數(shù)控機床編程第2版杜國臣主編第1章xin28220新

在線教務輔導網(wǎng)：更多課程配套課件資源請訪問在線教務輔導網(wǎng)4/3/20251普通高等教育“十一五〞國家級規(guī)劃教材教育部高等職業(yè)教育示范專業(yè)規(guī)劃教材機械工業(yè)出版社精品教材主編杜國臣數(shù)控機床編程〔第2版〕機械工業(yè)出版社4/3/20252?數(shù)控機床編程?電子課件〔第2版〕主編：杜國臣副主編：李傳軍李瑞斌劉秉亮畢世英本書第2版是普通高等教育“十一五〞國家級規(guī)劃教材、機械工業(yè)出版社精品教材。本書第2版是在第l版的根底上，根據(jù)“高等職業(yè)教育機械類專業(yè)人才培養(yǎng)目標及根本規(guī)格〞的要求，并充分反映近年來數(shù)控機床的開展與應用而修訂的。ISBN978-7-111-28220-4機械工業(yè)出版社杜國臣教授主編的普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材數(shù)控機床編程，自第一次出版以來，受到廣大師生和企業(yè)技術人員的青睞，先后被百余所院校所采用，成為我國高等職業(yè)教育機械類專業(yè)人才培養(yǎng)的首選教材，并祝賀該教材榮獲機械工業(yè)出版社精品教材

稱號！4/3/20254目錄第1章數(shù)控機床概述第2章數(shù)控加工編程根底第3章數(shù)控加工工藝與圖形的數(shù)學處理第4章數(shù)控車床編程第5章數(shù)控銑床編程第6章加工中心編程第7章自動編程4/3/20255

第1章數(shù)控機床概述4/3/202561.1數(shù)控機床的根本概念本章小結(jié)1.2數(shù)控機床的分類第1章數(shù)控機床概述第1章數(shù)控機床概述本章學習目標：

本章教學學時：4學時本章教學要求:第1章數(shù)控機床概述重點數(shù)控機床的根本概念；數(shù)控機床的分類。1.1數(shù)控機床的根本概念1.1.1什么是機床的數(shù)字控制

例如，要求機床執(zhí)行如下一條指令程序段N003G01X90Z-20F0.2S1000T0101M03其含義為：第3個程序段，用1號刀具加工一條直線段，起點為刀具當前點或上一程序段指令點，終點為程序段中給定的點〔X90，Z-20〕；坐標值的計算以坐標原點為基準；還指明機床主軸需正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速為1000r/min，刀具的進給量為0.2mm/r。1.1數(shù)控機床的根本概念從上面的程序段可以看出，它由數(shù)字0～9，字母X、Z、S、F、T、M…，符號“+〞、“-〞、“.〞等組成，而這些都要轉(zhuǎn)換成“二進制〞數(shù)字代碼輸入機床的數(shù)字控制裝置〔即控制機床的專用計算機〕中去，經(jīng)過計算機的計算處理、伺服控制、驅(qū)動機床各部件運動，完成上述直線段的加工。由于指令運動過程是以二進制數(shù)字代碼進行的，所以稱這種控制為數(shù)字控制。數(shù)字控制是與機床控制密切結(jié)合而開展起來的，因此，人們習慣把“機床數(shù)控〞簡稱為“數(shù)控〞或“NC〞，N003G01X90Z-20F0.2S1000T0101M031.1數(shù)控機床的根本概念1.1數(shù)控機床的根本概念1.1.2數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的種類很多，但任何一種數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和機床主體四局部組成，如圖1-1所示。此外數(shù)控機床還有許多輔助裝置。圖1-1數(shù)控機床的基本組成

