数控加工与编程教案
《数控机床概述》教案
教学课时：2课时
教学设计：讲解与练习
教学过程：
Ⅰ、导入新课
何谓数控机床？数控（NC）是数字控制的简称，是20世纪中叶发展起来的一种利用数字化信息进行自动控制的一种方法。装备了数控技术的机床，称为数控机床。
Ⅱ、新课教学
1948年，美国帕森斯公司受美国空军委托与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行数控机床的研制工作。1952年，第一台三坐标立式铣床试制成功，但第一台工业用数控机床直到1954年11月才生产出来。
我国数控机床的研制是从1958年起步的，由清华大学研制出最早的样机。
一、何谓数控机床
狭义：数控机床就是指装备了数字控制技术的机床，也称为NC机床。
专业：数控机床就是用数字和字符以一定的编码形式，通过数控系统来实现自动加工的一种机床。
70年代初，第四代数控系统研制成功，即计算机控制系统，简称CNC。
1976年制成以微机处理为核心的数控系统，称为第五代微型机数控系统，也称为MNC。
二、数控机床的工作原理
1.分析零件图样
2.根据运动顺序编制程序单
3.将程序代码输入数控装置
4.数控装置将代码指令进行一系列处理和运算
5.变成脉冲信号输入驱动装置带动机床传动机构
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加工出图样要求的零件。
三、数控机床的组成
主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床四部分及辅助装置组成。
1.控制介质就是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。常用的有穿孔带、
穿孔卡、磁带、磁盘等。
2.数控装置是数控机床的控制中心，被喻位“中枢系统”。由输入装置、控制运算器（CPU）和输出装置构成。
3.伺服系统是数控系统的执行机构，包括驱动、执行和反馈装置。
4.机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，包括床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。
5.辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、工件夹紧机构、润滑装置、冷却装置、照明装置、排屑装置、液压气动装置、过载保护与限位保护装置等。
Ⅲ、课堂练习（师生互动）
Ⅳ、小结
Ⅴ、课后作业
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《数控机床分类》教案
教学课时：2课时
教学设计：讲解与练习
教学过程：
Ⅰ、导入新课
何谓数控机床？
数控机床的组成？
Ⅱ、新课教学
一、按运动轨迹分类
1、点位控制数控机床就是点与点之间的准确定位，刀具不进行任何切削加工。如数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控弯折机和数控测量机等。
2、直线控制数控机床就是点与点之间的准确定位，且刀具在移动过程中进行切削。如数控车床、数控钻床、数空铣床和数控磨床等。
3、轮廓切削（连续轨迹）控制数控机床就是能控制两个或两个以上的轴，可以加工出任意斜线、曲线或曲面组成的复杂零件。如数控车床、数空铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床和数控加工中心等。
二、按联动轴分类
目前世界上数控系统最高能控制几十个轴（即坐标）。联动是指各个坐标轴同时达到空间某一点。我国目前最高能控制五十轴联动。
1、二轴联动数控机床如数控车床，加工曲面回转体；数控铣床，二轴联动铣斜面。
2、三轴联动数控机床如数控铣床、数控加工中心，加工曲面零件。
3、二轴半联动数控机床如数控钻铣床，任意两个轴联动，第三轴做周期性等距离运动。
4、多轴联动数控机床指四轴或四轴以上联动的数控机床，如数控铣床和数控加工中心。
三、按工艺类型分类
