序的输入及环境编辑；系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询等。

11．自诊断功能

是指CNC系统防止故障发生及故障诊断、故障定位和防止故障扩大的功能。12．通讯功能

通讯功能是指CNC装置与外界进行信息和数据交换的功能。

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注

第二节

数控加工原理与数控加工工艺概述

数控加工

是根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序（简称为数控程序），输入数控系统，控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。

数控加工技术

是将普通金属切削加工、计算机数控、计算机辅助制造等技

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术综合的一门先进加工技术。在以上各个领域的进步推动下，尤其是计算机技术的飞速发展下，数控加工技术正从深度、广度上对机械加工技术进行革命性的变革。

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注

一、数控加工原理

1．数控加工的过程

首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，都按规定的代码和格式编成加工程序，然后将该程序送入数控系统。数控系统则按照程序的要求，先进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。

2．数控加工中的数据转换过程（1）译码

译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCⅡ码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式），该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值，进给速度，主轴转速，G代码，M代码，刀具号，子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。

（2）刀补处理（计算刀具中心轨迹）

为方便编程，零件加工程序通常是按零件轮廓或按工艺要求设计的进给路线编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心（准确说是刀位点）轨迹，因此在加工前必须将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的处理程序。

（3）插补计算

数控编程提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹，而刀具怎么从起点沿运动轨迹走向终点则由数控系统的插补装置或插补软件来控制。该程序以系统规定的插补周期T定时运行，它将由各种线形（直线、圆弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在T内的位移指令（X1、Y1、„），并送给进给伺服系统，实现成形运动。

（4）PLC控制

CNC系统对机床的控制分为对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”和对机床动作的“顺序控制” 或称“逻辑控制”。后者是指在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关信号状态为条件，并按预先规定的逻辑关系对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。PLC控制就是实现上述功能的功能模块。

数控加工原理就是将预先编好的加工程序以数据的形式输入数控系统，数控系统通过译码、刀补处理、插补计算等数据处理和PLC协调控制，最终实现零件

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容的自动化加工。

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二、数控加工工艺和数控加工工艺过程的概念、主要内容及特点

（一）数控加工工艺和数控加工工艺过程的概念

1．数控加工工艺

是采用数控机床加工零件时所运用各种方法和技术手段的总和，应用于整个数控加工工艺过程。数控加工工艺是伴随着数控机床的产生、发展而逐步完善起来的一种应用技术，它是人们大量数控加工实践的经验总结。

2．数控加工工艺过程

是利用切削工具在数控机床上直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置、表面状态等，使其成为成品或半成品的过程。

（二）数控加工工艺和数控加工工艺过程的主要内容（1）选择并确定进行数控加工的内容；（2）对零件图纸进行数控加工的工艺分析；（3）零件图形的数学处理及编程尺寸设定值的确定；（4）数控加工工艺方案的制定；（5）工步、进给路线的确定；（6）选择数控机床的类型；

（7）刀具、夹具、量具的选择和设计；（8）切削参数的确定；

（9）加工程序的编写、校验与修改；

（10）首件试加工与现场问题处理；（11）数控加工工艺技术文件的定型与归档。

（三）数控加工工艺的特点 1．数控加工工艺内容要求具体、详细 2．数控加工工艺要求更严密、精确

3．制定数控加工工艺要进行零件图形的数学处理和编程尺寸设定值的计算 4．制定数控加工工艺选择切削用量时要考虑进给速度对加工零件形状精度的影响

5．制定数控加工工艺时要特殊强调刀具选择的重要性 6．数控加工工艺的特殊要求

7．数控加工程序的编写、校验与修改是数控加工工艺的一项特殊内容

三、数控加工工艺与数控编程的关系

1．数控程序

输入数控机床，执行一个确定的加工任务的一系列指令，称为数控程序或零件程序。

2．数控编程

即把零件的工艺过程、工艺参数及其它辅助动作，按动作顺序和数控机床规定的指令、格式，编成加工程序，再记录于控制介质即程序载体（磁盘等），输入数控装置，从而指挥机床加工并根据加工结果加以修正的过程。

