第一章 數(shù)控車床概述

1、第1章 數(shù)控車床概述第一節(jié) 認(rèn)識數(shù)控機床數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。同時，數(shù)控技術(shù)關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其水平高低是衡量一個國家制造現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志，實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。專家們曾預(yù)言：機械制造的競爭，其實質(zhì)是數(shù)控的競爭。一、數(shù)控機床的概念為了滿足多品種、小批量、特別是復(fù)雜型面零件加工的生產(chǎn)要求，人們一直在尋找更通用、更靈活、高精度、高效率的自動化加工工具。用數(shù)控技術(shù)控制機械加工的數(shù)控機床就是這樣的生產(chǎn)工具。數(shù)控機床（Num

2、erical Contuol Machine Tools）是采用了數(shù)控技術(shù)控制加工過程的機床?，F(xiàn)代數(shù)控機床是一種具有高質(zhì)、高效、高度自動化、高度靈活性、適合精度要求高的，形狀復(fù)雜的零件加工的工具，將精密機械技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、自動控制技術(shù)、接口技術(shù)等在系統(tǒng)工程的機床上有機綜合應(yīng)用、優(yōu)化的機電一體化產(chǎn)品，具有良好的零件加工功能和性能。從第一臺數(shù)控機床問世到現(xiàn)在，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展非常迅速，幾乎所有品種的機床都實現(xiàn)了數(shù)控化，數(shù)控機床的應(yīng)用領(lǐng)域也從航空工業(yè)部門逐步擴大到汽車、造船、機床、建筑等民用機械制造行業(yè)，機械制造業(yè)的發(fā)展進入了一個新的階段數(shù)字控制機床制造階段。 二、識讀數(shù)控

3、車床的標(biāo)記 圖1-1 CAK6140dj/1000臥式數(shù)控車床圖 1安全防護門； 2卡盤；3數(shù)控操作面板；4刀塔；5尾座；6導(dǎo)軌圖1-1中數(shù)控車床型號標(biāo)記CAK6140dj/1000中的字母和數(shù)字代表什么含義？如何識讀呢？三、數(shù)控車床的組成和分類 數(shù)控車床可以根據(jù)主軸位置、刀架形式、控制方式及系統(tǒng)功能進行多種機型分類。不同類型的數(shù)控車床特點見表1-1所示。四、數(shù)控車床的使用條件數(shù)控車床的正常使用必須滿足如下條件，機床所處位置的電源電壓波動小，環(huán)境溫度低于30攝示度，相對溫度小于80%。1.機床位置環(huán)境要求機床的位置應(yīng)遠(yuǎn)離振源、應(yīng)避免陽光直接照射和熱輻射的影響，避免潮濕和氣流的影響，如機床附近有

4、振源，則機床四周應(yīng)設(shè)置防振溝，否則將直接影響機床的加工精度及穩(wěn)定性，將使電子元件接觸不良，發(fā)生故障，影響機床的可靠性。 2.電源要求一般數(shù)控車床安裝在機加工車間，不僅環(huán)境溫度變化大、使用條件差，而且各種機電設(shè)備多，致使電網(wǎng)波動大，因此，安裝數(shù)控車床的位置需要電源電壓有嚴(yán)格控制，電源電壓波動必須在允許范圍內(nèi)，并且保持相對穩(wěn)定，否則會影響數(shù)控系統(tǒng)的正常工作。 3.溫度條件數(shù)控車床的環(huán)境溫度低于30攝示度，相對溫度小于80%。一般來說，數(shù)控電控箱內(nèi)部設(shè)有排風(fēng)扇或冷風(fēng)機，以保持電子元件，特別是中央處理器工作溫度恒定或溫度差變化很小。過高的溫度和濕度將導(dǎo)致控制系統(tǒng)元件壽命降低，并導(dǎo)致故障增多，溫度和濕度

