机床数控原理教案与讲稿.docx
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机床数控原理教案与讲稿
教案
授课时间
2月28日至3月1日
课时数
4
授课方式
理论课☑讨论课□习题课□实验课□上机课□技能课□其他□
授课单元
第一章数控系统概述
1．1基本概念概念
1．2计算机数控系统
1.3数控机床与现代机械制造系统
目的
与
要求
1、认识数控技术的重要性，明确课程学习的目标、要求，激发学习本课程的兴趣。
2、了解计算机数控系统
3、掌握数控加工技术的基本概念
重点
与
难点
1．计算机数控系统
2．数控机床与现代机械制造系统
主
要
内
容
1、数控系统的基本概念
2、数字控制的基本原理
3、数控机床的种类分别
4、CNC系统的功能
5、CNC系统的软件构成
6、现代机械制造系统
教学方法手段（教具）
借助辅助教材利用板书的方式进行教学
参考资料
《数控机床构造》蔡厚道北京理工大学出版社
思考题、
作业
无
讲稿
第一章数控系统概述
1.1基本概念
新课导入
内容：
计算机直接数控系统就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。
早期的DNC系统，其中的数控机床不再带有自己的数控装置，它们的插补和控制功能全部由中央计算机来完成，这种方式可靠性不高，已被淘汰。
现代的DNC系统中，各台数控机床的数控装置全部保留，并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络，实现集中处理和分级控制，使系统具有生产管理、作业调度、工况显示、监控和刀具寿命管理的能力，为FMS的发展提供了基础。
因此现代的DNC系统又被称为分布式数字控制系统。
目的：
使学生了解数控机床的发展过程以及在国民生活中的应用。
时长：
3-5分钟
新课讲授：
1、 数控系统的基本概念
数控系统，就是利用数字化信息进行控制的系统，被控制的对象可以是各种生产过程，在本书中讨论的数控系统特指利用数字化信息对机床进行控制的系统。
1）数字化信息——数字信息构成的控制程序
2）控制对象——各种生产过程
数控系统组成框图
2、 数字控制的基本原理
原理：
首先将被加工零件的有关信息（几何信息、工艺信息等）表示成数字控制装置所能接受的指令信息，然后由数字控制装置对指令信息和反馈信息进行处理，计算出机床各坐标运动的控制信息，最后将控制信息转换为机床各坐标部件的实际运动，加工出符合设计要求的零件。
实质：
机床数字控制是一种信息变换与处理的过程，其基本原理可以用“分解与合成”进行概括。
1）零件表面信息的分解；
2）刀具轨迹信息的分解；
3）基本曲线信息的分解；
4）坐标运动的实现；
5）刀具轨迹的合成；
6）加工路径的合成；
3、 数控系统的分类
1）按运动轨迹分类
◆点位数控系统
这种数控系统仅控制机床运动部件从一点准确地移动到另一点，在移动过程中不进行加工，对移动部件的移动速度和运动轨迹没有严格要求。
◆直线数控系统
这类数控系统除了控制机床运动部件从一点到另一点的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和运动轨迹。
◆轮廓数控系统
这类数控系统能对两个以上机床坐标轴的移动速度和运动轨迹同时进行连续相关的控制，能够进行各种斜线、圆弧、曲线的加工。
2）按伺服系统分类
◆开环数控系统
无检测反馈，信号流程单向，结构简单，成本较底，调试简单，精度、速度受到限制，执行元件通常采用步进电机。
◆半闭环数控系统
有检测反馈，但不包含机械传动元件的误差，精度较高，稳定性高，调试方便，执行元件通常采用伺服电机。
◆闭环数控系统
有检测反馈，包含机械传动元件误差，精度高，稳定性不易保证，调试复杂，执行元件通常采用伺服电机。
3）按功能水平分类
◆经济型数控系统