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1、金属切削类数控机床如数控加工中心，分铣削中心和车削中心。
数控加工中心又称多工序数控机床，可使零件一次装夹后，进行多种工艺、多道工序的集中连续加工。
2、金属成型类数控机床如数控弯管机、数控组合冲床、数控转头压力机等。
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，数控火焰切割机、数控激光切割机等。
4、其他类型的数控机床如数控三坐标测量机床等。
四、按伺服类型分类
1、开环伺服系统数控机床机床结构简单，没有测量装置和反馈装置，加工精度由制造精度决定。
2、闭环伺服系统数控机床有测量装置和反馈装置，加工精度高，但结构复杂，设计和调试较困难。
3、半闭环伺服系统数控机床无直接测量装置，但可以通过检测丝杠转角间接地测量工作台的位移量，后反馈给数控装置进行位移校正。其结构简单，安装调试方便，常用于中档数控机床。
4、混合环伺服系统数控机床适用于大型数控机床。
五、按数控装置功能水平分类
通常分为低、中、高档三类。
第三节数控机床的特点及应用范围
一、数控机床的特点
在数控机床上加工零件的整个过程全由数字指令控制。
1、数控机床与普通机床的区别：1）手动与自动；2）数控机床具有CRT 屏幕显示功能和自动报警显示功能，而普通车床不具备上述功能；3）数控机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机，而普通机床一般采用三相交流异步电动机。4）数控机床一般具有工件测量系统。
2、数控机床的特点：
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1）加工精度高；
2）生产效率高；
3）减轻劳动强度，改善劳动条件和劳动环境；
4）良好的经济效益；
5）有利于生产管理的现代化。
二、数控机床的应用范围
1、多品种、小批量零件；
2、轮廓要求高（复杂零件）；
3、试制阶段；
4、关键零件；
5、周期短；
6、多工序零件。
第四节数控机床的发展
一、机床结构的发展
1.提高机床的动、静刚度；
2.减少机床的热变形；
3.减少运动件的摩擦和消除传动间隙，采用滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。
二、数控系统的发展
1952年第一代电子管。（NC）
1959年以后，第二代晶体管和印制电路板。（NC）
1965年以后，第三代小规模集成电路。（NC）
1970年以后，第四代小型计算机。（CNC）
第五代微处理机技术的计算机数控系统。（MNC）
三、伺服系统的发展
以交流数字伺服系统为主。
四、数控机床的发展趋势
1．高速化
2．精密化
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3．高效能
4．系统化
5．复合化。
Ⅲ、课堂练习（师生互动）
Ⅳ、小结
Ⅴ、课后作业
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《数控机床机械结构特点及主传动》教案
教学课时：2课时
教学设计：讲解与练习
教学过程：
Ⅰ、导入新课
普通机床的结构？
Ⅱ、新课教学
一、主传动系统的要求
1．宽调速、无级调速；
2．高刚度、低噪声；
3．高抗振性、高热稳定性。
二、主传动的变速方式
1．经皮带和变速齿轮的主传动；
2．经带传动的主传动；
3．由调速电动机直接驱动的主传动。（主轴的最高转速可达20000转/分钟）
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三、 主轴部件
1．主轴的轴承有四种配置形式； 2．主轴编码器；
3．主轴头部刀具自动夹紧机构； 4．主轴的准停装置。
Ⅲ、课堂练习（师生互动） Ⅳ、小结 Ⅴ、课后作业
《进给传动系统、自动换刀装置》教案
教学课时：2课时
教学设计：讲解与练习
教学过程：
Ⅰ、导入新课
阐述普通机床的进给装置、刀架
Ⅱ、新课教学
1．高的精度要求；
2．宽的调速范围；
