数控加工工艺基础知识

数控加工工艺基础知识内容摘要：

r/min，最高甚至达到了100000r/min以上。 进给运动的速度目前也有大幅提高，可达20m/min，甚至60m/min。 l 非加工时间，如工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速等时间。 由于减少非加工时间是提高加工效率的有效途径，因此复合功能的机床是近年来发展很快的机种，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔和扩孔等多种操作工序。 （2）高精度：由于各组件加工的精密化，微米的误差已不是问题。 以计算机辅助生产（CAM）系统的发展带动数控控制器的功能越来越多。 （3）安全与环保：凡是可能伤害人身的地方都加有安全警示装置。 干切削和微量润滑剂切削方法因其可大大减少润滑剂的挥发而得到越来越广泛的应用，并且几乎所有的机床都是封闭起来的，这样，即使有过量的油雾和烟雾也容易收集。 同时，机床的人机工效学明显增强了，在加工过程中，操作者工作更舒适。 此外，无污染的清洁加工技术也受到普遍重视，例如，磨料水射流切割技术就是应用较广的廉价加工方法，符合绿色制造的要求。 （4）外观：机床制造商更注重机床的人性化设计，造型美观和色调的协调柔和，其机床精品更向工艺品方向发展。 2．数控机床结构数控机床主要由数控装置、包括伺服电动机及检测装置的伺服系统和机床本体3大部分组成，如图19所示。 数控装置是数控机床的“指挥系统”，其功能是接受数控程序，经处理后向伺服系统发出各种与数控程序对应的控制命令，使伺服系统执行相应的动作，带动机床按数控程序预定的轨迹运动。 数控机床的进给运动，是由数控装置经伺服系统控制的。 所谓伺服，是指有关的传动或运动参数，均严格依照数控装置的控制指令实现。 数控机床的伺服系统，按其控制方式可分为开环、半闭环和闭环3类。 其中，开环最为简单，如图19（a）所示。 但如果负荷突变（如切深突增），或者脉冲频率突变（如加速、减速），则数控运动部件将可能发生“失步”现象，即丢失一定数目的进给指令脉冲，从而造成进给运动的速度和行程误差。 故该类控制方式，仅限于精度不高的经济型中、小数控机床的进给传动。 （a）（b）（c）图19 数控机床结构半闭环和闭环系统都有用于检查位置和速度指令执行结果的检测（含反馈）装置。 半闭环的检测装置，安装在伺服电动机或传动丝杠上，如图19（b）所示。 闭环则将其装在运动部件上，如图19（c）所示。 由于丝杠螺距误差，以及受载后丝杠、轴承变形等影响，半闭环对检测结果的校正并不完全，控制精度比闭环要低一些。 但从自动控制原理上看，控制运动部件是一个质量元件，传动机构因有变形，可视为弹性元件，两者构成一个振荡环节。 显然，半闭环不包含这些环节，因而一般不会引起进给振荡。 而闭环如果系统参数选取不合适，则有可能产生进给振荡，即运动不稳定。 目前，一般数控机床的进给系统多为半闭环控制，闭环则用于精度要求较高的机床，例如，高精度镗铣加工中心。 3．数控机床的分类数控机床的分类有多种方式：（1）按机床数控运动轨迹划分。 l 点位控制数控机床：是指在刀具运动时，只控制刀具相对于工件位移的准确性，不考虑两点间的路径，如数控钻床。 l 点位直线控制数控机床：在点位控制的基础上，还要保证运动一条直线，且刀具在运动过程中还要进行切削加工。 l 轮廓控制数控机床：能对两个或更多的坐标运动进行控制（多坐标联动），刀具运动轨迹可为空间曲线。 在模具行业这类机床应用最多，如三坐标以上的数控铣或加工中心。 （2）按伺服系统控制方式划分。 l 开环控制机床：价格低廉，精度及稳定性差。 l 半闭环控制数控机床：精度及稳定性较高，价格适中，应用最普及。 l 闭环控制数控机床：精度高，稳定性难以控制，价格高。 （3）按联动坐标轴数划分。 l 二坐标数控机床：只能完成x、y轴的联动，完成平面轮廓加工。 l 三坐标数控机床：可完成复杂型面的加工，数控铣床中以三坐标数控铣床最常见，在机械制造、模具制造中广泛应用。 l 4轴联动数控机床。 l 5轴联动数控机床。 （4）按主轴与工作台的相对位置关系分。 l 立式数控机床：立式数控机床的主轴相对于工作台垂直放置，它能完成铣削、镗削、钻削、攻螺纹等工序。 立式加工中心多为3轴联动，可实现三维曲面的铣削加工；高档加工中心还可以实现4轴、5轴控制。 立式加工中心适宜加工高度尺寸较小的零件。 l 卧式数控机床：卧式数控机床的主轴相对于工作台水平放置。 通常配置一个旋转坐标轴（回转工作台）。 卧式数控机床特别适宜加工箱体类零件，可一次完成一系列的面加工和孔加工。 以上分类为参考，目前最常用的是配备半闭环伺服系统的三坐标轮廓控制数控铣床。 