这类数控系统通常采用8位CPU或单片机控制，分辨率一般为0.01mm，进给速度达6~8m/min，联动轴数在3轴以下，具有简单的CRT字符显示或数码管显示功能。
◆普及型数控系统
这类数控系统通常采用16位的CPU，分辨率可达0.001mm，进给速度达10~24m/min，联动轴数在4轴以下，具有平面线性图形显示功能。
◆高级型数控系统
这类数控系统通常采用32位的CPU，分辨率高达0.0001mm，进给速度可达100m/min，联动轴数在5轴以上，具有3维动态图形显示功能。
4、 机床数控技术的发展
1）1952年，电子管数控系统，第一代
2）1959年，晶体管数控系统，第二代
3）1963年，集成电路数控系统，第三代
4）1970年，小型计算机数控系统第四代
5）1974年，微型计算机数控系统，第五代
6）20世纪80年代，基于PC的数控系统，第六代
1.2计算机数控系统
1、 CNC系统的功能
1）基本功能
◆控制功能
◆G功能
◆插补功能
◆主轴功能
◆M功能
◆刀具功能
◆补偿功能
◆显示功能
2）先进功能
◆模拟加工功能
◆监测和诊断功能
◆动力刀具和C轴功能
◆虚拟轴功能
◆DXF图形文件支持功能
◆循环加工功能
◆测量检验功能
◆自适应控制功能
2、 CNC系统的软件构成
CNC系统的这些子软件并不是完全独立的，很多情况下它们必须交叉运行。
3、 CNC系统的硬件构成
从CNC系统的外部硬件构成上看，一般可以分为键盘、显示器、主机单元、控制单元和功率模块几个部分。
从CNC系统的内部硬件结构上看，CNC系统的硬件构成一般可分为单CPU结构和多CPU结构两大类。
单CPU结构的CNC系统硬件构成图
多CPU结构的CNC系统硬件构成图
单CPU结构的CNC系统的特点是：
CNC系统的所有功能都是通过一个CPU进行集中控制、分时处理来实现的；该CPU通过总线与存储器和各种接口电路相连。
这种结构简单、易于实现，但由于只有一个CPU，系统功能受到CPU字长、运算频率等因素的限制，难以满足一些复杂功能的要求。
多CPU结构的CNC系统的特点是结构模块化，这样缩短了设计制造周期，具有良好的适应性和扩展性。
由于每个CPU分管各自的任务，形成若干个模块，如果某个模块出现了故障，其他模块仍能正常工作，并且插件模块更换方便，可以使故障对系统的影响减少到最小，提高了可靠性。
4、 CNC系统的工作过程
1.3现代机械制造系统
1、现代机械制造系统简介
1）计算机直接数控系统（DNC）
计算机直接数控系统就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。
早期的DNC系统，其中的数控机床不再带有自己的数控装置，它们的插补和控制功能全部由中央计算机来完成，这种方式可靠性不高，已被淘汰。
现代的DNC系统中，各台数控机床的数控装置全部保留，并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络，实现集中处理和分级控制，使系统具有生产管理、作业调度、工况显示、监控和刀具寿命管理的能力，为FMS的发展提供了基础。
因此现代的DNC系统又被称为分布式数字控制系统。
2）柔性制造系统（FMS）
带有自动换刀装置的数控加工中心是FMS的基本级别。
其后出现的柔性制造单元（FMC）是较高的一个级别，它一般由一台单元控制计算机、多台加工中心和自动更换工件的托盘站或工业机器人组成。
在多台加工中心和FMC的基础上，增加刀具和工件在加工设备和仓储之间的流通和自动化立体仓库的存储，以及工件检测，并由高一级计算机对整个系统进行控制和管理，这样就构成了FMS，它可以实现对多品种零件的全部机械加工或部件装配。
3）计算机集成制造系统（CIMS）
计算机集成制造系统是指将制造工厂全部生产经营活动（市场需求、设计、制造、管理和销售等）中所涉及的子系统通过计算机和网络有机集成在一起的自动化系统。
