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数控操作技工培训教材
数控操作技工培训教材
第一章概论
第一节数控机床的基本概念
一、数控机床的定义
数字控制(numericalcontrol)是近代发展起来的一种自动控制技术,是用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法,简称为数控(NC)。
数控机床,就是采用了数控技术的机床,或者说是装备了数控系统的机床。
国际信息处理联盟(InternationalFederationofInformationProcessing,即IFIP)第五技术委员会,对数控机床作了如下定义:
数控机床是一部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规定的程序。
定义中所指的那种程序控制系统,就是所说的数控系统。
数控系统是一种控制系统,它自动阅读输入载体上事先给定的数字值,并将其译码,从而使机床动作和加工零件。
数控系统包括:
数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给驱动装置等部分。
数控机床是一种高度机电一体化的产品。
二、数控机床加工机械零件的一般过程
金属切削机床加工零件,是操作者根据图样的要求,不断地改变刀具与工件之间的运动参数(位置、速度……等),使刀具对工件进行切削加工,最终得到所需要的合格的零件。
数控机床的加工,是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量,即最小位移量,由数控系统按照零件程序的要求,使坐标移动若干个最小位移量,从而来实现刀具与工件的相对运动,以完成零件的加工。
通过图1-1,可以了解数控机床加工机械零件的原理。
例如,在平面上,要加工任意曲线L的零件。
要求刀具T沿工件形状的曲线轨迹运动,进行切削加工。
可以将曲线L分解成:
Δl0,Δl1,Δl2……,Δli等线段。
在数控加工中,使数控机床动作的是数控装置给数控机床传递运动命令的脉冲群,每一个脉冲对应于机床的单位位移量。
在进行曲线加工时,可以用一给定的数学函数,来模拟线段Δli。
根据给定的数学函数,如线性函、圆函数或高次函数,在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间,进行数据点的密化,确定一些中间点的方法,称之为插补。
按照规定的直线,给出两端点间的插补数字信息,借此信息控制刀具的运动,加工出理想的曲面,称为直线插补。
而按照规定的圆弧、其它二次曲线或高次函数,给出两端点间的插补数字信息,控制刀具运动,加工出理想的曲面,则称为圆弧插补、二次曲线插补(如抛物线插补)或高次函数插补(如螺旋线插补)等。
处理这些插补的算法,称之为插补运算。
数控装置,就是一台能够接受零件图样加工要求的信息,并按照一定的数学模型进行插补运算。
实时地向各坐标轴发出速度控制指令(如Δvzi,Δvyi……等等)及切削用量的特殊用途的电子计算机。
除了数控装置以外,为了使数控机床运转,还需要有一个足够的功率,能快速响应的驱动装置。
在数控机床上采用的驱动装置,按其原理基本上是两种控制方式。
它是按照任意轨迹信息(path-information)的指令W,与实际测量值X,在比较器中比较,形成的控制分量来区分的。
1.关断电路(cut-off)在关断电路中,比较器发出的一个信号,符合
X-W=0
2.调节电路(regulation)信号由调节电路送到执行机构时
X-W≠0
关断电路原理,用于点位(point-to-point)控制,而调节电路则用于轨迹(continuous-path)控制。
点位控制和直线控制一般是单轴或两轴联动。
而连续轨迹控制则是两轴或者两轴以上的联动。
当然,数控机床要实现数控加工,还必须有能满足和实现上述加工方式要求的机床主机、刀具以及其它一整套辅助、配套设备。
