数控机床实验指导书

数控机床与编程

实验指导书

魏 斯 亮 编

华东交大理工学院机电分院机电教研室

2013年8月21日

目 录

实验一 数控机床的工作原理与典型机械结构………… 3

实验二 数控系统的原理与组成………………………… 12

实验三 数控代码编程…………………………………… 18

实验四 复杂零件的数控编程与加工…………………… 28

实验五 网络数控………………………………………… 38

实验一 数控机床的工作原理与典型机械结构

一、 相关知识 参 考 文 献

1 陈吉红等. 数控机床实验指南. 武汉：华中科技大学出版社，2003

2 杜君文，邓广敏. 数控技术. 天津：天津大学出版社，2002

3 林其骏. 数控技术与应用. 北京：机械工业出版社，1995

4 朱晓春等．数控技术．北京：机械工业出版社，2001

5 毕承恩，丁乃建．现代数控机床．北京：机械工业出版社，1991

6 武汉华中数控股份有限公司．世纪星数控装置连接说明书，2001

7 武汉华中数控股份有限公司．华中数控PLC编程说明书，2001

8 武汉华中数控股份有限公司．世纪星车削数控装置操作说明书，2001

9 江苏仁和新技术产业有限公司．RENHE 32T机床数控系统操作手

册及编程说明书，2001 1．数控机床的工作原理

凡是以数字形式进行信息控制的机床称为数字控制机床，简称数控机床。数控机床用代码化的数字信息将刀具移动轨迹的信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码、运算，控制机床的刀具与工件的相对运动，从而加工出形状、尺寸、精度符合要求的所需零件。

2．数控机床的组成

数控机床一般由输入／输出设备、 CNC装置、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器 ( PLC ) 及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。图0—1是数控机床的组成框图，其中除机床本体之外的部分统称为CNC系统。

机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件(工作台、拖板及其传动部件)和支承部件(床身立柱等)，还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。

3. 数控机床机械结构的特殊要求

数控机床的机床本体，在

初期阶段大多使用的是普通机床的机械结构，仅仅是在自动变速装置、刀架或工作台自动转位装置和手柄等方面作了某些改变。但实践证明，由于数控机床需要高速度、高精度、大切削用量和连续加工，所以对其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面提出了更高的要求。例如，有些数控机床的进给速度高达24 M／min，可以在大切削用量下连续加工，同时还要求极高的精度，可以实现微小进给量，例如0.001mm到0.0001mm条件下不允许发生低速爬行。因此，近年来在设计数控机床时采用了许多特殊的机械结构和机械新技术，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等等措施，下面对某些部分作一简要介绍。

4. 数控机床采用的几种典型机械结构的特点

(1) 滚珠丝杠螺母副

如图1—3所示，滚珠丝杠螺母副由滚珠、丝杠、回珠器、螺母等组成。图1—3(a)中，采用插管在螺母外实现滚珠列的循环，称为外循环式；图1—3(b)中，回珠器在螺母内实现滚珠列的循环，称为内循环式。前者使用滚珠较多，效率低。目前多采用内循环式滚珠丝杠螺母副。

滚珠丝杠螺母副与普通丝杠螺母副的区别是：通过循环钢球将滑动摩擦改变为滚动摩擦，使静、动态摩擦系数之间的差值减小，从而改善进给传动系统的动态特性，减少了摩擦损失，提高了传动效率和精度。但在螺母、钢球和丝杠之间需要施加预紧力，以消除反向传动时可能存在的间隙，提高传动刚度。

滚珠丝杠螺母副是数控机床的核心部件之一，它将伺服电动机的旋转运动转换为拖板或工作台的直线运动。滚珠丝杠螺母与普通的丝杠螺母一样，是一种增力机械，将高速转动下的扭矩转换为低速移动下较大的推力。参见图1—4，扭矩和推力的转换公式为 MtF2

