《数控车削编程与考级》课件第1章

数控车床概述

第一章数控车床概述1.1数控机床的基本知识1.2数控车床工作原理1.3数控车削加工工艺范围及特点1.4数控机床分类1.1数控机床的基本知识1.1数控机床的基本知识1.1.1数控与数控机床的概念数字控制（NumericalControl，简称数控或NC）技术，国家标准（GB8129-87）定义为：“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。装备了数控系统的机床称为数控机床。随着科学技术的发展，数控系统也采用专用或通用计算机及控制软件与相关的电气元部件一起来实现数控功能，称为计算机数控（CNC）系统。1.1数控机床的基本知识1.1.2数控车床型号及技术参数1.1.2.1数控车床型号根据《金属切削机床型号编制的方法》（JB1838-85）中规定，机床均用汉语拼音字母和数字，按一定规律组合进行编号，以表示机床的类型和主要规格。数控车床编号CK6136中，字母与数字含义如下所示：C

K

6

1

36主参数代号（床身上工件最大回转直径的1/10，单位㎝）系代号（卧式车床系）组代号（落地及卧式车床组）特性代号（数控）类代号（车床类）1.1数控机床的基本知识1.1.2.2数控车床技术参数技术参数是用户购买机床时的主要依据，表1－1为CK6136和CA6140的技术参数，旨在了解数控车床与普通车床在技术参数种类和数值上的不同。数控机床性能指标的含义和对机床的影响见表1－2数控机床性能指标表。1.1数控机床的基本知识表1－1数控车床和普通车床技术参数规格及参数名称单位CK6136ACA6140与工件尺寸和工夹具有关的参数床身上工件最大回转直径㎜360400两顶尖间最大支撑长度㎜750750主轴通孔直径㎜5848主轴内孔锥度No.莫氏6号莫氏6号主轴端部代号No.D6

尾架套筒内孔锥度No.莫氏4号莫氏4号与机床动力特性和技术经济指标有关的参数主轴转速范围r/min200～182010～1400（正转）14～1580（反转）主轴转速级数

无级正转24，反转12Z轴最快进给速度m/min64X轴最快给速度n/min32最小设定单位（脉冲当量）㎜Z：0.01X：0.005Z：0.1X：0.02定位精度㎜0.04（z）0.03（x）

重复定位精度㎜0.016（z）0.012（x）

主电机功率Kw4或5.57.5进给电机功率Kw

外形尺寸（长×宽×高）㎜

机床净重kg16002000表1－1数控车床和普通车床技术参数1.1数控机床的基本知识种类项目含义影响精度指标定位精度数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的水平直接影响加工零件的位置精度重复定位精度同一数控机床上，应用相同加工程序加工一批零件所得连续质量的一致程度影响一批零件的加工一致性、质量稳定性分度精度分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值与实际回转角度值的差值影响零件加工部位的空间位置及孔系加工的同轴度分辨率数控机床对两个相邻的分散细节间可分辨的最小间隔，决定机床的加工精度和表面质量脉冲当量执行运动部件的移动量决定机床的加工精度和表面质量坐标轴可控轴数机床数控装置能控制的轴数影响机床功能、加工适应性和工艺范围联动轴数机床数控装置控制的坐标轴同时到达空间某一点的坐标数目影响机床功能、加工适应性和工艺范围表1－2数控机床性能指标表1.1数控机床的基本知识运动性能指表主轴转速机床主轴转动速度可加工小孔和提高零件表面质量进给速度机床进给线速度影响零件加工质量、生产效率、刀具寿命行程数控机床坐标轴空间运动范围影响零件加工大小摆角范围数控机床摆角坐标的转角大小影响加工零件的空间大小和机床刚度刀库容量刀库能存放加工所需的刀具数量加工适应性及加工资源换刀时间带自动换刀装置的机床在主轴用刀与刀库中下一工序用刀交换所需的时间影响加工效率加工能力指标每分钟最大金属切除率单位时间内去除金属余量的体积影响加工效率1.2数控车床工作原理1.2数控车床工作原理1.2.1数控车床组成及其作用图1－1为数控车床CK6136外形图。图1－1CK6136外形图1.2数控车床工作原理传统观点认为数控机床由程序载体、输入输出设备、数控系统、伺服系统、机床主体等组成。但现代数控机床的数控系统都采用模块化结构，伺服系统中的伺服单元和驱动装置为数控系统中的一个子系统，输入输出装置也为数控系统中的一个功能模块，所以现在的观点认为数控机床主要由计算机数控系统和机床本体组成，如图1－2。其中每一部分的功用如下。1.2数控车床工作原理

