第1章-数控加工技术基础

1,课程简介,课程的性质：,课程的特点与学习方法,综合性注意联系和综合应用以往所学知识实践性注意理论联系生产实际，重视实践性环节灵活性掌握基本原理，活学活用,机械类专业的主干专业技术基础课,期末考试60平时成绩20，考勤，作业，实验期中考试20,数控加工技术基础数控车床、数控铣床与加工中心编程加工技术其他常规数控加工技术、数控特种加工技术高速切削与精密和超精密加工技术计算机辅助数控程序编制技术,本课程的内容,课程简介,课程简介,课程的学习目的与要求,掌握数控加工工艺分析与设计、数控加工程序编制的基础知识。掌握数控车床加工及其程序编制技术。掌握数控铣床与加工中心加工及其程序编制技术。,5,教材与参考文献,1张建钢,胡大泽主编.数控技术.武汉：华中科技大学出版社，2000.2赵玉刚主编.数控技术.北京：机械工业出版社,2007.3明兴祖主编.数控加工技术(第二版).北京：化学工业出版社，2008.,王令其，张思弟主编.数控加工技术.北京:机械工业出版社,2007.,6,参考资料网址,数控技术精品课程网站:,当今制造业的社会功能,衣,食,住,行,安全,健康,快乐,一、引入,数控加工技术产生及发展的起因社会产品需求-多样化、个性化解决复杂精密多变零件的加工问题适应用户为中心的买方市场的需求,例：机械制造过程,功能模型,发动机,底盘,车身,电气设备,汽车系统,物理零部件,悬架与刹车系统,排放系统,发动机系统,车身,驻车系统,轮胎,机械零部件,零件是如何炼成的？,车削，铣削，刨削，磨削，拉削铸造，锻造，挤压，电镀，喷涂，,图汽车生产物流示意图,为了解决上述问题，一种新型的数控机床应运而生。1952年美国帕森公司（ParsonsCo.）公司与麻省理工学院（MIT）合作研制了第一台三坐标立式数控铣床。1958年美国首先研制成功了带自动换刀装置的数控机床（现在加工中心），将数控机床技术推向了一个新的领域。,二、数控加工技术的沿革,第一代:1955年,NC系统以电子管组成,体积大,功耗大。第二代:1959年,NC系统以晶体管组成,广泛采用印刷电路板。第三代:1965年,NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小,功耗低,可靠性进一步提高。以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”。,19,第四代：1970年,NC系统采用小型计算机取代专用计算机,其部分功能由软件实现,它具有价格低,可靠性高和功能多等特点,又称为计算机数控(ComputerNumericalControl,CNC)。第五代：1974年，NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，又称为微型机数控（Micro-computerNumericalControl，MNC）。第六代：1994年,基于PC-NC的数控系统,它充分利用现有PC机的软硬件资源,规范设计新一代数控。其优势：（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。,20,加工中心（MC）带自动换刀装置的数控机床。,与普通机床加工相比数控加工:具有加工复杂形状零件的能力具有良好的加工柔性加工精度高、质量稳定生产效率高劳动强度低有利于生产管理的现代化,三、数控加工的特点,22,第1章数控加工技术基础,本章节点,1.1数控技术的基本概念1.2数控机床的分类及应用1.3机床数控技术的研究与发展热点1.4数控加工坐标系1.5程序结构与程序段格式1.6数控编程中的数值计算与处理1.7数控加工工艺概述1.8数控加工工艺分析1.9数控加工工艺设计,工艺分析,数控加工程序,工序卡,传统加工,数控加工,引入：数控加工的概念,数控机床如何进行工作的？