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数控技术论文详解

数控加工中心毕业设计

设计题目：

数控加工中心典型零件加工

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内容摘要

数控技术是综合应用计算机，自动控制、自动检测及精密机械高新技术的产物，它的出现及所带来的效益已引起世界各国科技工业界的重视。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（it、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

本文简单介绍了数控机床的编程方法、运用及功能。

关键词：

数控系统基本功能数控磨床超精加工

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Abstract

Isacomprehensiveapplicationofcomputernumericalcontroltechnology,automaticcontrol,automaticdetectionofhigh-techproductsandprecisionmachinery,itappears,andthebenefitsofscienceandtechnologyhasattractedworldattentiontotheindustrialsector,thepaperintroducestheprogrammingofCNCmachinetools,theuseofandfunction

Keywords:

CNCsuperprecisionCNCgrindingmachinebasicfunctions

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目录：

一、数控机床简介：

㈠数控机床的基本工作原理………………………………………（4）

㈡数控机床的基本组成……………………………………………（4）

㈢数控机床的发展趋势……………………………………………（4）

二、数控加工的编程基础：

㈠数控编程概述……………………………………………………（6）

㈡数控机床的坐标系和运动方向…………………………………（6）

㈢数控系统及功能…………………………………………………（6）

㈣数控加工程序的结构与格式……………………………………（7）

三、数控编程中的工艺分析：

㈠数控编程中工艺分析内容……………………………………（7）

㈡编程中的工艺处理要点…………………………………………（8）

四、基本功能指令的编程方法：

㈠刀具功能的编程方法……………………………………………（8）

㈡主轴功能的编程方法……………………………………………（8）

㈢进给功能的编程方法……………………………………………（8）

㈣常用辅助功能的编程方法……………………………………（9）

五、数控铣削加工编程：

㈠数控铣削编程的特点……………………………………………（9）

㈡数控铣削加工程序的类型……………………………………（10）

㈢编程时刀具的选择…………………………………………（10）

㈣数控铣削编程中的坐标系………………………………………（10）

㈤编程中的相关注意点……………………………………………（10）

㈥数控编程常用的G代码…………………………………………（11）

六、宏程序的编制：

㈠宏程序的概述……………………………………………………（11）

㈡宏程序的编制方法………………………………………………（12）

㈢规则曲面加工程序………………………………………………（12）

七、UG技术：

㈠UG概念……………………………………………………………（13）

㈡模具设计…………………………………………………………（13）

参考文献………………………………………………………………（15）

致谢………………………………………………………………（16）

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一、数控机床简介

㈠数控机床的基本工作原理：

利用数控机床完成零件加工的过程。

主要内容如下：

⑴根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案，工艺参数和位移数据；⑵用规定的程序代码和格式编写零件加工程序单，或用自动编程软件进行CAD/CAMI工作，直接生成零件的加工程序文件；⑶程序的输入或输出，手工编写的程序通过数控机床的操作面板输入，软件生成的程序通过计算机的串行通信接口传输到数控机床的数控单元；⑷将输入到数控单元的加工程序进行试运行，刀具路径模拟等；⑸通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。

㈡数控机床的基本组成

数控机床一般由控制介质、控制系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各类辅助装置组成。

㈢数控机床的发展方向

　　数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（it、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。

（一）、高速、高精加工技术及装备的新趋势

效率、质量是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（cirp）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。

近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。

这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。

从emo2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。

目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。

美国cincinnati公司的hypermach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，

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主轴转速已达60000r/min。

加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国dmg公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!

000r/mm和1g。

在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

在可靠性方面，国外数控装置的mtbf值已达6000h以上，伺服系统的mtbf值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。

为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。

（二）、5轴联动加工和复合加工机床快速发展

　　采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。

一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。

但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。

当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。

因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。

在emo2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。

德国dmg公司展出dmuvoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由cnc系统控制或cad/cam直接或间接控制。

　　（三）、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

　　21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

　　为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。

目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的ngc（thenextgenerationwork-station/machinecontrol）、欧共体的osaca（opensystemarchitectureforcontrolwithinautomationsystems）、日本的osec（opensystemenvironmentforcontroller），中国的onc（opennumericalcontrolsystem）等。

数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。

所谓开放式数

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控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。

目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在emo2001展中，日本山崎马扎克（mazak）公司展出的“cyberproductioncenter”（智能生产控制中心，简称cpc）；日本大隈（okuma）机床公司展出“itplaza”（信息技术广场，简称it广场）；德国西门子（siemens）公司展出的openmanufacturingenvironment（开放制造环境，简称ome）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

