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数控技术论文

摘要

数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。

数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。

数控机床是现代加工车间最重要的装备。

它的发展是信息技术与制造技术结合发展的结果。

现代的CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。

掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。

本次设计内容介绍了数控加工的特点、加工工艺分析以及数控编程的一般步骤。

目录

第一章数控加工概述……………………………………………………4

1.1数控加工特点……………………………………………………4

1.2数控机床………………………………………………………4

1.3数控分类………………………………………………………5

1.4数控加工………………………………………………………7

1.5数控编程系统……………………………………………………7

第二章数控编程基础及数据处理

2.1坐标系及运动方向………………………………………………8

2.2数控编程步骤……………………………………………………8

2.3数控编程的过程………………………………………………9

2.4数据编程结构……………………………………………………10

2.5数据编程的格式………………………………………………11

2.6数据编程的数据处理……………………………………………11

第三章数控加工工艺分析……………………………………………………11

3.1数控加工零件图的工艺性分析……………………………………12

3.2零件的结构工艺性分析……………………………………………12

3.3数控加工刀具路径………………………………………………13

3.4数控车削刀具路径………………………………………………13

3.5数控铣削道路路径………………………………………………13

3.6工件定位和加紧………………………………………………14

3.7夹具的选择……………………………………………………15

3.8刀具与工件的相对位置………………………………………15

3.9刀具和切削用量………………………………………………16

3.10典型数控零件的加工工艺分析………………………………17

第四章加工中心…………………………………………………………17

4.1加工中心概念…………………………………………………17

4.2加工中心分类…………………………………………………17

4．3加工中心的加工对象………………………………………18

4．4加工中心的自动换刀装置…………………………………18

4．5加工中心程序编程………………………………………18

4.6加工中心的基本编程指令………………………………20

4．7加工中心的编程简化………………………………22

4．8华中数控系统编程指令……………………………23

4．9用户宏程序………………………………………23

4．10、加工实例………………………………………24

第一章概述

1.1数控加工特点

数控加工，也称之为NC（NumericalControl）加工，是以数值与符号构成的信息，控制机床实现自动运转。

数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。

数控加工的最大特征有两点：

一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度；二是加工质量的重复性，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。

也就是说加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的。

数控加工具有如下优点：

（1）提高生产效率；不需熟练的机床操作人员；

（2）提高加工精度并且保持加工质量；

（3）可以减少工装卡具；

（4）可以减少各工序间的周转，原来需要用多道工序完成的工件，数控加工一次装夹完成加工，缩短加工周期，提高生产效率；

（5）容易进行加工过程管理；

（6）可以减少检查工作量；

（7）可以降低废、次品率；

（8）便于设计变更，加工设定柔性；

（9）容易实现操作过程的自动化，一个人可以操作多台机床；

（10）操作容易，极大减轻体力劳动强度；

随着制造设备的数控化率不断提高，数控加工技术在我国得到日益广泛的使用，在模具行业，掌握数控技术与否及加工过程中的数控化率的高低已成为企业是否具有竞争力的象征。

数控加工技术应用的关键在于计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统的质量。

1.2数控机床

20世纪40年代末，美国开始研究数控机床，1952年，美国麻省理工学院（MIT）伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床，并于1957年投入使用。

这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代开始。

数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。

世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究的发展。

我国于是1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。

经过几十年的发展，目前的数控机床已经在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。

数控机床种类繁多，模具制造常用数控加工机床有：

数控铣床、数控电火花成型机床、数控电火花线切割机床、数控磨床和数控车床。

数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其它辅助系统组成。

控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件（工作台、转台、滑板等）的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如：

