第10章 數(shù)控機床與數(shù)控加工

第10章數(shù)控機床與數(shù)控加工

數(shù)控機床概述

10.1數(shù)控加工裝備

10.2數(shù)控加工原理10.3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢10.410.1數(shù)控機床概述10.1.1數(shù)控機床的組成1．機床數(shù)控系統(tǒng)機床數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，由信息的輸入、處理和輸出3個部分組成。機床數(shù)控系統(tǒng)接受數(shù)字化信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進行譯碼、插補、邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動執(zhí)行部件做進給運動。

2．位置反饋系統(tǒng)位置反饋系統(tǒng)（檢測傳感部分）用于檢測伺服電動機的轉(zhuǎn)角位移和數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)（工作臺）的位移，由光柵、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光測距儀及磁柵等元件組成。反饋裝置把檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號反饋給數(shù)控裝置，通過比較，計算實際位置與指令位置之間的偏差，并發(fā)出偏差指令控制執(zhí)行部件的進給運動。3．伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)由驅(qū)動器、驅(qū)動電機組成，并與機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)。4．機床部件機床部件包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進給機構(gòu)、刀架及自動換刀裝置等機械部件。這些部件具有高剛度、高抗振性及較小熱變形，并且采用高傳動效率、高精度、無間隙的傳動裝置和運動部件。10.1.2數(shù)控機床工作原理1．零件圖紙零件圖是數(shù)控編程的原始資料。在編寫數(shù)控程序前，首先要認真閱讀零件圖，明確零件的結(jié)構(gòu)特點，分析零件的加工重點，并確定加工方法和加工順序。2．編制加工程序在數(shù)控機床上加工工件前，首先要根據(jù)加工零件的圖樣用規(guī)定的格式編寫程序單。3．加工零件當執(zhí)行程序時，機床數(shù)控系統(tǒng)（CNC）將加工程序語句譯碼、運算，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動各運動部件的動作指令，在系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下驅(qū)動各運動部件的適時運動，自動完成對工件的加工。

10.1.3數(shù)控機床的特點（1）具有高度柔性、適應性強。（2）生產(chǎn)準備周期短。（3）工序高度集中。（4）生產(chǎn)效率和加工精高、質(zhì)量穩(wěn)定。（5）能完成復雜型面的加工。（6）技術(shù)含量高。（7）減輕勞動強度、改善勞動條件。10.1.4數(shù)控機床的類型1．按工藝用途分類（1）金屬切削類。①普通數(shù)控機床。②數(shù)控加工中心。

（2）金屬成形類

金屬成形類數(shù)控機床指采用擠、壓、沖、拉等成形工藝的數(shù)控機床，常用的有數(shù)控彎管機、數(shù)控壓力機、數(shù)控沖剪機、數(shù)控折彎機及數(shù)控旋壓機等。

