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数控技术与应用
主要介绍了数控技术的相关原理和应用知识，包括数控机床的基本知识、数控装置、伺服系统，以及数控车、数控铣、加工中心的加工工艺、编程与操作等内容。期末复习提纲，知识点系统且全面，一起来看！
编辑于2024-06-26 20:12:41- 相似推荐
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数控技术与应用
第1章 绪 论
1.1 概 述
1.1.1 数控机床的定义
数控机床就是采用了数控技术的机床
1.1.2 数控机床的组成及加工零件的工作过程
1.数控机床的组成
1）程序介质
程序介质用于记载机床加工零件的全部信息。
2）数控装置
数控装置是控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接收程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标控制的伺服系统。
3）伺服系统
它的基本作用是接收数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行部件的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。
4）机床主体
机床主体也称主机，包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台(刀架)、导轨等。
2. 数控机床加工零件的工作过程
1）程序编制
2）程序输入
3）数据处理
4）插补运算
5）伺服控制与零件加工
1.1.3 数控机床的特点
1）精度高、质量稳定
2）适应性强
3）生产率高
4）劳动条件好
5）便于现代化生产与管理
6）使用与维护要求高
1.1.4 数控机床的主要技术参数
1. 主要规格尺寸
2. 主轴系统
3. 进给系统
4.刀具系统
1.2 数控机床的分类
1.2.1 按机械运动轨迹分类
1. 点位控制数控机床
要求保证点与点之间的准确定位。它只能控制行程的终点坐标值，对于两点之间的运动轨迹不作严格要求。
2. 直线控制数控机床
不仅要控制行程的终点坐标值，还要保证在两点之间机床的刀具走的是沿平行于坐标轴方向或与坐标轴成45°角方向的一条直线，而且在走直线的过程中往往要进行切削。
3. 轮廓控制数控机床
不仅要控制行程的终点坐标值，还要保证两点之间的轨迹要按一定的曲线进行。这种系统必须控制两个或两个以上坐标轴能够同时运动。
1.2.2 按伺服系统类型分类
1. 开环控制数控机床
没有位移检测反馈装置的数控机床称为开环控制数控机床。
2. 闭环控制数控机床
闭环控制数控机床带有位置检测装置，而且检测装置安装在机床刀架或工作台等执行件上，用以随时检测这些执行部件的实际位置。
3. 半闭环控制数控机床
半闭环控制数控机床也带有位置检测装置，它的检测装置安装在伺服电机上或丝杠的端部，通过检测伺服电机或丝杠的角位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置值。
1.2.3 按系统功能水平分类
1. 经济型数控机床
2. 中档型数控机床
3. 高档型数控机床
1.2.4 按加工工艺方法分类
1. 金属切削类数控机床
2. 金属成形类数控机床
3. 特种加工类数控机床
1.3 1.3 数控机床的发展历程与趋势
1.3.1 数控机床的产生与发展历程
1948年美国帕森斯公司研制
1.3.2 数控机床的发展趋势
1．高速化
2．高精度化
3．多功能化
4．加工功能复合化
5．结构新型化
6．编程技术自动化
7．数控系统的智能化
