數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)知識(shí)

1、數(shù)控加工基礎(chǔ)數(shù)控加工基礎(chǔ)工程實(shí)訓(xùn)中心第一章 數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)知識(shí) 11 數(shù)控與數(shù)控機(jī)床 12 數(shù)控機(jī)床的分類和常見數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介 13 數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)引引 入入 在機(jī)械制造工業(yè)中，單件與小批量生產(chǎn)的零件（批量在10100件）約占機(jī)械加工總量的75%80%。尤其是航空航天、造船、機(jī)床、重型機(jī)械以及國(guó)防工業(yè)中使用的零件，精度要求高、形狀復(fù)雜、加工批量小，用普通機(jī)床加工這些零件效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，有時(shí)甚至不能加工。為了解決這些問(wèn)題，一種具有高精度、高效率、靈活、通用性強(qiáng)的自動(dòng)化加工設(shè)備數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生，它為多品種、小批量，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的零件提供了自動(dòng)化加工手段。11 數(shù)控與數(shù)控機(jī)床 1.

2、1 數(shù)控與數(shù)控機(jī)床的概念 數(shù)控即數(shù)字控制（Numerical Control，簡(jiǎn)稱NC），是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行控制的一種方法。 數(shù)控機(jī)床（Numerical Control Tool）是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。 計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control）系統(tǒng)是采用計(jì)算機(jī)控制加工功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，并通過(guò)接口與外圍設(shè)備連接。簡(jiǎn)稱CNC系統(tǒng)。1.2 數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服裝置、輔助控制裝置、檢測(cè)裝置和機(jī)床本體組成。如圖11所示。圖11控制介質(zhì)數(shù)控

3、裝置伺服機(jī)構(gòu)輔助控制裝置檢測(cè)裝置機(jī)床本體主軸箱立柱電氣柜控制面板主軸床身工作臺(tái)冷卻液箱1. 控制介質(zhì) 控制介質(zhì)是指將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的程序載體。隨數(shù)控裝置類型的不同而不同，常用的有磁盤、移動(dòng)硬盤、Flash（U盤）等（見圖12）。a)b)c)圖12 常用的控制介質(zhì)a) 磁盤 b) 移動(dòng)硬盤 c) U盤2. 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。如圖13所示是某數(shù)控車床的數(shù)控裝置。它由輸入裝置（如鍵盤）、控制運(yùn)算器和輸出裝置（如顯示器）等構(gòu)成。圖13 數(shù)控裝置3. 伺服機(jī)構(gòu) 伺服機(jī)構(gòu)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行部件（如伺服電動(dòng)機(jī)）兩大部分組成，如圖14所示。a) 驅(qū)動(dòng)裝置b

4、) 伺服電動(dòng)機(jī)圖14 伺服機(jī)構(gòu)4.輔助控制裝置 輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的強(qiáng)電控制裝置。由于可編程控制器（PLC）具有響應(yīng)快、性能可靠、易于使用、編程和修改程序，并可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床電氣等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用作數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置。圖15所示為某可編程控制器的外觀圖。圖15 輔助控制裝置5. 檢測(cè)裝置 檢測(cè)反饋裝置將數(shù)控機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量、速度參數(shù)檢測(cè)出來(lái)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并反饋到機(jī)床的數(shù)控裝置中。 檢測(cè)裝置的檢測(cè)元件有多種，常用的有直線光柵（見 圖16）、光電編碼器（見圖17）、圓光柵、絕對(duì)編碼尺等。圖17 光電編碼器圖16 直線光柵6.機(jī)床本體 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床

5、的主體，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件（如工作臺(tái)、滑板及其傳動(dòng)部件）和床身、立柱、支承部件等。1.3 數(shù)控機(jī)床的工作原理 數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過(guò)程如圖18所示。加工步驟如下： （1）根據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序段格式編寫出加工程序。 （2）將所編寫加工程序指令輸入到機(jī)床數(shù)控裝置中。 （3）數(shù)控裝置對(duì)程序（代碼）進(jìn)行處理之后，向機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出控制信號(hào)。 數(shù)控裝置伺服機(jī)構(gòu)機(jī)床本體圖樣程序工件（4）伺服機(jī)構(gòu)接到執(zhí)行信號(hào)指令后，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，并控制所需的輔助動(dòng)作。（5）機(jī)床自動(dòng)加工出合格的零件。1.4

