数控技术（学习笔记）

数控技术（学习笔记） 数控技术(学习笔记) 第一章 概论 将机床数字控制向机电一体化方向发展 一、第一节 数控机床的基本概念 数控机床的产生 科学技术的发展 二、大批量生产 采用 刚性化生产 数控机床的组成和工作原理 三、数控机床的组成:1程序载体2数控装置3伺服系统(驱动部分、执行元件)4机床部分(主运动、进给运动、辅助操作) 数控机床涉及的基本技术 主要包括:1、精密机械(包括精密机械设计和精密机械加工两部分)、 2计算机及信息处理(包括计算机软件和计算机硬件技术、数据库技术、及网络通信技术)、3自动控制及伺服驱动(交流伺服电机)、4精密检测及传感技术(是闭环和半闭环控制系统中的关键技术，精密检测的关健器件是传感受器)、5网络和通讯技术(柔性制造单元、柔性制造系统FMS、异地加工)。 其核心是由微电子技术向精密机械技术渗透所形成的机电一体化技术。 第二节 数控机床的分类与应用 一按工艺用途分类:A钻床、车床、镗床、磨床、B非金属切削机床、C自动装配机、机器人 D加工中心机床 二按运动方式分类:A点位控制(数控钻床)B点位直线控制系统C轮廓控制 三按控制方式分类:A开环控制系统(不带反馈装置)、半闭环控制系统(丝杠上装有角位移检测装置)、闭环控制系统(机床移动部件位置上直接装有直线检测装置-光栅尺) 四数控机床的精度与应用范围: 1数控机床的精度:加工精度、定位精度(刀具)、重复定位精度(下次定位)。 脉冲当量0.01-0.0005/脉冲，一般数控机床(非精密型)的加工精度约为脉冲当量的10倍，因此数控机床的加工精度通常为0.1-0.005mm。 一般情况下定位精度通常是加工精度的1/2-1/3，因此数控机床的定位精度通常为0.05-0.0025。 重复定位精度通常是定位精度的1/2-1/3，因此数控机床的重复定位精度通常为0.025-0.001。 2、数控机床的应用范围 数控机床的特点:1对加工对象改型的适应性强2加工精度高3加工生产率高4减轻操作者的劳动强度5良好的经济效益6有利于生产管理的现代化. 应用范围:1)多品种小批量生产的零件2)结构比较复杂的零件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5)需要最少生产周期的急需零件 第三节数控机床的发展 一、向高速化、高精度、和高智能化方向发展 二、机床结构的发展:多轴联动，可调整轴线位置的万能主轴部件，六杆数控机床(虚似轴机床) 三、 数控系统的发展:计算机直接控制系统DNC，由几台数控机床组成的、有工件自动运输系统和其它管理功能的柔性制造FMC 四、伺服系统执行机构的发展:交流伺服系统、数字伺服系统 五、自适应控制的发展 以数控机床为基础的自动化生产系统:1计算机直接数控DNC 2柔性制造系统FMS 3计算机集成制造系统CIMS 第二章 数控机床的结构 第一节 数控机床的结构要求 一、模块化和机电一体化:通用型数控机床、专用型数控机床、 模块化设计思想具有灵活的机床配置:床身、立柱、主轴箱、工作台、刀架系统及电气总成等部件组成部分，用户可以按需要选择最合理的功能模块配置成整机。 机电一体化是对总体设计和结构设计提出的重要要求，综合考虑机械和电气 二、提高机床的静、动刚度 机床床身的几何精度与变形所产生的定位误差取决于它们的结构刚度，支承、加强肋板、重块平衡结构、刀架刚度、预加载荷及刮研?接触刚度?承载能力、动刚性(振动)、改善动态特性、自振频率、旋转部件动平衡、 三、减少机床的热变形: 1减少发热2控制温升3改善机床结构、预拉 四、减少运动件的摩擦和消除传动间隙 滑动导轨(低速爬性的缺点)、滚动导轨、静压导轨、滑动滚动混合导轨、贴塑导轨(摩擦特性、耐磨性和吸振性) 五、提高机床的寿命和精度保持性 保持很高的开动性、独立润滑系统 六、减少辅助时间，改善操作性 第二节 数控机床主传动系统及主轴部件 一、数控机床主运动的特点:转速高、功率大，高速切削20万转;主轴转速的变换迅速可靠、自动无级变速;刀具的快速或自动装卸 二、数控机床主轴的变速方式:按照控制指令自动进行，1)P=FV齿轮传 )传动带3)电主轴(扭矩小、发热、恒转矩输出-恒功率动确保低速扭矩。