考点13 数控加工的基础知识 《金属加工基础》 山东省（春季高考） 机械类 知识讲解

山东省（春季高考）机械类 金属加工 复习讲义 5—1 数控加工的基础知识 【考纲要求】 （1）了解数控机床基本组成、工作原理、加工工艺特点及分类。 （2）了解数控机床坐标系的概念和工件坐标系原点的设定方法。 （3）了解程序编制的常用方法和编程的基本步骤。 （4）了解数控程序的结构和程序段指令的意义。 考点1 数控机床的组成 1、 数控机床的组成：数控机床由程序载体、输入装置、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统和机床机械部件组成。 1．程序载体的作用是存储按一定的格式编制的零件加工程序。 2．输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息输入CNC单元，现代数控机床可以通过手动方式（或计算机自动编程方式）将零件加工程序通过数控系统操作面板上的按键直接输入CNC单元。 3.CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。程序载体通过输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令，传给伺服系统和主运动控制部分。 4．伺服系统的作用是根据CNC单元传来的速度及位置指令驱动机床的进给运动部件，完成指令规定的运动。 5．位置反馈系统分为伺服电动机的转角位移反馈和数控机床执行机构（工作台）的位移反馈两种。运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移转换成电信号，输送给CNC单元，与指令 进行比较，并由CNC单元发出指令纠正所产生的误差。 6． 数控机床的机械部分包括主运动系统、进给运动系统、辅助部分（如液压、气动、冷却和润滑部分等）以及一些特殊部件，如储备刀具的刀库、自动换刀装置及自动托盘交换装置等。 考点2 数控机床加工零件的基本原理 数控机床加工零件的基本原理：利用普通金属切削机床加工零件是操作者根据图样的要求不断改变刀具与工件之间的运动参数（位置、速度等），利用刀具对工件进行切削加工，最终得到所需要的合格零件。利用数控机床加工零件是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件加工程序的要求使坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。实际上，数控机床加工零件的工艺流程基本上与普通金属切削机床是相同的，但数控机床是通过数字信号控制零件和刀具实现相应的运动和位移，并进行相应的加工。 考点3 数控加工的工艺特点及其应用 1．由于数控加工采用数字形式发布加工指令，加工过程控制精确，而且进给运动产生的误差可由数控装置进行补偿，因此数控加工能达到比较高的加工精度。 2．数控加工能有效减少机动时间和辅助时间，生产率较高。 3．具有很强的适应性。改变加工对象时，除装夹新工件及更换刀具外，只需重新编制加工程序并输入数控装置即可完成新工件的加工。 4．能够减轻劳动强度，改善劳动条件和环境，便于实现现代化管理。 5.数控机床的应用：数控机床主要应用于小批量生产结构比较复杂的零件、频繁改型的零件以及要求生产周期短的科研产品零件等。应该注意的是，数控机床并不能完全替代普通机床，选用数控机床时，应该仔细核算加工成本，从而获得更好的经济效益。 考点4 数控机床的分类 数控机床按刀具（或工件）进给运动的轨迹可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床；按可同时控制的坐标轴数可分为两坐标数控机床、两轴半数控机床、三坐标数控机床及多坐标数控机床等；按工艺用途可分为普通数控机床和加工中心等。 1．数控机床按刀具（或工件）进给运动的轨迹分类 （1）点位控制数控机床：点位控制数控机床的特点是只要求控制刀具或机床工作台从一点移动到另一点的准确定位，至于点与点之间移动的轨迹原则上不加控制，并且在移动过程中刀具不进行切削。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般是先快速移动到终点附近位置，然后低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。点位控制数控机床主要有数控钻床、数控镗床及数控冲床等。 （2）直线控制数控机床：直线控制数控机床的特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要保证被控制的两个坐标点间移动的轨迹是一条直线，且在移动的过程中，刀具能按指定的进给速度进行切削。