5、的增高，灰塵增多會在集成電路板產(chǎn)生粘結(jié)并導(dǎo)致短路。 4.按說明書的規(guī)定使用機床用戶在使用機床時，不允許隨意改變控制系統(tǒng)內(nèi)制造廠設(shè)定的參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)定直接關(guān)系到機床各部件動態(tài)特征，只有間隙補償參數(shù)數(shù)值可根據(jù)實際情況予以調(diào)整。用戶不能隨意更換機床附件，如使用超出說明書規(guī)定的液壓卡盤，制造廠在設(shè)置附件時充分考慮各項環(huán)節(jié)參數(shù)的匹配，盲目更換造成各項環(huán)節(jié)參數(shù)的不匹配，甚至造成估計不到的事故，使用液壓卡盤、液壓刀架、液壓尾座、液壓油缸的壓力，都應(yīng)在許用應(yīng)力范圍內(nèi)不允許任意提高。第二節(jié) 數(shù)控車削與傳統(tǒng)加工的比較一、數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工的相似性不管數(shù)控車削機床，還是傳統(tǒng)切削機床，都屬于金屬切削機床。金屬切削

6、機床是機械制造業(yè)的主要加工設(shè)備，是制造機械零件的機器，它用刀具切削的方法將金屬毛坯加工成機械零件。金屬切削加工的一般過程是：加工人員依據(jù)工程圖樣的要求，選擇適合加工的金屬切削機床，并在機床上正確安裝好刀具與工件，使機床、刀具、工件形成一個切削加工的工藝系統(tǒng)，由在機床上正確安裝好刀具與工件，使機床、刀具、工件形成一個切削加工的工藝系統(tǒng)，由機床提供加工運動的動力，同時控制刀具與工件之間產(chǎn)生恰當(dāng)?shù)南鄬\動、互相作用，從而切去工件表面上的多余金屬，使被加工工件符合圖樣的要求。刀具和工件間的相對運動包括主運動和進給運動。 CNC加工與傳統(tǒng)加工的工藝分析及加工的一般步驟基本相同，它們的工藝過程一般都包括如

7、下步驟：分析研究零件圖；確定合適毛坯；確定恰當(dāng)?shù)募庸み^程、方法；選擇合適的加工機床；確定工件的裝夾方法；選擇合適的切削刀具；確定刀具進給路線和選擇合適的主運動和進給運動用量；加工工件。二、數(shù)控車削相對傳統(tǒng)加工的特點現(xiàn)代數(shù)控機床集高效率、高精度、高柔性于一身，具有許多普通機床無法實現(xiàn)的特殊功能，它具有如下特點。1.加工精度高 數(shù)控機床加工同批零件尺寸的一致性好，加工精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率高。中、小型數(shù)控機床的定位精度可達(dá)0.005mm，重復(fù)定位精度可達(dá)0.002mm。數(shù)控機床按預(yù)定的零件加工程序自動加工，加工過程不需要人工干預(yù)。加之?dāng)?shù)控機床本身的剛度好，精度高，而且還可以利用軟件進行精

8、度校正和補償。因此可以獲得比機床本身精度還要高的加工精度和重復(fù)精度。2.生產(chǎn)效率高 數(shù)控機床具有良好的結(jié)構(gòu)剛性，可進行大切削用量的強力切削，有效地節(jié)省機動時間還有具有自動變速、自動換刀、自動交換工作和其他輔助操作自動化等功能，使輔助時間縮短，而且無需工序間的檢測和測量，所以數(shù)控機床生產(chǎn)效率比一般普通機床高得多。如對箱體類零件采用加工中心進行加工，利用轉(zhuǎn)臺自動換位、自動換刀可以實現(xiàn)在一次裝夾的情況下幾乎完成零件的全部加工，減少了裝夾誤差，節(jié)約了工序之間的運輸、測量、裝夾等輔助時間。3.自動化程度高數(shù)控機床的加工，是輸入事先編寫好的零件加工程序后自動完成，除了裝卸零件、安裝刀具、操作鍵盤、觀察機床

9、運行之外，其他的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，大大減輕了操作者的勞動強度，改善了勞動條件，減少了操作人員的人數(shù)，有利于現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理，可向更高級的制造系統(tǒng)發(fā)展。4.自動化程度高 數(shù)控機床的加工，是輸入事先編寫好的零件加工程序后自動完成，除了裝卸零件、安裝刀具、操作鍵盤、觀察機床運行之外，其他的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，大大減輕了操作者的勞動強度，改善了勞動條件，減少了操作人員的人數(shù)，有利于現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理，可向更高級的制造系統(tǒng)發(fā)展。5.對加工對象的適應(yīng)性強 數(shù)控機床是一直高度自動化和高效率的機床，可適應(yīng)不同品種和尺寸規(guī)格工件的自動加工。當(dāng)加工對象改變時，只要改變數(shù)控加

