数控机床的发展与应用.docx

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数控机床的发展与应用

目录

第一章数控机床的产生4

第二章数控机床的发展5

2.1数控系统的发展5

2.2机床的发展趋势6

第三章数控机床的分类7

3.1按加工工艺方法分类7

3.2按控制运动轨迹分类8

3.3按驱动装置的特点分类10

第四章数控车的工艺与工装削12

4.1.合理选择切削用量13

4.2.合理选择刀具13

4.3.合理选择夹具13

4.4.确定加工路线14

4.5.加工路线与加工余量的联系14

4.6夹具安装要点14

第五章程序首句妙用与控制尺寸精度的技巧15

5.1程序首句妙用G00的技巧15

5.2控制尺寸精度的技巧16

第六章数控技术18

6.1数控机床电气控制系统综述18

6.2.数控机床运动坐标的电气控制24

完结语26

致谢27

参考文献28

摘要

世界制造业转移,中国正在逐步成为世界加工厂.美国,德国,韩国等国家已经进入工业化发展的高技术密集时代与微电子时代,钢铁,机械,化工等重工业正逐渐向发展中国家转移.我国目前经济发展已经过了发展初期,正处于重化工业发展中期.未来10年将是中国机械行业发展最佳时期.美国,德国的重化工业发展期延续了18年以上,美国,德国,韩国四国重化工业发展期平均延续了12年,我们估计中国的重化工业发展期将至少延续10年,直到2015年.因此,在未来10年中,随着中国重化工业进程的推进,中国企业规模,产品技术,质量等都将得到大幅提升,国产机械产品国际竞争力增强,逐步替代进口,并加速出口.目前,机械行业中部分子行业如船舶,铁路,集装箱及集装箱起重机制造等已经受益于国际间的产业转移,并将持续受益;电站设备,工程机械,床等将受益于产业转移,加快出口进程

关键词:

数控，工业化发展，刀具，机床

第一章数控机床的产生

在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量,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80%以上.尤其是在造船,航天,航空,机床,重型机械以及国防工业更是如此.为了满足多品种,小批量的自动化生产,迫切需要一种灵活的,通用的,能够适用产品频繁变化的柔性自动化机床.数控机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的.它为单件,小批量生产的精密复杂零件提供了自动化的加工手段.根据国家标准GB/T8129-1997,对机床数字控制的定义:

用数字控制的装置（简称数控装置）,在运行过程中,不断地引入数字数据,从而对某一生产过程实现自动控制,叫数字控制,简称数控.用计算机控制加工功能,称计算机数控（computerizednumerical,缩写CNC）.数控机床即使采用了数控技术的机床,或者说装备了数控系统的机床.从应用来说,数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速,松加工件,进刀与退刀,开车与停车,选择刀具,供给切削液等）和步骤,以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示,通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机,计算机对输入的信息进行处理与运算,发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件,是机床自动加工出所需要的零件.

第二章数控机床的发展

2.1数控系统的发展

从1952年第一台数控机床问世后,数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展,其六代是指电子管,晶体管,集成电路,小型计算机,微处理器和基于工控PC机的通用CNC系统.其中前三代为第一阶段,称作为硬件连接数控,简称NC系统;后三代为第二阶段,乘坐计算机软件数控,简称CNC系统.

2.2机床的发展趋势

数控机床总的发展趋势是工序集中,高速,高效,高精度以及方便使用,提高可靠性等.

（1）工序集中20世纪50年代末期,在一般数控机床的基础上开发了数控加工

中心,即自备刀具库的自动换刀数控机床.在加工中心机床上,工件一次装夹后,机床的机械手可以自动更换刀具,连续的对工件进行多种工序加工.目前,加工中心机床的刀具库容量可达到100多把刀具,自动换刀装置的换刀时间仅需0.5～2秒.加工中心机床使工序集中在一台机床上完成,减少了由于工序分散,工件多次安装引起的定位误差,提高了加工精度,同时也减少了机床的台数与占地面积,压缩了半成品的库存量,减少了工序间的辅助时间,有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益.

