数控机床的应用与发展研究.doc

精品文档数控机床的发展过程与应用研究摘要制造业是衡量一个国家综合实力和现代化水平的一个重要指标。数控技术是先进制造技术的基础，随着世界制造业的转移，我国正在逐步成为世界加工厂。本文首先从数控机床的分类、数控机床的编程切入；再细致的介绍数控机床的伺服系统及检测元件；从数控机床的零部件及运动的分析得出诊断的故障；最后，对数控机床的发展趋势以及先进制造技术进行了一些预测和探究。关键词 数控机床； 数控编程； 数控加工The development of CNC machine tools and applied researchAbstract Manufacturing is an important indicator to measure a countrys comprehensive strength and the level of modernization. CNC technology is the foundation of advanced manufacturing technology, with the transfer of world manufacturing, China is gradually becoming the worlds factory. this paper start with the classification from CNC machine tools and the CNC machine programming; then detailed descripes the servo system of CNC machine tools and testing devices; from CNC machine toolss parts and motion analysis to the fault diagnosis; Finally, make some explore and predict for the development of CNC machine tools trends and advanced manufacturing technology.Keywords CNC machine tools; CNC programming; CNC machining目录引言 11数控机床的分类 21.1按加工工艺方法分类 21.2按控制运动轨迹分类 31.3按伺服驱动特点分类 42数控机床的伺服系统及检测元件 72.1概述 72.2数控机床伺服驱动装置 72.2数控机床检测装置113数控加工程序编制163.1编程的基本概念163.2基本编程指令183.3数控车床的程序编制233.4数控铣床的程序编制254数控机床的故障诊断274.1概述274.2数控机床机械故障的诊断274.3人工智能在故障诊断中的应用305数控技术的发展与应用前景325.1我国数控机床的现状325.2数控机床的发展趋向325.3先进制造技术简介34结束语37致谢语38参考文献393欢迎下载。精品文档引言现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感器检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和应用开创了制造业的新时代，使得世界制造业的格局发生了巨大变化。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，它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来了深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。 作为数控技术的物质载体数控机床，不仅是体现现代机械加工技术的重要设备，也是衡量一个国家现代化水平的重要标志。本课题从数控机床的起源、数控机床的发展过程及数控机床的应用，并通过相关的应用实例，以达到透彻地了解数控机床的目的。通过本课题的研究，可以对数控机床国内外的发展及在工程设计中的实际应用有比较全面的了解，并能正确地选择数控机床和应用，为毕业以后的实际工作打下良好的基础1 数控机床的分类 数控机床品种规格繁多，对数控机床的分类方法较多，但定义明确，一般有以下几种分类方法。1.1按加工工艺方法分类1、普通数控机床普通数控机床是指加工用途，加工工艺相对单一的数控机床。按照加工用途可分为数控车床、数控铣床、数控镗床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。这些数控机床虽然加工工艺方法各异，控制方式也各不相同，但他们与传统的同类机床相比，具有精度一致性好，生产率及自动化程度高的共同特点。除了数控金属切削数控机床以外，数控技术还大量用于压力机、冲床、弯管机、折弯机、电火花加工机床等。此外非加工设备中心也是数控技术应用的重要领域，如：数控多坐标测量机，自动绘图机及工业机器人等广泛采用了数控技术。2、加工中心普通数控机床一般只能进行单一工艺的加工，如前所述，在普通数控机床增加自动换刀装置（ATC）可以成为加工中心。加工中心进一步提高了数控机床的自动化程度和生产效率。以铣、镗、钻加工中心为例，工件通过一次装夹，就可以完成大部分加工面的铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，因此特别适合法兰，箱体类零件的加工。从实际工程使用中，习惯上将适用于钻、铣、镗类的加工中心，直接称为加工中心；将适合于车削类加工的加工中心，称为车削中心；但只带有回转刀架的数控机床，由于加工用途、工艺相对简单单一、换刀装置比较简单，故仍称为数控车床。加工中心可以有效的避免工件多次安装造成的定位误差，且减少机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产率和加工质量，因此，它是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。