所以,只要具备了数控装置、驱动装置、机床主机以及相应的配套设备,就可以组成一台数控机床,完成各种零件的数控加工。
三、发展数控机床的原因
近代,大工业生产大量采用了刚性自动化。
在汽车工业及轻工消费品生产方面,采用了大量的组合机床自动线,生产流水线;在标准件(如螺钉、螺母及带轮等)的生产中则采用凸轮控制等用于特殊加工的专用机床。
这类机床,适合于大批量零件的生产,但由于建立制造过程较难,所以更换产品及修改生产工艺需要较长的时间和比较多的费用。
进入80年代以来,由于市场竞争激烈,产品更新极为迅速,中、小批量零件的生产越来越多。
对于工业国家来说,中、小批零件的生产几乎占产品数量的75%-80%。
而且随着航空工业、汽车工业以及轻工消费品生产的高速增长,复杂图形的零件越来越多,精度要求也越来越高。
这就使传统的刚性自动化不能满足要求,而柔性加工的重要性更加突出,可调的柔性自动化也就迅速地发展起来。
数控机床就是实现柔性自动化最重要的装备,是发展柔性生产的基础。
数控机床的优点:
1)能完成很多普通机床难以完成,或者根本不能加工的复杂型面的零件加工。
因此,数控机床首先在航空、航天等领域获得应用。
在复杂型面的模具加工中,在蜗轮叶片及螺旋桨的加工中,也都得到了广泛的应用。
2)采用数控机床,可以提高零件的加工精度,稳定产品的质量。
由于数控机床是按照预定的程序自动加工,加工过程不需要人工干预。
而且加工精度还可以利用软件来进行校正及补偿。
因此,可以获得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。
3)可以提高生产率。
采用数控机床比普通机床可以提高生产率2-3倍。
尤其对某些复杂零件的加工,生产率可以提高十几倍甚至几十倍。
4)可以实现一机多用。
一些数控机床,例如加工中心、车削中心等,都可以自动换刀。
一次装卡以后,几乎能完成零件全部加工部位的加工,可以替代5-7台普通机床,并节省了厂房面积。
5)几乎不需要专用的工装卡具。
采用普通的通用工夹具,只需更换程序,就可适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。
6)减少了在制品,从而加速了流动资金的周转,提高经济效益。
7)大大减轻了工人的劳动强度。
数控机床与普通机床的性能对比见表1-1。
从表1-1可以看出,数控机床不仅可以节约劳动力,提高劳动生产率,而且可以提高产品质量,对开发新产品和促进老产品的更新换代、加速流动资金运转和缩短交货期,都起着很大作用。
表1-1数控机床与普通机床的对比
序号
项目
数控机床
普通机床
序号
项目
数控机床
普通机床
1
加工异形复杂零件的能力
强
弱
7
初期投资
高
低
2
改变加工对象的柔性程度
高
低
8
对操作人员素质的要求
高
低
3
加工零件质量和加工精度
高
低
9
对生产计划、生产准备和生产调度的要求
高
低
4
加工效率
高
低
10
运转费(包括人力、原材料、电力、厂房)
低
高
5
设备利用率
高
低
11
维修技术及费用
高
低
6
产品优化设计与CAD连接功能
高
低
12
对不合格品再加工(即回用)的费用
低
高
但是,数控机床的初期投资及维修技术等费用较高,要求管理及操作人员的素质也较高。
合理地选择及使用数控机床,可以降低企业的生产成本和提高企业的经济效益与竞争能力。
综上所述,对于单件、中小批量生产;形状比较复杂,精度要求较高的零件加工;产品更新频繁,生产周期要求短的加工,大都采用数控机床,可以提高产品质量,降低生产成本,满足用户的要求,获得很好的经济效益。
第二节数控机床的构成及分类
一、数控机床的结构特点
为保证达到高精度、高效率、高自动化程度,数控机床的结构具有以下一些特点:
①高刚度。
因为数控机床要在高速和重切削条件下工作,因此机床的床身、工作台、主轴、立柱、刀架等主要部件,均需具有很高的刚度,工作中应无变形或振动。
例如:
床身应合理布筋,能承受重载与重切削力;工作台与拖板应具有足够的刚性,能承受工件重量并使工作平稳;主轴在高速下运转,应具有高的径向扭钜和轴向推力;立柱在床身上移动,应平稳,能承受大的切削抗力;刀架在切削加工中应十分平稳而无振动。
