第3章 數(shù)控車床(NC Lathe)和數(shù)控機床編程及加工

第3章數(shù)控車床(NCLathe)?數(shù)控車床主要用于加工各種軸類、套筒類和盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面。?1．按數(shù)控系統(tǒng)的功能分(1)經(jīng)濟型數(shù)控車床

圖3.1經(jīng)濟型數(shù)控車床?(2)全功能型數(shù)控車床

圖3.2全功能型數(shù)控車床?(3)車削中心

圖3.3車削中心?(4)FMC車床圖3.4FMC車床?2．按主軸的配置形式分類(1)臥式數(shù)控車床(2)立式數(shù)控車床還有具有兩根主軸的車床，稱為雙軸臥式數(shù)控車床或雙軸立式數(shù)控車床。?3．按數(shù)控系統(tǒng)控制的軸數(shù)分類(1)兩軸控制的數(shù)控車床(2)四軸控制的數(shù)控車床對于車削中心或柔性制造單元，還要增加其他的附加坐標軸來滿足機床的功能。?3.1.3數(shù)控車床的組成

1．主機主機是數(shù)控車床的機械部件，如圖3.5所示，是典型數(shù)控車床結(jié)構組成圖。圖3.5典型數(shù)控車床結(jié)構組成圖?2．數(shù)控裝置作為控制部分是數(shù)控車床的控制核心。3．伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控車床切削工作的動力部分，主要實現(xiàn)主運動和進給運動。4．輔助裝置輔助裝置是指數(shù)控車床的一些配套部件。數(shù)控車床主軸安裝有脈沖編碼器，主軸的運動通過同步齒形帶1∶1的傳到脈沖編碼器。?臥式數(shù)控車床的布局可以產(chǎn)生單主軸單刀架、單主軸雙刀架、雙主軸雙刀架等不同的結(jié)構變化，如下圖所示。?

下面介紹臥式數(shù)控車床床身導軌和刀架布局。1．床身和導軌布局按照床身導軌面與水平面的相對位置，數(shù)控臥式車床床身導軌與水平面的相對位置有幾種形式，如圖3.7所示。?圖3.7數(shù)控臥式車床床身導軌布局形式?(1)水平床身的工藝性好，便于導軌面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的運動精度。(2)水平床身配上傾斜放置的滑板，并配置傾斜式導軌防護罩。(3)斜床身導軌傾斜角有30°、45°、60°、75°和90°幾種。傾斜角度小，排屑不便；傾斜角度大，導軌的導向性及受力情況差。?

斜床身和平床身—斜滑板布局形式在數(shù)控車床中被廣泛采用，因為具備如下優(yōu)點：①容易實現(xiàn)機電一體化。②機床外形整齊、美觀，占地面積小。③從工件上切下的熾熱切屑不致于堆積在導軌上影響導軌精度。④容易排屑和安裝自動排屑器。⑤容易設置封閉式防護裝置。⑥宜人性好，便于操作。⑦便于安裝機械手，實現(xiàn)單機自動化。?2．刀架布局回轉(zhuǎn)刀架在機床上有兩種布局形式：一種是用于加工盤類零件的回轉(zhuǎn)刀架，其回轉(zhuǎn)軸垂直于主軸；另一種是用于加工軸類和盤類零件的回轉(zhuǎn)刀架，其回轉(zhuǎn)軸平行于主軸。目前兩坐標聯(lián)動數(shù)控車床多采用12工位回轉(zhuǎn)刀架，也有采用6工位、8工位和10工位的，4工位方刀架主要應用于經(jīng)濟型前置刀架數(shù)控車床。?隨著機床精度的不同，數(shù)控車床的布局要考慮到切削力、切削熱和切削振動的影響。要使這些因素對精度影響最小，機床在布局上就要考慮到各部件的剛度、抗振性和在受熱時使得熱變形的影響在不敏感的方向。如臥式車床主軸箱熱變形時，隨著刀架的位置不同，而對尺寸的影響不同，如圖3.8所示。??數(shù)控車床與普通車床相比，有以下幾個特點：1．高精度2．高效率3．高柔性4．高可靠性5．工藝能力強6．模塊化設計

