数控机床的产生、发展与编程.doc

摘 要数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术(1T)与制造技术(MT)结合发展的结果。现代的CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。数控技术是实现机械制造自动化的关键，直接影响到国家工业的发展和综合国力的提高。以数控技术为核心的机械设备的生产和应用已经成为衡量一个国家技术水平和战略地位的重要标准。因此广泛采用数控技术应用于制造业，无论从战略角度还是发展策略，都是我国实现工业经济大国必须要大力提倡和广泛发展的关键词：机械制造数控技术 刀具 切削用量类 要求 选择目 录第一章：数控机床的产生和发展第二章：数控加工工艺2.1 合理选择切削用量2.2 合理选择刀具2.3 控制尺寸精度第三章：数控车床及其编程3.1 典型数控车床介绍 3.2 数控车床编程基础 3.3 刀具补偿3.4 车削固定循环3.5 螺纹加工第四章：数控车床维修诊断参考文献第一章 数控机床的产生和发展数控机床是种采用计算机，利用数字化信息进行控制的，具有高附加值的，技术密集型机电一体化产品。数控机床自20世纪50年代问世以来，得到了迅速发展，不断地更新换代。我国的数控机床行业起步于1958年。到目前为止，在开发、设计、制造具有自主版权的中、高档CNC系统方面取得了可喜的成果。我国的数控产品覆盖了车、铣(包括仿型铣)、镗铣、钻、磨、加工中心及齿轮机床、折弯机、火焰切割机，柔性制造单元等，品种达300多种。中、低档CNC系统已达到小批量生声能力。数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。但我们要清醒地认识到,能否达到数控机床以上所述的优点,还要看操作者在生产中能不能恰当、正确地使用。数控机床的使用比使用普通机床的难度要大,因为数控机床是典型的机电一体化产品,它牵涉的知识面较宽,即操作者应具有机、电、液、气等更宽广的专业知识,因此对操作人员提出的素质要求是很高的。目前一个不可忽视的现象是数控机床的用户越来越多,但机床的利用率却不高,当然有时是生产任务不饱满,但还有一个更为关键的因素是数控操作人员素质不够高,碰到一些问题不知如何处理,特别是新购机床,由于电子元器件的质量问题,以及运输中受到的振动等因素影响,在正式投产36个月内数控系统出现一些故障现象,往往在维修手册中是查不到的,也可能以前从未遇到过,这就要求使用者具有较高的素质,能冷静对待问题,头脑清醒,现场判断能力强,当然还应具有较扎实的数?数控技术是用数字信息对机械加工和运动过程进行控制的技术。它是集传统的机械制造技术、计算机技术、传感检测技术、网络通信技术、光机电技术于一体的现代制造业基础技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点。数控技术是用数字信息对机械加工和运动过程进行控制的技术。它是集传统的机械制造技术、计算机技术、传感检测技术、网络通信技术、光机电技术于一体的现代制造业基础技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点。1. 数控技术的发展趋势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13。11 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，主轴转速已达60 000r/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10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的mtbf值已达6 000h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。1.2 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。1.3 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(the next generation work-station/machine control)、欧共体的osaca(open system architecture for control within automation systems)、日本的osec(open system environment for controller)，中国的onc(open numerical control system)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“cyberproduction center”（智能生产控制中心，简称cpc)；日本大隈（okuma）机床公司展出“it plaza”（信息技术广场，简称it广场)；德国西门子(siemens)公司展出的open manufacturing environment（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。从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。第二章数控车的工艺与工装削2.1 合理选择切削用量对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济有效的加工方式必然是选择了切削条件。切削用量包括切削速度、背吃刀量或侧吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度并充分发挥机床的性能，最大限度地提高生产率，降低成本。