②高灵敏度。
数控机床在自动状态下工作,要求精度比普通机床高,因而运动部件应具有高灵敏度。
导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等,以减少摩擦力,在低速运动时无爬行现象。
工作台、刀架等部件的移动,由直流或交流伺服电机驱动,经滚珠丝杠或静压丝杠传动。
主轴既要在高刚度、高速下回转,又要有高灵敏度,因而多数采用滚动轴承或静压轴承。
③高抗振性。
数控机床的一些运动部件,除了应具有高刚度、高灵敏度外,还应具有高抗振性,在高速重切削情况下应无振动,以保证加工工件的高精度和高表面光洁度。
应该指出的是,特别要避免切削时的谐振。
④热变形小。
机床的主轴、工作台、刀架等运动部件,在运动中常易产生热量。
为保证部件的运动精度,要求各运动部件的发热量最少,以防产生热变形。
为此,立柱一般采取双壁框式结构,在提高刚度的同时,使零件结构对称,防止因热变形而产生倾斜偏移。
为使主轴在高速运转中产生的热量最少,通常采用恒温冷却装置,使主轴轴承在运转中产生的热易于消散。
为减少电动机运转发热的影响,在电机上安装有散热装置或热管消热装置。
⑤高精度保持性。
数控机床的加工精度较高。
在高速强力切削下满载工作,为保证机床在长期内具有稳定的加工精度,要求数控机床具有高的精度保持性。
除了各有关零件应正确选择材料,以防止使用中的变形和快速磨损外,还要求采取一些工艺措施,如淬火和磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等,以提高运动部件的耐磨性。
⑥高可靠性。
数控机床在自动或半自动条件下工作,尤其在柔性制造系统中的数控机床,可在24小时运转中实现无人管理,因此要求机床具有高的可靠性。
为此,除一些运动部件应保证不出故障外,特别是数控系统动作频繁的刀库、换刀机构、托盘、工件交换装置等部件,必须保证在长期工作中十分可靠。
⑦刀具先进。
数控机床要能充分发挥效能,实现高精度、高效率、高自动化,除了机床本身应满足上述要求外,刀具也必须先进,应有高耐用度,其结构也要合理。
对于不同的数控机床,要有不同的刀具系统及相应的刀片。
现代数控机床在技术上的发展趋势,是不断提高精度、效率、自动化程度及智能化。
因此,机床的主要部件,如导轨、主轴、工作台、传动丝杠、刀库、机械手、刀具预调装置等,应符合上述要求。
目前,数控机床正向着高速化发展。
图2-1是加工中心主轴转速高速化发展趋向图,图2-2是加工中心进给速度高速化发展趋向图。
数控机床的主要技术参数的进展情况见表2-1,数控机床的结构要求及其对策见表2-2。
表2-1数控机床主要技术参数的发展
序号
项目
50年代末60年代初
60年代末
70年代
80年代
新近水平
1
主轴速度(r/min)
2000
3000
6000
8000
10000~10000
2
快速进给(m/min)
4.8
6~9.8
10
15
24~36
3
定位精度(μm)
±20
±15
±10
±8~±3
±5~±1
4
重复精度(μm)
10
8
5
2
0.5
5
加工圆弧真圆度(μm)
50
25
20
10
4
6
刀具交换(ATC)刀具数(把)
ATC
16~48
ATC
16~60
ATC
30~120
刀具管理
~120
刀具管理系统
~120
7
工件更换(APC)
无APC
无APC
APC
APC多个托盘,FMS,无人运输车
APC多个托盘,FMS
8
数控系统
真空管
晶体管
IC
LSI,磁泡存储器
16、32位微处理器,彩色CRT
32、64位微处理器,MAP
表2-2数控机床的结构要素及其对策
项目
注意要点
床身结构
导轨
主轴
驱动
控制
机
床
设
计
1.根据精度要求正确布局
2.在确保精度条件下,提高效率和自动化程度
高精度,复杂结构时特别注意布局合理
V-V
多用超高精度轴承(液体静压)
驱动源隔离
高分辩率
一般精度时注意刚性
V-平、平-平
多用高精度滚动轴承
直接传动
半闭环