8．数控系统的开放性
9．数控系统的高可靠性
10．数控系统的网络化
第2章 数控加工工艺基础
2.1.1 数控加工工艺的特点与内容
1．数控加工工艺的特点
（1）工序内容具体
在普通机床上加工零件时，工序卡片的内容比较简单
（2）工序内容复杂
由于数控机床的运行成本和对操作人员的要求相对较高
2．数控加工工艺的主要内容
（1）分析零件图纸，明确加工内容、精度及技术要求
（2）制定工艺过程，确定加工方案
（3）设计工序内容，如工步的划分、工件的定位与夹紧、刀具的选择、切削用量的确定等
（4）图形的数学处理及加工路线的确定等
（5）编制工艺文件
2.1.2 数控加工工艺性分析
1. 零件图的尺寸标注应符合编程方便的原则
(1) 零件图上的尺寸标注方法应适应数控加工的特点
(2) 构成零件轮廓的几何元素的条件应充分
2. 零件的结构工艺性应符合数控加工的特点
(1) 零件的内腔和外形最好采用统一的几何类型和尺寸
(2) 内腔和外形凹槽转接圆弧半径R不应过小
(3) 内腔槽底圆角半径r不应过大
(4) 应采用统一的基准定位
2.1.3 加工方法与加工方案的确定
1. 加工方法的选择
保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求
2. 加工方案的确定
零件上比较精确表面的加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的
2.1.4 工序与工步的划分
1. 工序的划分
(1) 按零件装卡定位方式划分工序
(2) 按粗、精加工分开方式划分工序
(3) 按所用刀具集中方式划分工序
2. 工步的划分
(1) 先粗后精的原则
(2) 先面后孔的原则
(3) 刀具集中的原则
2.1.5 零件的定位与安装
1. 定位安装的基本原则
(1) 力求设计、工艺与编程计算的基准统一
(2) 尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工面。
(3) 避免采用占机人工调试加工方案，以充分发挥数控机床的效能
(4) 夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位
2. 选择夹具的基本原则
(1)准备时间短
(2)装卸零件方便
(3) 便于自动化加工
2.1.6 数控加工刀具与工具系统
1. 数控加工刀具材料
(1) 高速钢。(2) 硬质合金。(3) 涂层硬质合金。(4) 陶瓷材料。(5) 立方氮化硼(CBN)。(6) 聚晶金刚石(PCD)。
2.刀具的选择
应满足安装调整方便、刚性好、精度高、耐用度高等要求
1) 车削加工刀具
2) 铣削加工刀具
3) 孔加工刀具
2.1.7 切削用量的确定
(1) 背吃刀量ap(mm)
(2) 主轴转速n(r/min)
(3) 进给量(进给速度)f (mm/min或mm/r)
2.1.8 数控加工路线的确定
1.加工路线的确定原则
(1) 加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，且效率较高、走刀安全； (2) 使数值计算简单，以减少编程工作量； (3) 应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空刀时间。
2. 车削加工路线的确定
1) 最短的车削加工路线
2) 车削螺纹加工路线
3. 铣削加工路线的确定
1) 顺铣和逆铣
顺铣
刀具方向和工件运动方向相同
逆铣
刀具方向和工件运动方向相反
2) 铣削外轮廓的加工路线
刀具切入零件时，应避免沿零件外轮廓的法向切入，以免在切入处产生刀具的刻痕，而应沿切削起始点延伸线或切线方向逐渐切入零件，保证零件曲线的平滑过渡。
3) 铣削内轮廓的加工路线
