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1)高精度。
2)高效率。
3)高柔性。
4)高可靠性。
5)工艺能力强。
6)模块化设计。
(2)发展趋势:
1)进一步提高主轴转速、刀架移动速度以及转位、换刀速度;
2)工艺和工序将更加复合化和集中化;
3)多主轴、多刀架加工;
4)全自动化;
5)更高加工精度;
6)数控车床也向简易型发展。
2、数控车床的分类
按数控系统的功能不同分为:
(1)经济型数控车床
特点:
它一般是在普通车床的基础上进行改进设计,并采用步进电动机驱动的开环伺服系统。
其控制部分采用单板机、单片机或档次比较低的数控系统来实现。
此类车床结构简单,价格低廉。
但无刀尖圆弧半径自动补偿和恒线速度切削等功能。
(2)全功能型数控车床
全功能型数控车床就是通常所说的“数控车床”,又称标准型数控车床,即它的控制系统是标准型的,带有高分辨率的CRT显示器以及各种显示、图形仿零点、刀具补偿等功能,而且还有通信或网络接口。
全功能型数控车床采用闭环或半闭环控制的伺服系统,可以进行多个坐标轴的控制,具有高刚度、高精度和高效率等特点。
(3)车削中心
车削中心是以全功能型数控车床为主体,并配置有刀库、换刀装置、分度装置、铣削动力头和机械手等,以实现多工序复合加工的机床。
在工件一次装夹后,它可完成回转类零件的车、铣、钻、铰、攻螺纹等多种加工工序。
其功能全面,但价格较高。
(4)FMC车床。
它实际上是一个由数控车床、机器人等构成的柔性加工单元。
它能实现工件搬运、装卸的自动化和加工调整准备的自动化。
4.1.2数控车床的组成及布局
1、数控车床的组成和配置
数控车床机械结构由主轴传动机构、进给传动机构、工作台、床身等部分组成,数控车床本体结构特点:
(1)采用高性能的主轴部件。
具有传递功率大、刚度高、抗振性好及热变形小等优点。
(2)进给伺服传动采用高性能传动件,具有传动链短、结构简单、传动精度高等特点,一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。
(3)有较完善的刀具自动交换和管理系统。
(4)车床的机械结构还有辅助装置,主要包括刀具自动交换机构、润滑装置、切削液装置、排屑装置、过载与限位保护功能等部分。
2.数控车床的结构布局特点
(1)床身结构形式:
水平床身、倾斜床身以及水平床身斜滑板、立式床身。
水平床身特点:
加工工艺性好,其刀架水平放置,有利于提高刀架的运动精度,但这种结构床身下部空间小,排屑困难。
中小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构,优点:
1)机床外形美观,占地面积小:
2)易于排屑和冷却液的排流;
3)便于操作者操作和观察;
4)易于安装上下料机械手,实现全面自动化;
5)可采用封闭截面整体结构,以提高床身的刚度。
(2)数控车床多采用自动回转刀架,刀架工位数量有限。
(3)数控车削中心一般具有C轴控制。
4.1.3数控车床的操作
4.2数控铣床
4.2.1数控铣床概述
1、数控铣床的功能特点
各类数控系统不同,其功能也不相同,除具有各自的特点以外,常具有以下功能:
(1)点位控制功能。
(2)连续轮廓控制功能。
(3)刀具半径自动补偿功能。
(4)刀具长度自动补偿功能。
。
(5)镜像加工功能。
(6)固定循环功能。
(7)特殊功能。
2、数控铣床的分类
(1)按机床主轴的布置形式及机床的布局特点分为:
立式、卧式和立卧两用式三种。
1)立式数控铣床
主轴轴线垂直于水平面。
是数控铣床中最常见的一种布局形式,应用范围最广泛,其中以三轴联动铣床居多。
应用:
主要用于水平面内的型面加工,增加数控分度头后,可在圆柱表面上加工曲线沟槽。
2)卧式数控铣床
主轴线平行于水平面。
主要用于垂直平面内的各种上型面加工,配置万能数控转盘后,还可以对工件侧面上的连续回转轮廓进行加工,并能在一次安装后加工箱体零件的四个表面。
通常采用增加数控转盘来实现四轴或五轴加工。
3)立卧两用式数控铣床。
立卧两用式数控铣床的主轴轴线方向可以变换,既可以进行立式加工,又可以进行卧式加工,使用范围更大,功能更强。
