机械CADCAM课件第5章 数字化制造基础

第 5 章 数字化制造基础
图5.9 直角笛卡尔坐标系
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(1) 机床坐标系的规定。在确定机床坐标轴时，一般先 确定Z轴，然后确定X轴和Y轴，最后确定其它轴。机床各坐 标轴及其正方向的确定原则是：
① Z轴。以平行于机床主轴的刀具运动坐标为Z轴，若 有多根主轴，则可选垂直于工件装夹面的主轴为主要主轴， Z坐标则平行于该主轴轴线。若没有主轴，则规定垂直于工 件装夹表面的坐标轴为Z轴。Z轴正方向是使刀具远离工件 的方向。
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图5.2 点位控制
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(2) 轮廓控制的数控机床。轮廓控制能够对两个或两 个以上运动坐标的位移及速度进行连续控制，因而可以 进行曲线或曲面零件的切削加工。常见的这类机床有两 坐标及两坐标以上的数控车床、数控铣床、加工中心等。
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5.1.3 数控机床的特点
数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量复杂零 件的加工等特点，在机械制造中得到了广泛的应用。概括 起来，数控机床有以下几方面的特点：
(1) 可以加工具有复杂型面的工件。数控机床能完成 很多普通机床难以完成或不能加工的复杂型面的零件加工。 在航空航天等领域以及复杂型面的模具加工、蜗轮叶片等 加工方面得到了广泛的应用。
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经过50多年的发展，数控技术在各个方面都有了长足 的进步，数控机床的效率、精度、柔性和可靠性进一步提 高，品种规格系列化，门类扩展齐全，FMC、FMS也已进 入实用阶段。数控技术和数控机床已成为国家工业现代化 和国民经济建设中的基础与关键装备。
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② X轴。X轴为水平方向、垂直于Z轴且平行于工件的装 夹面。在工件旋转的机床(如车床、磨床)上，X轴的运动方向 是径向的，与横向导轨平行。刀具离开工件旋转中心的方向 是正方向。对于刀具旋转的机床，若Z轴为水平方向(如卧式 铣床、镗床)，则沿刀具主轴后端向工件方向看，右手平伸出 的方向为X轴正向；若Z轴为垂直方向(如立式铣床、镗床)， 则从刀具主轴向床身立柱方向看，右手平伸出的方向为X轴 正向。
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3) 伺服系统 伺服系统是数控系统的执行部分，也是数控机床执行 机构的驱动部件和动力来源，由速度控制单元、位置控制 单元、伺服驱动电机等组成。数控机床的伺服驱动要求有 好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控系统发送 来的数字指令信号。
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4) 主机 主机是数控机床的机械构造实体，包括床身、立柱、 主轴、进给机构等机械部件，它与普通机床的差别，主 要在于机械结构与功能部件的不同，由此形成数控机床 构造上的特色。
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5.2.2 数控编程的概念
数控机床是按照事先编制好的零件数控加工程序自动进 行加工的。编制和生成数控机床所用的零件数控加工程序的 过程，称为数控编程(NC Programming)或零件编程(Part Programming)。
一般来说，数控加工编程的主要过程是在分析零件的几 何特征、技术要求等的基础上，确定合理的加工方法和加工 路线，再通过计算得到刀具走刀数据文件，最终形成加工程 序代码的。
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5.1 数控技术与数控机床 5.2 数控加工与编程 5.3 DNC与FMS技术 5.4 快速成型制造 习题与思考题
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5.1 数控技术与数控机床
5.1.1 数控技术的基本概念
数字控制(Numerical Control，NC)技术简称数控技术， 是用数字化信息对控制对象加以控制的一种自动控制技术。 采用数控技术的控制系统可以对数字化控制信息进行诸如逻 辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作，特别是可用软件 来改变信息处理的方式或过程。因此，数控技术被广泛应用 于机械运动的轨迹控制和开关量控制中，如机床、机器人的 控制等。
根据零件图及工艺要求用曲线和曲面表达工件加工轮廓； 选择合适的加工方式和工艺参数；生成刀具运动轨迹；产生 数控代码；输入数控系统，完成零件的加工。