二、数控加工的编程基础：

㈠数控编程概述

用数控机床对零件进行加工时，首先对零件进行工艺分析，以确定加工方法，加工工艺路线然后正确地选择机床刀具和装卡方法，最后按照工艺要求根据所用数控机床规定的指令代码及程序格式，将道具的运动轨迹、位稳量、切削参数，以及辅助功能编写成加工程序单，传送式输入到数控装置中，从而指挥机床加工零件。

㈡数控机床的坐标系和运动方向

规定数控机床坐标轴及运动方向是为了准确地描述机床运动，简化程序的编制，并使所有程序具有互换性，目前国际标准化组织已经同意了标准坐标系，我

国机械工业局也颁布了JB3051—1999标准，对数控机床的坐标和运动方向做了明文规定：

⒈坐标和运动方向命名的原则﹕为了避免变成人员不知道零件加工时是刀具移向工件还是工件移向刀具，为了确定机床的加工操作，特规定：

永远假定刀具相对于静止的工件坐标而运动。

⒉坐标的规定﹕为了确定机床的运动方向，移动距离，要再机床上建立一个坐标系，该坐标系即标准坐标系，也称机床坐标系，数控机床上的坐标系是采用左手直角笛卡尔坐标系。

⒊运动方向的确定﹕

1Z坐标的运动，Z坐标的运动由传递切削力的主轴决定，与主轴轴

线平行的坐标即为Z坐标；

2X坐标的运动，X坐标为水平的且平行于工件的装卡面，这是在刀具或工件定位运动的主要坐标；

3Y坐标的运动，Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴，Y运动的正方向根据X和Z坐标的正方向，按右手直角坐标系来判断；

4旋转运动A、B和C。

A、B和C相应的表示其轴线平行于X、Y和Z坐标的旋转运动。

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㈢数控系统及功能

数控系统是数控机床的核心，数控机床根据功能和性能要求，配置不同的数控系统。

数控系统包括：

准备功能，刀具功能，主轴转速功能，进给功能，辅助功能。

㈣数控加工程序的结构与格式

数控加工中，为使机床运行而送到CNC的一组指令标程序。

每一个程序都是由程序号、程序内容和程序结束3部分组成，程序的内容则由若干程序段组成，程序段是由若干字组成，每个字由字母和数字组成。

零件的加工程序是由程序段组成，程序段格式是指一个程序段中字、字符、数据的书写规则。

目前，数控加工程序采用字——地址程序段格式。

字——地址程序段由语句号字，数据字和程序结束组成，常用于表示地址的英文字母的含义，如表：

表——1指令字地址符中英文字母含义

地址符

功能

含义

A.B.C

坐标字

分别绕X.Y.Z轴旋转的角度地址符

D.H

补偿号

刀具半径，长度补偿地址符

E

第二进给功能

F

进给功能

设定移动轴的进给速度

G

准备功能

设定数控机床的动作方式

I.J.K

坐标字

圆弧中心X.Y.Z方向上的坐标

L

重复次数

固定循环及子程序的调用次数

M

辅助功能

机床上一些辅助的开启，关闭指令

N

程序段序号

程序段顺序号

O

程序号

程序头，子程序号的指定

P

暂停时间，程序中某功能开始使用的顺序号

Q

固定循环中的固定步距

R

坐标字

圆弧半径，固定循环中的固定步距

S

主轴速度功能

设定主轴转速

T

刀具功能

刀具编号地址符

U.V.W

坐标字

附加轴或增量轴坐标地址符

X.Y.Z

坐标字

运动轴地址符

三、数控编程中的工艺分析：

㈠数控编程中工艺分析内容

1选择适合在数控机床加工零件，确定工序内容；

2分析被加工零件图纸，明确加工内容及技术要求；

3加工工序的设计；

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4数控加工程序的调整；

5分配数控加工中的允差；

6处理数控机床上的部分工艺指令。

㈡编程中的工艺处理要点

数控编程时，首先要进行工艺分析，从而确定加工方案的选择，工序与工步的划分，零件的装卡方法与夹具的选择，切削用量的确定，对刀点与换刀点的确定，刀具的合理选择，加工路线的确定。

