【文章內(nèi)容簡介】 r/min，最高甚至達到了100000r/min以上。進給運動的速度目前也有大幅提高，可達20m/min，甚至60m/min。l 非加工時間，如工件搬運、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速等時間。由于減少非加工時間是提高加工效率的有效途徑，因此復(fù)合功能的機床是近年來發(fā)展很快的機種，其核心是在一臺機床上要完成車、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔和擴孔等多種操作工序。（2）高精度：由于各組件加工的精密化，微米的誤差已不是問題。以計算機輔助生產(chǎn)（CAM）系統(tǒng)的發(fā)展帶動數(shù)控控制器的功能越來越多。 （3）安全與環(huán)保：凡是可能傷害人身的地方都加有安全警示裝置。干切削和微量潤滑劑切削方法因其可大大減少潤滑劑的揮發(fā)而得到越來越廣泛的應(yīng)用，并且?guī)缀跛械臋C床都是封閉起來的，這樣，即使有過量的油霧和煙霧也容易收集。同時，機床的人機工效學(xué)明顯增強了，在加工過程中，操作者工作更舒適。此外，無污染的清潔加工技術(shù)也受到普遍重視，例如，磨料水射流切割技術(shù)就是應(yīng)用較廣的廉價加工方法，符合綠色制造的要求。（4）外觀：機床制造商更注重機床的人性化設(shè)計，造型美觀和色調(diào)的協(xié)調(diào)柔和，其機床精品更向工藝品方向發(fā)展。2．數(shù)控機床結(jié)構(gòu)數(shù)控機床主要由數(shù)控裝置、包括伺服電動機及檢測裝置的伺服系統(tǒng)和機床本體3大部分組成，如圖19所示。數(shù)控裝置是數(shù)控機床的“指揮系統(tǒng)”，其功能是接受數(shù)控程序，經(jīng)處理后向伺服系統(tǒng)發(fā)出各種與數(shù)控程序?qū)?yīng)的控制命令，使伺服系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的動作，帶動機床按數(shù)控程序預(yù)定的軌跡運動。數(shù)控機床的進給運動，是由數(shù)控裝置經(jīng)伺服系統(tǒng)控制的。所謂伺服，是指有關(guān)的傳動或運動參數(shù)，均嚴格依照數(shù)控裝置的控制指令實現(xiàn)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)，按其控制方式可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)3類。其中，開環(huán)最為簡單，如圖19（a）所示。但如果負荷突變（如切深突增），或者脈沖頻率突變（如加速、減速），則數(shù)控運動部件將可能發(fā)生“失步”現(xiàn)象，即丟失一定數(shù)目的進給指令脈沖，從而造成進給運動的速度和行程誤差。故該類控制方式，僅限于精度不高的經(jīng)濟型中、小數(shù)控機床的進給傳動。（a）（b）（c）圖19 數(shù)控機床結(jié)構(gòu)半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)都有用于檢查位置和速度指令執(zhí)行結(jié)果的檢測（含反饋）裝置。半閉環(huán)的檢測裝置，安裝在伺服電動機或傳動絲杠上，如圖19（b）所示。閉環(huán)則將其裝在運動部件上，如圖19（c）所示。由于絲杠螺距誤差，以及受載后絲杠、軸承變形等影響，半閉環(huán)對檢測結(jié)果的校正并不完全，控制精度比閉環(huán)要低一些。但從自動控制原理上看，控制運動部件是一個質(zhì)量元件，傳動機構(gòu)因有變形，可視為彈性元件，兩者構(gòu)成一個振蕩環(huán)節(jié)。顯然，半閉環(huán)不包含這些環(huán)節(jié)，因而一般不會引起進給振蕩。而閉環(huán)如果系統(tǒng)參數(shù)選取不合適，則有可能產(chǎn)生進給振蕩，即運動不穩(wěn)定。