图1－2数控机床的组成1.2数控车床工作原理1.2.1.1输入装置数控机床是按照编程人员编制的工件加工程序运行的。在工件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（走刀量、主轴转速等）和辅助运动等。通常编程人员将工件加工程序以一定的格式和代码存储在一种载体上，如录音磁带、软磁盘或硬盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到数控装置内。输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读入数控装置。根据程序载体的不同，输入装置可以是录音机或软盘驱动器等。数控机床还可以不用任何程序载体，通过数控机床操作面板上的键盘，用手工将工件加工程序输入数控装置；或者将存储在计算机硬盘上的工件加工程序传送到数控装置。1.2数控车床工作原理1.2.1.2计算机数控装置数控装置是数控机床的核心。它根据输入的数据，完成数值计算、逻辑判断、输入输出控制等。数控装置一般由专用（或通用）计算机、输入输出接口板及可编程序控制器（PLC）等组成。可编程序控制器主要用于对数控机床辅助功能、主轴转速功能和刀具功能的控制。1.2数控车床工作原理1.2.1.3伺服系统伺服系统包括主轴伺服单元、进给伺服单元、机床控制线路、功率放大线路及驱动装置，它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动数控机床传动系统的运动。它的伺服精度和动态响应是影响数控机床的加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。1.2数控车床工作原理1.2.1.4测量装置测量装置的作用是通过位置传感器将伺服电动机的角位移或数控车床执行机构的直线位移转换成电信号，输送给数控装置，使之与指令信号进行比较，并由数控装置发出指令，纠正所产生的误差，使数控车床按工件加工程序要求的进给位置和速度完成加工。1.2数控车床工作原理1.2.1.5机床本体机床本体包括：主传动系统、进给系统以及辅助装置等。对于数控加工中心，还有存放刀具的刀库、自动换刀装置（ATC）和自动托盘交换装置等。与传统的机床相比，数控机床的结构强度、刚度和抗振性，传动系统和刀具系统的部件结构，操作机构等方面都发生了很大的变化，其目的是为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的效能。1.2数控车床工作原理1.2.2数控系统的主要功能数控系统的功能取决于数控系统硬件和软件的配置，一般说来，数控系统的主要功能可归纳为以下几点：1.2.2.1多轴控制功能控制系统可以控制坐标轴的数目指的是数控系统最多可以控制多少个坐标轴,其中包括平动轴和回转轴,基本平动坐标轴是X、Y、Z轴，基本回转坐标轴是A、B、C轴。联动轴是指数控系统按照加工的要求可以控制同时运动的坐标轴的数目。如某型号的数控机床具有X、Y、Z三个坐标轴运动方向,而数控系统只能同时控制两个坐标（XY、YZ或XZ）方向的运动,则该机床的控制轴数为3轴（称为三轴控制）,而联动轴数为2轴（称为两联动）。1.2数控车床工作原理1.2.2.2插补功能指数控机床能够实现的运动轨迹。如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、正弦曲线等。数控机床的插补功能越强，说明加工的轮廓种类越多。1.2.2.3进给功能包括快速进给（空行程移动）、切削进给、手动连续进给、点动，进给量调整（倍率开关）、自动加速减速功能等性能。进给功能与伺服驱动系统的性能有很大的关系。1.2.2.4主轴功能可实现恒转速、恒线速度、定向停车及转速调整（倍率开关）等功能。恒线速度指的是主轴可以自动变速，使得刀具对工件切削点的线速度保持不变。主轴定向停车功能主要用于数控机床在换刀、精镗等工序退刀前，对主轴进行准确定位，以便于退刀。1.2数控车床工作原理1.2.2.5刀具功能指在数控机床上可以实现刀具的自动选择和自动换刀。1.2.2.6刀具补偿功能包括刀具位置补偿、半径补偿和长度补偿功能。半径补偿中有车刀的刀尖半径、铣刀半径的补偿，长度补偿中有车刀长度变化的补偿。1.2.2.7机械误差补偿功能指系统可以自动补偿机械传动部件因间隙产生的误差的功能。1.2.2.8操作功能数控机床通常有单程序段运行、跳段执行、连续运行、试运行、图形模拟仿真、机械锁住、暂停和急停等功能，有的还有软件操作功能。1.2.2.9程序管理功能指对加工程序的检索、编制、插入、删除、更名、锁住、在线编辑（即后台编辑,在执行自动加工的同时进行编辑）以及程序的存储通信等。1.2数控车床工作原理1.2.2.10图形显示功能在显示器（CRT）上进行二维或三维、单色或彩色的图形显示。图形可以进行缩放、旋转，还可以进行刀具轨迹动态显示。1.2.2.11辅助编程功能如固定循环、镜像、图形缩放、子程序、宏程序、坐标轴旋转、极坐标等功能，可减少手工编程的工作量和难度。1.2.2.12自诊断报警功能指数控系统对其软件、硬件故障的自我诊断能力。这项功能可以用于监视整个机床和整个加工过程是否正常，并在发生异常时及时报警。1.2.2.13通讯功能现代数控系统中一般到配有RS232接口或DNC接口,可以与上级计算机进行信号的高速传输。高档数控系统还可与MAP或INTERNET相连，以适应FMS、CIMS的要求。1.2数控车床工作原理1.2.3数控机床工作原理数控机床工作原理如图1－3。1.2数控车床工作原理根据零件图样，进行工艺分析，确定工艺方案，依据数控系统的规定指令，编制零件的加工程序。视零件结构的复杂程度，可以采用手工或计算机编程，程序较小时，可以直接在车床的操作面板的输入区域操作；程序较大时，也可在装有编程软件的普通计算机上进行，编程软件国内一般采用模拟软件和专业软件，经过相应的后置处理，生成加工程序。再通过车床控制系统上的通信接口或其他存储介质（软盘、光盘等），把生成的加工程序输入到车床的控制系统中。进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变成脉冲信号。有的信号输送到机床的伺服系统，通过伺服机构处理，传到驱动装置（主轴电机、步进或交、直流伺服电机），使刀具和工件严格执行零件加工程序说规定的运动；有的信号送到可编程控制器，用以控制机床的其他辅助运动，如主轴和进给运动的变速、液压或气动装夹工件、冷却液开关等。1.3数控车削加工工艺范围及特点1.3.1数控车削加工工艺范围数控车床是数控机床中应用最广泛的一种，在数控车床上可以加工各种带有复杂母线的回转体零件，高级的数控车床（一般称为车削中心）还能进行铣削、钻削以及加工多边形零件。如图1－4为在数控车床上加工的工艺范围。1.3数控车削加工工艺范围及特点图1－4

