数控技术教案(全)

本章重点：1.数控机床概念

2.数控机床采用的新颖机械结构 3.数控机床按检测系统的分类

一般了解：数控机床的组成、数控机床的优缺点、数控机床的发展趋势

一、 数字控制：用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。

数控机床：国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会，

对数控机床作了如下定义：一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑的处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。

二、 数控机床的产生与发展： （一） 产生：

1、传统的生产方法已满足不了生产需求

1) 单件小批量生产——占70%，一般用试切法，技术水平要求高，劳动强度大，精度不高，无法实现自动化。如：普通车、铣、

刨、磨床等

2) 工艺流水作业——调整法加工，生产率提高，精度提高，成本低，品种多，采用组合机床，多机床配合，环节出现问题，生产停滞。

3) 自动机床：用凸轮控制，适于生产简单工件，且改型困难

2、社会的需求

1) 品种多样化

2) 零件精度和形状复杂程度不断提高 3) 生产品种的频繁换型

3、技术上的可行性

1) 电子计算机的发明 2) 电子技术的发展

a、 现代控制理论的发展 b、 各种功能优越件的产生

2

c、 大规模集成电路的出现 3) 新颖机械结构的出现

a、 滚珠丝杠—代替普通丝杠，动作更灵活，间隙更小，精度提高

b、 滚动导轨—代替滑动导轨，移动灵活，克服爬行和前冲现象 4) 机床动态特性的研究成果

使机床的刚度更好，主轴转速更高，抗振性提高

由于生产的发展要求出现新的生产工具，而在技术上又已具备了条件，于是在1948年，美国帕森斯公司提出应用计算机控制机床加工的设想，并与麻省理工学院合作进行研制工作。1952年试制成功第一台三坐标立式数控铣床。1958年我国开始研制数控机床。

(二) 发展：

1952——1959年，电子管制成数控机床控制系统 1959——1965年，晶体管制成数控机床控制系统

3

1965——1970年，小规模集成电路 1970——1974年，大规模集成电路

1974—— ，微型计算机 三、 数控机床的组成：

伺服系统 数字控制计算机 PC控制部分 液压、气动系统 机械部分

数字控制计算机：处理加工程序，输出各种信号，控制机床完成各种运动。

PC控制部分：介于控制计算机和机械、液压部件之间的控

制系统，接受计算机输出的指令信号，经过编译、逻辑判断、功率放大后，直接驱动相

4

应的电器、液压、气动和机械部件，完成相应的动作。

以上两部分加上输入输出设备、驱动装置等可以和 称为——计算机数控系统（Computerized Numerical Control System）也可简称为CNC系统。目前通常所 说的数控系统，一般均指计算机数控系统。

液压、气动系统：辅助装置，用来实现润滑、冷却、夹

紧、转位、排屑等功能。

机械部分：包括主运动部件（主轴）、进给运动执行部分

（工作台、拖板、床身等）

伺服系统：根据CNC发来的速度和位移指令，控制执行

部件的进给速度、方向、位移。

四、 数控机床的加工运动：

主运动（控制主运动可以得到合理的切削速度）一般指主

轴转速。

数控机床需要无级变速，一般采用变频器控制变频

电机来实现无级变速。如：XKA714采用日本安川变频器，河北变频电机。

5

进给运动（控制进给运动可以得到不同的加工表面）用伺

服电机或步进电机来控制丝杠的转动，从而带动工作台或刀具在二维、三维空间内进行移动，加工出各种曲面。

五、 数控机床的优缺点： 优点：1.精度高，质量稳定

传动精度高（滚珠丝杠），摩擦阻力小（滚动导轨），

设有检测元件（矫正误差）程序自动加工，避免认为误差。

2..生产率高，采用高硬度的硬质合金刀具，因而切

削速度提高，可实现自动换刀，空行程速度快：15m/min~240m/min，因而缩短了辅助时间。

3.功能多，一次装夹可完成多种加工，消除因重复

定位而带来的误差。如：数空镗铣床、纵切机床。

4.适应不同零件的自动加工，要换零件品种，只需

改变程序。

5.能完成复杂形面的加工，如：螺旋桨面 6.减低劳动强度，有较高经济效益。

6

缺点：1.价格昂贵，一次性投资大 2.维修和操作较复杂 数控机床的结构特点：

1.增加机床的刚度

2.注重散热和排屑

3.采用滚珠丝杠和滚动导轨，或塑料贴面导轨 4．采取了传动消除间隙机构，提高了传动精度 六、 分类：

1.按工艺用途分 2.按加工路线分

点位控制系统：孔坐标位置精度要求高，如：钻床、镗

床、冲床等.

轮廓加工控制系统：刀具轨迹运动精度要求高，如铣床 3.按有无检测装置分：

1）开环系统—无位置检测装置

2）闭环系统—检测元件装在床身和移动部件上 3）半闭环系统—检测元件装在电机尾部 4.按可联动坐标数分：

7

二坐标联动——数控车床

三坐标联动——数控铣床

在工作台上装数控分度头，即四坐标联动，使工作台

沿X轴可转动，即轴联动。

七、 数控机床的发展趋势：

1.先进的自检能力：提高机床的综合性能

2.向高速、高精度发展：分辨率可达0.01微米，进给

速度可达400~800mm/min

3.更高的生产率，利用率：自动换刀

4.单元模块化：控制单元、伺服单元、机械部件已模块

化生产，需要时组装，如：XKA714机械部分北京一机床，CNC西门子生产

5.更强的通讯、图象编程、显示功能：计算机编程 八、 单机 FML柔性制造生产线 机械手 单机 单机... FMS柔性制造系统 FMS FMS... FML FML... 8

FA自动化工厂

九、数控机床加工特点

数控机床是新型的自动化机床，它具有广泛通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现自动化最重要的环节，是发展柔性生产的基础。数控机床在加工下面一些零件中更能显示优越性：

1) 批量小（200件以下）而又多次生产的零件 2) 几何形状复杂的零件

3) 在加工过程中必须进行多种加工的零件 4) 切削余量大的零件

5) 必须严格控制公差（即公差带范围小）的零件 6) 工艺设计经常变化的零件

7) 加工过程中的错误会造成严重浪费的贵重零件 8) 需要全部检验的零件，等

9

第二章零件加工程序的编制

第一节 概述

本节重点：1.数控加工基本原理 2.数控机床编程方法 一、数控加工基本原理

零件图纸 工艺分析 穿孔带 数据计算 编程 控制机 伺服电机 机床部件 成品 伺服电机 伺服电机 机床部件 机床部件 二、数控机床程序编制的内容和步骤

主要内容：分析零件图、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、

10

程序输入、工件试切

步骤：

分析零件图纸 工艺处理 数学处理 编写程序清单 程序输入 程序检查 数控系统 数控机床试切 零件毛坯 成品零件 1.分析零件图和工艺处理

分析零件图，决定加工方案，确定加工顺序，设计夹具，

选择刀具，确定走刀路线，切削用量等。正确选择对刀点、切入方式。 2.数学处理

建立工件坐标系，确定加工路线，计算出各几何元素的

起点、终点、圆心坐标值。（复杂零件或不规则零件坐标点不好找，可以借助CAD画图求出） 3.编写程序

根据所使用的数控系统指定的代码及格式编写程序。 4.程序输入

以前用穿孔带作为介质，通过纸带阅读机送入数控系统。

11

现在可以直接用键盘输入，或在计算机中编好后通过相应的软件及接口传入程序。 5.程序校验与首件试切

程序必须经过检查校验试切后才可使用。

可以通过空运行程序检查轨迹是否正确，还可以用图形

模拟功能。

首件试切时，一般单段运行，监视加工状况，随时调整

参数，出现问题，立刻停车。 三、数控机床编程方法 1) 手工编程

由人工完成零件图纸分析、工艺处理、数值计算、编写程序清单，直到程序输入、校验，称为“手工编程”。 此种方法适用于点位或几何形状不太复杂的零件。 2）自动编程

所谓“自动编程”，就是使用计算机或编程机，完成零件编程的过程，使用规定的语言手工编写一个描述零件加工要求的程序，输入计算机中，计算机自动进行计算并生成程序。 PowerMill、Mastercam、CAXA等可先画出零件的三维实体图，

12

设置好加工参数、路径，可以自动生成加工程序。

此方法适用于复杂曲面的零件或几何元素不复杂，但程序量很大的零件。

手工编程时间：加工时间约为30：1且NC机床不能开动的原因中20%~30%是由于程序不能及时编出造成的，所以必须要求编程自动化。

第二节、数控机床编程的基础知识

本节重点：1.程序段格式 2.各功能字作用

国际上已形成了两个通用标准：国际标准化组织（ISO）标准和美国电子工业学会（EIA）标准。我国根据ISO标准制定了JB3051-82《数字控制机床坐标和运动方向的命名》等国标。由于生产厂家使用标准不完全统一，使用代码、指令含义也不完全相同，因此需参照机床编程手册。 1、程序结构与格式

一个完整的零件加工程序，由若干程序段组成； 一个程序段，序号、若干代码字和结束符号组成；

13

每个代码字，由字母和数字组成。 例：（程序段）

/ N3 G00 X10 Z10 M3 S650 ； 程序段结束符 辅助功能代码 坐标值 准备功能代码 程序段序列号 选择程序段跳过符 例：设X0=0 Y0=0 Z0=100 Xi=100 Yi=80 刀具初始位置Zi=35 用同一把钻头加工A、B两孔，加工程序如下：

O2001（程序名，一个完整程序存放在内存中的首地址表识符。西门子

用“%”，FANUC用“O”）

N001 G91 G00 X100.00 Y80.00 M03 S650；快速定位到A点，主轴正转，

转速650

N002 Z-33.00； 刀具下降33mm，距工件2mm N003 G01 Z-26.00 F100； 直线插补，刀具向下工进26mm穿透工件 N004 G00 Z26.00； 快速返回

N005 X50.00 Y30.00； 快速定位到B点 N006 G01 Z-17.00； 刀具向下工进17mm，进入到工件内15mm N007 G04 F2； 暂停2秒 N008 G00 Z50.00； 刀具快速上移50mm N009 X-150.00 Y-110.00；返回起始点

14

N010 M02； 程序结束

一个程序段包含三部分：程序标号字（N字）+程序主体+结束符

（1）程序标号字（N字）：也成为程序段号，用以识别和区分程序段的标号，不是所有程序段都要有标号，但有标号便于查找，对于跳转程序来说，必须有程序段号，程序段号与执行顺序无关。

（2）结束符号：用“；”，有些系统用“*”或“LF”，任何程序段都必须有结束符，否则不与执行。（一般情况下，在数控系统中直接编程时，按回车键，可自动生成结束符，但在电脑中编程时，需手工输入结束符）

（3）程序段主体部分：一个完整加工过程，包括各种控制信息和数据，由一个以上功能字组成。功能字包括：准备功能字（G），坐标字（X、Y、Z），辅助功能字（M），进给功能字（F），主轴功能字（S），刀具功能字（T）等。 2、功能字：

