数控技术讲座

1、 数控技术 第1章 数控技术概论 1.1 数控技术的基本概念     数控技术是综合了计算机、自动控制、电气传动、测量、监控、机械制造等技术学科领域最新成果而形成的一门边缘科学技术，是柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)、计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)、工厂自动化FA(Factory Automation) 的基础技术之一，是现代机械制造业的一项高新技术。     1. 数控：数字控制(Num

2、erical Control，简称NC)是一种自动控制技术，是用数字a) ·化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。2.数控机床：数控机床(NC Machine): 就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。    国际信息处理联盟(International Federation of lnformation Processing，简称IFIP)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和其它符号编码指令规定的程序。    

3、3.数控系统(NC System)：就是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中具有特定代码的程序，并将其译码，从而使机床运动并加工零件。数控系统发展的两个阶段：    1952年美国麻省理工学院伺服机构实验室研制出第一台三坐标数控铣床。(1)NC阶段 (逻辑数字控制阶段)特点：数控系统的所有功能均由硬件(数控装置)来实现，故又称为硬件数控。这个阶段经历了三个时代：电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代。(2)CNC阶段(计算机数字控制)第四代:自1970年小型计算机用于数控系统，数控系统的发展进入CNC阶段。第五代:从1974年微处理器开始用于数控系统，

4、数控系统从性能到可靠性均得到了很大的提高。现在市场上流行的和企业普遍使用的仍然是第五代数控系统。典型代表是：日本的FANUC-0系列、德国的Sinumerik 810系列数控系统。第六代: PC数控系统，从90年代开始，基于PC平台的数控系统得到发展。第七代数控:开放式CNC系统(Open CNC System)，IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers 国际电气电子工程师协会）关于开放式系统(Open System)的定义：开放式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

5、作。1)CNC系统的开放性：对使用者开放性：可采用先进的图形交互方式支持下的简易编程方法，使数控机床操作更容易；对机床制造商的开放性：允许制造商在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；对硬件选择的开放性：CNC系统应能在不同的硬件平台上运行；对主轴及进给驱动系统是开放的 ：能控制不同厂商提供的主轴及进给驱动系统；对数据传输及交换等是开放的。2)基于个人计算机(PC)的开放式CNC系统原理：图1.1 基于个人计算机(PC)的开放式CNC系统原理 3)开放式CNC系统具有以下特点：相互操作性：提供标准化接口，不同的应用模块能相互操作，协调工作；可移植性：不同的应用程序模

6、块可运行不同的系统平台上，解决软件公用问题，要求与设备的无关性；可缩放性：增添和减少系统功能仅表现为特定模块的装载与卸载，不必购买复杂的数控系统；相互替代性：不同性能和不同功能的单元可相互替代，而不影响系统的协调运行。4.数控程序(NC Program)：输入数控系统中的、使数控机床执行一个确定的加工任务的、具有特定代码和其它符号编码的一系列指令，称为数控程序(NC Program)或零件程序(Part Program)。5.数控编程：生成用数控机床进行零件加工的数控程序的过程，称为数控编程(NC Program)。6.数控加工：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，输入数控系

7、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。图1.2 数控加工步骤1.2 数控机床的组成图1.3 数控机床的组成(1)控制介质：以指令的形式记载各种加工信息；(2)数控装置:接受输入的加工信息，经数控装置运算处理，向伺服系统发出相应的脉冲；(3)伺服系统:把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移；用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。 图1.4 进给伺服系统组成(4)机械系统：包括，主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置(APC)等。1.3 数控机床的工作原理与工作方式1.3.1 数控机床的工作原理  &

8、#160;                    图1.5 数控机床的工作原理                  图1.6 一段曲线的加工          &

9、#160;        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的进给量，边计算，边加工。 精插补：在粗插补时算出的每条微小直线段上，再做“数据点的密化”工作。                图1.8 逐点比较法            

10、      图1.9 逐点比较法直线插补                                       4)机械系统：包括，主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换

11、装置(APC)等。11.3.3数控系统的插补原理简介1.什么是插补？为什么要进行插补？插补：在实际加工中，用一小段直线或圆弧去逼近(拟合)零件轮廓曲线，即直线或圆弧插补。插补的任务:就是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。2.现代CNC系统插补的实现方法(1)由硬件和软件的结合实现；(2)全部采用软件实现。3.插补算法分类：    目前应用的插补算法分两大类：脉冲增量插补、数据采样插补(1)脉冲增量插补：    每次插补的结果仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。  