（3）特種加工類。特種加工類數(shù)控機床主要有數(shù)控電火花線切割機、數(shù)控電火花成形機、數(shù)控激光與火焰切割機等。（4）測量、繪圖類。主要有數(shù)控繪圖機、數(shù)控坐標測量機以及數(shù)控對刀儀等。2．按控制運動的方式分類（1）點位控制數(shù)控機床。這類機床只控制運動部件從一點準確地移動到另一點，在移動過程中并不進行加工，對兩點間的移動速度和運動軌跡沒有嚴格要求。（2）直線控制數(shù)控機床。這類機床不僅要控制點的準確定位，而且要控制刀具（或工作臺）以一定的速度沿與坐標軸平行的方向進行切削加工。（3）輪廓控制數(shù)控機床。這類機床能夠?qū)蓚€或兩個以上運動坐標的位移及速度進行連續(xù)相關(guān)的控制，使合成的平面或空間運動軌跡能滿足零件輪廓的要求。10.2數(shù)控加工裝備10.2.1數(shù)控刀具1．數(shù)控刀具的要求（1）高可靠性和較高的刀具耐用度。（2）高精度和高重復定位精度。（3）刀具尺寸可以預調(diào)和快速換刀。（4）可靠的斷屑及排屑措施。（5）刀具標準化、模塊化、通用化及復合化。（6）具有一個比較完善的工具系統(tǒng)和刀具管理系統(tǒng)。（7）應有刀具在線監(jiān)控及尺寸補償系統(tǒng)。2．數(shù)控刀具的分類整體式刀具：由整塊材料根據(jù)不同用途磨削而成的刀具。鑲嵌式刀具：將刀片以焊接或機夾的方式鑲嵌在刀體上的刀具。減振式刀具：當?shù)毒叩墓ぷ鞅圯^長時，為了減小刀具在切削時的震動所采用的一種特殊結(jié)構(gòu)的刀具。內(nèi)冷式刀具：切削液通過主軸傳遞到刀體內(nèi)部，由噴嘴噴射到刀具切削部位的刀具。特殊式刀具：如具有強力夾緊，可逆攻絲功能的刀具。10.2.2數(shù)控夾具1．常用數(shù)控夾具數(shù)控車床夾具主要有三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤、花盤等。數(shù)控銑床、加工中心常用的夾具有平口虎鉗、Ｔ形螺釘和壓板、彎板及Ｖ形塊等在小批量生產(chǎn)中，會優(yōu)先選擇組合夾具進行裝夾。組合夾具是由可以循環(huán)使用的標準夾具零部件組裝而成的，其容易連接、拆卸，柔性大，適于單件小批生產(chǎn)，是一種標準化、系列化、通用化程度高的工藝裝備。2．數(shù)控加工對工件裝夾的要求（1）減少刀具干涉。為適應數(shù)控工序中的多個表面加工，要避免夾具結(jié)構(gòu)（包括夾具上的組件）對刀具運動軌跡的干涉。（2）保證最小的夾緊變形。要防止工件夾緊變形而影響加工精度。粗、精加工可采用不同的夾緊力。（3）夾具裝卸工件方便。裝夾工件的輔助時間對加工效率影響較大，所以要求配套夾具裝卸工件的時間短、定位可靠。數(shù)控加工夾具可使用氣動、液壓、電動等自動夾緊裝置實現(xiàn)快速夾緊，縮短輔助時間。（4）便于多件同時裝夾。對小型工件或加工時間較短的工件，可以考慮在工作臺上多件夾緊或多工位加工，以提高加工效率。（5）夾具結(jié)構(gòu)應力求簡單。夾具的標準化、通用化和自動化對加工效率的提高及加工費用的降低有很大影響。10.3數(shù)控加工原理10.3.1數(shù)控加工的一般過程（1）分析零件圖樣。首先要根據(jù)零件的材料、形狀、尺寸、精度和熱處理要求等確定加工方案，選擇合適的機床。（2）確定加工方案。按照充分發(fā)揮數(shù)控機床功能的原則，使用合適的數(shù)控機床，確定合理的加工方法。（3）刀具、夾具的選擇。數(shù)控加工用刀具由加工方法、切削用量及其他與加工有關(guān)的因素來確定。數(shù)控加工一般不需要專用的、復雜的夾具，在選擇夾具時應特別注意要迅速完成工件的定位和夾緊過程，以減少輔助時間，所選夾具還應便于安裝，便于協(xié)調(diào)工件和機床坐標系的尺寸關(guān)系。（4）確定加工路線。確定加工路線時要盡量縮短加工路線，減少進刀和換刀次數(shù)，保證加工安全可靠。（5）確定切削用量。確定切削用量即確定切削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度等，具體數(shù)值應根據(jù)數(shù)控機床使用說明書的規(guī)定、被加工工件的材料、加工工序以及其他要求并結(jié)合實際經(jīng)驗來確定。同時，對毛坯的基準面和加工余量要有一定的要求，以便毛坯的裝夾，使加工能順利進行。