10、工程序，就可改變加工工件的品種，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單件、小批量生產(chǎn)以及試制新產(chǎn)品提供了極大的便利，特別是對那些普通機床很難甚至無法加工的精密復(fù)雜表面，數(shù)控機床也能實現(xiàn)自動加工。6.經(jīng)濟效益好 數(shù)控機床雖然設(shè)備昂貴，加工時分?jǐn)偟矫總€工件上的設(shè)備折舊費較高，但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，使用數(shù)控機床加工，可節(jié)省劃線工時，減少調(diào)整、加工和檢驗時間，節(jié)省直接生產(chǎn)費用和工藝裝備費用。數(shù)控機床的加工精度穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產(chǎn)成本進一步下降。此外，數(shù)控機床可實現(xiàn)一機多用，節(jié)省廠房面積和建設(shè)投資。因此，使用數(shù)控機床仍可獲得良好的經(jīng)濟效益。三、數(shù)控車削加工零件的類型 不同類型的數(shù)控機床有著不同的用途，在選用數(shù)控機床

11、之前因?qū)ζ漕愋?、?guī)格、性能、特點、用途和應(yīng)用范圍有所了解，才能選擇最適合加工零件的數(shù)控機床。根據(jù)數(shù)控加工地特點和國內(nèi)外大量應(yīng)用實踐，數(shù)控車床通常最適合加工具有以下特點的零件。1.多品種、小批量生產(chǎn)的零件或新產(chǎn)品試制中的零件。隨著數(shù)控車床制造成本的逐步下降，現(xiàn)在不管是國內(nèi)還是國外，加工大批量零件的情況也已經(jīng)出現(xiàn)。加工很小批量和單價生產(chǎn)時，如能縮短程序的調(diào)試時間和工裝準(zhǔn)備時間也是可以選用的。2.精度要求高的零件。由于數(shù)控車床的剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償甚至自動補償，所以它能夠加工尺寸精度要求高的零件。在有些場合可以以車代磨。此外，由于數(shù)控車削時刀具運動是通過高精度插補

12、運算和伺服驅(qū)動來實現(xiàn)的，再加上機床的剛性好和制造精度高，所以它能加工對母線直線度、圓度、圓柱度要求高的零件。3.表面粗糙度好的回轉(zhuǎn)體零件。數(shù)控車床能加工出表面粗糙度小的零件，不但是因為機床的剛性好和制造精度高，還由于它具有恒線速度切削功能。在材質(zhì)、精車留量和刀具已定的情況下，表面粗糙度取決于進給速度和切削速度。使用數(shù)控車床的恒線速度切削功能，就可選用最佳線速度來切削端面，這樣切出的粗糙度既小又一致。數(shù)控車床還適合于車削各部位表面粗糙度要求不同的零件。粗糙度小的部位可以用減小進給速度的方法來達(dá)到，而這在傳統(tǒng)車床上是做不到的。4.輪廓形狀復(fù)雜的零件。數(shù)控車床具有圓弧插補功能，所以可直接使用圓弧指令

13、來加工圓弧輪廓。數(shù)控車床也可加工由任意平面曲線所組成的輪廓回轉(zhuǎn)零件，既能加工可用方程描述的曲線，也能加工列表曲線。如果說車削圓柱零件和圓錐零件既可選用傳統(tǒng)車床也可選用數(shù)控車床，那么車削復(fù)雜轉(zhuǎn)體零件就只能使用數(shù)控車床。5.帶一些特殊類型螺紋的零件。傳統(tǒng)車床所能切削的螺紋相當(dāng)有限，它只能加工等節(jié)距的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只限定加工若干種節(jié)距。數(shù)控車床不但能加工任何等節(jié)距直、錐面，公、英制和端面螺紋，而且能加工增節(jié)距、減節(jié)距，以及要求等節(jié)距、變節(jié)距之間平滑過渡的螺紋。數(shù)控車床加工螺紋時主軸轉(zhuǎn)向不必像傳統(tǒng)車床那樣交替變換，它可以一刀又一刀不停頓地循環(huán)，直至完成，所以它車削螺紋的效率很高。數(shù)

