《数控加工实训教程》课件第1章

单元1数控机床概述1.1数控机床简介1.2数控机床安全使用及日常维护1.3能力训练

1.1数控机床简介

1.1.1数控机床工作原理按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却，润滑泵的开与关，使刀具、工件和其他辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。数控机床的加工过程如图1-1所示。

图1-1数控机床的加工过程

1.1.2数控机床结构数控机床主要由输入/输出装置、计算机数控装置(简称CNC)、伺服系统、位置检测装置和机床本体等五个部分组成，如图1-2所示。

图1-2数控机床的组成

1．输入/输出设备输入设备的主要功能是将零件加工程序、机床参数及刀具补偿等数据输入到计算机数控装置。键盘、光电阅读机、磁盘及磁带接口、通信接口等都是输入设备。输出设备主要是将零件加工过程和机床的运行状态等打印或显示输出，以便于工作人员操作。输出设备有显示器、各种指示灯、报警器等。

2．计算机数控装置数控装置是数控机床的核心，其功能是接收输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。

3．伺服系统伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成。通常所说的数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按一定的进给速度和进给方向产生位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，可以直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。

4．机床本体数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。

5．位置检测装置位置检测装置在数控机床中有着相当重要的作用。位置检测装置通过传感器对机床的转速及进给实际位置进行检测，并将角位移或直线位移转换成电信号，反馈到数控装置，与给定位置进行比较，数控装置根据比较结果向伺服系统发出运动指令，对产生的误差进行补偿，以确保机床移动部件能够精确地移动到所要求位置。

1.1.3数控机床分类

1．按数控机床加工原理分类

(1)普通数控机床。如数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心等均属于普通数控机床，其加工原理是用切削刀具对零件进行切削加工。

(2)特种加工数控机床。如数控线切割机床、数控电火花成型加工机床等均属于特种加工数控机床，这些机床是利用放电熔蚀的机理实现对金属的加工的。

2．按数控机床控制系统的特点分类

(1)点位控制数控机床。点位控制数控机床是指控制移动部件的终点位置，即控制移动部件由一个位置到另一个位置的精确定位，而对运动过程中的轨迹没有严格的要求，在移动和定位过程中不作任何加工。为提高生产效率和保证定位精度，如果机床设定快速进给，则运动部件临近终点时自动降速，从而减少运动部件因惯性而引起的定位误差。此类数控机床有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。

(2)直线控制数控机床。直线控制指刀具或工作台以给定的速度按直线运动，不仅要控制两点之间的准确位置(距离)，还要控制两点之间移动的速度和轨迹。

(3)连续控制数控机床。连续控制也称为轮廓控制，是指刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其它函数的曲线。这种数控系统有一个轨迹插补器，它是根据运动轨迹和速度精确计算并控制各个伺服电机带动执行元件沿轨迹运动的。

3．按进给伺服系统控制方式分类

(1)开环控制系统。这种控制系统采用步进电机，无位置测量元件，输入数据经过数控系统运算，输出指令脉冲控制步进电机工作，如图1-3所示。这种控制方式对执行机构不检测，无反馈控制信号，因此称为开环控制系统。开环控制系统的设备成本低，调试方便，操作简单，但控制精度低，工作速度受到步进电机的限制。

图1-3开环控制系统

(2)闭环控制系统。这种控制系统绝大多数采用伺服电机，有位置测量元件和位置比较电路，如图1-4所示。闭环控制系统中，测量元件安装在机床工作台上，它将测出的机床工作台的实际位移值反馈给数控装置，位置比较环节中的比较电路将此值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作，直至到达实际位置后误差值消除。闭环控制系统的控制精度高，但要求机床的刚性好，对机床的加工、装配要求高，调试较复杂，而且设备的成本高。

图1-4闭环控制系统

(3)半闭环控制系统。如图1-5所示，半闭环控制系统的位置测量元件不是测量工作台的实际位置，而是测量伺服电机的转角，经过推算得出工作台位移值，反馈至位置比较环节中的比较电路，与指令中的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作。这种用推算方法间接测量出的工作台位移不能补偿数控机床传动链带来的误差，因此称之为半闭环控制系统。半闭环控制系统的控制精度高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易，设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。