,编制加工程序,输入程序,数控装置控制机床的运动,位置检测,加工出符合要求的零件,制定加工方案,第1节数控技术的基本概念,1、数控、数控机床及数控加工技术,是一种借助数字、字符等符号对某一工作过程(如加工、测量、装配等)进行可编程控制的自动化方法。,采用数字或代码的形式来实现控制的一门技术。,定义：是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码或其他符号编码指令规定的程序。能够按照特定的指令代码把零件加工过程中各种机械位移量、工艺参数、辅助功能表示出来，经过数控系统的逻辑处理与运算，发出各种指令控制机床运动，自动完成零件加工任务。,2、机床数控技术的组成,数控机床主要由机床本体、数控系统、数控加工技术组成。,组成：基本大件：床身、导轨、立柱灯基本大件运动部件：主轴、工作台、拖板等运动部件辅助装置：自动换刀机构、自动上下料机构、自动排屑机构,改进：1）采用高性能的主轴及伺服传动系统；2）采用滚珠丝杠、滚动导轨等高效、无间隙的传动部件，减小了摩擦系数；3）机床的机械机构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形降低；4）机床功能部件、辅助装置增多，形成了多功能集成化和工艺复合化的新结构。,刀架,尾座,丝杠,图数控车床的刀架形式a)普通转塔刀架b)自动回转刀架,2020/5/30,33,数控车床,组成：输入输出装置、数控装置、进给驱动装置、主轴驱动装置、电器控制装置功能：严格按照外部输入的数控加工程序控制机床运动。,操作人员与数控装置进行信息交流的工具（中间媒介物质）功能：主要用于零件数控程序的编译、存贮、打印和显示等。,1）输入输出设备装置,数控装置是数控系统的核心。是运算和控制系统。功能：接受输入装置输入的加工信息，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令。,2）数控装置,是数控系统与机床执行机构的连接环节，是数控机床执行机构的驱动部件。伺服系统的作用是把来自数控系统的脉冲信号，经功率放大和处理后，转换成机床执行部件的运动，如工作台的直线运动和主轴的旋转运动。根据驱动主轴或进给运动，可以将伺服系统划分为主轴伺服系统和进给伺服系统。,3）驱动装置（伺服系统）,是数控装置和进给运动执行部件的联系环节。分类：开环、闭环、半闭环,进给驱动装置（进给伺服系统）,是数控装置和主运动执行部件的联系环节。分类：直流主轴驱动和交流主轴驱动。（笼型异步交流电动机）,主轴驱动装置（主轴伺服系统）,数控加工工艺数控加工工艺装备数控加工程序编制,3、数控加工技术,数控机床分类,金属切削类数控机床,金属成形类数控机床,特种加工类数控机床,半闭环控制数控机床,全闭环控制数控机床,按工艺用途分类,按运动控制方式分类,按伺服装置类型分类,开环控制数控机床,按数控装置的构成方式,第2节数控机床的分类及应用,金属切削类数控机床普通数控机床：有数控车、铣、钻、镗及磨床等数控加工中心：MC是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。有车削加工中心、镗铣加工中心万能加工中心。金属成形类数控机床指采用成形工艺的数控机床。数控压力机、剪板机和折弯机等，通过模具对材料进行冲压、剪切和折弯等完成工件的加工.特种加工类数控机床数控电火花加工、数控激光加工机床等，利用机、电、光、声、化学、磁等能源来加工的非传统加工方法。,1）按工艺用途分类,普通数控机床：有数控车、铣、钻、镗及磨床等数控车床：数量最大；主要用于加工轴类和盘类零件数控铣床：平面、曲面、壳体类零件、连续加工复杂的形状轮廓数控钻床：钻削、扩孔、锪孔、铰孔和攻螺纹；孔距有一定精度要求数控磨床：精加工；最终工序；砂轮修整,金属切削类数控机床,数控加工中心：MC是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。