（2）高速,高效,高精度高速,高效,高精度是机械加工的目标,数控机床因其价格昂贵,在上述三方面的发展也就更为突出.（3）方便使用数控机床制造厂把建立友好的人机界面,提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面.1）加工编程方便手工编程和自动编程已经使用了几十年,有了长足的发展,在手工编程方面,开发了多种加工循环,参数编程和除直线,圆弧以外的各种插补功能,CAD/CAM的研究发展,从技术上来讲可以替代手工编程.但是一套适用的CAD/CAM软件加上计算机硬件,投资较大,学习,掌握时间较长,对大多数的简单工件很不经济.近年来,发展起来的图形交互式编程系统（WOP,又称面向车间编程）,很受用户欢迎.这种编程方式不使用G,M代码,而是借助图形菜单,输入整个图形块以及相应

参数作为加工指令,形成加工程序,与传统加工时的思维方式类似.图形交互编程方法在制定标准后,有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法.2）使用方法数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话,图形显示和图形模拟的.有的数控机床将采用说明书,编程指南,润滑指南等存入系统共使用者调阅.

第三章数控机床的分类

3.1按加工工艺方法分类

3.1.1.金属切削类数控机床

与传统的车,铣,钻,磨,齿轮加工相对应的数控机床有数控车床,数控铣床,数控钻床,数控磨床,数控齿轮加工机床等.尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别,具体的控制方式也各不相同,但机床的动作和运动都是数字化控制的,具有较高的生产率和自动化程度.

在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床.加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率.例如铣,镗,钻加工中心,它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的,工件一次装夹后,可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣,镗,钻,扩,铰以及攻螺纹等多工序加工,特别适合箱体类零件的加工.加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差,减少了机床的台数和占地面积,缩短了辅助时间,大大提高了生产效率和加工质量.

3.1.2.特种加工类数控机床

除了切削加工数控机床以外,数控技术也大量用于数控电火花线切割机床,数控电火花成型机床,数控等离子弧切割机床,数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等.

3.1.3.板材加工类数控机床.

常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机,数控剪板机和数控折弯机等.

近年来,其它机械设备中也大量采用了数控技术,如数控多坐标测量机,自动绘图机及工业机器人等.

3.2按控制运动轨迹分类

3.2.1.点位控制数控机床.

位置的精确定位,在移动和定位过程中不进行任何加工.机床数控系统只控制行程终点的坐标值,不控制点与点之间的运动轨迹,因此几个坐标轴之间的运动无任何联系.可以几个坐标同时向目标点运动,也可以各个坐标单独依次运动.

这类数控机床主要有数控坐标镗床,数控钻床,数控冲床,数控点焊机等.点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置.

3.2.2.直线控制数控机床

直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度,沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工,进给速度根据切削条件可在一定范围内变化.

直线控制的简易数控车床,只有两个坐标轴,可加工阶梯轴.直线控制的数控铣床,有三个坐标轴,可用于平面的铣削加工.现代组合机床采用数控进给伺服系统,驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工,它也可算是一种直线控制数控机床.

数控镗铣床,加工中心等机床,它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定范围内进行调整,兼有点位和直线控制加工的功能,这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床.

3.3.3.轮廓控制数控机床.

轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制,使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求.它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标,而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移,将工件加工成要求的轮廓形状.

常用的数控车床,数控铣床,数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床.数控火焰切割机,

电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统.轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂,在加工过程中需要不断进行插补运算,然后进行相应的速度与位移控制.

现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现,增加轮廓控制功能不会带来成本的增加.因此,除少数专用控制系统外,现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能.

3.3按驱动装置的特点分类

3.3.1开环控制数控机床.

这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件,伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机.数控系统每发出一个进给指令,经驱动电路功率放大后,驱动步进电机旋转一个角度,再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转,通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移.移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的.此类数控机床的信息流是单向的,即进给脉冲发出去后,实际移动值不再反馈回来,所以称为开环控制数控机床.

开环控制系统的数控机床结构简单,成本较低.但是,系统对移动部件的实际位移量不进行监测,也不能进行误差校正.因此,步进电动机的失步,步距角误差,齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度.开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床,特别是简易经济型数控机床.