3．快的响应速度；
4．好的稳定性；
5．大的转矩输出。
二、数控进给系统的伺服驱动装置
数控机床的伺服系统一般由驱
动装置与机械传动执行件等组成，对于半闭环、闭环控制系统还包括位置检测
环节。
1．步进电动机；
2．直流伺服电动机；
3．交流伺服电动机。
三、数控进给传动机构
1．滚珠丝杠螺母副传动；
特点：1）传动效率高
2）灵敏度高、传动平稳
3）定位精度高、传动刚度高
4）不能自锁、有可逆性
5）制造成本高。
2．静压蜗杆—蜗母条传动。
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3．双齿轮—齿条传动。 4．双导程蜗杆传动。 四、数控进给传动导轨
1．塑料滑动导轨 有两种 1）塑料软带也称为贴塑导轨； 2）塑料涂层也称为注塑导轨。 特点：1）摩擦特性好
2）耐磨性好 3）减振性好 4）工艺性好。
2．滚动导轨
目前常用的有直线滚动导轨。
特点：摩擦系数小，灵敏度高，低速运动稳定性好，定位精度高，磨损小，润滑系统简单。但其抗振性较差，结构复杂，对赃物较敏感，必须有较好的防护措施。
3．静压导轨
应用于大型、重型数控机床上。
第三节 数控机床的自动换到装置
一、 回转刀架换刀装置
自动回转刀架数控车床有四方位、六方位、八方位等。
数控铣床和加工中心有十二方位、二十四方位等。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度。
回转刀架类型有螺母升降转位刀架、十字槽轮转位刀架、凸轮棘爪式刀架、电磁式刀架。
二、多主轴转塔头换刀装置
刀具数量少，结构简单，可靠性高，缩短换刀时间，适用于加工较简单的工件
三、刀库—机械手自动换刀装置
刀具数量多，适用于加工各种复杂的工件
Ⅲ、课堂练习（师生互动）
Ⅳ、小结
Ⅴ、课后作业
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《伺服驱动系统、位置检测装置》教案
教学课时：2课时
教学设计：讲解与练习
教学过程：
Ⅰ、导入新课
数控机床的伺服系统与普通机床区别
Ⅱ、新课教学
一、伺服驱动装置
1、步进电动机
是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的驱动元件。当电脉冲连续不断地输入时，步进电动机便跟随脉冲一步一步地转动，步进电动机的角位移量和输入的脉冲个数严格成正比，在时间上与输入的脉冲同步。
2、直流伺服电动机
3、交直流伺服电动机
二、位移检测装置的要求：
1、工作可靠，抗干扰性强；满足数控机床的精度和速度的要求；维护方便，成本低等。
2．位移检测装置的分类：
数字式和模拟式检测；增量式和绝对式检测；旋转型和直线型。
3．常用的检测装置有脉冲编码器、感应同步器、旋转变压器、光栅和磁尺等。
Ⅲ、课堂练习（师生互动）
Ⅳ、小结
Ⅴ、课后作业
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《程序编制的基本知识》教案
教学课时：2课时
教学设计：讲解与练习
教学过程：
Ⅰ、导入新课
何谓数控机床？数控（NC）是数字控制的简称，是20世纪中叶发展起来的一种利用数字化信息进行自动控制的一种方法。装备了数控技术的机床，称为数控机床。
Ⅱ、新课教学
一、什么是数控编程
数控编程就是将零件图的工艺参数，按加工的动作顺序，根据数控机床规定的指令格式编写程序，记录于控制介质（穿孔带、磁带、磁盘），然后输入数控装置，从而指挥机床加工产品。
二、编程的一般步骤
1.分析零件图样和制定工艺过程及工艺路线；
2.数值处理（数学运算）；
3.编写加工程序；
4.程序输入；
5.程序检验。（图形模拟加工，检查刀具运行轨迹）
三、程序的基本构成
1．程序结构：
程序的开头是程序号，中间是程序内容，最后是程序结束指令。
1）程序号：
FAUNC系统 O××××，O××
PA8000系统 P××××，P××
华中系统 %××××，%××
西门子系统一般开始的两个符号必须为字母，后面的符号可以是字母、数字或下划线，最多为8个字符，不可用分隔符。如ABC、AB123456、