12、  如逐点比较法和数字微分分析器 (Digital Differential Analyzer 简称：DDA) 方法图1.7 开环数控系统(2)数据采样插补 (或称：时间分割法)适合于闭环和半闭环控制系统。1)插补原理：它是把加工一段直线或圆弧的整段时间t细分为许多相等的时间间隔，即：单位时间间隔(插补周期T)。每经过T进行一次插补计算，直到加工终点(如图1.6所示)。2)特点：插补运算分两步完成：第一步：粗插补，第二步：精插补。 粗插补：在给定的起点和终点的曲线之间插入若干个点用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每小段直线长度L(即步长)相等，并与进给速度V有关，加工一小段直线的时间

13、为一个插补周期T，则L=VT。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的进给量，边计算，边加工。 精插补：在粗插补时算出的每条微小直线段上，再做“数据点的密化”工作。 4.逐点比较法举例 (1)逐点比较法      就是每走一步都要将加工点的瞬时坐标同规定的图形轨迹相比较，判断其偏差，然后决定下一步的走向；如果加工点走到图形外面去了，就要向图形里面走；如果加工点在图形里面，就要向图形外面走(如图1.8所示)。            &

14、#160;                  图1.8 逐点比较法                  图1.9 逐点比较法直线插补 (2)逐点比较法直线插补    插补原理：以第1象限直线为例，每进给一步需要进行四步：偏差判别、坐标进给、新

15、偏差运算、终点比较(如图1.9所示)。                                      1.4 数控机床的分类1.4.1 按机床轨迹分类       点位控制数控机

16、床                直线控制数控机床                轮廓控制数控机床图1.10 数控钻床加工示意图  图1.11 数控铣床加工示意图     图1.12 轮廓控制系统加工示意图   

17、0;                                                    1.4.2

18、按伺服系统分类    开环伺服系统数控机床 图1.13 开环伺服系统    闭环伺服系统数控机床 图1.14 闭环伺服系统    半闭环伺服系统数控机床 图1.15 半闭环伺服系统1.4.3 按加工工艺类型分类    普通数控机床、加工中心机床、金属成型类数控机床、数控特种加工机床、其他类型数控机床。1.4.4 按数控系统功能水平分类：低、中、高三档,其界线是相对的。1.分辨率和进给速度：低档：分辨率为10m、进给速度815m/min中档：分辨率

19、为1m、进给速度1524m/min高档：分辨率为0.1m、进给速度15100m/min2.伺服进给类型3.联动轴数4.通信能力5.显示功能6.内装PLC7.主CPU1.5 数控伺服系统概述1.进给伺服系统：控制各坐标轴的切削进给运动。2.主轴伺服系统：控制主轴的旋转运动。3.伺服系统的功能：速度控制、位置控制。4.伺服系统的功能决定了数控机床的性能：最高运动速度、插补精度、定位精度等。1.5.1 进给伺服系统概述图1.16 位置控制系统结构图1.5.2 主轴伺服系统概述主轴控制要求：1.在很宽的范围内速度连续可调，并在每一种速度下均能提供足够的切削力。2.C轴功能：主轴位置可控；具有准停功能，

20、以便准确换刀。图1.17 C轴的功能1.5.3 数控机床伺服系统要求1.对进给伺服系统：1) 调速范围宽；2) 负载能力强；3) 响应速度快。2.对主轴驱动系统：1) 调速范围宽，达1：200；2) 能提供大的切削功率；3) 在一定的速度范围内保持恒转矩或恒功率切削。1.6 数控机床的特点与发展方向1.6.1 数控机床的特点1.进给传动机构简单；       2.工艺复合化和功能集成化；      3.具有高的柔性,适应性强；4.能加工复杂型面；  

21、60;      5.加工精度高、质量稳定；        6.加工生产效率高；7.减轻了操作者的劳动强度； 8.具有故障诊断能力；            9.监控功能强。                 &#

22、160;          图1.18 五轴联动加工的叶轮                     图1.19 数控机床加工的模具1.6.2 数控机床的发展方向高速化、高精度、多功能、智能化、高可靠性1.7 数控机床的坐标系统1.7.1 坐标系1.机床的坐标系统，包括所有实际存在的机床轴。2.参考点、刀具和托盘交换点由

23、机床坐标系确定。机床坐标系包括坐标系、坐标原点、运动方向。3.ISO对数控机床的坐标系统的规定如下：采用笛卡尔直角坐标系，右手定则。图1.20 右手直角笛卡尔坐标系 1.7.2 坐标轴及其运动方向命名原则1.不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，数控机床的坐标运动指的是刀具相对于工件的运动,2.即规定以工件为基准，假定工件不动，刀具运动的原则。3.即以刀具的运动轨迹来编程。4.机床运动部件运动方向的规定：机床坐标系位置与机床类型有关，JB305182规定，增大工件与刀具之间距离的方向是机床运动的正方向。    

