数控技术和数控机床在实际生产中的应用

数控技术和数控机床在实际生产中的应用数控机加工实例前言：第一节：数控机床的产生和发展1949年，美国帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）开始合作，并于1952年3月研制成功了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。1955年，该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。1958年，我国开始研制数控车床，并在研制与推广使用数控机床方便取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，是我国的数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。目前，我国已有几十家机床厂能过生产不同种类的数控机床和加工中心。在数控技术领域中，我国和先进的工业国家之间还存在着不小差距，但这种差距正在缩小。数字控制机床（NumericalControlMachineTool,简称NC机床）的产生较好的解决了复杂、精密、小批多变零件的加工问题，满足了科学技术与社会生产日益发展的需要。机床与普通机床、NC自动与半自动化机床相比具有突出的优点。它不仅提高了加工精度和生产效率，同时也减轻了劳动强度，改善了劳动条件，更重要的是有利于生产管理和产品的更新改型。计算机数字控制机床（ComputerNumericalControlMachineTool,简称CNC机床），也称现代数控机床，是20世纪70年代发展起来的一种新颖的数字控制系统。它是实现柔性自动化的关键设备和柔性自动生产线的基本单元。现代数控机床是综合应用了计算机自动控制、电气传动、精密测量、精密机械制造等技术的最新成果而发展起来的，它采用微处理器作为机床的数控装置，通过编制各种系统软件来实现不同的控制功能和加工功能。CNC数控系统又称软线数控，与早期使用专用计算机的硬线数控即NC数控相比，具有以下优点：⑴柔性好。NC数控的控制功能是靠硬件电路来实现的。⑵功能强。CNC数控利用了计算机的高度计算处理能力，实现许多复杂的数控功能，如二次曲线插补运算、多轴联动、固定循环加工、坐标偏移、图形显示、刀具补偿等，使刀具在三维空间中能实现任意轨迹，完成复杂形面的加工过程。⑶通用性好。CNC数控可以编制不同的软件来满足各种机床的不同加工要求，这样可以用同一种CNC控制装置满足多种数控机床的要求，体现出了较强的通用性。⑷可靠性搞。NC数控的零件程序是在加工过程中分段读入、分段加工的，频繁启动光电阅读机回产生故障，引起零件程序错误，这是NC装置可靠性不高的主要原因。⑸易于实现机电一体化。CNC数控采用大规模集成电路和先进印刷排版技术，采用数块印制电路板即可构成整个控制系统，使其硬件结构尺寸大大缩小，可以与机床结合在一起，减少占地面积，实现机电一体化。第二节：数控机床的分类：⒈按运动轨迹分类⑴点位控制数控机床。这类控制系统的特点是只控制刀具相对于工件定位点的位置精度，不控制点与点之间的运动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削。⑵直线控制数控机床。一些数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制移动的速度，因为刀具在移动过程中要进行切削加工。⑶轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床（或称连续控制机床），它的特点是能够对两个或两个以上的坐标轴方向同时进行连续控制，并能对位移和速度进行严格地不间断的控制。⒉按伺服控制系统分类⑴开环伺服系统数控机床。⑵闭环伺服系统控制机床。⑶半闭环伺服系统数控机床。⒊按功能水平分类按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三类。这种分类方式，在中国用的较多。⒋按工艺方法分类：数控机床按不同工艺用途分类有数控的车床、铣床、磨床和齿轮加工机床等。在数控金属成型机床中，有数控的冲压机、弯管机、裁剪机等。