数控机床加工程序编制基础

单元一数控技术基础

一、教学目的：

明确数控加工技术的有关概念，以和数控加工的基本原理和加工的过程。理解目前国

内外数控加工领域在数控加工工艺技术方面日勺最新发展动向和趋势

二、教学安排：

（一）新课教学知识点与重点、难点：

1.数控机床的I产生和发展（理解）

2.数控机床的J构成（熟悉）

3.数控机床H勺工作过程（掌握）

4,数控机床的分类（掌握）

。按加工控制路线分类

。按机床所用进给伺服系统不一样分类

Q按加工工艺措施分类

。按控制坐标轴数目分类

5.数控机床的性能指标与功能（理解）

6.数控机床日勺特点

7.数控加工技术的新发展（理解）

。高速切削

Q高精加工

。复合化加工

O控制智能化

O互联网络化

Q计算机集成制造系统(CIMS)

(二)新课内容：

数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动的对被加工工件进行加工。

一.数控机床的产生和发展

1949年美国Parson企业与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控

制日勺数控铳床样机，取名“NumericalControl"。数控即数字控制(NumericalControl,简称

NC)o数控技术即NC技术，是指用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。计算机

数控(ComputerizedNumericalControl,简称CNC)是指用计算机实现部分或所有日勺数控功

能。采用数控技术的自动控制系统为数控系统，采用计算机数控技术口勺自动控制系统为

计算机数控系统，其被控对象可以是生产过程或设备。假如被控对象是机床，则称为数

控机床。

二.数控机床的构成

1程序编制和程序载体

2输入装置

3数控装置

4强电控制装置

5伺服控制装置

6机床的机械部件

与老式的一般机床相比，数控机床机械部件有如下几种特点：

(1)采用了高性能的主轴和进给伺服驱动装置,机械传动构造得到简化，使动链较短。

(2)机械构造具有较高口勺动态特性、动态刚度、阻尼刚度、耐磨性以和抗热变形性能。

(3)较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。

(4)尚有某些配套部件(如冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置)和辅

属设备(编程机和对刀仪等)。

三.数控机床的工作过程

数控机床是一种高度自动化H勺机床，它在加工工艺与加工表面形成措施上与一般机床

基本相似，最主线的不一样在于实现自动化控制的原理与措施上：数控机床是用数字化

日勺信息来实现自动控制的。在数控机床上加工零件时，首先要将被加工零件图上日勺几何

信息和工艺信息数字化。先根据零件加工图样的规定确定零件加工日勺工艺过程、工艺参

数、刀具参数，再按数控机床规定采用H勺代码和程序格式，将与加工零件有关日勺信息如

工件的尺寸、刀具运动中心轨迹、位移量、切削参数(主轴转速、切削进给量、背吃刀量)

以和辅助操作（换刀、主轴日勺正转与反转、切削液的开与关）等编制成数控加工程序，然后

将程序输入到数控装置中，经数控装置分析处理后，发出指令控制机床进行自动加工。

数控加工过程如图所示，其详细环节为：

第一步：首先阅读零件图纸，充足理解图纸日勺技术规定，如尺寸精度、形位公差、表面

粗糙度、工件H勺材料、硬度、加工性能以和工件数量等；

第二步：根据零件图纸的规定进行工艺分析，其中包括零件的构造工艺性分析、材料和

设计精度合理性分析、大体工艺环节等；

第三步：根据工艺分析制定出加工所需要日勺一切工艺信息一一如：加工工艺路线、工艺

规定、刀具日勺运动轨迹、位移量、切削用量（主轴转速、进给量、吃刀深度）以

和辅助功能（换刀、主轴正转或反转、切削液开或关）等，并填写加工工序卡和

工艺过程卡;