同铣削外轮廓一样，刀具同样不能沿轮廓曲线的法向切入和切出
4) 铣削内槽的加工路线
4. 孔加工路线的确定
1) 确定xy平面内的加工路线
避免回程
2) 确定z向(轴向)的加工路线
确定安全平面
2.1.9 工艺文件的制定
1. 机械加工工艺过程卡
2. 机械加工工艺卡
3. 数控加工工序卡
4. 数控加工刀具卡
2.2 图形的数学处理
2.2.1 基点计算
各几何元素间的连接点称为基点，如两直线的交点，直线与圆弧的交点或切点，圆弧与圆弧的交点或切点，圆弧或直线与二次曲线的切点或交点等。
2.2.2 节点计算
即在满足允许编程误差的条件下，用若干直线段或圆弧端分割逼近给定的曲线。相邻直线段或圆弧段的交点或切点称为节点。
1. 等间距法直线逼近节点计算
2. 等步长法直线逼近节点计算
3．等误差法（变步长法）直线逼近节点计算
4．曲率圆法圆弧逼近轮廓的节点计算
2.2.3 辅助计算
1. 增量值计算
2. 螺纹实际牙顶、实际牙底尺寸计算
2.3 典型零件的数控加工工艺分析
1. 零件图工艺分析
2. 确定装夹方案
3. 确定加工顺序
4. 数值计算
第3章 数控车
3.1 数控编程基本知识
3.1.1机床坐标轴
1.标准坐标系的确定原则
1）机床相对运动的规定
2）机床坐标系的规定
3）运动方向的规定
２.坐标轴方向的确定
1）先确定Z坐标轴
2）再确定X坐标轴
3）最后确定Y坐标轴
3.1.2数控机床的两种坐标系
1.机床坐标系、机床原点、机床参考点
1）机床坐标系
2）机床原点
3）机床参考点
2.工件坐标系、程序原点
1）工件坐标系
2）程序原点
3.1.3数控机床上的有关点
1．机床零点
即机床基本坐标系的原点，它是一个被固定的点，称为机床零点或机械零点
2．机床参考点
指机床各运动部件在各自的正方向自动退至极限的一个固定点。
3．工件零点
工件零点即工件坐标系的原点，也叫编程原点
4．起刀点
起刀点是指刀具起始运动的刀位点，亦即程序开始执行时的刀位点。
5．刀位点
刀位点即刀具上表示刀具特征的点，通常以该点描述工件轮廓轨迹即编程。
6．对刀点和换刀点及其位置的确定
（1）便于数学处理（基点和节点的计算）和程序编制简单
（2）在机床上容易找正
（3）加工过程中便于测量检查
（4）引起的加工误差小
3.2 零件程序的结构
3.2.1 指令字的格式
3.2.2 程序段的格式
3.2.3 程序的一般结构
程序起始符：%(或O)符，%(或O)后跟程号； 程序结束：M02或M30； 注释符：括号()内或分号；后的内容为注释文字
3.2.4 程序的文件名
O××××(地址O后面必须有四位数字或字母)
3.3 HNC-21/22T 数控系统的编程指令系
3.3.1 辅助功能M代码
非模态M功能(当段有效代码)：只在书写了该代码的程序段中有效；
模态M功能(续效代码)：同一组可相互注销的M能，这些功能在被同一组的另一个功能注销前一直有效。
M代码及功能
3.3.2主轴功能S、进给功能F和刀具功能T
3.3.2.1主轴功能S
r/min,G97(默认)
m/mim,G96
3.3.2.2 进给速度 F
mm/min，G94（默认）
mm/r，G95
3.3.2.3 刀具功能(T机能)
3.3.3 准备功能G代码
G功能指令见表
3.3.3.1有关单位设定的G功能
(1)尺寸单位选择
G20：英制输入制式
G21：公制输入制式
(2)进给速度单位的设定
G94：每分钟进给
G95：每转进给
3.3.3.2有关坐标系和坐标的G功能
(1)绝对值编程G90与相对值编程G91
FANUC系统X、Z表示绝对值编程，U、W表示增量值编程
（2）坐标系设定G92 (建立工件坐标系指令)(对刀)
X、Z：对刀点到工件坐标系原点的有向距离
(3) 坐标系选择G54~G59（零点偏置指令）