有车削加工中心、镗铣加工中心万能加工中心。,车削加工,图铣削加工的典型表面,铣削加工,孔加工,钻孔扩孔铰孔攻螺纹锪埋头孔锪端面,磨削加工,动画18平面磨削方法,指采用挤、冲、压、拉等成形工艺方法加工零件的数控机床。数控压力机、剪板机和折弯机等，通过模具对材料进行冲压、剪切和折弯等完成工件的加工。,冲头,金属成形类数控机床,利用机、电、光、声、化学、磁、原子能等能源来加工的非传统加工方法。数控电火花加工、数控激光加工机床等，,特种加工类数控机床,点位控制数控机床（点到点控制）仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动。保证较高的孔距精度。对轨迹不作控制要求。运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床,2）按运动控制方式分类,直线控制数控机床机床运动部件不仅要实现从一个位置到另一个位置的精确运动和定位，而且还要保证从一点到另一点之间运动轨迹是一条直线。适用范围：数控镗铣床、数控组合机床等。,轮廓控制数控机床（连续轨迹控制）不仅要求控制机床运动部件的起点和终点坐标位置，而且要求对运动过程中每一瞬间的位移量和速度进行严格的连续控制。包含了点位控制和直线控制。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等，用于加工曲线和曲面的机床。,没有位置检测元件。结构简单、价格低廉；但不能满足精度要求,3）按进给伺服装置类型分类,开环控制,位置检测元件直接安装在机床工作台上。作用：直接检测工作台的实际运行位置，并将其与数控装置计算出的指令位置相比较，用差值进行运动控制。运动精度取决于检测装置的精度，与机械传动链的误差无关，属于高精度和超高精度机床。价格昂贵。,全闭环控制,位置检测元件安装在电动机轴端或丝杆轴端。作用：间接计算出机床工作台的实际运行位置，并将其与数控装置计算出的指令位置相比较，用差值进行运动控制。运动部件的机械传动链不包括在闭环之内，传动链的误差无法得到补偿与消除，因而其综合精度不如全闭环数控机床。,半闭环控制,一、机床坐标系,第4节数控加工坐标系,普通机床的加工是靠人为的摇动手柄控制的，那么数控机床是如何让刀架自动走到我们想要的位置呢？用什么方法来表示刀架的移动及其具体位置呢？,1、机床坐标系作用,工件坐标系原点,机床坐标系原点,确定刀具(刀架)或工件(工作台)位置的参考系。,数控机床坐标系是为了确定工件在机床中的位置，机床运动部件特殊位置及运动范围，即描述机床运动，产生数据信息而建立的几何坐标系。通过机床坐标系的建立，可确定机床位置关系，获得所需的相关数据。,基本原则工件固定不动，刀具相对工件移动标准机床坐标系采用右手笛卡尔直角坐标系,2、数控机床坐标系确定原则,3、运动方向的确定,数控机床某一部件运动的正方向规定为增大工件与刀具之间距离的方向。,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。,4、数控机床坐标轴的判定,与主轴轴线平行的标准坐标轴即为Z坐标。若无主轴则Z坐标垂直于工件装夹面。若有几个主轴，可选一个垂直于装夹面的轴作为主轴并确定为Z坐标。Z轴的正方向-增加刀具和工件之间距离的方向,由传递切削动力的主轴决定。主运动轴即为Z轴。,1）Z轴坐标的确定：,+Z,+Z,机床没有主轴：Z坐标垂直于工件装夹面,+Z,对于工件旋转的机床（车床、磨床），X方向是在工件的径向上且平行于横滑座，正方向为刀具离开工件旋中心的方向,规定X坐标是水平方向，且平行于工件的装夹平面。,2）X轴坐标的确定：,X,Z,n,X,在回转刀具的机床（铣床、镗床、钻床）立式：主轴垂直布置，由主轴向立柱看，X轴的正方向指向右,2）X轴坐标的确定：,X,X,在回转刀具的机床（铣床、镗床、钻床）卧式：主轴水平布置，由主轴向工件看，X轴的正方向指向右,2）X轴坐标的确定：,没有回转刀具或工件的机床（刨床），X轴平行于主要切削方向且以该方向为正方向。