《机械制造基础》课件第6章

第6章数控机床加工技术6.1数控机床的概念及组成6.2数控机床的特点和应用6.3数控加工工艺设计6.4数控机床坐标系6.5数控车床6.6数控铣床6.7加工中心6.8数控编程实例复习思考题

6.1数控机床的概念及组成

6.1.1数控机床的定义

数控机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品,它是一种装有程序控制系统(数控系统)的自动化机床。具体地讲,把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置,经过译码、运算,从而实现控制刀具与工件的相对运动,加工出所需要的零件的机床即为数控机床。6.1.2数控加工技术的相关概念

(1)NC(NumericalControl):数字控制技术,简称数控(系统)。

(2)CNC:计算机集成控制技术。

(3)数控系统:是一种能自动完成信息的处理(输入、译码、运算),从而控制机床的运动和加工过程的控制系统。

(4)数控编程:数控编程即对工件编写加工程序。指对零件图进行分析、工艺处理、数学处理、编写程序单、制作控制介质及程序检验的全过程。编程方法分手工编程和自动编程。6.1.3数控机床的组成

数控机床主要由数控程序、输入/输出装置、数控装置、伺服系统、位置反馈系统、机床本体等组成,如图6-1所示。

1.数控程序

数控机床的程序存储于介质中,存储的介质又称程序载体,常用的介质有穿孔纸带、盒式磁带、软盘、磁盘、U盘等。

2.输入/输出装置

输入装置的作用是输入程序、控制参数、补偿量等。输出装置的作用主要是显示输入的程序代码、控制参数及补偿量等,还可实时显示加工的状态。目前常用液晶显示屏作为输出装置。

3.数控装置(CNC)

数控装置是数控机床的核心部件,数控装置由信息的输入、处理和输出三个部分组成。

数控装置接受数字化信息,经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后,将各种指令信息输出给伺服系统,伺服系统驱动执行部件作进给运动。数控装置还能实现控制主运动部件的变速、换向和启停,控制刀具选择和交换,控制冷却、润滑的启停,控制工件和机床部件松开、夹紧、分度台转位等辅助机能。

4.伺服系统

伺服系统由驱动器、驱动电机组成。伺服系统与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。

5.位置反馈系统(检测反馈系统)

位置反馈系统测量执行部件的实际进给位置,把检测结果转化为电信号反馈给数控装置,通过比较,计算实际位置与指令位置之间的偏差,并发出偏差指令控制执行部件的进给

运动。

6.机床本体

机床本体包括主运动部件、进给部件(工作台、刀架)、基础支承件(床身、立柱等)、辅助装置(液压、气动、冷却和润滑部分)、储备刀具的刀库和自动换刀装置(ATC)。图6-1数控机床组成

6.2数控机床的特点和应用

6.2.1数控机床的特点

(1)数控机床一般具有手动加工(用电手轮)、机动加工和控制程序自动加工功能,加工过程中一般不需要人工干预。

(2)数控机床一般具有CRT屏幕显示功能,能显示加工程序、多种工艺参数、加工时间、刀具运动轨迹以及工件图形等。数控机床一般还具有自动报警显示功能,根据报警信号或提示,可以迅速查找机器故障。

(3)数控机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机,一般没有主轴变速箱和进给变速箱,传动链短。(4)数控机床一般具有工件测量系统。加工过程一般不需要进行工件尺寸的人工测量。

(5)当对象(工件)改变时,数控机床只需改变加工程序(应用软件),不需要对机床作较大的调整,就能加工各种不同的工件。6.2.2数控机床的应用

数控机床是一种高度机电一体化产品,技术含量高,成本高,使用维修都有一定难度。从最经济的角度出发,数控机床适应于加工以下类型的零件:

(1)多品种小批零件;

(2)结构较复杂,精度要求较高的零件;

(3)需要频繁改型的零件;

(4)价格昂贵,不允许报废的关键零件;

(5)要求精密复制的零件;

(6)需要最短生产周期的急需零件;