24、0;             a)数控车床         b) 立式数控镗铣床      c) 卧式数控镗铣床图1.21 数控机床的坐标轴及其运动方向(1)Z轴坐标运动的定义 Z 轴：平行于机床主轴的坐标轴。正方向：为从工作台到刀具夹持的方向，即刀具远离工作台的运动方向。(2)X轴坐标运动的定义1)对工件旋转机床(车、磨)X轴在工件径向

25、上，平行于横滑座；X轴正方向：为刀具离开工件旋转中心的方向。2)对刀具旋转机床(铣、钻)立式：X轴：为水平的、平行于工件装夹面的坐标轴；正方向：从主轴向立柱看，立柱右方为正。卧式：X轴:为水平的、平行于工件装夹平面的坐标轴；正方向：从主轴向工件看，工件右方为正。(3)Y轴坐标运动的定义Y轴的正方向则根据X和Z轴按右手法则确定。(4)旋转轴坐标运动的定义旋转坐标轴A、B和C的正方向相应地在X、Y、Z坐标轴正方向上，按右手螺纹前进的方向来确定。 5.工件坐标系可以在工件坐标系中描述工件的几何形状，即NC程序中的数据要参照工件坐标系。    

26、0;            图1.22 工件坐标系                        图1.23 车床坐标系           

27、;                  图1.24 立式铣床坐标系                   图1.25  卧式铣床坐标系1.7.3 坐标原点   在NC机床上可以确定不同的原点和参考点位置，

28、这些参考点的作用：1.用于机床定位；2.对工件尺寸进行编程。它们是：(1)机床原点(M)(Machine Origin或home position)是建立测量机床运动坐标的起始点。(2)机床参考点(R)(reference point)用行程开关设置的一个物理位置，与机床原点的相对位置是固定的，机床出厂之前由机床制造商精密测量确定,一般来说，加工中心的参考点为机床的自动换刀位置。 图1.26 机床坐标系(3)程序原点(W)程序原点：又称工件原点(Part Origin)工件坐标系：以工件原点为坐标原点建立起来的直角坐标系。是编程员在数控编程过程中定义在工件上的几何基准点。(4)装夹原

29、点：Fixture Origin (又称卡盘零点)，可以与工件原点重合。           图1.27 数控车床                               &#

30、160;图1.28 数控镗铣床1.7.5 绝对坐标和相对坐标1.绝对坐标表示法：将刀具运动位置的坐标值表示为相对于坐标原点的距离，这种坐标的表示法称之为绝对坐标表示法。如图1.29所示。大多数的数控系统都以G90指令表示使用绝对坐标编程。                图1.29 绝对坐标表示法              

31、60;     图1.30 相对坐标表示法2.相对坐标表示法：将刀具运动位置的坐标值表示为相对于前一位置坐标的增量，即为目标点绝对坐标值与当前点绝对坐标值的差值，这种坐标的表示法称之为相对坐标表示法。如图1.30所示。大多数的数控系统都以G91指令表示使用相对坐标编程，有的数控系统用X、Y、Z表示绝对坐标代码，用U、V、W表示相对坐标代码。在一个加工程序中可以混合使用这二种坐标表示法编程。               

32、;                   1.7 数控机床的坐标系统1.7.1 坐标系1.机床的坐标系统，包括所有实际存在的机床轴。2.参考点、刀具和托盘交换点由机床坐标系确定。机床坐标系包括坐标系、坐标原点、运动方向。3.ISO对数控机床的坐标系统的规定如下：采用笛卡尔直角坐标系，右手定则。图1.20 右手直角笛卡尔坐标系 1.7.2 坐标轴及其运动方向命名原则1.不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动

33、、刀具静止，数控机床的坐标运动指的是刀具相对于工件的运动,2.即规定以工件为基准，假定工件不动，刀具运动的原则。3.即以刀具的运动轨迹来编程。4.机床运动部件运动方向的规定：机床坐标系位置与机床类型有关，JB305182规定，增大工件与刀具之间距离的方向是机床运动的正方向。                  a)数控车床         b) 立式

34、数控镗铣床      c) 卧式数控镗铣床图1.21 数控机床的坐标轴及其运动方向(1)Z轴坐标运动的定义 Z 轴：平行于机床主轴的坐标轴。正方向：为从工作台到刀具夹持的方向，即刀具远离工作台的运动方向。(2)X轴坐标运动的定义1)对工件旋转机床(车、磨)X轴在工件径向上，平行于横滑座；X轴正方向：为刀具离开工件旋转中心的方向。2)对刀具旋转机床(铣、钻)立式：X轴：为水平的、平行于工件装夹面的坐标轴；正方向：从主轴向立柱看，立柱右方为正。卧式：X轴:为水平的、平行于工件装夹平面的坐标轴；正方向：从主轴向工件看，工件右方为正。(3)Y