简单结构时注意可靠性
平-平
轴承间适当距离
直接传动
精
度
1.提高关键部件精度
2.采取工艺措施提高精度保持性
3.采用精度补偿
采用长年变化抑制对
策
非悬伸导轨
准直调整
消除各种间隙
闭环、数字化
时效处理
对悬伸进行支撑
前后支承孔高同心度
消除驱动不平衡
半闭环加补偿
刚
度
1.提高部件刚度
2.一体化适当布筋
3.预加载荷
接合面提高刚度
加适量预加载荷
支承间距离大时加粗轴径
高刚度伺服电机
一体化适当布筋
预加载荷,采用合适磨擦副
采用复合轴承,预加载荷
采用大直径滚珠丝杠,预加载荷
伺服刚性化
热
变
形
1.减少热源
2.采用对称结构
3.采用冷却措施
热源隔离
强制润滑
强制冷却
螺母预加载荷可调整
强制空冷
对称结构
采用减少摩擦对策
前轴承轴向支承力持,低粘度润滑剂
进给丝杠有轴向力支承,中空滚珠丝杠
低热高效伺服电机
振
动
1.采用抗振材料
2.消除不平衡
3.隔离振源
高衰减材料、铸件内腔夹砂
运动面间有合适油膜、气层
回转件平衡,主轴电机隔离
驱动电机隔离振动
接合面减少摩擦
适当的摩擦衰弱措施
主轴、电机轴对准
隔振离合器
加减速控制
可
靠
性
1.结构上尽量简化
2.提高各元部件质量
足够刚度不变形
高耐磨减摩擦材料
适当润滑
高刚度
正确润滑
平衡
隔振
高质量元件、系统
适应控制
伺
服
1.高刚度
2.高应答,高灵敏度
提高伺服刚度
高精度控制,高速应答
二、数控机床的构成及其功能特点
(一)构成
数控机床一般由下列几个部分组成(见图1-2)
1)主机是数控机床的主体,包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
2)CNC装置是数控机床的核心,包括硬件(印刷电路板、CRT显示器、键盘、纸带阅读机……等)以及相应的软件。
3)驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件,包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机及进给电机……等。
4)数控机床的辅助装置指数控机床的一些必须的配套部件,用以保证数控机床运行。
它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头,还包括刀具及监控检测装置。
5)编程机及其他一些附属装备。
(二)功能和特点
1.主机
主机是数控机床的主体,是用于完成各种切削加工的机械部分。
根据不同的零件加工要求,有车床、铣床、钻床、镗床、磨床、重型机床、电加工机床以及其它类型。
与普通机床不同的是,数控机床的主机结构上具有以下特点:
1)由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统,因此,数控机床的机械传动结构得到了简化,传动链较短。
2)为了适应数控机床连续地自动化加工,数控机床机械结构具有较高的动态刚度,阻尼精度及耐磨性,热变形较小。
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。
2.CNC(computerizednumericalcontrol)装置
这是数控机床的核心。
用于实现输入数字化的零件程序,并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
现代数控机床的数控装置都具备下面一些功能。
1)多坐标控制(多轴联动)。
2)实现多种函数的插补(直线、圆弧、抛物线等)。
3)代码转换(EIA∕ISO代码转换、英制∕公制转换、二-十进制转换、绝对值∕
增量值转换等)。
4)人机对话、手动数据输入,加工程序输入,编辑及修改。
5)加工选择,各种加工循环,重复加工、凹(凸)模加工,镜象加工等。
6)可实现各种补偿功能,进行刀具半径、刀具长度、传动间隙、螺距误差的补偿。
7)实现故障自诊断。
8)CRT显示,实现图形、轨迹、字符显示。
9)联网及通信功能。
3.驱动装置
是数控机床执行机构的驱动部件。