（1）切削速度的确定 铣削的切削速度与刀具的耐用度T、每齿进给量fz、背吃刀量ap、侧吃刀量ae以及铣刀齿数Z成反比，与铣刀直径d成正比。其中原因是fz、ap、ae、Z增大时，使同时工作齿数增多，刀刃负荷和切削热增加，加快刀具磨损，因此刀具耐用度限制了切削速度的提高。如果加大铣刀直径则可以改善散热条件，相应提高切削速度。下表列出了铣削切削速度的参考值。工件材料 硬度（HBS） 切削速度Vc（m/min）高速钢铣刀 硬质合金铣刀钢 225 1842 66150 225325 1236 54120325425 621 3675铸铁 190 2136 66150190260 918 4590260320 4.510 21302）进给速度的确定 进给速度F是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表（面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。在轮廓加工中，在接近拐角处应适当降低进给量，以克服由于惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成“超程”或“欠程”现象。确定进给速度的原则：1）当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100200mm/min范围内选取。2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在2050mm/min范围内选取。3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在2050mm/min范围内选取。4）刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以选择该机床数控系统给定的最高进给速度。进给量( 进给速度)是数控机床切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取。对于多齿刀具, 其进给速度vf、刀具转速n、刀具齿数Z 及每齿进给量fz的关系为: Vf=fn=fzzn。粗加工时, 由于对工件表面质量没有太高的要求, f主要受刀杆、刀片、机床、工件等的强度和刚度所承受的切削力限制，一般根据刚度来选择。工艺系统刚度好时，可用大些的f；反之，适当降低f。精加工、半精加工时，f应根据工件的表面粗糙度Ra要求选择。Ra要求小的，取较小的f，但又不能过小，因为f过小，切削厚度hD过薄，Ra反而增大，且刀具磨损加剧。刀具的副偏角愈大，刀尖圆弧半径愈大，则f可选较大值。一般，精铣时可取2025mm/min, 精车时可取0.100.20mm/r。还应注意零件加工中的某些特殊因素。比如在轮廓加工中，选择进给量时，应考虑轮廓拐角处的超程问题。特别是在拐角较大、进给速度较高时，应在接近拐角处适当降低进给速度，在拐角后逐渐升速，以保证加工精度。（3）背吃刀量（或侧吃刀量）的确定 在保证加工表面质量加工质量的前提下，背吃刀量(ap)应据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。工件表面粗糙度要求为Ra3.212.5m,分粗铣和半精铣两步铣削加工，粗铣后留半精铣余量0.51.0mm；工件表面粗糙度要求为Ra0.83.2m，可分粗铣、半精铣、精铣三步铣削加工，半精铣时端铣背吃刀量或圆周铣侧吃刀量取1.52mm，精铣时端铣背吃刀量取0.51mm，圆周铣侧吃刀量取0. 30.5mm。确定数控车床的切削用量时一定要根据机床说明书中规定的要求，以及刀具的耐用度去选择，也可结合实际经验采用类比法来确定。一般的选择原则是：粗车时，首先考虑在机床刚度允许的情况下选择尽可能大的背吃刀量ap；其次选择较大的进给量f；最后再根据刀具允许的寿命确定一个合适的切削速度。增大背吃刀量可减少走刀次数，提高加工效率，增大进给量有利于断屑。精车时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础上尽量提高加工效率，因此宜选用较小的背吃刀量和进给量，尽可能地提高加工速度。主轴转速S(r/min?)可根据切削速度(mm/min)由公式?S=1000D(D为工件或刀具直径?mm)计算得出，也可以查表或根据实践经验确定。背吃刀量ap根据加工余量和工艺系统的刚度确定。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap就等于加工余量, 这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。具体选择如下： 粗加工时，在留下精加工、半精加工的余量后，尽可能一次走刀将剩下的余量切除；若工艺系统刚性不足或余量过大不能一次切除，也应按先多后少的不等余量法加工。第一刀的ap应尽可能大些，使刀口在里层切削，避免工件表面不平及有硬皮的铸锻件。当冲击载荷较大（如断续表面）或工艺系统刚度较差（如细长轴、镗刀杆、机床陈旧）时，可适当降低ap，使切削力减小。精加工时，ap应根据粗加工留下的余量确定，采用逐渐降低ap的方法，逐步提高加工精度和表面质量。一般精加工时，取ap=0.050.8mm；半精加。工时，取ap=1.03.0mm。2.2 合理选择刀具1、数控铣加工刀具种类很多，主要包括铣削刀具和孔加工刀具两大类。数控铣刀具的分类有多种方法，根据刀具结构可分为：整体式；镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；特殊型式，如复合式刀具，减震式刀具等。根据制造刀具所用的材料可分为：高速钢刀具；硬质合金刀具；金刚石刀具；其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。