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机床数控技术课件—数控机床基础知识7.1.1. 数控机床概念、组成及工作原理1. 数控机床概念数字控制（Numerical Control NC）是一种借助数字、字符或其它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数控技术（Numerical Control Technology）采用数字化的信息对机械运动和工作过程进行控制的一种方法数控机床（Numerical Control Machine Tools）：用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(NC)机床具体地说，凡是将刀具相对于工件的运动轨迹和相关的工艺信息用代码进行编程，然后送入数控系统经过数字运算、处理，并通过高性能的驱动单元控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床它数控技术典型应用的例子 2. 数控机床的组成及工作原理(1) 数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、CNC装置(或称CNC单元)、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器、辅助装置、机床本体及测量装置等组成图6.1为数控机床的组成框图其中除机床本体之外的部分统称为计算机数控(CNC)系统。

下面分别介绍主要组成部分图6.1为数控机床的组成框图① 输入、输出装置 CNC机床在进行加工前，必须接收由操纵人员输入的零件加工程序，然后才能根据输入的加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件在加工过程中，操作人员要向机床数控装置输入操作命令，数控装置要为操作人员显示必要的信息，如坐标值、报警信号等此外，输入的程序并非全部正确，有时需要编辑、修改和调试以上工作都是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，要进行信息交流，CNC系统中必须具备必要的交互设备，即输入、输出设备键盘和显示器是数控系统不可缺少的人机交互设备，操作人员可通过键盘及显示器输入程序、编辑修改程序和发送操作命令数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息，根据系统所处的状态和操作命令的不同，显示的信息可以是正在编辑的程序，或是机床的加工信息将数控指令输入给数控装置，根据程序载体的不同，相应有不同的输入装置目前主要有键盘输入、磁盘输入、CAD/CAM系统直接通信方式输入和连接上级计算机的DNC(直接数控)输入，现仍有不少系统还保留有光电阅读机的纸带输入形式 在控制装置编辑状态(EDIT)下，用软件输入加工程序，并存入控制装置的存储器中，这种输入方法可重复使用程序。

一般手工编程均采用这种方法 在具有会话编程功能的数控装置上，可按照显示器上提示的问题，选择不同的菜单，用人机对话的方法，输入有关的尺寸数字，就可自动生成加工程序输出装置 输出装置与伺服机构相联输出装置根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲，并把它送到各坐标的伺服控制系统，经过功率放大，驱动伺服系统，从而控制机床按规定要求运动② CNC装置CNC装置是数控系统的核心，这一部分主要包括微处理器(CPU)、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其它组成部分联系的接口等其本质是根据输入的数据段插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件(伺服单元、驱动装置和机体)，加工出需要的零件因此，输入、轨迹插补、位置控制是CNC装置的3个基本部分而所有这些工作是CNC装置内的系统程序(亦称控制程序)进行合理的组织，使整个系统有条不紊地进行工作③ 伺服单元伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变机床工作台的位移和速度因此伺服单元是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号④ 驱动装置驱动装置是把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。

和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等几种伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分⑤机床本体 机床本体是加工运动的实际机械部件，主要包括：主运动部件，进给运动部件(如工作台、刀架)和支承部件(如床身、立柱等)，还有冷却、润滑、转位部件(如夹紧、换刀机械手等辅助装置)⑥ 测量装置测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动数控机床的加工，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数控装置，数控装置再将程序(代码)进行译码、运算，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的运动，最后加工出合格零件2. 数控机床的工作原理 数控系统运行零件加工程序，以实现数控机床对零件的加工 首先，数控系统将零件加工程序逐段译码，数据处理数据处理又包括刀心轨迹计算和进给速度处理两部分。

系统将经过数据处理后的程序数据分成两部分一部分是机床的顺序逻辑动作，这些数据送往PLC，经处理后，控制机床的顺序动作送往PLC的数据包括：① 辅助控制功能(M功能) 控制主轴旋转和停止，冷却液的开和关，工作台的交换，刀具的交换，以及机床的其他开关动作 ② 主轴速度控制(S功能) 主轴的转速指令 ③ 刀库选刀功能(T功能) 如有刀库，指令所选刀具到达换刀位另一部分是机床的切削运动程序数据经插补处理，位置控制，速度控制，驱动坐标轴进给电动机，使坐标轴作相应的运动为保证运动的连续性，要求系统要有很强的实时性，以保证零件的加工质量这是数控系统控制机床的重要部分3. 数控机床应用范围 数控机床与普通机床的区别主要有：Ⅰ. 数控机床一般具有手动加工(用电手轮)、机动加工和控制程序自动加工功能，加工过程种一般不需要人工干预普通机床只有手动加工和机动加工功能，加工过程全部由人工控制Ⅱ. 数控机床一般具有CRT屏幕显示功能显示加工程序、多种工艺参数、加工时间、刀具运功轨迹以及工件图形等数控机床一般还具有自动报警显示功能，根据报警信号或报警提示，可以迅速查找机器故障而普通机床不具备上述功能Ⅲ. 数控机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机，一般没有主轴变速箱和进给变速箱，传动链短。

