数控机床编程第2版杜国臣主编第1章xin28220新

在线教务辅导网：更多课程配套课件资源请访问在线教务辅导网4/3/20251普通高等教育“十一五〞国家级规划教材教育部高等职业教育示范专业规划教材机械工业出版社精品教材主编杜国臣数控机床编程〔第2版〕机械工业出版社4/3/20252?数控机床编程?电子课件〔第2版〕主编：杜国臣副主编：李传军李瑞斌刘秉亮毕世英本书第2版是普通高等教育“十一五〞国家级规划教材、机械工业出版社精品教材。本书第2版是在第l版的根底上，根据“高等职业教育机械类专业人才培养目标及根本规格〞的要求，并充分反映近年来数控机床的开展与应用而修订的。ISBN978-7-111-28220-4机械工业出版社杜国臣教授主编的普通高等教育“十一五”国家级规划教材数控机床编程，自第一次出版以来，受到广大师生和企业技术人员的青睐，先后被百余所院校所采用，成为我国高等职业教育机械类专业人才培养的首选教材，并祝贺该教材荣获机械工业出版社精品教材

称号！4/3/20254目录第1章数控机床概述第2章数控加工编程根底第3章数控加工工艺与图形的数学处理第4章数控车床编程第5章数控铣床编程第6章加工中心编程第7章自动编程4/3/20255

第1章数控机床概述4/3/202561.1数控机床的根本概念本章小结1.2数控机床的分类第1章数控机床概述第1章数控机床概述本章学习目标：

本章教学学时：4学时本章教学要求:第1章数控机床概述重点数控机床的根本概念；数控机床的分类。1.1数控机床的根本概念1.1.1什么是机床的数字控制

例如，要求机床执行如下一条指令程序段N003G01X90Z-20F0.2S1000T0101M03其含义为：第3个程序段，用1号刀具加工一条直线段，起点为刀具当前点或上一程序段指令点，终点为程序段中给定的点〔X90，Z-20〕；坐标值的计算以坐标原点为基准；还指明机床主轴需正转且转速为1000r/min，刀具的进给量为0.2mm/r。1.1数控机床的根本概念从上面的程序段可以看出，它由数字0～9，字母X、Z、S、F、T、M…，符号“+〞、“-〞、“.〞等组成，而这些都要转换成“二进制〞数字代码输入机床的数字控制装置〔即控制机床的专用计算机〕中去，经过计算机的计算处理、伺服控制、驱动机床各部件运动，完成上述直线段的加工。由于指令运动过程是以二进制数字代码进行的，所以称这种控制为数字控制。数字控制是与机床控制密切结合而开展起来的，因此，人们习惯把“机床数控〞简称为“数控〞或“NC〞，N003G01X90Z-20F0.2S1000T0101M031.1数控机床的根本概念1.1数控机床的根本概念1.1.2数控机床的组成数控机床的种类很多，但任何一种数控机床主要由控制介质、数控系统、伺服系统和机床主体四局部组成，如图1-1所示。此外数控机床还有许多辅助装置。图1-1数控机床的基本组成

1.1数控机床的根本概念磁带、磁盘U盘CF卡穿孔带机床传输线1.1数控机床的根本概念穿孔带ISO标准代码孔〔2〕数控系统数控系统数控机床的核心。现代数控系统由输入装置、控制运算器和输出装置构成。它将输入装置输入的数字化信息，经过控制软件或逻辑电路进行编译、运算插补和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个局部，进行规定的、有序的动作。1.1数控机床的根本概念〔3〕伺服系统是CNC装置和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号通过调解、转换、放大后驱动伺服电机，通过执行部件驱动机床运动。数控机床的伺服驱动装置包括主轴控制单元、进给控制单元、可编程控制器〔ProgrammableLogicControl,PLC〕、主轴与进给伺服电机和测量反响装置等。1.1数控机床的根本概念面板控制单元主轴电机进给伺服电机电子手轮I/O模块机床控制面板CNC键盘驱动系统直线式光栅传感器1.1数控机床的根本概念AC伺服电机及其驱动器旋转编码器(增值型)交流直线电机及其驱动器步进电机及其驱动器1.1数控机床的根本概念〔4〕机床主体也称主机，它包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和根底部件，如主轴、滚动导轨、滚珠丝杠、工作台〔或刀架〕、底座、立柱、滑鞍等。1.1数控机床的根本概念数控车床斜置床身数控车床正置床身