固定循环（能进行重复加工）、自动换刀（可交换指定的刀具）、传动间隙补偿（补偿机械传动系统产生的间隙误差）等等。

1.3数控分类

目前数控机床的品种数量很多，功能各异，通常可按下列方法进行分类。

1、按工艺用途分

（1）金属切削类数控机床

此类数控机床包括数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、加工中心等。

（2）金属成型类数控机床

此类数控机床有数控板料折弯机、数控弯管机、数控冲床等。

（3）物种加工类数控机床

此类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等。

（4）其他类数控机床

包括数控火焰切割机、数控三坐标测量仪等。

2、按加工路线分类

（1）点位控制系统

点位控制系统又称点到点控制系统，它是指刀具从某一位置向另一目标点位置移动，不管其中间刀具移动轨迹如何而最终能准确到达目标点位置的控制方式。

点位控制的数控机床在刀具的移动过程中，并不进行加工，而是做快速空行程的定位运动。

点位控制的数控机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。

（2）直线控制系统

直线控制系统是控制刀具或机床工作台以适当速度，沿着平行于某一坐标轴方向或坐标轴成45°的斜线方向进行直线加工的控制系统。

但系统不能沿任意斜率的直线进行直线加工。

直线控制系统一般具有主轴转速控制、进给速度控制和沿平行于坐标轴方向直线循环加工的功能。

一般的简易数控系统均属于直线控制系统。

用点位直线控制系统的数控机床的数控镗铣床，数控加工中心等。

（3）连续控制系统

连续控制系统又称轮廓控制系统，该系统能对刀具相对于零件的运动轨迹进行连续控制，以加工任意斜率的直线、圆弧、抛物线或其他函数关系的曲线。

这种系统一般都是两坐标或两坐标以上的多坐标联动控制系统，其功能齐全，可加工任意形状的曲线或型腔。

采用连续控制系统的数控机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控凸轮磨和数控线切割机床等。

3、按伺服系统的类型分类

（1）开环伺服系统

只含有信号放大和变换，不带有位移检测反馈的伺服系统称为开环伺服系统或简称开环系统。

开环伺服系统既没有工作台位移检测装置，又没有位置反馈和校正控制系统，所以工作台的位移精度完全取决于步进电动机的步距角精度、齿轮箱中齿轮副和丝杠螺母副的精度与传动间隙等，这种系统很难保证较高的位置控制精度。

（2）闭环伺服系统

闭环伺服系统有位置反馈系统，可以补偿机械传动装置中的各种误差、间隙和干扰的影响，因而可以达到很高的定位精度，同时还能达到较高的速度，因此，在数控机床上得到广泛应用，特别是在精度要求高的大型和精密机床上应用十分广泛。

（3）半闭环伺服系统

用测量丝杠或电动机轴旋转角位移来代替测量工作台直线位移的伺服系统称为半闭环伺服系统

4、按控制坐标数（轴数）分类

（1）两坐标数控机床

两坐标数控机床是指同时控制两个坐标联动的数控机床，如数控车床中的数控装置可同时控制X和Z方向的运动，实现两坐标联动，可用于加工各种曲线轮廓的回转体类零件。

（2）三坐标数控机床

三坐标数控机床是指能同时控制3个坐标，实现3个坐标联动的数控机床，如数控铣床能实现三坐标联动，则称为三坐标数控铣床，可用于加工曲面零件。

（3）两轴半坐标数控机床

这种数控机床本身有3个坐标，能做3个方向的运动，但控制装置只能同时控制2个坐标，而第3个坐标仅能作等距的周期移动。

（4）多坐标数控机床

四坐标以上的数控机床称为多坐标数控机床。

多坐标数控机床结构复杂、机床精度高、加工程序设计复杂、价格昂贵，主要用于加工形状复杂的零件。

1.4数控加工

数控加工是将待加工零件进行数字化表达，数控机床按数字量控制刀具和零件的运动，从而实现零件加工的过程。

被加工零件采用线架、曲面、实体等几何体来表示，CAM系统在零件几何体基础上生成刀具轨迹，经过后处理生成加工代码，将加工代码通过传输介质传给数控机床，数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。

其过程如下图所示：

【零件信息】→【CAD系统造型】→【CAM系统生成加工代码】→【数控机床】→【零件】

（1）零件数据准备：

系统自设计和造型功能或通过数据接口传入CAD数据，如STEP，IGES，SAT，DXF，X-T等；在实际的数控加工中，零件数据不仅仅来自图纸，特别在广泛采用Internet网的今天，零件数据往往通过测量或通过标准数据接口传输等方式得到。

（2）确定粗加工、半精加工和精加工方案。

（3）生成各加工步骤的刀具轨迹。

（4）刀具轨迹仿真。

（5）后期处理输出加工代码。

（6）输出数控加工工艺技术文件。

（7）传给机床实现加工。

1.5数控编程系统

数控加工机床与编程技术两者的发展是紧密相关的。

数控加工机床的性能提升推动了编程技术的发展，而编程手段的提高也促进了数控加工机床的发展，二者相互依赖。

现代数控技术下在向高精度、高效率、高柔性和智能化方向发展，而编程方式也越来越丰富。

数控编程可分为机内编程和机外编程。

机内编程指利用数控机床本身提供的交互功能进行编程，机外编程则是脱离数控机床本身在其他设备上进行编程。

机内编程的方式随机床的不同而异，可以以“手工”的形式分行输入控制代码（手工编程）、交互方式输入控制代码（会话编程）、图形方式输入控制代码（图形编程），甚至可以语音方式输入控制代码（语音编程）或通过高级语言方式输入控制代码（高级语言编程）。

