《工程实践训练基础》课件第9章

9.1数控机床的基本组成 9.2数控机床加工特点

9.3数控编程的种类

以数字技术实现机床主运动与进给运动的自动化控制，这种机床称为数控机床。在数控机床上，零件加工的全过程是由数控指令控制。数控指令是被加工零件的几何信息和工艺信息按规定格式编写的数字化代码，称为数控加工程序。

数控机床主要是由输入与输出装置、数控系统、伺服驱动系统、机床主机和其他辅助装置组成。数控装备的供应厂家，一般将输入、输出装置，数控装置，位置控制和速度控制等部分集成在一起(如图9-1)称为CNC系统。9.1数控机床的基本组成图9-1数控机床将数控加工程序以适当的方式输入到数控机床的数控装置中，数控装置会对数控加工程序的代码进行各种数值运算与处理，得到的结果以数字信号的形式传送给机床的伺服电机(如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等)，经传动装置(如滚珠丝杠螺母副等)，使机床按数控程序规定的顺序、速度和位移量进行工作，从而加工出符合图纸技术要求的

零件。9.1.1输入与输出装置

1．输入装置

输入装置是将数控指令传输给数控系统的装置。输入方式有手动输入和直接输入两种方式。

1)手动输入方式

手动输入是由操作者将数控程序直接输入数控系统中，有三种输入方式：

(1)操作者在数控装置操作面板上用键盘输入加工程序的指令，称为MDI功能，适用于比较短的程序，只能使用一次，机床动作后程序即消失。MDI功能允许手动输入一个命令或一段程序的指令，并即时启动运行。

(2)在控制装置编辑状态下，用软件输入加工程序，并存入控制装置的存储器中，称为EDIT功能。这种输入方法可重复使用程序，一般手工编程均采用这种方法。

(3)在具有会话编程功能的数控装置上，按照显示器上提示，以人机对话的方式，输入有关的尺寸数值，就可自动生成加工程序。

2)直接输入方式

直接输入方式是指零件加工程序在上级计算机中生成，以计算机与数控装置直接通信的方式传输程序，CNC系统一边加工一边接收来自上级计算机的后续程序段。这种方式是采用CAD/CAM软件设计的复杂工件并直接生成零件加工程序的情况。

2．输出装置

输出装置有数码管显示、视频显示器、液晶显示器和输出接口等。通过软件与接口，可以在显示器上显示程序、加工参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息，并可以采用人机对话编辑加工程序、零件图形、动态刀具轨迹等。先进的数控系统有丰富的显示功能，如具有实时图形显示、PLC梯形图显示和多窗口的其他显示功能。9.1.2数控系统

现代数控机床采用的数控系统均为计算机数字控制(CNC系统)。按数控装置的功能不同，数控系统分为三大类型：点位控制系统、直线控制系统和轮廓控制系统。

1．点位控制系统

这类数控装置在运动过程中不进行切削加工，对运动轨迹没有要求，要求有较高的终点定位精度。数控程序中一般不指定进给速度，均按事先规定的速度(较快的定位速度)运动(如图9-2)。该系统常用于数控钻床和数控钻镗床上。图9-2点位控制系统

2．直线控制系统

直线运动控制系统通常在坐标轴运动的同时进行切削加工，坐标轴的驱动要承受切削力。指令中要给出下一位置的数值，同时给出移动到该位置的进给速度(如图9-3)。图9-3直线控制系统

3．轮廓控制系统

轮廓控制系统是两个或两个以上的坐标轴根据指令要求协调地运行。指令中指明运动轮廓曲线的类型(点位、直线、顺圆、逆圆、抛物线及样条曲线等)，并指出下一点的位置和移动至该位置的进给速度(如图9-4)。各坐标轴的进给速度是根据轮廓各轴相互位置关系而变化的。在轮廓控制系统中采用插补运算来处理各坐标轴速度的变化。各坐标轴一边移动，刀具一边进行切削，各坐标轴均承受切削力。数控车床、数控铣床及加工中心等均为轮廓控制系统。能进行轮廓控制的CNC系统，也能进行直线控制或点位控制。先进的数控系统都属于轮廓控制的CNC系统。图9-4轮廓控制系统9.1.3伺服系统

伺服系统是数控系统与机床主机联接的重要环节，是数控机床执行机构的驱动部件。伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电机、进给伺服电机组成。步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机是常用的伺服元件。执行机构(如主轴箱、工作台、转位刀架等)由相应的驱动装置来驱动。

伺服电机的类型有直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机。

伺服系统的分类有开环控制伺服系统、闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。

伺服系统检测元件有直线型检测元件(如磁尺)和回转型的检测元件(如脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器和光栅等)。9.1.4数控机床主机