35、轴坐标运动的定义Y轴的正方向则根据X和Z轴按右手法则确定。(4)旋转轴坐标运动的定义旋转坐标轴A、B和C的正方向相应地在X、Y、Z坐标轴正方向上，按右手螺纹前进的方向来确定。 5.工件坐标系可以在工件坐标系中描述工件的几何形状，即NC程序中的数据要参照工件坐标系。                 图1.22 工件坐标系         &

36、#160;              图1.23 车床坐标系                             图1.24 立式铣床坐标系  &

37、#160;                图1.25  卧式铣床坐标系1.7.3 坐标原点   在NC机床上可以确定不同的原点和参考点位置，这些参考点的作用：1.用于机床定位；2.对工件尺寸进行编程。它们是：(1)机床原点(M)(Machine Origin或home position)是建立测量机床运动坐标的起始点。(2)机床参考点(R)(reference point)用行程开关设置的一个物理位置，与机

38、床原点的相对位置是固定的，机床出厂之前由机床制造商精密测量确定,一般来说，加工中心的参考点为机床的自动换刀位置。 图1.26 机床坐标系(3)程序原点(W)程序原点：又称工件原点(Part Origin)工件坐标系：以工件原点为坐标原点建立起来的直角坐标系。是编程员在数控编程过程中定义在工件上的几何基准点。(4)装夹原点：Fixture Origin (又称卡盘零点)，可以与工件原点重合。           图1.27 数控车床    

39、;                            图1.28 数控镗铣床1.7.5 绝对坐标和相对坐标1.绝对坐标表示法：将刀具运动位置的坐标值表示为相对于坐标原点的距离，这种坐标的表示法称之为绝对坐标表示法。如图1.29所示。大多数的数控系统都以G90指令表示使用绝对坐标编程。  

40、0;             图1.29 绝对坐标表示法                    图1.30 相对坐标表示法2.相对坐标表示法：将刀具运动位置的坐标值表示为相对于前一位置坐标的增量，即为目标点绝对坐标值与当前点绝对坐标值的差值，这种坐标的表示法称之为相对坐标表示法。如图1.30所示。大多数的数控

41、系统都以G91指令表示使用相对坐标编程，有的数控系统用X、Y、Z表示绝对坐标代码，用U、V、W表示相对坐标代码。在一个加工程序中可以混合使用这二种坐标表示法编程。                                  2.2 数控程序的结构与格式1.程序结构 

42、0; 数控程序由程序编号、程序内容和程序结束段组成。例如：                      程序编号：     001                  

43、60;                                        程序内容：     N001 G92 X40.0 Y30.0 ; 

44、0;                                   N002 G90 G00 X28.0 T01 S800 M03 ;          

45、                           N003 G01 X-8.0 Y8.0 F200 ;                   

46、60;                 N004 X0 Y0 ;                               &#

47、160;                                   N005 X28.0 Y30.0 ;            &

48、#160;                        N006 G00 X40.0 ;                      程序结束段： &

49、#160; N007 M02 ;                               (1)程序编号    采用程序编号地址码区分存储器中的程序，不同数控系统程序编号地址码不同，如日本FANUC6数控系统采用o作为程序编号地址码；美国的AB8400数控

50、系统采用P作为程序编号地址码；德国的SMK8M数控系统采用%作为程序编号地址码等。(2)程序内容    程序内容部分是整个程序的核心，由若干个程序段组成，每个程序段由一个或多个指令字构成，每个指令字由地址符和数字组成，它代表机床的一个位置或一个动作，每一程序段结束用“；”号。(3)程序结束段    以程序结束指令M02或M30作为整个程序结束的符号。2.程序段格式    每个程序段是由程序段编号，若干个指令（功能字）和程序段结束符号组成。  N、G、X、Z、F为地址码，“-”为符号（负

51、号）64.0为数据字N程序段地址码，用来制定程序段序号；G准备功能地址码，G01为直线插补指令；X、Z坐标轴地址码，其后面数据字表示刀具在该坐标轴方向应移动的距离；F进给速度地址码，其后面数据字表示刀具进给速度值，F100表示进给速度为100mm/min。；程序段结束码，与“NL”、“LF”或“CR”、“*”等符号含义等效，不同的数控系统规定有不同的程序段结束符。表2.3 常见程序段格式    说明：数控机床的指令格式在国际上有很多标准，并不完全一致。而随着数控机床的发展，不断改进和创新，其系统功能更加强大和使用方便，在不同数控系统之间，程序格式上存在一定的差异，