特别是近来、国内外开发了集铣、镗、钻、车、磨等加工于一体的数控加工机床，此类加工中心，由于其用途十分广泛，因此被称为“万能加工中心”。如前所述，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（APC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（FMC）。FMC是柔性制造系统的基础，因此，通常归入柔性制造系统的领域。1.2按控制运动轨迹分类 1、点位控制数控机床 点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。 2、直线控制数控机床 直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。 直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。 数控镗铣床、加工中心等机床，它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控制加工的功能，这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。 3、轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。1.3按伺服驱动的特点分类1、开环控制数控机床 图1-3-1 开环控制数控机床的系统框图 这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。2、闭环控制数控机床闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。图1-3-2所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中A为速度传感器、C为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时，若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。解决以上问题的最佳途径是采用直线电动机作为驱动系统的执行元件。采用直线电机驱动，可以完全取消系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现所谓的“零传动”。它从根本上消除传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。 图1-3-2 闭环控制数控机床的系统框图3、半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。图1-3-3所示的为半闭环控制数控机床的系统框图。图中速度传感器、角度传感器。通过测速元件A和光电编码盘B可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。 图1-3-3 半闭环控制数控机床的系统框图半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。4、混合控制数控机床将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式：（1）开环补偿型。图1-3-4为开环补偿型控制方式。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。 图1-3-4开环补偿型控制方式 图1-3-5半闭环补偿型控制方式（2）半闭环补偿型。图1-3-5为半闭环补偿型控制方式。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中是速度测量元件（如测速发电机），B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。2数控机床的伺服系统及检测元件2.1概述伺服驱动系统是指用位置和速度作为控制对象的自动控制系统，又称拖动系统或者进给系统。它由伺服驱动电路、伺服驱动装置、（电机）、位置检测装置、机械传动机构及执行部件等组成。它的作用是：接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号，由伺服驱动电路作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（步进电机、交流或直流伺服电机）和机械传动机构、驱动机床的工作台、主轴头架等执行部件进行工作进给和快速进给。数控机床的数控伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要的部分，在很大程度上决定了数控机床的性能。数控机床的最高转动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标主要取决于伺服驱动系统性能的优劣，在很大程度上决定了数控机床的加工精度、加工表面质量和生产效率。因此，研究和开发高性能的伺服系统，一直是现代数控机床的关键技术之一。2.2、数控机床伺服驱动装置1、步进电动机伺服系统步进电机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁式机械装置。对步进电动机施加一个脉冲信号时，它将旋转一个固定的角度，通常把它称为一步，每一步所转过的角度叫做步进角。以下面一台三相反应式步进电动机（图2-1-1）为例说明步进电动机的工作原理。 图2-1-1 三相反应式步进电动机工作原理它的定子上有6个级，每个级上都装有控制绕组，每两个相对的级组成一相。转子是四个均匀分布的齿，上面设有绕组。A绕组通电时，使转子齿1、3和定子A、A对齐，如图2-2-1a所示，A相断电，B相绕组通电时，转子将在空间转动30，使转子2、4和定子B、B对齐。