（1）准备功能字（G字）：使机床做某种操作的指令。用地址G和两位数字表示，从G00-G99共100种。

15

非模态G代码：只在它所在的程序段内有效，如：G04、G92、G08、G09（加、减速）

模态G代码：一旦执行就一直保持有效，直到被同一模态组的另一G代码替代为止。如：G00、G01、G02

（2）坐标字：由坐标名、带+/-号的绝对坐标值（或增量值）构成。X、Y、Z，U、V、W，P、Q、R，A、B、C，I、J、K （3）进给功能字（F字）：由地址码F和后面表示进给速度的若干位数构成。

（4）主轴转速功能字（S字）：由S字母和后面的若干位数字组成。

（5）刀具功能字（T字）：T地址字后接若干位数值，数值为刀号和刀补号。如 T3 选3号刀具

（6）辅助功能字（M字）：M地址字后接2位数值，M00-M99共100种M代码。如M00、M02、M03、M04等

（7）刀具偏置字（D字和H字）：D字后接一个数值是将规定在刀具偏置表中的刀具直径值调出，当程序中有G41或G42指令时，这个值就是刀具半径的补偿值。H字后接一个数值是将

16

规定在刀具偏置表中的刀具长度度值调出，当Z轴运动时，这个值就是刀具长度偏置值。

第三节、坐标系 本节重点：1）数控机床坐标系的确定

2）机床坐标系、工件坐标系、参考点 3）工件坐标系的设定 一、坐标轴

数控机床的坐标系采用直角笛卡尔坐标系,其基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标系。其名称和方向符合右手法则。 坐标轴方向确定：

Z轴：无论哪一种机床都规定Z轴作为平行于主轴中心线的坐标轴，如果有多个主轴，应选择垂直于工件装夹面的轴为Z轴。 X轴：通常选择为平行于工件装夹面，与主要切削进给方向平行。 数控机床的坐标轴及其运动方向a)数控车床b)立式数控镗铣床c)卧式数控镗铣床 工作台 17

旋转坐标A、B、C的方向分别对应X、Y、Z轴按右手螺旋方向确定。

+Z：使刀具远离工件的方向。

+X：（1）.在刀具旋转的机床上（如铣床），如果Z轴水平，当从主轴向工件看时，+X方向指向右方（卧铣）。如果Z轴垂直，当从主轴向工件看时，+X方向指向右方（立铣）。 （2）.在没有旋转刀具、没有旋转工件的机床上（牛头刨），X轴平行于主要切削方向。

注意：编程时认为-刀具运动，工件静止，刀具在刻画工件。 二、坐标原点

1.机床原点：现代数控机床一般都有一个基准位置，称为机床原点（machine origin）或机床绝对原点(machine absolute origin)。是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。一般用“M”表示。或用 表示。 2.机床参考点：与机床原点相对应的还有一个机床参考点（reference point），用“R”表示，或用 表示。它是机 18 床制造商在机床上用行程开关设置的一个物理位置，与机床原点的相对位置是固定的，机床出厂前由机床制造商精密测量确定。

3.程序原点：（program origin）编程员在数控编程过程中定义在工件上的几何基准点，有时也称为工件原点（part origin），用“W”表示，或用 表示。程序原点一般用G92或G-G59（对于数控镗铣床）和G50（对于数控车床）设置。 三、坐标系

1.机床坐标系：机床原点对应的坐标系称为机床坐标系，它是固定不变的，是最基本的坐标系，是在机床返回参考点后建立起来的，一旦建立，除了受断电影响外，不受程序控制和新设定坐标系影响。通过给参考点赋值可以给出机床坐标

系的原点位置，有些机床把参考点和机床坐标系原点重合。 2.工件坐标系：程序原点对应的坐标系称为工件坐标系，这个坐标系由编程员自己设定，只要方便编程即可。但在实际加工中，操作者在机床上装好工件之后要测量该工件坐标系的原点和基本机床坐标系原点的距离，并把测得的距离在数控系统中预先设定，这个设定值叫工件零点偏置。如图：

19

例1.如车床

刀具工件工件坐标系x距离x距离机床坐标系x例2.如铣床

工件坐标系工作台工件工件距离距离距离一般数控系统可以设定几个工件坐标系。例如美国A-B公司的9系列数控系统就可以设定9个工件坐标系。它们是G、G55、G56、G57、G58、G59、G59.1、G59.2、G59.3。它们是同一组模态指令，同时只能有一个有效。

下面举例说明机床参考点、机床坐标系、工件坐标系的建立及关系：

20

机床参考点机床坐标系建立工件坐标系如图：通过给机床参考点赋值X=-3、Y=-2，定义了机床坐标系，然后在机床坐标系中用坐标值X=3、Y=2定义G工件坐标系的零点位置。

举例说明工件坐标系与机床坐标系的关系

设刀具在基准点（-6，0），要使刀具从基准点移到A、再到B、C、D、再经O1点返回基准点。

基准点机床坐标系确定工件坐标系程序如下： N1 G00 G90 G X10 Y10；

21

N2 G01 X30 F100； N3 X10 Y20；

N4 G00 G53 X10 Y20； N5 X0 Y0； N6 G28 X0 Y0； 举例说明工件坐标系与工件坐标系的关系

工件坐标系工件坐标系程序如下： G； 激活G工件坐标系 G00 X20 Y20； 刀具移到G工件坐标系中的X20、Y20点 G55 X10 Y10； 刀具移到G55工件坐标系中的X10、Y10点 X3 Y2； 刀具运动到G55工件坐标系中的X3、Y2点

修改偏置表中的偏置值：常用的是手动修改和通过程序修改两种。

3.设定工件坐标系

22

设定工件坐标系原点常用G92或G-G59（对于数控镗铣床）设置。

（1）G92-后面的坐标值是把刀具的当前位置设定在新坐标系中的坐标值。如下例中Ni句设定的坐标系是把刀具所在的位置A点，设定在该坐标系的X=0、Y=0点上。Nj句设定的坐标系是把A点设定在该坐标系的X=100、Y=100点上。G92指令不能命令机床运动。

j设定坐标系设定坐标系通常用G92设定对刀点，数控机床工作时，有时先把刀具移到第一工步的起始点上，利用G92建立工件坐标系。下面以车床为例：

23 N1 M03 S0 N2 G92 X25 Z40 ：

注：先测量工件的直径、长度（25、40），刀具起始位置在A点，主轴启动，手动移动到B点，启动程序，程序运行到G92时，自动把B点定义为新建工件坐标系中的（25，40）点，新工件坐标系建立，加工程序在工件坐标系中运行。

G92的另一功能是移动由G-G59建立的工件坐标系。如图例 工件坐标系建立G的新零点 移动后的G55坐标系工件坐标系N3 G55 Y10 X5；在G55坐标系移到X5，Y10点 N4 G Y10 X5；在G坐标系移到X5，Y10点 N5 G92 Y-5 X-5；把刀具所在位置定义新G坐标系下

Y-5，X-5点，G55同时移动相同增量

24

N6 Y15 X0； 移动到新G坐标系下Y15，X0点 N7 G55 Y10 X5； 移动到新G55坐标系下Y10，X10点

举例说明G92、G-G59的应用：

下图描述了一个一装夹加工三个相同零件的多程序原点与机床参考点之间的关系及偏移计算方法，先以G92为例： 如图：

机床参考点向多程序原点的偏移N1 G90；绝对编程，刀具位于机床参考点

N2 G92 X6 Y6 Z0；将程序原点定义在第一个零件的工件原点W1 ： ： ： 加工第一个零件 N8 G00 X0 Y0； 快速返回程序原点

N9 G92 X4 Y3； 将程序原点定义在第二个零件的工件原点W2

25

： ： ： 加工第二个零件 N13 G00 X0 Y0； 快速返回程序原点

N14 G92 X4.5 Y-1.2；将程序原点定义在第三个零件的工件原点W3

举例说明G-G59应用：

首先设置G-G59原点偏置寄存器： 对于零件1：G X-6 Y-6 Z0 对于零件2：G55 X-10 Y-9 Z0 对于零件3：G56 X-14.5 Y-7.8 Z0 然后调用： N1 G90 G

： 加工第一个零件 N7 G55

： 加工第二个零件 N10 G56

： 加工第三个零件 4.工件坐标系的零点偏置

用G52指令可将工件坐标系的零点偏置一个增量值 26

G52 X Y Z ；

执行该指令可将当前坐标系零点从原来的位置偏移一个X Y Z 距离。 G52与G92比较

区别：G52后面的坐标值是工件坐标系原点的移动值，而G92后面的坐标值是刀具在新坐标系中的坐标值。 相同：不产生机床移动，只改变工件坐标系位置。

例： 程序 机床坐标系位置 工件坐标系位置 G01 X25 Y25 F55 X25 Y25 X25 Y25 G52 X10 Y10 X25 Y25 X15 Y15 偏置后工件坐标系刀具位置 工件坐标系（机床坐标系）注：G01前无工件坐标系设定指令（如G92），所以工件坐标系与机床坐标系重合，G52偏置后机床坐标系不动，工件坐标系移动。 取消方式：

27

1）用G52X0Y0Z0

2）用G92移动有零点偏置的坐标系 3）程序结束

第四节 常用编程指令

本节重点：1）重点掌握基本编程指令的使用 2）注意车床与铣床编程时的区别 3）熟练掌握极坐标编程

4）会使用刀具长度偏置指令及半径补偿指令 一、快速定位方式G00（模态） 格式：G00 X Y Z ；

G00轨迹是直线，速度由系统确定，后面的坐标值为终点坐标值，应用于空行程、快进、快退，节省时间，提高效率。 二、直线插补指令G01（模态） 格式：G01 X Y Z F ；

XYZ坐标值为直线终点坐标值，可为绝对坐标值或相对坐标值，F为速度指令，改变F值可以改变直线插补速度。 *程序中首次出现的插补指令（G01、G02、G03）一定要有F指令，否则出错！后续程序中如速度相同可省略。如速度改

28

变不可省略。

三、1）绝对坐标编程指令G90（模态） 格式：G90；

以后出现的坐标值均为绝对坐标值，即刀具运动的位置坐标是指刀具相对于程序原点的坐标。

2）相对坐标编程指令G91（模态） 格式：G91；

以后出现的坐标值均为相对坐标值，即刀具运动的位置坐标是指刀具从当前位置到下一位置之间的增量。

例：分别用绝对和增量方式编程 绝对方式： 增量方式：

N1 M03 S0； 主轴正转 N1 M03 S0； N2 G90； 选绝对（增量） N2 G91；

N3 G00 X20 Z60； 快进A-B N3 G00 X-60 Z-20； N4 G01 X30 Z40 F100；工进B-C N4 G01 X10 Z-20 F100； N5 G01 X30 Z20； C-D N5 G01 X0 Z-20； N6 G01 X40 Z20； D-E N6 G01 X10 Z0； N7 M02； 结束 N7 M02；