XY ；
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2）程序内容：
由许多程序段组成，每个程序段由一个或多个指令组成，表示数控机床要完成的全部动作。
3）程序结束：
以程序结束指令M02或M30作为整个程序结束的符号，来结束整个程序。
当用EIA标准代码时，结束符为“CR”；
用ISO标准代码时为“NL”或“NF”；有的用符号“；”或“*”表示，还有的直接按回车（enter）即可。
2．程序段格式：通常的程序段中的程序字的顺序及形式。
1）顺序号：由地址码N和后面若干位数字组成，如：N20。一般可省略不写，编写时缝5或10进行间隔。
2）准备功能字（也称G功能）：用地址码G和两位数字表示，从G00～G99共100种，目前，有的数控系统也用到这100种以上的数字。
3）坐标字：坐标字由地址码、符号及绝对（或增量）数值构成。
坐标字的地址码有X，Y，Z，U，V，W，P，Q，R，A，B，C，I，J，K，D，H等，如：X20.Y-40.，小数点有的系统可省略，有的不可省略；正负符号，正号可省略，负号不可省略。
4）进给功能字F：表示刀具中心运动时的进给速度。如F100表示进给速度为100mm/min。有的以F××表示，这两位既可以是代码，也可以是数值。
5）主轴功能字S：由地址码S和后面若干位数字构成，单位为r/min。如S1000表示主轴转速为每分钟1000转。
6）刀具功能字T：由地址码T和后面若干位数字构成，其中的数字是指定的刀号，数字的位数由系统决定。如有的用T0101或T0202分别表示1号和2号刀，有的用T02或T03分别表示2号和3号刀。
7）辅助功能字（M功能）：由地址码M和后面若干位数字构成,从M00～M99共100种。
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Ⅲ、课堂练习（师生互动）
Ⅳ、小结
Ⅴ、课后作业
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《数控机床坐标系》教案
教学课时：2课时
教学设计：讲解与练习 教学过程：
Ⅰ、复习导入新课
在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的，为了确定机床上的成形运动和辅助运动，必须先确定机床上运动的方向和运动的距离，这样就引入了数控机床坐标系。 Ⅱ、新课教学 一、标准坐标系
1．标准坐标系的规定原则
首先确立机床坐标系中X ，Y ，Z 轴的关系，采用右手直角笛卡儿坐标系，也称右手直角坐标系，用右手的拇指、食指和中指分别代表X ，Y ，Z 三轴，三个手指互相垂直，，所指方向分别为X ，Y ，Z 轴的正方向。围绕X ，Y ，Z 各轴的回转运动分别用A ，B ，C 表示。与之相反的用+X ’，+Y ’，+Z ’，+A ’，+B ’，+C ’表示。
2．刀具相对于静止工件而运动的原则
该原则规定：永远假定工件静止，而刀具是相对于静止的工件运动。把刀具看作相对静止不动，工件移动，则工件移动的坐标系就是+X ’，+Y ’，+Z ’。
3．运动方向的确定
机床坐标轴的确定，一般先确定Z 轴，再确定X 轴，最后确定Y 轴。机床的某一运动部件的运动正方向规定为增大工件与刀具之间距离的方向，即刀具靠近工件表面为负方向，刀具远离工件表面为正方向。
1）Z 轴：产生切削力的轴线（即主轴轴线）
2）X轴：一般位于平行工件装夹面的水平面内。
3）Y轴：用右手直角笛卡儿坐标系确定。
4）工件的运动与附加运动坐标：一般称X，Y，Z为第一坐标系，如有平行于第一坐标系的第二组和第三组坐标，则分别指定为U，V，W和P，Q，R。第一坐标系是指靠近主轴的直线运动，稍远的为第二坐标系，更远的为第三坐标系。
二、坐标系的类型
数控机床坐标系分为两种类型：一种是机床坐标系，另一种是工件坐标系。
1．机床坐标系：
以机床原点为坐标原点建立起来的直角坐标系称为机床坐标系。机床坐标系是机床固有的，其坐标原点位置由各机床厂生产设定，用户不能随意变动。
2．工件坐标系：