在特种加工机床中有数控的电火花切割机，火焰切割机、电焊机，激光加工机等。第三节：数控机床的应用及发展：⒈高速度、高精度化现代机床CNC系统多采用32位CPU，并向64位CPU发展，并且采用多微处理器并行技术，使运算速度和数据处理能力得到很大提高。由于新型CNC系统和伺服驱动系统系统的采用，使数控机床的进给速度和分辨率得到很大提高。在100~240m/min的进给速度下其位移分辨率可达1btm,在24m/min的进给速度下其位移分辨率可达0.1btm，在2.4m/min的进给速度下其位移分辨率可达0.01btm。现代数控机床还充分利用CNC系统的补偿功能（如反向间隙补偿功能、螺距误差补偿功能及热补偿功能等）来提高其加工精度和动态性能。⒉高可靠性由于现代机床CNC系统的模块化、标准化、通用化和系列化，使其便于组织批量生产，有利于保证产品质量。现代CNC系统大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，从而提高了可靠性。⒊更完善的自动编程技术由于多微处理器并行技术的采用，使数控编程从离线编程发展到在线编程，即所谓的“前台加工，后台编程”。通过会话自动编程系统，不仅实现了在线零件加工程序的编制，还可以根据机床性能、工件材料及零件加工要求自动选择刀具及最佳切削用量，生成工艺路线，并实现切削仿真，大大提高了对复杂型面编程的效率。⒋更高的通信功能为了适应自动化技术的不断发展，适应工厂自动化规模越来越大的要求，为了使数控机床更易于进入柔性制造系统和计算机集成制造系统的控制网络中，机床数控系统的接口数据交换能力和通信能力在不断加强。⒌智能化计算机软、硬件技术的发展，人工智能技术的发展促进了机床数控系统智能化的进程。机床数控系统的智能化主要体现在：⑴将适应控制应用于数控系统中，构成适应数控系统（AC-NCSystem）。在适应数控系统中，把精细的程序控制和连续的适应调节结合起来，使系统的运行达到最优。其主要的追求目标是：保护刀具和工件，适应材料的变化；改善尺寸控制，提高加工精度，保持稳定的质量；寻求最高的生产率和最低的成本消耗；简化零件程序编制，降低对操作人员经验和熟练程度的要求等。⑵故障诊断的智能化，即数控系统内置实时诊断软件，在数控机床整个工作过程中进行故障诊断并指导故障的排除。一旦发生故障，除采用停机措施，利用CRT进行故障报警，提示故障发生的部位和原因外，还可以利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，接通备用模块，以满足无人化工作环境的要求。在故障诊断中，除了使用专家系统外，还将模糊数学、神经网络应用其中，取得了良好的效果。⑶刀具寿命自动监控检测的运用。即利用红外、声发射（AE）、激光等检测手段，对刀具和工件进行监控。发现工件超差，刀具损坏，及时报警、自动进行补偿或更换备用刀具，以确保产品质量。⒍数控系统的开放化随着技术、市场、生产组织结构诸方面的快速发展，对数控机床，特别是数控系统提出许多更新、更高的要求：⑴为了适应不断出现的新加工需求，数控系统应具有更强的软、硬件重构能力，而且重构成本要低，重构周期要短。⑵为了适应未来车间面向任务和订单的生产组织模式，使底层生产控制系统的集成更为简便、有效，必须改变数控系统封闭型的设计模式。⑶为了适应机床制造厂家的不同需要，数控系统应该具有高度的模块化，可重新配置、修改、扩充和改装，机床制造厂家和用户可以方便地将自己的成熟技术集成到数控系统中。⑷加强数控系统设计的规范化和标准化，大幅度降低数控系统开发、维护、培训的成本和周期。第四节：数控机床结构组成：现代数控机床由普通机床、机床演变而来，NC它采用计算机数字控制方式，用单独的伺服电动机驱动实现各个坐标方向的运动。数控机床由信息输入、数控装置、伺服驱动及检测装置、机床本体、机电接口等五大部分组成。⒈信息输入⒉数控装置⒊伺服驱动及检测装置⒋机床本体⒌机电接口数控机床工作原理：在数控机床上加工零件时，要事先根据零件加工图样的要求确定零件的加工工艺过程、工艺参数和刀具参数，再按规定编写零件数控加工程序，然后通过手动数据输入（MDI,ManualDataInput）方式或与计算机通信等方式将数控加工程序送到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，经过分析处理与计算后发出相应的指令，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，从而控制机床进行零件的自动加工。