（6）刀具運動軌跡計算。一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有直線插補和圓弧插補的功能，所以對于由直線和圓弧組成的較簡單的平面零件，只需計算出零件輪廓的相鄰幾何元素的交點或切點（稱為基點）的坐標值。對于較復雜的零件或零件的幾何形狀與數(shù)控系統(tǒng)的插補功能不一致時，就需要進行較為復雜的數(shù)值計算。（7）編寫加工程序單。完成工藝處理與運動軌跡運算后，根據(jù)計算出的運動軌跡坐標值和已確定的加工順序、加工路線、切削參數(shù)、輔助動作以及所使用的數(shù)控系統(tǒng)的指令、程序段格式，按數(shù)控機床規(guī)定使用的功能代碼及程序格式，編寫加工程序單。（8）程序輸入。編好的程序可以用手動方式通過操作面板的按鍵將程序輸入數(shù)控裝置。如果是專用計算機編程或用通用微機進行的計算機輔助編程，可以通過通信接口，直接傳入數(shù)控裝置。（9）程序校驗。編好的程序在正式加工之前，需要經(jīng)過檢測。一般采用空走刀檢測，在不裝夾工件的情況下啟動數(shù)控機床，進行空運行，觀察運動軌跡是否正確。也可采用空運轉(zhuǎn)畫圖檢測，在具有CRT屏幕圖形顯示功能的數(shù)控機床上進行工件圖形的模擬加工，檢查工件圖形的正確性。（10）首件試切。使用首件試切的方法進行實際切削，進一步考察程序的正確性，并檢查加工精度是否滿足要求。若實際切削不符合要求，則可修改程序或采取補償措施。試切一般采用鋁件、塑料、石蠟等易切材料進行。10.3.2數(shù)控加工安全規(guī)范1．加工前的注意事項（1）查看工作現(xiàn)場是否存在可能造成不安全的因素，若存在應及時排除。（2）按數(shù)控機床啟動順序開機，查看機床是否顯示報警信息。（3）數(shù)控機床通電后，檢查各開關(guān)、按鈕和鍵是否正常、靈活，機床有無異?，F(xiàn)象。（4）檢查液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)油標是否正常，檢查冷卻液容量是否正常，按規(guī)定加好潤滑油和冷卻液，手動潤滑的部位先要進行手動潤滑。（5）各坐標軸手動回參考點?；貐⒖键c時要注意，不要和機床上的工件、夾具等發(fā)生碰撞。若某軸在回參考點前已處于參考點位置附近，必須先將該軸手動移動到距離參考點100mm以外的位置，再回參考點。（6）在進行工作臺回轉(zhuǎn)交換時，臺面、護罩、導軌上不得有其他異物；檢查工作臺上的工件是否正確、夾緊可靠。（7）為了使數(shù)控機床達到熱平衡狀態(tài)，必須使數(shù)控機床空運轉(zhuǎn)15min以上。（8）按照刀具卡正確安裝好刀具，并檢查刀具運動是否正常，通過對刀，正確輸入刀具補償值，并認真核對。（9）數(shù)控加工程序輸入完畢后，應認真校對，確保無誤，并進行模擬加工。（10）按照工序卡安裝和找正夾具。（11）正確測量和計算工作坐標系，并對所得結(jié)果進行驗證和驗算。（12）手輪進給和手動連續(xù)進給操作時，必須檢查各種開關(guān)所選擇的位置是否正確，弄清正負方向，認準按鍵，然后再進行操作。2．加工中的注意事項（1）無論是首次試加工，還是周期性重復加工，首先檢查工序卡、刀具卡、坐標調(diào)整卡及程序卡4者是否一致，然后進行逐把刀逐段程序的試切。（2）試加工時，快速倍率、進給倍率開關(guān)置于最低擋，切入工件后再加大倍率。（3）在運行數(shù)控加工程序中，要重點觀察數(shù)控系統(tǒng)上的坐標顯示。（4）對一些有試刀要求的刀具，要采用“漸進”的方法試刀。3．加工后的注意事項在數(shù)控加工后，應注意以下要點。（1）清潔工作臺、零件及臺面鐵屑等雜物，整理工作現(xiàn)場。（2）在手動方式下，將各坐標軸置于數(shù)控機床行程的中間位置。（3）按關(guān)機順序關(guān)閉數(shù)控機床，斷電。（4）清理并歸還刃具、量具、夾具，將工藝資料歸檔。10.3.3數(shù)控加工程序格式1．數(shù)控程序的結(jié)構(gòu)程序號又名程序名，置于程序開頭，用作一個具體加工程序存儲、調(diào)用的標記。目前的計算機數(shù)控（CNC）機床，能將程序存儲在內(nèi)存中，為了區(qū)別不同程序，在程序的最前端加上程序號碼以區(qū)分，以便進行程序檢索。程序號碼以地址O、P、%以及1～9