(4)直接机床坐标系编程G53
(5)直径方式和半径方式编程
G36直径编程(默认)
G37半径编程
3.3.3.3进给控制指令
(1)快速定位G00
(2)线性进给及倒角G01
(3)圆弧进给G02/G03
G02：顺时针圆弧插补
G03：逆时针圆弧插补
(4)螺纹切削G32
G32X（U）_Z（W）_R_E_P_F_
F：螺纹导程
R、E：螺纹切削的退尾量，R表示Z向退尾量；E为X向退尾量
P：主轴基准脉冲处距离螺纹切削起始点的主轴转角
3.3.3.4回参考点控制指令
(1)自动返回参考点G28
(2)自动从参考点返回G29
通常该指令紧跟在G28指令之后
3.3.3.5暂停指令G04
格式：G04P_
P：暂停时间，单位为s
3.3.6恒线速度指令G96、G97
格式：G96 S 恒线速度有效 G46 X P 极限转速限定 G97 S 取消恒线速度功能
X：恒线速度时主轴最低速限定（r/min） P：恒线速度时主轴最高速限定（r/min）
3.3.3.7简单循环（单一循环）
(1)内（外）径切削循环G80
格式：G80X_Z_I_F_
I：为切削起点B与切削终点C的半径差
(2)端面切削循环G81
格式：G81X_Z_K_F_
K：为切削起点B相对于切削终点C的Z向有向距离
(3)螺纹切削循环G82
格式：G82X_Z_I_R_E_C_P_F_
I：为螺纹起点B与螺纹终点C的半径差。其符号为差的符号(无论是绝对值编程还是增量值编程)； R,E：螺纹切削的退尾量，R、E均为向量，R为Z向回退量；E为X向回退量，R、E可以省略，表示不用回退功能； C：螺纹头数，为0或1时切削单头螺纹； P：单头螺纹切削时，为主轴基准脉冲处距离切削起始点的主轴转角(缺省值为0)；多头螺纹切削时，为相邻螺纹头的切削起始点之间对应的主轴转角。 F：螺纹导程；
(4)端面深孔钻加工循环G74
格式：G74Z(W)R(e)_Q(ΔK)F
e：转孔每进一刀的退刀量，只能为正值； ΔK：每次进刀的深度，只能为正值； F：进给速度；
(5)外切槽循环G75
格式：G75X(U)R(e)_Q(ΔK)F
e：切槽每进一刀的退刀量，只能为正值； ΔK：每次进刀的深度，只能为正值； F：进给速度；
2.3.3.7 复合循环指令
(1)内（外）径粗车复合循环G71
格式：G71U_R_P_Q_E(X、Z)_F_(S_T_)
U：切削深度； R：每次退刀量； P、Q：精加工程序段； E(X、Z)：精加工余量，有凹槽用E；
(2)端面粗车复合循环G72
格式：G72W_R_P_Q_X_Z_F_(S_T_)
W：切削深度； R：每次退刀量； P、Q：精加工程序段； X、Z：精加工余量；
(3) 闭环车削复合循环G73
格式：G73U_W_R_P_Q_X_Z_F_(S_T_)
U、W：X轴和Z轴方向的切削深度； R：粗切次数； P、Q：精加工程序段； X、Z：精加工余量；
(4)螺纹切削复合循环G76
格式：G76C_R_E_A_X_Z_I_K_U_V_Q_P_F_
C：精整次数； R：螺纹Z向退尾长度,为负值； E：螺纹X向退尾长度,半径量； A：刀尖角度； X、Z：有效螺纹终点C的坐标； I：螺纹两端的半径差K：螺纹高度； 该值由x轴方向上的半径值指定； V：最小切削深度(半径值)； U：精加工余量(半径值)； Q：第一次切削深度(半径值)； P：主轴转角； F：螺纹导程(同G32)
2.3.3.8 刀具补偿功能指令
T XX + XX 刀具号 刀具补偿号
刀尖圆弧半径补偿 G40，G41，42
格式：
G40：取消刀尖半径补偿； G41：左刀补(在刀具前进方向左侧补偿)，G42：右刀补(在刀具前进方向右侧补偿)，
第4章 计算机数控装置
4.1.1 数控系统的组成
由输入/输出设备、数控装置和伺服系统组成
