数控机床加工

§2.4数控机床加工数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。一、概述（一）数控机床的产生1．结构日趋复杂、精度、性能日趋提高，→效率、精度、自动化↑2．自动生产线，专用机床的出现：生产周期，准备时间长，产品更新慢；3．70～80%为单件、小批生产，一般用通用机床加工，对曲面、曲线或复杂零件靠样板或划线加工，或用靠模，精度和效率低；4．1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。1952年，美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作，研制了第一台三坐标数控铣床：电子计算机，自动控制，伺服驱动，精密检测，新型结构等新技术成果，主要加工曲面零件1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称CNC),使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)，这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4（二）特点及应用1．自动化程度高，能适应不同零件的自动加工，生产准备周期短，利于更新换代；2．生产率、加工精度高，生产质量稳定（1）定位精度0.03mm，重复时0.01mm（2）采用较大切削用量，自动换速，自动换刀，无需工序间检测；较普通机床提高3～4倍（3）机床本身精度高，可利用软件进行精度校正和补偿3．工序集中——一机多用4．能高效、优质完成复杂型面零件的加工，5．高技术设备（三）基本工作原理1．工艺与表面成型方法与普通机床相同，关键是自动控制原理与方法；2．数控机床使以数字化信息实现控制的；3．加工程序：与加工零件有关的信息，如工件与刀具运动规机的尺寸参数（进给尺寸）；切削加工工艺参数（主轴变速，刀具更换，冷却开停，工件夹紧、松开等）加工信息；用规范的文字、数字和符号组成的代码，按一定格式编写成的加工程序单。4．输入加工程序5．数控装置进行译码，寄存，运算后，控制伺服机构实现各功能。（四）数控机床的组成程序编制输入装置数控装置CNC伺服驱动及位置检测辅助控制及强电控制装置机床主运动进给运动辅助动作控制介质数控装置伺服系统机床测量装置1．程序编制及程序载体（1）编程①对加工零件进行工艺分析，再确定：②零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件安装位置；③刀具与零件相对运动的尺寸参数④加工工艺路线或加工顺序。工艺参数，以及辅助动作等。⑤程序载体制定工艺运动轨迹计算编写程序单制备控制介质首件试切程序校核机床加工修改零件图（2）输入装置：数控代码转化成电脉冲并送存在数控装置中，光电阅读机，录放机，软盘驱动器，键盘输入等（3）数控装置，及强电控制装置①核心：接受输入装置的脉冲信号，经系统软件或逻辑电路进行译码，运算处理或输出各种信号和指令，控制机床各个部分进行规定有序的动作。②输出信号：由插补运算决定的各坐标轴的进给位移量、进给方向和速度的指令，伺服系统驱动执行部件*主轴变速、换向，停启等*选择、交换刀具，控制冷却，润滑，工件松开夹紧，分度等③强电控制装置：介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统主要作用：主运动变速，刀具选择交换，辅助动作等指令，经编译、判断、功率放大后，直接驱动相应电器，液压，气动机械部件，完成动作（4）伺服驱动系统及位置检测：①由伺服驱动电路和伺服驱动电机组成，与执行部件和传动部件组成进给系统②由指令控制执行部件的进给速度，方向，位移③伺服系统有开环、闭环和半闭环之分（5）机床的机械部分，刀库，机械手（五）数控机床分类1．按控制刀具相对工件移动的轨迹分（1）点位控制系统：点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。（2）直线控制系统：直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有平面铣削用的数控铣床，以及阶梯轴车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。（3）连续控制系统连续轨迹控制(或称轮廓控制)能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。2．按检测及反馈分：（1）开环：开环伺服机构是由步进电机驱动线路，和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。步进电机驱动电路步进电机工作台脉冲指令（2）闭环：位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。比较环节驱动电路执行元件信号处理电路工作台反馈信号闭环伺服系统检测元件脉冲指令（3）半闭环：位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。比较环节驱动电路执行元件信号处理电路工作台反馈信号半闭环伺服系统脉冲指令二、数控加工程序编制*什么是数控编程：将从零件图纸到获得数控机床所需的控制介质的全过程称为数控编程，*程序单：记录工艺过程、工艺参数的表格*对普通机床：由工艺人员制定零件加工工艺规程（一）一般方法和步骤1．分析零件图，确定工艺过程分析内容：材料，形状，尺寸，精度，毛坯形状及热处理等确定是否适宜在数控机床上加工，以及哪种（车铣磨等）确定工艺方法和加工路线，选定刀具和切削用量基本原则：充分发挥机床功效，加工路线短，减少换刀次数。