第1章认识数控铣床

1第1章认识数控机床第1节识别数控机床学习单元1识别数控机床学习目标熟悉数控机床的基本概念熟悉数控机床的特点熟悉数控机床的产生了解数控机床的基本工作过程熟悉数控机床的组成知识要求一、何谓数控机床1.数控机床的定义数控（NC）是数字控制（NumericalControl）的简称，是20世纪中叶发展起来的一种用数字化信息进行自动控制的一种方法。装备了数控技术的机床，称为数控机床，也简称为NC机床。国际信息联盟第五技术委员会对数控机床做了如下定义：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令的规定程序。定义中的控制系统就是数控系统。2.数控机床的特点及应用范围（1）数控机床的特点1）加工精度高。数控机床是由精密机械和自动化控制系统组成的，所以其传动系统与机床结构都有较高的精度、刚度、热稳定性及动态敏感度。目前，数控机床的刀具或工作台最小移动量（脉冲当量）普遍达到了0.001mm，中、小型数控机床定位精度普遍可达0.03mm，重复定位精度可达0.01mm。2）生产效率高。加工零件所需时间包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床能有效地减少这两部分时间。在数控加工中心上加工时，一台机床能实现多道工序的连续加工，生产效率的提高更加明显。3）减轻劳动强度、改善劳动条件和劳动环境。4）能产生良好的经济效益。数控机床加工精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。5）有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信号与标准代码作为输入信号，不仅能与计算机通过串行接口直接通讯，还适用于与计算机网络连接，通过计算机远程控制，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础，实现生产管理的现代化。但是，利用数控机床生产加工，初期设备投资大，维修费用高，对管理及操作人员的专业技术素质要求较高。因此，应合理地选择及使用数控机床，提高企业的经济效益和竞争力。（2）数控机床的应用范围数控机床具有一些独特优点，应用范围较广。但数控机床的技术含量要求高、生产成本高，使用和维修都有一定难度，若从性价比考虑，数控机床一般适用于下列加工情况。1）零件批量。在多品种、小批量零件的生产中优先考虑使用数控机床。2）轮廓要求高。结构较复杂、精度要求较高或必须用数字方法决定的复杂曲线、曲面轮廓的零件加工多以数控机床为主。3）试制阶段。在产品需要频繁改型或试制阶段，数控机床可以随时适应产品的变化。24）关键零件。价格昂贵，不允许报废的关键零件可以由数控机床来保证。5）周期短。对于需要最小生产周期的急需零件，数控机床可以缩短加工时间。6）多工序零件。需进行多工序联合加工的零件，如需要进行钻、扩、铰、攻丝及铣削等的箱体、壳体零件，多以数控加工中心来完成。箱体类零件尤其适合于用带回转工作台的卧式加工中心来加工。3.数控机床的产生随着社会生产和科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化，机械产品结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高且改型频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高自动化的要求。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量的要求而产生的。数控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，它是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下：1948年，美国帕森斯公司受美国空军委托与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行数控机床的研制工作，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。但第一台工业用数控机床直到1954年11月才生产出来。1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置。60年代末，采用小型计算机控制的计算机数字控制（简称CNC）系统，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。20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。我国数控机床的研制是从1958年起步的，由清华大学研制出了最早的样机。早期的数控机床因其控制系统采用电子管，体积大，功耗高，只在军事部门应用，只有在微处理机用于数控机床后，才真正使数控机床得到了普及。二、数控机床基本工作过程数控机床工作原理如图1-1所示。首先根据被加工零件的图样，将工件的形状、尺寸及技术要求等，采用手工或计算机按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码及程序格式编成加工程序单，并将这些程序代码存储在穿孔纸带、磁带、磁盘及其他计算机用通信方式等信息载体上（或直接用键盘输入），然后经输入装置，读出信息并送入数字控制装置。数控装置就依照指令带上的数码指令进行一系列地处理和运算，变成脉冲信号，并将其输入驱动装置，带动机床传动机构，机床工作部件有次序地按要求的程序自动进行工作，加工出图样要求的零件。3图1-1数控机床工作原理图1—零件图样2—程序设计3—程序单4—制穿孔带5—穿孔纸带6—纸带盘7—光电读带机8—数控装置9—步进电动机10—滚珠丝杠螺母副数控机床基本工作过程如图1-2所示。图1-2数控机床基本工作过程三、数控机床的组成一台完整的数控机床主要由控制介质（穿孔带、磁带）、数控装置、伺服系统和机床本体四部分及辅助装置组成，如图1-3所示为其基本框图。图1-3数控机床的组成1．控制介质人与数控机床之间建立某种联系的中间媒介物称为控制介质。在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息。因此，控制介质就是指将零件制成零件零件图纸编制加工程序送入CNC装置命令伺服系统驱动机床部件加工4加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机和磁盘驱动器等。