3．数控加工工艺与数控编程的关系

数控加工工艺分析与处理是数控编程

《数控加工工艺及设备》教案

内

容的前提和依据，没有符合实际的、科学合理的数控加工工艺，就不可能有真正可行的数控加工程序。而数控编程就是将制定的数控加工工艺内容程序化。

备

注

第三节

数控机床的坐标系统一、数控机床的坐标系

1．标准坐标系和运动方向

标准坐标系采用右手直角笛卡儿定则。基本坐标轴为X、Y、Z并构成直角坐标系，相应每个坐标轴的旋转坐标分别为A、B、C。

基本坐标轴X、Y、Z的关系及其正方向用右手直角定则判定，拇指为X轴，食指为Y轴，中指为Z轴，围绕X、Y、Z各轴的回转运动及其正方向A、B、C分别用右手螺旋定则判定，拇指为X、Y、Z的正向，四指弯曲的方向为对应的A、B、C的正向。与X、Y、Z、A、B、C相反的方向相应用带“′”的X′、Y′、Z′、A′、B′、C′表示。注意，X′、Y′、Z′之间不符合右手直角笛卡儿定则。

由于数控机床各坐标轴既可以是刀具相对于工件运动，也可以是反之，所以ISO标准规定：

（l）不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，或是工件运动、刀具静止，在确定坐标系时，一律看作是刀具相对静止的工件运动。

（2）机床的直线坐标轴X、Y、Z的判定顺序是：先Z轴，再X轴，最后按右手定则判定Y轴。

（3）坐标轴名（X、Y、Z、A、B、C）不带“′”的表示刀具运动；带“′”的表示工件运动，如图1-16所示。

（4）增大工件与刀具之间距离的方向为坐标轴正方向。2．坐标轴判定的方法和步骤（1）Z轴

规定平行于机床主轴轴线的坐标轴为Z轴。对于有多个主轴或没有主轴的机床（如刨床），标准规定垂直于工件装夹面的轴为Z轴。对于能摆动的主轴，若在摆动范围内仅有一个坐标轴平行主轴轴线，则该轴即为Z轴，若在摆动范围内有多个坐标轴平行主轴轴线，则规定其中垂直于工件装夹面的坐标轴为Z轴。

规定刀具远离工件的方向为Z轴的正方向（Z）。（2）X轴

对于工件旋转的机床，X轴的方向是在工件的径向上，且平行于横滑座，刀具离开工件旋转中心的方向为X轴正方向；对于刀具旋转的立式机床，规定水平方向为X轴方向，且当从刀具（主轴）向立柱看时，X正向在右边；对于刀具旋转的卧式机床，规定水平方向仍为X轴方向，且从刀具（主轴）尾端向工件看时，右手所在方向为X轴正方向。

（3）Y轴

《数控加工工艺及设备》教案

内

容

Y轴垂直于X、Z坐标轴。Y轴的正方向根据X和Z坐标轴的正方向按照右

备

注

手直角笛卡儿定则来判断。

（4）旋转运动A、B和C

A、B和C表示其轴线分别平行于X、Y和Z坐标的旋转运动。A、B和C的正方向可按右手螺旋定则确定。

（5）附加坐标轴的定义

如果在X、Y、Z坐标以外，还有平行于它们的坐标，可分别指定为U、V、W。若还有第三组运动，则分别指定为P、Q和R。

（6）主轴正旋转方向与C轴正方向的关系

主轴正旋转方向

从主轴尾端向前端（装刀具或工件端）看顺时针方向旋转为主轴正旋转方向。对于普通卧式数控车床，主轴的正旋转方向与C轴正方向相同。对于钻、镗、铣、加工中心机床，主轴的正旋转方向为右旋螺纹进入工件的方向，与C轴正方向相反。所以不能误认为C轴正方向即为主轴正旋转方向。

二、机床坐标系与工件坐标系

1．机床坐标系与机床原点、机床参考点

（1）机床坐标系

机床坐标系是机床上固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具（刀架）或工件（工作台）位置的参考系，并建立在机床原点上。机床坐标系各坐标和运动正方向按前述标准坐标系规定设定。

（2）机床原点

现代数控机床都有一个基准位置，称为机床原点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。

（3）机床参考点

与机床原点相对应的还有一个机床参考点，它也是机床上的一个固定点，通常不同于机床原点。一般来说，加工中心的参考点设在工作台位于负极限位置时的一基准点上。

2．工件坐标系与工件坐标系原点（1）工件坐标系

编程人员在编程时设定的坐标系，也称为编程坐标系。（2）工件坐标系原点

也称为工件原点或编程原点，一般用G92或G54~G59指令指定。（3）工件坐标系坐标轴的确定

坐标原点选定后，接着就是坐标轴的确定。工件坐标系坐标轴确定的原则为：根据工件在机床上的安放方向与位置决定Z轴方向，即工件安放在数控机床上时，工件坐标系的Z轴与机床坐标系Z轴平行，正方向一致，在工件上通常与工件主要定位支撑面垂直；然后，选择零件尺寸较长方向或切削时的主要进给方向