29

有些数控系统不用G90、G91区分绝对和增量编程，而是直接用X、Y、Z表示绝对编程，用U、V、W表示增量编程。例： 绝对编程： 增量编程： N1 M03 S0； N1 M03 S0； N2 G00 X20 Z60； N2 G00 U-60 W-20； N3 G01 X30 Z40 F100； N3 G01 U10 W-20 F100； N4 G01 X30 Z20； N4 G01 X0 Z-20； N5 G01 X40 Z20； N5 G01 X10 Z0； N6 M02； N6 M02；

以上程序中没有出现G92指令，G92指令为定义工件坐标系，有些系统用G50（数控车），还有些系统两者都不用（南京仁和），它采用直接对刀，通过输入刀补参数来建立工件坐标。

30

习题：根据下图编写加工程序（加工路径A-B-C-D-A） 绝对方式： 增量方式： N1 G90 G00 X16 Z50； N1 G91 G00 X-24； N2 G01 Z35 F200； N2 G01 Z-15 F200； N3 X18 Z20； N3 X2 Z-15； N4 G00 X40 Z50； N4 G00 X22 Z30； N5 M02； N5 M02；

**注意数控车床编程特点：X轴方向竖直向下，Z轴方向水平向右；X轴坐标为Z轴坐标2倍，即直径量编程。

注意上例中，程序中有很多坐标字、G功能字被省略。（书22页：若某个方向上的坐标增量值为0，则在程序中可以省略。）表现在绝对编程中：相邻程序段中坐标值相同的坐标字可以省略；而在增量编程中：程序段中坐标值为0的坐标字可以省

31

略。

习题：综合运用G00、G01指令编程。 四、圆弧插补指令G02、G03（模态） G02--顺圆插补（在车床上为逆圆插补） G03--逆圆插补（在车床上为顺圆插补） 格式：

G02（G03） X Y （Z ） I J （K ）或（R ），F ； X、Y、Z值为圆弧终点坐标值（G90），或是终点相对起点的增量值（G91）；

I、J、K值为圆心相对于圆弧起点的增量值，且总为增量值； R 值为圆弧半径，该值的正负取决于圆弧的大小，若圆弧小于或等于180度，则R为正值，若圆弧大于180度，则R值为负。

32

F 值为圆弧插补的进给速度。

1例：（此例为车床，X轴方向与铣床不同，注意G02、G03方向）

绝对方式： G02 X120 Z10 I60 K-40 F300； 增量方式：

G02 U60 W-90 I60 K-40 F300；

2例： （比较上例，体会坐标轴方向对圆弧插补方向的影响）

终点圆心起点

33

绝对方式：

G90 G00 X42 Y32 G02 X30 Y20 J-12 F200 G03 X10 Y20 I-10 增量方式：

G91 G00 X-8 Y-10 G02 X-12 Y-12 J-12 F200 G03 X-20 I-10 用R编程：

G90 G00 X42 Y32 G02 X30 Y20 R-12 F200 G03 X10 Y20 R10

习题：综合运用G01、G02、G03等基本指令按照下图编写程序（路径O-A-B-C-D-E-F-G-O） 34

N1 M03 S300；

N2 G90 G G00 X0 Y0； 快速定位到O点 N3 G01 X0 Y15 F100； O-A

N4 G01 X10 Y15； A-B N5 G02 X15 Y10 I0 J-5； B-C N6 G03 X18 Y7 I3 J0； C-D N7 G01 X20 Y7； D-E N8 G01 X23 Y5； E-F N9 G01 X23 Y0； F-G N10 G01 X0 Y0； G-O N11 M02；

五、确定插补平面指令G17、G18、G19

平面选择可由程序段中的坐标字确定，也可由G17、G18、G19确定。

35

圆弧插补指令后不能同时出现三个方向的坐标字 G17选择XY平面 G18选择XZ平面 G19选择YZ平面 六、螺旋线加工

有些数控系统可利用G02、G03指令进行三维螺旋线加工，即在选定的插补平面内完成圆弧插补的同时在垂直于该平面的第三维方向上进行直线插补。 格式：

绕Z轴的螺旋线是在XY平面内的圆弧插补和Z轴的直线插补： G17 G02（G03） X Y Z I J （R ）F ；

绕Y轴的螺旋线是在XZ平面内的圆弧插补和Y轴的直线插补： G18 G02（G03） X Z Y I K （R ）F ；

绕X轴的螺旋线是在YZ平面内的圆弧插补和X轴的直线插补： G19 G02（G03） Y Z X J K （R ）F ；

X、Y、Z、I、J、K、R、F值与平面内圆弧插补的含义一致。 例：AB为螺旋线，起点A（10，0，0），终点B（0，10，5），B`（0，10，0）

36

圆弧插补平面为XY平面，逆圆插补，程序如下： G90 G17 G03 X0 Y10 Z5 I-10 J0 F100 注：I、J为投影圆弧（AB`）的圆心相对于起点的增量值。 七、切削螺纹指令G33（模态） 一般格式：

G33 X （Y ）Z F ；

若为直螺纹可省略X （或Y ），这里指令导程的字是F ，有的标准规定螺纹导程用I J K 字。

数控车床、数控镗铣床、加工中心等都有螺纹切削功能，具有螺纹切削功能的机床，主轴上都联接编码器，主轴旋转时由编码器记录主轴的初始位置、转角、转数和旋转速度，由

37

于要多次重复加工，因此螺纹认头必须要准，所谓认头就是每次重复加工时，必须从同一位置进行加工，否则就会乱扣。

例：在加工中心上切削螺纹，工件固定在

Z工作台上，刀具装在主轴上。 工件iL主轴

程序如下： N1 G90 G00 Y-70.0； 刀具定位于螺孔中心 N2 Z200.0 S45 M03； 主轴正转，刀具沿Z向接近工件 N3 G33 Z120 F5； 第一次切削，导程F=5

N4 M19；主轴定向停止（使主轴每次都停止在同一角度位置，

以便找到起始位置）

N5 G00 Y-75； 刀具沿Y向退刀

N6 Z200 M00； 刀具沿Z向退回孔端，程序暂停调刀 N7 Y-70 M03； 刀具对准孔中心，主轴启动 N8 G04 X2； 暂停两秒，便于主轴速度到达 N9 G33 Z120 F5； 第二次螺纹切削

38

N10 M19； 主轴定向停止 N11 G00 Y-75； 刀具沿Y向退刀

N12 Z200 M00； 刀具沿Z向退回孔端，程序暂停调刀 N13 Y-70 M03； 刀具对准孔中心，主轴启动 N14 G04 X2； 暂停两秒，便于主轴速度到达 N15 G33 Z120 F5； 第三次螺纹切削 N16 M19； 主轴定向停止 ：

NXX M02； 程序结束

切削锥度螺纹时，工件要沿Z和X（或Y）两个方向移动，因螺纹中心线通常与主轴中心线重合，因此，Z向移动总关联导程，而X（或Y）向移动则产生锥度。 例：

G90 G33 X10 Z100 F4；

39

八、极坐标编程

用极坐标（极径和极角）方式编写程序 格式： G16；

X Y ；或（X Z ；或Y Z ；） G15；

在XY和XZ平面内，X后面的数值是极径的值，Y和Z后面的数值是极角，在YZ平面内，Y字后面的是极径，Z字后面是极角。（极角单位是“度”，逆时针为“正”，顺时针为“负”。 极径和极角的值与增量方式还是绝对方式有关，也可以混用。 增量方式（G91）：极径的起点是刀具当前所在位置，极角是相对于上一次编程角度的增量值，在刚进入极坐标编程方式时，极角的起始边是当前有效平面的第一坐标轴，缺省表示极角为0。

绝对方式（G90）：极径的起点总是坐标系的原点，极角的起始边永远是当前有效平面的第一坐标轴。 例图，刀具运行轨迹是O-A-B-C 增量方式：

40

N10 G91 G00 X0 Y0 F150； N20 G01 X10 Y10； N30 G16； N40 X22 Y10； N50 X15 Y260； N60 G15； N70 M30； 绝对方式：

N5 G00 X0 Y0 F150； N10 G90；

N20 G01 X10 Y10； N30 G16； N40 X22 Y10； N50 X15 Y80； N60 G15； N70 M30；

极坐标编程中，若后一段中的极径或极角值与前一段相同，则后一段程序中可省略不写，但不能全部省略，至少要出现

41

一个极坐标字。 例图：

N10 G00 X10 Y5； N20 G01 G91 G16 F100； N30 X20 Y45； N40 Y90； N50 Y90； N60 Y90； N70 M30； 或者：

N10 G00 X10 Y5； N20 G01 G91 G16 F100； N30 X20 Y45； N40 Y90； N50 X20； N60 X20； N70 M30；

思考：针对上例，绝对方式与增量方式编程哪种较适合？

42

混合编程例图：（极径为绝对，极角为增量） N10 G90 G01 X0 Y0 Z0 F100；

N20 G16；

N30 G90 X10 Y0；

N40 G81 G91 Y30 Z10 R5 L12 （省略X10） N50 G15；

N60 M30

G81为钻孔循环，每钻完一孔自动抬刀，抬升高度由R值设定，L值为循环次数。 混合编程例图：（极径为增量，极角为绝对） N10 N20 N30 N40

G00 X0 Y0 F500；

G90 G81 X3 Y0 R3 Z10； G16；

G91 X4 G90 Y135；

43

N50 N60 N70 N80 N90 N100 N110 N120 Y225； Y315；

G15 X6 Y0； G16；

G91 X8 G90 Y135； Y225； Y315； M30；

以上程序只出现一次G81，以后G81都省略。欲结束固定循环，需有固定循环结束指令或程序结束。

加工圆弧时，可用极坐标字指定圆弧终点位置，但圆心仍用I、J、K表示，方法不变，所以圆弧加工程序段中包含极坐标和直角坐标。 例图：

N1 G00 X0 Y0； N2 G91 G16 F100；

N3 G02 X20 Y20 I9.397 J3.42； N4 G15； N5 M30；

44

九、刀具长度偏置指令G43、G44、G49（模态） 通常，数控车床的刀具装在回转刀架上，加工中心、数控镗铣床、数控钻床等刀具装在主轴上，由于刀具长度不同，装刀后刀尖所在位置不同，即使是同一把刀具，由于磨损、重磨变短，重装后刀尖位置也会发生变化。如果要用不同的刀具加工同一工件，确定刀尖位置是十分重要的。为了解决这一问题，我们把刀尖位置都设在同一基准上，一般刀尖基准是刀柄测量线（或是装在主轴上的刀具使用主轴前端面，装在刀架上的刀具可以是刀架前端面）。编程时不用考虑实际刀具的长度偏差，只以这个基准进行编程，而刀尖的实际位置由G43、G44来修正。（一般而言，刀具长度补偿对于二坐标、三坐标联动数控加工是有效的，但对于刀具摆动的四、五坐标联动数控加工，则无效）