,2）X轴坐标的确定：,3）Y轴坐标的确定：,Y轴坐标方向由右手笛卡尔坐标确定。,4）旋转坐标A、B、C,A、B、C分别是围绕X、Y、Z轴的旋转坐标,4）附加坐标系,X、Y、Z坐标系称为主坐标系或第一坐标系；其它坐标系称为附加坐标系。直线运动:U、V、W;P、Q、R旋转运动:D、E、F,5）工件的运动,对于工件运动而不是刀具运动的机床，必须将前述的刀具运动作相反的规定。用带“”来表示例如：+X，+X,6）机床原点：,这个原点在机床一经设计和制造调整后，便被确定下来，它是固定的点。（不能随意改动）是机床制造厂家设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。并用M表示。,在数控车床上，机床原点一般取在卡盘前端面或后端面与主轴中心线的交点处。如图所示，图中O即为机床原点。在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z三个坐标轴正方向的极限位置上。如图所示，图中O即为机床原点。,前置刀架,后置刀架,二、工件坐标系（编程坐标系）,1）坐标轴的确定,定义：用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系工件坐标系坐标轴的确定与机床坐标系坐标轴方向一致,2）工件原点（编程原点）,1.与尺寸标注基准重合2.尽量选在尺寸精度高，粗糙度低的工件表面3.最好在工件的对称中心上4.一般零件选在工件外轮廓的某一角上。5.要便于测量和检测,工件坐标系原点,定义：工件原点的位置是人为设定的，它是由编程人员在编制程序时根据工件的特点选定的，所以也称编程原点。用W表示工件原点选择基本原则：,一般设在工件右端面与主轴轴线（Z轴）的交点上。若是左右对称的零件，原点位置可取在其对称面与主轴轴线（Z轴）的交点处，以便采用同一个加工程序对工件进行掉头加工。,Z,O,X,程序原点,3）举例-车削零件编程原点：,对称件通常将原点选在对称面或对称中心上。在Z方向上，原点习惯于取在工件上表面。,3）举例-镗铣类零件编程原点,数控车床数控铣床,注意：同一工件，由于工件原点变了，程序段中的坐标尺寸也随之改变。因此，数控编程时，应该首先确定编程原点，确定工件坐标系。编程原点的确定是在工件装夹完毕后，通过对刀确定。,一、程序段格式,第5节程序结构与程序段落式,程序段：按照一定顺序排列、能使数控机床完成某特定功能的一组指令。程序段格式：程序段中字、字符、数据的书写规则。分三种格式。一般的切削加工类数控机床普遍采用使用字-地址的可变程序段格式。格式：N_G_X_Y_Z_F_S_T_M_LF,N_G_X_Y_Z_F_S_T_M_LF,这种格式的特点：1）程序段中的每个指令字均以字母（地址符）开始，其后再跟符号和数字。2）指令字在程序段中的顺序没有严格的规定，即可以任意顺序的书写。3）不需要的指令字或者与上段相同的续效代码可以省略不写。,N0012G00M08X0012.340X5.000X5.0N12G0M8X12.34X5.X5.,因此，这种格式具有程序简单、可读性强，易于检查等优点。,O0519N0001G91G00G17S300M03N0002G41X30.0D01N0003X2.0Y1.0N0004Z-98.0N0005G01Z-12.0F100N0011G40Z-12.0F100N0012M30,程序编号,语句号,程序内容,程序结束,G：准备功能字,XYZ-刀具位置,F：进给功能,S：主轴转数功能,M：辅助功能字,T：刀具功能,D：刀具补偿,程序段基本格式：,N0000G00X0.000Z0.000M00F00S00T00;,程序结束,/NGXYZIJKFSMTH;,二、程序段组成,/:跳跃符：通过面板或接口信号控制其是否有效，从而控制该程序段是否执行；N:程序段号：用于检索，便于检查交流或指定跳转目标等。