第十二章数控加工

第12章数控加工前言12.1概述12.2数控车床操作方法12.3数控铣床操作方法12.4数控加工中心操作方法12.5数控加工实习安全技术复习思考题前言学习完本章内容，应该掌握如下内容:了解数控加工与传统加工方法的主要区别，重点比较相同工件采用两种不同工艺方法加工时的效果和优缺点;了解数控机床的工作原理、组成部分及其各部分的作用，学习并掌握数控编程的基本规定和基本方法;学习了解一、二种数控机床(数控车、数控铣、数控雕刻机、加工中心机床等)的零件加工工艺过程，独立编制简单零件的数控加工程序，完成该零件的数控加工操作实习全过程。返回12.1概述12.1.1数控加工的特点数控加工是指通过手工编程或自动编程的方法，将机械加工过程及其所需信息预先输入计算机数控系统，由计算机数控系统控制数控机床自动加工出所需零件的一种自动化加工技术。与传统加工方法比较，数控加工具有加工精度高、重复精度好、产品质量稳定、生产效率高、加工适应性强、设备的柔性和经济性较好等许多优点。数控技术的推广使用，改善了工人的劳动条件，有利于推行现代化生产管理，它是机械加工现代化的一项关键性技术。12.1.2数控机床的组成数控机床由机床主体、伺服系统和数控装置三大部分组成。1.机床主体大多数情况下，数控机床主体与普通机床的布局形式大致相似，但也有其设计特点。下一页返回12.1概述例如，数控车床主体仅包括主轴箱、导轨、床身、尾座等部件，取消了进给箱、小拖板、光杠等传统部件，改为由两个伺服电机分别拖动纵向、横向走刀丝杠的传动方案，此外，将四方刀架也改为多工位自动回转刀架等。2.伺服系统在数控机床中，伺服系统的作用是接收计算机发出的进给脉冲信号，加以放大和驱动处理，由执行元件带动机床完成所需的进给运动，加工出符合图样要求的零件。3.数控装置数控装置由键盘、计算机、监视器、输入输出控制器、驱动电源等组成，它的作用是根据数控加工程序的要求，进行信息处理和大量的计算，然后将运算结果传送到相应的伺服驱动机构中，指挥机床各部件协调运动，进行加工。上一页下一页返回12.1概述12.1.3数控机床的分类数控机床的品种规格种类繁多，常按以下三种方法进行分类。1.按工艺用途分类按工艺用途分类，数控机床可分为普通数控机床和数控加工中心机床两大类。普通数控机床有:数控车床、数控铣床、数控锁床、数控磨床、数控钻床、数控冲床、数控齿轮加工机床、数控电火花加工机床等。数控加工中心机床是在普通数控机床基础上进行功能打一充复合、精化改造的带有刀库和自动换刀装置的较高档数控机床2.按运动轨迹分类1)点位控制点位控制如图12-1所示，只要求控制刀具从一个点移动到另一个点的定位准确，不控制运动轨迹，刀具移动过程中不加工。上一页下一页返回12.1概述这类机床主要有数控钻床、数控冲床等。2)点位直线控制点位直线控制如图12-2所示，除要求点与点之间的准确定位外，还可以保证刀具运动轨迹是某一特定斜率的直线，并能沿该直线控制刀具以不同的进给速度移动。这类机床主要有数控电火花机床、仅沿单一方向走刀的简易数控车床、简易数控铣床等。3)轮廓控制轮廓控制如图12-3所示，它能对两个以上运动坐标轴的位移和速度同时进行连续相关控制，不仅要求点与点之间的准确定位，而且要控制整个加工过程的每一点的速度、方向和位移量，也称连续控制。轮廓控制的运动轨迹可以是直线，也可以是曲线，刀具运动过程中同时切削工件。这类机床主要有如数控车床、数控铣床、加工中心机床、数控线切割机床等。按控制方式分类1)开环控制系统开环控制系统没有检测反馈补偿装置，机床的结构简单，价格低廉，加工精度较低，常用于低档数控车床和普通车床的简易数控化改造等。上一页下一页返回12.1概述2)闭环控制系统闭环控制系统的机床，在其移动部件(工作台)上装有高精度检测反馈补偿装置，这类机床可以达到极高的加工精度，但机床的结构复杂，价格昂贵，生产成本高。3)半闭环控制系统半闭环控制系统的机床，在其电机轴或丝杠轴上装有角位移检测反馈补偿装置，其性价比介于前两者之间。