3.3.2闭环控制数控机床.

接对工作台的实际位移进行检测,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,用差值对机床进行控制,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.从理论上讲,闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度,也与传动链的误差无关,因此其控制精度高.图1-3所示的为闭环控制数控机床的系统框图.图中A为速度传感器,C为直线位移传感器.当位移指令值

发送到位置比较电路时,若工作台没有移动,则没有反馈量,指令值使得伺服电动机转动,通过A将速度反馈信号送到速度控制电路,通过C将工作台实际位移量反馈回去,在位置比较电路中与位移指令值相比较,用比较后得到的差值进行位置控制,直至差值为零时为止.这类控制的数控机床,因把机床工作台纳入了控制环节,故称为闭环控制数控机床.

闭环控制数控机床的定位精度高,但调试和维修都较困难,系统复杂,成本高.

3.3.3半闭环控制数控机床

半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（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,并对误差进行修正.通过测速元件A和光电编码盘B可间接检测出伺服电动机的转速,从而推算出工作台的实际位移量,将此值与指令值进行比较,用差值来实现控制.由于工作台没有包括在控制回路中,因而称为半闭环控制数控机床.

半闭环控制数控系统的调试比较方便,并且具有很好的稳定性.目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体,这样,使结构更加紧凑.

3.3.4混合控制数控机床.

将以上三类数控机床的特点结合起来,就形成了混合控制数控机床.混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床,因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度,其传动链惯量与力矩大,如果只采用全闭环控制,机床传动链和工作台全部置于控制闭环中,闭环调试比较复杂.混合控制系统又分为两种形式:

（1）开环补偿型.它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构,另外附加一个校正电路.用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差.

（2）半闭环补偿型.它是用半闭环控制方式取得高精度控制,再用装在工作台上的直

线位移测量元件实现全闭环修正,以获得高速度与高精度的统一.其中A是速度测量元件（如测速发电机）是角度测量元件,C是直线位移测量元件.,

第四章数控车的工艺与工装削

数控车床加工工艺与普通车床的加工工艺类似,但由于数控车床是一次装夹,连续自动加工完成所有车削工序,因而应注意以下几个方面.

4.1.合理选择切削用量

对于高效率的金属切削加工来说,被加工材料,切削工具,切削条件是三大要素.这些决定着加工时间,刀具寿命和加工质量.经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件.切削条件的三要素:

切削速度,进给量和切深直接引起刀具的损伤.伴随着切削速度的提高,刀尖温度会上升,会产生机械的,化学的,热的磨损.切削速度提高20%,刀具寿命会减少1/2.进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生.但进给量大,切削温度上升,后面磨损大.它比切削速度对刀具的影响小.切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大,但在微小切深切削时,被切削材料产生硬化层,同样会影响刀具的寿命.用户要根据被加工的材料,硬度,切削状态,材料种类,进给量,切深等选择使用的切削速度.最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的.有规则的,稳定的磨损达到寿命才是理想的条件.然而,在实际作业中,刀具寿命的选择与刀具磨损,被加工尺寸变化,表面质量,切削噪声,加工热量等有关.在确定加工条件时,需要根据实际情况进行研究.对于不锈钢和耐热合金等难加工材料来说,可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃.

4.2.合理选择刀具

1）粗车时,要选强度高,耐用度好的刀具,以便满足粗车时大背吃刀量,大进给量的要求.2）精车时,要选精度高,耐用度好的刀具,以保证加工精度的要求.3）为减少换刀时间和方便对刀,应尽量采用机夹刀和机夹刀片.

4.3.合理选择夹具

1）尽量选用通用夹具装夹工件,避免采用专用夹具;

2）零件定位基准重合,以减少定位误差.

4.4.确定加工路线

加工路线是指数控机床加工过程中,刀具相对零件的运动轨迹和方向.1）应能保证加工精度和表面粗糙要求;2）应尽量缩短加工路线,减少刀具空行程时间.

4.5.加工路线与加工余量的联系

目前,在数控车床还未达到普及使用的条件下,一般应把毛坯上过多的余量,特别是含有锻,铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工.如必须用数控车床加工时,则需注意程序的灵活安排.