刀具长度补偿在发生作用前，必须先进行刀具参数的设置。设置的方法有机内试切法、机内对刀法和机外对刀法。数控车一般采用机内试切法和机内对刀法。数控铣采用机外对刀法。不论用哪种方法，所获得的数据都必须通过手动数据输入方式将刀具参数输入数控系统的刀具参数表中。

45

格式：

G43（G44） H Z ； G43为刀具长度正向偏置指令（或离开工件补偿），G44为刀具长度负向偏置指令（或趋向工件补偿）。H地址中存储的为刀具偏置量。取消刀具长度补偿用G49指定。

G43作用：刀具在做Z向移动时，刀具实际移动距离等于Z值加上H地址中的刀具偏置值。

G44作用：刀具在做Z向移动时，刀具实际移动距离等于Z值减去H地址中的刀具偏置值。

H地址中的偏置值可以为正值，也可以为负值。不可简单理解为测得的刀具长度。 例图： 测量基准点偏置量L 46

通过上例可以看出，在程序命令方式下，可以通过修改刀具长度偏置寄存器中的值达到控制切削深度的目的，无须修改零件程序。 思考：

既然G43（G44）只是把程序控制对象从基准点移到刀尖，试分析下列语句是否可以互换：

N1 G91 G00 G43 H01 Z-348；（H01=100） 与

N1 G91 G00 Z-248；

两段程序走刀位置完全相同，可互换，但第一段程序更方便，可应用于不同的刀具，换刀后只需修改H地址中的刀具偏置值即可，而第二段程序若换刀后，刀长改变，刀尖位置也发生改变，轨迹变化。

数控编程员应记住：零件程序假设的是刀尖（或刀心）相对于工件的运动，刀具长度补偿的实质是将刀具相对于工件的坐标由刀具长度基准点（或刀具安装定位点）移到刀尖（或刀心）位置。

有些机床不需要G43、G44，而是实行自动刀具长度补偿，即

47

把基准点到刀尖的长度测出，输入刀具参数表中即可自动补偿。

刀具长度偏置的取消：

（1）用H00取消，H00地址中的值总为0 （2）用G49取消

*注意：只有在线性程序段（G00、G01）才能使用刀具长度偏置！例图：

用铣刀加工ABCDA轮廓 线示意图，立铣刀装在主轴上，铣刀测量基准I到工件上表面的距离为350mm，要加工III、IV面，必须把刀具从基准

面I移近工件上表面，再作Z向切入进给。程序如下： N1 G91 G00 G43 H01 Z-348； N2 G01 Z-12 F100； ：

Ni G00 G49 Z360；

48

由图可知，铣刀端面与工件上表面间距离是（350-100）=250mm，但N1句中的Z-348，如没有刀偏（G43），则刀尖要下降348mm会进入工件上表面以下98mm，显然不对，句中的G43 H01就能修正这一错误，这里H01地址中的刀具偏置值是100，则指令N1含义为刀具向下移动距离等于Z值+H地址中的值，即-348+100=-248mm，即刀具沿Z向以G00方式按G91相对坐标值移动了-248mm，这时刀尖距离工件上表面2mm，N2句向下切削12mm，从而完成刀具下切。Ni句为取消刀偏，使刀具退回起始点，G49作用是把G43加上的偏置长度从Z值中减掉，即360-100=260mm，即相当于刀尖实际上移260mm，回到初始位置。

十、刀具位置偏置G45-G48（非模态） 在运动方向上的偏置叫刀具位置偏置 格式： G45 G46

G47 X Y H（D） ； G48

49

G45：使刀具的实际运动位置等于坐标指令与偏置值的代数和 G46：是两者的代数差

G47：刀具运动距离等于编程距离与2倍偏置值的代数和 G48：两者的代数差

移动指令为零时，在绝对方式下（G90），刀具位置偏置指令不起作用，在增量方式下（G91），仅移动偏置值。 G45-G48用法，例如表2-4： 例，根据轨迹编程，H01=r刀具半径 N1 M06 N2 G91 N3 G47 N4 G47 N5 G49 N6 G48

T01；

G46 G00 X20 Y40 H01； G01 Y30 H01 F100； X30； Y-15； X40；

50

N7 G49 Y15； N8 G47 X20； N9 G47 Y-30； N10 G47 X-90；

N11 G00 G49 X-20 Y-40； N12 M02；

十一、刀具半径补偿指令G41、G42、G40（模态） （一）、刀具半径补偿的目的：

在数控铣床上进行轮廓的铣削加工时，由于刀具半径的存在，刀具中心轨迹和工件轮廓不重合。如果系统没有半径补偿功能，则只能按刀心轨迹进行编程，即在编程时事先加上或减去刀具半径，其计算相当复杂，计算量大，尤其当刀具磨损、重磨或换新刀后，刀具半径发生变化时，必须从新计算刀心轨迹，修改程序，这样既繁琐，又不利于保证加工精度。当数控系统具备刀具半径补偿功能时，数控编程只需按工件轮廓进行，数控系统会自动计算刀心轨迹，使刀具偏离工件轮廓一个刀具半径值，即进行刀具半径补偿。 （二）、刀具半径补偿指令格式： G41 X Y ； D X Z ； G42 Y Z ；

51

G41：左侧刀具半径补偿 G42：右侧刀具半径补偿 G40：取消半径补偿

X、Y、Z：建立刀具半径补偿运动的终点（实际为G00或G01指令的坐标字），半径补偿只能在规定的平面内进行，可由坐标字或G17、G18、G19选择确定。

D字：偏置号，D后面是多位自然数，每一个偏置号都是一个内存地址，这些地址中存放着刀具半径值（D00地址中值永远为0）。

*刀具半径补偿的建立只能在G01、G00下完成，不可在G02、G03方式下完成，但一旦建立，刀具所走过曲线都有效，即编程曲线永远是铣刀回转圆的包络线。 （三）、刀具半径补偿编程举例： 例1：对图零件编程： 图中装刀基准点是0， 铣刀长度是100mm， 半径是9mm，编写 加工ABCDA轮廓线的程序： D01=9 H01=100

52

N1 G92 X0 Y0 Z0；

N2 G91 G00 G41 D01 X200 Y200； N3 G43 H01 Z-348； N4 G01 Z-12 F100； N5 Y30； N6 X20；

N7 G02 X30 Y-30 I0 J-30； N8 G01 X-50；

N9 G00 G49 Z360； N10 G40 X-200 Y-200； N11 M30；

注意退刀顺序：先Z向退刀，再X、Y向退刀。 例2：根据图编程， 设：D01=5mm 程序如下：

N0 G90 G00 X0 Y0； N1 G00 G42 X20 Y20 D01； N2 G01 X70 F100；

N3 G03 X82.99 Y4205 R15； N4 G01 X72.99 Y62.5；

N5 G03 X59.33 Y66.16 R15； N6 G02 X38.521Y69.797R16； N7 G01 X20 Y95； N8 Y71.18；

53

N9 G02 Y48.82 R15； N10 G01 Y20；

N11 G00 G40 X0 Y0； N12 M30；

（四）、刀具半径补偿的取消：

可以用G40指令取消，也可以用D00，D00地址中的半径值是0。 本节重点：注意刀具半径补偿方向的选择！

思考：试举例说明如何用刀具半径补偿指令修正加工零件的尺寸。 习题:完成编程,注意半径补偿,可考虑用极坐标编程,已知D01=10,H01=100

第五节 子程序和固定循环.

本节重点:1)掌握子程序调用格式

2)了解固定循环的使用方法

3)能读懂程序中固定循环指令的含义 一、子程序：

当同样的一组程序被重复使用多于一次时，经常把他编成子程序。 （一）、格式：

O***** 子程序名 ......； ......；

： 子程序主体 ......； M99； 子程序结束

FANUCA系统的子程序名用字母“O”打头，后面跟5位自然数，可区分99999个不同的子程序。而西门子系统用“%”开头。子程序的格式和主程序完全相同，M99是子程序结束指令，遇到M99时返回主程序断点。 (二）、子程序调用（M98） 格式：

55

M98 P***** L ；

M98是子程序调用指令，P是调用子程序标识符，而后面的5位自然数是被调用的子程序的编号，它与子程序名中的“O”字母后面的数相同，L字是调用次数，缺省为1次。

一般，程序都是按顺序执行的，根据工艺要求，子程序调用指令被放在主程序合适的位置，当执行到M98 P*****时，控制系统将转去执行子程序，遇到M99返回主程序断点。 在子程序中，如果控制系统在读到M99以前读到了M02或M30，会停止零件程序执行，因此一般不在子程序中编写M02、M30。 例：

主程序

N1 G90；

N2 G00 X0 Y0； N3 ...... ：

N10 M98 P11111 L3；（调用子程序（一）） N11 G01 X0 Y0； ：

N15 M98 P22222 L2；（调用子程序（二）） ：

N99 M02； 子程序（一） Ｏ11111

N100 ...... ：

56

N109 M99；（返回断点） 子程序（二） Ｏ22222 N110 ..... ：

N120 M99；（返回断点） 有些系统用“G36 A ”调用子程序 格式：

G36 A**；调用A**子程序 ......

G37 A**；子程序A**开始 ：

G38； 子程序结束

例：（零件毛坯外径31mm，长度45mm）N1 G90；

N2 G92 X40 Z15； N3 M03 S0； N4 M06 T1；

N5 G00 X32 Z-12； N6 G91；

N7 G36 A1； N8 G90；

N9 G00 X32 Z-32； N10 G91；

N11 G36 A1； N12 G90；

57

N13 N14 N15 N16 N17 N18 N19 N20 N21 N22 G00 X40 Z15； M05； M02；

G37 A1；

G01 X-12 F40； G00 X12 Z0； G00 X0 Z-8；

G01 X-12 Z0 F40； G00 X12 Z0； G38；

注意调用格式，注意A后数值作用，注意程序执行顺序，分析为何在N15句就出现M02，余下程序是否执行？ （三）、M99功能

M99不论在主程序还是在子程序中都用做返回命令，但在住程序中与在子程序中有所不同。 1、在主程序中M99作用

（1）执行程序段中所有命令，包括M99右边的所有指令 （2）类似于M02、M30清除所有模态代码 （3）将当前主程序复位到第一个零件程序段 （4）零件程序复位后，自动执行循环启动 2、在子程序中作用

（1）通知控制系统子程序结束

（2）不再执行M99后面的任何指令，并返回主程序

58

（四）、子程序调用举例：

阅读书上38页程序，了解子程序调用的方法，体会M99指令的作用，读懂程序执行的顺序。（可以给点时间自己阅读，然后说明程序执行顺序）：N00010-（顺序执行）-N00030-（调00001）-N00110-（顺序执行）-N00130-（调00002L1）-N00210-（顺）-N00220-（返回断点）-（调00002L2）-N00210-（顺）-N00220-（返回断点）-N00140-（顺）-N00150-（返回断点）-N00040-（顺）-N00070（结束） （五）、子程序嵌套 子程序最多可嵌套四级。 二、固定循环

