数控机床加工

第六章数控机床加工一、本章的教学目的与要求学习本章的主要目的：了解数控机床的基本组成与结构；了解数控机床加工的编程方法；了解加工中心的特点与特殊机构；了解数控机床加工的主要特点。

本章在于重点了解：普通数控机床的基本组成；数控编程的基本方法。

学习本章内容建议：与工程实践的数控实习相结合，加深理解数控机床的结构特点；通过数控实习与工程实践熟悉数控编程的方法。

二、授课主要内容1数控机床的基本组成主要学习输入与输出装置、数控系统、伺服系统、数控机床主机、数控机床的辅助装置2数控机床加工特点主要学习数控机床在加工方面的特点、数控机床的适应性与经济性特点、数控机床在管理与使用方面的特点3数控加工程序编制主要学习数控程序编制的基本知识、数控加工程序的代码及其功能、代码使用举例、数控编程的种类4数控编程实例主要学习数控铣削加工的程序编制实例和数控车削加工程序编制5加工中心主要学习加工中心的分类与应用范围、加工中心的特点、加工中心编程的特点、加工中心的特殊构件、加工中心的发展三、重点、难点及对学生的要求（掌握、熟悉、了解、自学）本章在于重点了解：普通数控机床的基本组成；数控编程的基本方法。

四、主要外语词汇数字控制（Numerical Control）简称NC计算机数字控制(Computer Numerical Control ) 简称CNC加工中心（Machining Center）简称MC刀库系统简称ATC（Automatic Tool Changer）五、辅助教学情况（多媒体课件、板书、绘图、标本、示数等）讲授+多媒体课件+工程实践数控实习六、复习思考题1．什么是数控技术？什么是数控机床？2．数控系统由哪些部分组成？各个部分的功用是什么？3．闭环控制系统工作原理是怎样的？有什么特点？4．为什么半闭环控制系统用得比较广泛？5．交流伺服电机与直流伺服电机各有哪些优缺点？6．步进电机有何特点？主要应用在哪些场合？7．数控机床上常用的导轨有哪几种类型？它们各有什么特点？8．与普通机床相比，数控机床的机械结构有什么特殊的要求？9．数控机床最适合加工哪些类型的零件？10．与普通机床相比，数控机床生产率比较高的主要原因是什么？11．数控机床坐标轴是如何确定的？它们的方向是如何判定？12．数控加工程序的编制方法有哪几种？各有什么特点？13．手工编程的主要内容有哪些？14．何谓绝对坐标系？何谓相对坐标系？编程时如何选用？15．试分析刀具补偿的功能与作用？16．何谓加工中心？它与数控机床有何显著区别？17．加工中心有哪些主要特点？18．数控系统是如何识别与选取加工中心刀库中的刀具的？七、参考资料；（1）周文玉编著《数控加工技术基础》（中国轻工业出版社1999.8出版）；（2）刘雄伟编著《数控加工理论与编程技术》（机械工业出版社 1994.7出版）第六章数控机床加工数控机床加工技术是集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化的特点。

对机械制造实现柔性集成化、智能化起着至关重要的作用。

数控机床也是柔性制造系统、计算机集成制造系统的主体设备。

数控机床加工的能力和数控机床的拥有量是衡量一个国家工业现代化的重要标志。

第一节数控机床的基本组成⏹以数字技术实现机床主运动与进给运动的自动化控制，这种机床称为数控机床。

⏹在数控机床上，零件加工的全过程是由数控指令控制。

⏹数控指令是被加工零件的几何信息和工艺信息按规定格式编写的数字化代码，称为数控加工程序。

⏹数控机床主要是由输入与输出装置、数控系统、伺服驱动系统、机床主机和其它辅助装置组成。

数控装备的供应厂家，一般将输出、输入装置，数控装置，位置控制和速度控制等部分集成在一起（如图6-1点划线框图）称为CNC系统。

⏹伺服系统是指伺服电机和检测元件。

⏹机械机构如滚珠丝杠机构、滑动工作台与机床床身等组成机床主机部分。

⏹冷却部分、转位刀架、液压油缸等为数控机床的辅助部分。

将数控加工程序以适当的方式输入到数控机床的数控装置中，数控装置对数控加工程序的代码进行各种数值运算与处理，得到的结果以数字信号的形式传送给机床的伺服电机（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等），经传动装置（如滚珠丝杠螺母副等），使机床按数控程序规定的顺序、速度和位移量进行工作，从而加工出符合图纸技术要求的零件。