4.6夹具安装要点

目前液压卡盘和液压夹紧油缸的连接是靠拉杆实现的,液压卡盘夹紧要点如下:

首先用搬手卸下液压油缸上的螺帽,卸下拉管,并从主轴后端抽出,再用搬手卸下卡盘固定螺钉,即可卸下卡盘.

第五章程序首句妙用与控制尺寸精度的技巧

5.1程序首句妙用G00的技巧

目前我们所接触到的教科书及数控车削方面的技术书籍,程序首句均为建立工件坐标系,即以G50XαZβ作为程序首句.根据该指令,可设定一个坐标系,使刀具的某一点在此坐标系中的坐标值为（XαZβ）（本文工件坐标系原点均设定在工件右端面）.采用这种方法编写程序,对刀后,必须将刀移动到G50设定的既定位置方能进行加工,找准该位置的过程如下.1.对刀后,装夹好工件毛坯;2.主轴正转,手轮基准刀平工件右端面A;3.Z轴不动,沿X轴释放刀具至C点,输入G50Z0,电脑记忆该点;4.程序录入方式,输入G01W-8F50,将工件车削出一台阶;5.X轴不动,沿Z轴释放刀具至C点,停车测量车削出的工件台阶直径γ,输入G50Xγ,电脑记忆该点;6.程序录入方式下,输入G00XαZβ,刀具运行至编程指定的程序原点,再输入G50XαZβ,电脑记忆该程序原点..上述步骤中,步骤6即刀具定位在XαZβ处至关重要,否则,工件坐标系就会被修改,无法正常加工工件.有过加工经验的人都知道,上述将刀具定位到XαZβ处的过程繁琐,一旦出现意外,X或Z轴无伺服,跟踪出错,断电等情况发生,系统只能重启,重启后系统失去对G50设定的工件坐标值的记忆,"复位,回零运行"不再起作用,需重新将刀具运行至XαZβ位置并重设G50.如果是批量生产,加工完一件后,回G50起点继续加工下一件,在操作过程中稍有失误,就可能修改工件坐标系.鉴于上述程序首句使用G50建立工件坐标系的种种弊端,笔者想办法将工件坐标系固定在机床上,将程序首句G50XαZβ改为G00XαZβ后,问题迎刃而解.其操作过程只需采用上述找G50过程的前五步,即完成步骤1,2,3,4,5后,将刀具运行至安全位置,调出程序,按自动运行即可.即使发生断电等意外情况,重启系统后,在编辑方式下将光标移至能安全加工又不影响工件加工进程的程序段,按自动运行方式继续加工即可.上述程序首句用G00代替G50的实质是将工件坐标系固定在机床上,不再囿于G50XαZβ程序原点的限制,不改变工件坐标系,操作简单,可靠性强,收到了意想不到的效果.中国金属加工在线

5.2控制尺寸精度的技巧

5.2.1.修改刀补值保证尺寸精度

由于第一次对刀误差或者其他原因造成工件误差超出工件公差,不能满足加工要求时,可通过修改刀补使工件达到要求尺寸,保证径向尺寸方法如下:

a.绝对坐标输入法根据"大减小,小加大"的原则,在刀补001～004处修改.如用2号切断刀切槽时工件尺寸大了0.1mm,而002处刀补显示是X3.8,则可输入X3.7,减少2号刀补.b.相对坐标法如上例,002刀补处输入U-0.1,亦可收到同样的效果.同理,对于轴向尺寸的控制亦如此类推.如用1号外圆刀加工某处轴段,尺寸长了0.1mm,可在001刀补处输入W0.1.

5.2.2.半精加工消除丝杆间隙影响保证尺寸精度

对于大部分数控车床来说,使用较长时间后,由于丝杆间隙的影响,加工出的工件尺寸经常出现不稳定的现象.这时,我们可在粗加工之后,进行一次半精加工消除丝杆间隙的影响.如用1号刀G71粗加工外圆之后,可在001刀补处输入U0.3,调用G70精车一次,停车测量后,再在001刀补处输入U-0.3,再次调用G70精车一次.经过此番半精车,消除了丝杆间隙的影响,保证了尺寸精度的稳定.

