第一章 數(shù)控加工技術(shù)概述

1、第一章 數(shù)控加工技術(shù)概述1.1數(shù)控機(jī)床概述1.1.1數(shù)控機(jī)床的組成用數(shù)控機(jī)床加工零件，是按照事先編制好的加工程序自動地對零件進(jìn)行加工。它是把零件的加工工藝路線、刀具運動軌跡、切削參數(shù)等，按照數(shù)控機(jī)床規(guī)定的指令代碼及程序格式編寫成加工程序單，再把程序單的內(nèi)容輸入到數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置中，從而控制機(jī)床加工零件。數(shù)控加工的過程見圖1.1。圖1.1 數(shù)控加工過程 數(shù)控機(jī)床由數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床本體兩大部分組成，而數(shù)控系統(tǒng)又由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、輔助控制裝置等部分組成。圖1.2所示為數(shù)控機(jī)床的組成示意圖。 圖1.2 數(shù)控機(jī)床的組成 1輸入輸出設(shè)備 輸入輸出設(shè)備的作用是輸入程序，顯示命令與圖形，打印

2、數(shù)據(jù)等。數(shù)控程序的輸入是通過控制介質(zhì)來實現(xiàn)的，目前采用較多的方法有軟盤、通信接口和MDI方式。MDI即手動輸入方式，它是利用數(shù)控機(jī)床控制面板上的鍵盤，將編寫好的程序直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，并可通過顯示器顯示有關(guān)內(nèi)容。 隨著計算機(jī)輔助設(shè)計與制造（CADCAM）技術(shù)的發(fā)展，有些數(shù)控機(jī)床可利用CADCAM軟件在通用計算機(jī)上編程，然后通過計算機(jī)與數(shù)控機(jī)床之間的通信，將程序與數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。 2數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的“指揮中心”。它的功能是接受外部輸入的加工程序和各種控制命令，識別這些程序和命令并進(jìn)行運算處理，然后輸出控制命令。在這些控制指令中，除了送給伺服系統(tǒng)的速度和位移指令外，還有送給

3、輔助控制裝置的機(jī)床輔助動作指令?，F(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床一般都采用微型計算機(jī)作為數(shù)控裝置，這種數(shù)控裝置稱為計算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置。3伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)分主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)和進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)。主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)用于控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，并為機(jī)床主軸提供驅(qū)動功率和所需的切削力。進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)是用于機(jī)床工作臺或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運動，并提供切削過程所需的轉(zhuǎn)矩。 每坐標(biāo)軸方向的進(jìn)給運動部件配備一套進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)。相對于數(shù)控裝置發(fā)出的每個脈沖信號，機(jī)床的進(jìn)給運動部件都有一個相應(yīng)的位移量，此位移量稱為脈沖當(dāng)量，也稱為最小設(shè)定單位，其值越小，加工精度越高。 4，輔助控制裝置

4、 數(shù)控機(jī)床除對各坐標(biāo)軸方向的進(jìn)給運動部件進(jìn)行速度和位置控制外，還要完成程序中的輔助功能所規(guī)定的動作，如主軸電機(jī)的啟停和變速、刀具的選擇和交換、冷卻泵的開關(guān)、工件的裝夾、分度工作臺的轉(zhuǎn)位等。由于可編程序控制器（PLC）具有響應(yīng)快、性能可靠、易于編程和修改等優(yōu)點，并可直接驅(qū)動機(jī)床電器，因此，目前輔助控制裝置普遍采用PLC控制。 5機(jī)床本體機(jī)床本體即為數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分，主要包括主傳動裝置、進(jìn)給傳動裝置、床身、工作臺等。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床的傳動裝置簡單，而機(jī)床的剛度和傳動精度較高。1.1.2數(shù)控機(jī)床的分類1按工藝用途分類（1）金屬切削類這類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床和加工中心等。