图1-5半闭环控制系统

1.1.4数控机床发展趋势

1．数控功能的扩展

(1)数控系统插补和联动轴数得到增加，有的数控系统能同时控制几十根轴。

(2)目前数控系统中微处理器处理字长广泛采用32位微处理器。

(3)数控系统实现人机对话、进行交互式图形编程。

(4)基于PC的开放式数控系统的发展，使数控系统得到更多硬件和软件的支持。

2．数控伺服系统的发展

(1)交流伺服系统替代直流伺服系统。

(2)增加了速度指令控制，使跟踪滞后误差减小。

(3)高速电主轴和程序段超前处理技术(LOOKAHEAD)使高速小线段加工得以实现。

(4)多种补偿技术得到发展与应用，如机械静摩擦与动摩擦非线性补偿，机床精度误差的补偿和切削热膨胀误差的补偿。

(5)采用细分电路大大提高了检测装置的分辨率。

3．编程方法的发展

(1)在线编程技术的发展实现了前台加工操作后台同时编程的功能。

(2)面向车间编程方法(WOP，即输入加工对象的加工轨迹)的发展，使数控系统能够自动生成加工程序。

(3)CAD/CAM技术的发展实现了计算机辅助设计与辅助制造。

4．数控机床的检测和监控功能的增强

(1)数控机床在加工过程中对刀具和工件在线检测，发现工件超差、刀具磨损和破损等情况会及时反馈或报警处理。

(2)自动调整控制技术的应用。

(3)按加工要求，数控系统能动态调整工作参数，使加工过程始终达到最佳工作状态。综上所述，由于数控机床不断采用科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。

1.2数控机床安全使用及日常维护1.2.1数控机床安全使用

1．敬业爱岗兴趣是最好的老师，只有热爱数控岗位，才能刻苦钻研技术，不断积累实践经验。操作人员必须熟悉并爱护操作对象，保证数控机床的安全、稳定、高效运行。

2．熟练掌握机床操作及编程对操作对象的操作方法的熟悉，是防止由于操作失误而造成事故的基本要求。大部分事故都是由于操作失误或程序错误造成的。操作人员只有熟练掌握了数控机床的操作方法及编程知识，才能正确编制加工程序，防止和杜绝事故的发生。

3．熟悉机床特性，掌握机床运行规律各类数控机床都有其各自的特性，尤其是使用了一段时间的机床，操作人员必须做到了解它，继而熟悉它，总结其运行规律，发现其特性，预见其可能出现的故障，这是保证机床安全运行的有效手段。

4．遵循机床操作规程违规操作是酿成重大事故的罪魁祸首。数控机床都有一套严格的安全操作规程。作为操作者，操作之前的首要任务是阅读并理解这些安全操作规程，同时在日后的操作中认真贯彻执行。数控机床操作规程因机床而异，但有下述一些共性的内容是各种机床操作人员必须遵守的。

(1)开机前先进行常规检查，检查机床各部位是否正常，开关、按钮是否在合理位置。

(2)机床通电后检查电、气、液系统是否正常。

(3)机床空运转15分钟以上，使机床达到热平衡状态后方可操作。

(4)执行机床各坐标轴回参考点操作，以确立机床坐标系。

(5)保持机床运动部分具有良好的润滑状态，尤其是需手动润滑的部位，要定期加注润滑油。

(6)机床运行过程中操作人员要坚守岗位，出现异常时应及时采取应急措施。

(7)机床运行过程中不得随意开启电气柜门。

(8)工件装夹要准确可靠。

(9)程序需经校验无误后方可自动运行。

5．做好机床日常记录机床运行过程中发现的不正常情况须认真做好记录，以便出现故障后查找原因，为维修提供第一手资料。

6．严格遵守劳动保护制度虽然设备安全是数控操作人员的岗位职责，但人身安全更是第一位的。在操作数控机床时，操作人员一定要遵守劳动保护制度，正确着装，即穿收袖束腰的工作服，戴工作帽，禁穿高跟鞋、拖鞋上岗，禁止戴手套操作数控机床，长发必须盘起收于工作帽内。