52、因此，在具体进行某一数控机床编程时，要仔细了解其数控系统的编程格式，参考该数控机床编程手册。3.常用编程指令(功能字)    功能字也叫程序字或指令，是机床数字控制的专用术语。他的定义一组有规定次序的代码符号，可以作为一个信息单元存贮、传递和操作。(1)坐标字：用来设定机床各坐标的位移量由坐标地址符及数字组成，一般以X、Y、Z、U、V、W等字母开头，后面紧跟“+”或“-”及一串数字。该数字一般以脉冲当量为单位，不使用小数点，如果使用小数表示该数，则基本单位为mm。 (2)准备功能字（简称G功能）：指定机床的运动方式，为数控系统的插补运算作准备，由准备功能

53、地址符“G”和两位数字所组成，G功能的代号已标准化，一些多功能机床，已有数字大于100的指令。    常用G指令：坐标定位与插补；坐标平面选择；固定循环加工；刀具补偿；绝对坐标及增量坐标等。(3)进给功能字：指定刀具相对工件的运动速度，进给功能字以地址符“F”为首，后跟一串字代码，单位mm/min，在进给速度与主轴转速有关时，如进行车螺纹、攻丝或套扣等加工时，使用的单位还可为mm/r。    三位数代码法：F后跟三位数字，第一位为进给速度的整数位数加“3”，后二位是进给速度的前二位有效数字。如1728mm/min指定为F71

54、7。    二位数代码法：F后跟二位数字，规定了与0099相对应的速度表，除00与99外，数字代码由01向98递增时，速度按等比关系上升，公比为1.12。如F21速度11.2mm/min，F54速度500mm/min。    一位数代码法：对速度档较少的机床F后跟一位数字，即09来对应十种预定的速度。    直接指定法：在F后按照预定的单位直接写上要求的进给速度。(4)主轴速度功能字：指定主轴旋转速度,以地址符S为首，后跟一串数字。 数字的意义、分档方法及对照表与进给功能字通用，只是单位为：r/min。(

55、5)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的刀具，以地址符T为首，其后一般跟二位数字，该数代表刀具的编号。(6)辅助功能字：用于机床加工操作时的工艺性指令，以地址符M为首，其后跟二位数字（M00M99)，常用M指令：主轴的转向与启停；冷却液的开与停；指定机械的夹紧与松开；指定工作台等的固定直线与角位移；说明程序停止或纸带结束等。(7)模态指令和非模态指令：G指令和M指令均有模态和非模态指令之分。    模态指令：也称续效指令，按功能分为若干组，表2-3第2列中标有相同字母的为同组。模态指令一经程序段中指定，便一直有效，直到出现同组另一指令或被其他

56、指令取消时才失效，与上一段相同的模态指令可省略不写。    非模态指令：非续效指令，仅在出现的程序段中有效，下一段程序需要时必须重写（如G04）。 例如：N001 G91 G01 X10 Y10 Z-2 F150 M03 S1500；N002 X15；N003 G02 X20 Y20 I20 J0；N004 G90 G00 X0 Y0 Z100 M02；说明：1)第一段出现三个模态指令G91、G01、M03，因他们不同组而均续效，其中G91功能延续到第四段出现G90时失效；G01功能在第二段中继续有效，至第三段出现G02时被取消；M03功能直到第四段M02生效时才

57、失效。2)表2-3第(3)栏有“*”和表2-4第(5)栏有“*”者为非模态指令，其功能仅在出现的程序段中有效。3)表2-4第(2)栏有“*”的M指令，其功能与同段其他指令的动作同时开始。表2-4第(3)栏有“*”的M指令，其功能与同段其他指令动作完成后才开始。                              2.3 数

58、控加工工艺设计    数控加工工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作，它必须在程序编制工作开始以前完成。1.对零件进行工艺分析    数控加工工艺性涉及面广，这里仅从数控加工的可能性与方便性两方面加以分析。(1)零件图尺寸标注方法应适应数控加工的特点     零件图上的尺寸最好从同一基准引注或直接给出坐标尺寸，以方便编程。由于数控加工精度及重复定位精度很高，统一基准标注不会产生较大累积误差。          

59、;       图2.2 分散基准标注方法                       图2.3 统一基准标注方法(2)构成零件轮廓的几何元素的条件应充分    几何元素的给定条件少或多，都会使编程中的某些数值无法计算，如相切变成了相交或相离，则无法编程。(3)定位基准要可靠 &

60、#160;  数控机床高生产率的特点要求可靠的定位，否则可设辅助基准。(4)选择数控加工内容时，可按下列顺序考虑：1)普通机床无法加工的内容应优先选择;2)普通机床难加工，质量难保证的内容应重点选择;3)普通机床加工效率低，手工操作劳动强度大的内容。(5)下列一些加工内容不宜采用数控加工：1)需要较长时间占机调整的加工内容，如以粗基准定位加工第一精基准的工序。2)必须用专用工装调整的孔及其它加工内容，如按样板、模胎加工的型面轮廓。3)不能再一次装夹中完成的其他零星部件。    此外还应该考虑生产批量、生产周期、各工序的平衡等因素，务必使机床得到充分合理的

