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数控加工工艺系统一数控机床概述1.1数控机床的特点一、数控机床的加工特点：①适应性强②精度高，质量稳定③生产效率高④能实现复杂的运动⑤良好的经济效益⑥有利于生产管理的现代化二、数控机床的使用特点：1、数控机床对操作维修人员的要求对操作人员：具有一定的工艺知识和操作经验，熟悉数控机床结构特点、工作原理，熟练操作计算机，需通过程序编制的专业考核。对维修人员：了解数控机床的机械结构，懂得数控机床的电气原理及电子电路，具有较宽的机、电、气、液专业知识，需进行专业培训。2、数控机床对夹具和刀具的要求对夹具要求：定位可靠、良好的冷却排屑性能；单件生产，采用通用夹具；批量生产，使用专用夹具。对刀具要求：①较高的精度、耐用度，几何尺寸稳定、变化小；②能实现机外预调和快速换刀，加工高精度孔时要经试切削确定其尺寸；③刀具的柄部应满足柄部标准的规定；④很好地控制切屑地折断和排出；⑤具有良好的冷却功能。1.2组成和工作原理数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置、伺服驱动及位置检测、辅助控制装置、机床本体等几部分组成。程序编制数控装置CNC输入装置伺服驱动及位置检测辅助控制(即强电控制)装置机床主运动进给运动辅助动作加工零件加工图纸1.3数控机床的分类1、按加工类型分类①金属切削类数控机床金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控镗铣床等。加工中心MC是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。②特种加工类数控机床数控特种加工机床有数控电火花线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。③板材加工类数控机床金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机和数控压力机等。2、按驱动装置的特点分类①开环控制数控机床指令脉冲步进电动机驱动线路步进电动机工作台②闭环控制数控机床A伺服电动机速度控制电路位置比较电路位置反馈速度反馈指令脉冲C③半闭环控制数控机床指令脉冲速度反馈位置反馈位置比较电路速度控制电路AB伺服电动机+-工作台3．按加工路线分类数控机床按其刀具与工件相对运动的方式，可以分为点位控制、直线控制和轮廓控制。（1）点位控制：刀具与工件相对运动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向。多应用于数控钻床、数控冲床、数控坐标镗床和数控点焊机等。（2）直线控制：刀具与工件相对运动时，除控制从起点到终点的准确定位外，还要保证平行坐标轴的直线切削运动。由于只作直线进给运动，因此不能加工复杂的工件轮廓。用于简易数控车床、数控铣床、数控磨床。（3）轮廓控制：刀具与工作相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。因此可以加工平面曲线轮廓或空间曲面轮廓。有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。4．按可控制联动的坐标轴分类可控制联动的坐标轴，是指数控装置控制几个伺服电动机，同时驱动机床移动部件运动的坐标轴数目。（1）两坐标联动：数控机床能同时控制两个坐标轴联动（如图1-22所示），即数控装置同时控制X和Z方向运动，可用于加工各种曲线轮廓的回转体类零件。或机床本身有X、Y、Z三个方向的运动，数控装置中只能同时控制两个坐标（如图1-23所示），实现两个坐标轴联动，但在加工中能实现坐标平面的变换，用于加工图1-24（a）所示的零件沟槽。（2）三坐标联动：能同时控制三个坐标轴联动，可用于加工曲面零件，如图1-24（b）所示。（3）两轴半坐标联动：数控机床本身有三个坐标能作三个方向的运动，但只能同时控制两个坐标，而第三个坐标只能作等距周期移动，可加工空间曲面，如图1-24（c）所示零件。数控装置在ZX坐标平面内控制X、Z两坐标联动，加工垂直面内的轮廓表面，控制Y坐标作定期等距移动，即可加工出零件的空间曲面。（4）多坐标联动：能同时控制四个以上坐标轴联动，多坐标数控机床的结构复杂、精度要求高、程序编制复杂，主要应用于加工形状复杂的零件。五轴联动铣床加工曲面形状零件，如图1-24(d)所示。图1-24空间平面和曲面的数控加工(a)零件沟槽面加工(b)三坐标联动曲面加工(c)两坐标联动加工曲面(d)五轴联动5．按数控装置的类型分类（1）硬件数控：早期的数控装置基本上都属于硬件数控（NC）类型，主要由固化的数字逻辑电路处理数字信息，于20世纪60年代投入使用。由于其功能少、线路复杂和可靠性低等缺点已经淘汰。（2）计算机数控：用计算机处理数字信息的计算机数控（CNC）系统，于20世纪70年代初期投入使用。随着微电子技术的迅速发展，微处理器功能越来越强，价格越来越低，现在数控系统的主流是微机数控系统（MNC）。6．按数控系统的功能水平分类数控系统一般分为高级型、普及型和经济型三个档次。数控系统并没有确切的档次界限，其参考评价指标包括：CPU性能、分辨率、进给速度、联动轴数、伺服水平、通信功能和人机对话界面等。（1）高级型数控系统该档次的数控系统采用32位或更高性能的CPU，联动轴数在5轴以上，分辨率≤0.1μm，进给速度≥24m／min（分辨率为1μm时）或≥10m／min（分辨率为0.1μm）。（2）普及型数控系统该档次的数控系统采用16位或更高性能的CPU，联动轴数在5轴以下，分辨率在1μm以内，进给速度≤24m／min。（3）经济型数控系统该档次的数控系统采用8位CPU或单片机控制，联动轴数在3轴以下，分辨率为0.01㎜，进给速度在6～8m／min。1.4数控机床的发展趋势1、高可靠性提高元器件和系统的可靠性采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力使数控系统模块化、通用化和标准化提高自诊断及保护功能2、高柔性化柔性：指机床适应加工对象变化的能力3、高精度化利用数控系统的补偿功能采用高分辨率，高响应性的绝对位置传感技术提高数控机床机械本体结构刚性和热稳定性4、高速度化机械方面：提高切削速度和减少辅助时间数控系统：CPU5、复合化工序复合化功能复合化6、制造系统自动化单元控制器数控机床工业机器人工作台架数控加工中心自动输送车工作台工作台加工单元柔性制造单元数控机床加工中心各种加工单元柔性制造单元数控清洗机检测装配设备工业机器人数控机械手自动搬运车自动化仓库主控制计算机通信网络FMS控制机床数控物料运输控制刀具运输控制加工子系统物流子系统信息子系统FMS柔性制造系统（FMS）二数控机床的自动换刀装置2.1自动换刀装置的形式一、回转刀架换刀二、更换主轴换刀三、带刀库的自动换刀系统一、回转刀架换刀AAC-CCCB-BDBA活塞刀架体缸体压盘齿轮活塞杆固定插销齿条活动插销拉杆触头活塞齿条活塞杆AACBB数控车床的回转刀架1、刀架抬起2、刀架转位3、刀架压紧4、转位液压缸复位二、更换主轴换刀换主轴换刀三、带刀库的自动换刀系统立柱主轴箱机械手刀库主轴箱主轴刀具工件刀库刀库与机床为整体式刀库与机床为分体式2.2刀库一、刀库的功能二、刀库的形式三、刀库的容量二、刀库的形式直线刀库:a圆盘刀具:bcdefg链式刀库:hI其它刀库:jk(k)(j)(g)(f)(e)A(d)(c)(b)(a)A向(h)(i)三、刀库的容量5100O806040201015202530铣削车削钻削可加工工件工艺比率(%)刀具数加工工件与刀具数量的关系2.3刀具系统及刀具选择一、刀具系统二、刀具的选择方式三、刀具识别装置二、刀具的选择方式1、顺序选择刀具2、任意选择刀具a）刀具编码方式b）刀座编码方式c）刀具和刀座编码方式刀座识别装置刀座编码块拉杆销紧螺母编码环刀柄刀具编码的结构刀座编码的结构三、刀具识别装置1、接触式刀具识别装置2、非接触式刀具识别装置a）非接触式磁性识别法b）非接触式光电识别法编码环刀具识别装置触针刀柄01011接触式刀具识别装置的原理次线圈检测线圈二次线圈0110101010投光射出面受光入射面阅读方向(a)(b)编码环刀具识别装置刀柄111非接触式磁性识别原理图光导纤维刀具识别原理图2.4刀具交换装置一、刀具交换方式1、无机械手换刀2、机械手换刀二、自动换刀动作顺序90°180°90°(a)(b)(c)(d)(e)钩刀机械手的换刀过程三、自动换刀特殊机构1.主轴准停机构2.主轴内部刀具自动夹紧松开机构三主运动及进给运动3.1主轴驱动及其结构一、数控机床对主传动的要求1.数控机床要有宽的调速范围、静刚度；2.尽可能实现无级变速；3.加工中心要求主轴具有高精度的准停控制；4.旋转精度和运动精度、耐磨性、热变形等。二、主传动的调速方式1.带有二级齿轮变速2.带传动的主传动3.有主轴电动机直接驱动三、主轴的支撑3.2机床进给传动机构一、数控机床对进给运动的要求：●减少运动件的磨擦阻力：丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一；●提高传动精度和刚度；（油的压缩刚度很低，必须限制油缸的最大行程）●减少运动惯量；●稳定性好、寿命长：低速下不产生爬行，适应外加载荷的变化而不发生共振。●使用维修方便。二、进给传动机构●联轴器。●减速机构：a：齿轮传动机构b：同步齿形带三、转换装置●滚珠丝杠螺母副：提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行。a：滚珠丝杠的工作原理；b：轴向间隙的消除；c：滚珠丝杠的支撑；d：滚珠丝杠的保护。●制动装置●齿侧间隙补偿机构●键连接间隙补偿机构四、导向装置●对机床导轨的要求a：导向精度高b：耐磨性好c：足够的刚度d：低速运动平稳性e：结构简单、工艺性好四数控机床刀具4.1.数控加工工艺系统的组成数控加工工艺系统是由数控机床、夹具、刀具和工件等组成。4.2、数控刀具的主要种类1．数控加工刀具的种类数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类。模块化刀具是发展方向。模块化刀具优点：减少换刀停机时间，提高生产加工时间；加快换刀及安装时间，提高小批量生产的经济性；提高刀具的标准化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平；扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能；有效地消除刀具测量工作的中断现象，可采用线外预调。（１）从结构上可分为①整体式②镶嵌式可分为焊接式和机夹式。③减振式当刀具的工作臂长与直径之比较大时，为了减少刀具的振动，提高加工精度，多采用此类刀具；④内冷式切削液通过刀体内部由喷孔喷射到刀具的切削刃部；⑤特殊型式如复合刀具等。（２）从制造所采用的材料上可分为①高速钢刀具：高速钢通常是型坯材料，韧性较硬质合金好，硬度、耐磨性和红硬性较硬质合金差，不适于切削硬度较高的材料，也不适于进行高速切削。高速钢刀具使用前需生产者自行刃磨，且刃磨方便，适于各种特殊需要的非标准刀具。②硬质合金刀具：硬质合金刀片切削性能优异，在数控车削中被广泛使用。硬质合金刀片有标准规格系列产品。③陶瓷刀具④立方氮化硼刀具⑤金刚石刀具（３）从切削工艺上可分为①车削刀具：分外圆、内孔、外螺纹、内螺纹，切槽、切端面、切端面环槽、切断等。从切削方式上分为三类：圆表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔类刀具。②钻削刀具分小孔、短孔、深孔、攻螺纹、铰孔等。③镗削刀具分粗镗、精镗等刀具。④铣削刀具分面铣、立铣、三面刃铣等刀具。●面铣刀（也叫端铣刀）面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副切削刃。●立铣刀立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。●模具铣刀模具铣刀由立铣刀发展而成，可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种。它的结构特点是球头或端面上布满切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。●键槽铣刀●成形铣刀2．数控加工刀具的特点为了达到高效、多能、快换、经济的目的，数控加工刀具与普通金属切削刀具相比应具有以下特点：●刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化。●刀片或刀具的耐用度及经济寿命指标的合理性。●刀具或刀片几何参数和切削参数的规范化、典型化。●刀片或刀具材料及切削参数与被加工材料之间应相匹配。●刀具应具有较