2 输出) 主轴部件:精度、抗振性、热变形对加工质量有直接的影响。 1主轴轴承配制有三种2主轴的定向停止3主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置，如刀杆采用7:24的大锥度锥柄有利于定心和松夹 第三节 数控机床的进给系统 一、对进给运动的要求:高的刚度、无传动间隙、滚珠丝杠螺母副、预紧来消除轴向传动间隙、自动补偿、减少惯量 1减少运动件之间的摩擦阻力2提高传动精度和刚度3减少惯量 二、滚珠丝杠螺母副 1、滚珠丝杠螺母副的特点:外循环式、内循环式，优点1传动效率高2摩擦力小3使用寿命长4经预紧后可消除轴向间隙5反向运动时无空行程。缺点:成本高，不能实现自锁 2、滚珠丝杠螺母副的调整:为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。一般需要经过多次调整才能保证机床在最大轴向载荷下既消除了间隙又能灵活运转。 3、滚珠丝杠的安装(第8讲) 两端固定一端装有碟形弹簧 4、滚珠丝杠的防护:毛毡圈对螺母进行密封、防护罩、 、滚珠丝杠的选用:结构类型代号、精度等级、标注 5 三、进给系统传动间隙的消除: 四、导轨 高速不振动、低速不爬行、灵敏度、耐磨性、精度保持性 导轨应满足的基本要求:1良好的导向精度2良好的精度保持性3足够的刚度 分类:1滚动导轨2贴塑导轨3 第四节 数控机床回转工作台(第9讲) 一数控回转工作台(镗、铣) 二分度工作台:鼠齿盘式、定位销式(不能作圆度运动) 第五节 数控加工使用的刀具及自动换刀系统 一数控加工使用的刀具:加工前刀具的预调整 二自动换刀系统:属加工中心，应满足刀具重复定位精度高、换刀时间短 自动换刀装置的形式:1回转刀架换刀2主轴头转位换刀，转塔头3带刀库的自动换刀系统(1刀库和刀具交换装置组成，另带刀库的多主轴装置2刀库及刀具的选择方式3刀具交换装置:有刀库与主轴相对运动和机械手换刀方式) 第六节 数控加工用辅助装置 一数控加工用夹具:工作托盘 二刀具预调仪: 第三章数控加工程序编制(第十讲) 第10讲) 第一节程序编制基础( 一概述:程序编制就是将零件的工艺过程、工艺参数、刀具位移量与方向以及它辅助功能(换刀、冷却、夹紧等)?按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码及程序格式编成加工程序单?再将程序单中的全部内容记录在控制介质上，然后输给数控装置?从面指挥数控机床加工。 过程1工艺处理2数值计算3编写加工程序单4程序输入(CNC系统)5程序校验和首件试切 二数控程序指令代码: 1、 ISO、MDI手动数据输入、EIA编码和ISO编码 2、 数控机床坐标系和运动方向的规定(第11讲) Z轴:机床主轴的刀具运动方向，X轴:水平、垂直z轴，平行于工件的装卡面，Y轴:右手笛卡尔 编程坐标:一律假定工件固定不动、全部用刀具运动的坐标系编程。 3、 准备功能代码(G00-G99模态代码)和辅助功能代码 辅助功能代码:M00-M99非模态代码， M00—，M01——计划(任选)停止，M02——程序结束， M03、M04、M05——主轴正转、反转、停止，M06——换刀指令， M07、M08—2号冷却液(雾状)及1号冷却液(液状)开冷却泵， M09—冷却液停 M10、M11——运动部件的夹紧和松开，M19—主轴定向停止，M30—程式结 束 三、数控程序结构与格式(第12讲) 1、 加工程序的构成2、程序段格式3、主程序与子程序 四、常用功能指令的编程方法 (一)编程中的坐标系与基准点:1)机床零点M、机床参考点R(机械原 )工件零点P;3)起刀点与对刀点 点，由限位开关精密定位);2 (二)坐标系有关指令 1、G90绝对，G91增量，坐标系设定指令 2、G92，G54-G59用零点偏移设定工作坐标为续效指令 