日前在生产中使用的数控机床，绝大多数都是半闭环控制系统的数控机床.12.1.4数控机床的坐标系1.数控机床坐标系的统一规定按照ISO标准及我国JB3051-1982《数控机床坐标和运动方向命名》标准，数控机床坐标系的统一规定为:①数控机床的坐标系采用右手笛卜儿直角坐标系;②一律视为工件静止、刀具相对于工件移动来完成数控加工;③规定取刀具移动远离工件的方向，作为数控机床坐标轴的正方向。上一页下一页返回12.1概述按上述标准的统一规定，数控车床以主轴的径向为X轴方向，以主轴的轴向为Z轴方向;数控铣床以工作台的纵向为X轴方向，以工作台的横向为Y轴方向，以主轴的轴向为z轴方向，如图12-4所示。需要指出的是，图中所示箭头方向均表示工件假想静止时，刀具相对于工件的移动方向。由于数控铣床加工的实际情况是工件移动但刀具不移动，故以X′、Y′、Z′，表示工件的移动方向，其换算关系为:X′=一X;Y′=一Y;Z′=一Z。2.机床坐标系、机床原点、机床参考点机床坐标系是数控机床固有的坐标系，其坐标轴及其正方向按前述标准统一规定，机床原点则由机床制造厂在出厂之前设置，并在机床说明书中加以注明，用户无权自行修改。上一页下一页返回12.1概述机床制造厂通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点，它可以与机床原点重合，也可以不重合。机床参考点又称机床零点。数控机床上电时并不知道机床零点的位置，因此上电后需要进行“回参考点”操作，以正确建立机床坐标系。3.工件坐标系、程序原点、对刀点工件坐标系是编程时由编程人员在工件上任取一点作为坐标原点所建立的坐标系。工件坐标系的原点简称工件原点，也称工件零点、编程零点或程序原点，其位置由编程者自行设定，一般设定在零件图纸上尺寸标注的基准位置处。例如:对称零件或以同心圆为主的零件，X轴的程序原点应选在对称中心线上，z轴的程序原点应选在工件的某一个端血位置。工件坐标系一旦建立，就一直后续有效，直到被新的工件坐标系所取代替换为止。上一页下一页返回12.1概述在机床回参考点之后开始数控加工之前，数控机床还必须完成“对刀”操作。对刀的日的，是向计算机数控系统输入刀具当前位置的坐标参数值，以建立刀具与工件在机床坐标系中的正确坐标联系。对刀的方法有许多种，其日的和原理也都是大致相同的;对刀点的位置可以选择与程序原点重合，也可以选择其他任何方便操作的点，但该点与程序原点之间必须具有确定的坐标关系。4.绝对坐标编程与增量坐标编程以工件坐标系中的坐标值进行数控编程，称为绝对坐标方式编程，用G90指定;以刀具当前位置为原点建立一个平行于工件坐标系的相对坐标系，以这个相对坐标系中的坐标值进行数控编程，称为增量坐标方式编程，用G91指定.上一页下一页返回12.1概述12.1.5数控加工编程1.数控编程的方法数控编程的方法有两种:手工编程和自动编程。1)手工编程手工编程时，编程的各个步骤均由人工完成，适用于形状不太复杂的简单几何零件加工。手工编程的工作量大、容易出错，很难满足实际生产需要，对于一些复杂零件、特别是具有曲面的零件等，常需采用自动编程.2)自动编程自动编程也称计算机辅助编程，是编程人员采用APT语言或采用人机交互方式编写源程序并输入计算机，然后采用人机交互方式指定加工部位、走刀路径、加工环境条件等技术参数，由计算机自动完成数控加工程序编制的方法。常用的自动编程系统软件有Pro/Engineer,UG,MasterCAM和CAXA等。自动编程方法可以大大减轻编程人员的劳动强度，缩短编程时间，提高编程精度和效率，已在生产中获得广泛使用.上一页下一页返回12.1概述2.数控程序格式数控程序格式指程序和程序段的书写规则。数控机床的程序段格式通常有三种，日前国内外广泛采用的是“字地址可变长度程序段”格式，其示例为:NO5+G02·X土043+y土043+Z土043+F04+S04+T03+M02+LF。