数控加工特点：与普通机床加工相比，数控加工具有如下特点：⑴自动化程度高。再数控机床上加工零件时，除了手工装卸工件外，全部加工过程都可由机床自动完成。再柔性制造系统上，上下料、检测、诊断、对刀、传输、调度、管理等也都可以由机床自动完成，这样大大减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。⑵具有加工复杂形状零件的能力。复杂形状零件在飞机、汽车、造船、模具、动力设备和国防工业等部门的产品制造中具有十分重要的地位，其加工质量直接影响整机产品的性能。数控加工的任意可控制性使其能完善普通加工方法难以完成或者无法进行的复杂型面加工。⑶生产准备周期短。在数控机床上加工新的零件，大部分准备工作是根据零件图样编制的数控程序，而不是去准备靠模、专用夹具等工艺装备，而且变成工作可以离线进行。这样大大缩短了生产的准备时间，因此应用数控机床十分有利于产品的升级换代和新产品的开发。⑷加工精度高，质量稳定。目前，普通数控加工的尺寸精度通常可达±0.005mm，最高的尺寸精度可达±0.01μm。⑸生产效率高。数控机床的加工效率一般比普通机床高2~3倍，尤其在加工复杂零件时，生产率可提高十几倍甚至几十倍。⑹易于建立计算机通信网络。由于数控机床使用数字信息，易与计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)系统连接，形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密结合的一体化系统。第五节：数控机床安全操作规定：为保证操作人员准确合理地使用数控机床，保证数控机床的正确运转，必须严格遵守操作规程，数控机床的操作规程一般如下：⑴操作者必须熟悉机床的性能、结构、传动原理及控制，严禁超性能使用。⑵操作机床前必须紧束服装，戴好工作帽，检查机床有无异常情况，工作使严禁戴手套。⑶工作台不得放置工具或其他无关物件，注意不要使刀具与工作台撞击。机床通电启动后，先进行机械回零操作，低速运行3~5min，查看各部分运转是否正常。⑷加工工件前，必须进行加工模拟或试运行，严格检查调整加工原点、刀具参数、加工参数、运动轨迹。并且要将工件清理干净，特别注意工件是否装夹牢靠，调整工具是否已经移开。⑸确认操作面板上进轴的速速及其倍率开关状态，切削加工要在各轴与主轴的扭矩和功率范围内使用。⑹装卸及测量工件时，把刀具移到安全位置，主轴停转。⑺主轴旋转切削过程中不能用手去除铁屑或触摸工件，消除铁屑时应用刷子，不能用嘴去吹或用棉纱擦。⑻工作中发生步正常现象或故障时，应立即停机排除，或通知维修人员检测。⑼工作完毕后，应及时清扫机床，并将机床恢复到原始状态，各开关、手柄放于非工作位置上。切断电源，认真执行好交接班制度。第六节：数控机床的日常维护：每台机床在工作一段时间以后，一些零部件总要陆续损坏，为了延长工作寿命和正常机械磨损周期，防止意外恶性事故发生，争取机床能在较长时间内正常工作，就必须对数控机床进行日常的维护。对每一台机床的维护保养要求，在机床说明书上都有明确规定。第七节：加工工艺车削加工是在由车床、车刀、车床夹具和工件共同构成的车削工艺系统中完成的。根据被加工零件的精度类型、大小、批量的不同。车床有许多不同的类型，如普通车床、专门化车床以及数控车床。同理，车刀、车床夹具也有许多不同的类型。近几年来，随着数控技术的飞速发展，数控车床的应用也迅速普及，相应的许多先进的刀具、夹具。如可转位车刀、组合夹具、成组夹具得到推广应用，根据被加工零件的特征，合理的选择构成车削工艺系统的诸多要素是完成车削加工工作的重要前提，要实现这一要求，必须对构成车削工艺系统的诸多要素有全面的认识。⒈车床的选择有零件应选选择普通卧式车床进行精粗加工，车床是车削加工所必要的工艺装备，它提供车削加工所需要的成型运动、辅助运动和切削动力，保证加工过程中工件、夹具与刀具的相对正确位置。⒉夹具的选择根据分析零件的加工工艺，该零件应分成两端加工，先加工右端。根据对零件尺寸的要求加工完后用切断刀在120.5处切断，然后再加工右端的内螺纹。右端彻底