?1．主傳動系統(tǒng)數(shù)控車床的主運動傳動鏈的兩端部件是主電動機與主軸，它的功用是把動力源的運動及動力傳遞給主軸，使主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)主運動，并滿足主軸變速和換向的要求。主運動傳動系統(tǒng)是數(shù)控車床的最重要組成部分之一，它的最高與最低轉(zhuǎn)速范圍、傳遞功率和動力特性決定了數(shù)控車床的最高切削加工工藝能力。?數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)現(xiàn)在一般采用交流主軸電動機，通過帶傳動或主軸箱內(nèi)2～4級齒輪變速傳動主軸。主軸電動機在額定轉(zhuǎn)速時可輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的變化，功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化。下面以HTC2050型數(shù)控車床為例來介紹主傳動系統(tǒng)，如圖3.9所示。

??其中主傳動系統(tǒng)由功率為11kW的變頻電動機驅(qū)動，經(jīng)一級5∶8的帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在45～4000r／min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。當電動機轉(zhuǎn)速在1500～6000r／min時，為恒功率輸出；當電動機轉(zhuǎn)速在70～1500r／min時，為恒轉(zhuǎn)矩輸出。主軸功率特性如圖3.10所示，主軸轉(zhuǎn)矩特性如圖3.11所示。

?圖3.10主軸轉(zhuǎn)速和功率特性?圖3.11主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性?2．主軸箱結(jié)構

（1）HTC2050型數(shù)控車床的主軸箱展開圖，如下圖所示。

?主軸前支承是三個角接觸球軸承7020ACTBTP4，前面兩個大囗向外(朝向主軸前端)，后面一個大口朝里(朝向主軸后端)，形成背靠背組合形式。軸承由壓塊鎖緊圓螺母9預緊，預緊量在軸承制造時已調(diào)好，為了防止圓螺母9回松用圓螺母8鎖緊。后支承是二個角接觸球軸承7018CDBP4，形成背靠背組合形式，軸承由壓塊鎖緊圓螺母5預緊。主軸脈沖編碼器11是由主軸通過帶輪1、帶輪2和齒形帶及聯(lián)軸器12帶動，和主軸同步運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)螺紋切削和主軸每轉(zhuǎn)進給量。?（2）CK7815型數(shù)控車床主軸箱展開圖，如圖3.13所示，電動機經(jīng)二級塔形帶輪1、2和三聯(lián)V帶帶動主軸，帶輪2直接安裝在主軸上，為了加強剛性，主軸后支承為雙列向心短圓柱滾子軸承。主軸脈沖發(fā)生器4是由主軸通過一對帶輪和齒形帶帶動的，和主軸同步運轉(zhuǎn)，齒形帶的松緊由螺釘5來調(diào)節(jié)。這種結(jié)構的特點是可選擇主軸高速檔或者低速檔，通過低速檔來提高主軸扭矩，因此適合低速車削。?圖3.13CK7815型數(shù)控車床主軸箱?（3）TND360型數(shù)控車床主軸箱展開圖，如圖3.14所示，主電動機通過電動機軸上齒數(shù)為27的同步齒形帶輪，經(jīng)同步齒形帶將運動傳到主軸箱Ⅰ軸上齒數(shù)為48的同步齒形帶輪，Ⅰ軸上安裝有一雙聯(lián)滑移齒輪，齒輪齒數(shù)分別為29和84，主軸上裝有兩個圓柱齒輪，齒數(shù)為86和60，雙聯(lián)滑移齒輪由液壓缸帶動撥叉驅(qū)動。?圖3.14TND360型數(shù)控車床主軸箱?3．卡盤結(jié)構卡盤是數(shù)控車床的主要夾具，為了減少數(shù)控車床裝夾工件的的輔助時間，廣泛采用液壓動力自定心卡盤，卡盤的松夾是靠用拉桿連接的液壓卡盤和液壓夾緊油缸的協(xié)調(diào)動作來實現(xiàn)的，如圖3.15所示。(a)?