2．运动轨迹的坐标计算（1）根据零件图样尺寸和所确定的加工路线及设定的坐标系，计算出数控机床所需输入的参数，如：起点，终点等；圆刀具：刀具中心轨迹，非圆曲线，进行节点计算。（2）点位控制的一般只需简单的换算；（3）对轮廓控制：如形状简单（直线，圆弧），一般只算出交点，切点；当形状复杂时，通用计算机；3．编写加工程序单：根据计算出的加工路线数据和一确定的工艺参数，刀位参数，结合数控系统对输入信息的要求，按规定的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序单。4．程序输入：手动输入，介质输入，通信输入5．程序校验（二）编程方法1．手工编程：全部由人工完成，运用于形状简单的零件，坐标计算简单，主要直线，圆弧组成的轮廓；2．自动编程：复杂零件，非圆曲线，曲面的表面，或程序量大，或进型复杂的工步与工艺处理的零件（如数控车削，加工中心等）（通用计算机+自动穿孔机）（三）程序编制的有关指令代码*一般以机床说明书为准1．早期使用穿孔纸带，另有磁带，磁盘（或MDI）（1）优点：能清楚的反应数字，文字，符号，最终变成二进制的数字指令机械式代码，便于长期保存存储的程序量大（2）标准纸带五孔（宽17.5mm），用于线切割；八孔（25.4mm），用于数控机床根据孔道上有孔、无孔的不同组合表示各种代码（3）EIA(ElectronicsIndustriesAssociation)和ISO(InternationalOrganizationforStandardization)的主要区别：（4）代码规律：所有数字符在b5和b6有孔；字母字符A-O在b7上有孔；2．数控机床的坐标（1）右手直角坐标系*常以刀具移动时坐标正向为程序编制正向*Z轴坐标：规定平行于主轴轴线的坐标为Z坐标无主轴时，规定平行与工件装夹表面的方向为Z坐标方向；正方向位刀具离开工件方向。*X轴坐标：如刀具旋转，Z轴水平，则从刀具（主轴）向工件看时，X轴的正方向指向右边；Z轴垂直，则从主轴向立柱看：单柱，X轴正向指向右双柱：从主轴向左立柱看，X正向指向右边若工件旋转机床：X轴的运动方向是工件的径向并平行于横向拖板，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴正向。*Y轴坐标：由右手坐标系定Z轴垂直，则从主轴向立柱看：单柱，X轴正向指向右双柱：从主轴向左立柱看，X正向指向右边若工件旋转机床：X轴的运动方向是工件的径向并平行于横向拖板，刀具离开工件旋转中心的方向是X轴正向。*Y轴坐标：由右手坐标系定XZxZY（2）机床坐标系及机床原点1机床坐标系是机床上固有的坐标系，有固定的原点2基准线；基准面3目的：确定机床的运动方向和移动距离，确定工件位置，机床运动部件的特殊位置，（换刀点，参考点等）以及运动范围；4机床原点：由厂商确定*参考点：为缩短返回原点的时间，根据实际加工需要设置机床原点。（3）工件坐标系1以工件设计尺寸为依据建立的坐标系，目的是方便编程；2编程尺寸按工件坐标系中的尺寸确定；3工件原点偏置：测得的工件原点与机床原点之间的距离称为工件原点偏置，加工前预存到数控系统中，加工时，偏置量自动加到工件坐标上，使机床实现准确的坐标运动所以：编程人员可以不考虑工件在机床上的安装位置，直接按图纸尺寸编程。（4）绝对坐标与增量坐标1绝对坐标系：所有坐标点均以某一固定原点计量的坐标系；增量坐标系：以运动轨迹的终点为起点计量的坐标系2绝对坐标：以坐标原点为基准确定的坐标G90G01X30Y403相对坐标：零件上后一点的坐标相对于前一点的增量G91G01X-20Y-10AyXuvBC403030503．G指令、M指令及其他指令（1）准备功能G指令1用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（插补功能），机床坐标系，坐标平面，刀具补偿，坐标偏置等2G00～G99共100种，分模态代码，非模态代码（2）辅助功能M指令1作用：控制机床开、关功能的指令，如：开、停冷却，主轴正反转，程序结束等2M00～M99共100个序号代码组别功能序号代码组别功能1234*G00G01G02G0301快速定位直线差补圆弧差补(顺时针)圆弧差补(逆时针)1718G50G6500坐标系设定,主轴最大速度设定调用宏指令19202122232425G70G71G72G73G74G75G7600精车循环外圆粗车循环端面粗车循环固定形状粗车循环端面钻孔循环外圆车槽循环多头螺纹循环56G04G1000暂停数据设定78G20*G2106英制输入公制输入910*G25G2608主轴速度波动检测断主轴速度波动检测通262728G90G92G9401外圆车削循环螺纹车削循环端面车削循环1112G27G2800参考点返回检查参考点返回13G3201螺纹切削29303132G96*G97G98*G99主轴恒线速控制取消主轴恒线速控制每分钟进给每转进给141516*G40G41G4207取消刀尖半径补偿刀尖半径左补偿刀尖半径右补偿序号代码功能序号代码功能12345678M00M01M02M03M04M05M08M09程序停止选择停止程序结束主轴正转主轴反转主轴停止冷却开冷却关9101112131415M23M24M25M26M30M98M99切削螺纹倒角切削螺纹不倒角误差检测误差检测取消复位并返回程序开始调子程序返回主程序（3）F、S、T指令1F指令——进给速度指令代码法：FXXXX——进给速度的序号直接指定法：F100表进给速度100mm/min——常用2S指令——主轴转速指令（r/min）3T指令：——刀具指