3、坐标平面指令G17、G18、G19 4、最小命令增量(脉冲当量) (三)快速点定位指令——G00 (四)直线插补指令——G01续效 (五)圆弧插补指令——G02顺时针、G03逆时针 (六)暂停(延迟)指令——G04非续效指令(第13讲) (七)刀具自动补偿指令——G41左偏、G42右偏、G40注销、D均为续效 指令 (八)长度补偿偏置指令——G43正偏置、G44负偏置、G40注销，用于刀 具轴向Z方向的补偿 (九)固定循环指令——G80-G89 (十)其它指令——1、进给功能指令F(单位用G94mm/min、G95mm/r指定); 2、主轴转速功能指令——S;3、刀具功能指令 (十一)辅助功能指令(第14讲) 是控制机床开-关功能的指令，M00—M99，M00程序停止，M02程序结束，M03、M04、M05—主轴正转、反转、停止，M01—计划(任选)停止(面板)，M06换刀;M07雾状冷却、M08液状冷却;M09冷却液停。 第二节程序编制中的工艺处理 一、数控工艺特点 1、 工艺详细;2工序集中;加工方法的特点 二、工序划分与机床选用 1工序集中原则2零件数控加工与普通加工工序的划分 3数控加工部位的工序划分4机床的选用5曲面加工与坐标轴数的选用-曲线的逼迫加工 三、工序设计(第15讲) 1零件的装夹与夹具2工步与走刀路线:行切法、环切法、行切法 3刀具与切削用量的选用4数控加工的工艺文件—加工工序卡、刀具卡 第三节程序编制中的数值计算 一、直线与圆弧平面轮廓的基点计算 二、非圆曲线的节点计算 三、列曲线的拟合方法 四、列表曲面数学处理方法 第四节数控车床的程序编制(第16讲) 一、数控车床的编程特点 二、车削固定循环程序 3简单螺纹循环Gzz(如G78) (第17讲) 4复杂螺纹循环Gzz;5纵向粗车复合固定循环G71及精车复合循环G70 6组合面(仿形)切削循环指令Gzz 三、圆头车刀的编程与补偿(第18讲) G41、G42;3.圆头车刀的补偿方法 四、数控车床程序编制示例 第五节镗铣加工中心的程序编制(第19讲) 一、加工中心机床泊编程特点 立式加工中心主轴轴线是垂直的 卧式加工中心主轴轴线是水平的 1合理的工艺分析2加工批量决定换刀3自动换刀足够空间4机床利用率5 编程试运行6子程序 二、FANUC-6M系统的规格与功能设置 适用于铣床和加工中心。 主轴机能S4位，直接编程;辅助机能M2位;刀具机能T2位固定循环 G73-G89 刀具位置偏差G49、G43、G44; 刀具半径补偿C:G40-G42 2、 FANUC-6M系统准备功能:装备功能G功能 G00快速点定位，G01直线插补，G02G03圆弧插补，G04暂停(延时);G09准确停止检验，G10刀具偏移量设定/工件零点偏移量设定 G17G18G19平面旋转;G45-G48刀具位置偏移增加、减少、或两位增加、减少;G60单方向定位;G61精确停校验方式;G64切削进给方式 G90G91绝对值增量值方式;G92坐标系设定 辅助功能M 三、机床坐标系统(第20讲) 1基本机床坐标系是机床固有的坐标系，开机后，通过手动返回参考点的操作建立。 2工件坐标系是编程员在编程时使用的。 工件坐标系的建立G92，编程时最好将刀具的起点和程序的原点设置在同一点处。工件坐标系的偏移G54-G59 四、自动返回参考点G27、G28、G29 1返回参考点校验G27;2自动返回参考点G28;3自动从参考点返回G29(与G28成对) 五、换刀程序 1对刀具的选择;2刀具交换;3自动换刀程序的编制:T指令在M之后执行，且指定下一次换刀的刀具号 六、固定循环功能 主要用于孔加工。 1固定循环的动作1)初始平面(安全下刀面，用G98) 2)R点平面(工进的高度平面，距工件表面2-5mm，用G99)。3)孔底平 面 2固定循环的代码(第21讲) 1) 数据形式2)返回点平面G98、G99 ;3)孔加工方式G73-G89 3固定循环指令 1) 高速深孔往复排屑钻G73;2)深孔往复排屑钻G83;3)精镗G76 4)钻孔G81锪孔G82;5)精镗孔G85精镗阶梯孔G89; 6)攻右螺纹G84与攻左螺纹G74;7)镗孔G86。