若采用数控万能主轴(主轴头可以任意转换方向),就可以加工出与水平面成各种角度的工件表面;
若采用数控回转工作台,还能对工件实现除定位面外的五面加工。
(2)按控数系统的功能分类:
简易型数控铣床、普通数控铣床、数控仿形铣床、数控工具铣床。
1)简易型数控铣床
简易型数控铣床是在普通铣床的基础上,对机床的机械传动结构进行简单的改造,并增加简易数控系统后形成的。
这种数控铣床成本较低,自动化程度和功能都较差,一般只有X、Y两坐标联动功能,加工精度也不高。
可以加工平面曲线类和平面型腔类零件。
2)普通数控铣床
普通数控铣床可以三坐标联动。
用于各类复杂的平面、曲面和壳体类零件的加工,如各种模具、样板、凸轮和连杆等。
3)数控仿形铣床
主要用于各种复杂型腔模具或工件的铣削加工,特别对不规则的三维曲面和复杂边界构成的工件更显示出其优越性。
4)数控工具铣床
数控工具铣床是在普通工具铣床的基础上,对机床的机械传动系统进行了改造,并增加了数控系统,从而使工具铣床的功能大大增强。
这种铣床适用于各种工装、刀具对各类复杂的平面、曲面零件的加工。
4.2.2数控铣床的组成及布局
4.2.2.1数控铣床的组成
数控铣床的机械结构,除铣床基础部件外,由下列各部分组成:
①主传动系统;
②进给系统;
③实现工件回转、定位的装置和附件;
④实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置,如液压、气动、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置;
⑤刀架或自动换刀装置(ATC);
⑥自动托盘交换装置(APC);
⑦特殊功能装置,如刀具破损监控、精度检测和监控装置;
⑧为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。
4.2.2.2数控铣床的布局
1、工件的重量和尺寸与布局的关系可以有四种不同的布局方案:
(了解)
(1)工件进给运动的升降台铣床
(2)铣头垂直进给运动的升降台铣床
(3)工件一个方向进给运动的龙门式数控铣床
(4)铣头垂直进给运动的龙门式数控铣床
2、运动的分配与部件的布局
一般需要对工件的顶面进加工,则铣床主轴应布局成立式的。
一般需要对工件的多个侧面进行加工,则主轴应布局成卧式的。
3、铣床的布局与结构性能
数控铣床的布局应能兼顾铣床有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定性等结构性能。
运动要求与加工功能相同的数控机床,结构的总体布局不同,结构性能是有差异的。
T形床身布局的优点:
刚性好
框式立柱布局的优点:
热变形对加工精度的影响小
4.2.3数控铣床的操作
4.3加工中心
4.3.1加工中心概述
1、加工中心的特点和用途
最突出特点:
加工中心设置有刀库并能换刀具。
这是它与数控铣床、数控镗床等机床的主要区别。
能在一次装夹后实现多表面、多特征、多工位的连续、高效、高精度加工,即工序集中。
用途:
加工中心承担精密、复杂的多任务加工。
加工中心既可以单机使用,也能在计算机辅助控制下多台同时使用,构成柔性生产线,还可以与工业机器人、立体仓库等组合成无人化工厂。
2、加工中心的分类
1)按主轴在加工时的空间位置进行分类
(1)卧式加工中心
卧式加工中心的主轴轴线为水平设置。
卧式加工中心具有3~5个运动坐标,常见的是三个直线运动坐标加一个回转运动坐标(回转工作台),它能在工件一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工。
分类:
固定立柱式和固定工作台式。
最适合加工箱体类工件。
(2)立式加工中心
立式加工中心主轴的轴线为垂直设置。
立式加工中心多为固定主柱式,工作台为十字滑台方式,一般具有三个直线运动坐标,也可以在工作台上安装一个水平轴(第四轴)的数控转台,用来加工螺旋线类工件。
适合于加工盘类工件,配合各种附件后,可满足各种工件的加工。
(3)五面加工中心
五面加工中心具有立式和卧式加工中心的功能,通过回转工作台的旋转和主轴头的旋转,能在工件一次装夹后,完成除安装面以外的所有五个面的加工。
优点:
可以使工件的形位误差降到最低,省去二次装夹的工装,提高生产效率,降低加工成本。
2)按功能特征进行分类
(1)镗铣加工中心
以镗、铣加工为主。
适用于加工箱体、壳体以及各种复杂零件的特殊曲线和曲面轮郭的多工序加工。
(2)钻削加工中心
以钻削加工为主,刀库形式以转塔头形式为主。
适用于中小零件的钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及连续轮廓的铣削等多工序加工。
(3)复合加工中心
复合加工中心除用各种刀具进行切削外,还可使用激光头进行打孔、清角,用磨头磨削内孔,用智能化在线测量装置检测、仿型等。
3)按运动坐标数和同时控制的坐标数进行分类
加工中心有三轴二联动、三轴三联动、四轴三联动、五轴四联动、六轴五联动、多轴联动直线+回转+主轴摆动等。
4)按工作台的数量和功能进行分类
(1)单工作台加工中心
(2)双工作台加工中心
(3)多工作台加工中心
5)按主轴种类进行分类
按主轴种类分有单轴、双轴、三轴和可换主轴箱的加工中心。
7)、按自动换刀装置进行分类
(1)转塔头加工中心
(2)刀库+主轴换刀加工中心
(3)刀库+机械手+主轴换刀加工中心
(4)刀库+机械手+双主轴转塔头加工中心
4.3.2加工中心的组成和布局
1、加工中心的组成:
(1)基础部件
(2)主轴部件
(3)数控系统
(4)自动换刀系统(ATC)
(5)辅助系统
(6)自动托盘交换系统(APC)
4.3.3加工中心的操作
4.4并联机床
4.4.1并联机床概述(虚轴机床)
1、传统机床的串联机构
一般传统机床可看作是—个空间串联机构。
2、并联机床的并联机构
是一种空间并联连杆机构。
人们将这种机构称为Stewart平台。
并联机床的基本结构是一个动平台、一个定平台和六根长度可变的连杆,动平台上装有机床主轴和刀具,定平台(或者与定平台固连的工作台)上安装工件,六根杆实际是六个滚珠丝杠螺母副,它们将两个平台连在一起,同时将伺服电动机的旋转运动转换为直线运动,从而不断改变六根杆的长度,带动动平台产生六自由度的空间运动,使刀具在工件上加工出复杂的三维曲面。
3、优点:
并联机床在刚性、加工效率等方面,有着无可比拟的优势。
而且机械结构比同等功能的传统机床简单,便于制造,有利于降低制造成本。
1.数控车床的主要技术参数
数控机床的技术参数,反映了机床的性能及加工范围,表4.2为CJK6240型数控车床的主要技术参数;
表4.2CJK6240型数控车床的主要技术参数
名称
参数
机床型号
CJK6240
刀架的最大X向行程
230mm
数控系统
SIMENS802S
刀架的最大Z向行程
850mm
床身的最大回转直径
410mm
主轴转速
12级32~2000r/min
最大车削直径
380mm
进给速度
X向3~1500mm/min
滑板上最大回转半径
180mm
Z向6~3000mm/min
最大车削长度
脉冲当量
X向0.005
刀架工位数
4(回转式)
Z向0.01
2.数控车床的操作面板、控制面板及软件功能
由于数控车床的配置上的差异,操作和控制面板的布局也各不相同。
现以CJK6240型数控车床(SINUMERIK802S数控系统)配置为例,介绍机床操作面板、控制面板及软件功能。
(1)操作面板SINUMERIK802S的操作面板如图4.7所示。
图4.7SINUMERIK802S超薄操作面板OP020
(2)机床控制面板
机床的控制面板如图4.8所示。
图4.8控制面板
(3)屏幕划分
SINUMERIK802S系统的显示屏幕如图4.9所示,各区域的功能见表4.3。
12347
65
8
910
12
11
图4.9屏幕划分
表4.3屏幕符号说明
图中元素
缩略符
含义
1.当前操作区域
MA、PA、PR、DI、DG
加工、参数、程序、通讯、诊断
2.程序状态
STOP、RUN、RESET
程序停止、程序运行、程序复位
3.运行方式
JOG、MDA、AUTO
点动方式;
手动输入、自动执行;
自动方式
4.状态显示
SKP
程序段跳跃
DRY
空运行
ROV
快进修调。
修调开关对于快速进给也生效
SBL
单段运行。
只有处于程序复位状态时才可以选择
M1
程序停止。
运行到有M01指令的程序段时停止运行
PRT