1.镗削循环的工艺路线：

如图2-33，用镗刀镗削直径为100mm的孔，工艺如下： 1）设定工件坐标系

2）把刀具从基准点（换刀点）移到初始点，刀具移到初始点前，要用G43或G44建立刀具长度偏置。 3）把刀尖快速引进到R平面，R平面为安全平面

4）从R平面起，刀具进给加工运动，直到Z平面，Z平面是孔

59

底平面

5）刀尖在孔底停留几秒，可以光整孔底。

6）刀尖退回（必须先沿中心线退回到R平面以上，才可快速返回基准点。 基准点 主轴初始点初始平面G98返回面点平面，G99返回面孔的Z平面基准点孔的Z点 图2-33 2.镗削循环程序：

（1）G85：镗孔循环，无暂停，工退。 G：镗孔循环，延时，工退。

由于退出时是以加工速度退出，所以加工精度较高，为精镗循环。

60

格式：G85 X Y Z R F L ； G X Y Z R P F L ；

X、Y字是把刀具移动到初始点的坐标字，X Y 到达的终点就是初始点。Z值是孔底坐标值，G90方式下为绝对坐标值，G91方式下是从R平面到孔底的增量值。R值是R点的坐标值，G90方式下为绝对坐标值，G91方式下为初始点到R点的增量值。P字是刀具在孔底停留时间，单位为ms。F字是进给速度。L值是循环次数，在G90方式下L值是在同一位置循环的次数，在G91方式L值是由所在程序段中X、Y坐标值确定坐标移动距离，每移动一次循环一次。L值为0不作循环运动，为1可省略。 G85、G返回方式：工进速度返回到R平面。

G85和G只有一点不同，G是使刀具在孔底停留P字给定时间，而G85不停留。

例：加工图2-33中直径100mm的孔，刀具长度为150mm，令H01=150 程序如下： 绝对方式：

N1 G92 X-600 Y450 Z500；建立工件坐标系

61

N2 G90 G00 G43 H01 Z100 M03 S500；建立刀具长度偏置，

刀尖快移到初始平面

N3 G85X0 Y0 Z-30 R5 F100；刀具移到初始点，加工直径100

的孔，完成后工进返回R平面

N4 G80 G00 H00 Z500 M05；取消固定循环，取消刀具长度偏置 N5 G28 X0 Y0； 返回基准点 N6 M00； 程序停止 相对方式：

NI G92 X-600 Y450 Z500； 建立工件坐标系 N2 G91 G00 G43 H01 Z-400 M03 S500；建立刀具长度偏置，

刀尖快移到初始平面

N3 GX600Y-450Z-35R-95P3000F100；刀具移到初始点，加

工直径100的孔, 孔 底停留3秒，完成后工 进返回R平面

N4 G80 G00 H00 Z495 M05； 取消固定循环，取消

刀具长度偏置

N5 G28 X0 Y0； 返回基准点 N6 M00； 程序停止 注意增量方式中画线部分的数值。

固定循环指令以及Z、R、O、P等指令都是模态的，一旦指定

62

就一直保持有效，直到被取消为止。

G80是取消固定循环指令，如果不取消，N4句仍然执行G85循环。如果中间出现了任何01组的指令代码，如G01、G00、G02、G03等，循环数据也会全部自动取消，与用G80效果一样。 G28是返回基准点指令，后面的坐标字是返回基准点的路过点。（路过点省略Z495）

G98指令使刀具返回初始平面，G99指令使刀具返回R平面，一般只有需要越过障碍，或全部加工完毕时，才选用G98。

（2）G86：镗削循环，主轴停止，快退 格式：G86 X Y Z P R F L ；

加工到孔底后，主轴停止，刀具在孔底停留P字规定时间，快退到R平面或初始平面后，主轴重新自动启动。

采用这种加工方式，如果连续加工的孔间距较小，可能出现刀具已经定位到下一个孔的加工位置而主轴转速尚未达到规定的转速，这种情况显然不允许出现，为此，可以在各孔动作之间加入暂停指令G04，使主轴达到规定的转速。 例：用G86加工上例中100mm的孔，程序如下： N1 G92 X-600 Y450 Z500；

63

N2 G91 G00 G43 H01 Z-400 M03 S500； N3 G98 G86 X600 Y-450 Z-35 R-95 P2000 F100； N4 G80 G28 H00 G00 Z495 M05 M00； *G98定义G86加工完毕快退到初始平面。 （3）G88：镗削循环，主轴停止，手动退出

刀具到达孔底后延时P字规定的时间后主轴停转，系统进入保持状态（程序暂停执行），这时可以进行手动操作，如退刀测量孔径，调整刀尖位置等，手动完毕，按启动按钮，系统会自动进入循环状态，继续执行退刀到R点或初始点，然后主轴启动。

例：用G88加工图2-33中的100mm的孔： N1 G92 X-600 Y450 Z500；

N2 G90 G00 G43 H01 Z100 M03 S500； N3 G99 G88 X0 Y0 Z-30 R5 P2000 F100 L3； N4 G80 G28 G49 G00 Z500 M05 M00； N3句的X0Y0使刀具到达初始点，再快进到R平面，工进加工到孔底，延时2秒后主轴停止，系统进入保持状态，这时可以手动操作，手动后按启动按钮，刀具会快速移到R点，回到循环

状态。L3是指循环加工3次。

（4）G76：精镗循环，主轴停转，让刀，快退 格式：G76 X Y Z I J R P F L ； G76 X Y Z Q R P F L ；

刀具加工到孔底，主轴停止在定向位置，然后使刀头作离开加工面的偏移之后拔出，这样可以高精度高效率的完成孔加工而不损伤工件表面。 使用G76时，主轴上一定要装有 准停装置，主轴每次都准确的停 在同一位置。I、J、Q都是定义让 刀量的，若让刀方向平行于X轴或 Y轴，则可用Q字定义让刀量，否则 要用I、J定义。如图2-35b 图2-35b （5）G87：反镗循环 格式：G87 X Y Z I J R F ； G87 X Y Z Q R F ； 如图2-35a，运动过程： （1）由X、Y字将铣刀引入初始点 （2）由I、J或Q字给出的让刀量让刀 （3）快进到R平面

65 （4）消除让刀，使刀具旋转轴线

与孔轴线重合 （5）主轴正转

（6）工进反镗到Z平面 （7）主轴准停，让刀 （8）快退到初始平面 （9）消除让刀

例：直径105mm，刀长180mm的镗刀加工图2-33中的105mm的孔，刀具编号T02，H02=180，接续G86加工程序实例，程序如下： N5 T02 MO6；

N6 H02 Z-400 M03 S400；

N7 G87 X600 Y-450 Z33 R-173 Q10 F100； N8 G28 G80 G49 G00 Z0 M05 M00；

G86程序中已有G43模态指令，N4句中用H00取消T01刀长偏置，所以N6句中用H02即可建立新刀偏。N7句中的R-173是使R平面低于工件底面3mm，Q10的作用是使刀具单向让刀10mm，使刀具能顺利通过90mm的孔。 3.钻孔循环程序

（1） G81：钻孔循环，不延时，快退 G82：钻孔循环，延时，快退 格式：

66

G81 X Y Z R F L ； G82 X Y Z R P F L ；

程序中各字的意义与镗孔循环相同

例：用直径为12，长度为125的钻头，钻削图2-33中的4个直径为12的孔，钻头的刀号为T03，长度偏置为H03=125，接续G87例中的N8句写程序： N9 T03 M06；

N10 G90 G43 H03 Z100 M03 S800； N11 G99 G81 X0 Y70 Z-35 R3 F200； N12 X70 Y0； N13 X0 Y-70； N14 X-70 Y0；

N15 G80 G49 G28 Z100 M05 M00；

**在固定循环中，如果指令了01组G代码，固定循环则自动被取消，变成G80状态。（书中G00代码有误） （2）G83：深孔往复排屑钻孔循环、不延时、快退 G73：深孔往复排屑钻孔循环、可延时、快退 格式：

67

G83 X Y Z R Q F L ； G73 X Y Z R Q P F L ；

Q字的意义是每次排屑前的钻孔深度，其余字的意义与前述相同 钻深孔时切削不易排出，若不及时排出切屑，会因切屑堵塞使钻头断裂，所以要多次往复钻削，每次只能钻削Q字给出的深度，然后快退排屑。Q值永远是增量值且为正值，在G90方式下也是。Q值的大小与钻头直径有关，较粗的钻头Q值大些，但不能太大，太大会影响排屑损坏钻头。 G83、G73的往复排屑钻孔过程见图2-39a,b： G83如图a： 起始平面位置初始点

（1）快进到初始平面 （2）快进到R平面 平面位置平面dd大于余下深度后移到孔底（3）工进钻削Q深度 (a) （4）快退返回R平面 （5）快进到d字规定深度

68

（6）工进钻削d+Q字深度 ：

（7）快退返回初始点 G73如图b： 起始平面位置初始点

平面位置平面

（1）快进到初始点 dd（2）快进到R平面 （3）工进钻削Q深度 （4）快退返回d字距离 （5）工进d深度 （6）工进Q深度 ：

（7）快退返回初始点

大于余下深度后移到孔底上例中出现“d”，d值不是由程序给出的，而是系统参数设定的。

比较上例，可以得出G83与G73的区别：

1）G73钻到孔底时可停留P字定义时间，而G83不能

69

2）G83每次钻削Q字深度后，钻头快速返回R平面，而G73则只快速退回d字给出的距离。

比较而言，G83更利于排屑，但空行程较长，而G73排屑较差，但工艺更合理一些。 4.内螺纹攻螺纹程序

G84：右旋螺丝攻螺纹循环指令 G74：左旋螺丝攻螺纹循环指令 格式：

G84 X Y Z P R F L ； G74 X Y Z P R F L ；

数控机床攻螺纹时是将丝锥装在主轴上，主轴的转速和进给速度的对应关系，应和丝锥导程一致。

普通攻丝：丝锥可浮动，以便攻丝时丝锥按螺纹导程自由进给

刚性攻丝：用G84、G74，丝锥不用浮动 程序中的Z字为被攻螺纹孔的孔底坐标，P字为主轴更换旋转方向时的停留时间，F字为每转进给量，等于螺纹导程。

主轴 70

以G84为例，如图2-40， 起始平面位置（1）快进到初始平面 （2）快进到R平面 （3）主轴正转，工进到孔底 （4）停留P字规定时间 （5）主轴反转，工退到R平面 （6）主轴正转， （7）快退回初始平面 平面主轴正转例，用M12的丝锥加工如图2-33中的M12两孔： 在孔底反转钻头：T04 H04=105 丝锥：T05 H05=90 N16 T04 M06；