数控机床的床身、立柱

1.1数控机床的根本概念卧式加工中心的框架式立柱

1.1数控机床的根本概念立式加工中心立柱数控机床的滚珠丝杠

1.1数控机床的根本概念滚珠丝杠螺母副的外循环方式

1—弯管；2—压板；3—丝杠；4—滚环；5—螺纹管道1.1数控机床的根本概念滚动导轨块的结构直线滚动导轨静压导轨工作原理

1.1数控机床的根本概念〔5〕辅助装置1〕液压和气动装置；2〕自动换刀装置〔AutomaticToolChanger，ATC〕；3〕自开工作台交换装置〔AutomaticPalletChanger，APC〕4〕自动对刀仪5〕自动排屑装置6〕电、液、气、冷却、润滑、防护装置等1.1数控机床的根本概念数控车床自动换刀装置双刀架带动力头卧式回转刀架卧式回转刀架立式回转方刀架1.1数控机床的根本概念斗笠式刀库

链式刀库盘式刀库加工中心自动换刀装置1.1数控机床的根本概念加工中心刀具测量、工件测量系统加工中心刀具预调仪1.1数控机床的根本概念车床用光学对刀仪车床用HPA〔HighPrecisionArm〕刀具测量系统1.1.3数控机床的工作过程

如图1-2所示，数控机床的加工，首先要将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将加工程序输入到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，经过处理与计算后，发出相应的控制指令，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，从而完成零件的加工。1.1数控机床的根本概念图1-2数控机床的工作原理

1.1数控机床的根本概念〔5〕译码数控系统按一个程序段为单位，按照一定的语法规那么把数控程序解释、翻译成计算机内部能识别的数据格式，并以一定的数据格式存放在指定的内存内。同时还完成对程序段的语法检查。1.1数控机床的根本概念〔6〕数据处理一般包括刀具补偿、速度计算以及辅助功能的处理程序。刀具补偿有刀具半径补偿和刀具长度补偿。刀具半径补偿的任务是根据刀具半径补偿值和零件轮廓轨迹计算出刀具中心轨迹。刀具长度补偿的任务是根据刀具长度补偿值和程序值计算出刀具轴向实际移动值。速度计算是根据程序中所给的合成进给速度计算出各坐标轴运动方向的分速度。辅助功能的处理主要完成指令的识别、存储、设标志等。〔7〕插补数控系统运用一定的算法，完成在轮廓起点和终点之间的中间点的坐标值计算，即数据点的密化工作。通常把数控机床上刀具运动轨迹是直线的加工，称为直线插补。如图a所示。刀具运动轨迹是圆弧的加工，称为圆弧插补。如图b所示。数控系统一般都具有直线和圆弧插补功能。目前普遍应用的插补算法可分为两大类：一类是基准脉冲插补；另一类是数据采样插补。

a）直线插补1.1数控机床的根本概念b）圆弧插补〔8〕伺服控制与加工伺服系统接受插补运算后的脉冲指令信号或插补周期内的位置增量信号，经放大后驱动伺服电机，带动机床的执行部件运动。1.1数控机床的根本概念逐点比较法直线插补逐点比较法圆弧插补数字积分法直线插补数字积分法圆弧插补1.1数控机床的根本概念〔2〕分度精度分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。〔3〕分辨度与脉冲当量分辨度是指两个相邻分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨度是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨度是可以控制的最小位移增量，即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，一般称为脉冲当量，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外表质量。目前普通数控机床的脉冲当量一般采用0.001mm，精密或超精密数控机床的脉冲当量采用0.1〔甚至0.01〕μm。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工外表质量越高。1.1数控机床的根本概念2．数控机床的可控轴数与联动轴数数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目。数控机床可控轴数和数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。世界上最高级数控装置的可控轴数已到达三十多轴。数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时到达空间某一点的坐标数目。3．数控机床的运动性能指标数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、摆角范围和刀库容量及换刀时间等。1.1数控机床的根本概念