N后用续四位数字组成，即N0000-N9999数字可不连续数字并不代表执行顺序执行时按存储器内的顺序进行，与段号数据无关。可以省略例：N4：代表第4个程序段,/NGXYZIJKFSMTH;,功能字G:准备功能字（G功能字）指定移动方式（直线、圆弧等）F:进给功能字（F功能字）mm/minmm/rS:主轴转速功能字（S功能字）设定主轴转速，r/minM:辅助功能字（M功能字）机床上的开关控制T:刀具功能字（T功能字）指定工作刀具后跟两位数字代表刀号H或D:刀具补偿号或补偿量地址符各功能字由相应的地址码和后面的数字组成，如G01、F10.0,/NGXYZIJKFSMTH;,尺寸字：几何信息地址符X、Y、Z、U、V、W、A、B、C坐标轴移动指令I、J、K圆弧中心的坐标R圆弧半径,程序段结束：写在每一程序段之后，表示程序结束；或LF等有的直接回车即可,说明：每个程序后面还可以加上注释，对程序段相关内容作必要的说明，以便阅读理解,作用：是为机床建立某种加工运动方式而设的指令组成：地址符G后跟两位数字构成，从G00到G99共100种分为模态代码(续效代码)和非模态代码(非续效代码)两类,三、准备功能与辅助功能指令,1、准备功能指令（简称G指令）,1）模态代码在程序中一经使用后就一直有效，直到出现同组中的其他任一G代码将其取代后才失效。非模态代码只在本程序段有效。2）G代码后的两位数字中前0可以省略，如G01G13）无论有几个不同组的G代码，都能在同一程序段内指令，如果同组的G代码在同一程序段内指令了2个以上时，后指令者有效可按组号显示G代码。,说明：,作用：用以控制机床辅助动作的指令，如主轴正反转、冷却液的开停、工件的夹紧松开等。组成：地址符M后跟两位数字构成，从M00到M99共100种M代码后的两位数字中前0可以省略，如M01M1,2、辅助功能指令（简称M指令）,3、G（M）代码编程也必须注意面向特定对象(系统或机床),续效代码，一般直接指定，即F后跟的数字就是进给速度的大小，如F100表示进给速度为100mm/min在程序启动第一个G01或G02或G03功能时，必须同时驱动F功能。,4、进给速度指令（F指令）,5、主轴速度功能指令（S指令）,S代码后的数值为主轴转速，要求为整数在零件加工之前一定要启动主轴运转（M03或M04）,6、刀具功能指令（T指令）,Tnn代码用于选择刀具库中的刀具，nn表示刀号,主程序、子程序在一个零件的加工程序中，若有一定量的连续的程序段在几处完全重复出现，则可将这些重复的程序串单独抽出来，按一定的格式做成子程序。,四、主程序与子程序,主程序：,子程序：,子程序嵌套,准备程序段、加工程序段、结束程序段,准备程序段：,1）位置：位于程序的开始，2）作用：主要完成一些设置工作包括工件坐标系的建立、尺寸系统设定、加工工艺参数设定、刀具选择、切削液选择、刀具的快速引进定位等。,加工程序段：,1）位置：位于程序的中间，是程序的主体2）作用：根据具体要加工零件的加工工艺，按刀具切削轨迹逐段编写出程序，实现对工件的加工。,结束程序段：,1）位置：位于程序的后面2）作用：退刀、取消刀具补偿、关闭切削液等，并以M02或M30代码结束程序。,第7节数控加工工艺概述,定义：采用数控机床加工零件时所运用的各种方法和技术手段的总和。是人们大量数控加工实践经验的总结。,一、基本概念,1、数控加工工艺,2、数控加工工艺过程,定义：在数控机床上利用切削刀具直接改变加工对象的形状、尺寸、表面位置和表面状态等，使其成为成品或半成品的过程,1、零件图纸分析,尺寸、形状,材料、热处理,形状、尺寸,精度,是否用数控机床，以及什么类型。,加工内容及要求,1.确定在数控机床上加工的零件及其工序内容2.数控加工工艺分析，明确加工内容与技术要求3.