6、數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系 數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)系通常分為機(jī)床坐標(biāo)系和編程坐標(biāo)系。 （1）機(jī)床坐標(biāo)系 （2）編程坐標(biāo)系 （3）對(duì)刀點(diǎn)與換刀點(diǎn)1.4.1 機(jī)床坐標(biāo)系（1）機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)定（2）機(jī)床坐標(biāo)系的規(guī)定（3）運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)定（4）坐標(biāo)軸方向的確定（5）機(jī)床原點(diǎn)（6）機(jī)床參考點(diǎn)（1） 機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)定 數(shù)控機(jī)床的加工動(dòng)作主要分刀具的動(dòng)作和工件的動(dòng)作兩部分，在確定機(jī)床坐標(biāo)系的方向時(shí)，始終認(rèn)為工件靜止，而刀具是運(yùn)動(dòng)的。這樣編程人員在不考慮機(jī)床上工件與刀具具體運(yùn)動(dòng)的情況下，就可以依據(jù)零件圖樣，確定機(jī)床的加工過(guò)程。（2） 機(jī)床坐標(biāo)系的規(guī)定 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床坐標(biāo)系中X、Y、Z坐標(biāo)軸的相互關(guān)系由右手笛卡兒直角坐標(biāo)系決定，如圖

7、110a 所示。 1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互為90。大拇指代表X坐標(biāo)，食指代表Y坐標(biāo)，中指代表Z坐標(biāo)。 2） 大拇指的指向?yàn)閄坐標(biāo)的正方向，食指的指向?yàn)閅坐標(biāo)的正方向，中指的指向?yàn)閆坐標(biāo)的正方向。 3）圍繞X、Y、Z坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分別用A、B、C表示，根據(jù)右手螺旋定則，大拇指的指向?yàn)閆、Y、Z坐標(biāo)中任意軸的正向，則其余四指的旋轉(zhuǎn)方向即為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A、B、C的正向，如圖110b所示。圖110 右手直角坐標(biāo)系a)b)(3) 運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)定 對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系的方向，均將增大刀具與工件距離的方向確定為各坐標(biāo)軸的正方向，如圖111所示為數(shù)控車床上兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的方向。（4） 坐標(biāo)軸方向的確定 1）

8、Z坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向：是由傳遞切削的動(dòng)力的主軸所決定的，即平行于主軸軸線的坐標(biāo)軸發(fā)即為Z坐標(biāo)，Z坐標(biāo)的正向?yàn)榈毒唠x開工件的方向。如圖111所示的數(shù)控車床的Z坐標(biāo)。 2）X坐標(biāo) X坐標(biāo)平行于工件的裝夾平面，一般在水平面內(nèi)。確定X坐標(biāo)的方向時(shí)，要考慮兩種情況： 如果工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則刀具離開工件回轉(zhuǎn)中心的方向?yàn)閄坐標(biāo)的正方向。如圖111所示的數(shù)控車床的X坐標(biāo)。 如果刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則分為兩種情況：Z坐標(biāo)水平時(shí)，觀察者沿刀具主軸向工件看時(shí)，+X運(yùn)動(dòng)方向指向右方；Z坐標(biāo)垂直時(shí)，觀察者面對(duì)刀具主軸向立柱看時(shí)，+X運(yùn)動(dòng)方向指向右方，如圖112所示的立式數(shù)控銑床的X坐標(biāo)。圖112 立式數(shù)控銑床的坐標(biāo)系3） Y坐