加工中心是在数控铣床上配置刀库，其中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换，从而将铣削、镗削、钻削、攻螺纹等功能集中在一台设备上完成，使其具有多种工艺手段。 4．数控机床的坐标系机床坐标系是机床上固有的坐标系，是机床加工运动的基本坐标系。 是考察刀具在机床上的实际运动位置的基准坐标系。 机床上的刀具和工件间的相对运动，称为表面成形运动。 对于具体机床来说，有的是刀具移动工作台（工件）不动，而有的则是刀具不动而工作台（工件）移动。 然而不管是刀具移动还是工件移动，机床坐标系永远假定刀具相对于静止的工件而运动。 同时，运动的正方向是增大工件和刀具之间距离的方向。 机床坐标系通常采用的是右手直角笛卡儿坐标系，一般情况下主轴的方向为z坐标，而工作台的两个运动方向分别为x、y坐标。 z′如图110所示的是典型的单立柱立式数控铣床加工运动坐标系示意。 刀具沿与地面垂直的方向上下运动，工作台带动工件在与刀具垂直的平面（即与地面平行的平面）内运动。 机床坐标系的z坐标是刀具运动方向，并且刀具向上运动为正方向。 当面对机床进行操作时，刀具相对工件的左右运动方向为x坐标，并且刀具相对工件向右运动（即工作台带动工件向左运动）时为x坐标的正方向。 y坐标的方向可用右手法则确定。 若以x′、y′、z′表示工作台和刀具的运动坐标，而以x、y、z表示刀具相对工件的运动坐标，则显然有x′= x、y′=y、z′=z。 x′y′图110 单立柱立式机床运动坐标系示意图对于龙门式机床，当从主轴向左侧立柱看时，刀具相对工件向右运动的方向为x坐标的正方向。 机床坐标系的原点也称机床原点或零点，其位置在机床上是固定不变的。 关于数控机床坐标和运动方向命名的详细内容，可参阅JB3052—1982部颁标准。 为了方便起见，在数控编程时往往采用工件上的局部坐标系（称为工件坐标系），即以工件上的某一点（工件原点）为坐标系原点进行编程。 数控编程采用的坐标系称为编程坐标系，数控程序中的加工刀位点坐标均以编程坐标系为参照进行计算。 在加工时，工件安装在机床上，这时只要测量工件原点相对机床原点的位置坐标（称为原点偏置），并将该坐标值输入到数控系统中，则数控系统会自动将原点偏置加入到刀位点坐标中，使刀位点在编程坐标系下的坐标值转化为机床坐标系下的坐标值，从而使刀具运动到正确的位置。 数控程序基础 数控编程发展简况数控编程技术经历了3个发展阶段，即手工编程、APT语言编程和交互式图形编程。 由于手工编程难以承担复杂曲面的编程工作，因此自第一台数控机床问世不久，美国麻省理工学院即开始研究自动编程的语言系统，称为APT（Automatically Programmed Tools）语言。 然而，由于APT语言是开发得比较早的计算机数控编程语言，而当时计算机的图形处理能力不强，因而必须在APT源程序中用语言的形式去描述本来十分直观的几何图形信息及加工过程，再由计算机处理生成加工程序致使其直观性差，编程过程比较复杂不易掌握。 目前已完全被交互式图形编程系统所取代。 图形交互自动编程是一种计算机辅助编程技术。 它是通过专用的计算机软件来实现的。 这种软件通常以机械计算机辅助设计（CAD）软件为基础，利用CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程模块，采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位，再输入相应的加工参数，计算机便可自动进行必要的数学处理并编制出数控加工程序，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。 具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查和修改等优点，已成为目前国内外先进的CAD/CAM软件所普遍采用的数控编程方法。 尽管交互式图形编程已成为数控编程的主要手段，但作为一名数控编程工程师，仍然有必要掌握一定的手工编程知识。 这是因为：（1）手工编程是自动编程的基础，自动编程中许多核心的经验都是来源于手工编程。 掌握手工编程对深刻理解自动编程有重要的作用。 （2）掌握手工编程有助于提高程序的可靠性。 尽管现有的CAD/CAM软件都具备对数控程序进行仿真的功能，但一些有经验的程序员往往还是会对编制好的程序进行一次人工检查，以确认其正确性。 （3）在某些特殊情况下无法实现自动编程，需要采用手工方式进行。 由于本书重点讲述的是交互式图形编程方法，因此仅对数控程序的基础知识作简要的介绍。 有兴趣的读者可在其他数控编程教材中进一步学习相关的内容。 数控程序的结构如图111所示的是一个数控程序结构示意图。 