数控程序段格式规定:由NO5(开头)至LF(结束)之间的若干个指令字构成一条“程序段”，表示需要同时执行的机床运动或操作;由若干条程序段构成“数控加工程序”，表示一个零件的某一部分完整的加工过程。数控程序格式规定:一个完整的数控加工程序由程序名、程序主体、程序结束三部分组成，用于实现零件某一加工部位的连续自动加工。其中，程序主体由许多条程序段按程序段号(NOS)的大小顺序依次排列组成，每一条程序段又由程序段号、准备功能字、尺寸字、进给功能字、主轴功能字、刀具功能字、辅助功能字、程序段结束符等组成.上一页下一页返回12.1概述3.准备功能G指令常用的功能指令包括准备功能指令(G指令)和辅助功能指令(M指令)，它们的指令功能通常有统一规定，可以在指令表中查找.准备功能G指令代码的功能如表12一1所示，主要用于定义加工方式、坐标系选择、坐标平面选择、刀具半径补偿、刀具长度补偿等机床操作功能。必须注意，在不同的机床数控系统中，同一个G指令代码的功能可能完全不同，我们在编写数控加工程序时需要认真阅读数控机床的编程说明书，严格按说明书的规定编写程序，防止产生重大失误和事故。上一页下一页返回12.1概述上一页下一页返回12.1概述上一页下一页返回12.1概述上一页下一页返回12.1概述4.辅助功能M指令辅助功能M指令代码的功能如表12一2所示，是用于控制机床辅助操作的一类命令，如开、停切削液泵，主轴正转、反转、停转，以及程序结束等1)M02,M30程序结束指令。其中，M30可使数控加工程序返回起始点2)M03,M04,MO5主轴顺时针旋转、逆时针旋转、停转指令3)M06换刀指令，执行自动换刀动作。4)M98,M99子程序调用指令。M98用于从主程序中调用子程序;M99用于子程序结束返回主程序。5.子程序的使用子程序的编程格式为:M98P______L______;其中P后的数字为子程序号，L后的数字为子程序调用次数。L的默认值为1,即调用一次.上一页下一页返回12.1概述6.S,F,T指令1)S指令主轴速度指令。由地址S和后面的数字表示，单位常用m/min或r/min2)F指令进给速度指令。由地址F和后面的数字表示，单位常用mm/min或mm/r切削螺纹时用)。3)T指令刀具选择指令。由地址T和后面的2~4位数字表示。T后的数字为待使用的新刀刀具号，或表示待用的新刀具在刀库或刀塔上的位置。上一页返回12.2数控车床操作方法12.2.1数控车床的组成数控车床是日前使用较为广泛的数控机床。如图12-5所示为经济型数控车床简图，它的数控系统包括数控计算机、控制电源、伺服电机、编码器、显示器等;它的机床本体包括床身、主轴箱、电动回转刀架、进给传动系统、冷却系统、润滑系统、安全保护系统等12.2.2数控车床加工工艺的制定在数控车床上加工零件时，制定数控加工工艺的方法与步骤如下:(1)分析零件图样，明确技术要求和加工内容(2)确定工件坐标系原点位置。在一般情况下，Z轴应设置为与工件的回转中、自线重合，x轴的零点应设置为在工件的右端面上。下一页返回12.2数控车床操作方法(3)确定数控加工工艺路线。首先确定刀具的起始点位置:该起始点应有利于安装和检测工件;同时，该起始点一般也作为加工的终点。其次确定粗、精车的走刀路线:在保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，应尽可能使加工总路线为最短。最后确定换刀点位置:换刀点位置可以设置为与刀具的起始点重合，也可以设置为不重合，应以在自动换刀过程中不发生干涉为原则。(4)选择合理的切削用量。主轴转速S根据刀具材料而定，大致范围为30~2000r/min,应同时参考工件材料和加工性质(粗、精加工)选取。进给速度F根据零件的加工精度和加工性质而定，大致范围:粗加工为0.2~0.3mm/r，精加工为0.08~0.18mm/r，快速移动为100~2500mm/min·背吃刀量。，