14、控車床還配有精密螺紋切削功能，再加上一般采用硬質(zhì)合金成型刀片，以及可以使用較高的轉(zhuǎn)速，所以車削出來的螺紋精度高、表面粗糙度小。可以說，包括絲杠在內(nèi)的螺紋零件很適合于在數(shù)控車床上加工。6.超精密、超低表面粗糙度的零件。磁盤、錄象機磁頭、激光打印機的多面反射體、復(fù)印機的回轉(zhuǎn)鼓、照相機等光學(xué)設(shè)備的透鏡及其模具，以及隱形眼鏡等要求超高的輪廓精度和超低的表面粗糙度值，它們適合于在高精度、高功能的數(shù)控車床上加工。以往很難加工的塑料散光用的透鏡，現(xiàn)在也可以用數(shù)控車床來加工。超精加工的輪廓精度可達(dá)到0.1m，表面粗糙度司達(dá)0.02m。超精車削零件的材質(zhì)以前主要是金屬，現(xiàn)已擴大到塑料和陶瓷。7.在通用機床加工時

15、極易受人為因素（如：情緒波動、體力強弱、技術(shù)水平高低等）干擾，零件價值又高，一旦質(zhì)量失控會造成重大經(jīng)濟損失的零件。第三節(jié) 數(shù)控車床技術(shù)發(fā)展方向 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。當(dāng)前數(shù)控車床呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。1.高速、高精密化。高速、精密是機床發(fā)展永恒的目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，機電產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，對零件加工的精度和表面質(zhì)量的要求也愈來愈高。為滿足這個復(fù)雜多變市場的

16、需求，當(dāng)前機床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方面，電主軸和直線電機的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺母強冷的低溫高速滾珠絲杠副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機床功能部件的面市，也為機床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。數(shù)控車床采用電主軸，取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉(zhuǎn)動慣量，提高了主軸動態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運轉(zhuǎn)時皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題。采用電主軸結(jié)構(gòu)可使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到10000r/min以上。 直線電機驅(qū)動速度高，加減速特性好，有優(yōu)越的響應(yīng)特性和跟隨精度。用直線電機作伺服驅(qū)動，省去了滾珠絲杠這一中

17、間傳動環(huán)節(jié)，消除了傳動間隙(包括反向間隙)，運動慣量小，系統(tǒng)剛性好，在高速下能精密定位，從而極大地提高了伺服精度。直線滾動導(dǎo)軌副，由于其具有各向間隙為零和非常小的滾動摩擦，磨損小，發(fā)熱可忽略不計，有非常好的熱穩(wěn)定性，提高了全程的定位精度和重復(fù)定位精度。通過直線電機和直線滾動導(dǎo)軌副的應(yīng)用，可使機床的快速移動速度由目前的1020m/mim提高到6080m/min，甚至高達(dá)120m/min。2.高可靠性。數(shù)控機床的可靠性是數(shù)控機床產(chǎn)品質(zhì)量的一項關(guān)鍵性指標(biāo)。數(shù)控機床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率，并獲得良好的效益，關(guān)鍵取決于其可靠性的高低。3.功能復(fù)合化。功能復(fù)合化的目的是進一步提高機床的生產(chǎn)效率，

18、使用于非加工輔助時間減至最少。通過功能的復(fù)合化，可以擴大機床的使用范圍、提高效率，實現(xiàn)一機多用、一機多能，即一臺數(shù)控車床既可以實現(xiàn)車削功能，也可以實現(xiàn)銑削加工；或在以銑為主的機床上也可以實現(xiàn)磨削加工。寶雞機床廠已經(jīng)研制成功的CX25Y數(shù)控車銑復(fù)合中心，該機床同時具有X、Z軸以及C軸和Y軸。通過C軸和Y軸，可以實現(xiàn)平面銑削和偏孔、槽的加工。該機床還配置有強動力刀架和副主軸。副主軸采用內(nèi)藏式電主軸結(jié)構(gòu)，通過數(shù)控系統(tǒng)可直接實現(xiàn)主、副主軸轉(zhuǎn)速同步。該機床工件一次裝夾即可完成全部加工，極大地提高了效率。4.智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成。21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方面的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控等方面的內(nèi)容，以方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近年來機床發(fā)展的一個熱點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式，如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從