从切削工艺上可分为：平端立铣刀、圆角立铣刀、球头刀和锥度铣刀等。刀具的使用寿命除与刀具材料相关外，还与刀具的直径有很大的关系。刀具直径越大，能承受的切削用量也越大。所以在零件形状允许的情况下，采用尽可能大的刀具直径是延长刀具寿命，提高生产率的有效措施。数控车削常用的刀具一般分为3类。即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀。（1）尖形车刀。以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。其刀尖由直线性的主、副切削刃构成，如外圆偏刀、端面车刀等。这类车刀加工零件时，零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到。（2）圆弧形车刀。除可车削内外圆表面外，特别适宜于车削各种光滑连接的成型面。其特征为：构成主切削刃的刀刃形状为圆度误差或线轮廓误差很小的圆弧，该圆弧刃的每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。（3）成型车刀。即所加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常用的成型车刀有小半径圆弧车刀、车槽刀和螺纹车刀等。为了减少换刀时间和方便对刀，便于实现机械加工的标准化。数控车削加工中，应尽量采用机夹可转位式车刀。2. 3控制尺寸精度（1）修改刀补值保证尺寸精度由于第一次对刀误差或者其他原因造成工件误差超出工件公差，不能满足加工要求时，可通过修改刀补使工件达到要求尺寸，保证径向尺寸方法如下：a.绝对坐标输入法根据“大减小，小加大”的原则，在刀补001004处修改。如用2号切断刀切槽时工件尺寸大了0.1mm，而002处刀补显示是X3.8，则可输入X3.7，减少2号刀补。b.相对坐标法如上例，002刀补处输入U-0.1，亦可收到同样的效果。同理，对于轴向尺寸的控制亦如此类推。如用1号外圆刀加工某处轴段，尺寸长了0.1mm，可在001刀补处输入W0.1。（2）半精加工消除丝杆间隙影响保证尺寸精度对于大部分数控车床来说，使用较长时间后，由于丝杆间隙的影响，加工出的工件尺寸经常出现不稳定的现象。这时，我们可在粗加工之后，进行一次半精加工消除丝杆间隙的影响。如用1号刀G71粗加工外圆之后，可在001刀补处输入U0.3，调用G70精车一次，停车测量后，再在001刀补处输入U-0.3，再次调用G70精车一次。经过此番半精车，消除了丝杆间隙的影响，保证了尺寸精度的稳定。（3）程序编制保证尺寸精度a.绝对编程保证尺寸精度编程有绝对编程和相对编程。相对编程是指在加工轮廓曲线上，各线段的终点位置以该线段起点为坐标原点而确定的坐标系。也就是说，相对编程的坐标原点经常在变换，连续位移时必然产生累积误差，绝对编程是在加工的全过程中，均有相对统一的基准点，即坐标原点，故累积误差较相对编程小。数控车削工件时，工件径向尺寸的精度一般比轴向尺寸精度高，故在编写程序时，径向尺寸最好采用绝对编程，考虑到加工及编写程序的方便，轴向尺寸常采用相对编程，但对于重要的轴向尺寸，最好采用绝对编程。b.数值换算保证尺寸精度很多情况下，图样上的尺寸基准与编程所需的尺寸基准不一致，故应先将图样上的基准尺寸换算为编程坐标系中的尺寸。除尺寸13.06mm外，其余均属直接按图2a标注尺寸经换算后而得到的编程尺寸。其中，29.95mm、16mm及60.07mm三个尺寸为分别取两极限尺寸平均值后得到的编程尺寸。（4）修改程序和刀补控制尺寸数控加工中，我们经常碰到这样一种现象：程序自动运行后，停车测量，发现工件尺寸达不到要求，尺寸变化无规律。如用1号外圆刀加工图3所示工件，经粗加工和半精加工后停车测量，各轴段径向尺寸如下：30.06mm、23.03mm及16.02mm。对此，笔者采用修改程序和刀补的方法进行补救，方法如下：a.修改程序原程序中的X30不变，X23改为X23.03，X16改为X16.04，这样一来，各轴段均有超出名义尺寸的统一公差0.06mm；b.改刀补在1号刀刀补001处输入U-0.06。经过上述程序和刀补双管齐下的修改后，再调用精车程序，工件尺寸一般都能得到有效的保证。数控车削加工是基于数控程序的自动化加工方式，实际加工中，操作者只有具备较强的程序指令运用能力和丰富的实践技能，方能编制出高质量的加工程序，加工出高质量的工件。第三章 数控车床及其编程3.1 典型数控车床介绍1. 数控车床的结构29页图2. 主要技术参数30页图3. 传动系统31页图（1） 主运动传动系统数控车床的主传动系统一般采用直流或交流主轴伺服电动机，通过带传动带动主轴旋转，实现自动无级调速及恒线速度切削。（2） 进给传动系统a横向进给系统 如图所示 CK7815型数控车床的横向进给系统，是由直流伺服电动机通过一对同步带轮和同步带来带动导程为6mm的滚珠丝杠驱动刀架完成横向（X轴）的进给运动。B纵向进给系统 如图所示 CK7815型数控车床的纵向传动系统是由直流伺服电动机直接带动导程为8mm的滚珠丝杠来驱动刀架完成纵向（Z轴）进给运动的。4. 主要部件(1) 主轴部件主轴部件是机床的主要部件，它的回转精度影响工件的加工精度；它的功率大小与回转速度影响加工效率；它的自动变速、换刀等功能影响机床的自动化程度。（2） 自动回转刀架自动回转刀架分为立式和卧式两种。立式自动回转刀架的回转轴与机床主轴成垂直布置，刀位数有四位和六位两种；卧式自动回转刀架的回转轴与机床主轴平行，如图分别为12工位和8 工位。33页两个图都画（3） 尾座CK型数控车床的尾座结构。如图页图 数控车床编程基础1. 数控车床的坐标系统（1）机床原点和机床坐标系机床原点是数控机床上的一个固定的点。如图35页图（2）工件原点和工件坐标系工件原点也称编程原点。如图35页图2.数控车床的