四、基本功能指令的编程方法：

㈠刀具功能的编程方法

刀具功能字由地址功能码T和数字组成，格式如：

T××。

用数控系统刀具功能的编程格式有所不同，主要有以下几种编程方法：

⒈选刀和刀具补偿号直接由T指令编程；

⒉选刀和刀具补偿号由T.D指令编程；

⒊⑴编程时刀具的编号不得大于刀架的工位号。

⑵是采用T2+2，还是采用T、D格式编程，取决于数控系统。

⑶FANUC数控系统用于车削时采用T2+2，而在铣削中则采用T+（D.H）形式。

⑷加工中心刀具功能的编程，加工中心均设计有专门的刀库，为需要多刀加工的零件切削提供了方便；刀库形式多样，容量从十几把到上百把，刀库的每一个工位有一个编号，连续排列，机床在运动程序时，通过刀具功能指令进行换刀，由自动换刀装置（ATC）实现自动换。

因此，加工程序中必须对刀具进行编程。

加工中心的刀具操作功能由选刀指令T和换刀指令M06组成。

编程格式为；Txx，M06；其中Txx为选择的刀具号。

M06为换刀指令。

编程时刀具的编号不得大于刀库的工位号。

刀具的偏值参数由D（H）指令编程，通常情况下Dxx为刀具半径补偿地址，Hxx为刀具长度补偿地址；有些数控系统刀具半径补偿和刀具长度补偿均放在D寄存器中，具体情况由数控系统决定。

㈡主轴功能的编程方法

数控机床的主轴功能由S指令控制。

数控机床的主轴可以实现恒转速控制，也可以实现恒线速度切削控制。

1主轴恒转速控制的编程格式如下：

G97SxxxM03或G97SxxxM04，其中G97为恒转速控制模式指令。

通常情况下，数控系统的默认模式为G97,。

2主轴恒线速度控制时的编程格式如：

G96SxxxM03；G50（G92）Sxxx或G96SxxxM04；G50（G92）Sxxx，其中G96为恒线速度控制模式，设定为模态代码。

㈢进给功能的编程方法

1、进给功能F，表示刀具中心运动时的进给速度，由地址码F和后面若干位数字组成，进给速度可以是直线进给（单位为mm/min）也可以是旋转进给（单位为：

mm/r）。

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1、直线进给率的编程格式：

G94（G98）Fxx，F的单位为mm/min。

例如：

G94（G98）F100，进给率为100mm/min。

2、旋转进给率的编程格式为G94（G99）Fxx，F的单位为mm/r，例如G94（G99）F0.4，进给率为0.4mm/r。

2、进给功能编程时应该注意一下几点：

1．进给率的单位是直线进给率mm/min，还是旋转进给率mm/r，取决于工艺条件；

2．直线进给/旋转进给的选择指令，因数控系统不同而有差别；

3．当编写程序时，第一次遇到直线（G01）、圆弧（G02/G03）插补指令时，必须编写进给率F，如果没有编写F功能，CNC采用F0，当工作在快速定位（G00）方式时，机床将以机床设定的快速进给率移动，与变下F指令无关；