61、利用。2.数控加工的工艺过程设计    数控加工工艺过程是数控加工工序设计的基础，其质量的优劣直接影响零件加工质量和生产率，故应力求最合理的工艺过程。为此，在数控加工工艺过程设计中应注意工序划分和加工顺序的安排。(1)工序划分：数控机床与普通机床加工相比较，加工工序更加集中1)以一次安装加工作为一道工序：适应加工内容不多的工件。2)以同一把刀具加工的内容划分工序：适合一次装夹的加工内容很多，程序很长的工作，减少换刀次数和空程时间。3)以加工部位划分工序：适应加工内容很多的工件。按零件的结构特点将加工部位分成几部分，如内形、外形、曲面或平面等，每一部分的加工都作为一

62、个工序。4)以粗、精加工划分工序：对易产生加工变形的工件，应将粗、精加工分在不同的工序进行。    划分工序要视零件的结构与工艺性，机床功能，零件数控加工内容的多少，安装次数及本单位生产组织状况，灵活掌握，力求合理。 (2)加工顺序的安排    加工顺序的安排应根据工件的结构和毛坯状况，选择工件定位和安装方式，重点保证工件的刚度不被破坏，尽量减少变形，因此加工顺序的安排应遵循以下原则：1)上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧；2)先加工工件的内腔后加工工件的外轮廓；3)尽量减少重复定位与换刀次数；4)在一次安装加工多道工序中，先

63、安排对工件刚性破坏较小的工序。3.数控机床加工工序和加工路线的设计(1)工序设计的主要任务：确定工序的具体加工内容、切削用量、工艺装备、定位安装方式及刀具运动轨迹，为编制程序作好准备。(2) 确定加工路线的原则：    加工路线的设定是很重要的环节，加工路线是刀具在切削加工过程中刀位点相对于工件的运动轨迹，它不仅包括加工工序的内容，也反映加工顺序的安排，因而加工路线是编写加工程序的重要依据。1)加工路线应保证被加工工件的精度和表面粗糙度。2)设计加工路线要减少空行程时间，提高加工效率。3)简化数值计算和减少程序段，减少编程工作量。4)根据工件的形状、刚度、加工余量

64、、机床系统的刚度等情况，确定循环加工次数。5)合理设计刀具的切入与切出的方向。采用单向趋近定位方法，避免传动系统反向间隙而产生的定位误差。6)合理选用铣削加工中的顺铣或逆铣方式。一般来说，数控机床采用滚珠丝杠，运动间隙很小，因此顺铣优点多于逆铣。(3)数控机床加工路线：1)数控车床加工路线：数控车床车削端面加工路线如图2.4所示的A-B-0p-D，其中A为换刀点，B为切入点，C-0p为刀具切削轨迹，0p为切出点，D为退刀点。             图2.4 数控车床车削端面

65、加工路线      图2.5 数控车床车削外圆加工路线                                          &

66、#160;                    数控车床车削外圆的加工路线如图2.5所示A-B-C-D-E-F，其中A为换刀点，B为切入点，C-D-E为刀具切削轨迹，E为切出点，F为退刀点。2)数控铣床加工路线：立铣刀侧刃铣削平面零件外轮廓时，应沿着外轮廓曲线的切向延长线切入或切出，避免切痕，保证零件曲面的平滑过渡。        &#

67、160;       图2.6 外轮廓铣削的加工路线          图2.7内轮廓铣削的加工路线                             &

68、#160;                             动画演示    当铣削封闭内轮廓表面时，刀具也要沿轮廓线的切线方向进刀与退刀，如图2.7所示，A-B-C为刀具切向切入轮廓轨迹路线，C-D-C为刀具切削工件封闭内轮廓轨迹，C-E-A为刀具切向切出轮廓轨迹路线。3)孔加工定位路线：要

69、注意各孔定位方向的一致性，即采用单向趋近定位方法，这样的定位方法避免了因传动系统反向间隙而产生的定位误差，提高孔的位置精度。如图2.8所示图2.8 孔加工定位路线 (4)工件的安装与夹具的选择1)工件的安装力求符合设计基准、工艺基准、安装基准和工件坐标系的基准统一原则。减少装夹次数，尽可能做到在一次装夹后能加工全部待加工表面。尽可能采用专用夹具，减少占机装夹与调整的时间。2) 夹具的选择小批量加工零件，尽量采用组合夹具，可调式夹具以及其它通用夹具。成批生产考虑采用专用夹具，力求装卸方便。夹具的定位及夹紧机构元件不能影响刀具的走刀运动。装卸零件要方便可靠，成批生产可采用气动夹具、液压夹