一、输入与输出装置1．输入装置⏹将数控指令传输给数控系统的装置。

⏹手动输入和直接输入（1）手动输入⏹由操作者将数控程序直接输入数控系统中。

⏹1)操作者在数控装置操作面板上用键盘输入加工程序的指令，称为MDI功能。

⏹它适用于比较短的程序，只能使用一次，机床动作后程序即消失。

⏹MDI功能允许手动输入一个命令或一段程序的指令，并即时启动运行。

⏹2)在控制装置编辑状态下，用软件输入加工程序，并存入控制装置的存储器中，称为EDIT功能。

⏹这种输入方法可重复使用程序。

⏹一般手工编程均采用这种方法。

3)在具有会话编程功能的数控装置上，按照显示器上提示，以人机对话的方式，输入有关的尺寸数值，就可自动生成加工程序。

（2）直接输入方式零件加工程序在上级计算机中生成，以计算机与数控装置直接通讯的方式传输程序，CNC系统一边加工一边接收来自上级计算机的后续程序段。

⏹这种方式是采用CAD／CAM软件设计的复杂工件并直接生成零件加工程序的情况。

2．输出装置⏹输出装置有数码管显示，视频显示器，液晶显示器，输出接口等。

⏹通过软件与接口，可以在显示器上显示程序、加工参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息。

可以采用人机对话编辑加工程序、零件图形、动态刀具轨迹等。

先进的数控系统有丰富的显示功能，如具有实时图形显示、PLC梯形图显示和多窗口的其它显示功能。

二、数控系统⏹现代数控机床采用的数控系统均为计算机数字控制（CNC系统）。

⏹通过CNC装置内部的信息处理来驱动机床的执行元件工作，达到控制机床的目的。

CNC装置通过主轴驱动单元控制主轴运动；通过速度控制单元控制机床各坐标轴的进给运动；通过可编程控制器控制机床的开关电路；机床操作人员可以通过数控装置上的操作面板或通讯接口进行各种操作。

⏹数控装置内部信息处理的结果能在显示器中显示出来。

按数控装置的功能不同，数控系统有下列三大类型：⏹1.点位控制系统⏹2.直线控制系统⏹3.轮廓控制系统1.点位控制系统⏹这类数控装置在运动过程中不进行切削加工，对运动轨迹没有要求，要求有较高的终点定位精度。