4.1.2 数控装置的工作过程
1. 输入
2. 译码
3. 刀具补偿
4. 进给速度处理
5. 插补
6. 位置控制
7. I/O处理
8. 显示
4.2 数控装置的硬件结构
4.2.1 单CPU硬件结构
基本结构包括：CPU、总线、I/O接口、存储器、串行接口和CRT/MDI接口等
4.2.2 多CPU硬件结构
4.2.3 开放式数控装置
4.3 数控装置的软件结构
4.3.1 数控装置的软件结构特点
1. 数控装置的多任务性
2. 并行处理
3. 实时中断处理
(1) 外部中断
(2) 内部定时中断
(3) 硬件故障中断
(4) 程序性中断
4.3.2 数控装置的软件结构模式
1. 中断型结构模式
2. 前后台型结构模式
4.4 数控装置的可编程逻辑控制器
4.4.1 数控机床中PLC实现的功能
一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，即能控制开关量，也能控制模拟量
1. M、S、T功能
2. 机床外部开关量信号控制功能
3. 输出信号控制功能
4. 伺服控制功能
5. 报警处理功能
6. 其它介质输入装置互联控制
4.4.2 PLC在数控机床上的应用
1. 数控机床用PLC
2. 典型数控机床用PLC的指令系统
（1）基本指令
（2）功能指令
控制条件
指令
参数
输出
需要处理的数据
4.5 典型数控系统简介
4.5.1 FANUC公司的主要数控系统
1．FANUC 0系列
2．FANUC 0i系列
3．FANUC 16i／18i／21i系列
4.5.2 SIEMENS公司的主要数控系统
1．SINUMERIK 802系列
2．SINUMERIK 810系列
3．SINUMERIK 840系列
4.6 CNC装置的插补原理
4.6.1 基准脉冲插补
1. 逐点比较法插补
2. 数字积分法插补
（1）数字积分法的基本原理
（2）DDA直线插补
（3）DDA圆弧插补
4.6.2 数据采样插补
1．直线函数法直线插补
2．直线函数法圆弧插补
4.6.3 刀具补偿功能
1. B刀具半径补偿
2. C刀具半径补偿
3. 刀具长度补偿的计算
第5章 数控机床伺服系统
5.1 概 述
数控机床对进给伺服系统的要求有： 1）高精度；2）稳定性好；3）响应速度快，无超调；4）电机调速范围宽；5）低速大转矩； 6）可靠性高
5.2 驱动电动机
5.2.1 步进电动机
k:拍数与相数的比例系数，三相三拍时，k=1；三相六拍时，k=2
1. 步进电动机工作原理
采用定子与转子间电磁吸合原理工作，根据磁场建立方式，主要分为反应式和永磁反应式（也称混合式）两类
2. 步进电动机特点
(1) 步进电动机受脉冲的控制
(2) 当停止送入脉冲，只要维持控制绕组的电流不变，电动机便停在某一位置上不动，不需要机械制动
(3) 改变通电顺序可改变步进电动机的旋转方向
(4) 步进电动机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大
3. 步进电动机的主要特性
(1) 步矩误差
(2) 静态矩角特性
(3) 启动频率
(4) 连续运行频率
(5) 矩频特性
(6) 加减速特性
5.2.2 伺服电动机
1. 永磁直流伺服电动机
（1）永磁直流伺服电动机的基本结构
主要由定子、转子、电刷与换向片与检测元件等组成
（2）永磁直流伺服电动机的工作原理
当电枢绕组通以直流电时，在定子磁场作用下产生电动机的电磁转矩，电刷与换向片保证电动机所产生的电磁转矩方向恒定，从而使转子沿固定方向均匀地带动负载连续旋转
2. 永磁交流伺服电动机
（1）永磁交流伺服电动机的结构
由三部分组成：定子、转子和检测元件
(2) 工作原理
由于磁极同性相斥，异性相吸，定子旋转磁极与转子的永磁磁极互相吸引，带动转子一起旋转，因此转子也将以同步转速ns与旋转磁场一起旋转