70、具和多工位夹具。                                  5)切削用量的选择      切削用量包括切削速度Vc (或主轴转速n)、切削深度ap和进给量f，选用原则与普通机床相似：粗加工时，以提高生产率为主，可选用较大的切削

71、量；半精加工和精加工时，选用较小的切削量，以保证工件的加工质量。1)数控车床切削用量 切削深度ap：在工艺系统刚性和机床功率允许的条件下，可选取较大的切削深度，以减少进给次数。当工件的精度要求较高时，则应考虑留有精加工余量，一般为0.10.5mm。切削深度ap计算公式：ap=（ dw- dm)/2式中 ：dw待加工表面外圆直径，单位: mm       dm已完成加工后的表面外圆直径，单位: mm 切削速度Vc：切削速度由工件材料、刀具材料及加工性质等因素所确定，可查表。切削速度Vc计算公式：Vc=dn/1000 (m/mi

72、n)式中： d工件或刀尖的回转直径，单位: mm       n工件或刀具的转速，单位: r/min 进给速度：进给速度是指单位时间内，刀具沿进给方向移动的距离，单位为mm/min，也可表示为主轴旋转一周刀具的进给量，单位为mm/r。进给速度Vf的计算: Vf = n f式中： n车床主轴的转速，单位: r/min 。 f刀具的进给量，单位: mm/r 2) 数控铣床切削用量选择     数控铣床的切削用量包括切削速度vc 、进给速度vf 、背吃刀量ap和侧吃刀量ac。切削用量的选择方法是考虑刀具的耐用度

73、，先选取背吃刀量或侧吃刀量，其次确定进给速度，最后确定切削速度。背吃刀量ap（端铣）或侧吃刀量ac（圆周铣）    如图2.9所示，背吃刀量ap为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm;    侧吃刀量ac 为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm，    端铣背吃刀量和圆周铣侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量要求决定。图2.9 铣刀铣削用量 进给速度vf   进给速度指单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移，单位为mm/min。它与铣刀转速n、铣刀齿数Z及每

74、齿进给量fz(单位为mm/z)有关。   进給速度的计算公式： vf = fz Z n   式中: 每齿进给量fz的选用主要取决于工件材料和刀具材料的机械性能、工件表面粗糙度等因素。当工件材料的强度和硬度高，工件表面粗糙度的要求高，工件刚性差或刀具强度低，fz值取小值。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀的选用值，可查表选用。切削速度    铣削的切削速度与刀具耐用度T、每齿进给量fz 、背吃刀量ap 、侧吃刀量ac 以及铣刀齿数Z成反比，与铣刀直径d成正比。其原因是fz 、 ap 、 ac 、Z增大时，使同

75、时工作齿数增多，刀刃负荷和切削热增加，加快刀具磨损，因此,刀具耐用度限制了切削速度的提高。如果加大铣刀直径,则可以改善散热条件，相应提高切削速度。(6)对刀点和换刀点的选择1)对刀点是刀具相对工件运动的起点，程序就是从这一点开始的，故又叫程序原点或程序起点（起刀点）。其选择原则是：应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，如以孔定位的零件，应以孔中心作为对刀点。对刀点应选在对刀方便的位置，便于观察和检测。应便于坐标值的计算。如绝对坐标系的原点或已知坐标值的点上。使加工程序中刀具引入（或返回）路线短并便于换刀。2)对刀点可选在零件上，也可选在夹具或机床上，若选在夹具或机床上，则必须与工件的定位基准有

76、一定的尺寸联系。如图2.10所示。图2.10 对刀点和换刀点的确定3)对刀时，应使“刀位点”与“对刀点”重合，对刀的准确程度直接影响加工精度，不同刀具的刀位点是不同的。如图2.11所示。图2.11 不同刀具的刀位点4)对数控车床、镗铣床、加工中心等多刀加工数控机床，因加工过程中要进行换刀，故编程时应考虑不同工序间的换刀位置，设置换刀点。为避免换刀时刀具与工件及夹具发生干涉，换刀点应设在工件外合适的位置。如上图2.10所示。4. 数控加工专用技术文件的编写(1)主要作用：1)指导工人进行正确的操作；2)作为程序编制的重要依据；3)作为生产组织、计划调度的依据。(2)主要技术文件有：数控加工工序卡

77、；数控加工程序说明卡；数控加工走刀路线图等。2.4 数控编程中的数值计算    根据被加工零件图样，按照已经确定的加工路线和允许的编程误差，计算数控系统所需要输入的数据，称数值计算。2.4.1 基点坐标计算1.基点：构成零件轮廓的不同几何素线的交点或切点称为基点。如直线与直线的交点、直线与圆弧的交点或切点、圆弧与二次曲线的交点或切点等。2.计算举例：如图2.12基点A、B、D、E坐标值可直接找出，C点图中未给出，联立方程组求解。       图2.12 零件轮廓的基点   &