5.2.3.程序编制保证尺寸精度

a.绝对编程保证尺寸精度编程有绝对编程和相对编程.相对编程是指在加工轮廓曲线上,各线段的终点位置以该线段起点为坐标原点而确定的坐标系.也就是说,相对编程的坐标原点经常在变换,连续位移时必然产生累积误差,绝对编程是在加工的全过程中,均有相对统一的基准点,即坐标原点,故累积误差较相对编程小.数控车削工件时,工件径向尺寸的精度一般比轴向尺寸精度高,故在编写程序时,径向尺寸最好采用绝对编程,考虑到加工及编写程序的方便,轴向尺寸常采用相对编程,但对于重要的轴向尺寸,最好采用绝对编程.b.数值换算保证尺寸精度很多情况下,图样上的尺寸基准与编程所需的尺寸基准不一致,故应先将图样上的基准尺寸换算为编程坐标系中的尺寸.如图2b中,除尺寸13.06mm外,其余均属直接按图2a标注尺寸经换算后而得到的编程尺寸.其中,φ29.95mm,φ16mm及60.07mm三个尺寸为分别取两极限尺寸平均值后得到的编程尺寸.

5.2.4.修改程序和刀补控制尺寸

数控加工中,我们经常碰到这样一种现象:

程序自动运行后,停车测量,发现工件尺寸达不到要求,尺寸变化无规律.如用1号外圆刀加工图3所示工件,经粗加工和半精加工后停车测量,各轴段径向尺寸如下:

φ30.06mm,φ23.03mm及φ16.02mm.对此,笔者采用修改程序和刀补的方法进行补救,方法如下:

a.修改程序原程序中的X30不变,X23改为X23.03,X16改为X16.04,这样一来,各轴段均有超出名义尺寸的统一公差0.06mm;b.改刀补在1号刀刀补001处输入U-0.06.经过上述程序和刀补双管齐下的修改后,再调用精车程序,工件尺寸一般都能得到有效的保证.数控车削加工是基于数控程序的自动化加工方式,实际加工中,操作者只有具备较强的程序指令运用能力和丰富的实践技能,方能编制出高质量的加工程序,加工出高质量的工件.

第六章数控技术

6.1数控机床电气控制系统综述

（1）数据输入装置将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置.它可以是穿孔带阅读机（已很少使用）,3.5in软盘驱动器,CNC键盘（一般输入操作）,数控系统配备的硬盘及驱动装置（用于大量数据的存储保护）,磁带机（较少使用）,计算机等等.PC

（2）数控系统数控机床的中枢,它将接到的全部功能指令进行解码,运算,然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令,直至运动和功能结束.数控系统都有很完善的自诊断能力,日常使用中更多地是要注意严格按规定操作,而日常的维护则主要是对硬件使用环境的保护和防止系统软件的破坏.（3）可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心.它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序,使它们能够准确地,协调有序地安全运行;同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC,使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令,如此实现对整个机床的控制.当代PLC多集成于数控系统中,这主要是指控制软件的集成化,而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构.PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的,一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址,由系统对所有地址的信息状态进行实时监控,根据各接口信号的现时状态加以分析判断,据此作出进一步的控制命令,完成对运动或功能的控制.不同厂商的PLC有不同的PLC语言和不同的语言表达形式,因此,力求熟悉某一机床PLC程序的前提是先熟悉该机床的PLC语言.（4）主轴驱动系统接受来自CNC的驱动指令,经速度与转矩（功率）调节输出驱动信号驱动主电动机转动,同时接受速度反馈实施速度闭环控制.它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制.主轴驱动系统自身有许多参数设定,这些参数直接影响主轴的转动特性,其中有些不可丢失或改变。

（5）进给伺服系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令,经速度与电流（转矩）调节输出驱动信号驱动伺服电机转动,实现机床坐标轴运动,同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制.它也通过PLC与CNC通信,通报现时工作状态并接受CNC的控制.（4）主轴驱动系统接受来自CNC的驱动指令,经速度与转矩（功率）调节