《機(jī)械制造基礎(chǔ)》課件第6章

第6章數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)6.1數(shù)控機(jī)床的概念及組成6.2數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)和應(yīng)用6.3數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)6.4數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系6.5數(shù)控車床6.6數(shù)控銑床6.7加工中心6.8數(shù)控編程實(shí)例復(fù)習(xí)思考題

6.1數(shù)控機(jī)床的概念及組成

6.1.1數(shù)控機(jī)床的定義

數(shù)控機(jī)床是一種綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量和機(jī)械設(shè)計(jì)等新技術(shù)的機(jī)電一體化典型產(chǎn)品,它是一種裝有程序控制系統(tǒng)(數(shù)控系統(tǒng))的自動(dòng)化機(jī)床。具體地講,把數(shù)字化了的刀具移動(dòng)軌跡的信息輸入到數(shù)控裝置,經(jīng)過(guò)譯碼、運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)控制刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng),加工出所需要的零件的機(jī)床即為數(shù)控機(jī)床。6.1.2數(shù)控加工技術(shù)的相關(guān)概念

(1)NC(NumericalControl):數(shù)字控制技術(shù),簡(jiǎn)稱數(shù)控(系統(tǒng))。

(2)CNC:計(jì)算機(jī)集成控制技術(shù)。

(3)數(shù)控系統(tǒng):是一種能自動(dòng)完成信息的處理(輸入、譯碼、運(yùn)算),從而控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程的控制系統(tǒng)。

(4)數(shù)控編程:數(shù)控編程即對(duì)工件編寫(xiě)加工程序。指對(duì)零件圖進(jìn)行分析、工藝處理、數(shù)學(xué)處理、編寫(xiě)程序單、制作控制介質(zhì)及程序檢驗(yàn)的全過(guò)程。編程方法分手工編程和自動(dòng)編程。6.1.3數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控程序、輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)、機(jī)床本體等組成,如圖6-1所示。

1.數(shù)控程序

數(shù)控機(jī)床的程序存儲(chǔ)于介質(zhì)中,存儲(chǔ)的介質(zhì)又稱程序載體,常用的介質(zhì)有穿孔紙帶、盒式磁帶、軟盤(pán)、磁盤(pán)、U盤(pán)等。

2.輸入/輸出裝置

輸入裝置的作用是輸入程序、控制參數(shù)、補(bǔ)償量等。輸出裝置的作用主要是顯示輸入的程序代碼、控制參數(shù)及補(bǔ)償量等,還可實(shí)時(shí)顯示加工的狀態(tài)。目前常用液晶顯示屏作為輸出裝置。

3.數(shù)控裝置(CNC)

數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心部件,數(shù)控裝置由信息的輸入、處理和輸出三個(gè)部分組成。

數(shù)控裝置接受數(shù)字化信息,經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進(jìn)行譯碼、插補(bǔ)、邏輯處理后,將各種指令信息輸出給伺服系統(tǒng),伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控裝置還能實(shí)現(xiàn)控制主運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停,控制刀具選擇和交換,控制冷卻、潤(rùn)滑的啟停,控制工件和機(jī)床部件松開(kāi)、夾緊、分度臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助機(jī)能。

4.伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。伺服系統(tǒng)與機(jī)床上的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。它的作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。

5.位置反饋系統(tǒng)(檢測(cè)反饋系統(tǒng))

位置反饋系統(tǒng)測(cè)量執(zhí)行部件的實(shí)際進(jìn)給位置,把檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋給數(shù)控裝置,通過(guò)比較,計(jì)算實(shí)際位置與指令位置之間的偏差,并發(fā)出偏差指令控制執(zhí)行部件的進(jìn)給

運(yùn)動(dòng)。

6.機(jī)床本體

機(jī)床本體包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給部件(工作臺(tái)、刀架)、基礎(chǔ)支承件(床身、立柱等)、輔助裝置(液壓、氣動(dòng)、冷卻和潤(rùn)滑部分)、儲(chǔ)備刀具的刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置(ATC)。圖6-1數(shù)控機(jī)床組成

6.2數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)和應(yīng)用

6.2.1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)

(1)數(shù)控機(jī)床一般具有手動(dòng)加工(用電手輪)、機(jī)動(dòng)加工和控制程序自動(dòng)加工功能,加工過(guò)程中一般不需要人工干預(yù)。