(7)要求100％检验的零件。6.2.3数控机床的分类

数控机床的种类很多,从不同角度对其进行考查,就有不同的分类方法。

1.按工艺用途分

数控机床是从普通机床的基础上发展起来的,各种类型的数控机床基本上起源于同类型的普通机床,按工艺用途分为:数控车床、数控铣床、数控镗床、加工中心、数控钻床等。

2.按运动轨迹分

按数控装置的功能不同,数控系统有下列三大类型:

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,按事先规定的速度(较快的定位速度)运动。该系统常用于数控钻床、数控钻镗床上。图6-2为点位控制示意图。图6-2点位控制示意图

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。图6-3表示直线控制示意图。图6-3直线控制示意图

3)轮廓控制系统

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。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。图6-4为轮廓控制示意图。

图6-4轮廓控制示意图轮廓控制系统能加工复杂曲面的零件,能控制多坐标轴联动的数控机床,并具有空间直线或圆弧的插补功能。配置有轮廓控制CNC系统的数控车床,具有两轴联动,能加工外圆、锥度以及母线为曲线的回转体。数控铣床具有两轴半或三轴联动的CNC系统,能进行平面插补或空间插补。两轴半的数控铣床,其中两轴联动,当两轴停止时,另一轴作进给运动。加工中心具有三轴、四轴或五轴联动的功能。能加工空间任意曲面,具备直线插补、圆弧插补、样条插补、渐开线插补、螺旋插补等多种插补功能。插补功能越强与控制的轴数越多,CNC系统越复杂,造价也越高。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。

3.按伺服系统的控制方法分

1)开环控制伺服系统

开环控制采用步进电机作为驱动元件,它不需要位置与速度检测元件,也没有反馈电路,所以控制系统简单、价格低廉,特别适合于微型与小型进给装置上使用。但是由于开环控制系统的稳定性和可靠性都难以得到保证,所以在精度要求高的进给装置上很少使用。开环控制系统结构如图6-5所示。图6-5开环控制系统示意图

2)闭环控制伺服系统

闭环控制通常采用伺服电机作为驱动元件。闭环控制将位移与速度传感器安装在工作台或其他执行元件上,直接测量和反馈它们的速度与位置,并与数控装置的位移指令随时进行比较和校正。由于传动系统的刚度、误差和间隙都已经被包含在反馈控制环路以内,所以最终实现的精度仅仅取决于检测元件的测量误差。闭环控制的结构如图6-6所示。图6-6半闭环与全闭环控制系统示意图闭环控制理论上具有最高的控制精度,是理想的控制方式。但实际上,在工作台或其他执行部件上直接安装速度和位移传感器不仅有安装和维护上的困难,而且价格往往也较昂贵。此外,由于环路中不仅包含了整个传动机构的刚性与惯量等因素,而且与导轨的摩擦系数、传动件润滑状况、油的粘度和间隙的大小等因素有关。而这些因素又往往是动态变化的,这就会使伺服系统稳定性变差。因此在实际应用中受到一定的限制。

3)半闭环控制伺服系统

半闭环控制的位置与速度传感器安装在电机的输出端,伺服系统直接控制伺服电机的转速与转角,通过减速器或滚珠丝杠等传动机构间接地控制工作台或其他执行部件的速度与位移。如果传动机构具有足够的刚性、较小的传动误差和间隙可以经数控系统予以补偿,并且具有高精度的机械传动装置,则数控机床的最终加工精度是可以得到保证的。目前,数控机床大多数仍然采用半闭环的控制方式。

6.3数控加工工艺设计

数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺有许多相同之处,但在数控机床上加工零件比通用机床加工零件的工艺规程要复杂得多。在数控加工前,要将机床的运动过程、零件的工艺特点、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都编入程序。数控加工工艺设计的主要内容如下:

(1)选择并确定零件的数控加工内容。

对于一个零件来说,往往只是其中的一部分工序适合数控加工。对于通用机床无法加工的工序、通用机床难加工,质量也难以保证的工序、用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的工序,可选择在数控机床上加工。

(2)对零件图纸进行数控加工工艺性分析。

①尺寸标注应符合数控加工的特点。

在数控编程中,所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基准的。因此零件图样上最好直接给出坐标尺寸,或尽量以同一基准引注尺寸。