5.2.3 直线电动机
1. 直线电动机的结构和原理
1—直线位移检测装置 2—测量部件 3—初级绕组 4—次级绕组
2. 直线电动机的特性
(1) 直线电动机所产生的力直接作用于移动部件
(2) 由于动态性能好，可以获得较高的运动精度
(3) 如果采用拼装的次级部件，还可以实现很长的直线运动距离
运动功率的传递是非接触的，没有机械磨损。
5.3 数控机床常用检测装置
5.3.1 概述
1. 直接测量和间接测量
2. 增量式测量和绝对式测量
3. 数字式测量和模拟式测量
5.3.2 旋转编码器
1. 增量式旋转编码器
2. 绝对式旋转编码器
3. 编码器在数控机床中的应用
(1) 位移测量
(2) 主轴控制
(3) 测速
(5) 零标志脉冲用于回参考点控制
5.3.3 旋转变压器
5.3.4 感应同步器
5.3.5 光栅尺
5.3.6 磁栅
5.4 位置控制和速度控制
5.4.1 位置控制
5.4.2 速度控制
第6章 数控机床机械结构
6.1 概 述
1．数控机床机械结构的特点
（1）支承件高刚度化
（2）传动机构简约化
（3）传动元件精密化
（4）辅助操作自动化
2．数控机床机械结构的基本要求
（1）提高机床的静、动刚度
（2）减少机床的热变形
（3）减少运动间的摩擦和消除传动间隙
（4）提高机床的寿命和精度保持性
（5）减少辅助时间和改善操作性能
（6）安全防护和宜人的造型
6.2 数控机床的主传动系统
（1） 调速功能
（2）功率要求
（3）精度要求
（4）动态响应性能
6.2.1 主传动方式
1. 齿轮变速的主传动方式
2. 带传动主传动方式
3. 主轴电机直接驱动方式
6.2.2 数控机床的主轴部件
1．主轴部件的支承与润滑
2．常用卡盘结构
3．主轴准停装置
4．主轴部件的结构
6.3 数控机床的进给传动系统
1）提高传动精度和刚度
2）减少各运动零件的惯量
3）减少运动件的摩擦阻力
4）响应速度快
5）稳定性好、寿命长
6）使用维护方便
6.3.2 滚珠丝杠螺母副
1．滚珠丝杠的结构组成
滚珠丝杠由丝杠、螺母、滚珠和滚珠返回装置四部分组成。按照滚珠的循环方式，滚珠丝杠螺母副分内循环方式和外循环方式两大类。
2．滚珠丝杠螺母副的特点
（1）传动效率高
（2）定位精度高
（3）灵敏度高
（4）使用寿命长
（5）无自锁能力
（6）制造成本高
3．滚珠丝杠螺母副的选用
1）精度等级的选择
2）结构尺寸的选择
4．滚珠丝杠的支承结构
（1）一端推力轴承
（2）一端推力轴承，另一端深沟球轴承
（3）两端装推力轴承
（4）两端推力轴承及深沟球轴承
5．滚珠丝杠的制动
6．滚珠丝杠螺母副的轴向间隙消除和预紧
1）双螺母预紧
2）修磨垫片预紧
3）齿差式螺母预紧
6.3.3 驱动电机与滚珠丝杠的传动方式
1．联轴器传动
2．齿轮传动
3．同步齿形带传动
6.3.4 数控机床的导轨
1．对导轨的基本要求
1）导向精度高
2）足够的刚度
3）良好的摩擦特性
4）低速运动的平稳性
5）良好的抗振性
6）结构工艺性好
2．塑料滑动导轨
（1）贴塑导轨
（2）注塑导轨
3．滚动导轨
（1）滚动导轨块
（2）直线滚动导轨
4．静压导轨
6.4 自动换刀装置
6.4.1 数控车床自动回转刀架
6.4.2 加工中心自动换刀装置
1．刀库的种类
1）盘式刀库
2）链式刀库
3）斗笠式刀库
2．换刀方式
般分无机械手换刀和机械手换刀两大类
6.5 数控机床的主要辅助装置
6.5.1 数控回转工作台
1．开环数控回转工作台
2．闭环数控回转工作台
6.5.2 数控分度工作台
在以下三种情况下，数控系统失去了对机床参考点的记忆，因此必须使刀架重新返回参考点R
数控车床关机以后重新接通电源开关时
数控车床解除急停状态后
数控车床超程报警信号解除之后