普通机床的主轴和进给系统,主要由电机驱动进给箱及主轴箱的齿轮来实现运动和变速。
而数控机床主轴和进给则是由数控装置发出进给指令,通过电气或电液伺服系统实现的。
当几个进给轴实现了联动时,可以完成点位、直线、平面曲线或空间曲线的加工。
一般来说,数控机床的伺服驱动,要求有好的快速响应性能,能灵敏而准确的跟踪由数字控制装置发来的数字指令信号。
4.数控机床的辅助装置
他是保证数控机床功能充分发挥所需要的配套部件。
由于这些配套装置包括的面很广,有电器、液压、气动元件及系统,冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置,它对开发数控机床本身的功能具有很大的作用,因此受到了各产业部门的重视,发展极为迅速。
5.程编机及其他一些附属设备
现代数控机床,不仅可以利用CNC装置上的键盘直接输入零件的程序,也可以利用自动程编机,在机外进行零件的程序编制,将程序记录在信息载体上(如纸带、磁带、磁盘等),然后送入数控装置。
对于较为复杂的零件,一般都是采用这种办法。
对这种方式,我们称为自动程序编制,或计算机程序编制。
数控机床构成框图见图1-3。
大型的,特殊曲面的零件程序,往往要用小型计算机来实现,还可以利用电子计算机的通用外围设备,如打印机、自动穿孔机来制作程序单及控制带。
现在随着微电子技术的发展,大多数零件的程序编制工作,已经可以由微型计算机来实现了。
为了便于使用,一些公司还可以提供一些专用的程编机,并配有完整的附属设备。
使用专用的程编软件,可以方便的,高质量的编制出各种需要的零件程序。
三、数控机床的分类
目前,为了研究数控机床,可从不同的角度对数控机床进行分类。
(一)按控制系统的特点分类
1.点位控制数控机床对于一些孔加工用数控机床,只要求获得精确的孔系坐标定位精度(见图1-4),而不管从一个孔到另外一个孔是按照什么轨迹运动,如坐标钻床,坐标镗床以及冲床等,就可以采用简单而价格低廉的点位控制系统。
这种点位控制系统,为了确保准确的定位,系统在高速运行后,一般采用3级减速,以减小定位误差。
但是由于移动件本身存在惯性,而且在低速运动时,摩擦力有可能变化。
所以即使系统关断后,工作台并不立即停止,形成定位误差Δd,而且这个值有一定的分散性。
2.直线控制数控机床某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能,而且要求从一点到另一点之间按直线移动,并能控制位移的速度(见图1-5)。
因为这一类型的数控机床在两点间移动时,要进行切削加工。
所以对于不同的刀具和工件,需要选用不同的切削用量及进给速度。
这一类的数控机床包括:
数控镗铣床、数控机床、加工中心等。
一般情况下这些数控机床,有两个到三个可控轴,但同时控制轴只有一个。
为了能在刀具磨损或更换刀具后,可得到合格的零件,这类机床的数控系统常常具有刀具半径补偿功能、刀具长度补偿的功能,和主轴转速控制的功能。
3.轮廓控制的数控机床更多的数控机床,具有轮廓控制的功能(见图1-6),即可以加工曲线或者曲面的零件。
这类机床有二坐标及二坐标以上数控铣床,可加工曲面的数控车床,加工中心等。
这类数控机床应能同时控制两个或两个以上的轴具有插补功能(见图1-7),对位移和速度进行严格的不间断控制。
现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上联动的功能,不仅有刀具半径补偿、刀具长度补偿、还有机床轴向运动误差补偿、丝杠、齿轮的间隙误差补偿…等一系列功能。
按照可联动(同时控制)轴数,且相互独立的轴数,可以有2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等。
2.5轴控制(两个轴是连续控制,第三轴是点位或直线控制)的原理,实现了三个主要轴X,Y,Z内的两维控制。
3轴控制是三个坐标轴X,Y,Z都同时插补,是三维连续控制(见图1-8)。
5轴连续控制是一种很重要的加工形式(见图1-9),这时3个坐标X,Y,Z,与转台的回转,刀具的摆动,同时联动(也可以是与两轴的数控转台联动,或刀具做两个方向的摆动)。