而普通机床主传动和进给传动一般采用三相交流异步电动机，由变速箱实现多级变速以满足工艺要求，机床传动链长Ⅳ. 数控机床一般具有工件测量系统加工过程中一般不需要进行工件尺寸的人工测量而普通机床在加工过程中必须由人工不断地进行测量，以保证工件的加工精度Ⅴ. 数控机床与普通机床最显著的区别是当对象(工件)改变时，数控机床只需改变加工程序(应用软件)，不需要对机床作较大的调整，即能加工出各种不同的工件4. 数控机床的应用范围数控机床是—种高度自动化的机床，有一般机床所不具备的许多优点，所以数控机床的应用范围在不断扩大，但数控机床是一种高度机电一体化产品，技术含量高，成本高，使用维修都有一定难度，若从最经济的方面出发，数控机床适用于加工：(1) 多品种小批零件；(2) 结构较复杂，精度要求较高的零件；(3) 需要频繁改型的零件；(4) 价格昂贵，不允许报废的关键零件i(5) 要求精密复制的零件；(6) 需要最短生产周期的急需零件；(7) 要求100％检验的零件7.1.2 数控程序编程基础1. 零件加工程序的编制方法数控机床是按照零件加工程序对工件进行加工的一个好的加工程序不仅能保证加工出符合要求的工件，还应能充分发挥数控机床的功能，使其安全、可靠、高效地运行。

零件加工程序是数控系统的一个重要组成都分据国外统计，在数控机床停机的原因中，有20％一30％是由于编不出加工程序为提高数控机床的利用率，编程员应努力提高编程能力，迅速编制出优良的零件加工程序不同的数控系统，甚至不同的数控机床，它的零件加工程序的指令是不同的按照数控机床的规定进行编程按照图样及工艺编制零件加工程序有直接编程和用CAM辅助编程两种2) 直接编程直接编程是指编程员用数控机床提供的指令直接编写出零件加工程序及相关技术文件由于直接编程能充分发挥数控系统的功能及编程员的工艺和加工经验，不必再用其他编程设备，随着数控系统编程功能的不断增强，直接编程有着广阔的应用前景 直接编程按其数据输入及处理方式，可分为三类：(1) 用ISO(国际标准化组织)代码编程一个代码代表一个意义或刀具的一步运动、或代表—组意义或一组运动按其性质，可分为基本代码编程和简化编程简化有两方面含义，一方面，简化是一个指令代表几步甚至几十步的运动，如固定循环，宏指令等；另一方面，简化是简化数值点的计算2) 用户宏程序编程系统提供了变量、数据计算、程序控制等功能，用户用这些功能去编程，完成一个功能或一组功能的加工。

用户宏程序功能使平面非圆曲线，柱面曲线，空间解析曲线及曲面的编程变得简捷用户宏程序还可以编制其他功能，如测量功能、控制功能等3) 会话编程，它用图形进行数据输入或用对话型C语言编程，数据经系统内部处理后，生成ISO代码加工程序 3) CAM辅助编程CAM又称计算机辅助制造，它能够生成零件加工程序，但编程机要求的数据仍需编程员编入零件源程序，编程机经前置处理，后置处理，生成零件加工程序由于它的强大的数据处理功能，被广泛地应用在自由曲面的三轴至五轴的数控编程中但由于它的后置处理功能相对较低，有时所编程序仍需人工做修改，影响了它的应用效果由于数控系统功能的提高，现已基本具备CAM辅助编程中的平面(2D)编程功能CAM辅助编程就其源程序的生成方法，可分为：(1) APT语言编程 用APT语言对工件、刀具的几何形状及刀具相对工件的运动进行描述、产生刀位文件，再经后置处理，生成数控加工程序2) 图形输入编程 以图形交互方式生成工件的几何形状及刀具相对工件的运动．再生成数控加工程序3) CAD／CAM编程系统 以计算机辅助设计(简称CAD)建立的几何模型为基础，再以计算机辅助制造(简称CAM)为手段，生成数控加工程序。

2. 数控机床编程步骤简述从分析零件图开始到零件加工完毕，整个过程见图6.2（1）分析零件图（分析图样，确定加工工艺过程）在确定加工工艺过程时，编程人员要根据零件图样进行工艺分析，然后选定机床、刀具与夹具；确定零件加工的工艺线路、工步顺序及切削用量等工艺参数等 （2）计算运动轨迹（刀具运动轨迹的坐标数值计算）按已确定的加工路线和允许的零件加工误差，计算出所需的输入数控装置的数据，称为数值计算数值计算的主要内容是在规定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动的轨迹的坐标值3）编制零件加工程序单 加工路线、工艺参数及刀具运动轨迹确定以后，编程人员可以根据数控系统规定指令代码及程序格式，编写零件加工程序单此外，还应填写有关的工艺文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、数控刀具明细表等 （4) 制备控制介质将程序单上的内容记录在控制介质上，作为数控系统的输入信息，若程序较简单，也可直接通过键盘输入5) 程序的校验和试切所制备的控制介质，必须经过进一步的校验和试切削，才能用于正式加工一般采用空走刀校验、空运转画图校验以检查机床运动轨迹与动作的正确性图6.2数控编程流程图3. 坐标系、坐标方向及坐标原点（1) 机床坐标系。