数控机床课件.ppt

第一章数控机床概述 第一节数控机床的基本概念 第二节数控机床的坐标系 第一节数控机床的基本概念 一 数控技术的发展史 二 数控技术的发展趋势 三 数控机床在机械制造业中的优势 四 数控机床的组成 五 数控机床的加工原理 一 数控技术的发展史1 1946年世界上诞生了第一台电子计算机 2 第一台计算机诞生6年后 即在1952年 计算机技术应用到了机床上 1952年美国空军当局委托美国麻省理工大学与帕森斯公司合作研制了第一台三坐标数控铣床 此后 英国和日本在1958年 德国在1959年相继制造出数控机床 从此 传统的机床产生了质的变化 第一台数控机床诞生至今五十年以来 数控机床的核心 数控系统的发展经历了二个阶段和六代的发展 1 数控 NC 阶段2 计算机数控 CNC 阶段 数控 NC 阶段 1952 1970 早期的计算机运算速度低 这对当时的科学计算和数据处理影响不大 但它不能适应机床实时控制的要求 人们不得不采用数字逻辑电路 搭成机床专用计算机作为数控系统 被称为硬件连接数控 HARD WIREDNC 简称为数控 NC 随着电子元器件的发展 这个阶段又历经三代 1952年的第一代 电子管计算机组成的数控系统 1959年的第二代 晶体管计算机组成的数控系统 1965年的第三代 小规模的集成电路计算机组成的数控系统 计算机数控 CNC 阶段这一阶段从1970年开始至今 1970年研制成功大规模集成电路 并将其用于通用小型计算机 此时的小型计算机 其运算速度比五 六十年代的计算机有了大幅度的提高 比专门搭成的专用计算机成本低 可靠性高 于是 小型计算机被用作数控系统的核心部件 从此进入了计算机数控 CNC 阶段 计算机数控阶段也经历了三代 1970年第四代 小型计算机数控系统 1974年第五代 微处理器组成的数控系统1990年第六代 基于PC的数控系统 1948 1956年数控机床处于研究试制阶段1956 1960年数控机床处于工业应用阶段1960年以后数控机床处于高速发展阶段20世纪70年代末 80年代初数控机床得到广泛的普及和应用 国内数控技术的发展情况 我国数控技术是从1958年开始研制的 1958年 1965年我国数控机床处于研制 开发时期 比国外相比起步晚了十年 1968年清华大学研制成功我国第一台小型数控立铣 1980年前我国数控机床80 为线切割机床 低端数控机床 1980年后引进日 美等国的数控装置及伺服系统的技术 开始合资批量生产一些数控机床 数控装置的稳定性 可靠性有了明显的改善 开始为用户所接受 1985年后我国已经能生产45种各类数控机床来满足工业发展的需要 同时数控机床功能部件的专业厂也逐渐形成规模 1990年中期国产数控装置也开始崭露头角 进入21世纪 国产的数控系统才开始形成生产规模 拥有自主版权的五轴联动数控系统 打破了西方对高端数控系统的垄断 二 数控技术的发展趋势 1 高速 高精度加工2 数控系统具有多轴控制 多轴联动和复合加工的控制功能3 数控系统开放化 智能化和网络化 1 高速 高精度加工目前加工中心主轴转速最高可达40000转 分 进给速度可达24米 分 30米 分 定位精度都在几微米 这就要求数控系统应采用高速高精度的数控系统 驱动系统应采用直线电动机作为进给伺服系统 采用高速永磁同步电动机 2 数控系统具有多轴控制 多轴联动和复合加工的控制功能 理论上数控机床只需要3轴联动 但在实际加工中3轴联动对于三维曲面加工很难用上刀具的最佳几何形状进行切削 不仅加工效率低而且表面粗糙度高 往往采用手动进行修补 但在修补过程中 已加工的表面也可能丧失精度 5轴联动除了X Y Z这3轴外 主要还有刀具轴旋转 工作台旋转这两种方式的复合运动 采用5轴联动可以使用刀具的最佳几何形状对工件进行加工 那么5轴联动数控机床是数控技术的制高点标志之一 3 数控系统的开放化 智能化和网络化 将来的数控机床中的NC系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑 具有一定的智能 能把特殊的加工工艺 管理经验和操作技能嵌入NC系统 同时也具有图形交互 诊断等功能 也就是说要求CNC控制器透明以使机床制造商和最终用户可以自由地实现自己的思想 三 数控机床在机械制造业中的优势 数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用 是因为它有效地解决了复杂 精密 小批多变的零件加工问题 能适应各种机械产品迅速更新换代的需要 经济效益显著 具体表现在以下几个方面 生产效益一般比普通机床提高3 5倍 多的可达8 10倍 减少刀具和夹具的存储和花费 减少零件的库存和搬运数 减少工装 减少人为误差 提高加工精度 零件重复精度高 互换性好 缩短新产品的试制和生产周期 当零件设计改变时 只需要改变零件程序即可 易于组织多品种生产 使企业能对市场需要迅速做出响应 能加工传统方法不能加工的大型复杂零件 有利于产品质量的控制 生产便于管理 减轻了劳动强度 改善了劳动条件 节省人力 降低了劳动花费 四 数控机床的组成 CNC computerNumericalControl 计算机数控机床一般由输入输出设备 CNC装置 或称CNC单元 伺服单元 驱动单元 或称执行机构 可编程控制器及机床本体等组成 除了机床本体之外 其他系统都称为计算机数控 CNC 系统 1 输入 输出设备 操作面板 操作面板是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具 如操作命令的输入 加工程序的编辑 修改和调试 同时也以信号灯或数码管的方式 为操作人员显示数控系统和数控机床的状态信息 如坐标值 机床的工作状态 报警信号等 它是数控机床特有的部件 输入设备有键盘 显示器 穿孔纸带 磁带和磁盘 其中键盘和显示器是比不可少的人机交互设备 操作人员可通过键盘和显示器输入程序 编辑修改程序和发送操作命令 既进行手动数据输入 2 CNC装置 CNC装置是CNC系统的核心 这一部分主要包括微处理CPU 存储器 局部总线 外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口等 其本质是根据输入的数据插补出理想的运动轨迹 然后输出到执行部件 伺服单元 驱动装置和机床 加工出需要的零件 3 伺服单元 伺服单元接收来自CNC装置的进给指令 经变换和放大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度 因此伺服单元是CNC和机床本体的联系环节 它把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号 4 驱动装置 驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动 通过简单的机械连接到驱动机床工作台 使工件台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动 最后加工出符合图纸要求的零件 和伺服单元相对应 驱动装置有步进电机 直流伺服电机和交流伺服电机等几种 伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统 它是机床工作的动力装置 CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施 所以伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分 5 PLC 机床I 0电路和装置 PLC是可编程逻辑控制器 ProgrammableLogicController 的缩写 主要用于控制机床顺序动作 完成与逻辑运算有关的一些控制 他接受CNC的控制代码M 辅助功能 S 主轴转速 T 选刀 换刀 等顺序动作信息 对其进行译码 转换成对应的控制信号 控制机床辅助装置完成机床相应的开关动作 如工件的装夹 刀具的更换 