如图2-2-1b所示。如果再使B相断电，C相绕组通电时，转子又将在空间转动30角，使转子1、3和定子C、C对齐。如图2-2-1b所示。如此循环往复并按A-B-C-A的顺序循环通电，电动机便按照一定的方向转动。电动机的转速直接取决于绕组与电源接通或断开的变化频率。若按照A-C-B-A的顺序通电，则电动机反向转动。电动机绕组与电源的接通断开，通常由电子逻辑电路来控制。电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍。此时电动机转子转过的空间角度称为步距角,上述工作方式称为三相单三拍。“单”是指每次通电时，只有一相绕组通电；“三拍”是指经过三次切换绕组的通电状态完成一个循环，第四拍通电时就重复第一拍通电的情况。显然，在这种工作方式下，三相步进电机的步距角为30。三相步进电机除了单三拍工作方式，还经常工作在三相六拍工作方式,如图2-2-2。2-2-2 三相六拍工作原理此时，通电顺序为：BBCCCAAABB。在这种工作方式下，定子三相绕组需经过六次切换才完成一个循环，故称为“六拍”，而且在通电时，有时是单个绕组接通，有时是两个绕组同时接通，因此称为“三相六拍”。此时，步进电机从B相绕组单独通电到C相绕组单独通电，中间还要经过B、C两相同时通电状态，也就是说要经过两拍，转子才能转过30。所以三相六拍的工作方式的步进角为15。上述这种简单结构的反应式步进电动机的步进角交大，如在数控机床上应用就会影响加工工件的精度。实际上采用的是小步距角的步进电动机如下图2-2-3 图2-2-3 小步距角的三相反应式步进电动机步进电机的步距角由下式决定：式中，c状态系数，当采用单三拍时c=1;采用三相六拍工作方式时，c=2。步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲数量可控制位移量，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、P、W、M 驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。2、伺服电动机 （1）直流伺服电动机直流伺服的工作原理是建立在电磁力学基础上。电磁转矩是通过互相独立的两个变量主磁通与电枢电流相互作用产生的，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。然而，直流伺服电动机在结构上存在机械整流子，造价高，故障多，维护困难，寿命短，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。（2）交流伺服系统考虑直流电动机的缺陷，把电驱绕组装于定子，转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着变频及矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已超越直流伺服系统。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。软件伺服在使用时，可由用户设定电机代码和相关数据后，即自动进入工作状态。系统配有通讯接口，当改变机床工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故称万能伺服。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。 系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用； 基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用； 网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。（3）直线电动机直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式(Difeet Drive)，与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的1O20倍，进给速度是传统的4 5倍从电动机的212作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到生产企业的重视，技术发展迅速。2001年德国DM G公司与日本MAZAK 公司研制的直线电动机驱动的高速机床，快移速度达100120mrain，加速度152g。MAZAK 公司正在推出基于直线伺服系统的超音速加工中心，切削速度8马赫，主轴最高转速80000 rmin，快移速度500rrdmin，加速度6g。以上优秀的技术性能，标志着以直线电动机驱动为代表的第二代高速机床，将取代以高速滚珠丝杠驱动为代表的第一代高速机床，并逐步在使用中占据主导地位。2.3 数控机床的检测装置检测元件是闭环、半闭环伺服系统的重要组成部分。对位置检测装置的要求：（1）工作可靠，抗干扰性强；（2）能满足精度和速度的要求；（3）使用维护方便，适应机床的工作环境；（4）成本低。根据测量信号的形式分：数字式和模拟式。根据测量装置的安装位置和机床运动部件的耦合方式分：直接测量和间接测量。根据读数方法分：绝对测量与增量测量。常用的数控检测装置有：1、旋转变压器。旋转变压器在结构上保证定子和转子之间空气隙内磁通分布符合正弦规律，因此当励磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势，如图2-3-1所示。其输出电压的大小取决于转子的角度位置，即随着转子偏转的角度呈正弦变化。当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴位置转动角度为时，绕组中产生的感应电动势应为图2-3-1 旋转变压器的工作原理 a)线圈位置图 图2-3-1 旋转变压器的工作原理 b)线圈位置图设定子励磁电压为: U1=Umsint则转子通过电磁耦合，产生感应电压U2。