78、#160;                  图2.13 节点2.4.2 节点坐标计算    当零件的形状是由直线或圆弧段之外的其他曲线构成（如渐开线、双曲线、列表曲线等），而数控系统又不具备这些曲线的插补功能时，数值计算就比较复杂，这时可采用逼近法加工。1.节点: 用若干直线段或圆弧段来逼近给定的曲线，逼近直线或圆弧段的交点或切点称为节点。如图2.14所示。图2.14 曲线的逼近2.坐标计算:节

79、点数目的多少，由被加工曲线的形状、逼近线段的形状和允许的插补误差来决定；一般采用计算机求解，计算出全部节点坐标值；当数控系统具有相应几何曲线的插补功能时，只需求出基点坐标。                                     第3章 数控车

80、床的程序编制    数控车床主要用来对旋转体零件进行车削、镗削、钻削、铰削、攻丝等工序的加工。一般能自动完成内外圆柱面、圆锥面、球面、圆柱螺纹、槽及端面等工序的切削加工。    现代数控车床都具有X、Z两轴的联动功能、刀具位置和刀尖圆弧半径的补偿功能、以及加工固定循环功能。3.1 数控车床的结构1.数控车床简介   数控车床的组成：数控系统、床身、主轴、进给系统、回转刀架、操作面板和辅助系统等。         &#

81、160;                               数控车床分为立式数控车床和卧式数控车床两种类型。   立式数控车床用于回转直径较大的盘类零件车削加工。   卧式数控车床用于轴向尺寸较长或小型盘类零件的车削加工。   卧

82、式数控车床按功能可进一步分为经济型数控车床、普通数控车床和车削加工中心(1)经济型数控车床：采用步进电动机和单片机对普通车床的车削进给系统进行改造后形成的简易型数控车床。成本较低，自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。 (如图3.1所示)    图3.1 经济型数控车床(2)普通数控车床：根据车削加工要求在结构上进行专门设计，配备通用数控系统而形成的数控车床。数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即x轴和z轴。 （如图3.2所示）图3.

83、2 普通数控车床(3)车削加工中心：在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的机床还带有刀库，可控制X、Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是(X、Z)、(X、C)或(Z、C)。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工。（如图3.3所示）图3.3 车削中心                   

84、60;           2.液压卡盘和液压尾架    液压卡盘是数控车削加工时夹紧工件的重要附件，对一般回转类零件可采用普通液压卡盘；对零件被夹持部位不是圆柱形的零件，则需要采用专用卡盘；用棒料直接加工零件时需要采用弹簧卡盘。    对轴向尺寸和径向尺寸的比值较大的零件，需要采用安装在液压尾架上的活顶尖对零件尾端进行支撑，才能保证对零件进行正确的加工。尾架有普通液压尾架和可编程液压尾架。3.数控车床的刀架数控车床可以配备两种刀架：(

85、1)专用刀架 由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。这种刀架的优点是制造成本低，但缺乏通用性。(2)通用刀架 根据一定的通用标准(如VDI，德国工程师协会)而生产的刀架，数控车床生产厂商可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。（见图）图3.4 通用刀架4.铣削动力头   数控车床刀架上安装铣削动力头后可以大大扩展数控车床的加工能力。如：利用铣削动力头进行轴向钻孔和铣削轴向槽。5.数控车床的刀具    在数控车床或车削加工中心上车削零件时，应根据车床的刀架结构和可以安装刀具的数量，合理、科学地安排刀具在刀架上的位置，并注意避免刀具在静止

86、和工作时，刀具与机床、刀具与工件以及刀具相互之间的干涉现象。数控车床上常用的刀具如图3.5，图3.6所示。：图3.5 数控车床刀具图3.6 数控车床刀具                               3.2 数控车床编程3.2.1 数控车床编程基础1.公制（米制）与英制编程  

87、0; 数控车床使用的长度单位量纲有公制（米制）和英制两种，由专用的指令代码设定长度单位量纲，如FANUC-0TC系统用G20表示使用英制单位量纲，G21表示使用公制（米制）单位量纲。系统通电开机后，机床自动处于公制尺寸状态。2.直径编程和半径编程(1)直径编程:采用直径编程时，数控程序中X轴的坐标值即为零件图上的直径值。(2)半径编程:采用半径编程，数控程序中X轴的坐标值为零件图上的半径值。考虑使用上的方便，一般采用直径编程。CNC系统缺省的编程方式为直径编程。                   a)直径编程           &