(2)數(shù)控機(jī)床一般具有CRT屏幕顯示功能,能顯示加工程序、多種工藝參數(shù)、加工時(shí)間、刀具運(yùn)動(dòng)軌跡以及工件圖形等。數(shù)控機(jī)床一般還具有自動(dòng)報(bào)警顯示功能,根據(jù)報(bào)警信號(hào)或提示,可以迅速查找機(jī)器故障。

(3)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)采用直流或交流無(wú)級(jí)調(diào)速伺服電動(dòng)機(jī),一般沒(méi)有主軸變速箱和進(jìn)給變速箱,傳動(dòng)鏈短。(4)數(shù)控機(jī)床一般具有工件測(cè)量系統(tǒng)。加工過(guò)程一般不需要進(jìn)行工件尺寸的人工測(cè)量。

(5)當(dāng)對(duì)象(工件)改變時(shí),數(shù)控機(jī)床只需改變加工程序(應(yīng)用軟件),不需要對(duì)機(jī)床作較大的調(diào)整,就能加工各種不同的工件。6.2.2數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化產(chǎn)品,技術(shù)含量高,成本高,使用維修都有一定難度。從最經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā),數(shù)控機(jī)床適應(yīng)于加工以下類型的零件:

(1)多品種小批零件;

(2)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,精度要求較高的零件;

(3)需要頻繁改型的零件;

(4)價(jià)格昂貴,不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件;

(5)要求精密復(fù)制的零件;

(6)需要最短生產(chǎn)周期的急需零件;

(7)要求100％檢驗(yàn)的零件。6.2.3數(shù)控機(jī)床的分類

數(shù)控機(jī)床的種類很多,從不同角度對(duì)其進(jìn)行考查,就有不同的分類方法。

1.按工藝用途分

數(shù)控機(jī)床是從普通機(jī)床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,各種類型的數(shù)控機(jī)床基本上起源于同類型的普通機(jī)床,按工藝用途分為:數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、加工中心、數(shù)控鉆床等。

2.按運(yùn)動(dòng)軌跡分

按數(shù)控裝置的功能不同,數(shù)控系統(tǒng)有下列三大類型:

1)點(diǎn)位控制系統(tǒng)

這類數(shù)控裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削加工,對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有要求,要求有較高的終點(diǎn)定位精度。數(shù)控程序中一般不指定進(jìn)給速度,按事先規(guī)定的速度(較快的定位速度)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)常用于數(shù)控鉆床、數(shù)控鉆鏜床上。圖6-2為點(diǎn)位控制示意圖。圖6-2點(diǎn)位控制示意圖

2)直線控制系統(tǒng)

直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通常在坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行切削加工,坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)要承受切削力。指令中要給出下一位置的數(shù)值,同時(shí)給出移動(dòng)到該位置的進(jìn)給速度。圖6-3表示直線控制示意圖。圖6-3直線控制示意圖

3)輪廓控制系統(tǒng)

兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸根據(jù)指令要求協(xié)調(diào)地運(yùn)行。指令中指明運(yùn)動(dòng)輪廓曲線的類型(點(diǎn)位、直線、順圓、逆圓,拋物線及樣條曲線等),并指出下一點(diǎn)的位置和移動(dòng)至該位置的進(jìn)給速度。各坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度是根據(jù)輪廓各軸相互位置關(guān)系而變化的。

在輪廓控制系統(tǒng)中采用插補(bǔ)運(yùn)算來(lái)處理各坐標(biāo)軸速度的變化。各坐標(biāo)軸一邊移動(dòng),刀具一邊進(jìn)行切削,各坐標(biāo)軸均承受切削力。數(shù)控車床、數(shù)控銑床及加工中心等均為輪廓控制系統(tǒng)。圖6-4為輪廓控制示意圖。