车削工艺范围1.3数控车削加工工艺范围及特点1.3.2数控车削特点数控车床加工有普通车床无法比拟的特点，主要有以下几点。1.3.2.1数控车床的特点（1）传动链短与普通车床相比，主轴驱动不再是电机-皮带-齿轮副机构变速，而是采用横向和纵向进给分别由两台伺服电机驱动刀架运动完成，不再使用挂轮、离合器等传动部件，传动链大大缩短。1.3数控车削加工工艺范围及特点（2）刚性高为了与数控系统的高精度相匹配，数控机床的刚性高，以便适应高精度的加工。（3）轻拖动刀架移动采用滚珠丝杠副，摩擦小，移动轻便。丝杠两端的支承是专用轴承，其压力角比普通轴承大，在出厂时便选配好；数控车床的润滑部分采用油雾自动润滑，这些措施都使得数控车床移动轻便。1.3数控车削加工工艺范围及特点1.3.2.2数控车床加工特点（1）自动化程度高，可以减轻操作者的体力劳动强度数控加工过程是按输入的程序自动完成的，操作者只需开始时对刀、装卸工件、更换刀具，加工过程中，主要是观察和监督机床运行。但是，由于数控机床的技术含量高，操作者的脑力劳动强度相应提高。（2）加工的零件质量高且稳定数控机床的定位精度和重复定位精度都很高，较容易保证一批零件尺寸的一致性，只要工艺设计和程序正确合理，加之精心操作，就可以保证零件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量控制。1.3数控车削加工工艺范围及特点（3）生产效率高数控机床加工时能在一次装夹中加工多个加工表面，一般只检测首件，所以可以省去普通机床加工时的不少中间工序，如划线、尺寸检测等，减少了辅助时间和机动时间，而且由于数控加工出的零件质量稳定，为后续工序带来方便，其综合效率明显提高。（4）便于新产品研制和改型数控加工一般不需要很多复杂的工艺装备，通过编制加工程序就可把形状复杂和精度要求较高的零件加工出来，当产品改型，更改设计时，只要改变程序，而不需要重新设计工装。所以，数控加工能大大缩短产品研制周期，为新产品的研制开发、产品的改进、改型提供了捷径。1.3数控车削加工工艺范围及特点（5）可向更高级的制造系统发展数控机床及其加工技术是计算机辅助制造的基础。（6）加工成本较高这是由于数控机床设备费用高，首次加工准备周期较长，维修成本高等因素造成。（7）维修要求高数控机床是技术密集型的机电一体化的典型产品，需要维修人员既懂机械，又要懂微电子维修方法的知识，同时还要配备较好的维修装备。1.3数控车削加工工艺范围及特点1.3.2.3适合数控机床加工的零件（1）多品种中小批量零件最合适。随着数控车床制造成本的逐步下降，现在不管是国内还是国外，加工大批量零件的情况也已经出现。加工很小批量和单件生产时，如能缩短程序的调试时间（机外编程与调试）和工装（刀、量、夹具）的准备时间也是可以选用的。（2）精度要求高的零件。由于数控车床的刚性好，制造精度高，对刀精确，能方便的进行尺寸补偿，所以能加工尺寸精度要求高的工件。1.3数控车削加工工艺范围及特点（3）表面粗糙度值小的零件。在工件和刀具的材料、精车余量及刀具角度一定的情况下，表面粗糙度取决于切削速度和进给速度。普通车床是恒定转速，直径不同，切削速度（线速度）不同，而数控车床具有恒线速度切削功能，车端面、不同直径外圆时可以用同样的线速度，保证表面粗糙度值既小又一致；在车削表面粗糙度不同的表面时，粗糙度小的表面选用小的进给速度，粗糙度大的表面选用大些的进给速度，可变性很好，这点在普通车床很难做到。（4）轮廓形状复杂的零件。任意平面曲线都可用直线或圆弧来逼近，数控车床具有圆弧插补功能，因此数控车床不仅可以加工素线为直线的回转体，也可以加工素线为曲线的回转体。1.3数控车削加工工艺范围及特点1.3.2.4数控车床所用工艺装备的特点（1）刀架的特点刀架是数控车床的重要部件，它安装各种切削加工刀具，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率。转塔式刀架是普遍采用的刀架形式，如图1-5所示。它通过转塔头的旋转、分度、定位来实现机床的自动换刀工作。两轴连续控制的数控车床，一般都采用6～12工位转塔式刀架。排刀式刀架主要用于小型数控车床，适用于短轴或套类零件加工。方刀架在中低档数控车床中也有使用。1.3数控车削加工工艺范围及特点1.3数控车削加工工艺范围及特点（2）刀具的特点数控机床刀具应满足以下要求：