②零件图的完整性与正确性分析。

在程序编制中,编程人员必须充分掌握构成零件轮廓的几何要素及各几何要素间的关系。因为在自动编程时要对零件轮廓的所有几何元素进行定义,手工编程时要计算出每个节点的坐标,无论哪一点不明确或不确定,编程都无法进行。

③零件技术要求分析。

零件的技术要求主要指尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及热处理等在保证零件使用性能的前提下经济合理。④零件材料分析。

在满足零件使用性能的前提下,应优先选用我国资源丰富、切削加工性能好的材料,使零件加工总成本最低。

⑤定位基准选择。

在数控加工中,加工工序往往比较集中,以同一基准定位十分重要。特别是正、反两面都采用数控加工的零件,其工艺基准的统一是十分必要的。

(3)数控加工工艺路线的设计。

数控加工工艺路线设计是数控加工工序工艺过程的具体描述。在工艺路线设计中由于数控加工工序一般都穿插于零件加工的整个工艺过程中,因而要与其他加工工艺衔接好,常见工艺流程如图6-7所示。图6-7工艺流程图

(4)数控加工的工序设计。

在选择了数控加工工艺内容和确定了零件加工路线后,即可进行数控加工工序的设计。数控加工工序设计的主要任务是进一步把各工序的加工内容、切削用量、工艺装备、定位夹紧方式及刀具运动轨迹确定下来,为编制加工程序做好准备。

对于要由多台数控机床完成加工的零件,划分工序自然以机床为单位进行,而对于由一台或少数数控机床加工的零件,可按以下原则划分工序:①以一次工件装夹所完成的加工内容作为一道工序;

②以一个完整数控程序所完成的加工内容作为一道工序;

③以一把刀具所完成的加工内容作为一道工序;

④根据粗、精加工划分工序。

(5)数控加工专用技术文件。

填写数控加工专用技术文件是数控加工工艺设计的内容之一。数控加工工艺文件是进行数控加工和产品验收的依据,主要包括数控加工编程任务书、数控加工工序卡、数控机床调整单、数控加工刀具调整单、数控加工进给路线图、数控加工程序单。

6.4数控机床坐标系

6.4.1机床坐标系

1.机床坐标系的确定

1)机床相对运动的规定

在机床相对运动时,我们认为工件静止,刀具是运动的。编程人员可以依据零件图样确定机床的加工过程。

2)机床坐标系的规定

标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系可用右手笛卡尔直角坐标系决定,如图6-8所示。

在数控机床上,机床的动作是由数控装置来控制的,为了确定数控机床上的成型运动和辅助运动,必须先确定机床上运动的位移和运动的方向,这就需要通过坐标系来实现,这个

坐标系被称为机床坐标系。图6-8右手笛卡尔直角坐标系

3)运动方向的规定

规定增大刀具与工件距离的方向即为各坐标轴的正方向,图6-9所示为数控车床上两个运动的正方向。图6-9数控机床运动方向

2.坐标轴方向的确定

1)Z坐标

Z坐标的运动方向是由传递切削动力的主轴所决定的,即平行于主轴轴线的坐标轴即为Z坐标轴,Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。

2)X坐标

X坐标平行于工件的装夹平面,一般在水平面内。确定X轴的方向时要考虑两种情况:

(1)如果工件作旋转运动,则刀具离开工件的方向为X坐标的正方向。

(2)如果刀具作旋转运动,则分为两种情况:Z坐标水平时,观察者沿刀具主轴向工件看时,+X运动方向指向右方;Z坐标垂直时,观察者面对刀具主轴向立柱看时,+X运动方向

指向右方。

3)Y坐标

在确定X、Z坐标的正方向后,可以根据X和Z坐标的方向,按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。图6-10所示为数控车床的坐标系,图6-11所示为数控铣床的坐标系。图6-10数控车床坐标系图6-11数控铣床坐标系

3.机床原点的设置

机床原点是指在机床上设置的一个固定点,即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来,是数控机床进行加工运动的基准参考点。

4.机床参考点

机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。

机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的,坐标值已输入数控系统中。因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数。