式中Um为定子最大瞬时电压；k旋转变压器电压比；U1定子的励磁电压；两绕组的轴线夹角。因此，旋转变压器转子绕组输出电压的幅值是严格地按转子偏转角的余弦规律变化的，由此可知，只要测量出旋转变压器转子绕组输出电压的幅值，就能测量出转子偏转角。若转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则角代表的是丝杠转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。2、感应同步器。感应同步器是利用电磁感应原理制成的位移测量装置。按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转式感应同步器两类，直线感应同步器用于测量直线位移，圆盘旋转式感应同步器用于测量角位移，两者的工作原理基本相同。直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，定尺和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放置，保持0.20.3mm间隙。标准的感应同步器定尺250mm，尺上有一组感应绕组；滑尺长100mm，尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组us，一组为余弦励磁绕组uc。绕组的节距与定尺绕组节距相同，均为2mm，用表示。当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差14节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺上的两个绕组在空间位置上相差14节距，即 /2相位角。 图2-32 感应同步器结构示意图 a)外观及安装形式 b)绕组感应同步器的工作原理：感应同步器一般当在滑尺的正弦绕组加一组交流电压，产生励磁，绕组中产生励磁电流，并产生交变磁通，这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上分别感应出同频率的交流电压。感应同步器的测量系统。感应同步器作为位置测量装置在数控机床上有两种工作方式：鉴相式和鉴幅式。以鉴相式为例 在该工作方式下，给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通上幅值、频率相同，而相位角相差 /2的交流电压： Us=Umsint Uc=Umcost激磁信号将在空间产生一个以为频率移动的电磁波。磁场切割定尺导线，并在其中感应出电动势，该电动势随着定尺与滑尺位置的不同而产生超前或滞后的相位差。根据滑尺在定尺上的感应电压关系，分别在定尺绕组上得到感应电势为 U0sK Umsint cos Uoc= K Umcost sin根据叠加原理可以直接求出感应电动势 U0K Umsint cosK Umcost sin K Umsin（t）式中，Um为励磁电压幅值(V)；为励磁电压角频率(rads)；K为比例常数，其值与绕组间最大互感系数有关；为滑尺相对定尺在空间的相位角。设感应同步器的节距为，测量滑尺直线位移量x和相位差之间的关系为 =2x /由此可知，在一个节距内与x是一一对应的，通过测量定尺感应电动势的相位差，即可测量出滑尺相对于定尺的位移x。 3、光栅。光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。光栅尺包括标尺光栅和指示光栅，它是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间距离相 等，我们称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为25,50,100,125,250条mm。对于圆光栅，若直径为70mm,一周内刻线100-768条；若直径为110mm，一周内刻线达600-1024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。图2-3-3是光栅读数头的构成图，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光 束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元 件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该 电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的线路。图 2-3-3 光栅读镜头4、编码器。编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。有光电式、电磁式和接触式等各种类型。图2-3-4 增量式光电编码器外形结构图实际应用的光电编码器（如图2-3-4）的光栅板上有两组条纹A、A和B、B，A组与B组的条纹彼此错开14节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90相位，用于辨向。此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C(零标志刻线)，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准。绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，编码盘上码道的条数就是数码的位数。3数控加工程序编制目前，在机械制造行业中，单件、小批量的生产所占有的比例越来越大，机械产品的精度和质量也在不断地提高。普通机床难以满足加工精密零件的需要。