但机内编程一般来说只适用于简单形体，而且效率较低。

机外编程也可以分成手工编程、计算机辅助APT编程和CAD/CAM编程等方式。

机外编程由于其可以脱离数控机床进行数控编程，相对机内编程来说效率较高，是普遍采用的方式。

随着编程技术的发展，机外编程处理能力不断增强，已可以进行十分复杂形体的灵敏控加工编程。

随着微电子技术和CAD技术的发展，自动编程系统也逐渐过渡到以图形交互为基础的与CAD集成的CAD/CAM系统为主的编程方法。

与以前的语言型自动编程系统相比，CAD/CAM集成系统可以提供单一准确的产品几何模型，几何模型的产生和处理手段灵活、多样、方便，可以实现设计、制造一体化。

虽然数控编程的方式多种多样，毋庸置疑，目前占主导地位的是采用CAD/CAM数控编程系统进行编程。

第二章数控编程基础及数据处理

2.1坐标系及运动方向

在数控机床上加工工件，刀具与工件的相对运动是以数字的形式来体现的，因此，必须建立相应的坐标系，才能明确刀具和工件的位置。

为了便于编程时描述机床的运动，简化编程方法保证记录数据的互换性，数控机床的坐标系和运动方向均已标准化。

1.坐标系的命名

在标准中规定了以右手直角笛卡儿坐标系作为标准坐标系。

在笛卡儿坐标系中，用X、Y、Z表示3个直线坐标轴，三者之间的相互关系及正方向用右手定则判定，其正方向用+X、+Y、+Z表示；围绕X、Y、Z各轴的回转坐标轴分别为A、B、C坐标轴，其正方向分别为+A、+B、+C用右手螺旋定则判断。

2.机床坐标轴的确定方法

确定机床坐标轴时，一般顺序是先确定Z轴，再确定X轴和Y轴。

（1）先确定Z轴

一般是选取产生切削力的轴线作为Z轴，同时规定刀具远离工作的方向作为Z轴的正方向。

（2）对于有主轴的机床

X轴一般平行于工件装夹面且与Z轴垂直。

（3）最后确定Y轴

转坐标分别为A、B或C坐标。

各回转坐标的正方向根据右手螺旋定则确定。

Y轴垂直于X轴和Z轴。

当X轴和Z轴及正方向确定后，按右手直角笛卡儿坐标系即可判定Y轴及正方向。

（4）机床的的附加坐标系

为了编程和加方便，有时要设置附加坐标系。

如果在X、Y、Z坐标的运动之外还有第二组和第三组坐标平行于它们，则分别用U、V、W和P、Q、R指定。

（5）机床的加转坐标

数控机床上有回转进给运动时，且回转轴线平行于X、Y、或Z坐标，则对应的加

3.机床坐标系与工件坐标系

在确定机床各坐标轴及方向后，还需要进一步明确机床坐标系和工件坐标系的区别，并确定坐标系的原点位置。

4.机床原点与机床参考点

机床原点又称为机械原点，是机床坐标系的原点。

该点是机床上一个固定的点，其位置是由机床设计和制造单位确定的，通常不允许用户改变。

它是其他所有坐标，如工件坐标系，机床参考点的其准点，也是制造和调整机床的基础。

机床原点是通过机床参考点间接确定的，机床参考点也是机床上一个固定的点，它与机床原点之间有一确定的相对位置，一般设置在刀具运动的X、Y、Z轴正向最大极限位置，其位置由机械挡块确定。

