数控机床基础知识

数控加工基础中国劳动社会保障出版社广东省农垦湛江技工学校第一章数控机床基础知识§1—1数控与数控机床§1—2数控机床的分类和常见数控机床简介§1—3数控机床的加工特点广东省农垦湛江技工学校引入在机械制造工业中，单件与小批量生产的零件（批量在10～100件）约占机械加工总量的75%～80%。尤其是航空航天、造船、机床、重型机械以及国防工业中使用的零件，精度要求高、形状复杂、加工批量小，用普通机床加工这些零件效率低、劳动强度大，有时甚至不能加工。为了解决这些问题，一种具有高精度、高效率、灵活、通用性强的自动化加工设备——数控机床应运而生，它为多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件提供了自动化加工手段。广东省农垦湛江技工学校§1—1数控与数控机床1.1数控与数控机床的概念数控即数字控制（NumericalControl，简称NC），是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信号进行控制的一种方法。数控机床（NumericalControlTool）是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。计算机数控（ComputerNumericalControl）系统是采用计算机控制加工功能，实现数字控制，并通过接口与外围设备连接。简称CNC系统。广东省农垦湛江技工学校图1—11.2数控机床的组成数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服装置、辅助控制装置、检测装置和机床本体组成。如图1—1所示。控制介质数控装置伺服机构辅助控制装置检测装置机床本体主轴箱电气柜控制面板主轴床身工作台冷却液箱广东省农垦湛江技工学校控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置去的程序载体。随数控装置类型的不同而不同，常用的有磁盘、移动硬盘、Flash（U盘）等（见图1—2）。1.控制介质a)b)c)图1—2常用的控制介质a)磁盘b)移动硬盘c)U盘广东省农垦湛江技工学校数控装置是数控机床的核心。如图1—3所示是某数控车床的数控装置。它由输入装置（如键盘）、控制运算器和输出装置（如显示器）等构成。2.数控装置图1—3数控装置广东省农垦湛江技工学校伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动装置和执行部件（如伺服电动机）两大部分组成，如图1—4所示。a)驱动装置b)伺服电动机图1—4伺服机构3.伺服机构广东省农垦湛江技工学校辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。由于可编程控制器（PLC）具有响应快、性能可靠、易于使用、编程和修改程序，并可直接驱动机床电气等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。图1—5所示为某可编程控制器的外观图。4.辅助控制装置图1—5辅助控制装置广东省农垦湛江技工学校检测反馈装置将数控机床各个坐标轴的实际位移量、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到机床的数控装置中。检测装置的检测元件有多种，常用的有直线光栅（见图1—6）、光电编码器（见图1—7）、圆光栅、绝对编码尺等。图1—7光电编码器5.检测装置图1—6直线光栅广东省农垦湛江技工学校机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分，包括主运动部件、进给运动执行部件（如工作台、滑板及其传动部件）和床身、立柱、支承部件等。6.机床本体广东省农垦湛江技工学校1.3数控机床的工作原理数控机床加工零件的工作过程如图1—8所示。加工步骤如下：（1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序段格式编写出加工程序。（2）将所编写加工程序指令输入到机床数控装置中。（3）数控装置对程序（代码）进行处理之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出控制信号。