通常在数控铣床上,机床原点和机床参考点是重合的;而在数控车床上,机床参考点是离机床原点最远的极限点。图6-12为数控车床的参考点与机床原点。图6-12机床参考点6.4.2编程坐标系

编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。

编程坐标系一般供编程使用,确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。如图6-13所示,其中O2即为编程坐标系原点。

编程原点是根据加工零件图样及加工工艺要求选定的编程坐标系的原点。

图6-13编程坐标系

编程原点应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上,编程坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致。如图6-13右图中O2为车削零件的编程原点。6.4.3加工坐标系

加工坐标系是指以确定的加工原点为基准所建立的坐标系。

加工原点也称为程序原点,是指零件被装夹好后,相应的编程原点在机床坐标系中的位置。

6.5数控车床

6.5.1数控车削的基本特征与加工范围

数控车削的基本特征是:工件作回转运动,刀具作直线或曲线运动,刀尖相对工件运动的同时切除一定的工件材料,从而形成相应的工件表面。其中,工件的回转运动为切削主运动,刀具的直线或曲线运动为进给运动,两者共同组成切削成型运动。

数控车床主要用于轴类和盘类回转体零件的多工序加工,具有高精度、高效率、高柔性化等综合特点,其加工范围较普通车削广,不仅可以进行车削,还可以进行铣削。6.5.2数控车床的结构

数控车床种类较多,但主体结构都是由车床主体、数控装置、伺服系统三大部分组成的。

数控卧式车床的基本结构如图6-14所示。数控立式车床的基本结构如图6-15所示。图6-14数控卧式车床图6-15数控立式车床6.5.3数控车床的主要加工对象

数控车削加工是数控加工中用得最多的加工方法之一,由于数控车床具有精度高,能做直线和圆弧插补以及在加工过程中能自动变速,适合于车削具有以下要求和特点的零件:(1)精度要求高的回转体零件;

(2)带特殊螺纹的回转体零件;

(3)表面形状复杂的回转体零件;

(4)其他形状复杂的零件。

6.6数控铣床

数控铣床是一种加工功能很强的数控机床,如图6-16所示,在数控加工中占据着重要的地位。世界上首台数控机床就是一台三坐标铣床。

现在数控铣床已全面向多轴化发展,目前迅速发展的加工中心和柔性制造单元也是在数控铣床和数控镗床的基础上产生的。图6-16数控铣床结构6.6.1数控铣床的主要加工对象

数控铣床是用来加工工件的平面、内外轮廓、孔和攻螺纹,并可通过两轴联动加工零件的平面轮廓,通过两轴半控制、三轴或多轴联动来加工空间曲面零件。6.6.2数控铣床的类型

数控铣床分类方法如下:

(1)按体积大小可分为小型、中型及大型数控铣床;

(2)按主轴布局形式分为立式、卧式及立卧两用式数控铣床;

(3)按控制坐标的联动轴数分为两轴半控制、三轴控制及多轴控制数控铣床。

6.7加工中心

6.7.1加工中心的特点

加工中心(CNCmachiningcenter)又称多工序自动换刀数控机床,如图6-17所示。加工中心的突出特征是设置有刀库,刀库中存放着各种刀具和检具。加工中心是在数控铣床的基础上发展起来的,它们都是通过程序控制多轴联动走刀进行加工的数控机床,不同的是加工中心具有刀库和自动换刀功能。图6-17加工中心的外形6.7.2加工中心的用途

加工中心具备多种加工能力,能实现工件一次装卡后

的铣、钻、铰、攻丝等综合加工。对中等加工难度的批量工件,其生产效率是普通设备的5～10倍。加工中心对形状复杂、精度要求高的单件加工或小批量生产更为适用,调换工艺时能体现出相对的柔性。

加工中心控制系统功能较多,机床运动至少用三个运动坐标轴,多的达十几个。加工中心还具有各种辅助机能,如加工固定循环、刀具半径自动补偿、刀具长度自动补偿、刀具破损报警、刀具寿命管理、过载超程自动保护、丝杠螺距误差补偿、丝杠间隙补偿、故障自动诊断、工件与加工过程图形显示、人机对话、工件在线检测和加固自动补偿、离线编程等,这些对提高设备的加工效率,保证产品的加工精度等都起到了保证作用。加工中心既可以单机使用,也能在计算机辅助控制下多台同时使用,构成柔性生产线,还可以与工业机器人、立体仓库等组合成无人工厂。随着21世纪现代制造业的技术发展,