由于刀尖可以按数学规律导向,使之垂直于任何双倍曲线平面(doublecurve),因此特别适合于加工透平叶片、机翼等。
(二)按执行机构的伺服系统类型分类
1.开环伺服系统数控机床这是比较原始的一种数控机床,这类机床的数控系统将零件的程序处理后,输出数字指令信号给伺服系统,驱动机床运动。
没有来自位置传感器的反馈信号。
最典型的系统就是采用步进电机的伺服系统。
这类机床较为经济,但是速度及精度都较低。
因此,目前在国内,仍作为一种经济型的数控机床,多用于对旧机床的改造。
2.闭环伺服系统数控机床这类机床可以接受插补器的指令,而且随时接受工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较,并根据其差值不断地进行误差修正。
这类数控机床可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响。
这种采用闭环伺服系统的数控机床(见图1-10),可以得到很高的加工精度,但是由于很多的机械传动环节,如丝杠副、工作台都包括在反馈环路内,而各种机械传动环节,包括丝杠与螺母、工作台与导轨的摩擦特性,各部件的刚性,以及位移测量元件安装的传动链间隙等等,都是可变的,都直接影响伺服系统的调节参数。
有一些是非线性的参数,因此闭环系统的设计和调整都有较大的难度。
设计和调整得不好,很容易形成系统的不稳定。
所以,闭环伺服系统数控机床,主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精铣床等。
3.半闭环伺服系统的数控机床大多数数控机床是半闭环伺服系统,将测量元件从工作台移到电机端头或丝杠端头。
这种系统的闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台,因此可以获得稳定的控制特性。
而且由于采用了高分辨率的测量元件,可以获得比较满意的精度及速度。
(三)按数控装置类型分类
1.硬件式数控机床(即NC机床)这是早期的数控机床,数控装置中的输入、运算、插补运算以及控制功能均由集成电路或晶体管等器件组成。
一般来说,不同的数控机床都需要专门设计不同的逻辑电路。
这类数控机床数控装置的通用性较差,因其全部由硬件组成,所以功能和灵活性也较差。
2.软件式数控机床(即CNC机床)70年代中期,随着微电子技术的发展,芯片的集成度越来越高。
利用中、大规模及超大规模的集成电路,组成CNC装置成为可能。
采用这一类装置的数控机床,其主要的功能,几乎全由软件来实现,对于不同的数控机床,只需编制不同的软件就可以实现。
而硬件几乎可以通用。
这就为硬件的大批量生产提供了条件。
批量生产有利于保证产品的质量、缩短生产周期,降低生产成本,所以现代数控机床,都采用CNC装置。
这种软件式数控,由于有很高的柔性,给机床厂以及机床的用户以很大的方便。
他们可以根据各自的需要开发出不同的用户程序,使得数控机床的应用更为广泛,并能深入到机械加工业的各个领域中去。
(四)按加工方式分类
1.金属切削类数控机床如数控车床、加工中心、数控钻床、数控磨床、数控镗床等。
2.金属成型类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。
3.数控特种加工机床如数控线(电极)切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。
4.其他类型的数控机床如火焰切割机、数控三坐标测量机等(见表1-2)。
表1-2数控机床分类表
数控机床的种类
控制系统类别
执行机构类别
加工对象类别
数控车床
点位、直线控制
开环、半闭环
没锥度、圆弧的轴
轮廓控制
开环、半闭环、闭环
有锥度、圆弧的轴
加工中心机床
点位、直线控制
开环、半闭环
齿轮箱、框架等箱体
特殊用途的
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