广东省农垦湛江技工学校数控装置伺服机构机床本体图样①②③④⑤程序工件（4）伺服机构接到执行信号指令后，驱动机床的各个运动部件，并控制所需的辅助动作。（5）机床自动加工出合格的零件。广东省农垦湛江技工学校1.4数控机床的坐标系数控机床的坐标系通常分为机床坐标系和编程坐标系。（1）机床坐标系（2）编程坐标系（3）对刀点与换刀点广东省农垦湛江技工学校1.4.1机床坐标系（1）机床相对运动的规定（2）机床坐标系的规定（3）运动方向的规定（4）坐标轴方向的确定（5）机床原点（6）机床参考点广东省农垦湛江技工学校（1）机床相对运动的规定数控机床的加工动作主要分刀具的动作和工件的动作两部分，在确定机床坐标系的方向时，始终认为工件静止，而刀具是运动的。这样编程人员在不考虑机床上工件与刀具具体运动的情况下，就可以依据零件图样，确定机床的加工过程。广东省农垦湛江技工学校（2）机床坐标系的规定标准机床坐标系中X、Y、Z坐标轴的相互关系由右手笛卡儿直角坐标系决定，如图1—10a所示。1）伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90°。大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。2）大拇指的指向为X坐标的正方向，食指的指向为Y坐标的正方向，中指的指向为Z坐标的正方向。3）围绕X、Y、Z坐标旋转的旋转坐标分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，大拇指的指向为Z、Y、Z坐标中任意轴的正向，则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正向，如图1—10b所示。图1—10右手直角坐标系a)b)广东省农垦湛江技工学校(3)运动方向的规定对于机床坐标系的方向，均将增大刀具与工件距离的方向确定为各坐标轴的正方向，如图1—11所示为数控车床上两个运动的方向。广东省农垦湛江技工学校（4）坐标轴方向的确定1）Z坐标的运动方向：是由传递切削的动力的主轴所决定的，即平行于主轴轴线的坐标轴发即为Z坐标，Z坐标的正向为刀具离开工件的方向。如图1—11所示的数控车床的Z坐标。广东省农垦湛江技工学校2）X坐标X坐标平行于工件的装夹平面，一般在水平面内。确定X坐标的方向时，要考虑两种情况：①如果工件做旋转运动，则刀具离开工件回转中心的方向为X坐标的正方向。如图1—11所示的数控车床的X坐标。②如果刀具做旋转运动，则分为两种情况：Z坐标水平时，观察者沿刀具主轴向工件看时，+X运动方向指向右方；Z坐标垂直时，观察者面对刀具主轴向立柱看时，+X运动方向指向右方，如图1—12所示的立式数控铣床的X坐标。图1—12立式数控铣床的坐标系广东省农垦湛江技工学校3）Y坐标在确定X、Z坐标的正方向后，可以用根据X和Z坐标的方向，按照右手直角坐标系来确定Y坐标的方向。如图1—12所示的Y坐标。广东省农垦湛江技工学校（5）机床原点机床原点又称为机床零点，即机床坐标系的原点，是指在机床上设置的一个固定点，它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。1）数控车床的机床原点在数控车床上，机床原点一般设在卡盘端面与主轴中心线的交点处，如图1—13所示。2）数控铣床的原点在数控铣床上，机床原点一般设在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上，如图1—14所示。图1—13数控车床的机床原点图1—14数控铣床的机床原点广东省农垦湛江技工学校（6）机床参考点机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。图1—15所示为数控车床的参考点与机床原点。图1—15数控车床的参考点广东省农垦湛江技工学校1.4.2编程坐标系编程坐标系也称为工件坐标系，是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐标系时不必考虑工件毛坯在机床上的实际装夹位置。编程坐标系的原点（编程原点）应尽量选择在零件的设计基准或工艺基准上，编程坐标系中各轴的方向应该与所使用的数控机床相应的坐标轴方向一致，如图1—16所示为车削零件的编程坐标系及编程原点。图1—16编程坐标系广东省农垦湛江技工学校1.4.3对刀点与换刀点对刀点是数控加工中刀具相对工件运动的起点，程序也是从这一点开始执行，所以对刀点也称为“起刀点”或“程序起点”。