4．F功能为模态指令，实际进给率可以通过操作面板上的倍率开关进行调整，在0%~120%（150%）之间控制。

㈣常用辅助功能的编程方法

辅助功能也叫M功能或M代码，用地址字M和若干数字组成，是控制机床或系统开关功能一种指令。

常用的辅助功能编程代码见表四—1

表四—1常用的M指令含义表

M功能

含义

模态

M00

程序暂停

非模态

M01

计划停止

非模态

M02

程序结束

非模态

M03

主轴顺时针旋转

模态

M04

主轴逆时针旋转

模态

M05

主轴旋转停止

模态

M06

换刀

非模态

M07

2号切削液开

模态

M08

1号切削液开

模态

M09

切削液关

模态

M30

程序结束并返回程序头

非模态

M98

调用子程序

非模态

M99

返回子程序

非模态

五、数控铣削加工编程：

㈠数控铣削编程的特点

数控铣削编程具有一下特点﹕①首先应进行合理的工艺分析。

由于零件加工的工序多，在一次装卡下，要完成粗、半精和精加工，周密合理的安排各工序的价格顺序有利于提高价格精度和生产效率。

②数控铣床尽量按刀具集中法安排加工工序，减少换刀次数。

③合理设计进、退刀辅助程序段，旋转换刀点的位置，

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是保证加工正常进行，提高零件加工质量的重要环节。

④加工中心具有刀库和自动换刀装置，能够通过程序或手动控制自动更换刀具，在一次装夹中完成铣、镗、钻、扩、铰、攻丝等加工工序高度集中。

⑤加工中心通常具有多个进给轴，甚至多个主轴，联动的轴数也比较多，因此能够自动完成多个平面和多个角度位置的加工，实现复杂零件的高精度定位和精确加工。

⑥加工中心上如果带有自动交换工作台，一个工件在加工的同时，另一个工作台可以实现工件的装夹，从而大大缩短辅助时间，提高加工效率。

㈡数控铣削加工程序的类型

1数控加工时按照编制的程序实现零件加工，编程水平决定着零件加工效率和精度。

程序形式有多种多样，为了适应不同零件加工需要，加工程序有以下几种形式。

⑴以孔类加工为主；零件程序应以子程序为主，即把孔的坐标位置作为子程序，由主程序确定加工内容，由子程序执行加工，这种程序逻辑性强，用框图表示程序结构和内容，较为直观。

⑵以平面和腔槽为主：

零件加工程序应以单一程序为主，粗.精加工可用宏指令来划分。

循环加工中背吃刀量，重复次数都利用宏指令的判断比较功能，这样程序虽然长，但清晰流畅，具有连续等特点。

⑶行腔加工:

行腔加工由于加工件形状复杂，而且都是三维型面，因此程序内容长，刀具运行轨迹复杂，加工时间长，刀具单一等。

因此程序应以原程序为主，利用机床中的DNC功能，直接运行比较可靠。

无论何种类型的加工程序，都应以最短时间，最合理的刀具路径，最简单的程序结构实现零件加工为最终目的。

㈢编程时刀具的选择

1.刀具及其尺寸。

2.平面铣削的刀具路线设计，选择铣削方式（顺铣，逆铣，对称铣）刀具切深方向的进刀要在工件表面外下刀，保证刀具中心在工作区域内。

刀具直径应为切削宽度的1.2~1.5倍。

㈣数控铣削编程中的坐标系

为了确定零件加工再机床中的位置，必须建立工件坐标系。

工件坐标系采用与机床运动坐标系一致的坐标方向，工件坐标系的原点要选择便于测量或对刀的基准位置，同时要便于编程计算。

选择工件零点的位置时应注意：

1工件的零点应选择在零件图的尺寸基础上，便于坐标值的计算，减少误差；2工件零点尽量选择在精度较高的加工表面，以提高被加工零件的加工精度；3对于对称的零件，工件零点应设在对称中心上；4对于一般零点，通常设在工件外廓的某一角上；5Z轴方向上的零点，一般设在工件表面。

㈤编程中的相关注意事项

在对铣削零件进行编程，应注意以下几个问题：

1、坐标系正确的设定。

2、快速定位中的刀具路径确定，防止出现干涉现象

3、旋转轴指令是否正确。

4、公/英制转换格式是否正确

5、绝对/增量代码输入是否正确

6、在刀补，圆弧插补及螺旋线插补中平面是否正确指定。

7、在刀偏，刀补及镜像功能有效时，刀具位置是否正确。

8、数控系统功能，如图形旋转；极坐标代码输入是否正确。

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㈥数控编程常用的G代码

准备功能G指令由地址符G后加一或二位数组成，它用来规定刀具和工件的相对运动轨迹，机床坐标系，坐标偏置等多种加工操作。

数控铣床中最常用的G代码指令见表5-1

G功能字

指令含义

G00

快速移动点定位

G01

直线插补

G02

顺时针圆弧插补

G03

逆时针圆弧插补

G04

暂停

G09

准确停止

G15

极坐标指令消除

G16

极坐标指令

G40

刀具半径补偿取消

G41

刀具半径补偿，左侧

G42

刀具半径补偿，右侧

Ｇ43

正向刀具长度补偿

G44

负向刀具长度补偿

G49

刀具长度补偿取消

G54-G59

加工坐标系设定

G65

宏程序调用

G66

宏程序模态调用

G67

宏程序模态调用取消

G73

深孔钻循环

G76

精镗循环

G80

固定循环取消/外部操作功能取消

G81

钻孔循环，锪镗循环或外部操作功能

G83

深孔钻循环

G84

攻丝循环

G86

镗孔循环

G90

绝对值编程

G91

增量值编程

G98

固定循环返回到初始点

G99

固定循环返回到R点

六、宏程序的编制：

㈠宏程序的概述

在数控加工程序中，宏程序是指利用变量编制的NC程序，一般情况下，当工件的轮廓曲线为椭圆，双曲线，抛物线等具有一定规律的曲线时，可以利用变

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量编程法进行程序的编制。

子程序对相同加工操作内容和编制非常有用，但用宏

程序由于允许使用变量算术和逻辑运算及条件转移，使得编制相