N17 G91 G00 G43 H04X270Y-450Z-400 M03S800； N18 G99 G81 X220 Y0 Z-38 R-97 F200 L2； N19 G80 H00 G28 Z100 M05； N20 T05 M06；

N21 G00 H05 X270 Y-450 Z-400 M03； N22 G99 G84 X220 Y0 Z-38 R-97 F1.75 L2； N23 G80 G49 G28 Z100 M05； N24 M30；

书中N17、N21两句中缺少G00指令，G43不能使主轴移动。N17句和N21句中的X值为270，因为加工孔所在圆半径为110，

71

600-110=490，孔间距为220，若用增量方式编程，则490中还应有1个220，所以490-220=270，则主轴先走270，开始进入循环钻孔，从270点开始向前走220，钻第一个孔，因为有L2，又因G91方式，所以又向前走220，钻第二个孔。

第七节 编程举例

程序见书52页（略）

结合前几节学过的基本编程指令，熟悉编程格式，掌握一定的编程技巧，学习完整程序中，刀具长度偏置、坐标系设定、刀具半径偏置、子程序调用、常用循环等指令的应用。

第三章 轮廓加工的数学基础

本章重点:1)重点掌握逐点比较法插补原理 2)了解数字脉冲乘法器

3)应用逐点比较法可以插补直线或圆弧 4)牢记四个象限判别式(直线) 插补：用有一定规律的折线来逼近轮廓的过程

插补原理：对轮廓线的起点到终点之间再密集的计算出有限个坐标点，刀具沿着这些坐标点移动，来逼近理论轮廓

72

插补方法：脉冲增量法和数据采样法（也称数字增量法） 脉冲增量插补：控制单个脉冲输出规律的插补方法，如逐点比较法、数字积分法等。通常用于步进电机控制系统 数字增量插补：将加工的一段直线或圆弧的时间划分为若干相等的插补周期，每经过一个插补周期就进行一次插补运算，算出在该插补周期内各坐标轴的进给量，边计算边加工。通常适用于直流、交流伺服电机的闭环或半闭环控制系统。

第一节逐点比较法的直线和圆弧插补原理 一、直线插补 如图加工轨迹 斜线AB， 直线方程为：

（X-X0）/（Y-Y0）=（Xe-X0）/(Ye-Y0) 取判别函数F=（Y-Y0）（Xe-X0）-（X-X0）(Ye-Y0)

判别拐点M与斜县AB之间的位置关系，以确定下一步的移动方向

1）M点在AB上方，F＞０ 2）M点在AB线上，F＝０

73

3）M点在AB下方，F＜０

为方便控制，通常把F=0和F>0两种情况合并为F≥0进行判别，即

F≥0时，M点在AB线的上方或在线上。

（注：M点指实际刀具的位置，AB线指编程轨迹）

如上图所示，M1点，这时刀具只有沿X+向移动，才能更逼近AB线，所以计算机控制刀具沿X+向前进一个脉冲当量的距离，到M2点，再进行下一次判断：

F2=（Y2-Y0）（Xe-X0）-（X2-X0）(Ye-Y0) =（Y1-Y0）（Xe-X0）-（X1+1-X0）(Ye-Y0) =（Y1-Y0）（Xe-X0）-（X1-X0）(Ye-Y0)-(Ye-Y0) =F1-(Ye-Y0) ..........................（1） 若F2<0,M2点在AB线的下方，则应向Y+向给一个脉冲，使刀具向Y+向移动一步，到M3点，再进行判断： F3=（Y3-Y0）（Xe-X0）-（X3-X0）(Ye-Y0) =（Y2+1-Y0）（Xe-X0）-（X2-X0）(Ye-Y0) =（Y2-Y0）（Xe-X0）-（X2-X0）(Ye-Y0)+(Xe-X0) =F2+(Xe-X0) ...........................（2）

74

由（1）、（2）式可知：

在第一象限插补时，若沿X方向走一步，即Xi+1=Xi+1，则Fi+1=Fi-(Ye-Y0),若沿Y向走一步，即Yi+1=Yi+1，则Fi+1=Fi+(Xe-X0)。

注意：偏差值Fi+1的计算只用到前一点的偏差值Fi和斜线长度在坐标方向的投影(Xe-X0)，(Ye-Y0)。

如图3-2为四象限划分规则，根据线段加工方向的不同来判别它所处的象限，如表3-1 对于四个象限可共用 如下的判别式： *^_^* 向Xe方向走一步,则： 下下下上上下 Fi+1=Fi-/Ye-Y0/ 向Ye方向走一步,则： Fi+1=Fi+/Xe-X0/ 直线插补的终点判别方法：

方法一：每走一步都要计算/Xi-X0/和/Yi-Y0/的数值，并判断/Xi-X0/>=/Xe-X0/且/Yi-Y0/和/Xe-X0/是否成立,若成立则插补结束,否则继续.

上上

75

方法二:把被加工线段的Xe-X0,Ye-Y0的长度单位换算成脉冲数值(若长度为mm,则把上述的坐标增量值除以脉冲当量).然后求出各坐标方向所需的脉冲数总和n=/Xe-X0/+/Ye-Y0/,计算机无论向哪一个方向输出一个脉冲都作n-1计算,直到n=0为止. 例题: 用逐点比较法插补第二 象限直线OA,O(0,0),A(-4,2) 首先判终点:n=/-4-0/=/2-0/=6 插补循环 偏差判别 进给方向 偏差计算 终点判别 0 F0=0 i=0<6 1 F0=0 -X F1=F0-/2-0/=-2 i=1<6 2 F1=-2<0 +Y F2=F1+/-4-0/=2 i=2<6 3 F2=2>0 -X F3=F2-/2-0/=0 i=3<6 4 F3=0 -X F4=F3-/2-0/=-2 i=4<6 5 F4=-2<0 +Y F5=F4+/-4-0/=2 i=5<6 6 F5=2>0 -X F6=F5-/2-0/=0 i=6=6 用第一种方法判别终点: /X1-X0/=/-1-0/=1

76

/Xe-X0/=/-4-0/=4 /X1-X0/=/-1-0/=1/X5-X0/=/-3-0/=3/Y6-Y0/=/2-0/=2=/Ye-Y0/=/2-0/......(2) 由(1)、(2)可知已到终点。 二、圆弧插补

如图加工圆弧A^B，已知 A点、B点坐标值，圆心O`点 相对于圆弧起点A的增量坐标值， -I0、-J0，R2=I02+J02

在以圆心O`点为圆点的I、J坐标系中，圆的方程可表示为I2+J2=R2

设刀具已位于Mi点，则Mi点对圆弧A^B的位置有三种情况：

77

1）Mi在圆弧外侧，则O`Mi>R,Ii2+Ji2-R2>0 2）Mi在圆弧上，则O`Mi=R,Ii2+Ji2-R2=0 3）Mi在圆弧内侧，则O`Mi若Fi>0，则Mi点在圆外侧，对于上图为逆圆，所以刀具应向X-走一个脉冲当量的距离，到达Mi+1点，Mi+1点对圆心坐标为： Ii+1=Ii-1,Ji+1=Ji,其判别式为： Ji+1=Ii+12+Ji+12-R2

=（Ii-1）2+Ji2-R2 =Ii2-2Ii+1+Ji2-R2

=Fi-2Ii+1 若Fi+1<0，则Mi+1点在圆内侧，所以刀具应向Y+走一个脉冲当量的距离，到达Mi+2点，Mi+2点对圆心坐标为： Ii+2= Ii+1, Ji+2= Ji+1+1,其判别式为： Ji+2=Ii+22+Ji+22-R2

= Ii+12+(Ji+1+1)2-R2 = Ii+12+Ji+12+2Ji+1+1-R2 =Fi+1+2Ji+1+1

78

若Fi+2>0，则应向-X走一步；若Fi+2<0，则应再向Y+走一步。上述为第一象限加工逆圆的情况，而在二、三、四象限加工顺、逆圆时，判别式各不相同，归纳如下四种情况：

1）沿+X方向走一步 Ii+1=Ii+1 Fi+1= Fi+2Ii+1 2）沿-X方向走一步 Ii+1=Ii-1 Fi+1= Fi-2Ii+1 沿3）沿+Y方向走一步 Ji+1=Ji+1 Fi+1= Fi+2Ji+1 4）沿-Y方向走一步 Ji+1=Ji-1 Fi+1= Fi-2Ji+1

终点判别，可根据圆弧终点对圆心坐标值判定。

例如：在XY平面内，圆弧终点相对圆心坐标为Ie、Je，在插补运算中，Ii、Ji的值总是不断的作+1或-1变化，当满足

79

Ie-Ii=0且Je-Ji=0时，就到达终点。 例题： 用逐点比较法插补 逆圆弧A^B， A（4，0），B（0，4）， R=4 插补循环 偏差判别 进给方向 偏差计算 终点判别 0 F0=0 Ie-I0=0-4=-4 1 F0=0 -X F1=0-2*4+1=-7 Ie-I1=0-3=-3 I1=4-1=3; J1=0 2 F1=-7<0 +Y F2=-7+2*0+1=-6 Ie-I2=0-3=-3 I2=I1=3; J2=J1+1=1 3 F2=-6<0 +Y F3=-6+2*1+1=-3 Ie-I3=0-3=-3 I3=I2=3; J3=J2+1=2 4 F3=-3<0 +Y F4=-3+2*2+1=2 Ie-I4=0-3=-3 I4=I3=3; J4=J3+1=3 5 F4=2>0 -X F5=2-2*3+1=-3 Ie-I5=0-2=-2 I5=I4-1=2; J5=J4=3 6 F5=-3<0 +Y F6=-3+2*3+1=4 Ie-I6=0-2=-2 I6=I5=2; J6=J5+1=4 7 F6=4>0 -X F7=4-2*2+1=1 Ie-I7=0-1=-1 I7=I6-1=1; J7=J6=4 80 8 F7=1>0 -X F8=1-2*1+1=0 Ie-I8=0-0=0 I8=I7-1=0; Je-J8=4-4=0 J8=J7=4 (终点)

数字脉冲乘法器-硬件插补方法,如下图: （负触发） 脉冲源双稳态触发器双稳态触发器双稳态触发器 微分电路 输入脉冲

81

\"5\"二进制为101第五章 数控机床的检测系统 \"3\"二进制为011第一节 概述 本章重点：1）掌握开环、闭环、半闭环系统的特点 2）了解常用检测装置类型

3）了解增量式光电编码器和绝对式编码盘及光栅

测量装置的原理

伺服系统是机床的驱动部分，计算机输出的控制信息通过伺服系统和传动装置变成机床的运动，实现机床的各种加工运动。伺服系统的准确性和传动装置的精度将决定加工精度，实际中由于多种原因总会产生种种误差，因此，需要一种装置能够检测出这些偏差，并及时反馈给控制系统进行调整，这种装置就是检测装置。 一、开环、闭环、半闭环系统

1.开环系统：无检测装置，一般用步进电机驱动，每输入一个脉冲，步进电机就旋转一定角度，速度由脉冲频率控制，

82

转角大小由脉冲个数决定。由于传动件间有间隙、弹性变形

等，刀具相对工件实际移动距离与指令值间存在偏差，这就是加工误差。由于开环系统无检测装置，加工误差就无法测出和补偿，因此开环系统加工精度不高，适用于驱动力较小的中小型机床和电加工机床。例如经济型数控车床。图5-1a 2.闭环系统：检测装置装在带动刀具或工件移动的部件上，它可以直接检测移动部件的移动距离，由于系统中采用了检测数据反馈和误差补偿技术，因而可以很准确的控制移动部件的运动。 常用检测元件有：光栅、磁尺、感应同步器等