5、加工中心是帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，它將銑、鏜、鉆、攻螺紋等功能集中在一臺設(shè)備上，使其具有多種工藝手段。在加工過程中由程序自動選用和更換刀具。大大提高了生產(chǎn)效率和加工精度。（2）金屬成型類這類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控板料折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控沖床等。（3）特種加工類 這類數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床等。 2按可控制軸數(shù)與聯(lián)動軸數(shù)分類可控制軸數(shù)是指數(shù)控系統(tǒng)最多可以控制的坐標(biāo)軸數(shù)目，聯(lián)動軸數(shù)是指數(shù)控系統(tǒng)按加工要求控制同時運動的坐標(biāo)軸數(shù)目。目前有2軸聯(lián)動、3軸聯(lián)動、4軸聯(lián)動、5軸聯(lián)動等。3軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床可以加工空間復(fù)雜曲面，4軸、5軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床可以加工更加

6、復(fù)雜的零件。如果可控制軸數(shù)為3軸，聯(lián)動軸數(shù)為2軸，則稱為2軸半數(shù)控機(jī)床。3按伺服系統(tǒng)的類型分類 （1）開環(huán)控制 開環(huán)控制伺服系統(tǒng)的特點是不帶反饋裝置，通常使用步進(jìn)電機(jī)作為伺服執(zhí)行元件。數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖，輸送到伺服系統(tǒng)中的環(huán)行分配器和功率放大器，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，然后通過減速齒輪和絲杠螺母機(jī)構(gòu)，帶動工作臺和刀架移動。圖13所示為開環(huán)控制伺服系統(tǒng)的示意圖。圖13 開環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖 開環(huán)控制伺服系統(tǒng)對機(jī)械部件的傳動誤差沒有補償和校正，工作臺的位移精度完全取決于步進(jìn)電機(jī)的步距角精度、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的傳動精度，所以控制精度較低。同時受步進(jìn)電機(jī)性能的影響，其速度也受到一定的限制。但這種系

7、統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、調(diào)試容易、成本低廉，因此適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床或舊機(jī)床的數(shù)控化改造。 （2）閉環(huán)控制 閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)是在移動部件上直接裝有直線位移檢測裝置，將測得的實際位移值反饋到輸入端，與輸入信號作比較，用比較后的差值進(jìn)行補償，實現(xiàn)移動部件的精確定位。圖14是閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖。圖4 閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖 閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)具有位置反饋裝置，可以補償機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)中的各種誤差，因而可達(dá)到很高的控制精度，一般應(yīng)用在高精度的數(shù)控機(jī)床中。由于系統(tǒng)增加了檢測、比較和反饋裝置，所以結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試維修比較困難。 （3）半閉環(huán)控制 半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)是在伺服系統(tǒng)中裝有角位移檢測裝置（如感應(yīng)同步

8、器或光電編碼器），通過檢測角位移間接檢測移動部件的直線位移，然后將角位移反饋到數(shù)控裝置。圖15所示為半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖。圖15 半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)示意圖半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)沒有將絲杠螺母機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等傳動機(jī)構(gòu)包括在閉環(huán)中，所以這些傳動機(jī)構(gòu)的傳動誤差仍會影響移動部件的位移精度。但由于將慣性較大的工作臺安排在閉環(huán)以外，使這種系統(tǒng)調(diào)試較容易，穩(wěn)定性也好。 1.1.3 數(shù)控系統(tǒng)的主要功能1插補功能所謂插補，就是在工件輪廓的起始點和終點坐標(biāo)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)密化”，求取中間點的過程。由于直線和圓弧是構(gòu)成零件的基本幾何元素，所以大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都具有直線和圓弧的插補功能。而橢圓、拋物線、螺旋線等復(fù)雜曲線的

9、插補，只有高檔次的數(shù)控系統(tǒng)或特殊需要的數(shù)控系統(tǒng)中才具備。2進(jìn)給功能 數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給功能包括快速進(jìn)給、切削進(jìn)給、手動連續(xù)進(jìn)給、點動進(jìn)給、進(jìn)給倍率修調(diào)、自動加減速等功能。 3主軸功能 數(shù)控系統(tǒng)的主軸功能包括恒轉(zhuǎn)速控制、恒線速控制、主軸定向停止等。恒線速控制即主軸自動變速，使刀具相對切削點的線速度保持不變。 4刀具補償功能 刀具補償功能包括刀具位置補償、刀具半徑補償和刀具長度補償。位置補償是對車刀刀尖位置變化的補償；半徑補償是對車刀刀尖圓弧半徑、銑刀半徑的補償；長度補償是指沿加工深度方向?qū)Φ毒唛L度變化的補償。 5操作功能 數(shù)控機(jī)床通常有單程序段執(zhí)行、跳段執(zhí)行、圖形模擬、暫停和急停等功能。 6輔助編程