第四步：根据零件图和制定的工艺内容，再按照所用数控系统规定的指令代码和程序格

式进行数控编程；

第五步：将编写好的程序通过传播接口，输入到数控机床的数控装置中。调整好机床并

调用该程序后，就可以加工出符合图纸规定的零件。

四.数控机床的分类

1.按加工控制路线分类

有点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床。

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(a)点位控制；(b)直线控制；(c)轮廓控制

(I)点位控制机床。它如图(a)所示，只控制刀具从一点向另一点移动，而不管其中间行

走轨迹口勺控制方式。在从点到点的移动过程中，只作迅速空程的定位运动，因此不能用

于加工过程的控制。属于点位控制口勺经典机床有数控钻床、数控馍床和数控冲床等。此

类机床日勺数控功能重要用于控制加工部位日勺相对位置精度，而其加工切削过程还得靠手

工控制机械运动来进行c

(2)直线控制机床。它如图(b)所示，可控制刀具相对于工作台以合适日勺进给速度，沿着

平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45°的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一

次同步只有某一轴在运动，或让两轴以相似的速度同步运动以形成45(的斜线，因此其控

制难度不大，系统构造比较简朴。一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，构成

点位直线控制系统而用于机床上。这种形式日勺经典机床有车阶梯轴日勺数控车床、数控镂

铳床和简朴加工中心等C

(3)轮廓控制机床。它又称持续控制机床。如图⑹所示，可控制刀具相对于工件作持续

轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任

意形状日勺曲线和曲面。经典的轮廓控制型机床有数控铳床、功能完善日勺数控车床、数控

磨床和数控电加工机床等

2.按机床所用进给伺服系统不一样分类

(1).开环伺服系统

滑板(工作台)