机床参考点由机床制造厂测定后输入数控系统，用户不能更改。

数控机床通电时并不知道机床原点的位置，在机床每次通电之后，工作之前，必须进行回参考点操作，使刀具或工作台移动到机床参考点，以建立机床坐标系。

当完成回参考点操作后，显示器即显示出机床参考点在机床坐标系中的坐标值，表明机床坐标系已自动建立。

可以说，回参考点操作是对基准的重新核定，可消除多种原因产生的基准偏差。

5.工件坐标系与工件原点

工件坐标系是由编程人员根据零件图样及加工工艺，以零件上某一固定点为原点建立的坐标系，又称为编程坐标系或工作坐标系。

工件坐标系是用来确定工件几何形体上各要素的位置而设置的坐标系。

工件原点的位置是根据工件的特点人为设定的，所以也称编程原点。

工件坐标系原点的选择要尽量满足编程简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等条件。

一般情况下，以坐标式尺寸标注的零件，选择设计基准点即尺寸标注起点作为编程原点；对称零件或同心圆为主的零件，编程原点应选在对称中心线或圆心上。

2.2数控编程的步骤

1.分析零件图样和进行工艺处理

在数控机床上加工零件，零件图是操作者的原始资料。

对零件图样规定的技术特点、几何形状、尺寸及工艺要求进行分析，确定加工方案，选择合适的数控机床，选择、设计刀具和夹具，确定合理的走刀路线，选择合理的切削用量。

在确定工艺过程中，应充分考虑数控机床的所有功能，做到加工路线短、走刀次数少、换刀次数少等。

2.进行数据处理

根据零件的形状、尺寸和走刀路线，计算出零件轮廓线上各几何元素的起点、终点和圆弧的圆心坐标。

若数控系统没有刀补功能，则应计算刀心轨迹。

当用直线、圆弧来逼近非圆曲线时，应计算曲线上各节点的坐标值。

若某尺寸带有上下偏差时，通常编程时应取尺寸的平均值。

3.编写零件加工程序

根据工艺过程的先后顺序，用机床规定的代码和程序格式编写零件加工程序单。

编程员应对数控机床的性能、程序代码非常熟悉，才能编写出正确的零件加工程序。

4.程序输入

目前常用的方法是能过操作面板上的键盘直接将程序输入数控机床，或插入存储卡输入，或采用微机存储加工程序，经过串行接口RS-232将加工程序传入数控装置或计算机直接数控（DNC）通信接口，可以边传送边加工。

5.程序校验

通过数控机床的图形模拟功能，可进行图形模拟加工，检查刀具轨迹是否正确。

由于只能大致检查出刀具运行轻迹的正确性，而且验出出对刀误差和因某些计算机误差引起的加工误差及加工精度，所以还要进行首件试切，试切后若发现工件不符合要求，可修改程序或进行刀具尺寸补偿。

2.3数控编程的方法

1.手工编程

手工编程主要由人工来完成数控机床程序编制各个阶段的工作，一般补加工零件形状不复杂和程序较短时，可以采用手工编程的方法，它要求编程人员不仅要熟悉数控指令及编程规则，还要具备数控加工工艺知识和数值计算能力。

2.自动编程

自动编程即计算机辅助编程，是利用计算机及专用自动编程软件，以人一机对话方式确定加工对象和加工条件，自动进行运算并生成指令的编程过程。

自动编程主要用于曲线轮廓、三维曲面等复杂型面的编程。

利用自动编程，可缩短生产周期，提高机床的利用率，有效地解决各种模具及复杂零件的加工。

（1）语言数控自动编程（APT）

他是指加工零件的几何尺寸、工艺要求、切削参数及辅助信息等用语言编写的零件源程序后，输入到计算机中，再由计算机进一步处理得到零件加工程序。

（2）绘图数控自动编程

他指用CAD/CAM软件将零件图形信息直接输入计算机，以人一机方式确定加工条件，并进行虚拟加工，最总得到加工程序。

2.4数据编程的结构

一个完整的程序由程序号、程序的内容和程序结束3部分组成

（1）程序号：

在数控系统中，系统的存储器里可以存储多个程序。

为了把这些程序想互区别开，在程序的开头，冠心用地址O（FANUC系统）及后续4位数值构成的程序名。

（2）程序内容：

程序内容是整个程序的核心，它由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令构成，它表示数控机床要完成的全部动作。