机械加工的工艺与装备在数字化基础上正向智能化、信息化、网络化迈进,而作为前沿工艺装备的先进数控设备大量取代传统机加工设备将是必然趋势。6.7.3加工中心的结构

1.基础部件

基础部件一般指床身、立柱和工作台,它们是组成加工中心的结构基础。这些大件是铸铁件或焊接的钢结构件,在加工中心中质量和体积最大。由于它们要承受加工中心的静负荷以及在加工时的切削负载,因此应是刚度很高的部件。

2.主轴部件

主轴部件一般由轴箱、主轴电机、主轴、主轴轴承等零件组成。主轴部件的启动、停止和速度变化等均由数控系统控制,并通过装在主轴上的刀具参与切削运动,是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件,其结构特征直接关系到加工中心的使用性能。

3.数控系统

单台加工中心的数控系统(NC)由数控装置、可编程序控制器、伺服式驱动装置及电机等部分组成。它们是加工中心进行加工过程控制和执行顺序动作的控制中心。

4.自动换刀系统

自动换刀系统(ATC)由刀库、机械手等部件组成。刀库是存放加工过程中所要使用的全部刀具的装置,图6-18为无臂式刀库,图6-19为有臂式刀库。当需要换刀时,根据数控系

统的指令由机械手或通过其他方式将刀具从刀库上取出后装入主轴孔中,有的加工中心不用机械手而利用主轴箱或刀库的移动来实现直接换刀。图6-18无臂式刀库外形图6-19有臂式刀库外形

5.辅助系统

辅助系统包括润滑、冷却排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助系统虽不直接参与切削运动,但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保证作用,也是加工中心不可缺少的部分。

6.自动托盘交换系统(APC)

为缩短非切削时间,有的加工中心配有两个自动交换工件的托盘,一个在工作台上加工,另一个在工作台外装卸工件,即自动托盘交换系统(APC)。当完成一个托盘上工件的加工后,便自动交换托盘,进行新的加工,以减少辅助时间,提高加工效率。6.7.4自动交换装置

1.自动换刀装置的形式

1)回转刀架

回转刀架换刀装置的刀具数量有限,但结构简单,维护方便。如数控车床上的回转刀架。

2)带刀库的自动换刀装置

带刀库的自动换刀装置由刀库和机械手组成,是多工序数控机床上应用最广泛的换刀装置。加工时,把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上,在机外进行尺寸预调后,按一定的方式放入刀库。换刀时先在刀库中进行选刀,并由机械手从刀库和主轴上取出刀具,在进行刀具交换之后,将新刀具装入主轴,把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库有较大的容量,它既可以安装在主轴箱的侧面或上方,也可以作为独立部件安装在机床以外。

2.换刀过程

自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。选刀即刀库按照选刀命令自动将要用的刀具移动到换刀位置,完成换刀过程,为下面换刀做好准备;换刀即把主轴上用过的刀具取下,将选好的刀具安装在主轴上。

3.刀具的选择方法

数控机床常用的选刀方式有顺序选刀方式和任选方式两种。顺序选刀方式是将加工所需要的刀具按预先确定的加工顺序依次安装在刀座中。换刀时,刀库按顺序转位。这种方式刀库运动简单,但刀库中刀具顺序不能错。任选方式是对刀具或刀座进行编码并根据编码选刀,它可分为刀具编码和刀座编码两种方式。6.7.5加工中心的加工范围

在生产中加工中心适合的加工范围为：

(1)中小批量、周期性地进行加工、品种多变并有一定复杂程度的零件。

(2)需加工多个不同位置的平面和孔系的箱体或多棱体零件。

(3)不同类型表面之间有较高的位置精度要求的零件。

(4)加工精度一致性要求较高的零件。

(5)切削条件多变的零件。

(6)形状简单,可成组安装在工作台夹具上进行多品种同时加