式中 F——丝杠(或螺母)转动产生的推力(N)；

M——丝杠或螺母转动时的扭矩(N·m)；

t——丝杠导程(mm)；

η——传动效率，一般取0.9。

消除丝杠、螺母之间的传动间隙并施加预紧力是提高定位精度、消除反向间隙的重要措施，图1—5给出了几种消除传动间隙、预加载荷的方式，除外还有一些其他不同的方式。由于滚珠丝杠螺母副的种类很多，在拆装实验中要仔细观察钢球的循环方式和消除传动间隙的原理，仔细研究螺母、钢球、丝杠之间施加预紧力的方法。

(2)滚动导轨副

数控机床要求拖板或工作台在导轨上实现无间隙往复运动，常采用滚动导轨副。滚动导轨副的功能是支承和引导机床的拖板或工作台完成直线运动并承受切削负荷。 滚动导轨副的结构形式很多，其共同特点是利用滚动体(钢球或钢柱)的滚动将导轨副的滑动摩擦改变为滚动摩擦(摩擦系数一般在0.003左右)以减少摩擦阻力。滚动导轨允许施加预紧力，这就可以消除运动副之间的传动间隙，同时也可以提高传动刚度。由于滚动导轨副之间的运动是滚动摩擦，所以它的静、动摩擦系数变化小，可以改善运动副的动态特性。滚动导轨的运行速度可大于60 M／min。

滚动导轨副是由导轨、滚动体和滑块三个主要零件组成的。目前数控机床上使用最多的滚动导轨副如图1—6(a)所示，是双“V”形(或称矩形)直线滚动导轨副；当 受力较小时，也可以使用图l—6(b)和图1—6(c) 所示的圆柱形直线滚动导轨副。以上三种形式的直线滚动导轨的滚动体都是钢球。还有一种直线滚动导轨如图1—7所示，它的滚动体是圆柱体，称为滚子导轨块。通过本认识实验，应当努力掌握不同结构形式直线滚动导轨的工作原理、结构特点和选用方法。

(3)贴塑导轨 贴塑导轨如图1—8所示，若不仔细研究，贴塑导轨的表面与普通滑动导轨没有多大区别，仅仅是在两个金属滑动表面之间粘贴了一层特制的复合工程塑料带。然而这一改变却带来了本质的变化：将滑动导轨面之间的金属与金属的摩擦副改变为金属与塑料的摩擦副，因而改变了数控机床导轨副的摩擦特性。经多次试验研究发现(参见图1—9)：配刮加工后的塑料与铸铁导轨面之间的摩擦特性更接近数控机床进给系统的要求，其摩擦系数(0.03—0.05)远低于金属与金属摩擦副的摩擦系数；另外更重要的是，贴塑导轨的静、动摩擦系数相差很小，可以有效地防止发生低速爬行现象。

贴塑导轨用的复合工程塑料是以聚四氟乙烯为基体填加青铜粉、二硫化钼和石墨等材料混合烧结而成，使用时一般做成带状。生产厂家不同，填加的材料不同，

因此摩擦特性也有差别。贴塑导轨副的加工方法是：将购入的导轨用塑料带粘贴在经过粗加工的导轨面上，待固化后与另一个已磨削好的金属导轨面配刮，注意刮研时的着点要深一些，以便存储润滑油。

(4)齿轮副、变齿厚蜗杆与蜗轮副、齿轮与齿条副间隙消除机构

在数控机床进给系统中，运动副的传动间隙是导致误差的主要因素之一，如果数控系统补偿不掉该项误差，就会直接影响加工精度。因此，消除进给系统中传动副(齿轮副、蜗杆蜗轮副、齿轮齿条副等)的正反向传动间隙，是数控机床机械结构设计必须解决的问题。能够消除传动副传动间隙的机械结构形式很多，其基本原理是改变主、从动齿轮在齿槽中的接触条件，即保证一个齿轮与另一个齿轮的齿槽两侧齿面都接触或间隙最小，并且在装配时可以调节。