⏹数控程序中一般不指定进给速度，按事先规定的速度（较快的定位速度）运动。

⏹该系统常用于数控钻床、数控钻镗床上。

2.直线控制系统直线运动控制系统通常在坐标轴运动的同时进行切削加工，坐标轴的驱动要承受切削力。

指令中要给出下一位置的数值，同时给出移动到该位置的进给速度。

3.轮廓控制系统两个或两个以上的坐标轴根据指令要求协调地运行。

指令中指明运动轮廓曲线的类型（点位、直线、顺圆、逆圆，抛物线及样条曲线等），并指出下一点的位置和移动至该位置的进给速度。

各坐标轴的进给速度是根据轮廓各轴相互位置关系而变化的。

在轮廓控制系统中采用插补运算来处理各坐标轴速度的变化。

各坐标轴一边移动，刀具一边进行切削，各坐标轴均承受切削力。

⏹数控车床、数控铣床及加工中心等均为轮廓控制系统。

⏹轮廓控制系统能加工复杂曲面的零件，能控制多坐标轴联动的数控机床，并具有空间直线或圆弧的插补功能。

⏹配置有轮廓控制CNC系统的数控车床，具有两轴联动，能加工外圆、锥度以及母线为曲线的回转体。

数控铣床具有两轴半或三轴联动的CNC系统，能进行平面插补或空间插补。

两轴半的数控铣床，其中两轴联动，当两轴停止时，另一轴作进给运动。

加工中心具有三轴、四轴或五轴联动的功能。

能加工空间任意曲面，具备直线插补、圆弧插补、条样插补、渐开线插补、螺旋插补等多种插补功能。

⏹插补功能越强与控制的轴数越多，CNC系统越复杂，造价也越高。

⏹能进行轮廓控制的CNC系统，也能进行直线控制或点位控制。

先进的数控系统都属于轮廓控制的CNC系统。

三、伺服系统⏹伺服系统是数控系统与机床主机联接的重要环节，是数控机床执行机构的驱动部件。

伺服系统的作用是把数控系统发出的脉冲信号，经功率放大、整形处理后转换成机床执行部件的直线位移或角位移。

⏹伺服系统的性能直接影响到数控机床执行机构的工作精度、负载能力、响应快慢和稳定程度等。

⏹伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。

驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电机、进给伺服电机组成。

步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机是常用的伺服元件。

⏹执行机构（如主轴箱、工作台、转位刀架等）由相应的驱动装置来驱动。

1．伺服电机的类型(1)直流伺服电机（2）交流伺服电机（3）步进电机（4）直线电机2．伺服系统的分类⏹（1）开环控制伺服系统⏹（2）闭环控制伺服系统⏹(3)半闭环控制伺服系统3．伺服系统检测元件⏹（1）直线型检测元件：如磁尺⏹（2）回转型的检测元件：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅等。

四、数控机床主机数控机床的机械构件要求传动刚度、传动精度更高；传动系统更具稳定性；快速响应能力更强。

数控机床主机中的关键部件，如机床床身、导轨副、丝杠螺母副等，其特殊结构是普通机床所没有的。

1．机床床身结构⏹起着支承和导向的作用。

要求采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。

⏹如数控车床的床身采用封闭的箱体结构，抗弯刚度与抗扭刚度高了许多。

⏹箱式机床床身结构中还保留着铸件的泥心，这能提高系统的抗振能力并能吸收噪声。

⏹现代数控机床可以采用焊接床身，比铸造床身的刚度有较大的提高。

⏹焊接床身的设计自由度大，可以灵活地布置焊缝、设计隔板、筋板，从而充分发挥结构的承载和抗变形能力。

⏹钢的弹性模量约为铸铁的一倍。

因此，采用钢板焊接结构的固有频率提高，从而提高床身的结构刚度。

2．导轨副数控系统要求机床导轨运动轻便、灵活、摩擦系数小、动、静摩擦系数的差别小。

启动阻力小，低速运行时无爬行现象等。

（1）滚动直线导轨（2）滚动导轨块（3）贴塑导轨3．滚珠丝杠螺母副在丝杠和螺母的圆弧螺旋槽之间装有滚珠作为传动元件，因而摩擦系数小，传动效率可达90－95％，动、静摩擦系数相差小。

在施加预紧后轴向刚度好，传动平稳，无间隙，不易产生爬行，随动精度和定位精度都较高。

是目前数控机床进给系统最常用的机械结构之一。

但是滚珠丝杠螺母副安装时要通过预紧消除间隙保证换向精度。

五、数控机床的辅助装置1.气动、液压装置。

应用气动、液压系统，使机床完成自动换刀所需的动作，实现运动部件的制动和滑移齿轮移动变速、完成工作台的自动夹紧、松开，工件、刀具定位表面的自动吹屑等辅助功能。

⏹ 2.排屑，冷却、润滑装置。

⏹ 3.回转工作台和数控分度头。