MTBF=

1.1数控机床的根本概念

1.2数控机床的分类1.2.1按运动控制的特点分类1．点位控制数控机床

1.2数控机床的分类

对于一些加工孔用的数控机床，如数控钻床，数控镗床，数控冲床，三坐标测量机，印刷电路板钻床等。它们只要求获得精确的孔隙坐标定位精度，而不管从一个孔到另一个孔是按照什么轨迹运动，在刀具运动过程中，不进行切削加工。如图1-2所示。2．直线控制数控机床

1.2数控机床的分类3．轮廓控制的数控机床

1.2数控机床的分类可以加工斜线、曲线、曲面的数控的机床。如数控车床、数控铣床、加工中心等，它们都具有同时控制两个、或两个以上坐标进行联动〔即进行插补〕的数控机床。该类机床在加工过程中，每时每刻都对各坐标的位移和速度进行严格的不间断的控制，故称具有这种控制功能的机床为轮廓控制数控机床。现代数控机床绝大局部都具有这种控制功能。

1.2数控机床的分类2．闭环控制的数控机床该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台〔或刀架〕上检测到的实际位置反响信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值为零停止运动。这种具有反响控制的系统，在电气上称为闭环控制系统，如图1-8所示闭环控制系统框图。图1-8闭环控制系统框图

1.2数控机床的分类3．半闭环控制的数控机床大多数数控机床采用半闭环控制系统，它的检测元件装在电动机轴或丝杠轴的端部，这种系统的闭环控制环内不包括机械传动环节，因此可以获得稳定的控制特性，该系统反响的只是进给传动系统的局部误差；一般是电动机轴或丝杠轴的角位移、角速度，还要经过转换处理才是工作台〔或刀架〕的实际位移。图1-9半闭环控制系统框图

1.2数控机床的分类

1.2数控机床的分类

1.2数控机床的分类CPU分辨率进给速度多轴联动显示通讯高档数控32或64位0.1μm或更小24～100m/min或更高3～5轴联动或更多三维动态图形显示MAP和联网中档数控16位1μm12～24m/min3～5轴联动或更多较齐全的CRT显示。RS232C或DNC低挡数控8位10μm6～15m/min2～3轴数码显示或简单的CRT字符显示无通讯功能