除了上述几种控制介质以外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接将程序及数据输入。另外，随着CAD（计算机辅助设计）/CAM（计算机辅助制造）（计算机辅助设计）技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM软件在其它计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。2．数控装置数控装置是数控机床的控制中心，被喻为“中枢系统”，是数控机床最重要的组成部分。数控装置包括输入装置、控制运算器（CPU）和输出装置等构成（见图1-4）。图中虚线内包含部分为数控装置。图1-4数控装置组成图数控装置的功能是接受控制介质上的各种信息，经过识别与译码后，送到运算控制器进行计算处理再经过输出装置将运算控制器发出的控制命令送到伺服系统，带动机床完成相应的运动。目前均采用微型计算机作为数控装置。微型计算机的中央处理单元（CPU）又称为微处理器，是一种大规模集成电路，它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微型计算机中，输入与输出电路也采用大规模集成电路，即所谓的I/O接口。微型计算机拥有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。3．伺服系统伺服系统是数控系统的执行机构，用于将指令信息转换成机床移动部件的运动，它包括驱动、执行和反馈装置。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求与位置、速度反馈信号相比较后带动机床的移动部件或执行部件动作，加工出符合图纸要求的零件。指令信息以脉冲信号表示，反映到机床移动部件上的移动量称为脉冲当量，常用脉冲当量为0.001~0.01mm，脉冲当量在设计数控机床时即已规定。伺服系统直接影响数控机床的工作性能，如速度、位置、加工精度、表面粗糙度等。当前数控机床的伺服系统，常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。后两者都带有光电编码器等位置测量元件，可用来精确控制工作台的实际位移量和移动速度。4．机床本体机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、工作台、床鞍、主轴等。它与普通机床相比较有所改进，具有以下特点：（1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统，机械传动结构简化，传动链较短。（2）机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。5（3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。5．辅助装置辅助装置主要包括换刀机构、工件自动交换机构、工件夹紧机构、润滑装置、冷却装置、照明装置、排屑装置、液压及气动系统、过载保护与限位保护装置等。学习单元2数控机床的分类学习目标熟悉数控机床按控制运动轨迹分类熟悉数控机床按工艺类型分类熟悉数控机床按可控制联动的坐标轴分类熟悉数控机床按伺服系统类型分类了解数控机床按数控装置功能水平分类知识要求一、按控制运动轨迹分类1.点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是控制刀具或机床工作台等移动部件的终点位置，即控制移动部件由一个点准确地移动到另一个点，而点与点之间的运动轨迹没有严格要求。在移动和定位过程中刀具不进行任何切削加工，如图1-5所示。使用这类控制系统的数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机和数控测量机等。图1-5点位数控机床加工示意图1——沿直角坐标方向分两步到达目的点2——沿起点与终点连线直接到达目的点2.直线控制数控机床直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动既要控制起点与终点之间的准确位置，又要控制刀具在这两点之间运动的速度和轨迹。刀具相对工件移动轨迹是平行于机床某一坐标轴的直线方向，刀具在移动过程中进行切削（见图1-6）。使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床和数控磨床等。6图1-6直线数控机床加工示意图3.轮廓切削（连续轨迹）控制数控机床大多数数控机床都具有轮廓切削控制功能，其特点是这类数控机床能控制两个或两个以上的轴，坐标方向同时严格地连续控制，不仅要控制每个坐标的行程，还要控制每个坐标的运动速度，这样可以加工出任意的斜线、曲线或曲面组成的复杂零件（见图1-7）。使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床和数控加工中心等。图1-7轮廓切削数控机床加工示意图特别提示目前，数控车床、数控铣床的运动方式通常采用轮廓切削（连续轨迹）控制。二、按联动轴分类数控机床的计算机数控系统能够控制的坐标数目，反映了计算机数控系统的运算处理能力，联动是指各个坐标轴同时达到空间某一点。按联动轴数控机床可分为以下几种：1.二轴联动数控机床（见图1-8a）如数控车床，加工曲面回转体；某些数控铣床，二轴联动铣削斜面。2.三轴联动数控机床（见图1-8b）如数控铣床和数控加工中心，三轴联动加工曲面零件。3.二轴半联动数控机床（见图1-8c）二轴半联动数控机床是指有3个坐标控制轴（X，Y，Z），其中任意两个轴联动，第三轴作周期性等距运动，如某些数控铣钻床。4.多轴联动数控机床（见图1-8d）多轴联动数控机床是指能四轴或四轴以上联动的数控机床。如多轴联动数控铣床和多轴联动数控加工中心等。五轴联动数控机床通常包含3个移动坐标轴和2个回转坐标轴。特别提示回转坐标轴为A、B、C轴，其旋转轴线分别平行于X、Y、Z坐标轴，旋转运动正方向按右手螺旋法则确定。7图1-8数控机床联动轴数a)二轴联动b)三轴联动c)二轴半联动d)多轴联动三、按工艺类型分类1.金属切削类数控机床金属切削类数控机床发展最早，种类繁多，功能差异大。又可分为普通数控机床和数控加工中心。（1）普通数控机床。一般指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床，与传统的