圖6-4輪廓控制示意圖輪廓控制系統(tǒng)能加工復(fù)雜曲面的零件,能控制多坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床,并具有空間直線或圓弧的插補(bǔ)功能。配置有輪廓控制CNC系統(tǒng)的數(shù)控車床,具有兩軸聯(lián)動(dòng),能加工外圓、錐度以及母線為曲線的回轉(zhuǎn)體。數(shù)控銑床具有兩軸半或三軸聯(lián)動(dòng)的CNC系統(tǒng),能進(jìn)行平面插補(bǔ)或空間插補(bǔ)。兩軸半的數(shù)控銑床,其中兩軸聯(lián)動(dòng),當(dāng)兩軸停止時(shí),另一軸作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。加工中心具有三軸、四軸或五軸聯(lián)動(dòng)的功能。能加工空間任意曲面,具備直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、樣條插補(bǔ)、漸開(kāi)線插補(bǔ)、螺旋插補(bǔ)等多種插補(bǔ)功能。插補(bǔ)功能越強(qiáng)與控制的軸數(shù)越多,CNC系統(tǒng)越復(fù)雜,造價(jià)也越高。能進(jìn)行輪廓控制的CNC系統(tǒng),也能進(jìn)行直線控制或點(diǎn)位控制。先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)都屬于輪廓控制的CNC系統(tǒng)。

3.按伺服系統(tǒng)的控制方法分

1)開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)控制采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件,它不需要位置與速度檢測(cè)元件,也沒(méi)有反饋電路,所以控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,特別適合于微型與小型進(jìn)給裝置上使用。但是由于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性都難以得到保證,所以在精度要求高的進(jìn)給裝置上很少使用。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6-5所示。圖6-5開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

2)閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

閉環(huán)控制通常采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。閉環(huán)控制將位移與速度傳感器安裝在工作臺(tái)或其他執(zhí)行元件上,直接測(cè)量和反饋它們的速度與位置,并與數(shù)控裝置的位移指令隨時(shí)進(jìn)行比較和校正。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、誤差和間隙都已經(jīng)被包含在反饋控制環(huán)路以內(nèi),所以最終實(shí)現(xiàn)的精度僅僅取決于檢測(cè)元件的測(cè)量誤差。閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)如圖6-6所示。圖6-6半閉環(huán)與全閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖閉環(huán)控制理論上具有最高的控制精度,是理想的控制方式。但實(shí)際上,在工作臺(tái)或其他執(zhí)行部件上直接安裝速度和位移傳感器不僅有安裝和維護(hù)上的困難,而且價(jià)格往往也較昂貴。此外,由于環(huán)路中不僅包含了整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性與慣量等因素,而且與導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)、傳動(dòng)件潤(rùn)滑狀況、油的粘度和間隙的大小等因素有關(guān)。而這些因素又往往是動(dòng)態(tài)變化的,這就會(huì)使伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。因此在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。

3)半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

半閉環(huán)控制的位置與速度傳感器安裝在電機(jī)的輸出端,伺服系統(tǒng)直接控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角,通過(guò)減速器或滾珠絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間接地控制工作臺(tái)或其他執(zhí)行部件的速度與位移。如果傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有足夠的剛性、較小的傳動(dòng)誤差和間隙可以經(jīng)數(shù)控系統(tǒng)予以補(bǔ)償,并且具有高精度的機(jī)械傳動(dòng)裝置,則數(shù)控機(jī)床的最終加工精度是可以得到保證的。目前,數(shù)控機(jī)床大多數(shù)仍然采用半閉環(huán)的控制方式。

6.3數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床的加工工藝與通用機(jī)床的加工工藝有許多相同之處,但在數(shù)控機(jī)床上加工零件比通用機(jī)床加工零件的工藝規(guī)程要復(fù)雜得多。在數(shù)控加工前,要將機(jī)床的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、零件的工藝特點(diǎn)、刀具的形狀、切削用量和走刀路線等都編入程序。數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下:

(1)選擇并確定零件的數(shù)控加工內(nèi)容。

對(duì)于一個(gè)零件來(lái)說(shuō),往往只是其中的一部分工序適合數(shù)控加工。對(duì)于通用機(jī)床無(wú)法加工的工序、通用機(jī)床難加工,質(zhì)量也難以保證的工序、用機(jī)床加工效率低、工人手工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大的工序,可選擇在數(shù)控機(jī)床上加工。

(2)對(duì)零件圖紙進(jìn)行數(shù)控加工工藝性分析。

①尺寸標(biāo)注應(yīng)符合數(shù)控加工的特點(diǎn)。

在數(shù)控編程中,所有點(diǎn)、線、面的尺寸和位置都是以編程原點(diǎn)為基準(zhǔn)的。因此零件圖樣上最好直接給出坐標(biāo)尺寸,或盡量以同一基準(zhǔn)引注尺寸。