冷却液的开关等一些辅助动作 他接受机床操作面板的指令 一方面直接控制机床的动作 一方面将一部分指令送往CNC用于加工过程的控制 机床I O电路和装置是指继电器 行程开关 电磁阀的电器以及由他们组成的逻辑电路 6 机床 机床是数控机床的主体 是实现制造加工的执行部件 它包括 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 支承体 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 最初的数控机床使用的是普通机床 只是在自动变速 刀架或工作台自动转位和手柄等方面做些改变 CNC机床由于切削用量大 连续加工时间长 发热量大等原因 所以其设计要求比普通机床更严格 制造要求更精密 因而采用了许多新的加强刚性 减少热变形 提高精度等方面的措施 五 数控机床的加工原理 在传统的金属切削机床上 操作者在加工零件时 根据图纸的要求 需要不断改变刀具的运动轨迹和运动速度等参数 使刀具对工件进行切削加工 最终加工出合格零件 在数控机床上 加工过程中人工操作均被数控系统所取代 其工作过程如下 首先要将加工图纸上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按规定的规则 代码和格式编写成加工程序 数控系统则按照程序的要求 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运动 实现刀具与工件的相对运动 自动完成零件的加工 x y X Y 数控机床加工原理示意图 1 逼近处理 先对曲线进行逼近处理 即按系统的插补时间 t和加工所需要的进给速度F 将曲线分割成若干小线段 曲线即为所有小线段之和 2 插补运算 在逼近处理后 将小线段分解为X轴和Y轴移动分量 他们的位置将不断变化 3 指令输出 将算出的 t时间内的 x和 y作为指令输出给X轴和Y轴 控制它们运动 由此可见 只要能连续地自动控制X和Y两个进给轴在 t时间内移动量 就可以实现曲线轮廓零件的加工 数控机床的加工原理 第二节数控机床的坐标系 一 机床坐标轴 二 机床坐标系 机床零点与机床参考点 三 工件坐标系和程序原点 一 机床坐标轴 一 机床坐标轴的命名所谓坐标轴 是指在机械装备中 具体位移 线位移或角位移 控制和速度控制功能的运动轴 为了简化编程的方法和保证程序的通用性 对数控机床的坐标和方向的命名制定了统一的标准 规定直线进给运动的坐标轴用X Y Z表示 常称基本坐标轴 而X Y Z坐标轴的相互关系用右手定则决定 如下图所示 图中大拇指的指向为X轴的正方向 食指指向为Y轴的正方向 中指指向为Z轴的正方向 围绕X Y Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A B C表示 根据右手螺旋定则 以大拇指指向 X Y Z方向 则食指 中指等指向是圆周进给运动的 A B C方向 数控机床的进给运动 有的由主轴带动刀具运动来实现 有的由工作台带着工件运动来实现 上述坐标轴正方向 是假定工件不动 刀具相对于工件作进给运动的方向 如果是工件移动则用加 的字母表示 按相对运动的关系 工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反 即有 同样两者运动的负方向也彼此相反 二 机床坐标轴的方向 机床坐标轴的方向取决于机床的类型和各组成部分的布局 若只有一个主轴 且主轴无摆动运动 则规定平行主轴轴线的坐标轴为Z轴 刀具远离工件的方向为Z坐标正方向 X轴垂直于Z轴 对Z轴轴线水平的机床 规定由刀具 主轴 向工件看时 X坐标的正方向指向右边 利用已确定的X Z坐标的正方向 用右手定则确定Y坐标的正方向 CJK6032坐标轴 ZJK7532坐标轴 二 机床坐标系 机床零点与机床参考点 一 机床坐标系和机床零点机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系 