圖3.15液壓卡盤結(jié)構簡圖

1—回轉(zhuǎn)‘液壓缸；2—拉桿；3—連接套；4—滑套；

5—接套；6—活塞；(b)?如圖3.15(a)所示，液壓卡盤固定安裝在主軸前端，回轉(zhuǎn)液壓缸1與接套5用螺釘7連接，接套通過螺釘與主軸后端面連接，使回轉(zhuǎn)液壓缸隨主軸一起轉(zhuǎn)動。卡盤的夾緊與松開由回轉(zhuǎn)液壓缸通過一根空心拉桿2來驅(qū)動，拉桿后端與液壓缸內(nèi)的活塞6用螺紋連接，連接套3的兩端螺紋分別與拉桿2和滑套4連接。圖3.15(b)為卡盤內(nèi)楔形機構示意圖，當液壓缸內(nèi)的壓力油推動活塞和拉桿向卡盤方向移動時，滑套4向右移動，由于滑套上楔形槽的作用，使得卡爪座11帶著卡爪12沿徑向向外移動，則卡盤松開。反之使卡盤夾緊工件。?4．主軸編碼器主軸編碼器采用與主軸同步的光電脈沖發(fā)生器。該裝置可以通過中間軸上的齒輪（如圖3.14所示）或同步帶輪（如圖3.12所示）1∶1與主軸同步轉(zhuǎn)動，也可以通過彈性聯(lián)軸器與主軸同軸安裝。利用主軸編碼器檢測主軸的運動信號，一方面可實現(xiàn)主軸調(diào)速的數(shù)字反饋，另一方面可用于進給運動的控制，例如車螺紋時，控制主軸與刀架之間的準確運動關系。?1．進給傳動系統(tǒng)的特點數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)是控制X、Z坐標軸的伺服系統(tǒng)的主要組成部分，它將伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為刀架的直線運動，而且對移動精度要求很高，X軸最小移動量為0.0005mm(直徑編程)，Z軸最小移動量為0.001mm。采用滾珠絲杠螺母傳動副，可以有效地提高進給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行。另外，消除絲杠螺母的配合間隙和絲杠兩端的軸承間隙，也有利于提高傳動精度。?2．進給傳動方式(1)滾珠絲杠與伺服電動機軸端通過聯(lián)軸器直接連接，如圖3.16所示。(2)滾珠絲杠通過同步齒形帶及帶輪與伺服電動機連接(見圖3.17)，這種結(jié)構連接特點是通過帶輪降速，提高驅(qū)動扭矩，且安裝精度要求不高。?3．X軸進給傳動裝置

圖3.16HTC2050數(shù)控車床X軸進給裝置簡圖

?3．X軸進給傳動裝置圖3.16是HTC2050數(shù)控車床X軸進給傳動裝置的結(jié)構簡圖。伺服電動機經(jīng)聯(lián)軸器7帶動滾珠絲杠12回轉(zhuǎn)，其上螺母帶動刀架沿滑板3的導軌移動，實現(xiàn)X軸的進給運動。滾珠絲杠有前后兩個支承。前支承由兩個角接觸球軸承組成，其中一個軸承大口向前一個軸承大囗向后，承受雙向的軸向載荷。前支承的軸承由螺母進行預緊，其后支承為一個深溝球軸承。?3．X軸進給傳動裝置由于刀架為傾斜布置，而滾珠絲杠又不能自鎖，回轉(zhuǎn)刀架的自身重力使其下滑，這個問題可由伺服電動機的電磁制動來解決。?4．Z軸進給傳動裝置圖3.17HTC2050數(shù)控車床Z軸進給裝置簡圖?4．Z軸進給傳動裝置圖3.17是HTC2050數(shù)控車床Z軸進給傳動裝置簡圖。伺服電動機12經(jīng)同步帶輪10和8以及同步帶9傳動到滾珠絲杠3，由螺母帶動床鞍連同刀架沿床身17的矩形導軌移動，實現(xiàn)Z軸的進給運動。滾珠絲杠的右支承由二個角接觸球軸承5組成，其中右邊一個軸承與左邊一個軸承的大口相對布置，由調(diào)整螺母6進行預緊。滾珠絲杠的左支承2為一個深溝球軸承，只用于承受徑向載荷。滾珠絲杠的支承形式為右端固定，左端支持，留有絲杠受熱膨脹后軸向伸長的余地。?圖3.18HTC2050型數(shù)控車床尾座結(jié)構?在調(diào)整機床時，可以手動控制尾座套簡移動。在機床自動工作循環(huán)中，可通過加工程序由數(shù)控系統(tǒng)控制尾座套筒的移動。當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出尾座套筒伸出的指令后，液壓電磁閥動作，壓力油進入液壓缸的右腔，推動尾座套筒3伸出。當數(shù)控系統(tǒng)指令其退回時，壓力油進入液壓缸的左腔，從而使尾座套筒退同。?數(shù)控機床為了能在工件一次裝夾中完成多個工步，以縮減輔助時間和減少多次安裝工件所引起的誤差，通常帶有自動換刀系統(tǒng)。自動換刀系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和換刀裝置組成。數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分，用于夾持切削用的刀具，它的結(jié)構直接影響機床的切削性能和切削效率。下面介紹AK31系列回輪刀架工作原理。?