同时，由于生产水平的提高，数控机床的价格在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用已很普遍。3.1编程的基本概念 1、程序与编制从零件图纸到编制零件加工程序和制作控制介质的全部过程称为数控程序编制。图3-1-1为数控编程的步骤 图3-1-1 数控编程的步骤数控机床常用的编程方法有手工编程与自动编程两种：一，手工编程，手工编程时，整个程序的编制过程由人工完成。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一定的数值计算能力。手工编程对简单零件通常是可以胜任的。对于一些形状复杂的零件或空间曲面零件，编程工作量十分巨大，计算繁琐，花费时间长，而非常容易出错。不过，根据目前生产实际情况，手工编程在相当长的时间内还会是一种行之有效的编方法；二，自动编程，自动编程是指编程人员只需根据零件图样的要求，按照某个自动编程系统的规定，编写一个零件源程序，输入编程计算机，再由计算机自动进行程序编制，并打印程序清单和制备控制介质。自动编程既可以减轻劳动强度，缩短编程时间，又可减少差错，使编程工作简便。2、机床坐标系的确定为了简化编制程序的方法和保证记录数据的互换性。对数控机床的坐标和方向的命名国际上很早就制定有统一标准，我国于1982 年制定了JB305182数控机床坐标和运动方向的命名标准。 在标准中统一规定采用右手直角笛卡儿坐标系对机床的坐标系进行命名。用X，Y，Z 表示直线进给坐标轴，X，Y，Z 坐标轴的相互关系由右手法则决定，如图3-1-2所示。 图3-1-2 数控机床的坐标系大姆指的指向为X 轴的正向；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，如图所示，以大姆指指向+X， +Y， +Z 方向，则食指、中指等的指向是圆周进给运动的+A， +B， +C方向。通常在编程时，不论机床在加工中是刀具移动，还是被加工工件移动，都一律假定被加工工件相对静止不动，而刀具在移动，并规定刀具远离工件的方向作为坐标的正方向。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。如果机床上有几个主轴，则选一个垂直于工件装夹平面的主轴方向为Z坐标方向；如果主轴能够摆动，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向； 如果机床无主轴，则选垂直于工件装夹平面的方向为Z坐标方向。如果工件做旋转运动，则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。 如果刀具做旋转运动，则分为两种情况： Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方。3、工件坐标系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为原点称编程原点或工件原点工件坐标系一旦建立便一直有效直到被新的工件坐标系所取代。工件坐标系的选择原则：（1）要尽量满足编程简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等条件，一般情况下以坐标式尺寸标注的零件，编程原点应选在尺寸标注的基准点 ；（2）对称零件或以同心圆为主的零件，编程原点应选在对称中心线或圆心上；（3）Z 轴的程序原点通常选在工件的上表面。建立工件坐标系的方法有以下两种：一、对于无“回参考点”功能的数控机床，必须通过手动操作将机床的各坐标轴，使坐标轴移动到某一特定的基准位置进行定位，然后以该点为基准，通过G92（G50）指令进行工作坐标原点的设定，直接建立工件坐标系。二、对于有“回参考系”功能，且已通过回参考点建立机床坐标系的数控机床，可以采用两种方法进行工件坐标原点的设定：（1）采用和上述相同的办法，通过手动操作和G92（G50）指令设定原点；（2）通过面板控制或者利用特殊的坐标原点偏置值输入指令（在FANUC系统中为G10），设定工件坐标系原点在机床坐标系的位置，此方法用于G54G59工件坐标系的原点设定。3.2、基本编程指令1、绝对、增量编程在数控机床上，作为刀具移动的制定方法有绝对式编程和增量式编程两种，根据不同的代码体系，编程方法有所不同。在利用指令编程时，它们通过G代码指令G90和G91进行选择。在可变地址格式编程中，通过改变X、Z地址时为绝对编程；采用地址U、W时为增量编程。绝对式编程是通过坐标值制定位置的编程方法，它是以坐标原点作为基准，给出的绝对位置值，用G90进行指令。增量式编程是直接制定刀具移动量的编程方法，它是以刀具现在的位置作为基准，给出相对位置值，用G91进行指令。G90和G91是同属一组的模态指令，在程序中可以根据需要随时进行转换。如图3-2-1，刀具从P1到P2再到P3的快速定位运动，在不同代码体系中，分别可以用以下指令进行编程： 图3-2-1 绝对/增量编程（1）绝对坐标编程G90 G90 G00 X300 Y200（2）相对坐标编程G91 G91 G00 X200 Y1502、基本移动指令的编程（1）快速定位（G00）执行G00指令,刀具按机床的速度沿直线快速移动到给定点,移动过程中不能进行切削加工。快速定位的速度不能通过F代码指定，它仅决定于机床参数的设置。格式为: G00 X_Y_Z_ （2）直线插补（G01/G1）。执行G01指令,刀具按规定的进给速度沿直线移动到给定点,运动过程中能进行切削加工。 格式为：G00 X_Y_Z_ （3）圆弧插补（G02/G03）和加工平面选择(G17、G18、G19)。圆弧插补加工用G02、G03指令编程，G02是顺时针插补，G03是逆时针插补。执行G02、G03指令，可以使刀具按照规定的进给速度沿圆弧移动到终点，移动过程可以进行切削加工。常用的圆弧插补指令有指定圆心的编程（格式1）和指定半径的编程（格式2）两种格式。