7．冷静处理机床故障机床在使用中不可避免地会出现一些故障，此时操作者要冷静对待，不可盲目处理，切忌惊慌失措，以免产生更为严重的后果。要注意保留现场，待维修人员来后如实说明故障前后的情况，并参与共同分析问题，尽早排除故障。若故障是由于操作失误所致，操作人员要及时吸取经验教训，避免下次犯同样的错误。

1.2.2数控机床日常维护及保养

1．保持环境整洁数控机床对使用环境有一定的要求，其环境必须保持干净整洁，避免太潮湿，避免粉尘过多，特别要避免腐蚀性气体，这样对减轻机床导轨面的磨损及腐蚀，防止电气元器件的损坏，延长机床无故障运行时间都有明显的作用。

2．保持机床清洁对于数控机床操作人员来讲，随时做好机床清洁工作，也是岗位职责中很重要的一部分。要坚持对主要部位(如工作台、裸露的导轨、操作面板等)每班擦一次，尤其是导轨面，在下班前必须用软棉纱擦拭干净，涂上润滑油，防止导轨面的腐蚀。每周对整机进行一次彻底的清扫与擦拭，如电气柜冷却装置的防尘网、压缩空气系统的过滤器、冷却液箱中的切屑等，都要清理干净。另外，机床使用说明书对特定的机床还有一些其他的清洁要求，应参考执行。

3．定期对机床各部位进行检查数控机床的液压系统、润滑系统、冷却系统、急停按钮、行程限位开关等与设备安全相关的部位需经常进行检查，以便及时发现问题，消除隐患。对于传动带的磨损及松紧情况，液压油、润滑油及冷却液的洁净程度，电动机及测速发电机电刷的磨损情况以及断路器、接触器、继电器、单相灭弧器、三相灭弧器等均须定期进行检查。数控系统和电气柜的散热通风装置须定时检查，一旦这些装置不能正常工作，便会导致电气元器件的工作环境恶化，造成设备运行故障。

4．杜绝机床带故障运行数控机床一旦出现故障，尤其是机械部分的故障，应立即停止加工，分析故障原因并解决后，才能继续运行。禁止机床在有故障的情况下运行，否则可能造成设备的严重损坏。

5．及时调整当机床长期工作后，由于种种原因会使机床丝杠的反向间隙增大，机床的定位精度、重复定位精度变差，导轨与镶条间也会产生较大的间隙等，这些都会导致机床精度下降。出现上述问题时，应及时调整。

6．及时更换易损件传动带、轴承等配件出现损坏后，应及时更换，防止造成设备和人身事故。

7．经常注意电网电压数控装置通常允许电网电压在±10%的范围内波动，若超出此范围会造成系统不能正常工作，甚至会损坏系统。如果电网电压波动较大，最好不要启动数控机床，采取稳压措施后(如安装稳压电源等)方可使用数控机床。另外，机床接地要可靠，以保证操作人员和设备的安全。

8．定期更换存储器电池绝大部分数控系统都装有电池，在系统断电期间可作为RAM保持或刷新的电源。一般电池电压不足时，系统会有报警提示，此时应及时更换电池，以防止断电期间系统数据丢失。更换电池应在系统通电的状态下进行并注意安全。

9．尽可能提高机床的开动率新购置的数控机床在使用初期故障率相对来说往往大一些，用户应在保修期内充分利用机床，使其薄弱环节尽早暴露出来，以便在保修期内得到解决。在缺少生产任务时，也不能空闲不用，要定期通电，每次空运行1小时左右，以利用机床运行时的发热量来去除或降低机床内的湿度。对数控机床的维护保养要求，在相应的机床说明书上都有具体规定，其大致内容如表1-1所示。

表1-1数控机床日常维护保养一览表

表1-1数控机床日常维护保养一览表

1.2.3数控机床管理数控机床的管理是一项系统工程，包含从数控机床的选用及安装、调试、验收等前期管理，数控机床的使用、维护保养、故障检测及修理、改造更新等使用管理，以及设备报废的全过程。当企业使用数控机床时间较长，数控机床类型、数量较多，辅助设施齐全，应用技术成熟，技术力量较强时，可在数控车间配备专人管理数控机床，建立设备技术档案及各项规章制度，如建立定人、定机、定岗制度，进行岗位培训，禁止无证操作；根据机床特点，制定各项操作和维修安全规程；机床保修每次应有内容、方法、时间、部位、参加人员等详细记