1.1數(shù)控機床的根本概念磁帶、磁盤U盤CF卡穿孔帶機床傳輸線1.1數(shù)控機床的根本概念穿孔帶ISO標準代碼孔〔2〕數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機床的核心?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)由輸入裝置、控制運算器和輸出裝置構成。它將輸入裝置輸入的數(shù)字化信息，經(jīng)過控制軟件或邏輯電路進行編譯、運算插補和邏輯處理后，輸出各種信號和指令控制機床的各個局部，進行規(guī)定的、有序的動作。1.1數(shù)控機床的根本概念〔3〕伺服系統(tǒng)是CNC裝置和機床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它把來自CNC裝置的微弱指令信號通過調(diào)解、轉(zhuǎn)換、放大后驅(qū)動伺服電機，通過執(zhí)行部件驅(qū)動機床運動。數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置包括主軸控制單元、進給控制單元、可編程控制器〔ProgrammableLogicControl,PLC〕、主軸與進給伺服電機和測量反響裝置等。1.1數(shù)控機床的根本概念面板控制單元主軸電機進給伺服電機電子手輪I/O模塊機床控制面板CNC鍵盤驅(qū)動系統(tǒng)直線式光柵傳感器1.1數(shù)控機床的根本概念AC伺服電機及其驅(qū)動器旋轉(zhuǎn)編碼器(增值型)交流直線電機及其驅(qū)動器步進電機及其驅(qū)動器1.1數(shù)控機床的根本概念〔4〕機床主體也稱主機，它包括機床的主運動部件、進給運動部件、執(zhí)行部件和根底部件，如主軸、滾動導軌、滾珠絲杠、工作臺〔或刀架〕、底座、立柱、滑鞍等。1.1數(shù)控機床的根本概念數(shù)控車床斜置床身數(shù)控車床正置床身

數(shù)控機床的床身、立柱

1.1數(shù)控機床的根本概念臥式加工中心的框架式立柱

1.1數(shù)控機床的根本概念立式加工中心立柱數(shù)控機床的滾珠絲杠

1.1數(shù)控機床的根本概念滾珠絲杠螺母副的外循環(huán)方式

1—彎管；2—壓板；3—絲杠；4—滾環(huán)；5—螺紋管道1.1數(shù)控機床的根本概念滾動導軌塊的結(jié)構直線滾動導軌靜壓導軌工作原理

1.1數(shù)控機床的根本概念〔5〕輔助裝置1〕液壓和氣動裝置；2〕自動換刀裝置〔AutomaticToolChanger，ATC〕；3〕自開工作臺交換裝置〔AutomaticPalletChanger，APC〕4〕自動對刀儀5〕自動排屑裝置6〕電、液、氣、冷卻、潤滑、防護裝置等1.1數(shù)控機床的根本概念數(shù)控車床自動換刀裝置雙刀架帶動力頭臥式回轉(zhuǎn)刀架臥式回轉(zhuǎn)刀架立式回轉(zhuǎn)方刀架1.1數(shù)控機床的根本概念斗笠式刀庫

鏈式刀庫盤式刀庫加工中心自動換刀裝置1.1數(shù)控機床的根本概念加工中心刀具測量、工件測量系統(tǒng)加工中心刀具預調(diào)儀1.1數(shù)控機床的根本概念車床用光學對刀儀車床用HPA〔HighPrecisionArm〕刀具測量系統(tǒng)1.1.3數(shù)控機床的工作過程

如圖1-2所示，數(shù)控機床的加工，首先要將被加工零件圖紙上的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序，然后將加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的支持下，經(jīng)過處理與計算后，發(fā)出相應的控制指令，通過伺服系統(tǒng)使機床按預定的軌跡運動，從而完成零件的加工。1.1數(shù)控機床的根本概念圖1-2數(shù)控機床的工作原理

1.1數(shù)控機床的根本概念〔5〕譯碼數(shù)控系統(tǒng)按一個程序段為單位，按照一定的語法規(guī)那么把數(shù)控程序解釋、翻譯成計算機內(nèi)部能識別的數(shù)據(jù)格式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存內(nèi)。同時還完成對程序段的語法檢查。1.1數(shù)控機床的根本概念〔6〕數(shù)據(jù)處理一般包括刀具補償、速度計算以及輔助功能的處理程序。刀具補償有刀具半徑補償和刀具長度補償。刀具半徑補償?shù)娜蝿帐歉鶕?jù)刀具半徑補償值和零件輪廓軌跡計算出刀具中心軌跡。刀具長度補償?shù)娜蝿帐歉鶕?jù)刀具長度補償值和程序值計算出刀具軸向?qū)嶋H移動值。速度計算是根據(jù)程序中所給的合成進給速度計算出各坐標軸運動方向的分速度。輔助功能的處理主要完成指令的識別、存儲、設標志等?！?〕插補數(shù)控系統(tǒng)運用一定的算法，完成在輪廓起點和終點之間的中間點的坐標值計算，即數(shù)據(jù)點的密化工作。通常把數(shù)控機床上刀具運動軌跡是直線的加工，稱為直線插補。如圖a所示。刀具運動軌跡是圓弧的加工，稱為圓弧插補。如圖b所示。數(shù)控系統(tǒng)一般都具有直線和圓弧插補功能。目前普遍應用的插補算法可分為兩大類：一類是基準脈沖插補；另一類是數(shù)據(jù)采樣插補。