由于检测元件造价高，使用维修较困难，因而使用受到。 3.半闭环系统：检测元件装在伺服电机上，在伺服电机的尾部装有编码器和测速发电机，分别检测移动部件的位移和速度，由于从电机到工作台还要经过齿轮和丝杠副传动，这些传动又不可避免的存在受力变形和间隙等问题，因此半闭环系统精度不如闭环系统。

半闭环系统简单可靠，价格便宜，调整方便，故应用较多。 二、数控机床对检测装置的要求

83

1）满足数控机床精度和速度的要求

现代数控机床逐渐向高精度，高速度发展，定位精度有的已经达到0.002mm/300m，一般的也可达到0.002-0.02mm/m，主轴转速已经达到10000r/min-r/min，进给速度20-30m/min 2）工作可靠

检测装置应能低抗各种干扰，抗干扰能力越强，装置工作越稳定。

3）便于安装和维护

测量装置安装时要有一定的安装精度要求，安装精度要合理，还要有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。 三、检测装置常用类型，如表5-1

1）增量式：测量位移的增量值，只能反映移动距离，不能表示移动方向，因此需加方向判别电路。 优点：装置简单，精度较高

缺点：一旦计数有误，此后结果全错，发生故障时（如：断电、断刀），事故排除后，再也找不到正确位置。 如：增量式光电编码器、磁尺、光栅等

2）绝对式：测量位移量绝对值，移动方向可以通过当前值和

84

历史记忆取得 优点：后续处理方便

缺点：结构复杂，难以做到较高精度 如：编码盘

第二节 增量式光电编码器和绝对式编码盘 一、增量式光电编码器 1.工作原理

如图5-2，在窄缝圆盘上刻有许多节距相等的辐射状窄缝，与它对应的有两组窄缝群且位置错开1/4节距，当在圆盘的一侧有光照射时，两组窄缝群通过的光强度呈正弦规律变化，被光电接收器接收后产生的电流也呈正弦变化，同时产生A、B两个正弦波，相位差90度，用于判别电机转向。

光电输出的波形和信号经过信号处理，变成脉冲信号，把各轴的脉冲数乘以脉冲当量，即为该方向移动距离。 转速由脉冲频率或周期测量，频率越快，转速则越快。 二、编码盘测量装置

四个码道上装有电刷，码道上黑白相间的装有导电与绝缘材料，每转一个角度对应一个二进制数，0000-1111十六个二进

85

制数，因此通过输出的二进制数就可以检测实际的角位移。 二进制码盘图案变化大，容易产生读数错误，采用葛莱码盘，相邻图案只有一个扇块变化，能把读数错误控制在一位。另外还有光电、电磁式编码盘，不直接接触码盘，不易磨损，转速可以较高，优于接触式码盘。 第三节 光栅测量装置

光栅：一种在基体上刻有等间距均匀分布条纹的光学元件。 直线光栅--直线位移测量；圆光栅--角位移测量 一、工作原理

光栅装置由标尺光栅和指示光栅组成，在标尺光栅和指示光栅都有密度相等的许多刻线，称为光栅条纹。把指示光栅平行放在标尺光栅侧面，并使它们的刻线相对倾斜一个很小的角度θ，光源通过光栅时，由于挡光或光的衍射作用，在指示光栅上会产生与标尺光栅刻线方向大致垂直的明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。当指示光栅移动时，莫尔条纹移动，方向与光栅移动方向大致垂直，当指示光栅移动一个刻线间距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹间距。如图

P栅距

86

W莫尔条纹间距

莫尔条纹间距与刻线间距关系如下：W=P/θ （θ单位为弧度） 莫尔条纹具有放大效应，如P=0.01mm, θ=0.001则

W=0.01/0.001=10mm，相当于把两尺刻线间距放大1000倍。 光电元件与指示光栅一起移动，当移动时，光电元件接收受莫尔条纹影响呈正弦规律变化且放大了的光信号，因此光电接收器产生按正弦规律变化的电流（电压）。

第六章 数控机床的进给伺服系统

第一节 概述 一、伺服系统的组成

伺服系统：完成机床移动部件的位置和速度控制，它接收计算机的插补指令，将插补脉冲转换为机械位移。 组成：

1）开环：采用步进电机，在开环中，插补脉冲经过功率放大后直接控制步进电机，无反馈信号，由输出脉冲的频率控制电机转速，脉冲数控制工作台位置。

2）闭环：采用直流或交流伺服电机。由速度检测元件测速，

87

由位置检测元件来测量工作台位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电机的转速和位置。 二、数控机床对伺服系统的要求

1）精度：由于数控机床的动作由伺服电机直接驱动，所以要求它要有足够高的定位精度。一般定位精度0.01-0.001mm，高精度的可以达到0.1um以上

2）响应快：快速响应是伺服系统的动态性能，反映了系统的跟踪精度，一般插补时间都在20ms以下，要求电机迅速加减速度。

3）调速范围宽：一般要求调速范围0-30m/min，有的可达240m/min

4）低速大转矩：机床在低速切削时，切削深度和进给都较大，现代数控机床通常是伺服电机与丝杠直联，中间没有将速齿轮，要求进给电机能够输出较大的转矩。

5）惯性匹配：移动部件加速、减速时都有较大的惯量，电动机的惯量要与移动部件的惯量匹配

6）较强的过载能力：由于电机频繁换向，且加减速度很快，使电机可能在过载条件下工作，要求电机有较强的过载能力，

88

一般要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。

第二节 步进电机伺服系统

步进电机伺服系统是典型的开环系统

人机接口--计算机--功放--步进电机--工作台 一、步进电机的结构和工作原理 1.分类及基本结构

1）按力矩产生的原理分反应式和励磁式 2）按输出力矩大小分伺服式和功率式 3）按各项绕组分布形式分径向式和轴向式

反应式特点：有较高的力矩转动惯量比，步进频率较高，频率响应快，不通电时可以自动转动，结构简单，寿命长。 混合式特点：步距角小，较高的启动和运行频率，消耗功率小，不通电时不能自由转动。 2.工作原理

通电相 对齐相 错齿相 转子转向 A相 A-0，2 B，C，1，3

B相 B-1，3 A，C，0，2 逆转1/2齿 C相 C-0，2 A，B，1，3 逆转1齿

把转子和定子改进，如图6-2所示，在定子与转子上开槽，使某相定子与转子上的小齿由于通电对齐时，另外几相的转子与定子的齿错开一定距离（一般1/3齿），这种错齿是产生步进旋转的根本原因。这时如果A断电，另外一相通电，则转子由于电磁吸引力作用使原来错开的齿对齐，产生旋转。可见步进电机每走一步，旋转的角度是错齿的角度，错齿越小，步距角越小，精度越高。 相、拍： 三相三拍

A通电，BC断电 初始状态 B通电，AC断电 顺转60度 C通电，BA断电 顺转60度 A通电，BC断电 顺转60度 三相六拍

A通电，BC断电 初始状态 AB通电，C断电 顺转30度

90

B通电，AC断电 顺转30度 BC通电，A断电 顺转30度 C通电，AB断电 顺转30度 CA通电，B断电 顺转30度 A通电，BC断电 顺转30度 步矩角：θs=360度/N*K N-转子齿数 K-步进电机工作拍数

如三相三拍：θs=360度/N*K=360/2*3=60

三相六拍：θs=360度/N*K=360/2*6=30（假设转子齿数N=2） 三、步进电机的基本控制方法

要使步进电机产生转动，必须按规定的通电顺序对步进电机各相通电。所以步进电机运转的控制方法实质就是要解决各相的脉冲分配问题。

1.步进电机的工作方式（单拍、双拍、多拍工作方式） 1）单三拍工作方式 通电方式为A-B-C-A 2）双三拍工作方式 通电方式为AB-BC-CA-AB 3）六拍工作方式 通电方式为A-AB-B-BC-C-CA-A

91

4）四相步进电机四拍工作方式 AD-AC-BC-BD 2.步进电机的驱动控制方法 实现脉冲分配的方法： 硬件法--环形分配器

软件法--由程序从计算机接口直接控制输出脉冲的速度和顺序

四、步进电机功率驱动

步进脉冲必须经过功率放大才能驱动步进电机 五、步进电机细分驱动技术

在三相步进电机中双三拍工作方式下，是两相同时通电，若两相通过电流大小不同，则转子不会停在两相正中间的位置，而是偏向电流较大的齿，如果把电流分成N个极分别进行通电，转子就由原来一个脉冲走一个步距角，变成了一个脉冲走1/n个步距角，从而提高了步进电机精度。 第三节 直流伺服电机调速系统

伺服电机也称为执行电动机，分为直流和交流两种，最大的特点是可控，有控制信号输入时，电机就转动，没有控制信号输入时，就停止转动。改变控制电压的大小或相位，就可

92

以改变速度大小和方向。与普通电机相比，有如下特点： 1）调速范围广.转速可随着控制电压改变，在宽广的范围内连续调速

2）转子惯性小.能实现迅速启动、停止 3）控制功率小.过载能力强，可靠性好

一、结构和工作原理（与普通直流他励电动机相同） 如图，线圈中电流方向： N极下的有效边中的电流 总是一个方向，而S极下 的有效边中的电流总是 相反的。这样如图所示， N极下有效边受磁场力方 向为水平向右，而S极下的有效边受磁场力方向为水平向左（左手定则），使电枢产生旋转。

**交流伺服电机输出功率一般为0.1-100W，而直流伺服电机输出功率一般为1-600W

因此，在需要功率较大的场合，则应采用直流伺服电机。 第六节 位置控制原理

iii

93

位置控制环节的输入数据来自轮廓插补运算，在每一个插补周期内插补运算输出一组数据给位置控制环节，位置环根据速度指令的要求及各环节的放大倍数，对位置数据进行处理，再把处理的结果送给速度环。

早期位置环把数据经过D/A转换变成模拟量送给速度环，现代全数字伺服系统，不经D/A转换，全由计算机软件进行数字处理，输出结果也是数字量。 现以FANUC 7M系统为例，如图： 指令位置Doi位置控制Di速度控制VPiViKVVDi电动机KDDAi实际位置测速值测速计位置检测位置传感器由图可知，该系统由位置控制，速度控制和位置检测三部分组成。

位置检测装置的作用是将插补计算得出的瞬时位置指令值DOi和检测出的实际位置值DAi相比较，产生位置偏移量Di,再把Di变换为瞬时速度指令电压VPi。

94

速度控制装置的作用是将瞬时速度指令电压VPi和检测的速度电压相比较后，放大为驱动伺服电机的电枢电压VDi。 分析：在初始状态，电机不转动，位置传感器检测位移量为0，进行一次插补运算后，输入一个指令位置值，位置控制环节控制电动机转动，同时把检测装置测得的实际位移与指令位置相比较，若没有达到就继续转动，直到实际位置与指令位置相等时电机停转。

