《工程實(shí)踐訓(xùn)練基礎(chǔ)》課件第9章

9.1數(shù)控機(jī)床的基本組成 9.2數(shù)控機(jī)床加工特點(diǎn)

9.3數(shù)控編程的種類

以數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化控制，這種機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。在數(shù)控機(jī)床上，零件加工的全過(guò)程是由數(shù)控指令控制。數(shù)控指令是被加工零件的幾何信息和工藝信息按規(guī)定格式編寫(xiě)的數(shù)字化代碼，稱為數(shù)控加工程序。

數(shù)控機(jī)床主要是由輸入與輸出裝置、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床主機(jī)和其他輔助裝置組成。數(shù)控裝備的供應(yīng)廠家，一般將輸入、輸出裝置，數(shù)控裝置，位置控制和速度控制等部分集成在一起(如圖9-1)稱為CNC系統(tǒng)。9.1數(shù)控機(jī)床的基本組成圖9-1數(shù)控機(jī)床將數(shù)控加工程序以適當(dāng)?shù)姆绞捷斎氲綌?shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置會(huì)對(duì)數(shù)控加工程序的代碼進(jìn)行各種數(shù)值運(yùn)算與處理，得到的結(jié)果以數(shù)字信號(hào)的形式傳送給機(jī)床的伺服電機(jī)(如步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等)，經(jīng)傳動(dòng)裝置(如滾珠絲杠螺母副等)，使機(jī)床按數(shù)控程序規(guī)定的順序、速度和位移量進(jìn)行工作，從而加工出符合圖紙技術(shù)要求的

零件。9.1.1輸入與輸出裝置

1．輸入裝置

輸入裝置是將數(shù)控指令傳輸給數(shù)控系統(tǒng)的裝置。輸入方式有手動(dòng)輸入和直接輸入兩種方式。

1)手動(dòng)輸入方式

手動(dòng)輸入是由操作者將數(shù)控程序直接輸入數(shù)控系統(tǒng)中，有三種輸入方式：

(1)操作者在數(shù)控裝置操作面板上用鍵盤(pán)輸入加工程序的指令，稱為MDI功能，適用于比較短的程序，只能使用一次，機(jī)床動(dòng)作后程序即消失。MDI功能允許手動(dòng)輸入一個(gè)命令或一段程序的指令，并即時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行。

(2)在控制裝置編輯狀態(tài)下，用軟件輸入加工程序，并存入控制裝置的存儲(chǔ)器中，稱為EDIT功能。這種輸入方法可重復(fù)使用程序，一般手工編程均采用這種方法。

(3)在具有會(huì)話編程功能的數(shù)控裝置上，按照顯示器上提示，以人機(jī)對(duì)話的方式，輸入有關(guān)的尺寸數(shù)值，就可自動(dòng)生成加工程序。

2)直接輸入方式

直接輸入方式是指零件加工程序在上級(jí)計(jì)算機(jī)中生成，以計(jì)算機(jī)與數(shù)控裝置直接通信的方式傳輸程序，CNC系統(tǒng)一邊加工一邊接收來(lái)自上級(jí)計(jì)算機(jī)的后續(xù)程序段。這種方式是采用CAD/CAM軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜工件并直接生成零件加工程序的情況。

2．輸出裝置

輸出裝置有數(shù)碼管顯示、視頻顯示器、液晶顯示器和輸出接口等。通過(guò)軟件與接口，可以在顯示器上顯示程序、加工參數(shù)、各種補(bǔ)償量、坐標(biāo)位置、故障信息，并可以采用人機(jī)對(duì)話編輯加工程序、零件圖形、動(dòng)態(tài)刀具軌跡等。先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)有豐富的顯示功能，如具有實(shí)時(shí)圖形顯示、PLC梯形圖顯示和多窗口的其他顯示功能。9.1.2數(shù)控系統(tǒng)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)均為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC系統(tǒng))。按數(shù)控裝置的功能不同，數(shù)控系統(tǒng)分為三大類型：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)和輪廓控制系統(tǒng)。

1．點(diǎn)位控制系統(tǒng)

這類數(shù)控裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削加工，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有要求，要求有較高的終點(diǎn)定位精度。數(shù)控程序中一般不指定進(jìn)給速度，均按事先規(guī)定的速度(較快的定位速度)運(yùn)動(dòng)(如圖9-2)。該系統(tǒng)常用于數(shù)控鉆床和數(shù)控鉆鏜床上。圖9-2點(diǎn)位控制系統(tǒng)

2．直線控制系統(tǒng)

直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通常在坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行切削加工，坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)要承受切削力。指令中要給出下一位置的數(shù)值，同時(shí)給出移動(dòng)到該位置的進(jìn)給速度(如圖9-3)。圖9-3直線控制系統(tǒng)

3．輪廓控制系統(tǒng)

輪廓控制系統(tǒng)是兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸根據(jù)指令要求協(xié)調(diào)地運(yùn)行。指令中指明運(yùn)動(dòng)輪廓曲線的類型(點(diǎn)位、直線、順圓、逆圓、拋物線及樣條曲線等)，并指出下一點(diǎn)的位置和移動(dòng)至該位置的進(jìn)給速度(如圖9-4)。各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度是根據(jù)輪廓各軸相互位置關(guān)系而變化的。在輪廓控制系統(tǒng)中采用插補(bǔ)運(yùn)算來(lái)處理各坐標(biāo)軸速度的變化。各坐標(biāo)軸一邊移動(dòng)，刀具一邊進(jìn)行切削，各坐標(biāo)軸均承受切削力。數(shù)控車床、數(shù)控銑床及加工中心等均為輪廓控制系統(tǒng)。能進(jìn)行輪廓控制的CNC系統(tǒng)，也能進(jìn)行直線控制或點(diǎn)位控制。先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)都屬于輪廓控制的CNC系統(tǒng)。圖9-4輪廓控制系統(tǒng)9.1.3伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床主機(jī)聯(lián)接的重要環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件。伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。驅(qū)動(dòng)裝置由主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元和主軸伺服電機(jī)、進(jìn)給伺服電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)是常用的伺服元件。執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如主軸箱、工作臺(tái)、轉(zhuǎn)位刀架等)由相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)。

伺服電機(jī)的類型有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)。

伺服系統(tǒng)的分類有開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)檢測(cè)元件有直線型檢測(cè)元件(如磁尺)和回轉(zhuǎn)型的檢測(cè)元件(如脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和光柵等)。9.1.4數(shù)控機(jī)床主機(jī)

由于數(shù)控機(jī)床的機(jī)械構(gòu)件要求傳動(dòng)剛度和傳動(dòng)精度更高，傳動(dòng)系統(tǒng)更具穩(wěn)定性，快速響應(yīng)能力更強(qiáng)，因此數(shù)控機(jī)床主機(jī)中的關(guān)鍵部件，如機(jī)床床身、導(dǎo)軌副、絲杠螺母副等，其特殊結(jié)構(gòu)是普通機(jī)床所沒(méi)有的。機(jī)床床身結(jié)構(gòu)要求采用具有高剛度、高抗震性及較小熱變形的機(jī)床新結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床可以采用焊接床身，它比鑄造床身的剛度有較大的提高。數(shù)控系統(tǒng)要求機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)輕便、靈活，摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差別小，啟動(dòng)阻力小，低速運(yùn)行時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象等。常用的機(jī)床導(dǎo)軌有滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌塊和貼塑導(dǎo)軌。滾珠絲杠螺母副在絲杠和螺母的圓弧螺旋槽之間裝有滾珠作為傳動(dòng)元件，因而摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率可達(dá)90％～95％，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差?。辉谑┘宇A(yù)緊后，軸向剛度好，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)間隙，不易產(chǎn)生爬行，隨動(dòng)精度和定位精度都較高。滾珠絲杠螺母副是目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)最常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一。但是滾珠絲杠螺母副安裝時(shí)要通過(guò)預(yù)緊消除間隙保證換向精度。9.1.5數(shù)控機(jī)床的輔助裝置

數(shù)控機(jī)床的輔助裝置包括：氣動(dòng)、液壓裝置，排屑、冷卻、潤(rùn)滑裝置，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和數(shù)控分度頭，防護(hù)、照明等裝置。應(yīng)用氣動(dòng)、液壓系統(tǒng)，可以使機(jī)床完成自動(dòng)換刀所需的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)和滑移齒輪移動(dòng)變速，完成工作臺(tái)的自動(dòng)夾緊、松開(kāi)，工件、刀具定位表面的自動(dòng)吹屑等輔助功能。數(shù)控機(jī)床加工具有如下特點(diǎn)：

(1)數(shù)控機(jī)床精度高。數(shù)控機(jī)床的機(jī)床結(jié)構(gòu)具有很高的剛度和熱穩(wěn)定性，并采取了減小誤差的措施，有了誤差還可以由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償，所以數(shù)控機(jī)床有較高的加工精度。數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)采用無(wú)間隙的滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌、零間隙的齒輪機(jī)構(gòu)等，大大提高了機(jī)床傳動(dòng)剛度、傳動(dòng)精度與重復(fù)精度。先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)技術(shù)，使機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)誤差為零。數(shù)控系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償功能消除了系統(tǒng)誤差。數(shù)控機(jī)床是自動(dòng)加工，消除了人為誤差，提高了同批零件加工尺寸的一致性，加工質(zhì)量穩(wěn)定，一次安裝能進(jìn)行多道工序的連續(xù)加工，減少了安裝誤差。9.2數(shù)控機(jī)床加工特點(diǎn)

(2)數(shù)控機(jī)床能加工形狀復(fù)雜的零件。數(shù)控機(jī)床采用二軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，可以加工母線為曲線的旋轉(zhuǎn)體、凸輪、各種復(fù)雜空間曲面的零件，能完成普通機(jī)床難完成的加工。例如船用螺旋槳是空間曲面體復(fù)雜零件，加工時(shí)采用端面銑刀，五軸聯(lián)動(dòng)臥式數(shù)控機(jī)床才能進(jìn)行加工。

(3)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)率高。數(shù)控機(jī)床配備有轉(zhuǎn)位刀架、刀庫(kù)等自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)，機(jī)械手能自動(dòng)裝卸刀具與工件，大大節(jié)省了輔助時(shí)間；生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需檢驗(yàn)，節(jié)省了檢驗(yàn)時(shí)間；當(dāng)加工零件改變時(shí)，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只需更換程序，節(jié)省了準(zhǔn)備與調(diào)整時(shí)間。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率可提高2～3倍，加工中心生產(chǎn)效率可提高十幾倍至幾十倍。采用高速切削數(shù)控加工時(shí)還采用小直徑刀具、小切深、小切寬、快速多次走刀來(lái)提高切削效率。高速加工的切削力大幅度減小，需要的主軸扭矩相應(yīng)減小，工件的變形也小。高速切削不但提高了生產(chǎn)率，也有利于提高加工精度，降低表面粗糙度。

(4)數(shù)控機(jī)床適應(yīng)性強(qiáng)，能適應(yīng)不同品種、規(guī)格和尺寸的工件加工。當(dāng)改變加工零件時(shí)，只需用通用夾具裝夾工件、更換刀具、更換加工程序，就可立即進(jìn)行加工。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)能利用系統(tǒng)控制軟件靈活地增加或改變數(shù)控系統(tǒng)的功能，使其適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。

(5)數(shù)控機(jī)床是機(jī)械加工自動(dòng)化的基本設(shè)備。柔性加工單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)都是以數(shù)控機(jī)床為主體，根據(jù)不同的加工要求及不同對(duì)象，由一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控機(jī)床，配合其他輔助設(shè)備(如運(yùn)輸小車、機(jī)器人、可換工作臺(tái)、立體倉(cāng)庫(kù)等)而構(gòu)成自動(dòng)化的生產(chǎn)系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)具有通信接口，易于進(jìn)行與計(jì)算機(jī)間的通信，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)算機(jī)管理與控制。

(6)數(shù)控機(jī)床的造價(jià)比普通機(jī)床高，加工成本相對(duì)較高。所以，不是所有零件都適合在數(shù)控機(jī)床上加工，它有一定的加工適用范圍。要根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)類型、結(jié)構(gòu)大小、復(fù)雜程度來(lái)決定其是否適合用數(shù)控機(jī)床加工。通用機(jī)床適合于單件、小批量生產(chǎn)或加工結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的工件。專用機(jī)床適合于大批量工件的加工。數(shù)控機(jī)床適合于復(fù)雜工件的成批加工。

(7)數(shù)控機(jī)床對(duì)管理、操作、維修和編程人員的技術(shù)水平要求比較高。數(shù)控機(jī)床造價(jià)昂貴，是企業(yè)中關(guān)鍵產(chǎn)品、關(guān)鍵工序的關(guān)鍵設(shè)備，一旦故障停機(jī)，其影響和損失是很大的。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化設(shè)備有其自身的特點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床的使用效果很大程度上取決于使用者的技術(shù)水平，數(shù)控加工工藝的擬定以及數(shù)控程序編制的正確與否。所以，數(shù)控機(jī)床的使用技術(shù)不是一般設(shè)備使用的問(wèn)題，而是人才、管理、設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用工程。數(shù)控機(jī)床的使用人員要有豐富的工藝知識(shí)，同時(shí)在數(shù)控技術(shù)應(yīng)用等方面有較強(qiáng)的操作能力，以保證數(shù)控機(jī)床有較高的完好率與開(kāi)工率。數(shù)控編程分為手工編程與自動(dòng)編程兩類。

9.3.1手工編程

手工編程的步驟如下：

(1)確定工藝過(guò)程。根據(jù)零件圖紙進(jìn)行工藝分析，確定零件加工的工藝路線、工步順序、切削用量等工藝參數(shù)，并確定采用的刀具與刀具數(shù)量。9.3數(shù)控編程的種類

(2)計(jì)算加工軌跡和尺寸。

(3)編寫(xiě)程序清單并校驗(yàn)。

(4)輸入程序清單的內(nèi)容，即通過(guò)輸入裝置將數(shù)控程序單的內(nèi)容輸入到數(shù)控裝置中。

(5)數(shù)控程序的校驗(yàn)和試切。啟動(dòng)數(shù)控裝置，使數(shù)控機(jī)床進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查程序運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性。用木料或塑料制品代替工件進(jìn)行試切，檢查切削用量的正確性。

(6)首件試切。9.3.2自動(dòng)編程

借助計(jì)算機(jī)編制數(shù)控加工程序的過(guò)程，稱