一般情况下，一个基本的数控程序由以下几个部分组成：（1）程序起始符。 一般为%，也有的数控系统采用其他字符，应根据数控机床的操作说明使用。 程序起始符单列一行。 （2）程序名。 单列一行，有两种形式：一种是以规定的英文字母（通常为O）为首，后面接若干位（通常为2位或4位）的数字，如O523，也可称为程序号；另一种是以英文字母、数字和符号混合组成，比较灵活。 程序名具体采用何种形式是由数控系统决定的。 1%O0600N1 G92 X0 Y0 Z1 N2 S300 M03 N3 G90 G00 Y6. N4 M08 ………………N170 M30 %2 5 6341—起始符 2—程序名 3—程序主体 4—程序结束符 5—功能字 6—程序段图111 数控程序结构（3）程序主体。 由多个程序段组成，程序段是数控程序中的一句，单列一行，用于指令机床完成某一个动作。 每个程序段又由若干个程序字（WORD）组成，每个程序字表示一个功能指令，因此又称为功能字，它由字首及随后的若干个数字组成（例如，X100）。 字首是一个英语字母，称为字的地址，它决定了字的功能类别。 一般字的长度和顺序不固定。 在程序末尾一般有程序结束指令，例如，M30，用于停止主轴、冷却液和进给，并使控制系统复位。 （4）程序结束符。 程序结束的标记符，一般与程序起始符相同。 以上是数控程序结构的最基本形式，也是采用交互式图形编程方式后处理所得到的最常见的程序形式。 更复杂的程序还包括注释语句、子程序调用等，这里不作更多的介绍。 常用的数控指令数控程序字按其功能的不同可分为若干种类型，下面分别予以简单介绍。 1．顺序号字也叫程序段号，在程序段之首，以字母N开头，其后为一个2～4位的数字。 专家指点：数控程序是按程序段的排列次序执行的，与顺序段号的大小次序无关，即程序段号实际上只是程序段的名称，而不是程序段执行的先后次序。 2．准备功能字以字母G开头，后接一个两位数字，因此又称为G指令。 它是控制机床运动的主要功能类别。 常用的G指令有以下几个。 （1）G00：快速点定位，即刀具快速移动到指定坐标，用于刀具在非切削状态下的快速移动，其移动速度取决于机床本身的技术参数。 如刀具快速移动到点（100，100，100）的指令格式为：G00 （2）G01：直线插补，即刀具以指定的速度直线运动到指定的坐标位置，是进行切削运动的两种主要方式之一。 如刀具以250mm/min的速度直线插补运动到点（100，100，100）的指令格式为：G01 F250（3）G0G03：顺时针和逆时针圆弧插补，即刀具以指定的速度以圆弧运动到指定的位置。 G02/G03有两种表达格式：一种为半径格式，使用参数值R，例如，G02 X100. Y100. R50. F250表示刀具以250mm/min的速度沿半径50的顺时针圆弧运动至终点（100，100），其中R值的正负影响切削圆弧的角度，R值为正时，刀位起点到刀位终点的角度小于或等于180176。 ，R值为负时刀位起点到刀位终点的角度大于或等于180176。 ；另一种为向量格式，使用参数I、J、K给出圆心坐标，并以相对于起始点的坐标增量表示。 例如，G02 X100. Y100. I50. J50. F250表示刀具以250mm/min的速度沿一顺时针圆弧运动至点（100，100），该圆弧的圆心相对于起点的坐标增量为（50，50）。 （4）G90、G91：绝对指令/增量指令。 其中G90指定NC程序中的刀位坐标是以工作坐标系原点为基准来计算和表达的，而G91则指定NC程序中每一个刀位点的坐标都是以其相对于前一个刀位点的坐标增量来表示的。 （5）G4G4G40：刀具半径左补偿、右补偿和取消半径补偿。 用半径为R的刀具切削工件时，刀轨必须始终与切削轮廓有一个距离为R的偏置，在手工编程中进行这种偏置计算往往十分麻烦。 如果采用G4G42指令，刀具路径会被自动偏移一个R距离，而编程只要按工件轮廓去考虑就可以了。 在G4G42指令中，刀具半径是用其后的D指令指定。 所谓左补偿，是指沿着刀具前进的方向，刀轨向左侧偏置一个刀半径的距离。 在交互式图形编程中，由于刀轨是在工件表面的偏置面上计算得到的，因此不需要再进行半径补偿，即一般不使用G40～G42指令。 （6）G5G92：加工坐标系设置指令。 G54是数控系统上设定的寄存器地址，其中存放了加工坐标系（一般是对刀点）相对于机床坐标系的偏移量。 当数控程序中出现该指令时，数控系统即根据其中存放的偏移量确定加工坐标系。 G92是根据刀具起始点与加工坐标系的相对关系确定加工坐标系，其格式示例为：G92 表示刀具当前位置（一般为程序起点位置）处于加工坐标系（20，30，40）处，这样就等于通过刀具当前位置确定了加工坐标系的原点位置。 3．辅助功能字辅助。