包括管理信息系统（MIS）、工程设计系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）、质量保证系统（QAS）、制造自动化系统（MAS）、数据库（DB）和通讯网络（NET）。
CIMS示范工程
2、数控机床与现代机械制造系统的关系
现代机械制造系统的一个共同特点是都以数控机床作为其基本组成单元和技术基础。
因此，现代数控机床必须具备有单元功能和通信功能。
1）单元功能：
单元功能是数控机床能够作为一个独立的机械制造单元而必须具备的功能，包括任务管理、托盘管理和刀具管理。
2）通信功能：
数控机床作为现代机械制造系统中的制造执行单元，对上需要与上级控制计算机进行通信，接收控制信息和反馈现场情况；对下需要与执行机构和传感器进行通信，发出控制指令和接收反馈信号；中间要与其它制造单元进行通信，进行相互任务的协调。
【教学后记】：
教案
授课时间
3月5日至3月7日
课时数
2
授课方式
理论课☑讨论课□习题课□实验课□上机课□技能课□其他□
授课单元
第二章数控加工的程序编制
2.1程序编制的基础知识
2.1.1程序的输入方式及机床通信方法
2.1.2数控加工程序的译码与诊断
目的
与
要求
1、了解数控编程的基本概念
2、掌握数控机床的坐标系建立和方向的判断
3、掌握数控编程中的指令代码及程序结构和格式
4、掌握数控编程中的有关标准及代码
重点
与
难点
1、数控机床坐标系和方向
2、编程中的指令代码及程序结构和格式（难点）
3、数控加工程序的译码与诊断（难点）
主
要
内
容
1、数控加工程序输入
2、数控机床的通信方式
3、数控加工程序的译码与诊断
4、数控机床的坐标系确定
5、数控机床编程的准备G功能指令
6、数控机床编程的辅助M功能指令
教学方法手段（教具）
借助辅助教材利用板书的方式进行教学
参考资料
《数控编程》机械工业出版社
思考题、
作业
讲稿
第二章数控加工的程序编制
旧课复习：
内容：
数控系统基本概念，数控机床与现代机械制造
目的：
使学生复习以往知识，对新课的导入起到一定的作用。
时长：
5分钟
新课导入
内容：
计算机直接数控系统就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。
早期的DNC系统，其中的数控机床不再带有自己的数控装置，它们的插补和控制功能全部由中央计算机来完成，这种方式可靠性不高，已被淘汰。
现代的DNC系统中，各台数控机床的数控装置全部保留，并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络，实现集中处理和分级控制，使系统具有生产管理、作业调度、工况显示、监控和刀具寿命管理的能力，为FMS的发展提供了基础。
因此现代的DNC系统又被称为分布式数字控制系统。
目的：
使学生了解数控机床的发展过程以及在国民生活中的应用。
时长：
3-5分钟
新课讲授：
2.1数控加工程序输入
1、 数控加工程序的输入方式
1）键盘方式输入
◆键盘是数控机床上常用的人机对话输入设备，通过键盘可以向数控装置输入加工程序、机床参数和系统信息。
◆键盘分为全编码键盘和非编码键盘两种类型。
◆键盘输入方式要求操作者必须了解数控加工程序的编制规则，对操作者的专业性要求较高。
为了降低对操作者的要求，已有数控系统生产厂家（德国HEIDENHAIN公司）开发了“对话式编程方法”。
2）存储器方式输入
◆数控加工程序存放在内部存储器中，称为内存储器方式；存放在外部存储器中，称为外存储器方式。
◆内存储器，容量较小，只有几百KB到几个MB。
◆CF卡、U盘和移动硬盘等外存储设备，存储容量大、交换速度快，弥补了部分数控系统内部存储器容量较小的不足。
3）通信方式输入
◆现代数控系统一般都配置了标准通信接口，使数控系统可以与其他计算机或外部设备之间进行信息交换。
◆串行通信接口RS-232C，
◆以太网络接口Ethernet，
◆现场总线接口Profibus。
2、 数控加工程序的存储