程序测试(无指令给驱动)
1…1000INC步进增量
步进增量:
JOG运行方式时显示所选择的步进增量。
5.操作信息
1~23
分别表示机床的各种状态
6.程序名
正在编辑或运行的程序
7.报警显示行
只有在NC或PLC报警时才显示报警信息,在此显示的是当前报警的报警号以及其删除条件
8.工作窗口
工作窗口和NC显示
9.返回键
软键菜单中出现此键符时表明存在上一级菜单。
按下返回键后,不存储数据直接返回到上一级菜单
10.扩展键
出现此符号时表明同级菜单中还有其他菜单功能,按下扩展键后,可选择这些功能
11.软键
其功能显示在屏幕的最下边一行
12.垂直菜单
出现此符号时表明存在其他菜单功能,按下此键后这些菜单显示在屏幕上,并可用光标进行选择
(4)操作区域
控制器中的基本功能可以划分为加工、参数、编程、通讯和诊断五个操作区域。
系统开机后首先进入“加工”操作区,使用“区域转换”键可从任何操作区域返回主菜单。
如图
4.10所示。
图4.10SINUMERIK802S/C操作区域
(5)软件功能简要描述
SINUMERIK802S的软件功能如图4.11所示。
图4.11SINUMERIK802S软件功能
3.数控车床的操作方法及步骤
这部分内容将在实训时具体学习。
1、工件的重量和尺寸与布局的关系
由于加工中需要的运动仅仅是相对运动,因此,对部件的运动分配可以有多种方案。
图4.14所示为数控铣床总体布局示意图,可见同是用于铣削加工的铣床,根据工件的重量和尺寸的不同,可以有四种不同的布局方案。
图4.14数控铣床总体布局示意图
(a)工件进给运动的升降台铣床;
(b)铣头垂直进给运动的升降台铣床
(c)工件一个方向进给运动的龙门式数控铣床;
(d)铣头垂直进给运动的龙门式数控铣床
图4.14(a)所示的是加工工件较轻的升降台铣床,由工件完成三个方向的进给运动,分别由工作台、滑鞍和升降台来实现。
当加工工件较重或者尺寸较高时,则不宜由升降台带着工件进行垂直方向的进给运动,而是改由铣头带着刀具来完成垂直进给运动,如图4.14(b)所示。
这种布局方案,铣床的尺寸参数即加工尺寸范围可以取得大一些。
图4.14(c)所示的是龙门式数控铣床,其工作台载着工件进行一个方向上的进给运动,其他两个方向的进给运动由多个刀架即铣头部件在立柱与横梁上的移动来完成。
这样的布局不仅适用于重量大的工件加工,而且由于增多了铣头,使铣床的生产效率得到了很大的提高。
当加工更大、更重的工件时,由工件进行进给运动在结构上是难于实现的,因此采用如图5.14的布局方案,全部进给运动均由铣头运动来完成,这种布局形式可以减小铣床的结构尺寸和重量。
数控铣床的运动数目,尤其是进给运动数目的多少,直接与表面成型运动和铣床的加工功能相关。
运动的分配与部件的布局是铣床总布局的中心问题。
以数控镗铣床为例,它一般都有四个进给运动的部件,要根据加工的需要来配置这四个进给运动部件。
如果需要对工件的顶面进加工,则铣床主轴应布局成立式的,如图4.15(a)所示。
在三个直线进给坐标之外,再在工作台上加一个既可立式也可卧式安装的数控转台或分度工作台作为附件。
如果需要对工件的多个侧面进行加工,则主轴应布局成卧式的,同样是在三个直线进给坐标之外再加一个数控转台,以便在一次装夹时集中完成多面的铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多工序加工,如图4.15(b)、4.15(c)所示。
图4.15数控铣床运动与结构的关系
(a)立式;
(b)立、卧两用式(c)卧式
图4.16所示的几种数控卧式铣床,其运动要求与加工功能是相同的,但因结构的总体布局各不相同,所以其结构性能是有差异的。
图4.16数控铣床布局与结构性能的关系
(a)立柱和X向横床身对称的T形床身布局(b)立柱偏在Z向滑板中心一侧的T形床身布局
(c)立柱偏在Z向滑板中心一侧的十字形工作台布局(d)立柱和X向横床身对称的十字形工作台布局
图4.16(a)与4.16(b)的方案采用了T形床身布局,前床身横置并与主轴轴线垂直,立柱带着主轴箱一起作Z坐标进给运动,主轴箱在立柱上作Y向进给运动。
T形床身布局的优点是:
工作台沿前床身方向作X坐标进给运动,在全部行程范围内工作台均可支撑在床身上,故刚性较好,提高了工作台的承载能力,易于保证加工精度,而且有较长的工作行程,其床身、工作台及数控转台为三层结构,在相同的台面高度下,比图4.16(c)和4.16(d)的十字形工作台的四层结构更易保证大件的结构刚性;
在图4.16(c)和4.16(d)的十字形工作台的布局方案中,当工作台带着数控转台在横向(即X向)作大距离移动和下滑板作Z向进给时,Z向床身的一条导轨要承受很大的偏载,而在图4.16(a)、4.16(b)和4.16(c)中就没有这一问题。
在图4.16(a)和4.16(b)中,主轴箱装在框式立柱中间,设计成对称形结构;
在图4.16(b)和4.16(c)中,主轴箱悬挂在单立柱的一侧。
从受力变形和热稳定性的角度分析,这两种方案是不同的:
框式立柱布局要比单柱布局少承受一个扭转力矩和一个弯曲力矩,因而受力后变形小,有利于提高加工精度;
框式立柱布局的受热与热变形是对称的,因此,其热变形对加工精度的影响小。
所以一般数控镗铣床和自动换刀数控镗铣床大都采用这种框式立柱的结构形式。
在这四种部布局方案中,都应该使主轴承心线与Z向进给丝杠布置在同一个平面YOZ内,这样就使丝杠的进给驱动力与主切削抗力在同一平面内,因而扭曲力矩很小,容易保证铣削精度和镗加工的平行度。
但是在图4.16(a)和4.16(b)中,立柱和X向横床身是对称的。
立柱带着主轴箱作Z向进给运动的优点是能使数控转台、工作台和床身为三层结构。
但是当铣床的尺寸规格较大,立柱较高较重,再加上主轴箱部件,将使Z轴进给的驱动功率增大,而且立柱过高时,部件移动的稳定性将变差。
综上所述,在加工功能与运动要求相同的条件下,数控铣床的总体布局方案是多种多样的,以铣床的刚度、抗振性和热稳定性等结构性能作为评价指标,可以判别出布局方案的优劣。
4.2.3.1数控铣床(XK5025)的技术参数
XK5025数控立式升降台铣床,配有FAANUC0-MD数控系统,采用全数字交流伺服驱动。
加工时,按照待加工零件的尺寸及工艺要求,编制成数控加工程序,通过控制面板上的操作键盘输入计算机,计算机经过处理发出脉冲信号,该信号经过驱动单元放大后驱动伺服电机,实现铣床的X、Y、Z三坐标联动功能,完成各种复杂形状的加工。
图4.17为数控铣床的结构布局,机床的主轴电机为双速电动机。
通过双速开关可实现主轴正转和反转的高、低速四挡功能,而每一种功能状态下,又可通过机械齿轮变速达到调速的目的。
本机床适用于多品种小批量零件的加工,对各种复杂曲线上的凸轮、样板、弧形槽等零件的加工效能尤为显著,由于本机床是三坐标数控铣床,驱动采用精度高,可靠性好的全数字交流伺服电机,输出力矩大,高速和低速性能均好,且系统具备手动回机械零点功能,机床的定位精度和重复定位精度较高,不需要模具就能确保零件的加工精度,同时机床所配系统具备刀具半径补偿和长度补偿功能,降低了编程复杂性,提高了加工效率。
本系统还具备零点偏置量功能,相当于可以建立多工件坐标系,实现多工件的同时加工,空行程可采用快速方式,以减少辅助时间,进一步提高劳动生产率。
图4.17XK5025型数控铣床的布局
系统主要操作均在键盘和控制面板上进行,面板上的9″CRT显示屏可实时提供各种系统信息:
编程、操作、参数和图像,每一种功能下具备多种子功能,可以进行后台编辑。
(一)机床主要技术参数
1.工作台
工作台面积(宽×
长):
250mm×
1120mm
工作台纵向行程:
680mm
工作台横向行程:
350mm
升降台垂向行程:
400mm
工作台允许最大承载:
250kg
2.主轴
主轴孔锥度:
ISO30#(7:
24)
主轴套筒行程:
130mm
主轴套筒直径:
85.725mm
主轴转速范围:
有级65~4750r/min
无级60~3500r/min
主轴中心至床身导轨面的距离:
360min
主轴端面至工作台面高度:
30~430mm
3.进给速度
铣削进给速度范围:
0~0.35m/min
快速移动速度:
2.5m/min
4.精度
分辨率(脉冲当量):
0.001mm
定位精度:
±
0.013mm/300mm
重复定位精度:
0.0
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