1．数控加工的基本过程 数控加工的基本过程如图5.8所示。
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图5.8 数控加工的过程
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(1) 分析零件图及其结构工艺，明确加工内容及技术 要求，确定数控加工方案、工艺参数和工艺装备等。
轮廓控制按照同时控制(可联动)的轴数，可以分为两 轴控制、2.5轴控制、三轴控制、四轴控制和五轴控制等。
两轴控制是指机床可以同时控制两个坐标轴，如图5.3 所示为同时控制X、Y坐标的两轴控制曲线轮廓加工。三 轴控制是指同时控制X、Y、Z三个坐标轴，这样刀具在空 间的任意方向都可移动，能够进行三维的立体加工，如图 5.4所示。
理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合 格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用与充 分的发挥，以使数控机床能安全可靠及高效地工作。
2．数控加工编程中的坐标系统 1) 机床坐标系 在数控加工中，为了精确控制机床移动部件的运动， 需要建立坐标系。在此坐标系中，刀具沿相应的坐标轴移 动即可完成加工零件所需的运动。
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五轴控制是一种很重要的加工形式。五轴是指除了直 线坐标X、Y、Z以外，再加上围绕这些直线坐标旋转的A、 B、C中的任意两个坐标，形成同时控制的5个坐标，这时刀 具可以指向空间中的任意方向，如图5.6所示。五轴联动加 工特别适合于加工透平叶片、机翼等具有复杂曲面的零件。
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5.1.2 数控机床的组成及分类
1．数控机床的组成 数控机床的种类繁多，但其一般组成如图5.1所示。 1) 信息载体 信息载体又称控制介质，用于记录数控机床上加工一 个零件所必需的各种信息，以便控制机床运动，实现零件 的加工。常用的信息载体有磁盘、光盘、磁带等。现代数 控机床也可用数控系统操作面板上的人机界面直接输入零 件加工程序。
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图5.3 两轴控制
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图5.4 三轴联动控制
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四轴控制是指同时控制四个坐标运动，即在三个移动 坐标之外，再加一个旋转坐标。同时控制四个坐标X、Y、 Z、A进行加工的零件如图5.5所示。
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图5.5 四轴联动控制
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图5.1 数控机床的组成
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2) 数控系统 数控系统是数控机床的控制系统，由硬件和控制软 件组成。硬件包括计算机、CRT显示器、键盘、面板、 机床接口等。数控系统的主要功能是实现数字化的零件 程序输入与存储、数据的变换、插补运算以及各种控制 功能。
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(3) 数控特种加工机床：如数控线切割机床、数控电火 花加工机床、数控激光加工机床等。
(4) 其他类型的数控机床和设备：如火焰切割机、数控 三坐标测量机等。
图5.7所示为数控车床(图(a))和数控立式加工中心(图 (b))。
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图5.7 数控车床和立式加工中心
(2) 用规定的程序代码和格式编写零件加工程序，或 用CAD/CAM软件直接生成零件的加工程序文件。
(3) 输入加工程序，对加工程序进行校验和修改。 (4) 通过对机床的正确操作来运行程序，完成零件的 加工。
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2．数控加工的主要对象 由数控加工的特点可以看出，适于数控加工的零件 包括： (1) 多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中 的零件。 (2) 几何形状复杂、精度及表面粗糙度要求高的零件。 (3) 加工过程中需要进行多工序加工的零件。 (4) 用普通机床加工时需要昂贵工装设备(工具、夹 具和模具)的零件。
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数字控制的对象是多种多样的，数控机床是最早的数控对 象，也是最典型的数控设备。数控机床是采用了数控技术的机 床，或者说是装备了数控系统的机床。