a.精度较高、寿命高、尺寸稳定、变化小。数控车床能兼作粗精车削，为使粗车能大切深、大走刀，要求粗车刀具有强度高、耐用度好；精车则保证加工精度，所以要求刀具锋利、精度高、耐用度好。

b.快速换刀；

c.刀柄应为标准系列；

d.能很好地控制切屑的折断、卷曲和排出；数控车床一般在封闭环境中进行，要求刀具具有良好的断屑性能，断屑范围要宽，一般采用三维断屑槽，其形式很多，选择时应根据零件的材料及精度要求来确定。

e.具有很好的可冷却性能。1.3数控车削加工工艺范围及特点从结构上看车刀可分为整体式车刀、焊接式车刀和机械夹固式车刀三大类。整体式车刀主要是整体式高速钢车刀，它具有抗弯强度、冲击韧性好，制造简单和刃磨方便、刃口锋利等优点；焊接式车刀是将硬质合金刀片用焊接的方法固定在刀体上，经刃磨而成；机械夹固式车刀可分为机械夹固式可重磨车刀和机械夹固式不重磨车刀。数控车床应尽可能使用机夹刀。由于机夹刀在数控车床上安装时，一般不采用垫片调整刀尖高度，所以刀尖高的精度在制造时就得到保证。对于长径比较大的内径刀杆，应具有良好的抗震结构。1.3数控车削加工工艺范围及特点从刀具的形状看，数控车削加工中常用的车刀如图1－6所示。

图1－6数控车床用刀具1.3数控车削加工工艺范围及特点从刀具的材料看，由于在数控加工中，速度要远高于普通加工，为适合因高速而带来的高切削温度及严重摩擦，而不致使刀具磨损过于迅速，数控加工刀具以硬质合金为主，一般采用YT、YW类硬质合金加工钢料，YG类硬质合金加工铸铁。为不断提高刀具切削性能，数控刀具中，越来越多地采用涂层硬质合金，涂层材料及涂层技术的迅猛发展，为数控刀具的性能提高提供了良好的条件。除此以外，数控刀具中，亦有采用CBN、金属复合陶瓷等特硬材料的。