8)镗孔G88;9)反镗孔 G87 七、子程序 八、加工中心编程实例 第六节自动编程(第22讲) 一自动编程系统概述 主信息处理或前置处理是通用的;后置处理是专用的，与具体机床的功能 代码和程序格式有关。 二语言编程系统 1工作原理、特点 APT-?系统:日本FANUC-P系统 2、ISO数控语言(第23讲) 1)语句成分:字符、无符号数、关键词、标识符 2)语句结构3)语句类型4)几何定义语句5)几何执行语句 3、EXAPT工艺语言 4、语言编程系统处理零件源程序过程 三、交互式图形数控编程(第24讲) 1、概述 “图像数控编程技术”推动了CAD/CAM的发展 (1)几何造型(2)刀位轨迹的生成 第四章 第一节概述 一、CNC系统的构成与功能 1、数字控制的任务:是运动轨迹程量控制和开关量控制。总体采用G、M 代码和S、T、F等。 2、CNC系统的组成 3、CNC控制器一般的工作过程: (1)输入:CNC输入工作方式有存储方式(将整个零件程序全部输入再调 出)和NC方式(边输入边加工)。(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(9)诊断 4、CNC控制器的功能 (1)轴控制功能(2)准备功能G(3)插补功能 (4)进给功能F (5)主轴功能S (6)辅助功能M (7)刀具功能T和第二辅助功能B (8)补偿功能(9)字符、图形显示功能(10)自诊断功能 (11)通信功能 (12)人机交互图形编程功能 二、CNC系统的硬件结构(第25讲) 1、常规CNC的硬件结构 (1)形式:第一种是总线式模块化结构CNC，用于高档机;第二种是以单板或专用芯片及模板组成结构紧凑的CNC，用于经济机;第三种是基于通用计算机(PC或IPC)基础上开发牟CNC。 (2)单微处理器结构 (3)多微处理器结构:共享总线结构、共享存储器结构 六种基本功能模块:?CNC管理模块?插补模块?位置控制模块?PLC(PMC)模块?命令与数据输入输出和显示模块 ?存储器模块 2、开放式CNC的硬件结构 (1)开放式CNC的定义:可互操作性、可移植性-公用、可缩放性-重新配置、可相互替代性; (2)基于PC开放式CNC的硬件配置形式 1)基于PC的有限开放CNC——?PC连接型CNC?PC内藏型CNC 2)基于PC的可开放CNC——PC机扩展槽加入专用CNC卡(CNC内藏型) 三、CNC的软件结构 1、CNC中软、硬件界面与数据转换 2、CNC系统的多任务并行处理与实时中断处理 3、常规CNC的软件结构 (1)中断型结构模式(2)前后型结构模式 4、开放式CNC的软件结构(第26讲) CNC的轨迹控制原理 第二节 一轨迹控制算法的要求与类别 二数字脉冲增量法插补(第27讲) 2逐点比较法的圆弧插补 第三节 刀具位置补偿和半径补偿(第28讲) 一刀具的位置补偿 二刀具的半径补偿 2、刀具半径的补偿方法 3、C型机能刀具半径补偿方法(第29讲) 3)C机能刀补的过切削判别 4)C机能刀补的执行过程 三、刀具的长度补偿:实际位移量=程序给定值?补偿值 “+”正偏置用G43，“-”负偏置用G44 第四节 进给速度和加减速控制 一、进给速度计算 二、进给速度控制 3、数据采样的CNC系统加减速控制(第30讲) 第五节 CNC的输入输出与通信功能 一、CNC与外部设备间数据传送要求 据通信与网络通信基础 二、数 1、通信系统的构成。2数据传输方式。3、通信中的差错检查4网络与网 络拓朴 5、介质访问控制方式。6、通信中的数据交换。7、开放系统互连参考模型 8、企业网络。 三、CNC应用的数据通信与网络通信接口 1、CNC与外部设备的数据接口 外部机床控制面板通用手摇脉冲发生器接口是EIA-232-D即RS-232C及其 变形， 25根插针(DB-25)的标准连接器 2、CNC的网络通信接口