②零件圖的完整性與正確性分析。

在程序編制中,編程人員必須充分掌握構(gòu)成零件輪廓的幾何要素及各幾何要素間的關(guān)系。因?yàn)樵谧詣?dòng)編程時(shí)要對(duì)零件輪廓的所有幾何元素進(jìn)行定義,手工編程時(shí)要計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),無(wú)論哪一點(diǎn)不明確或不確定,編程都無(wú)法進(jìn)行。

③零件技術(shù)要求分析。

零件的技術(shù)要求主要指尺寸精度、形狀精度、位置精度、表面粗糙度及熱處理等在保證零件使用性能的前提下經(jīng)濟(jì)合理。④零件材料分析。

在滿足零件使用性能的前提下,應(yīng)優(yōu)先選用我國(guó)資源豐富、切削加工性能好的材料,使零件加工總成本最低。

⑤定位基準(zhǔn)選擇。

在數(shù)控加工中,加工工序往往比較集中,以同一基準(zhǔn)定位十分重要。特別是正、反兩面都采用數(shù)控加工的零件,其工藝基準(zhǔn)的統(tǒng)一是十分必要的。

(3)數(shù)控加工工藝路線的設(shè)計(jì)。

數(shù)控加工工藝路線設(shè)計(jì)是數(shù)控加工工序工藝過(guò)程的具體描述。在工藝路線設(shè)計(jì)中由于數(shù)控加工工序一般都穿插于零件加工的整個(gè)工藝過(guò)程中,因而要與其他加工工藝銜接好,常見(jiàn)工藝流程如圖6-7所示。圖6-7工藝流程圖

(4)數(shù)控加工的工序設(shè)計(jì)。

在選擇了數(shù)控加工工藝內(nèi)容和確定了零件加工路線后,即可進(jìn)行數(shù)控加工工序的設(shè)計(jì)。數(shù)控加工工序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是進(jìn)一步把各工序的加工內(nèi)容、切削用量、工藝裝備、定位夾緊方式及刀具運(yùn)動(dòng)軌跡確定下來(lái),為編制加工程序做好準(zhǔn)備。

對(duì)于要由多臺(tái)數(shù)控機(jī)床完成加工的零件,劃分工序自然以機(jī)床為單位進(jìn)行,而對(duì)于由一臺(tái)或少數(shù)數(shù)控機(jī)床加工的零件,可按以下原則劃分工序:①以一次工件裝夾所完成的加工內(nèi)容作為一道工序;

②以一個(gè)完整數(shù)控程序所完成的加工內(nèi)容作為一道工序;

③以一把刀具所完成的加工內(nèi)容作為一道工序;

④根據(jù)粗、精加工劃分工序。

(5)數(shù)控加工專用技術(shù)文件。

填寫(xiě)數(shù)控加工專用技術(shù)文件是數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一。數(shù)控加工工藝文件是進(jìn)行數(shù)控加工和產(chǎn)品驗(yàn)收的依據(jù),主要包括數(shù)控加工編程任務(wù)書(shū)、數(shù)控加工工序卡、數(shù)控機(jī)床調(diào)整單、數(shù)控加工刀具調(diào)整單、數(shù)控加工進(jìn)給路線圖、數(shù)控加工程序單。

6.4數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系

6.4.1機(jī)床坐標(biāo)系

1.機(jī)床坐標(biāo)系的確定

1)機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)定

在機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),我們認(rèn)為工件靜止,刀具是運(yùn)動(dòng)的。編程人員可以依據(jù)零件圖樣確定機(jī)床的加工過(guò)程。

2)機(jī)床坐標(biāo)系的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床坐標(biāo)系中X、Y、Z坐標(biāo)軸的相互關(guān)系可用右手笛卡爾直角坐標(biāo)系決定,如圖6-8所示。

在數(shù)控機(jī)床上,機(jī)床的動(dòng)作是由數(shù)控裝置來(lái)控制的,為了確定數(shù)控機(jī)床上的成型運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng),必須先確定機(jī)床上運(yùn)動(dòng)的位移和運(yùn)動(dòng)的方向,這就需要通過(guò)坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn),這個(gè)