图1—10表示的是双片齿轮错齿法消除传动间隙的结构原理图。松开双片齿轮紧固螺钉后，弹簧自动使两片齿轮错位，自动消除与其相啮合的齿轮之间的齿侧间隙。

图1—11是消除侧齿隙并预加负荷的双齿轮、齿条传动结构原理图。通过液压装置推动螺旋齿轮轴向移动，使与其啮合的两个齿轮产生不同方向的旋转，从而使两个小齿轮与齿条的异侧齿面啮合，产生一定的预紧力，自动消除齿侧间隙并预加负荷。

在本认识实验中，学生可以将实验室提供的具体的机械结构进行拆装、测量、搬动等等，以详细了解它们的工作原理及结构。

⑸ 内藏式电主轴 电动机内藏式电主轴的出现，是数控机床中继变频调速主轴之后，机床主传动结构的又一重大改进。

将电动机的转子轴和机床的主轴合成一个轴，构成主运动(切削运动)功能部件，该轴就称为电主轴。电主轴的特点是：主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高启动和制动的响应特性，有利于控制振动和噪声。在电主轴的推广运用中，温度的控制和冷却是使用电主轴的关键问题之一。

电主轴的外形通常都设计为圆柱形，以便于在机床上安装和定位。为了利于电动机的散热，电主轴备有冷却循环系统。当转速较低(低于15000r／min)时，轴承可用油脂润滑；当转速高于15000r／min时，必需用油雾润滑。在电主轴后端装有编码器，可以实现主轴的定向控制或位置控制。

图1—19表示了电主轴的转速—力矩、功率特性曲线，在选用电主轴时，为了确保其有足够大的切削扭矩，必须选用较大功率的内藏式电动机，以保证数控机床在计算转速以下的恒扭矩工作区内也可以满足粗切削的工艺要求。

二、实验目的与要求

(1)掌握数控机床进给传动机构中典型零部件的工作原理及其特性。

(2)了解电主轴的工作原理及其特性。

(3)对上述典型零部件及电主轴建立其外观和结构的感性认识。

三、实验仪器与设备

(1)滚珠丝杠螺母副一套；

(2)滚动导轨副一套；

(3)贴塑导轨模型一副，塑料带(50mmXl00mm)一条；

(4)消除间隙双片齿轮装置一套；

(5)变齿厚蜗杆蜗轮一副(或变齿厚蜗杆一件)； (6)无间隙传动联轴器一套；

(7)同步齿形带及带轮一套；

(8)60°角接触滚珠轴承一个；

(9)电动机内藏式电主轴一件；

(10)通用工具：①活动扳手两个；②木柄起子两个；③内六角扳手一套；④紫铜棒或木质手锤一个；⑤齿厚卡尺一个。

四、实验内容

(1)拆装一种滚珠丝杠螺母副，掌握其工作原理及结构特点和精度要求。

(2)拆装一种滚动导轨副，掌握其工作原理及结构特点和精度要求。

(3)观察贴塑导轨的外形及其结构。

(4)拆装一种消除齿轮传动间隙的结构。

(5)观察并检测双导程变齿厚蜗杆，了解其工作原理和结构特点。

(6)拆装一种消除齿轮齿条传动间隙的结构。

(7)拆装一种无间隙传动的联轴器，掌握它的工作原理。

(8)认识同步齿形带及其带轮的结构。

(9)认识主轴和滚珠丝杠用的角接触轴承，掌握其受力和定位特点。

(10)观察认识一种结构形式的电主轴。

五、实验报告

(1)绘制本实验所认识部件的工作原理简图。

(2)按所绘制的部件工作原理简图说明其工作原理。

(3)测绘变齿厚蜗杆的齿形图。

(4)如果要将齿轮固定在轴上，应如何实现无间隙固定?