目前，一般數(shù)控機床的進給系統(tǒng)多為半閉環(huán)控制，閉環(huán)則用于精度要求較高的機床，例如，高精度鏜銑加工中心。3．數(shù)控機床的分類數(shù)控機床的分類有多種方式：（1）按機床數(shù)控運動軌跡劃分。l 點位控制數(shù)控機床：是指在刀具運動時，只控制刀具相對于工件位移的準確性，不考慮兩點間的路徑，如數(shù)控鉆床。l 點位直線控制數(shù)控機床：在點位控制的基礎(chǔ)上，還要保證運動一條直線，且刀具在運動過程中還要進行切削加工。l 輪廓控制數(shù)控機床：能對兩個或更多的坐標運動進行控制（多坐標聯(lián)動），刀具運動軌跡可為空間曲線。在模具行業(yè)這類機床應(yīng)用最多，如三坐標以上的數(shù)控銑或加工中心。（2）按伺服系統(tǒng)控制方式劃分。l 開環(huán)控制機床：價格低廉，精度及穩(wěn)定性差。l 半閉環(huán)控制數(shù)控機床：精度及穩(wěn)定性較高，價格適中，應(yīng)用最普及。l 閉環(huán)控制數(shù)控機床：精度高，穩(wěn)定性難以控制，價格高。（3）按聯(lián)動坐標軸數(shù)劃分。l 二坐標數(shù)控機床：只能完成x、y軸的聯(lián)動，完成平面輪廓加工。l 三坐標數(shù)控機床：可完成復(fù)雜型面的加工，數(shù)控銑床中以三坐標數(shù)控銑床最常見，在機械制造、模具制造中廣泛應(yīng)用。l 4軸聯(lián)動數(shù)控機床。l 5軸聯(lián)動數(shù)控機床。（4）按主軸與工作臺的相對位置關(guān)系分。l 立式數(shù)控機床：立式數(shù)控機床的主軸相對于工作臺垂直放置，它能完成銑削、鏜削、鉆削、攻螺紋等工序。立式加工中心多為3軸聯(lián)動，可實現(xiàn)三維曲面的銑削加工；高檔加工中心還可以實現(xiàn)4軸、5軸控制。立式加工中心適宜加工高度尺寸較小的零件。l 臥式數(shù)控機床：臥式數(shù)控機床的主軸相對于工作臺水平放置。通常配置一個旋轉(zhuǎn)坐標軸（回轉(zhuǎn)工作臺）。臥式數(shù)控機床特別適宜加工箱體類零件，可一次完成一系列的面加工和孔加工。以上分類為參考，目前最常用的是配備半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的三坐標輪廓控制數(shù)控銑床。加工中心是在數(shù)控銑床上配置刀庫，其中存放著不同數(shù)量的各種刀具或檢具，在加工過程中由程序自動選用和更換，從而將銑削、鏜削、鉆削、攻螺紋等功能集中在一臺設(shè)備上完成，使其具有多種工藝手段。4．數(shù)控機床的坐標系機床坐標系是機床上固有的坐標系，是機床加工運動的基本坐標系。是考察刀具在機床上的實際運動位置的基準坐標系。機床上的刀具和工件間的相對運動，稱為表面成形運動。對于具體機床來說，有的是刀具移動工作臺（工件）不動，而有的則是刀具不動而工作臺（工件）移動。然而不管是刀具移動還是工件移動，機床坐標系永遠假定刀具相對于靜止的工件而運動。同時，運動的正方向是增大工件和刀具之間距離的方向。機床坐標系通常采用的是右手直角笛卡兒坐標系，一般情況下主軸的方向為z坐標，而工作臺的兩個運動方向分別為x、y坐標。z′如圖110所示的是典型的單立柱立式數(shù)控銑床加工運動坐標系示意。刀具沿與地面垂直的方向上下運動，工作臺帶動工件在與刀具垂直的平面（即與地面平行的平面）內(nèi)運動。機床坐標系的z坐標是刀具運動方向，并且刀具向上運動為正方向。當面對機床進行操作時，刀具相對工件的左右運動方向為x坐標，并且刀具相對工件向右運動（即工作臺帶動工件向左運動）時為x坐標的正方向。y坐標的方向可用右手法則確定。若以x′、y′、z′表示工作臺和刀具的運動坐標，而以x、y、z表示刀具相對工件的運動坐標，則顯然有x′= x、y′=y、z′=z。x′y′圖110 單立柱立式機床運動坐標系示意圖對于龍門式機床，當從主軸向左側(cè)立柱看時，刀具相對工件向右運動的方向為x坐標的正方向。機床坐標系的原點也稱機床原點或零點，其位置在機床上是固定不變的。關(guān)于數(shù)控機床坐標和運動方向命名的詳細內(nèi)容，可參閱JB3052—1982部頒標準。