机床坐标系的原点称为机床零点或机床原点 机床零点的位置一般由机床参数指定 但指定后这个零点便被确定下来 维持不变 其坐标和运动方向视机床的种类和结构而定 如数控车床和数控铣床都有自己的坐标系 二 机床参考点与机床行程开关机床上电时并不知道机床零点 为了正确地在机床工作时建立机床坐标系 通常在机床的每个坐标轴的移动范围内设置一个机械点 由它们构成一个多轴坐标系的一点 参考点主要是给数控装置提供一个固定不变的参照 保证每一次上电后进行的位置控制不受系统失步 漂移 热胀冷缩等的影响 机床坐标轴的机械行程范围是由最大和最小限位开关来限定的 机床坐标轴的有效行程范围是由机床参数 软件限位 来界定的 机床参考点可以与机床零点重合也可以不重合 通过机床参数指定该参考点到机床零点的距离 机床零点和机床参考点之间的关系 Z轴上的机械行程 限位开关 Z轴上的有效行程 X轴上的机械行程 限位开关 X轴上的有效行程 X轴参考点与机床零点的距离 参考点 机床零点 X Z 参考点开关 编码器零脉冲 可到达的区域 三 机床回参考点与机床坐标系的建立当机床坐标轴回到了了参考点位置时 就知道了该坐标轴的零点位置 机床所有坐标轴都回到了参考点 此时数控机床就建立了机床坐标系 即机床回参考点的过程实质上是机床坐标系的建立过程 因此 在数控机床启动时 一般都要进行自动或手动回参考点操作 以建立机床坐标系 并可消除由于漂移 变形等造成的误差 工件坐标系是编程人员在编程时使用的 编程人员选择工件上的某一已知点作为原点 也称程序原点 建立一个平行于机床各轴方向的坐标系 称为工件坐标系 工件坐标系的引入是为了简化编程 减少计算 使编辑的程序不因工件安装的位置不同而不同 一般情况下 以坐标式尺寸标注的零件 程序原点应选择在尺寸标注的基准点 对称零件或以同心圆为主的零件 程序原点应选在对称中心线或圆心上 Z轴的程序原点通常选在工件的上表面 三 工件坐标系和程序原点 工件原点和工件坐标系 第二章数控加工程序编制的基础 第一节数控编程概述 第二节数控机床的编程 第一节数控编程概述 一 数控编程的基本概念 二 数控编程的方法 三 数控加工程序的格式与组成 一 数控数控编程的基本概念 编程就是将加工零件的加工顺序 刀具运动轨迹的尺寸数据 运动轨迹与方向 位移量 工艺参数 主运动和进给运动 切削深度等 以及辅助操作 换刀 主轴控制 冷却液开关 刀具夹紧 松开等 等加工信息 用规定的文字 数字 符号组成的代码和程序格式 编制成加工程序单 相当于普通机床加工的工艺规程 再将程序单中的内容记录在磁盘 或纸带 等控制介质上 这一过程 就称为是编程 一 数控加工与传统加工的比较 图纸 工艺分析 工艺卡 数控加工程序 人工操作 输入数控系统 机床 零件 传统加工 数控加工 二 数控编程步骤 数控编程过程如图所示 零件图纸 工艺分析 数学处理 编写程序单 制备控制介质 输入数控系统 校验和试切 修改 错误 二 数控编程的方法 1 手工编程手工编程是指编制零件程序加工程序的前几个步骤 即从零件图纸工艺分析 坐标点的计算直至编写零件程序单 均由人工完成 2 自动编程自动编程是借助数控自动编程系统由计算机来辅助生成零件的程序 此时 编程人员一般只需要借助数控编程系统提供的各种功能 对加工对象 工艺参数及加工过程进行较简单的描述 即可由编程系统自动完成数控加工程序编制的其余内容 三 数控加工程序的格式与组成 一个数控加工零件程序是一组被传送到数控装置中的指令和数据组成的 一个零件程序是由遵循一定结构 句法和格式规则的若干个程序段组成的 而每个程序段是由若干个指令字组成的 如图所示 程序的结构图 1000N01G91G00X50Y60程N10G01X100Y500F150S300M03序N N200M02 程序段 指令字 一 程序的文件名 CNC装置可以装入许多程序文件 以磁盘文件的方式读写 文件名格式为 有别于DOS的其他文件名 Oxxxx 字母O后面必须有数字或字母 主程序 子程序必须写在同一个文件名下 