零件图形的数学处理4.确定零件加工方案，制定数控加工工艺路线5.数控加工工序设计，制定定位夹紧方案，划分工步，规划走刀路线6.选择数控机床类型、规格，夹具、刀具、辅具、量具7.确定切削用量，计算工序尺寸及公差等8.数控加工程序的编制、校验与修改9.试加工与现场问题处理，及技术文件的定型归档。,二、数控加工工艺内容,1、数控加工工艺内容,1.数控加工的工艺内容十分具体2.数控加工的工艺工作十分严密3.工序相对集中4.采用轨迹法加工5.采用先进高效的工艺装备一个合格的程序员首先应该是一个优秀的工艺员,三、数控加工工艺特点,第8节数控加工工艺分析,定位销结构,一、数控加工零件结构工艺性,结构工艺性：工艺性：就是加工的可能性和经济性。,1.零件图纸中尺寸标注是否适应数控加工的特点2.零件图纸中构成轮廓的几何元素的条件是否充分、正确,二、零件结构工艺性分析的主要内容,几何要素缺陷示例一几何要素缺陷示例二,零件结构工艺性示例,3审查与分析零件结构的合理性,应尽可能统一加工尺寸，以减少加工中的换刀时间,1）被加工表面的加工可能性（零件结构应便于加工）,两端轴颈需磨削加工，应留有退刀槽,小齿轮无法加工，无退刀空间,1）一个零件上的两相邻表面间应留有退刀槽和让刀孔，以便在加工中进刀和退刀，否则无法加工，如图a所示。2）应使刀具能顺利地接近待加工表面，如图b所示。,图a),图b),最好一次安装下就能加工所有的表面,加工面高度不同，需两次调整刀具加工，影响生产率,加工面在同一高度，一次调整刀具即可加工两个平面,应尽可能减少加工时的安装次数,箱体零件如箱体孔,在加工箱体零件的孔系时，在轴线方向有多个孔。采用量变向中间递减的结构对加工是比较方便的，如果是内壁孔大，外壁孔小，则加工时镗刀不便于出入。,a）b）c）,多个加工面的尺寸、位向一致,结构尺寸、形状与刀具关系,3）钻孔表面应与孔的轴线垂直，否则会引起两边切削力不等，致使钻孔轴线歪斜或折断钻头，设计时应尽量避免钻孔表面是斜面或圆弧面，如图2-4所示。,图c）,减小加工表面的尺寸,应减少零件的加工表面面积，这样可降低刀具消耗，减少装配时的修配工作量，并能保证配合表面接触良好。,1.分析零件精度及各项技术要求是否齐全、合理；2.分析本工序的数控加工精度能否达到图纸要求，若达不到，需采取其它措施弥补的话，则应给后续工序留有适当的余量；3.找出图样上有位置精度要求的表面，这些表面应尽可能在一次安装下加工完成；4.对表面粗糙度要求较高的表面，应认真规划，尽量采用恒线速度切削或高速切削加工，必要时安排后续光整加工。,三、精度及技术要求分析,第9节数控加工工艺设计,1按零件装夹定位方式划分工序加工外形时，以内形定位；加工内形时，以外形定位,一、工序的划分,2按粗、精加工划分工序先粗加工后精加工。,3按所用刀具划分工序一次装夹中，尽可能用同一把刀具加工出可能加工的所有部位，然后再换另一把刀加工其他部位。,注：一次安装中，不允许将零件某一部分表面加工完毕后，再加工零件的其他表面，而是应先切除整个零件各加工面的大部分余量。再将其表面加工一遍，以保证加工精度和表面粗糙度要求。,机械加工工序,复杂零件的加工工序,先基面后其它先粗后精先主后次,预备热处理最终热处理去除应力处理,辅助工序,热处理工序,说明：在拟定工艺路线时，要把切削加工、热处理和辅助工序三者一起加以考虑。,工件的检验去毛刺去磁清洗、涂防锈油,二、加工顺序的安排,（1）“基准先行”原则基准表面先加工，为后续工序作可靠的定位。如轴类零件第一道工序一般为铣端面钻中心孔，然后以中心孔定位加工其它表面。（2）“先面后孔”原则当零件上有较大的平面可以用来作为定位基准时，总是先加工平面，再以平面定位加工孔，保证孔和平面之间的位置精度，这样定位比较稳定，装夹也方便，并可避免粗糙面钻孔引起的偏斜。,1）机械加工顺序的安排原则,（3）“先主后次”原则先加工主要表面（位置精度要求较高的基准面和工作表面）后加