為了方便起見，在數(shù)控編程時往往采用工件上的局部坐標系（稱為工件坐標系），即以工件上的某一點（工件原點）為坐標系原點進行編程。數(shù)控編程采用的坐標系稱為編程坐標系，數(shù)控程序中的加工刀位點坐標均以編程坐標系為參照進行計算。在加工時，工件安裝在機床上，這時只要測量工件原點相對機床原點的位置坐標（稱為原點偏置），并將該坐標值輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，則數(shù)控系統(tǒng)會自動將原點偏置加入到刀位點坐標中，使刀位點在編程坐標系下的坐標值轉(zhuǎn)化為機床坐標系下的坐標值，從而使刀具運動到正確的位置。 數(shù)控程序基礎(chǔ) 數(shù)控編程發(fā)展簡況數(shù)控編程技術(shù)經(jīng)歷了3個發(fā)展階段，即手工編程、APT語言編程和交互式圖形編程。由于手工編程難以承擔復(fù)雜曲面的編程工作，因此自第一臺數(shù)控機床問世不久，美國麻省理工學(xué)院即開始研究自動編程的語言系統(tǒng)，稱為APT（Automatically Programmed Tools）語言。然而，由于APT語言是開發(fā)得比較早的計算機數(shù)控編程語言，而當時計算機的圖形處理能力不強，因而必須在APT源程序中用語言的形式去描述本來十分直觀的幾何圖形信息及加工過程，再由計算機處理生成加工程序致使其直觀性差，編程過程比較復(fù)雜不易掌握。目前已完全被交互式圖形編程系統(tǒng)所取代。圖形交互自動編程是一種計算機輔助編程技術(shù)。它是通過專用的計算機軟件來實現(xiàn)的。這種軟件通常以機械計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件為基礎(chǔ)，利用CAD軟件的圖形編輯功能將零件的幾何圖形繪制到計算機上，形成零件的圖形文件，然后調(diào)用數(shù)控編程模塊，采用人機交互的方式在計算機屏幕上指定被加工的部位，再輸入相應(yīng)的加工參數(shù)，計算機便可自動進行必要的數(shù)學(xué)處理并編制出數(shù)控加工程序，同時在計算機屏幕上動態(tài)地顯示出刀具的加工軌跡。具有速度快、精度高、直觀性好、使用簡便、便于檢查和修改等優(yōu)點，已成為目前國內(nèi)外先進的CAD/CAM軟件所普遍采用的數(shù)控編程方法。盡管交互式圖形編程已成為數(shù)控編程的主要手段，但作為一名數(shù)控編程工程師，仍然有必要掌握一定的手工編程知識。這是因為：（1）手工編程是自動編程的基礎(chǔ)，自動編程中許多核心的經(jīng)驗都是來源于手工編程。掌握手工編程對深刻理解自動編程有重要的作用。（2）掌握手工編程有助于提高程序的可靠性。盡管現(xiàn)有的CAD/CAM軟件都具備對數(shù)控程序進行仿真的功能，但一些有經(jīng)驗的程序員往往還是會對編制好的程序進行一次人工檢查，以確認其正確性。（3）在某些特殊情況下無法實現(xiàn)自動編程，需要采用手工方式進行。由于本書重點講述的是交互式圖形編程方法，因此僅對數(shù)控程序的基礎(chǔ)知識作簡要的介紹。有興趣的讀者可在其他數(shù)控編程教材中進一步學(xué)習相關(guān)的內(nèi)容。 數(shù)控程序的結(jié)構(gòu)如圖111所示的是一個數(shù)控程序結(jié)構(gòu)示意圖。一般情況下，一個基本的數(shù)控程序由以下幾個部分組成：（1）程序起始符。一般為%，也有的數(shù)控系統(tǒng)采用其他字符，應(yīng)根據(jù)數(shù)控機床的操作說明使用。程序起始符單列一行。（2）程序名。單列一行，有兩種形式：一種是以規(guī)定的英文字母（通常為O）為首，后面接若干位（通常為2位或4位）的數(shù)字，如O523，也可稱為程序號；另一種是以英文字母、數(shù)字和符號混合組成，比較靈活。程序名具體采用何種形式是由數(shù)控系統(tǒng)決定的。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—程序主體 4—程序結(jié)束符 5—功能字 6—程序段圖111 數(shù)控程序結(jié)構(gòu)（3）程序主體。