a）直線插補1.1數(shù)控機床的根本概念b）圓弧插補〔8〕伺服控制與加工伺服系統(tǒng)接受插補運算后的脈沖指令信號或插補周期內(nèi)的位置增量信號，經(jīng)放大后驅(qū)動伺服電機，帶動機床的執(zhí)行部件運動。1.1數(shù)控機床的根本概念逐點比較法直線插補逐點比較法圓弧插補數(shù)字積分法直線插補數(shù)字積分法圓弧插補1.1數(shù)控機床的根本概念〔2〕分度精度分度精度是指分度工作臺在分度時，理論要求回轉(zhuǎn)的角度值和實際回轉(zhuǎn)的角度值的差值。分度精度既影響零件加工部位在空間的角度位置，也影響孔系加工的同軸度等。〔3〕分辨度與脈沖當量分辨度是指兩個相鄰分散細節(jié)之間可以分辨的最小間隔。對測量系統(tǒng)而言，分辨度是可以測量的最小增量；對控制系統(tǒng)而言，分辨度是可以控制的最小位移增量，即數(shù)控裝置每發(fā)出一個脈沖信號，反映到機床移動部件上的移動量，一般稱為脈沖當量，脈沖當量是設計數(shù)控機床的原始數(shù)據(jù)之一，其數(shù)值的大小決定數(shù)控機床的加工精度和外表質(zhì)量。目前普通數(shù)控機床的脈沖當量一般采用0.001mm，精密或超精密數(shù)控機床的脈沖當量采用0.1〔甚至0.01〕μm。脈沖當量越小，數(shù)控機床的加工精度和加工外表質(zhì)量越高。1.1數(shù)控機床的根本概念2．數(shù)控機床的可控軸數(shù)與聯(lián)動軸數(shù)數(shù)控機床的可控軸數(shù)是指機床數(shù)控裝置能夠控制的坐標數(shù)目。數(shù)控機床可控軸數(shù)和數(shù)控裝置的運算處理能力、運算速度及內(nèi)存容量等有關。世界上最高級數(shù)控裝置的可控軸數(shù)已到達三十多軸。數(shù)控機床的聯(lián)動軸數(shù)是指機床數(shù)控裝置控制的坐標軸同時到達空間某一點的坐標數(shù)目。3．數(shù)控機床的運動性能指標數(shù)控機床的運動性能指標主要包括主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、坐標行程、擺角范圍和刀庫容量及換刀時間等。1.1數(shù)控機床的根本概念

MTBF=

1.1數(shù)控機床的根本概念

1.2數(shù)控機床的分類1.2.1按運動控制的特點分類1．點位控制數(shù)控機床

1.2數(shù)控機床的分類

對于一些加工孔用的數(shù)控機床，如數(shù)控鉆床，數(shù)控鏜床，數(shù)控沖床，三坐標測量機，印刷電路板鉆床等。它們只要求獲得精確的孔隙坐標定位精度，而不管從一個孔到另一個孔是按照什么軌跡運動，在刀具運動過程中，不進行切削加工。如圖1-2所示。2．直線控制數(shù)控機床

1.2數(shù)控機床的分類3．輪廓控制的數(shù)控機床

1.2數(shù)控機床的分類可以加工斜線、曲線、曲面的數(shù)控的機床。如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等，它們都具有同時控制兩個、或兩個以上坐標進行聯(lián)動〔即進行插補〕的數(shù)控機床。該類機床在加工過程中，每時每刻都對各坐標的位移和速度進行嚴格的不間斷的控制，故稱具有這種控制功能的機床為輪廓控制數(shù)控機床?，F(xiàn)代數(shù)控機床絕大局部都具有這種控制功能。