直线控制数控机床主要有数控车床、数控铣床和数控磨床等。 （3）轮廓控制数控机床：轮廓控制数控机床的特点是能够对两个或两个以上坐标方向的同时运动进行严格地不间断控制，并且在运动过程中，刀具对工件表面连续进行切削。轮廓控制数控机床不仅能控制移动部件从一个点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。轮廓控制数控机床主要有数控铣床、数控车床、数控磨床、数控齿轮加工机床和加工中心等。 2．数控机床按工艺用途分类 （1）普通数控机床：普通数控机床一般是指加工过程中的某个工序实现数字控制的自动化机床，如数控车床和数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镋床以及数控齿轮加工机床等。普通数控机床在自动化程度上还不够完善，刀具的更换及零件的装夹等工序仍需人工完成。 ①数控车床是目前使用较广泛的数控机床，主要用于轴类和盘类回转体零件的加工，能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧及螺纹等的加工，并能进行切槽及钻、扩、铰孔等工作，特别适 宜加工复杂形状的零件。在数控车床上由程序确定主轴转速和选定刀具，控制转塔刀架，并由刀具进行补偿。工件轮廓形状不太复杂时，控制系统带有圆弧插补器，一般采用手工编程；当加工复杂轮廓或同时有两把刀进行加工时，一般采用自动编程。 ②数控铣床主要用于各类形状较复杂的平面、曲面和壳体类零件的加工，如各类模具、样板、叶片、凸轮、连杆和箱体等。数控铣床由电液控制，能实现远距离操纵，同时还有半自动刀具安装及拆卸装置。 （2） 加工中心：加工中心是指带有刀库和自动换刀装置的数控机床。加工中心将数控铣床、数控钻床和数控镗床的功能组合在一起，弥补了一台数控机床只能完成一种加工工艺的缺点。加工中心大多数以数控镗铣为主，主要用于加工箱体零件和形状复杂的曲面零件。工件在加工中心上加工能有效地避免多次装夹造成的误差。 考点5 数控机床坐标系 1．数控机床坐标系的定义：在数控编程时为了描述机床的运动，简化程序编制的方法及保证纪录数据的互换性，以机床原点O为坐标系原点并遵循右手笛卡尔直角坐标系建立的由X、Y、Z轴组成的固定的直角坐标系。 2．机床坐标系中的规定：数控车床的加工动作主要分为刀具的运动和工件的运动两部分。因此，在确定机床坐标系的方向时规定：永远假定刀具相对于静止的工件而运动。对于机床坐标系的方向，统一规定增大工件与刀具间距离的方向为正方向。数控机床的坐标系采用右手笛卡尔坐标系，右手大拇指的方向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。 3．机床坐标系的方向 （1)Z坐标方向。Z坐标的运动由主要传递切削动力的主轴所决定。对任何具有旋转主轴的机床，其主轴及与主轴轴线平行的坐标轴都称为Z坐标轴（简称Z轴）。根据坐标系正方向的确定原则，刀具远离工件的方向为该轴的正方向。 （2)X坐标方向。X坐标一般为水平方向并垂直于Z轴。对工件旋转的机床（如车床）,X坐标方向规定在工件的径向上且平行于车床的横导轨。同时也规定其刀具远离工件的方向为X轴的正方向。 （3)Y坐标方向。Y坐标垂直于X、Z坐标轴并按照右手笛卡尔坐标系来确定。 4．机床原点：机床原点（也称为机床零点）是机床上设置的一个固定的点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已调整好，一般情况下不允许用户进行更改，因此它是一个固定的点。机床原点又是数控机床进行加工或位移的基准点。对于机床原点，有一些数控车床将机床原点设在卡盘中心处，还有一些数控机床将机床原点设在刀架位移的正向极限点位置。 5．机床参考点：机床参考点是数控机床上一个特殊位置的点。通常，数控车床的第一参考点位于刀架正向移动的极限点位置，并由机床挡块来确定其具体的位置。机床参考点与机床原点的距离由系统参数设定，其值可以是零，如果其值为零则表示机床参考点和机床原点重合。对于大多数数控机床，开机第一步总是先使机床返回参考点（即所谓的机床回零）。当机床处于参考点位置时，系统显示屏上的机床坐标系显示系统参数中设定的数值（即参考点与机床原点的距离值）。开机回参考点的目的就是为了建立机床坐标系，即通过参考点当前的位置和系统参数中设定的参考点与机床原点的距离值来反推出机床原点位置。机床坐标系一经建立后，只要机床不断电，将永远保持不变，且不能通过编程来对它进行改变。 6．工件坐标系 （1）工件坐标系。机床坐标系的建立保证了刀具在机床上的正确运动。但是，加工程序的编制通常是针对某一工件并根据零件图样进行的。为了便于尺寸基准相一致，这种针对某一工件并根据零件图样建立的坐标系称为工件坐标系（也称编程坐标系）。 （2）工件坐标系原点。