由多個程序段組成，程序段是數(shù)控程序中的一句，單列一行，用于指令機床完成某一個動作。每個程序段又由若干個程序字（WORD）組成，每個程序字表示一個功能指令，因此又稱為功能字，它由字首及隨后的若干個數(shù)字組成（例如，X100）。字首是一個英語字母，稱為字的地址，它決定了字的功能類別。一般字的長度和順序不固定。在程序末尾一般有程序結(jié)束指令，例如，M30，用于停止主軸、冷卻液和進給，并使控制系統(tǒng)復(fù)位。（4）程序結(jié)束符。程序結(jié)束的標記符，一般與程序起始符相同。以上是數(shù)控程序結(jié)構(gòu)的最基本形式，也是采用交互式圖形編程方式后處理所得到的最常見的程序形式。更復(fù)雜的程序還包括注釋語句、子程序調(diào)用等，這里不作更多的介紹。 常用的數(shù)控指令數(shù)控程序字按其功能的不同可分為若干種類型，下面分別予以簡單介紹。1．順序號字也叫程序段號，在程序段之首，以字母N開頭，其后為一個2～4位的數(shù)字。專家指點：數(shù)控程序是按程序段的排列次序執(zhí)行的，與順序段號的大小次序無關(guān)，即程序段號實際上只是程序段的名稱，而不是程序段執(zhí)行的先后次序。2．準備功能字以字母G開頭，后接一個兩位數(shù)字，因此又稱為G指令。它是控制機床運動的主要功能類別。常用的G指令有以下幾個。（1）G00：快速點定位，即刀具快速移動到指定坐標，用于刀具在非切削狀態(tài)下的快速移動，其移動速度取決于機床本身的技術(shù)參數(shù)。如刀具快速移動到點（100，100，100）的指令格式為：G00 （2）G01：直線插補，即刀具以指定的速度直線運動到指定的坐標位置，是進行切削運動的兩種主要方式之一。如刀具以250mm/min的速度直線插補運動到點（100，100，100）的指令格式為：G01 F250（3）G0G03：順時針和逆時針圓弧插補，即刀具以指定的速度以圓弧運動到指定的位置。G02/G03有兩種表達格式：一種為半徑格式，使用參數(shù)值R，例如，G02 X100. Y100. R50. F250表示刀具以250mm/min的速度沿半徑50的順時針圓弧運動至終點（100，100），其中R值的正負影響切削圓弧的角度，R值為正時，刀位起點到刀位終點的角度小于或等于180176。，R值為負時刀位起點到刀位終點的角度大于或等于180176。；另一種為向量格式，使用參數(shù)I、J、K給出圓心坐標，并以相對于起始點的坐標增量表示。例如，G02 X100. Y100. I50. J50. F250表示刀具以250mm/min的速度沿一順時針圓弧運動至點（100，100），該圓弧的圓心相對于起點的坐標增量為（50，50）。（4）G90、G91：絕對指令/增量指令。其中G90指定NC程序中的刀位坐標是以工作坐標系原點為基準來計算和表達的，而G91則指定NC程序中每一個刀位點的坐標都是以其相對于前一個刀位點的坐標增量來表示的。（5）G4G4G40：刀具半徑左補償、右補償和取消半徑補償。用半徑為R的刀具切削工件時，刀軌必須始終與切削輪廓有一個距離為R的偏置，在手工編程中進行這種偏置計算往往十分麻煩。如果采用G4G42指令，刀具路徑會被自動偏移一個R距離，而編程只要按工件輪廓去考慮就可以了。在G4G42指令中，刀具半徑是用其后的D指令指定。所謂左補償，是指沿著刀具前進的方向，刀軌向左側(cè)偏置一個刀半徑的距離。在交互式圖形編程中，由于刀軌是在工件表面的偏置面上計算得到的，因此不需要再進行半徑補償，即一般不使用G40～G42指令。（6）G5G92：加工坐標系設(shè)置指令。G54是數(shù)控系統(tǒng)上設(shè)定的寄存器地址，其中存放了加工坐標系（一般是對刀點）相對于機床坐標系的偏移量。當數(shù)控程序中出現(xiàn)該指令時，數(shù)控系統(tǒng)即根據(jù)其中存放的偏移量確定加工坐標系。G92是根據(jù)刀具起始點與加工坐標系的相對關(guān)系確定加工坐標系，其格式示例為：G92 表示刀具當前位置（一般為程序起點位置）處于加工坐標系（20，30，40）處，這樣就等于通過刀具當前位置確定了加工坐標系的原點位置。3．輔助功能字輔助