999范圍內(nèi)的任意數(shù)字組成，通常FANUC系統(tǒng)用“O”，SINUMERIC系統(tǒng)用“%”作為程序號的地址碼。編程時要根據(jù)說明書的規(guī)定作指令，否則系統(tǒng)是不會執(zhí)行的。工件加工程序由若干個程序段組成，程序段是控制機床的一種語句，表示一個完整的運動或操作。程序結(jié)束指令用M02或M30代碼，放在最后一個程序段，作為整個程序的結(jié)束。圖10-28所示零件的加工路線已在圖中標出，與之對應的程序如下，每個程序段執(zhí)行一個相應的操作，完成相應加工余量的切除。2．程序段的組成一個程序段表示一個完整的加工工步或動作。程序段由程序段號、若干程序字和程序段結(jié)束符號組成。程序段號N又稱程序段名，由地址N和數(shù)字組成。數(shù)字大小的順序不表示加工或控制順序，只是程序段的識別標記。在編程時，數(shù)字大小可以不連續(xù)，也可以顛倒，也可以部分或全部省略。但一般習慣按順序并以5或10的倍數(shù)編程，以備插入新的程序段。程序字由一組排列有序的字符組成，如G00、G01、X120、M02等，表示一種功能指令。每個“字”是控制系統(tǒng)的具體指令，由一個地址文字（地址符）和數(shù)字組成，字母、數(shù)字、符號統(tǒng)稱為字符。3．程序段的格式程序段格式指程序中的字、字符、數(shù)據(jù)的安排規(guī)則。不同的數(shù)控系統(tǒng)往往有不同的程序段格式，格式不符合規(guī)定，數(shù)控系統(tǒng)便不能接受，那么程序?qū)⒉槐粓?zhí)行而出現(xiàn)報警提示，故必須依據(jù)該數(shù)控裝置的指令格式書寫指令。程序段的格式可分為固定順序程序段格式、分隔符程序格式和可變程序段格式。數(shù)控機床發(fā)展初期采用的固定順序程序段格式以及后來的分隔符程序格式現(xiàn)已不用或很少使用，最常用的是地址可變程序段格式，簡稱字地址程序格式。10.3.4程序指令分類1．G指令G指令使數(shù)控機床建立起某種加工指令方式，如規(guī)定刀具和工件的相對運動軌跡（即規(guī)定插補功能）、刀具補償、固定循環(huán)、機床坐標系及坐標平面等多種加工功能。G指令由地址符G和后面的兩位數(shù)字組成，從G00到G99共100種。G代碼是程序的主要內(nèi)容。2．M指令輔助功能指令用于指定主軸的啟停、正反轉(zhuǎn)、冷卻液的開關(guān)、工件或刀具的夾緊與松開、刀具的更換等。輔助功能由指令地址符M和后面的兩位數(shù)字組成，也有M00～M99共100種。M指令也有續(xù)效指令與非續(xù)效指令。3．F指令F指令為進給速度指令，用來指定坐標軸移動進給的速度。F代碼為續(xù)效代碼，一經(jīng)設(shè)定后如未被重新指定，則先前所設(shè)定的進給速度繼續(xù)有效。該指令一般有以下兩種表示方法。（1）代碼法。代碼法后面的數(shù)字不直接表示進給速度的大小，而是機床進給速度數(shù)列的序號。（2）直接指定法。F后跟的數(shù)字就是進給速度的大小，如F150，表示進給速度為150mm/min。這種方法比較直觀，目前大多數(shù)數(shù)控機床都采用直接指定法。4．S指令S指令用來指定主軸轉(zhuǎn)速，用字母及后面的1～4位數(shù)字表示，有恒轉(zhuǎn)速（單位為r/min）和恒線速（單位為m/min）兩種指令方式。S指令只是設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速的大小，并不會使主軸回轉(zhuǎn)，必須有M03（主軸正轉(zhuǎn)）或M04（主軸反轉(zhuǎn)）指令時，主軸才開始旋轉(zhuǎn)。S指令是續(xù)效代碼。5．T指令T指令用于選擇所需的刀具，同時還可用來指定刀具補償號。一般加工中心程序中的T代碼后的數(shù)字直接表示所選擇的刀具號碼，如T12，表示12號刀；數(shù)控車床程序中的T代碼后的數(shù)字既包含所選擇的刀具號，也包含刀具補償號，如T0102，表示選擇01號刀，調(diào)用02號刀補參數(shù)。10.3.5程序編制步驟1．分析零件圖樣2．工藝處理（1）確定加工方案。此時應按照充分發(fā)揮數(shù)控機床功能的原則，使用合適的數(shù)控機床，確定合理的加工方法。（2）刀具、夾具的選擇。數(shù)控加工用刀具由加工方法、切削用量及其他與加工有關(guān)的因素來確定。數(shù)控加工一般不需要專用的、復雜的夾具，在選擇夾具時應特別注意要迅速完成工件的定位和夾緊過程。（3）選擇對刀點。對刀點是程序執(zhí)行的起點，也稱“程序原點”，程序編制時正確地選擇對刀點是很重要的。對刀點的選擇原則是：所選的對刀點應使程序編制簡單；對刀點應選在容易找正、加工過程中便于檢查的位置；為提高零件的加工精度，對刀點應盡量設(shè)置在零件的設(shè)計基準或工藝基準上。10.3.6簡單數(shù)控加工程序編制實例N1G17G91G01G41X60000Y-30000I100000J40000F2S500HO1M03CRN2G01X100000Y40000CR //走AB段N3G02X82285Y-55710I22285J-55710CR //BC段圓弧N4G01Y-24290CR

//走CD段N5G39I-100000CR //尖角過渡N6G01X-182285CR //走DO段N7G39J40000CR //尖角過渡N8G01Y40000CR //走OA段N9G40G01X-60000Y30000M30CR //取消刀補，退回S，主軸停轉(zhuǎn)，關(guān)冷卻液10.4數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢1．數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢（1）開放式數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機的先進技術(shù)，實現(xiàn)聲控自動編程、圖形掃描自動編程等。其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進行的系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發(fā)帶來了極大方便，促進了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和應用，