工件坐标系原点也称编程原点，是指工件装夹完成后，选择工件上的某一点作为编程或工件加工的基准点。工件坐标系原点在图中以符号“④”表示。数控车床工件坐标系的原点选取：X向一般选在工件的回转中心，而Z向一般选在加工工件的右端面（O点）或左端面（O＇点）。 考点6 数控机床程序 1．数控机床程序编制的方法有三种：即手工编程、自动编程和CAD/CAM。 （1）手工编程：由人工完成零件图样分析、工艺处理、数值计算、书写程序清单直到程序的输入和检验。适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件，但是非常费时，且编制复杂零件时，容易出错。 （2）自动编程：使用计算机或程编机，完成零件程序的编制的过程，对于复杂的零件很方便。 （3)CAD/CAM：利用CAD/CAM软件，实现造型及图像自动编程。 2．数控机床程序编制的内容：分析零件图样、确定加工工艺过程、进行数学处理、编写程序清单、制作控制介质、进行程序检查、输入程序以及工件试切。 3．数控机床程序编制的步骤 （1）分析零件图样和工艺处理：根据图样对零件的几何形状尺寸、技术要求进行分析，明确加工的内容及要求，决定加工方案、确定加工顺序、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。 同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力，正确选择对刀点，切入方式，尽量减少诸如换刀、转位等辅助时间。 （2）数学处理：编程前，根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系，根据零件图纸的要求，制定加工路线，在建立的工件坐标系上，首先计算出刀具的运动轨迹。对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件），只需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。 （3）编写零件程序清单：加工路线和工艺参数确定以后，根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单。 （4）程序输入。 （5）程序校验与首件试切。 考点7 数控程序的结构 1．数控程序的结构：数控程序由程序编号、程序内容和程序结束段组成。 （1）程序编号：采用程序编号地址码区分存储器中的程序，不同数控系统程序编号地址码不同，如日本FANUC6数控系统采用O作为程序编号地址码；美国的AB8400数控系统采用P作为程序编号地址码；德国的SMK8M数控系统采用％作为程序编号地址码等。 （2）程序内容：程序内容部分是整个程序的核心，由若干个程序段组成，每个程序段由一个或多个指令字构成，每个指令字由地址符和数字组成，它代表机床的一个位置或一个动作，每一程序段结束用“；”号。 （3）程序结束段：以程序结束指令M02或M30作为整个程序结束的符号。 2．程序段指令的意义：零件的加工程序是由许多程序段组成的，每个程序段由程序段号、若干个数据字和程序段结束字符组成，每个数据字是控制系统的具体指令，它是由地址符、特殊文字和数字集合而成，它代表机床的一个位置或一个动作。程序段格式是指一个程序段中字、字符和数据的书写规则。目前国内外广泛采用字一地址可变程序段格式。所谓字一地址可变程序段格式，就是在一个程序段内数据字的数目以及字的长度（位数）都是可以变化的格式。不需要的字以及与上一程序段相同的续效字可以不写。该格式的优点是程序简短、直观以及容易检验、修改。 考点8 刀具补偿原理 刀具补偿一般分为刀具长度补偿和刀具半径补偿。铣刀主要是刀具半径补偿；钻头只需长度补偿；车刀需要两坐标长度补偿和刀具半径补偿。 1．刀具长度补偿：以数控车床为例，数控装置控制的是刀架参考点的位置，实际切削时是利用刀尖来完成，刀具长度补偿是用来实现刀尖轨迹与刀架参考点之间的转换。利用刀具长度测量装置测出刀尖点相对于刀架参考点的坐标，存入刀补内存表中。零件轮廓轨迹是由刀尖切出的。加工中心上常用刀具长度补偿，首先将刀具装入刀柄，再用对刀仪测出每个刀具前端到刀柄基准面的距离，然后将此值按刀具号码输入到控制装置的刀补内存表中，进行补偿计算。刀具长度补偿是用来实现刀尖轨迹与刀柄基准点之间的转换。在数控立式镋铣床和数控钻床上，因刀具磨损、重磨等而使长度发生改变时，不必修改程序中的坐标值，可通过刀具长度补偿，伸长或缩短一个偏置量来补偿其尺寸的变化，以保证加工精度。刀具长度补偿原理比较简单，由G43、G44及H(D）代码指定。 2．刀具半径补偿：ISO标准规定，当刀具中心轨迹在编程轨迹（零件轮廓）前进方向的左侧时，称为左刀补，用G41表示。反之，当刀具处于轮廓前进方向的右侧时称为右刀补，用G42表示，G40为取消刀具补偿指令。