10、功能 除基本的編程功能外，數(shù)控系統(tǒng)還有固定循環(huán)、鏡像、子程序等編程功能。除上述主要功能外，數(shù)控機(jī)床還具有圖形顯示、故障診斷報警、與外部設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)及通訊等功能。1.2 數(shù)控加工概述1.2.1 數(shù)控加工的特點1. 具有高柔性化與普通機(jī)床相比，在數(shù)控機(jī)床上加工零件，不必制造、更換許多工具、夾具，不需要經(jīng)常調(diào)整機(jī)床。因此，數(shù)控機(jī)床適用于零件頻繁更換的場合。2. 加工精度高數(shù)控機(jī)床加工精度，一般可達(dá)0.005-0.1mm之間。數(shù)控機(jī)床是按數(shù)字信號形式控制的，數(shù)控裝置每輸出一個脈沖信號，機(jī)床移動部件就移動一個脈沖當(dāng)量（一般為0.001mm），而且機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距平均誤差可由數(shù)控裝置進(jìn)行補

11、償，因此，數(shù)控機(jī)床定位精度比較高。3. 生產(chǎn)率高數(shù)控機(jī)床可有效地減少零件的加工時間和輔助時間。數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍大，允許機(jī)床進(jìn)行大切削量的強力切削，數(shù)控機(jī)床目前正進(jìn)入高速加工時代，數(shù)控機(jī)床移動部件的快速移動和定位及高速切削加工，極大地提高了生產(chǎn)率，另外配合加工中心的刀庫使用，實現(xiàn)了在一臺機(jī)床上進(jìn)行多道工序的連續(xù)加工，提高了生產(chǎn)率。4. 改善勞動條件在數(shù)控機(jī)床上加工零件，操作者主要是程序的輸入、裝卸零件、刀具準(zhǔn)備、零件的檢驗等工作，勞動強度極大降低，機(jī)床操作者的勞動趨于智力型工作。5. 利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化數(shù)控機(jī)床的加工，可預(yù)先精確估計加工時間，所使用的刀具、夾具可進(jìn)行規(guī)范化、現(xiàn)代化

12、管理。數(shù)控機(jī)床使用數(shù)字信號與標(biāo)準(zhǔn)代碼為控制信息，易于實現(xiàn)加工信息的標(biāo)準(zhǔn)化，目前已與計算機(jī)輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）有機(jī)結(jié)合起來，是現(xiàn)代集成制造技術(shù)的基礎(chǔ)。1.2.2 數(shù)控加工的應(yīng)用對象 （1）小批量生產(chǎn)的復(fù)雜零件；（2）形狀復(fù)雜、精度要求較高的零件；（3）需要多次更改設(shè)計后才能定型的零件；（4）價格昂貴，不可以報廢的零件；（5）鉆、鏜、鉸、攻螺紋及銑削加工聯(lián)合進(jìn)行的零件。1.2.3 數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢主要是高速化、高精度化、多功能和智能化。目前，柔性制造技術(shù)的發(fā)展也相當(dāng)迅速。柔性制造技術(shù)主要有柔性制造單元（FMC），柔性制造系統(tǒng)（FMS），計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。 FMC可由臺或多臺數(shù)控設(shè)備組成，既具有獨立的自動加工的功能，又部分具有自動傳送和監(jiān)控管理功能。FMC有兩大類，一類是數(shù)控機(jī)床配上機(jī)器人，另一類是加工中心配上工作臺交換系統(tǒng)。若干個FMC可組成一個FMS。 FMS是個由中央計算機(jī)控