也称编程坐标系，规定工件坐标系是“刀具相对于工件而运动”的刀具运动坐标系。是可变的，可根据各图样确定机床加工过程。
三、零点与参考点
1．机床零点：
也称机床原点，数控车床一般为主轴旋转中心与卡盘定位面之交点；或离
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卡盘端面的某一距离处；或接近坐标轴正向极限的位置处。数控铣床一般取在三个坐标的正方向的极限位置。
2．工件零点：
也称工件编程原点，工件零点可以随意设定，但为了编程方便确定以下原则：
1）工件零点应选在零件图标注的尺寸基准上；
2）对称零件，工件零点应选在对称中心上；
3）一般零件，工件零点应选在轮廓的基准角上；
4）Z方向的零点,一般设在工件表面。
3．参考点：
数控机床有机床参考点与刀具参考点两种。
1）机床参考点
设置机床坐标系的一个基准点，也就是机床某一固定点，该点为刀具退离到一个固定不变、接近正向极限位置的点，也可由机床各轴方向的机械挡块来设定，用户不能随意调整。
2．刀具参考点
机床参考点在刀架或刀具上的一个具体定标点。
有的机床参考点与机床零点重合，这时回参考点的操作也就是机床回零。
Ⅲ、课堂练习（师生互动）
Ⅳ、小结
Ⅴ、课后作业
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《编程常用指令》教案
教学课时：2课时
教学设计：讲解与练习
教学过程：
Ⅰ、复习导入新课
为了上数控机床按要求进行切削加工，人们就要用程序形式给它输入必要的指令来加以控制。这样就引入了数控基本功能指令。
Ⅱ、新课教学
一、数控系统的准备功能及辅助功能
准备功能和辅助功能是程序段的基本组成部分，是指定工艺过程各种运动和操作特性的核心。
1．准备功能指令：又称G指令，主要用于机床的运动方式，由地址字G 及两位数字表示。
G指令分为两种：
1）模态代码：该功能具有延续性，在同组的G代码未出现之前一直有效；
2）非模态指令：该功能仅限定在被指定的程序段内有效。
为了用户使用方便，有的数控系统规定在通电后使一些G代码自动生效。
2．辅助功能指令：又称M指令，由地址字M及两位数字表示，主要用来控制机床或系统的辅助动作，如冷却泵的开、关；主轴的正、反转；程序结束等。
二、数控编程的工艺处理
1、加工方法的选择
2、加工工序的划分
3、对刀点和换刀点的确定
4、零件的安装与夹具的选择
5、刀具和切削用量
三、插补功能
1、在数控机床上加工零件，是通过刀具和工件的相对运动实现的。刀尖沿各坐标轴的相对运动是以脉冲当量为单位的（mm/脉冲）
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2、当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间点的坐标值，向各坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线和圆弧轮廓。数控装置进行的这种“数据点的密化”称为插补。
四、编程中的基点计算
基点的坐标值，根据图样上给定的尺寸和三角、几何或解析几何的知识，是比较容易求的。各个几何元素间的连接点称为基点，如直线与直线的交点，直线与圆弧的交点或切点，圆弧与圆弧的交点或切点等。
（1）三角函数法
三角函数计算法在手工编程工作中，是进行数学处理时应重点掌握的方法之一。
（2）三角函数常用定理及应用举例
正弦定理：a/sinA=b/sinB=c/sinC=2R
余弦定理：cosA=b2+c2-a2/2bc
【实例】：一零件轮廓如图2-4所示，其中A、B、C、D、E、F为基点， A、
B、C、D、可直接由图中所设工件坐标系中得知，而E点是直线DE与EF的
交点，F是直线EF与圆弧AF的切点。分析可知，OF与X轴的夹角为30°，EF与X轴夹角为120°，则
FX= 20 cos30°=17.321 FY = 20 sin30°= 10
∵ EY = 30 ∴ EX = FX -（EY - FY ）/ tg60°= 5.774
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