圖3.19AK31刀架外觀圖?圖3.20所示為AK31系列回輪刀架結(jié)構圖，本刀架采用三聯(lián)齒盤作為分度定位元件。

?

?1．自驅(qū)動力刀具在刀架上備有刀具主軸電動機，自動無級變速，通過傳動機構驅(qū)動裝在刀架上的刀具主軸。2．增加了主軸的C軸坐標功能機床主軸旋轉(zhuǎn)除作為車削的主運動外，還作分度運動(即定向停車)和圓周進給，圖3.22為C軸功能示意圖。?圖3.22C軸功能a)C軸定向，在圓柱或端面上銑槽b)C軸、Z軸進給，在柱上銑螺旋槽c)C軸、X軸進給、在端面上銑槽d)C軸、X軸進給，銑直線和平面?1．精密蝸輪副C軸結(jié)構圖3.23為車削柔性加工單元的主傳動系統(tǒng)結(jié)構和C軸傳動及主傳動系統(tǒng)簡圖。?圖2.23C軸傳動系統(tǒng)之一?2．經(jīng)滑移齒輪控制的C軸傳動圖3.24所示為車削中心的C軸傳動系統(tǒng)圖，由主軸箱和C軸控制箱兩部分組成。圖3.24C軸傳動系統(tǒng)之二?圖3.25所示C軸傳動也是通過安裝在伺服電動機軸上的滑移齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)的，可以實現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)進給和分度。圖3.25C軸傳動系統(tǒng)之三?3.3.4車削中心自驅(qū)動力刀具典型結(jié)構

1．變速傳動裝置圖3.26是動力刀具的傳動裝置。圖3.26自驅(qū)動力刀具的傳動裝置?2．自驅(qū)動力刀具附件自驅(qū)動力刀具附件有許多種，下面列舉兩例。圖3.27所示是高速鉆孔附件。圖3.27高速鉆孔附件?圖3.28所示是銑削附件，分為兩部分。圖3.28銑削附件??數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗目的通過數(shù)控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機床上對工件進行加工；結(jié)合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機床，數(shù)控機床的CNC裝置對程序經(jīng)過處理之后，向機床各坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動機床完成相應的運動。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對程序及首件試加工。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗及試切數(shù)控機床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標準硬件系統(tǒng)構成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標系G92X_Z_√2G04延時G04E_

3M00暫停M00

M02程序結(jié)束M02

4M03主軸正轉(zhuǎn)M03√M04主軸反轉(zhuǎn)M04√M05主軸停M05√5M08開冷卻液M08√M09關冷卻液M09√

6M97程序跳轉(zhuǎn)M97P_

M98子程序調(diào)用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定義開關1有效M20√M21自定義開關1無效M21√8M22自定義開關2有效M22√M23自定義開關2無效M23√9S主軸轉(zhuǎn)速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000√OpenSoftCNC軟件介紹在程序管理界面下，可進行有關數(shù)控加工程序文件的各種操作，如讀入程序、編輯修改及查錯編譯等。