◆按输入代码的先后次序直接存储
◆按先后次序转换成内码后存放
◆内码的使用可加快译码的速度
◆数控加工程序存储举例：
N05G90G01X203Y-17F46M03LF
常用数控加工代码及对应内码
数控加工程序存储器内码存储情况表
2.2数控加工程序的译码与诊断
1、 数控加工程序的译码
◆译码就是将标准代码编写的数控加工程序翻译成数控系统内部易于处理的形式，也就是将数控加工程序存储器中存储的内码转化成能够控制机床运动的专门信息后，存放到相应的译码结果缓冲存储单元中。
1）代码识别
◆代码识别是通过软件将数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器中的内码读出，并判断该数据的属性。
◆如果是数字码，即设置相应的标志并转存。
◆如果是字母码，则进一步判断该码的具体功能，然后设置代码标志并转入相应的处理。
代码识别流程图
2）代码翻译
◆代码识别为各功能代码设立了一个特征标志，对各功能码的相应处理由代码翻译来完成。
每一个程序段的译码结果存放在相应的译码结果缓冲器内。
译码结果缓冲器的存储格式
◆由于有些代码的功能属性相同或相近，它们不可能出现在同一个程序段中，也就是说这些代码具有互斥性。
◆将G代码、M代码按功能属性分组，每一组代码只需要设置一个独立的内存单元，并以特征字来区分本组中的不同代码。
常用G代码分组
常用M代码分组
2、数控编程的基础知识
1）数控编程的概念
在数控机床上加工零件，首先要进行程序编制，将零件的加工顺序、工件与刀具相对运动轨迹的尺寸数据、工艺参数（主运动和进给运动速度、切削深度等）以及辅助操作等加工信息，用规定的文字、数字、符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，并将程序单的信息通过控制介质输入到数控装置，由数控装置控制机床进行自动加工。
从零件图纸到编制零件加工程序和制作控制介质的全部过程称为数控程序编制。
2）数控编程的方法
◆手工编程。
手工编程时，整个程序的编制过程由人工完成。
这就要求编程人员不仅要熟悉数控代码及编程规则，而且还必须具备机械加工工艺知识和一定的数值计算能力。
手工编程对简单零件通常是可以胜任的，但对于一些形状复杂的零件或空间曲面零件，编程工作量十分巨大，计算繁琐，花费时间长，而且非常容易出错。
不过，根据目前生产实际情况，手工编程在相当长的时间内还会是一种行之有效的编程方法。
手工编程具有很强的技巧性，并有其自身特点和一些应该注意的问题，将在后续内容中予以阐述。
◆自动编程。
自动编程是指编程人员只需根据零件图样的要求，按照某个自动编程系统的规定，编写一个零件源程序，输入编程计算机，再由计算机自动进行程序编制，并打印程序清单和制备控制介质。
自动编程既可以减轻劳动强度，缩短编程时间，又可减少差错，使编程工作简便。
目前，实际生产中应用较广泛的自动编程系统由数控语言编程系统和图形编程系统。
数控语言编程系统最主要的是美国的APT（AutomaticallyProgrammedTools——自动化编程工具），它是一种发展最早、容量最大、功能全面又成熟的数控编程语言，能用于点位、连续控制系统以及2～5坐标数控机床，可以加工极为复杂的空间曲面。
数控图形编程系统是利用图形输入装置直接向计算机输入被加工零件的图形，无需再对图形信息进行转换，大大减少了人为错误，比语言编程系统具有更多的优越性和广泛的适应性，提高了编程的效率和质量。
另外，由于CAD（ComputerAidedDesign）的结果是图形，故可利用CAD系统的信息生成NC（NumericalControl）程序单。
所以，它能实现CAD/CAM（ComputerAidedManufacturing）的集成化。
正因为图形编程的这些优点，现在乃至将来一段时间它是自动编程的发展方向，必将在自动编程方面占主导地位。
