1.1 数控机床入门

1.1.1 机床概述

机床是指制造机器的机器，亦称工作母机或工具机，习惯上简称机床。一般分为金属切削机床、锻压机床和木工机床等。

现代机械制造中加工机械零件的方法很多，除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等，但凡属精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件，一般都需在机床上用切削等方法进行最终加工。

机床包含了普通机床与数控机床。普通机床是指主要由工人手工操作进行车、铣、刨、磨等作业，生产效率低，其精度主要依靠人工测量的方式进行，适用于单件、小批生产和修配车间。图1-1所示为普通车床和铣床的外观。

数控机床是指装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图样要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。常见的数控机床包括数控车床、数控铣床和加工中心等（见图1-2）。

1.1.2 数控机床的组成和工作原理

数控机床一般由输入输出设备、CNC装置（或称CNC单元）、主轴/进给系统、PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。图1-3是数控机床的组成框图，其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统。

图1-1 普通车床和铣床的外观

图1-2 数控机床

图1-3 数控机床的组成框图

数控小贴士

CNC是计算机数字控制机床（ComputerNumericalControl）的简称。CNC的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础；1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件伟大的创举。

1.1.3 数控车床编程的基础知识

数控车床之所以能够自动加工出不同形状、尺寸及高精度的零件，是因为数控车床按事先编制好的加工程序，经其数控装置“接收”和“处理”，从而实现对零件的自动加工的控制。

如图1-4所示，在数控机床上加工零件通常经过以下几个步骤：

使用数控车床加工零件时，首先要做的工作就是编制加工程序。从分析零件图样到获得数控车床所需控制介质（加工程序单或数控带等）的全过程，称为程序编制，其主要内容和一般过程如图1-5所示。

图1-4 数控机床加工步骤

图1-5 程序编制过程

1.图样分析

根据加工零件的图样和技术文件，对零件的轮廓形状、有关标注、尺寸、精度、表面粗糙度、毛坯种类、件数、材料及热处理等项目要求进行分析并形成初步的加工方案。

2.辅助准备

根据图样分析确定机床和夹具、机床坐标系、编程坐标系、刀具准备、对刀方法、对刀点位置及测定机械间隙等。

3.制定加工工艺

拟定加工工艺方案、确定加工方法、加工线路与余量的分配、定位夹紧方式并合理选用机床、刀具及切削用量等。

4.数值计算

在编制程序前，还需对加工轨迹的一些未知坐标值进行计算，作为程序输入数据，主要包括：数值换算、尺寸链解算、坐标计算和辅助计算等。对于复杂的加工曲线和曲面还须使用计算机辅助计算。

5.编写加工程序单

根据确定的加工路线、刀具号、刀具形状、切削用量、辅助动作以及数值计算的结果按照数控车床规定使用的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序。此外，还应附上必要的加工示意图、刀具示意图、机床调整卡、工序卡等加工条件说明。

6.制作控制介质

加工程序完成以后，还必须将加工程序的内容记录在控制介质上，以便输入到数控装置中。

7.程序校核

加工程序必须经过校验和试切削才能正式使用，通常可以通过数控车床的空运行检查程序格式有无出错或用模拟仿真软件来检查刀具加工轨迹的正误，根据加工模拟轮廓的形状，与图样对照检查。但是，这些方法尚无法检查出刀具偏置误差和编程计算不准而造成的零件误差大小，及切削用量选用是否合适、刀具断屑效果和工件表面质量是否达到要求，所以必须采用首件试切的方法来进行实际效果的检查，以便对程序进行修正。

1.1.4 数控车床坐标系及坐标参数的识读

1.数控车床的坐标系

（1）标准坐标系

标准坐标系是一个右手直角笛卡坐标系，用X轴、Ｚ轴组成的直角坐标系进行定位和插补运动。X轴为水平面的前后方向，Ｚ轴为水平面的左右方向。向工件靠近的方向为负方向，离开工件的方向为正方向。如图1-6所示，前、后刀座的坐标系，X方向正好相反，而Ｚ方向是相同的。坐标系的坐标轴的平面与车床的主要导轨相的平面平行。

（2）坐标中的各原点

图1-7所示为数控机床的坐标系，包括坐标系、坐标原点和运动方向，对于数控加工和编程是一个十分重要的概念。每一个数控机床的编程者、操作者都必须对数控机床的坐标系统有一个完全而正确的理解，现将数控机床的一些主要的原点及其机床坐标系和编程坐标系介绍如下：

1）机床原点——机床零点（出厂时制造商确定）。

2）机械原点（机械零点）——机床固定原点或机床参考点（出厂时制造商确定）。但一般的经济型或改造的数控机床上没有安装机械原点。

3）工件编程原点——在工件坐标上，确定工件轮廓坐标值的计算和编程的原点，它属于一个浮动坐标。

4）程序原点（刀具起始点或参考点）——刀具（刀尖）为加工程序执行时的起点。一般情况下，一个零件加工完毕刀具返回程序原点位置，等候命令执行下一个零件的加工。

2.坐标值的确定

在编制加工程序时，为了准确描述刀具的运动轨迹，除正确使用准备功能字外还要有符合图样轮廓的地址及坐标值。要正确识读零件图样中各坐标点的坐标值，首先要确定工件编程坐标原点，以此建立一个直角坐标系，来进行各坐标点的坐标值的确定。

图1-6 前、后刀座的坐标系

图1-7 数控机床坐标系

1—主轴 2—机床原点 3—卡盘 4—工件 5—工件编程原点 6—程序原点 7—机械原点

（1）绝对坐标值

在直角坐标系中，所有的坐标点均以直角坐标系中的原点（工件编程原点）为固定的原点，作为坐标位置的起点（0、0），如图1-8中，01/02是分别建立在工件上的两个不同的工件编程原点，并以之计算各坐标点的坐标值，箭头所指的方向为正方向。绝对坐标值是指某坐标点到工件编程原点之间的垂直距离，用X代表径向，Ｚ代表轴向，且X向在直径编程时为直径量（实际距离的2倍），图1-8中各点的绝对坐标值如下：

图1-8 工件的坐标系

以01为工件编程原点

X Ｚ

A′ 80 80

A 0 40

B 16 32

C 16 28

D 20 28

E 28 18

F 28 10

G 20 10

H 20 1

I 18 0

以02为工件编程原点

X Ｚ

A′ 80 40

A 0 0

B 16 -8

C 16 -12

D 20 -12

E 28 -22

F 28 -30

G 20 -30

H 20 -39

I 18 -40

（2）增量坐标值（相对坐标值）

增量坐标值是指在坐标系中，运动轨迹的终点坐标是以起点计量的，各坐标点的坐标值是相对于前点所在的位置之间的距离（径向用U表示，轴向用W表示）。

图1-8中各点的增量坐标值以加工顺序是A′→A→B→C→D→E→F→G→H→I为例，则各坐标点的增量坐标值为：A点U-80、W-40（相对于A′点），B点U16、W-8（相对于A点），C点U0、W-4（相对于B点），D点U4、W0，E点U8、W-10，F点U0、W-8，G点U-8、W0，H点U0、W-9，I点U-2、W-1。

从以上各点坐标值不难看出，各点的增量坐标值都是相对于前一个点的位置而言的，而不是像绝对坐标值那样各点都是相对于工件编程原点而言的。