开环伺服系统

开环伺服系统日勺伺服驱动装置重要是步进电机、功率步进电机和电液脉冲马达等。

如图所示。由数控系统送出时进给指令脉冲，通过环形分派器、按步进电机日勺通电方式

进行分派，并经功率放大后送给步进电机H勺各相绕组，使之按规定的方式通、断电，从

而驱动步进电机旋转。再经同步齿形带、滚珠丝杠螺母副驱动执行部件。每给一脉冲信

号，步进电机就转过一定时角度，工作台就走过一种脉冲当量时距离。数控装置按程序

加工规定控制指令脉冲的数量、频率和通电次序，到达控制执行部件运动日勺位移量、速

度和运动方向的目的。由于它没有检测和反馈系统，故称之为开环。其特点是构造简朴,

维护以便，成本较低。但加工精度不高，假如采用螺距误差赔偿和传动间隙J®偿等措施,

定位精度可稍有提高。

(2).半闭环伺服系统

半闭环伺服系统具有检测和反馈系统，如图所示。测量元件(脉冲编码器、旋转变压

潜和圆感应同步器等)装在丝杠或伺服电机欧I轴端部，通过测量元件检测丝杠或电机的I回

转角。间接测出机床运动部件日勺位移，经反馈回路送回控制系统和伺服系统，并与控制

指令值相比较。假如两者存在偏差，便将此差值信号进行放大，继续控制电机带动移动

部件向着减小偏差的方向移动，直至偏差为零。曰于只对中间环节进行反馈控制，丝杠

和螺母副部分还在控制环节之外，故称半闭环。对丝杠螺母副的机械误差，需要在数控

装置中用间隙赔偿和螺距误差赔偿来减小。

（3）.闭环伺服系统

闭环伺服系统

闭环伺服系统如图所示。它的工作原理和半闭环伺服系统相似，但测量元件（直线感应

同步器、长光栅等）装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置。该系统将所有部分都

包括在控制环之内，可消除机械系统引起日勺误差，精度高于半闭环伺服系统，但系统构

造较复杂，控制稳定性较难保证，成本高，调试维修困难。

3.按加工工艺措施分类

1）金属切削类数控机床

此类数控机床如数控车床、数控铳床、数控钱床、数控磨床、数控钻床、数控齿轮

加工机床、加工中心等。尽管这些机床在加工工艺方面存在很大差异，详细日勺控制措施

也各不相似，但它们都适合于单件、小批量和多品种的零件加工，具有很高日勺生产率和

自动化程度。

2）金属成型类数控机床

此类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床等。

3）数控特种加工和其他类型机床

此类数控机床如数/线切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控电火

花加工机床等。

4.按控制系统功能水平分

按控制系统的功能水平，可以把数控机床分为经济型、普和型、高级型三类，重要

由技术参数、功能指标、关键部件的功能水平来决定。这些指标详细包括CPU性能、辨

别率、进给速度、伺服性能、通信功能、联动轴数等。

1）经济型数控机床

此类数控机床一般为低级数控机床，一般采用8位CPU或单片机控制，辨别率为10

Um,进给速度为6〜15m/min,采用步进电机驱动，具有RS232接口。低级数控机床最

多联动轴数为二轴或三轴，具有简朴CRT字符显示或数码管显示功能，无通信功能。

2）普和型数控机床

此类数控机床一般为中等数控机床，一般采用16位或更高性能的CPU,辨别率在1

um以内，进给速度为15〜24m/min,采用交流或直流伺服电机驱动；联动轴数为3〜5

轴；有较齐全的CRT显示和很好的人机界面，大量采用菜单操作，不仅有字符，尚有平

面线性图形显示功能、人机对话、自诊断等功能；具有RS232或DNC接口，通过DNC

接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。

3）高级型数控机床

此类数控机床一般为高档数控机床，一般采用32位或64位CPU,并采用精简指令

集RISC作为中央处理单元，辨别率可达0.1um,进给速度为15〜10（）m/min,采用数

字化交流伺服电机驱动，联动轴数在五轴以上，有三维动态图形显示功能。高档数控机

床具有高性能通信接口，具有联网功能，通过采用MAP（制造自动化协议）等高级工业控

制网络或Ethernet（以太网），可实现远程故障诊断和维修，为处理不一样类型不一样厂家

生产的数控机床的联网关口数控机床进入FMS（柔性制造系统）和CIMS（计算机集成制造系

统）等制造系统发明了条件。

4.按控制坐标轴数目分类

按机床数控装置能同步联动控制的坐标轴的数目来分，有两坐标联动数控机床、三坐

标联动数控机床和多坐标联动数控机床。

五.数控机床的性能指标与功能

1.重要性能指标

2.重要功能

1.插补功能

数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的一系列加工点、用基本线型完毕

所谓欧I数据“密化”工作。称为插补

插补有二层意思：

一是用小线段迫近产生基本线型(如直线、圆弧等)；

二是用基本线型拟合其他轮廓曲线。

插补运算具有实时性，直接影响刀具欧J运动。插补运算日勺速度和精度是数控装置的

重要指标。插补原理也叫轨迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我国封锁的技术。

2.可控轴和联动轴数

六.数控机床的特点

1.数控机床H勺加工特点

1).广泛日勺适应性和较大的灵活性；

2).加工零件一致性好、反复精度高；

3).高自动化高效率；

4).只要变化程序就可变化加工件，不需要大量复杂工装夹具；

5).可以采用复合工艺；

6).工艺设计会常常变化的零件；

2.数控机床日勺使用特点

七.数控加工技术的新发展

伴随计算机技术突飞猛进日勺发展，数控技术上不停采用计算机、控制理论等领域日勺

最新技术成就，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化和信息网络化等

方向发展。整体数控加工技术向着CIMS(计算机集成制造系统)方向发展。

1.智能化：与人工智能相结合；模糊控制、学习控制、自适应控制、运动参数动态赔偿、

自动识别负载并自动优化调整参数、自诊断和故障监控专家系统；更好地实现对人类智

力的延伸。

2.开放化：基于PC,硬件、软件和总线规范均对外开放，便于系统集成和二次开发，使

数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性。

3.网络化：企业底层生产控制系统的集成愈加简便有效；增进企业间向合作与资源共

享；使制造商可以通过计算机网络为顾客提供远程故障诊断、维修、技术征询等服务。

4.高速化：充足发挥现代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率、减少加工成本，提高

零件时表面加工质量和精度，适应制造业对高效、优质、低成本生产日勺广泛需求；目前,

电主轴转速可达15,000〜100,000r/min、进给运动部件快移速度达60〜120m/min,切削

进给速度达60m/mino

5.精密化：近1()数年来，一般级数控机床日勺加工精度已由±