1.2數(shù)控機床的分類2．閉環(huán)控制的數(shù)控機床該類機床數(shù)控裝置中插補器發(fā)出的位置指令信號與工作臺〔或刀架〕上檢測到的實際位置反響信號進行比較，根據(jù)其差值不斷控制運動，進行誤差修正，直至差值為零停止運動。這種具有反響控制的系統(tǒng)，在電氣上稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1-8所示閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。圖1-8閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

1.2數(shù)控機床的分類3．半閉環(huán)控制的數(shù)控機床大多數(shù)數(shù)控機床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電動機軸或絲杠軸的端部，這種系統(tǒng)的閉環(huán)控制環(huán)內(nèi)不包括機械傳動環(huán)節(jié)，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性，該系統(tǒng)反響的只是進給傳動系統(tǒng)的局部誤差；一般是電動機軸或絲杠軸的角位移、角速度，還要經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理才是工作臺〔或刀架〕的實際位移。圖1-9半閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

1.2數(shù)控機床的分類

1.2數(shù)控機床的分類

1.2數(shù)控機床的分類CPU分辨率進給速度多軸聯(lián)動顯示通訊高檔數(shù)控32或64位0.1μm或更小24～100m/min或更高3～5軸聯(lián)動或更多三維動態(tài)圖形顯示MAP和聯(lián)網(wǎng)中檔數(shù)控16位1μm12～24m/min3～5軸聯(lián)動或更多較齊全的CRT顯示。RS232C或DNC低擋數(shù)控8位10μm6～15m/min2～3軸數(shù)碼顯示或簡單的CRT字符顯示無通訊功能