在切削过程中，刀具半径补偿的补偿过程分为三个步骤：(1）刀补建立：刀具从起刀点接近工件，在原来的程序轨迹基础上伸长或缩短一个刀具半径值，即刀具中心从与编程轨迹重合过渡到与编程轨迹距离一个刀具半径值。在该段中，动作指令只能用G00或G01。（2）刀具补偿进行：刀具补偿进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径的距离。在此状态下，G00、G01、G02、G03都可使用。（3）刀补撤销：刀具撤离工件，返回原点。即刀具中心轨迹从与编程轨迹相距一个刀具半径值过渡到与编程轨迹重合。此时也只能用GO0、G01。 3．刀具半径补偿算法：根据零件尺寸和刀具半径值计算出刀具中心轨迹。对于一般的CNC 装置，所能实现的轮廓仅限于直线和圆弧。刀具半径补偿分B功能刀补与C功能刀补，B功能刀补能根据本段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿，不能解决程序段之间的过渡问题编程人员必须先估计刀补后可能出现的间断点和交叉点等情况，进行人为处理。 【练习题】 1、 单项选择题 1.根据控制单元传来的速度及位置指令驱动机床的进给运动部件，完成指令规定运动的数控装置是( )。 A.程序载体 B.CNC单元 C.伺服系统 D.机床机械部分 2.( )是指在机床上设置的一个固定的点，是数控机床进行加工运动的基准参考点。 A.工件坐标原点 B.数控机床原点 C.组合机床原点 D.程序原点 3．数控编程中，定义在工件上的几何基准点称为 ( )。 A.机床原点 B.绝对原点 C.工作原点 D.装夹原点 4．在数控机床中，( )是由传递切削动力的主轴所确定。 A.X轴坐标 B.y轴坐标 C.Z轴坐标 D.都不是 5．下列数控机床中，不是按刀具与工件的相对运动轨迹分类的是( )。 A.点位控制数控机床 B.直线控制数控机床 C.曲线控制数控机床 D.轮廓控制数控机床 6．数控铣床／加工中心的刀具补偿主要为( )。 A.X向长度补偿 B.Y向长度补偿 C.刀具半径补偿 D.刀尖圆弧半径补偿 7．按照运动轨迹控制分类，加工中心属于( )。 A.点位控制 B.轮廓控制 C.直线控制 D.远程控制 8．数控车床中的G41/G42是对进行补偿( )。 A.刀具几何长 B.刀具的刀尖圆弧半径 C.刀具的半径 D.刀具的角度 9．程序编制中，首件试切的作用是( )。 A.检验零件图样设计的正确性 B.检验零件工艺方案的正确性 C.检验程序单及控制介质的正确性，综合检验所加工的零件是否符合图样要求 D.测试数控程序的效率 10．数控机床有以下特点，其中不正确的是( )。 A.具有充分的柔性 B.能加工复杂形状的零件 C.加工的零件精度高，质量稳定 D.大批量，高精度 11．以下不属于数控加工工艺特点的是( )。 A.工艺详细到每一步走刀和每一个操作的细节 B.工序尽量分散，实现流水线作业 C.工序内容复杂，用多坐标联动自动控制方法 D.工序集中，一次装夹完成多道工序 12．数控机床的构成中，不包括( )。 A.数控装置 B.伺服系统 C.机床本体 D.刀库系统 13．程序段格式有语句号字、数据字和( ) 组成。 A.程序段运行 B.程序段检测 C.程序段结束 D.程序段开始 14．数控机床中把脉冲信号转换成机床移动部件运动的组成部分称为( )。 A.控制介质 B.数控装置 C.伺服系统 D.机床本体 15.( )是指机床上一个固定不变的极限点。 A.机床原点 B.工件原点 C.换刀点 D.对刀点 16．数控机床的旋转轴之一B轴是绕＿直线轴旋转的轴( )。 A.X轴 B.Y轴 C.Z轴 D.W轴 17．机床坐标系判定方法采用右手直角的笛卡尔坐标系。增大工件和刀具距离的方向是 ( )。 A.负方向 B.正方向 C.任意方向 D.条件不足不确定 18．刀具半径补偿功能的作用在于( )。 A.计算减去补偿量以后的刀具中心轨迹 B.可以不考虑刀具的半径，直接按图样所给尺寸编程 C.可以直接按刀具中心轨迹编程 D.可以使用同一零件程序实现粗、精加工。 19．刀尖半径左补偿方向的规定是( ) A.沿刀具运动方向看，工件位于刀具左侧 B.沿工件运动方向看，工件位于刀具左侧 C.沿刀具运动方向看，刀具位于工件左侧 D.沿工件运动方向看，刀具位于工件左侧 20．数控系统的核心是( )。 A.伺服装置 B.数控装置 C.反响装置 D.检测装置 【答案】 一、单项选择题 1. C 2.B 3.C 4．C 5.C 6. C 7.B 8. B 9.C 10.D 11.B 12.D 13.C 14.C 15.A 16.B 17.B 18.D 19.C 20.B 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $