数控加工系统

第1章数控加工系统（时间：3次课，6学时）第1章数控加工系统教学目标：数控是“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。数控加工就是用数控机床加工零件，它是在传统加工基础上发展起来的，是伴随数控机床的产生而逐步发展起来的一种应用技术。数控加工与通用机床加工在方法和内容上有许多相似之处，而不同点主要表现在控制方式上。用数控机床加工时，编程人员要把加工过程的一切内容，按规定的代码形式编排程序，经输入装置传输到数控系统，进行运算和控制，实现机床的各种动作，自动加工出所需要的零件形状。数控加工系统指由数控机床以及与其配套的刀具系统和夹具系统组成的工艺系统，是实现数控加工的物质基础。通过本章的学习，要求读者了解数控加工的优点、数控机床的性能指标、数控机床的组成和一些典型结构、刀具及夹具系统。掌握数控加工的基本过程。第1章数控加工系统教学重点和难点：数控加工的基本过程。数控机床的结构与性能。数控加工系统。第1章数控加工系统1.1数控加工及其特点1.2数控机床的工作原理及性能指标1.3数控机床的典型机械结构1.4数控刀具系统1.5夹具及对刀工具简介1.6数控加工技术的发展1.7实训1.8习题数控加工及其特点数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合实力的水平。它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(NumericalControl，NC)机床。在数控机床上加工零件时，一般是先编写零件加工程序单，即用程序规定零件加工的路线和工艺参数(如主轴转速、切削速度等)，数控系统根据加工程序自动控制机床的运动，将零件加工出来，区别于传统加工方式中的依靠手工操作控制机床运动。数控加工经历了半个多世纪的发展，已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术的基础。数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度。因为加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的，所以可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致；二是可以极大地改善劳动条件。具体地说，数控加工具有如下优点。(1)可以加工具有复杂型面的工件。在数控机床上，所加工零件的形状主要取决于加工程序，因此，只要能编写出程序，无论工件形状多么复杂都能加工。数控加工及其特点(2)提高加工精度并且保持加工质量。数控机床本身的精度比普通机床高，一般数控机床的定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0.005mm。而且在数控机床的加工过程中，避免了操作人员的人为误差。(3)提高生产效率。通过合理选择切削用量，充分发挥刀具的切削性能，可以减少零件的加工时间。另外，传统机床需要用多道工序完成的工件，用数控加工可以一次装卡完成，减少了各道工序间的周转，减少了辅助加工时间。(4)生产准备周期短。数控加工可以省去一些专用工装卡具，节省了大量的准备时间。(5)容易实现操作过程的自动化。一个人可以操作多台机床，同时，很容易和CAD/CAM系统结合起来实现设计制造过程一体化，实现由计算机对多台机床的控制，建立网络化管理的制造过程。(6)改善了劳动条件和环境。数控加工极大地减轻了体力劳动强度，同时，数控机床的安全防护以及防粉尘污染措施较普通机床加工有很大的进步，极大地改善了劳动环境，也减轻了加工所造成的环境污染。数控加工与传统加工方式相比，其优势是毋庸置疑的，与此同时，数控加工的应用和普及，也为我们提出了更高的要求。首先，由于数控加工设备大都综合了机、电、液和计算机技术，对使用和维修人员的技术要求较高；其次，数控设备一般价格贵，因此设备投资较大。不过这些都是暂时的问题，随着数控加工技术的日益迅猛发展，现阶段的这些问题会得到解决的，并且伴随着制造业信息化的进程，数控加工的优势会更加突出。数控机床的工作原理及性能指标1.2.1数控机床组成及工作原理1.2.2数控机床的分类及性能指标数控机床的工作原理及性能指标数控机床是一种装有程序控制系统的机床，程序控制系统逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序，机床执行部件执行程序发出的动作指令，从而完成零件的加工。本节重点介绍数控机床的组成及工作原理，按照不同方式对数控机床的分类以及数控机床的主要性能指标。数控机床组成及工作原理如图1.1所示是某数控机床的整体外形结构。图1.1某数控机床整体外形图1—操纵面板；2—主轴及卡盘；3—转塔刀架；4—防护窗；5—自动排屑装置；6—导轨数控机床组成及工作原理数控机床通常由程序输入、数控系统和机床本体等部分组成。如图1.2所示是采用计算机数控装置的数控机床组成框图，虚线框内的部分属于数控系统。数控机床的功能强弱主要由数控系统来决定，因此它是数控机床的核心部分。数控机床组成及工作原理入图1.2数控机床组成框图数控机床组成及工作原理1.程序输入数控程序是以特定代码表示的零件加工工艺过程，程序输入就是把数控加工程序通过某种装置和方式输送到数控装置中，最初数控加工程序的输入是用纸带、磁带及其相应的阅读机实现的，现在普遍应用的是键盘直接输入、磁盘输入、串口以及以太网通信方式输入。键盘直接输入，就是把编好的数控程序用手工通过键盘输入到数控装置内，这种方法的弊病是效率低、占用机时长、易出错。利用串行端口以及以太网通信方式输入数控加工程序正越来越得到广泛的应用，它是实现数控机床联网以及计算机集成制造所必需的途径。数控机床组成及工作原理2.数控系统一般地说，数控系统由操作面板、输入输出接口、数控装置、可编程控制器、伺服驱动系统组成。(1)操作面板一般的数控系统操作面板划分为显示器、NC键盘、功能键、机床控制面板。NC键盘用于零件程序的编制、参数输入、MDI及系统管理操作等；功能键中的每个功能包括不同的操作菜单，采用层次结构；机床控制面板用于直接控制机床的动作或加工过程。有的数控机床还有“手轮”，它由手摇脉冲发生器、坐标轴选择开关组成。(2)输入输出装置输入装置可将不同加工信息传递给数控系统计算机的存储单元。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前使用的键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。输出装置指输出系统内部的工作参数(含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等)，一般在机床刚进入工作状态时需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始记录资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。(3)数控装置数控装置是数控机床的运算和控制系统，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现对数控机床各功能的指挥工作。一般由输入输出接口、存储器、控制器、运算器及相应的软件等组成。数控机床组成及工作原理输入接口接受输入介质或操作面板上的信息，并将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，作为控制和运算的原始依据。控制器根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机床按规定的要求协调地进行工作。运算器接受控制器的指令，及时地对输入数据进行运算，并按控制器的控制信号不断地向输出接口输出脉冲信号。输出接口则根据控制器的指令，接受运算器的输出脉冲，经过功率放大，驱动伺服系统，使机床按规定要求运动。(4)可编程控制器可编程控制器(PLC)是一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。它在机床上主要完成M、S、T功能动作的控制，即除了进给运动以外的辅助运动，目前，PLC在机床上的功能正在逐渐扩大。例如，用它直接控制坐标轴。在中、高档数控机床中，PLC是CNC装置的重要组成部分。其作用是：接收来自零件加工程序的开关功能信息(辅助功能M、主轴转速功能S、刀具功能T，如控制主轴转速、主轴正反转和停止、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作)、机床操作面板上的开关量信号及机床侧的开关量信号，进行逻辑处理，完成输出控制功能，实现各功能及操作方式的联锁。数控机床的PLC有两种类型，即内装型和独立型。内装型PLC与CNC其他电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。PLC使用CNC装置本身的I/O接口电路。采用内装型PLC造价低，具有较高的性价比。独立型PLC装置和CNC均有自己的I/O接口电路，需将PLC与CNC装置以及PLC与机床侧对应的I/O信号的接口电路连接起来。CNC的控制功能易于扩展，但在性价比上不如内装型PLC。数控机床组成及工作原理通常，单微处理器的CNC装置采用内装型PLC为多，而独立型PLC主要用在多微处理器CNC装置上。(5)伺服驱动系统伺服驱动系统简称伺服系统(Servesystem)包括驱动单元和伺服电机，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它是把来自数控装置的脉冲信号经驱动单元放大后给电机，带动机床移动部件的运动，使工作台(或溜板)精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，以加工出符合图纸要求的零件。对于数控机床，如果说CNC装置是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的“指挥机构”，那么伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，准确地执行由CNC装置发出的运动命令。如图1.3所示是某伺服进给驱动单元和伺服电机。数控装置每发出一个脉冲，伺服系统驱动机床运动部件沿某一坐标轴进给一步，产生一定的位移量，这个位移量称之为脉冲当量。常用的脉冲当量为每脉冲0.001～0.01mm。显然，数控装置发出的脉冲数量决定了机床移动部件的位移量，而单位时间内发出的脉冲数(即脉冲频率)则决定了部件的移动速度。数控机床组成及工作原理图1.3伺服进给驱动单元和伺服电机数控机床组成及工作原理对于闭环控制系统，则还包括工作台等机床运动部件的位移检测装置。检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、定位精度等重要指标，均取决于进给伺服系统的静、动态特性。伺服驱动系统的分类如下。①按控制对象和使用目的的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。其中，进给伺服系统用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪、定位系统，它包括速度控制和位置控制，是一般概念的伺服驱动系统。而主轴伺服系统用于控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般只以速