目前，生产实际中应用较多的商品化的CAD/CAM系统主要有国外引进的UnigraphicsⅡ、Pro/Engineer、CATIA、Solidworks、Mastercam、SDRC/I-DEAS、DELCAM等，技术较为成熟的国产CAD/CAM系统是北航海尔的CAXA。
在机械制造方面，CAD/CAM系统的内容一般包含：
二维绘图，三维线架、曲面、实体建模，真实感显示，特征设计，有限元前后置处理，运动机构造型，几何特性计算，数控加工和测量编程，工艺过程设计，装配设计，板金件展引和排样，加工尺寸精度控制，过程仿真和干涉检查，工程数据管理等。
其中，对产品模型进行计算机辅助分析，包括运动学及动力学分析与仿真（Kinematics&Dynamics）、有限元分析与仿真FEA（FiniteElementAnalysis）、优化设计OPT（OPTimization）,又称为计算机辅助工程CAE（ComputerAidedEngineering）。
综上所述，对于几何形状不太复杂的零件和点位加工，所需的加工程序不多，计算也较简单，出错的机会较少，这时用手工编程还是经济省时的，因此，至今仍广泛地应用手工编程方法来编制这类零件的加工程序。
但是对于复杂曲面零件；几何元素并不复杂，但程序量很大的零件（如一个零件上有数千个孔）；以及铣削轮廓时．数控装置不具备刀具半径自动偏移功能，而只能按刀具中心轨迹进行编程等情况。
由于计算相当繁琐及程声量大，手工编程就很难胜任，即使能够编出来，也耗时长，效率低，易出错。
据国外统计，用手工编程时，一个零件的编程时间与在机床上实际加工时间之比，平均约为30：
1。
数控机床不能开动的原因中有20～30％是由于加工程序不能及时编制出来而造成的，因此，必须要求编程自动化。
3）数控编程的步骤
数控编程的一般步骤如图所示。
数控编程的步骤
◆分析图样、确定加工工艺过程
在确定加工工艺过程时，编程人员要根据图样对工件的形状、尺寸、技术要求进行分析，然后选择加工方案、确定加工顺序、加工路线、装卡方式、刀具及切削参数，同时还要考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能，加工路线要短，要正确选择对刀点、换刀点，减少换刀次数。
◆数值计算
根据零件图的几何尺寸、确定的工艺路线及设定的坐标系，计算零件粗、精加工各运动轨迹，得到刀位数据。
对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值，有的还要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。
对于形状比较复杂的零件（如非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段或圆弧段逼近，根据要求的精度计算出其节点坐标值，这种情况一般要用计算机来完成数值计算的工作。
◆编写零件加工程序单
加工路线、工艺参数及刀位数据确定以后，编程人员可以根据数控系统规定的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序单。
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、工件安装和零点设定卡片、数控加工程序单等。
◆制备控制介质
制备控制介质就是把编制好的程序单上的内容记录在控制介质（穿孔带、磁带、磁盘等）上作为数控装置的输入信息。
目前，随着计算机网络技术的发展，可直接由计算机通过网络与机床数控系统通讯。
◆程序校验与首件试切
程序单和制备好的控制介质必须经过校验和试切才能正式使用。
校验的方法是直接将控制介质上的内容输入到数控装置中，让机床空运转，以检查机床的运动轨迹是否正确。
还可以在数控机床的显示器上模拟刀具与工件切削过程的方法进行检验，但这些方法只能检验出运动是否正确，不能查出被加工零件的加工精度。
因此有必要进行零件的首件试切。