第七章 数控机床的结构设计

第一节 总体设计

一、总体设计要求 1.性能要求

1）机床工艺范围--指机床适应不同生产要求的能力。 生产周期要短，便于调整，工艺范围要广 2）加工精度--机床尺寸、形状和位置精度

主要指机床本身的几何精度，运动精度，定位精度这些直接影响到加工工件的精度。 2.刚度和抗振性要求

机床加工中，其零部件应具有一定的抵抗外载荷的能力，以

95

保证其正确的相对位置，还要有抵抗自激振动和受迫振动的能力。

3.减少热变形要求

机床由于受内、外热源影响，或受热不均，会产生热变形，破坏机床精度。 4.可靠性要求

可靠性是一项重要的技术经济指标。 5.速度要求

为缩短制造周期，提高效率，速度要求越来越高。 6.经济效益 7.人机关系 二、总体布局

1.满足多刀加工的布局，如图7-1

特点：多刀同时运动，可同时加工，有刀架，可自动转位换刀

2.满足换刀要求的布局，如图7-2，7-3

特点：每次只有一把刀进行加工，可自动换刀，有刀库、机械手

96

3.满足多坐标联动要求的布局，如图7-4（五轴联动），7-5a,b 4.适应快速换刀要求的布局，如图7-6，7-7 特点：换刀速度快，效率提高 5.适应多工位加工要求布局，如图7-8

特点：多工位同时加工，可实现多面同时加工，效率高 6.适应可换工作台要求的布局，如图7-9

特点：有两个工作台，一个进行加工，另一个可同时装卸工件，减少辅助时间，提高效率 7.工件不移动的布局，如图7-10

特点：工作台固定不动，机床立柱移动，适用于大型工件 8.为提高刚度，减小热变形要求的布局，如图7-11 特点：采用框架式立柱结构，减少热变形，提高精度 9.龙门式双立柱加工中心，如图7-12 特点：用于加工较大工件，刚性好，热变形小

第二节 数控机床的主传动系统

要求：1.调速范围要宽 2.热变形小

3.主轴旋转精度和运动精度要高

97

4.静刚度和抗振性要好 5.较高的耐磨性 调速范围：

1.带有变速齿轮的主传动，如图7-13a，常用于大中型机床 2.通过带传动的机床，如图7-13b，适用于转速高，变速范围不大的机床

3.用两个电机分别驱动主轴，如图7-13c，是上述两种方式的混合，具有上述两种性能，但两个电机不能同时工作，是一种浪费。

4.内装电动机主轴传动机构，如图7-13d，省去了电机和主轴间的传动件，主轴只受扭矩而没有弯矩，适用于变速范围不大的高速主轴，但电机发热会影响主轴精度，需专门冷却装置。

第三节 进给传动系统

一、滚珠丝杠传动

滚珠丝杠是数控机床伺服驱动的重要部件之一，滚珠丝杠螺母机构是指在丝杠和螺母之间装有一定数量的等直径滚珠的机构。这样，丝杠和螺母间的摩擦具有滚动摩擦的性质，当

98

丝杠或螺母转动时，滚珠沿着螺旋滚道滚动，为了防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使其构成一个闭合的循环回路。 **特点：

1）摩擦损失小，传动效率高。传动效率可高达90%以上，是普通丝杠的2-4倍

2）动作灵敏，低速时无爬行现象。动、静摩擦系数相差很小，因而启动力矩小，动作灵敏 分析爬行产生的原因：为了讨论方便，可将直线进给系统简化为如图所示的数学模型，图中A为驱动机构，B为运动部件（刀架、工作台等），驱动件到运动件之间的进给系统，可视为弹性体，用C来表示，D为导轨。当驱动机构以均匀速度Vo低速驱动时，由于摩擦力作用，这时运动部件并不移动，而是压缩弹簧C，处于储能阶段，直到A移动Xo以后，由于弹簧弹力超过了静摩擦力，运动部件开始移动，这时静摩擦力

99

变为动摩擦力，摩擦力变小，使运动部件加速前进，产生跳跃式的运动状态。随着弹簧的伸长，弹簧弹力减小，运动部件阻力增大，逐渐减速，直到停止，然后弹簧又开始储能，再进行下一次的前冲、静止运动，这种跳跃、静止的现象反复交替的出现，就形成了爬行现象。 采用了滚珠丝杠、滚珠导轨后，动摩擦与静摩擦系数相差很小，因此可以克服爬行现象。 3）磨损小，精度保持性好 4）可消除轴向间隙，轴向刚度好

5）摩擦系数小，无自锁现象，当用于垂直传动时，必须有制动装置

6）工艺复杂，成本高 二、分类

根据滚珠的循环方式，可分为两大类：

1）内循环：滚珠在循环回路中始终于丝杠接触的称为内循环 特点：一个循环只有一圈滚珠，因而回路断，工作滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，效率高，径向尺寸紧凑 2）外循环：滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的称为外循环

100

常见有盖板式、螺旋槽式、插管式等

特点：回程结构制造简单，转折较平缓，便于滚珠返回 三、消除间隙

消除滚珠丝杠螺母的间隙和施加预紧力，对于实现精密位移传动十分必要。消除间隙和预紧，通常采用双螺母结构齿差式消除间隙机构，调整量小，精确可靠，定位精度高

第四节 机床支承件

支承件的形状选用原则，如表7-4

1）在等面积下，空心截面比实心的惯性矩大

2）方形截面抗弯刚度比圆形的大，而抗扭刚度刚好相反 3）不封闭截面比封闭的截面刚度显著下降

第五节 数控机床导轨

导轨作用：导向支承作用 一、基本要求：

1.导向精度：指运动部件沿导轨运动时的直线度或圆度 2.刚度：指导轨在动静载荷下抵抗变形的能力 3.耐磨性：导轨的不均匀磨损，会破坏导向精度

4.低速平稳性：部件低速运动时易产生爬行，会降低工件精

101

度，故要求导轨低速运动平稳

5.结构工艺性：结构简单，便于制造、调整和维护 二、分类： 1.按运动轨迹分： 直线运动导轨 圆周运动导轨 2.按工作性质分： 主运动导轨，如插床、刨床 进给运动导轨，如车床 调整导轨，如车床尾架 3.按摩擦性质分： 滑动导轨 1）普通导轨 2）液体静压导轨 3）液体动压导轨 滚动导轨

4.按受力情况分：如图7-38 开式导轨

102

闭式导轨

液体静压导轨：两导轨面间有一层压力油膜，该油膜由专用供油系统供应，如图 优点：导轨面间不接触，不会磨损，吸振性好不易产生爬行 缺点：结构复杂，需要供油系统 液体动压导轨：当导轨面间相对滑动速度达到一定值时，液体的动压效应使导轨面间形成了压力油膜，把导轨面分开（当导轨面相对移动时，油腔沿运动方向间隙逐渐减小，产生压力油楔，将运动部件浮起，相对运动速度越快，油楔承载能力越大） 如图：

油腔三、常用的滑动导轨

103

常用截面形状：

矩形——制造简便，刚度、承载能力大

三角形——能自动补偿磨损、消除间隙，导向性好 燕尾形——摩擦阻力大，制造、维修困难，但配合高度小 圆形——制造简便，调整间隙困难

常见导轨的截面形状的组合形式：三角形-矩形，如普通车床；矩形-矩形，如升降台铣床、龙门铣床

这两种导轨刚度高，承载能力强，加工、检验、维修方便 四、滚动导轨

滚动导轨块：块内有许多滚柱，在导轨块内部作循环运动，如图7-41，滚动导轨块通常在固定在床身上的镶钢导轨条上滚动。

第八章 特种加工机床简介

第一节 线切割加工机床

线切割加工是一种新的工艺形式，采用电极丝（钼丝、钨钼丝）作为工具电极，在脉冲电源的作用下，工具电极和加工工件之间形成火花放电，火花通道产生大量的热，使工件表面熔化甚至气化。

104

下面以DK7725E为例： 一、DK7725E线切割机床的结构及各部分功能 （一）结构（如图） 导电块上导轮 丝架滚丝电机滚丝筒滚丝筒挡丝棒下导轮 工作台行程开关1.床身部分：是坐标工作台、绕丝机构及丝架的支承和固定的基础。

2.坐标工作台部分：一般采用“十”字拖板，采用滚动导轨和滚动丝杠

3.走丝机构：包括绕丝筒、导电块、导向器、挡丝棒及上、下丝架。在运行过程中，电极丝依靠导轮保持电极丝与工作台垂直，各部分功能如下：

105

1）运丝电机：为绕丝筒高、低速转动提供动力

2）X-Y拖板及步进电机：使电极丝沿着预定的轨迹运动，完成工件加工

3）上丝、紧丝电机：把钼丝从丝盘均匀的绕在绕丝筒上加以张紧

4）丝架、U-V拖板：调整电极丝相对于工作台的垂直度 5）导轮、导电块、挡丝棒：电极丝走丝时的导向作用，以及电极丝的导电作用

6）BKDC控制机：全自动控制，包括计算机编程、控制及运行 （二）BKDC控制机的主要控制功能

1.控制轴数：X、Y、U、V四轴联动控制，（可加工锥面，-3度-3度）

2.最小设定及移动单位：0.001mm 3.线径补偿：0-9.999mm 4.编程方式：ISO、3B或DXF代码

5.定位方式：自动对边，自动找正孔中心，钼丝自动回垂直 6.切割方向：正反两个方向

7.实时控制：短路处理（自动退回）；断丝处理（返回起始

106

点或断丝点穿孔后继续加工）；停电处理（全状态记忆，可恢复加工）

二、线切割加工的应用范围

1.加工电火花成型机床用的电极：一般为带有小孔或锥度的电极

2.加工模具：适用于加工冲模、注朔模

3.加工零件：在某些难加工材料方面，特别是淬火材料，用线切割加工特别有效

第二节 电火花成型加工机床

电火花加工又称为放电加工，在加工过程中，使电极与工件之间不断产生脉冲性火花放电，靠放电时产生的高温把金属蚀除下来，因放电过程中可以看到火花，故称为电火花加工。 结构简介：如图（数控机床操作与维护152页图6-1）

107

工作液槽电气柜 油箱床身电火花成型机床由主机与数控电源柜两大部分组成，电柜是完成控制、加工操作的部分，是机床的指挥系统

工作液槽中装绝缘液体介质，在介质中才可进行正常的火花放电。

电火花成型加工必须满足的三个基本条件： 1.脉冲电源（要有足够的放电间隙） 2.绝缘液体介质 3.伺服装置

特种加工机床的特点：

1.工件与加工工具之间不直接接触 2.工件与加工工具之间没有宏观作用力 特种加工机床的出现解决了三方面的问题： 1.难加工（硬、脆）材料的加工 2.复杂形面的加工 3.微孔、窄缝的加工

108

109