（3）程序结束：

程序从程序名开始，用M30、M02或M99结束。

在执行程序中，如果检测出程序结束：

M30、M02或M99，则系统结束执行程序。

2.5数据编程的格式

1、程序段格式

程序段格式是指在同一个程序段中关于字母、数字、符号等各个信息代码的排列顺序和含义在规定表示方法。

2、编程规则

（1）绝对值编程和增量值编程

数控加工程序中表示几何点的坐标位置有绝对值和增量值两种方式，绝对坐标是指点的坐标值是相对于“工作原点”计量的。

增量坐标又叫相对坐标，是指运动终点的坐标值是以“前一点”的坐标为起点来计量的。

（2）小数点编程

数控编程时，可以使用小数点编程，每个数字都有小数点。

也可使用脉冲数编程，数字中不写小数点。

（3）续效性功能

大多数G指令和M指令都具有有续效性功能，除非它们被同组中的指令取代或取消，否则一直保持有效。

另外，当X、Y、Z、F、S、T字的内容不变时，下一个程序段会自动接受此内容，因为也可省略不写。

2.6数控编程的数据处理

数控机床是将工艺规划好的加工路径等信息编写成程序，控制刀具与工件间的相对运动而进行加工的，刀具路径规划的原始依据是零件图纸。

无论是手工编程还是自动编程，都要按已经确定的加工路线和允许的误差进行刀位点的计算。

所谓刀位点即为刀具运动过程中的相关坐标点，包括基点和节点。

一般数控机床只有直线和圆弧插补功能，当刀具路径规划好后，需要知道刀具路径上各直线和圆弧要素的节点坐标数据，才能进行编程。

这些编程所需要的数据在零件图上往往未必都能直接获得。

当被加工工件轮廓是非圆曲线，而数控机床又不具备相应的插补功能时，就只能用若干直线或圆弧段对非圆曲线进行拟合，以近似代替实际轮廓曲线，这就需要计算出各拟合段的交点坐标，从而编制出各拟合段程序。

第三章数控加工工艺分析

数控工艺加工工艺是随着数控机床的生产、发展而逐步建立起来的一种应用技术，是通过大量数控加工实践的经验总结，是数控机床加工零件过程中所使用的各种技术、方法的综合。

3.1数控加工零件图的工艺性分析

数控加工零件的加工内容确定后，应对零件的数控加工工艺进行全面、仔细、认真的分析。

主要是零件图分析、结构工艺性分析、零件安装方式的选择等内容。

1.尺寸标注方式分析

为使编程方便，在数控加工零件图上，尺寸的标注方式应体现数控加工的特点，即以同一基准标注尺寸或直接按坐标方式标注尺寸。

由于数控加工精度和重复定位精度都很高，不会因产生较大的累积误差而破坏零件的使用特性，因此，可将局部的分散标注法改为同一基准标注或直接给出坐标尺寸的标注法。

2.轮廓几何要素分析

由于手工编程时，要计算每个基点的坐标，在自动编程时，要对构成轮廓的所有几何要素进行定义，在分析零件图时，要分析几何要素的给定条件是否充分。

在零件图设计时，如果出现构成加工轮廓的条件不充分，尺寸模糊不清，将使编程存在困难。

3.精度及技术要求分析

在确定加工方法，装夹方式、刀具及切削用量之前，必须对零件的加工精度及技术要术进行分析，分析的主要内容有4个方面：

一是分析精度及各项技术要求是否齐全合理；二是分析机床的加工精度能否达到加工要求；三是找出有位置精度要求的表面，这些表面应安排在一次安装中完成；四是对表面粗糙度要求较高的表面应采取恒线速度切削功能进行加工。

3.2零件的结构工艺性分析

零件的结构工艺性是指所设计地零件在满足使用要求的前提下制造的可行性和经济性。

良好的结构工艺性，可以使零件加工容易，节省工时和材料。

而较差的零件结构工艺性，会使加工困难，浪费工时和材料，有时甚至无法加工，因此，零件各加工部位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应尽量采用统一的几何类型和尺寸，尤其是加工面转接处的凹圆弧半径，一根轴上直径差不大的各轴肩处的退刀槽宽度最好统一尺寸。

这样可以减少刀具规格和换刀次数，使编程方便，提高生产效率。

2.内槽及缘板之间转接圆角的大小决定着刀具直径的大小，所以内槽圆角半径不应太小。

3.铣削零件槽底平面时，槽底圆角半径R不要过大。

（1）应采用统一的基准定位

在数控加工中若没有统一的定位基准，则会因工作的二次装夹而造成加工后两个面上的轮廓位置及尺寸不协调现象。

另外，零件上最好有合适的孔作为定位基准孔。

若没有则应设置工艺作为定位基准孔。

若无法制出工艺孔，也要用精加工表面作为统一基准，以减少二次装夹主生的误差。

（2）注意分析零件的变形情况

零件在数控加工时的变形，不仅影响加工质量，而且当变形较大时，将使加工不能继续进行下去，这时就应当考虑采取一些必要的工艺措施时行预防，如对钢件进行调质处理，对铸铝件进行退火处理，对不能用热处理方法解决的，也可考虑粗、精分步加工及对称去余量等常规方法。

（3）考虑分析毛坯的结构工艺件

在数控加工零件时，加工过程是自动的，毛坯余量的大小、如何装夹等问题在选择毛坯时就要仔细考虑好。

否则，一旦毛坯不适合数控加工，加工过程将很难进行下去