《数控加工工艺及设备》教案

内

容

为X轴方向，在机床上安放后，其方位与机床坐标系X轴方位平行，正向一致；过原点与X、Z轴垂直为Y轴，根据右手定则，确定Y轴的正方向。

3．装夹原点

有的机床还有一个重要的原点，即装夹原点，是工件在机床上安放时的一个重要参考点。

备

注

第四节

插补原理及与加工精度和加工效率的关系

一、数控加工轨迹控制原理——插补原理

插补的任务就是要根据进给速度的要求，完成在轮廓起点和终点之间的中间点的坐标值计算。目前常用的插补方法有两类：脉冲增量插补法和数据采样插补法。

（一）脉冲增量插补

脉冲增量插补是模拟硬件插补的原理，把计算机每次插补运算产生的指令输出到伺服系统，伺服系统根据进给脉冲进给，以驱动工作台运动。计算机每发出一个脉冲，工作台移动一个基本长度单位（脉冲当量），并且每次插补的结果仅产生一个行程增量，每进给一步（一个脉冲当量），计算机就要进行一次插补运算，进给速度受计算机插补速度的限制，因此很难满足现代数控机床高速度的要求。

（二）数据采样插补法

数据采样插补原理是将加工一段直线或圆弧的时间划分为若干相等的插补周期，每经过一个插补周期就进行一次插补计算，算出在该插补周期内各坐标轴的进给量，边计算边加工，若干次插补周期后完成一个曲线段的加工，即从曲线段的起点走到终点。数据采样插补是根据用户程序的进给速度，将给定轮廓曲线分割为每一插补周期的进给段，即轮廓步长。每一个插补周期，执行一次插补运算，计算出下一个插补点（动点）坐标，从而计算出下一周期各个坐标的进给量，如X、Y等，进而得出下一插补点的指令位置。插补周期可以等于采样周期，也可以是采样周期的整倍数。对于直线插补，动点在一个插补周期内运动的直线段与给定直线重合。对于圆弧插补，动点在一个插补周期内运动的直线段以弦线（或切线、割线）逼近圆弧。

圆弧插补常用弦线逼近的方法。如图1-25所示，用弦线逼近圆弧，会产生逼近误差er。设为在一个插补周期内逼近弦所对应的圆心角、r为圆弧半径，则



err1cos

（1-14）

2将上式中的cos用幂级数展开，得

2

《数控加工工艺及设备》教案

内

容

err1cos

22242r11

2!4!备

注

28r

（1-15）

设T为插补周期，F为刀具进给速度，则进给步长（或插补步长）l为 lTF 用进给步长l代替弦长，有

lrTFr

将上式代入式（1-15），得

l21TF er

（1-16）

8r8r

式（1-16）反映了逼近误差er与插补周期T、进给速度F和圆弧半径r的关系。

根据式1-16，可以得到一个关系式：

l8er允r

（1-17）式中

er允——轮廓曲线允许的逼近误差；

r——圆弧半径；

l——轮廓步长，即单位时间（插补周期）内的进给量。

二、插补原理、进给速度与加工精度和加工效率的关系

从式1-16可以看出，逼近误差与进给速度、插补周期的平方成正比，与圆弧半径成反比。较小的插补周期，可以在小半径圆弧插补时允许较大的进给速度。从另一角度讲，进给速度、圆弧半径一定的条件下，插补周期越短，逼近误差就越小。对于一个确定的数控系统，插补周期一般是固定的，插补周期确定之后，一定的圆弧半径，应有与之对应的最大进给速度限定，以保证逼近误差er不超过允许值。对脉冲增量插补，进给速度越快，则脉冲当量值越大，加工误差也就越大，插补周期越短，插补精度越高；进给速度越快，插补精度越低，但效率越高。当加工精度要求很高（如微米级）时，在数控系统一定的情况下，进给速度的快慢将影响工件的形状精度，同时自然影响加工效率。

第五节

当今国际数控加工技术的发展趋势

1．高速切削 2．高精度加工 3．复合化加工 4．控制智能化

《数控加工工艺及设备》教案

内

容

具体体现在以下几个方面：（l）加工过程自适应控制技术（2）加工参数的智能优化与选择（3）故障自诊断功能（4）智能化交流伺服驱动装置 5．互联网络化

6．计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，缩写为CIMS）

一般认为CIMS应由下列六个子系统组成：（1）计算机辅助经营和生产管理系统；

（2）计算机辅助产品设计／制造等开发工程系统；（3）自动化制造加工系统；（4）计算机辅助储运系统；（5）全厂质量控制系统；（6）数据库与通信系统。

计算机集成制造系统的发展可以实现整个机械制造厂的全盘自动化，成为自动化工厂或无人化工厂，是自动化制造技术的发展方向。

备

注