1.2數(shù)控機床的分類1.3.1數(shù)控機床的產(chǎn)生與開展1948年美國北密支安的一個小型飛機工業(yè)承包商帕森斯公司(ParsonsCo)與美國麻省理工學院(MIT)合作，于1952年研制出第一臺三坐標數(shù)控銑床。1954年底，美國本迪克斯公司(BendixCo)在帕森斯專利的根底上生產(chǎn)出了第一臺工業(yè)用的數(shù)控機床。這時數(shù)控機床的控制系統(tǒng)〔專用電子計算機〕采用的是電子管，其體積龐大，功耗高，僅在一些軍事部門中承擔普通機床難以加工的形狀復雜的零件。這是第一代數(shù)控系統(tǒng)。2.1959年晶體管出現(xiàn)，電子計算機應用晶體管元件和印刷電路板，從而使機床數(shù)控系統(tǒng)跨入了第二代。而且1959年克耐·杜列克公司〔Keaney&TreckerCo簡稱K&T公司〕在數(shù)控機床上設置刀庫，并在刀庫中裝有絲錐、鉆頭、鉸刀等刀具，根據(jù)穿孔帶的指令自動選擇刀具，并通過機械手將刀具裝在主軸上，以縮短刀具的裝卸時間和減少零件的定位裝卡時間。人們把這種帶自動交換刀具的數(shù)控機床稱為加工中心〔MachiningCenter，MC〕。3.20世紀60年代，出現(xiàn)了集成電路，數(shù)控系統(tǒng)開展到第三代。以上三代都屬于硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)〔稱為NC〕。我國從1958年開始研制數(shù)控機床，一些高等院校、科研單位、企業(yè)從采用電子管著手，到20世紀60年代曾研究出局部樣機，1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，到20世紀70年代初曾研究出數(shù)控立銑床、數(shù)控車床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床和加工中心等。這一時期國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性尚未得到很好地解決，因而也限制了國產(chǎn)數(shù)控機床的開展。而數(shù)控線切割機床由于其結(jié)構簡單，價格低廉，使用方便，得到了較快的開展，據(jù)資料統(tǒng)計，1973～1979年期間，我國共生產(chǎn)數(shù)控機床4180臺，而其中數(shù)控線切割機床占86%左右。1.高速化二十年前，德國切削物理學家薩洛蒙〔Salomon〕提出高速加工的概念并對高速加工進行了深入的研究。其研究成果說明：隨著切削線速度的增加，溫度及刀具磨損會劇烈增加，當切削線速度到達超過某臨界值時，切削溫度及切削力會減小，然后又隨著切削速度的增加而急劇增加。加工中心的主軸轉(zhuǎn)速現(xiàn)已到達8000～12000r/min，最高的可達100000r/min以上，磨床的砂輪線速度提高到100～200m/s。正在開發(fā)的采用64位CPU的新型數(shù)控系統(tǒng)〔目前數(shù)控系統(tǒng)多采用32位以上的高速微處理器〕，可實現(xiàn)快速進給、高速加工、多軸控制功能，控制軸數(shù)最多可到達31個，同時聯(lián)動軸數(shù)可達3～6軸，進給速度為20～24m/min，最快可達60m/min。自動換刀和自動交換工作臺時間也大大縮短，現(xiàn)在數(shù)控車床刀架的轉(zhuǎn)位時間可達0.4～0.6s，加工中心自動交換刀具時間可達3s，最快能到達1s以內(nèi)，自動交換工作臺時間也可到達6～10s，個別可到達2.5s。2.高精度化2003年5月的一天，一塊亮如鏡面的鋁材凸球面車削樣件被小心翼翼地從非球面曲面超精密加工機房上卸下，送入國家級光學計量檢驗中心檢驗。現(xiàn)場的人們焦急地等待著檢驗結(jié)果。一個多小時以后，檢驗結(jié)果出來了：車削加工樣件的面形精度PV=0.228μm，外表粗糙度Ra=0.0078μm，這意味著外表粗糙度僅有不到8納米?，F(xiàn)場沸騰了，緊張工作了一個多月的人們擊掌相慶，有人甚至流出了沖動的淚水。這是三○三所研制的非球面曲面超精密加工機床在用戶西安應用光學研究所進行交付驗收時的一個場景。---------------來源：中國機床商業(yè)網(wǎng)3.多功能化CNC裝置功能的不斷擴大，促進了數(shù)控機床的高度自動化及多功能化。數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)大多采用CRT〔CathodeRayTube〕顯示，可實現(xiàn)二維圖形的軌跡顯示，有的還可以實現(xiàn)三維彩色動態(tài)圖形顯示；有的數(shù)控系統(tǒng)裝有小型數(shù)據(jù)庫，可以自動選擇最正確刀具和切削用量；有的數(shù)控系統(tǒng)具有各種監(jiān)控、檢測等功能，如刀具壽命管理、刀具尺寸自動測量和補償、工件尺寸自動測量及補償、切削參數(shù)自動調(diào)整、刀具磨損或破損檢測等功能，有的甚至可以實現(xiàn)無人化運行。多主軸正面銑床銑頭回轉(zhuǎn)MC

車銑復合中心高速銑-激光堆焊MC銑床-激光雕刻MC

銑車復合中心并聯(lián)機床快速原型機RPM及其產(chǎn)品未來機床模擬車削模擬銑削7．數(shù)控系統(tǒng)的智能化數(shù)控系統(tǒng)的智能化包括多個方面，一是為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化；二是為提高驅(qū)動性能及使用連接的智能化；三是簡化編程和操作方面的智能化；四是數(shù)控系統(tǒng)的智能診斷、智能監(jiān)控等。隨著人工智能在計算機領域的滲透和開展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應控制〔AdaptiveControl〕、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡的控制機理，不但具有自動編程、模糊控制、學習控制、自適應控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?，而且人機界面極為友好。同時數(shù)控系統(tǒng)還具有故障診斷專家系統(tǒng)，其自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。此外，伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載和優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。9．數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性〔1〕數(shù)控系統(tǒng)將采用更高集成度的電路芯片，采用大規(guī)?；虺笠?guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，提高可靠性。〔2〕通過硬件功能軟件化，以適應各種控制功能的要求。同時通過硬件結(jié)構的模塊化、標準化、通用化及系列化，提高硬件的生產(chǎn)批量和質(zhì)量?！?〕增強故障自診斷、自恢復和保護功能，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設備進行故障診斷、報警。當發(fā)生加