系统通过调用文件名来调用程序 进行加工或编辑 二 程序段格式 三 指令字符的格式 在现代数控系统中 指令字一般是由地址符 或称指令字符 和带符号 如定义尺寸的字 或不带符号 如准备功能字G代码 的数字组成的 这些指令字在数控系统中完成特定的功能 机能地址符意义零件程序号 或O程序编号 1 9999程序段号N程序段编号 N1 9999准备机能G指令动作方式 直线 圆弧等 G00 99尺寸字X Y Z 坐标轴的移动命令99999 999A B CU V WR圆弧的半径I J K圆弧中心相对起点的坐标位置进给速度F进给速度的指定F0 15000主轴机能S主轴旋转速度的指定S0 9999刀具机能T刀具编号的指定T0 99 T000 9999辅助机能M机床侧开 关控制的指定M0 99补偿号H D刀具补偿号的指定00 99暂停P X暂停时间的指定秒程序号的指定P子程序号的指定P1 9999重复次数L子程序的重复次数 L2 9999 指令字符一览表 第二节数控机床的编程 一 辅助功能M代码二 主轴功能S 进给功能F和刀具功能T三 准备功能G代码四 例题分析 一 辅助功能M代码 M指令主要用于控制机床的各种开关 它有两种形式 一种是非模态代码 它只在书写了该代码的程序段中有效 另一种是模态代码 它一旦在一个程序中指定便保持有效 其指令功能如表3 2所示 辅助功能M代码及其功能 代码 模态 功能说明 代码 模态 功能说明 M00 非模态 非模态 非模态 非模态 非模态 非模态 模态 模态 模态 模态 模态 M02 M03 M04 M05 M06 M07 M09 M30 M98 M99 程序停止 程序结束 程序结束并返回程序起点 调用子程序 子程序结束 主轴正转起动 主轴反转起动 主轴停止转动 换刀 切削液打开 切削液停止 其中 M00 M02 M30 M98 M99用于控制零件程序的走向 是CNC内定的辅助功能 与PLC程序无关 其余M代码用于机床各种辅助功能的开关动作 其功能不由CNC内定 而是由PLC程序指定 有可能因机床制造厂不同而存在差异 表内为标准PLC指定的功能 二 主轴功能S 进给功能F和刀具功能T 1 主轴功能S主轴功能S控制主轴转速其后的数字表示主轴速度 单位为转 每分钟 r min S是模态指令 只有在主轴速度可调节时有效 机床主轴调速是变频调速可借助机床控制面板上的主轴倍率开关进行修调 2 进给功能F F指令表示工件被加工时刀具相对于工件的合成进给速度 F的单位取决于G94 每分钟进给量mm min 或G95 主轴每转一转刀具的进给量mm r 当工作在G01 G02或G03方式下 F指令一直有效 直到被新的F值取代 而在G00工作方式下 快速定位的速度是各轴的最高速度 与所编的F值无关 3 刀具功能T T代码用于选刀 其后的4位数字分别表示选择的刀具号和刀具补偿号 执行T指令 转动转塔刀架 选用指定的刀具 同时调入刀补寄存器中的补偿值 刀具的几何补偿值即偏置补偿与磨损补偿之和 该值不立即移动 而是当后面有移动指令时一并执行 当一个程序段同时包含T代码与刀具移动指令时 先执行T代码指令 而后再执行刀具移动指令 三 准备功能G代码 准备功能G指令是由G后一或二位数值组成 它用来规定刀具和工件的相对运动轨迹 机床坐标系 坐标平面 刀具补偿 坐标偏置等多种加工操作 G功能根据功能的不同分成若干组 其中00组的G功能称为非模态G功能 其余组称为模态G功能 非模态G功能指的是只在所规定的程序段中有效 程序段结束时被注销 而模态G功能指的是一组可相互注销的G功能 这些功能一旦被执行 则一直有效 直到被同一组的G功能注销为止 模态G功能组中都包含一个缺省G功能 上电时将被初始化为该指令 准备功能G代码一览表 一 常用准备功能G代码的应用 1 绝对值编程G90与相对值编程G91 格式 G90XYZG91XYZ 说明 G90 绝对值编程 每个编程坐标轴上的编程值是相对于程序原点的 G91 相对值编程 每个编程坐标轴上的编程值是相对于前一位置而言的 例 如下图所示 