1.2数控机床的分类1.3.1数控机床的产生与开展1948年美国北密支安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司(ParsonsCo)与美国麻省理工学院(MIT)合作，于1952年研制出第一台三坐标数控铣床。1954年底，美国本迪克斯公司(BendixCo)在帕森斯专利的根底上生产出了第一台工业用的数控机床。这时数控机床的控制系统〔专用电子计算机〕采用的是电子管，其体积庞大，功耗高，仅在一些军事部门中承担普通机床难以加工的形状复杂的零件。这是第一代数控系统。2.1959年晶体管出现，电子计算机应用晶体管元件和印刷电路板，从而使机床数控系统跨入了第二代。而且1959年克耐·杜列克公司〔Keaney&TreckerCo简称K&T公司〕在数控机床上设置刀库，并在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀等刀具，根据穿孔带的指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上，以缩短刀具的装卸时间和减少零件的定位装卡时间。人们把这种带自动交换刀具的数控机床称为加工中心〔MachiningCenter，MC〕。3.20世纪60年代，出现了集成电路，数控系统开展到第三代。以上三代都属于硬件逻辑数控系统〔称为NC〕。我国从1958年开始研制数控机床，一些高等院校、科研单位、企业从采用电子管着手，到20世纪60年代曾研究出局部样机，1965年开始研制晶体管数控系统，到20世纪70年代初曾研究出数控立铣床、数控车床、数控镗床、数控磨床和加工中心等。这一时期国产数控系统的稳定性、可靠性尚未得到很好地解决，因而也限制了国产数控机床的开展。而数控线切割机床由于其结构简单，价格低廉，使用方便，得到了较快的开展，据资料统计，1973～1979年期间，我国共生产数控机床4180台，而其中数控线切割机床占86%左右。1.高速化二十年前，德国切削物理学家萨洛蒙〔Salomon〕提出高速加工的概念并对高速加工进行了深入的研究。其研究成果说明：随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加，当切削线速度到达超过某临界值时，切削温度及切削力会减小，然后又随着切削速度的增加而急剧增加。加工中心的主轴转速现已到达8000～12000r/min，最高的可达100000r/min以上，磨床的砂轮线速度提高到100～200m/s。正在开发的采用64位CPU的新型数控系统〔目前数控系统多采用32位以上的高速微处理器〕，可实现快速进给、高速加工、多轴控制功能，控制轴数最多可到达31个，同时联动轴数可达3～6轴，进给速度为20～24m/min，最快可达60m/min。自动换刀和自动交换工作台时间也大大缩短，现在数控车床刀架的转位时间可达0.4～0.6s，加工中心自动交换刀具时间可达3s，最快能到达1s以内，自动交换工作台时间也可到达6～10s，个别可到达2.5s。2.高精度化2003年5月的一天，一块亮如镜面的铝材凸球面车削样件被小心翼翼地从非球面曲面超精密加工机房上卸下，送入国家级光学计量检验中心检验。现场的人们焦急地等待着检验结果。一个多小时以后，检验结果出来了：车削加工样件的面形精度PV=0.228μm，外表粗糙度Ra=0.0078μm，这意味着外表粗糙度仅有不到8纳米。现场沸腾了，紧张工作了一个多月的人们击掌相庆，有人甚至流出了冲动的泪水。这是三○三所研制的非球面曲面超精密加工机床在用户西安应用光学研究所进行交付验收时的一个场景。---------------来源：中国机床商业网3.多功能化CNC装置功能的不断扩大，促进了数控机床的高度自动化及多功能化。数控机床的数控系统大多采用CRT〔CathodeRayTube〕显示，可实现二维图形的轨迹显示，有的还可以实现三维彩色动态图形显示；有的数控系统装有小型数据库，可以自动选择最正确刀具和切削用量；有的数控系统具有各种监控、检测等功能，如刀具寿命管理、刀具尺寸自动测量和补偿、工件尺寸自动测量及补偿、切削参数自动调整、刀具磨损或破损检测等功能，有的甚至可以实现无人化运行。多主轴正面铣床铣头回转MC

车铣复合中心高速铣-激光堆焊MC铣床-激光雕刻MC

铣车复合中心并联机床快速原型机RPM及其产品未来机床模拟车削模拟铣削7．数控系统的智能化数控系统的智能化包括多个方面，一是为追求加工效率和加工质量方面的智能化；二是为提高驱动性能及使用连接的智能化；三是简化编程和操作方面的智能化；四是数控系统的智能诊断、智能监控等。随着人工智能在计算机领域的渗透和开展，数控系统引入了自适应控制〔AdaptiveControl〕、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好。同时数控系统还具有故障诊断专家系统，其自诊断和故障监控功能更趋完善。此外，伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载和优化调整参数。9．数控系统的高可靠性〔1〕数控系统将采用更高集成度的电路芯片，采用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，提高可靠性。〔2〕通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求。同时通过硬件结构的模块化、标准化、通用化及系列化，提高硬件的生产批量和质量。〔3〕增强故障自诊断、自恢复和保护功能，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断、报警。当发生加