9、標(biāo) 在確定X、Z坐標(biāo)的正方向后，可以用根據(jù)X和Z坐標(biāo)的方向，按照右手直角坐標(biāo)系來(lái)確定Y坐標(biāo)的方向。如圖112所示的Y坐標(biāo)。（5） 機(jī)床原點(diǎn) 機(jī)床原點(diǎn)又稱為機(jī)床零點(diǎn)，即機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)，是指在機(jī)床上設(shè)置的一個(gè)固定點(diǎn)，它在機(jī)床裝配、調(diào)試時(shí)就已確定下來(lái)，是數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)參考點(diǎn)。 1）數(shù)控車床的機(jī)床原點(diǎn) 在數(shù)控車床上，機(jī)床原點(diǎn)一般設(shè)在卡盤端面與主軸中心線的交點(diǎn)處，如圖113所示。 2）數(shù)控銑床的原點(diǎn) 在數(shù)控銑床上，機(jī)床原點(diǎn)一般設(shè)在X、Y、Z坐標(biāo)的正方向極限位置上，如圖114所示。圖113 數(shù)控車床的機(jī)床原點(diǎn)圖114 數(shù)控銑床的機(jī)床原點(diǎn)（6）機(jī)床參考點(diǎn) 機(jī)床參考點(diǎn)是用于對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和控

10、制的固定位置點(diǎn)。圖115所示為數(shù)控車床的參考點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)。圖115 數(shù)控車床的參考點(diǎn)1.4.2 編程坐標(biāo)系編程坐標(biāo)系 編程坐標(biāo)系也稱為工件坐標(biāo)系，是編程人員根據(jù)零件圖樣及加工工藝等建立的坐標(biāo)系。 編程坐標(biāo)系一般供編程使用，確定編程坐標(biāo)系時(shí)不必考慮工件毛坯在機(jī)床上的實(shí)際裝夾位置。 編程坐標(biāo)系的原點(diǎn)（編程原點(diǎn)）應(yīng)盡量選擇在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基準(zhǔn)上，編程坐標(biāo)系中各軸的方向應(yīng)該與所使用的數(shù)控機(jī)床相應(yīng)的坐標(biāo)軸方向一致，如圖116所示為車削零件的編程坐標(biāo)系及編程原點(diǎn)。圖116 編程坐標(biāo)系1.4.3 對(duì)刀點(diǎn)與換刀點(diǎn) 對(duì)刀點(diǎn)是數(shù)控加工中刀具相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，程序也是從這一點(diǎn)開始執(zhí)行，所以對(duì)刀點(diǎn)也稱為“起刀

11、點(diǎn)”或“程序起點(diǎn)”。對(duì)刀點(diǎn)選擇的原則如下： （1）找正容易。 （2）編程方便。 （3）對(duì)刀誤差小。 （4）加工時(shí)檢查方便、可靠。12 數(shù)控機(jī)床的分類和常見數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介1.2.1 數(shù)控機(jī)床的分類按控制運(yùn)動(dòng)的方式分類 (1) 點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 (2) 直線控制數(shù)控機(jī)床 (3) 輪廓控制數(shù)控機(jī)床(1) 點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 點(diǎn)拉控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是只控制從一點(diǎn)到另一點(diǎn)位置的精確定位,而不控制移動(dòng)軌跡,在移動(dòng)和定位過(guò)程中不進(jìn)行任何加工,如圖119所示。 (2) 直線控制數(shù)控機(jī)床 直線控制數(shù)控機(jī)床也自然數(shù)為點(diǎn)位直線控制機(jī)床。其特點(diǎn)是機(jī)床移動(dòng)部件不僅要實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確定位，而且要控制工作臺(tái)以給定的速度，沿平行坐標(biāo)軸方向進(jìn)行直線切削運(yùn)動(dòng)（有些機(jī)床還可以進(jìn)行45斜率直線的加工），如圖120所示。圖120 直線控制加工圖(3) 輪廓控制數(shù)控機(jī)床 輪廓控制數(shù)控機(jī)床是對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上軸同時(shí)進(jìn)行控制。它不僅要控制機(jī)床移動(dòng)部件的起點(diǎn)和終點(diǎn)，而且要控制加工過(guò)程中每一點(diǎn)的速度、方向和位移量，運(yùn)動(dòng)軌跡是任意的直線、圓弧、螺旋線等，將工件加工成一定的輪廓形狀，如圖121所示。圖121 輪廓控制加工圖2.數(shù)控銑床 世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控銑床，它適于加工三維復(fù)雜曲面，在汽車、航空航天、模具等行業(yè)被廣泛采