当发现有加工误差时，应分析误差产生的原因，找出问题所在，加以修正。
所以作为一名编程人员，不但要熟练数控机床的结构、数控系统的功能及标准，而且还必须是一名好的工艺人员，要熟悉零件的加工工艺、装夹方法、刀具、切削用量的选择等方面的知识。
3、数控铣床坐标系
规定数控机床坐标轴和运动方向，是为了准确地描述机床运动，简化程序的编制，并使所编程序具有互换性。
国家标准化组织已经同意了标准的坐标系。
我国的标准JB/T3051-1999《数控机床坐标和运动方向命名》数控标准为：
ISO841:
1974等效。
1）坐标系命名
标准坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系，这个坐标系的各个坐标轴与机床的主要导轨相互平行。
◆刀具相对运动，工件静止的原则
通常在坐标系命名或编程时，不论机床在加工中是刀具移动，还是被加工工件移动，都一律家丁被加工工件相对静止不动，而刀具在移动。
◆运动方向的原则
规定刀具远离工件的方向为坐标的正方向。
右手笛卡尔坐标系命名图
2）机床坐标轴的确定方法
机床坐标轴的方向取决于机床的类型和各组成部分的布局，通常有以下规律：
◆Z轴
通常把传递切削力的主轴定为Z轴。
对于工件旋转的机床，如车床、磨床等，工件转动的轴为Z轴：
对于刀具旋转的机床，如镗床、铣床、钻床等，刀具转动的轴为Z轴：
◆X轴
X轴一般平行于工件装夹面且与Z轴垂直。
对于工件旋转的机床，如车床、磨床等，X坐标的方向是在工件的径向上，且平行于横向滑座，刀具远离工件旋转中心的方向为X轴的正向：
对于刀具旋转的机床（如铣床、镗床、钻床等），若z轴是垂直的，面对刀具主轴向立柱看时，X轴正向指向右：
若Z轴是水平的，当从主轴向工件看时，X轴正向指向右。
◆Y轴
当X轴与Z轴确定后，Y轴垂直于Z轴和X轴，其方向可按右手直角笛卡尔定则确定。
数控立式铣床的坐标系
4、 数控加工程序的诊断
数控加工程序的诊断是指在译码过程中，对不规范的指令格式进行检查并提示操作者修改的功能。
诊断一般包括语法错误诊断和逻辑错误诊断两种类型。
语法错误是指程序段格式或程序字格式不规范的错误；逻辑错误是指整个程序或一个程序段中功能代码之间相互排斥、互相矛盾的错误。
1）语法错误
◆程序段的第一个代码不是N代码；
◆N代码后的数值超过了数控系统规定的取值范围；
◆在程序中出现了系统没有约定的字母代码；
◆坐标代码后的数值超越了机床的行程范围；
◆S、F、T代码后的数值超过了系统约定的范围；
◆出现了数控系统中没有定义的G代码；
◆出现了数控系统中没有定义的M代码。
2）逻辑错误
◆在同一个程序段中先后出现两个或两个以上同组的G代码；
◆在同一个程序段中先后出现两个或两个以上同组的G代码；
◆在同一个程序段中先后出现相互矛盾的尺寸代码；
◆在同一个程序段中超量出现M代码。
译码与诊断流程图
【教学后记】：
教案
授课时间
3月8日至3月12日
课时数
4
授课方式
理论课☑讨论课□习题课□实验课□上机课□技能课□其他□
授课单元
第二章数控加工程序编制
2.2数控铣床程序的编制
2.4数控车床程序的编制
目的
与
要求
1、了解数控数控程序的编制基本技巧
2、掌握数控铣床程序的编制中的指令格式及代码
3、掌握数控车床程序的编制中的指令格式及代码
重点
与
难点
1、数控程序的格式和基本语句
2、数控程序编制中的节点计算（难点）
3、数控程序编制中的循环语句使用方法（难点）
主
要
内
容
1、数控铣床的程序编制
1）XK0816简介
2）功能码翻译
3）程序格式
4）轨迹生成
2、数控车床的程序编制
1）车床概述
2）车削指令代码
3）编程方法
4）循环指令
教学方法手段（教具）
借助辅助教材利用板书的方式进行教学
参考资料
《数控编程》机械工业出版社
思考题、
作业
讲
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