对刀点选择的原则如下：（1）找正容易。（2）编程方便。（3）对刀误差小。（4）加工时检查方便、可靠。广东省农垦湛江技工学校广东省农垦湛江技工学校§1—2数控机床的分类和常见数控机床简介1.2.1数控机床的分类1.按控制运动的方式分类(1)点位控制数控机床(2)直线控制数控机床(3)轮廓控制数控机床广东省农垦湛江技工学校(1)点位控制数控机床点拉控制数控机床的特点是只控制从一点到另一点位置的精确定位,而不控制移动轨迹,在移动和定位过程中不进行任何加工,如图1—19所示。广东省农垦湛江技工学校(2)直线控制数控机床直线控制数控机床也自然数为点位直线控制机床。其特点是机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确定位，而且要控制工作台以给定的速度，沿平行坐标轴方向进行直线切削运动（有些机床还可以进行45°斜率直线的加工），如图1—20所示。广东省农垦湛江技工学校(3)轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床是对两个或两个以上轴同时进行控制。它不仅要控制机床移动部件的起点和终点，而且要控制加工过程中每一点的速度、方向和位移量，运动轨迹是任意的直线、圆弧、螺旋线等，将工件加工成一定的轮廓形状，如图1—21所示。广东省农垦湛江技工学校图1—20直线控制加工图图1—21轮廓控制加工图广东省农垦湛江技工学校2.按伺服系统的特点分类（1）开环控制数控机床开环控制数控机床的特点是其控制系统不带反馈装置，执行机构通常采用功率步进电动机或电流脉冲马达，如图1—22所示。广东省农垦湛江技工学校（2）闭环控制数控机床闭环控制数控机床的特点是在机床移动部件上直线安装直线位移检测装置（如直线光栅等），将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用比较的差值对机床进行控制，直至差值消除为止，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位，从而使加工精度大大提高。广东省农垦湛江技工学校（3）半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，与输入的指令位移值进行比较，用比较的差值对机床进行控制。广东省农垦湛江技工学校图1—24半闭环电路图图1—23闭环电路图广东省农垦湛江技工学校3.按数控机床的显示分类（1）低档数控机床（2）中档数控机床（3）高档数控机床广东省农垦湛江技工学校1.2.2常见数控机床简介1.数控车床数控车床一般具有两轴联动功能，Z轴是与主轴方向平行的运动轴，X轴是在水平面向内与主轴方向垂直的运动轴。图1—25所示为一台数控车床的外观图。广东省农垦湛江技工学校图1—25数控车床广东省农垦湛江技工学校2.数控铣床世界上第一台数控机床就是数控铣床，它适于加工三维复杂曲面，在汽车、航空航天、模具等行业被广泛采用。图1—26所示为数控铣床，随着时代的发展，数控铣床趋于加工中心。图1—26数控铣床广东省农垦湛江技工学校3.加工中心数控加工中心是具有自动刀具交换装置，并能进行多种工序加工的数控机床。在其上工件可在一次装夹中进行铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹等多工序的加工。图1—27立式加工中心广东省农垦湛江技工学校4.数控磨床数控磨床主要用于加工高硬度、高精度表面，可分为数控平面磨床、数控内圆磨床、数控轮廓磨床等。广东省农垦湛江技工学校5.数控钻床数控钻床主要具备钻孔、攻螺纹等功能，同时也具备简单的铣削功能，刀库可存放多种刀具。数控钻床可分为数控立式钻床和数控卧式钻床。图1—28所示为一台数控立式钻床外观图。图1—28数控立式钻床广东省农垦湛江技工学校6.数控电火花成形机床数控电火花成形机床属于一种特种加工机床。其工作原理是利用两个不同极性的电极在绝缘液体中产生放电现象，去除材料进而完成加工。图1—29所示为一台数控电火花成形机床的外观图。图1—29数控电火花成形机床广东省农垦湛江技工学校7.数控线切割机床数控线切割机床的工作原理与数控电火花成形机床一样，其电极是电极丝，加工液一般采用去离子水。图1—30所示为一台数控线切割机床的外观图。图1—30数控线切割机床广东省农垦湛江技工学校§1—3数控机床的加工特点一.加工精度高二.对加工对象的适应性强三.自动化程度高