1.3数控车削加工工艺范围及特点1.3数控车削加工工艺范围及特点（3）夹具的特点在经济型数控车床中，考虑成本的因素，一般使用与普通车床一样的手动自定心卡盘。在全功能型数控车床中使用自定心液压或气动卡盘，如图1－7所示。液压动力卡盘用于夹持加工零件，它主要由固定在主轴后端的液压缸和固定在主轴前端的卡盘两部分组成，其夹紧力的大小通过调整液压系统的压力进行控制,具有结构紧凑、动作灵敏、能够实现较大夹紧力的特点。1.4数控机床分类1.4.1根据机床加工特性和主要加工工序分与普通机床一样，数控机床根据加工特性和主要加工工序可分成数控车床（含车削中心）、数控铣床（含铣削中心）、数控镗床、以铣镗削为主带刀库的加工中心（型号用TH）、数控磨床（含磨削中心）、数控钻床（含钻削中心）、数控拉床、数控刨床、数控切断机床、数控齿轮加工机床、数控电火花加工机床（含电加工中心）、数控板材成形加工机床、数控管料成形加工机床、柔性加工单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）等。1.4数控机床分类1.4.2根据数控系统的技术水平分1.4.2.1运动方式（1）点位控制数控机床这类数控机床的数控装置只控制刀具从一点到另一点的准确定位。在移动过程中不进行加工，对两点间的移动速度及运动轨迹没有严格的要求。如图1－8所示，起点到终点的运动轨迹可以是1轨迹或2轨迹种的任意一种。这类数控机床主要有数控钻床、数控冲剪床、数控镗床和数控测量机等。1.4数控机床分类1.4数控机床分类（2）直线控制数控机床这类数控机床的数控装置除了控制点与点之间的准确位置以外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。这类数控机床主要有简易数控车床、数控镗铣床等。如图1－9所示。1.4数控机床分类（3）轮廓控制数控机床这类数控机床的数控装置能同时对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，它不仅要控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且要控制整个加工过程每一点的速度、方向和位移量，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足加工的要求，如图1－10所示。由于需要精确地同时控制两个或更多的坐标运动，数据处理的速度比点位控制要高，因此，机床计算机一般要求具有较高速度的运算和信息处理能力。这类数控机床主要有数控铣床、数控车床等。1.4数控机床分类随着数控装置的发展，要增加轮廓控制功能，只需增加插补运算软件即可，这几乎不带来成本的提高。因此，除少数专用的数控机床（如数控钻床、冲床等）以外，现代的数控机床都具有轮廓控制功能。1.4数控机床分类1.4.2.2伺服系统的控制方式（1）开环控制系统的数控机床开环控制系统的数控机床通常不带位置检测元件，使用功率步进电动机作为执行元件。数控装置每发出一个指令脉冲，经驱动电路功率放大后，就驱动步进电动机旋转一个角度，再由传动机构带动工作台移动。图1-11是一个典型的开环控制系统。开环控制系统的数控机床受步进电动机的步距精度和传动机构的传动精度的影响，难于实现高精度加工。但由于系统结构简单、成本较低、技术容易掌握，所以目前仍有应用。普通机床的数控化改造大多采用开环控制系统。1.4数控机床分类1.4数控机床分类（2）闭环控制系统的数控机床闭环控制系统的数控机床是按闭环控制系统。数控装置将位移指令信号与位置元件检测测得的工作台实际位置反馈信号随时进行比较，根据其差值及指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到进给伺服系统的速度指令信号。此外还利用与伺服驱动电动机同轴钢性连接的测速元器件，随时实测驱动电动机的转速，得到速度反馈信号，将它与速度指令信号相比较，得到速度误差信号，对驱动电动机的转速随时进行校正。利用上述的位置控制和速度控制的两个回路，可以获得比开环伺服系统精度更高、速度更快、驱动功率更大的特性指标。从图1-12中可以看到，闭环系统的位置检测元件安装在执行部件上，用以实测执行部件的位置或位移量。1.4数控机床分类1.4数控机床分类（3）半闭环控制系统的数控机床如果将位置检测元件安装在驱动电动机的端部，或安装在传动丝杠端部，间接测量执行部件的实际位置或位移，就是半闭环控制系统。如图1-13所示。它可以获得比开环系统更高的精度，但它的位移精度比闭环系统的要低。由于位置检测元件安装方便、调试容易，现在大多数数控机床多采用半闭环控制系统。1.4数