由于数控机床的机械构件要求传动刚度和传动精度更高，传动系统更具稳定性，快速响应能力更强，因此数控机床主机中的关键部件，如机床床身、导轨副、丝杠螺母副等，其特殊结构是普通机床所没有的。机床床身结构要求采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。现代数控机床可以采用焊接床身，它比铸造床身的刚度有较大的提高。数控系统要求机床导轨运动轻便、灵活，摩擦系数小，动、静摩擦系数的差别小，启动阻力小，低速运行时无爬行现象等。常用的机床导轨有滚动直线导轨、滚动导轨块和贴塑导轨。滚珠丝杠螺母副在丝杠和螺母的圆弧螺旋槽之间装有滚珠作为传动元件，因而摩擦系数小，传动效率可达90％～95％，动、静摩擦系数相差小；在施加预紧后，轴向刚度好，传动平稳，无间隙，不易产生爬行，随动精度和定位精度都较高。滚珠丝杠螺母副是目前数控机床进给系统最常用的机械结构之一。但是滚珠丝杠螺母副安装时要通过预紧消除间隙保证换向精度。9.1.5数控机床的辅助装置

数控机床的辅助装置包括：气动、液压装置，排屑、冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护、照明等装置。应用气动、液压系统，可以使机床完成自动换刀所需的动作，实现运动部件的制动和滑移齿轮移动变速，完成工作台的自动夹紧、松开，工件、刀具定位表面的自动吹屑等辅助功能。数控机床加工具有如下特点：

(1)数控机床精度高。数控机床的机床结构具有很高的刚度和热稳定性，并采取了减小误差的措施，有了误差还可以由数控装置进行补偿，所以数控机床有较高的加工精度。数控机床的传动系统采用无间隙的滚珠丝杠、滚动导轨、零间隙的齿轮机构等，大大提高了机床传动刚度、传动精度与重复精度。先进的数控机床采用直线电机技术，使机床的机械传动误差为零。数控系统的误差补偿功能消除了系统误差。数控机床是自动加工，消除了人为误差，提高了同批零件加工尺寸的一致性，加工质量稳定，一次安装能进行多道工序的连续加工，减少了安装误差。9.2数控机床加工特点

(2)数控机床能加工形状复杂的零件。数控机床采用二轴以上联动的数控机床，可以加工母线为曲线的旋转体、凸轮、各种复杂空间曲面的零件，能完成普通机床难完成的加工。例如船用螺旋桨是空间曲面体复杂零件，加工时采用端面铣刀，五轴联动卧式数控机床才能进行加工。

(3)数控机床生产率高。数控机床配备有转位刀架、刀库等自动换刀机构，机械手能自动装卸刀具与工件，大大节省了辅助时间；生产过程无需检验，节省了检验时间；当加工零件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只需更换程序，节省了准备与调整时间。与普通机床相比，数控机床的生产效率可提高2～3倍，加工中心生产效率可提高十几倍至几十倍。采用高速切削数控加工时还采用小直径刀具、小切深、小切宽、快速多次走刀来提高切削效率。高速加工的切削力大幅度减小，需要的主轴扭矩相应减小，工件的变形也小。高速切削不但提高了生产率，也有利于提高加工精度，降低表面粗糙度。

(4)数控机床适应性强，能适应不同品种、规格和尺寸的工件加工。当改变加工零件时，只需用通用夹具装夹工件、更换刀具、更换加工程序，就可立即进行加工。计算机数控系统能利用系统控制软件灵活地增加或改变数控系统的功能，使其适应生产发展的需要。

(5)数控机床是机械加工自动化的基本设备。柔性加工单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)以及计算机集成制造系统(CIMS)都是以数控机床为主体，根据不同的加工要求及不同对象，由一台或多台数控机床，配合其他辅助设备(如运输小车、机器人、可换工作台、立体仓库等)而构成自动化的生产系统。数控系统具有通信接口，易于进行与计算机间的通信，实现生产过程的计算机管理与控制。

(6)数控机床的造价比普通机床高，加工成本相对较高。所以，不是所有零件都适合在数控机床上加工，它有一定的加工适用范围。要根据产品的生产类型、结构大小、复杂程度来决定其是否适合用数控机床加工。通用机床适合于单件、小批量生产或加工结构不太复杂的工件。专用机床适合于大批量工件的加工。数控机床适合于复杂工件的成批加工。

(7)数控机床对管理、操作、维修和编程人员的技术水平要求比较高。数控机床造价昂贵，是企业中关键产品、关键工序的关键设备，一旦故障停机，其影响和损失是很大的。数控机床作为机电一体化设备有其自身的特点。数控机床的使用效果很大程度上取决于使用者的技术水平，数控加工工艺的拟定以及数控程序编制的正确与否。所以，数控机床的使用技术不是一般设备使用的问题，而是人才、管理、设备系统的技术应用工程。数控机床的使用人员要有丰富的工艺知识，同时在数控技术应用等方面有较强的操作能力，以保证数控机床有较高的完好率与开工率。数控编程分为手工编程与自动编程两类。

9.3.1手工编程

手工编程的步骤如下：

(1)确定工艺过程。根据零件图纸进行工艺分析，确定零件加工的工艺路线、工步顺序、切削用量等工艺参数，并确定采用的刀具与刀具数量。9.3数控编程的种类

(2)计算加工轨迹和尺寸。

(3)编写程序清单并校验。

(4)输入程序清单的内容，即通过输入装置将数控程序单的内容输入到数控装置中。

(5)数控程序的校验和试切。启动数控装置，使数控机床进行空运转，检查程序运动轨迹的正确性。用木料或塑料制品代替工件进行试切，检查切削用量的正确性。

(6)首件试切。9.3.2自动编程

借助计算机编制数控加工程序的过程，称