以顺时针插补为例，其格式指令如下：格式1G17 G02 X_ Y_ I_ J_ F_；（XY平面圆弧)G18 G02 X_ Y_ I_ K_ F_；（XZ平面圆弧)G19 G02 X_ Y_ J_ K_ F_；（YZ平面圆弧) 格式1中的的I、J、K后面是用于指定圆弧插补圆心。不论是圆弧编程还是增量编程，它都必须是圆心相对于圆弧起点的增量距离。因此它不受G90、G91指令的影响，而且根据圆心和起点的相对位置，它可能是正值，也可能是负值。格式2G17 G02 X_ Y_ R_ F_；（XY平面圆弧)G18 G02 X_ Y_ R_ F_；（XZ平面圆弧)G19 G02 X_ Y_ R_ F_；（ZY平面圆弧)格式2中的R用于指定圆弧半径，为了区分不同的圆弧，规定：对于小于等于180度的圆弧，R为正，大于180的圆弧，R为负。例： 试编制在数控铣床上，实现图3-2-2所示零件从的铣削加工程序(不考虑刀具半径)。工件坐标系为G55，安装位置、原点如图；加工时主轴转速为 800rmin；进给速度为50mmmin。图3-2-2 圆弧插补实例O004N1 G55N2 S800 F50 M03N3 G00 X95 Y110 N4 Z 15 N5 G01 Y25 N6 G02 X75 Y5 R20 N7 G01 X-10 N8 G00 Z100 M05N9 M02 图3-2-3 M指令（4）程序暂停（G04）(单段有效指令)。使用场合：沉孔加工（锪孔）、车槽倒角、打中心孔、镗孔等。 图3-2-4 常用的G代码（5）刀具补偿（G40、G41、G42、G43、G44、G49）。一、刀具长度补偿（G43、G44、G49）。在数控镗、铣床上刀具长度补偿是用来补偿实际刀具长度的功能，当实际长度和编程长度不一致时，通过本功能可以自动补偿长度差额，确保Z向的刀尖位置和编程位置相一致。通常刀具长度补偿格式指令为G43 Z_ H_或者是G44 Z_ H_,G49为取消长度补偿。二、刀具半径补偿（G40、G41、G42）功能用于铣刀半径或车到刀尖半径的自动补偿。如前所述，在数控机床编程时，加工轮廓都是按刀具中心轨迹进行编程的，但是在实际加工时，由于刀具半径的存在，机床必须根据不同的进给方向，使刀具中心沿编程的轮廓偏置一个半径，才能使实际加工轮廓和编程的轨迹相一致。这种根据刀具半径和编程轮廓，数控系统自动计算道具中心点移动轨迹的功能，称为刀具半径补偿功能。和刀具长度补偿一样，刀具半径值可以通过操作面板事先输入数控系统的“刀具偏置”存储器中，编程时通过指定半径补偿号进行选择。刀具半径补偿指令格式如下： G00 G41/G42 X_ Y_ D_。其中G41为左补偿，G42为右补偿，G40为取消补偿。3.3 数控车床的程序编制数控车床常用于轴类零件的加工，它是数控机床中产量最大，使用最广的品种之一，由于通常只要对轴类零件的轴向（Z向）与径向（X向）进行控制，因此数控系统通常为两轴控制系统，其指令格式与数控铣床有所不同。1、数控车床的编程主要具有以下特点：（1）数控车床的工件坐标系原点指定通过G50，而在数控铣镗床、加工中心则通过指令G92进行。（2）在采用代码体系A时，绝对/增量尺寸的选择采用变地址格式，而不使用G90/G91指令；其中地址X、Z代表绝对值，地址U、W代表增量值。在这种格式下，一个程序段中允许绝对、增量混用。（3）在数控车床上，X轴可以直接采用直接编程方式，以减少编程中的计算量，使程序更直观。直径编程对绝对/增量尺寸同时生效。（4）为了适应车加工的需要，对于常见的车加工的动作循环，可以通过采用数控系统本身具备的固定循环功能，以简化编程。（5）为了提高车削表面的加工精度，在数控车床上一般都可以采用“线速度恒定控制”功能（G96）。当线速度恒定控制生效时，S代码指令的是主轴线速度，这是主轴转速能根据工件的半径变化自动改变，以保证表面的切削的线速度恒定不变。（6）为了简化程序编制中的计算量，使程序中的切削参数尽可能的直观，在数控车床上进给速度通常使用主轴每转进给（G95或G99）指令进行编程。2、车削加工循环所谓固定循环，实质上是数控系统生产厂家针对数控机床的常见加工动作过程，按规定的动作次序，以子程序形式设计的指令集合。这些子程序可以通过一个G代码指令进行直接调用，因此，通过固定循环指令，可以大大较少工作量，使程序更加简单明了。常用的车削固定循环有以下几种：（1）螺纹简单固定循环（G82）。指令格式G82 X. Z. (I) F(螺距）（2）纵向外圆粗车复合循环（G71）。指令格式 G71 U(d) R(e) P(ns) Q(nf) X(Du) Z(Dw) F(f) S(s) T(t)，d 每次吃刀深度(半径值) ，无正负号 ；e 退刀量，半径值，无正负号；ns 精加工程序段的开始程序行号；nf 精加工程序段的结束程序行号；u 径向（X轴方向）的精加工余量(直径值)；w 轴向（Z轴方向）的精加工余量；F、S、T 粗切时的进给速度、主轴转速、刀补设定；精车的F、S、T 在ns nf 的程序段中指定。例： 图3-3-1 复合型固定循环实例N10 G92 G00 X80 Z80 ； N20 M03 S500 ； N30 G01 X46 Z3 F0.2 ； N40 G71 U3 R1 ；N50 G71 P55 Q140 U0.4 W0.1 F0.3 ；N55 G00 X0 ； N60 G01 X10 Z-2 ； N70 Z-20 ； N80 G02 U10 W-5 R5 ； N90 G01 W-10 ； N100 G03 U14 W-7 R7 ； N110 G01 Z-52 ； N120 U10 W-10 ； N130 W-20 ； N140 X50 ； N145 G70 P55 Q140 F0.1 ； N150 G00 X80 Z80 ； N160 M05 ；N170 M02 ；（3）横向粗车复合循环（G72）。指令格式 G72 W(d) R(e) P(ns) Q(nf) X(Du) Z(Dw) F(f) S(s) T(t) 。 (参数说明如上述G71的参数) （4）环状粗车复合循环（G73），指令格式 G73 U(Di) W(Dk) R(m) P(ns) Q(nf) X(Du) Z(Dw) F(f) S(s) T(t)。（5）切槽或