世界上第一台数控机床于1952年由美国帕森兹公司 (Parsons Co．)与麻省理工学院(MIT)合作研制成功，开创了世 界数控机床发展的先河。随后，数控机床便在世界各国迅速发 展起来。
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(4) 改善劳动条件。数控机床在加工程序启动后，就 能自动连续加工，直至工件加工完毕，自动停车，这简化 了工人的操作，使工人操作时的紧张程度大为减轻。此外， 数控机床一般是封闭式加工，既清洁又安全，劳动条件得 到了改善。
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(5) 有利于生产管理。使用数控机床加工，能准确地 计划零件的加工工时，简化了检验工作，减轻了工夹具、 半成品的管理工作，减少因误操作而造成废品和损坏刀具 的可能性。这些都有利于生产管理水平的提高。
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5) 辅助装置 数控机床的辅助装置是指数控机床的一些必要的配套 部件，包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数 控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测等装置。
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2．数控机床的分类 数控机床的种类很多，为了便于了解和研究，可从不 同的角度对其进行分类。 1) 按机床的运动轨迹和控制系统的特点分类 (1) 点位控制机床。点位控制只控制机床移动部件的终 点位置，而不管移动时所走的轨迹如何，同时在移动过程 中不进行加工。这种控制方式适合于一些进行孔加工的数 控机床。点位控制的功能是获得精确的孔系坐标定位，如 图5.2所示。数控钻床、数控坐标镗床均采用点位控制。
③ Y轴。在确定了X、Z轴的正方向后，即可按右手定则 定出Y轴正方向。
图5.10是机床坐标系示例。
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图5.10 机床坐标系示例
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(2) 机床相对运动的规定。为了方便和统一，无论机床 在实际加工中是工件运动还是刀具运动，在进行编程计算时， 一律都是假定工件不动，按刀具相对运动的坐标来编程。
图5.6 五轴联动控制
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2) 按控制伺服系统类型分类 数控机床按控制伺服系统可分为开环控制、闭环控制 和半闭环控制。 3) 按加工方式分类 (1) 金属切削类数控机床：如数控车床、加工中心、数 控钻床、数控磨床、数控镗床等。 (2) 金属成型类数控机床：如数控折弯机、数控弯管机、 数控回转头压力机等。
(6) 数控加工是CAD/CAM技术和先进制造技术的基础。 数控加工作为数字化制造的手段与CAD/CAM技术的有机 结合，已成为现代集成制造技术的重要基础。
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5.2 数控加工与编程
5.2.1 数控加工的基本概念
数控加工过程是指按给定的零件加工要求进行数控加工 的全过程。该过程主要包括：
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(2) 加工精度高，质量稳定。数控机床本身的精度比普 通机床高，在数控机床加工过程中是按照程序自动加工的， 消除了操作者的人为误差，工件的加工精度由数控机床保证。
(3) 生产率高。数控加工可以有效地减少零件的加工时 间和辅助时间。通过合理选择切削用量，充分发挥刀具的切 削性能，可以减少零件的加工时间；加工零件改变时，只需 更换加工程序，节省了准备和调整时间，有效地提高了生产 效率。如使用具有自动换刀功能的加工中心，可一次装夹工 件而完成多道工序的连续加工，生产效率的提高更为显著。
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1．数控加工程序的基本格式 数控加工程序的程序样本如下所示： N10 G92 X0 Y0 Z1.2 N30 G90 G00 X-5.5 Y-6 S300 M03 N40 Z-1.2 M08 N120 G01 X5.5 Y5 N140 X0 Y0 N150 M02
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国际标准化组织对数控机床的坐标轴名称及其运动的正、 负方向作了统一规定，公布了ISO841标准。我国也于1982年 颁布了相应标准JB3051—82《数控机床坐标和运动方向的命 名》。
数控机床上采用的坐标系是右手直角笛卡尔坐标系。如 图5.9所示，X、Y、Z直线进给坐标系按右手定则规定，而围 绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴A、B、C则按右手螺旋 定则判定。