使用G90 G91编程 要求刀具由原点按顺序移动到 点 x Y 0 1 2 3 20 40 60 15 25 45 工件坐标系设定G92 格式 G92XY 说明 G92通过设定对刀点与工件坐标系原点的相对位置建立工件坐标系 此坐标系一旦建立起来 后序的绝对值指令坐标位置都是此工件坐标系中的坐标值 其中 分别为设定的工件坐标系原点到对刀点的有向距离 例 如下图所示 使用G92编程 建立工件坐标系 x z 右端面原点 左端面原点 44 254 180 当以工件左端面为工件原点时 应按下行建立坐标系 G92X180Z254当以工件右端面为工件原点时 应按下行建立坐标系 G92X180Z44 X Z值的确定 即确定对刀点在工件坐标系下的坐标值 其选择的一般原则为 1 方便数学计算和简化编程 2 容易找正对刀 3 便于加工检查 4 引起的加工误差小 5 不要与机床 工件发生碰撞 6 方便拆卸工件 7 空行程不要太长 注意 1 执行此段程序只是建立在工件坐标系中刀具起点相对于程序原点的位置 刀具并不产生运动 2 执行此段程序之前必须保证刀位点与程序起点 对刀点 符合 3 G92指令必须单独一个程序段指定 并放在程序的首段 3 快速定位G00 格式 G00XYZ说明 X Z Y快速定位终点 G90时为终点在工件坐标系中的坐标 G91时为终点相对于起点的位移量 G00指令中的快移速度由机床参数 快移进给速度 对各轴分别设定 不能用F规定 G00一般用于加工前快速定位或加工后快速退刀 快移速度可由面板上的快速修调旋扭修正 4 直线插补G01 格式 G01XYZF说明 X Y Z为线形进给终点 在G90时为终点在工件坐标系中的坐标值 在G91时为终点相对于起点的位移量 F为合成进给速度 G01指令刀具以联动的方式 按F规定的合成进给速度 从当前位置按线性路线 联动直线轴的合成轨迹为直线 移动到程序段指令的终点 5 圆弧插补G02 G03 格式 XYZF说明 G02 G03指令刀具 按F规定的和成进给速度 从当前位置按顺时针 逆时针进行圆弧加工 圆弧插补G02 G03的判断 在在加工平面内 根据其插补时的旋转方向为顺时针 逆时针来区别的 在G90时 X Y Z为圆弧终点在工件坐标系中的坐标 在G91时 X Y Z为圆弧终点相对于圆弧起点的位移量 G02G03 I J K R 数控车中圆弧插补G02 G03的判断是以观察者迎着Y轴的指向所面对的平面 见下图所示 Z X Z G02 G02 G02 G02 X G02 G02 G02 G02 Y G03 G03 G03 G03 G03 G03 G03 G03 Y 数控铣中圆弧插补G02 G03的判断是以不同的平面来选择的 见下图所示 0 0 0 G17 G18 G19 X X Y Y Z Z G02 G02 G02 G03 G03 G03 I J K分别为圆心相对于圆弧起点的偏移值 等于圆心的坐标减去圆弧起点的坐标 如图所示 在G90 G91时都是以增量方式来指定 R为圆弧半径 当圆弧圆心角小于180 时 R为正值 否则R为负值 F为被编程的两个轴的合成进给速度 圆心 起点 终点 X Y 圆心 圆心 起点 起点 终点 X Z 终点 Y Z K I I K J J 0 O O X X Y Y Z Z 6 直径编程和半径编程 格式 G36G37说明 G36直径编程G37半径编程G36和G37指令主要用于数控车床的编程 因车床工件外型通常是旋转体 其X轴尺寸可以用两种方式加以指定 直径方式和半径方式 机床出厂时一般设G36为缺省值 但当系统参数设置为半径时 则半径编程为缺省状态 但程序中可用G37 G36指令改变编程状态 同时系统界面的显示值为半径值 7 刀具半径补偿指令G40 G41 G42 格式 XYZD说明 G40 取消刀具半径补偿 G41 左刀补 在刀具前进方向左侧补偿 见下图A G42 右刀补 在刀具前进方向右侧补偿 见下图B D 1 刀补表中刀补号码 D00 D99 它代表了刀补表中对应的半径补偿值 2 100 199全局变量