坐標(biāo)系被稱為機(jī)床坐標(biāo)系。圖6-8右手笛卡爾直角坐標(biāo)系

3)運(yùn)動(dòng)方向的規(guī)定

規(guī)定增大刀具與工件距離的方向即為各坐標(biāo)軸的正方向,圖6-9所示為數(shù)控車床上兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的正方向。圖6-9數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向

2.坐標(biāo)軸方向的確定

1)Z坐標(biāo)

Z坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向是由傳遞切削動(dòng)力的主軸所決定的,即平行于主軸軸線的坐標(biāo)軸即為Z坐標(biāo)軸,Z坐標(biāo)的正向?yàn)榈毒唠x開(kāi)工件的方向。

2)X坐標(biāo)

X坐標(biāo)平行于工件的裝夾平面,一般在水平面內(nèi)。確定X軸的方向時(shí)要考慮兩種情況:

(1)如果工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),則刀具離開(kāi)工件的方向?yàn)閄坐標(biāo)的正方向。

(2)如果刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),則分為兩種情況:Z坐標(biāo)水平時(shí),觀察者沿刀具主軸向工件看時(shí),+X運(yùn)動(dòng)方向指向右方;Z坐標(biāo)垂直時(shí),觀察者面對(duì)刀具主軸向立柱看時(shí),+X運(yùn)動(dòng)方向

指向右方。

3)Y坐標(biāo)

在確定X、Z坐標(biāo)的正方向后,可以根據(jù)X和Z坐標(biāo)的方向,按照右手直角坐標(biāo)系來(lái)確定Y坐標(biāo)的方向。圖6-10所示為數(shù)控車床的坐標(biāo)系,圖6-11所示為數(shù)控銑床的坐標(biāo)系。圖6-10數(shù)控車床坐標(biāo)系圖6-11數(shù)控銑床坐標(biāo)系

3.機(jī)床原點(diǎn)的設(shè)置

機(jī)床原點(diǎn)是指在機(jī)床上設(shè)置的一個(gè)固定點(diǎn),即機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)。它在機(jī)床裝配、調(diào)試時(shí)就已確定下來(lái),是數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)參考點(diǎn)。

4.機(jī)床參考點(diǎn)

機(jī)床參考點(diǎn)是用于對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和控制的固定位置點(diǎn)。

機(jī)床參考點(diǎn)的位置是由機(jī)床制造廠家在每個(gè)進(jìn)給軸上用限位開(kāi)關(guān)精確調(diào)整好的,坐標(biāo)值已輸入數(shù)控系統(tǒng)中。因此參考點(diǎn)對(duì)機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)是一個(gè)已知數(shù)。

通常在數(shù)控銑床上,機(jī)床原點(diǎn)和機(jī)床參考點(diǎn)是重合的;而在數(shù)控車床上,機(jī)床參考點(diǎn)是離機(jī)床原點(diǎn)最遠(yuǎn)的極限點(diǎn)。圖6-12為數(shù)控車床的參考點(diǎn)與機(jī)床原點(diǎn)。圖6-12機(jī)床參考點(diǎn)6.4.2編程坐標(biāo)系

編程坐標(biāo)系是編程人員根據(jù)零件圖樣及加工工藝等建立的坐標(biāo)系。

編程坐標(biāo)系一般供編程使用,確定編程坐標(biāo)系時(shí)不必考慮工件毛坯在機(jī)床上的實(shí)際裝夾位置。如圖6-13所示,其中O2即為編程坐標(biāo)系原點(diǎn)。

編程原點(diǎn)是根據(jù)加工零件圖樣及加工工藝要求選定的編程坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

圖6-13編程坐標(biāo)系

編程原點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基準(zhǔn)上,編程坐標(biāo)系中各軸的方向應(yīng)該與所使用的數(shù)控機(jī)床相應(yīng)的坐標(biāo)軸方向一致。如圖6-13右圖中O2為車削零件的編程原點(diǎn)。6.4.3加工坐標(biāo)系

加工坐標(biāo)系是指以確定的加工原點(diǎn)為基準(zhǔn)所建立的坐標(biāo)系。

加工原點(diǎn)也稱為程序原點(diǎn),是指零件被裝夾好后,相應(yīng)的編程原點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置。

6.5數(shù)控車床

6.5.1數(shù)控車削的基本特征與加工范圍

數(shù)控車削的基本特征是:工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),刀具作直線或曲線運(yùn)動(dòng),刀尖相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)的同時(shí)切除一定的工件材料,從而形成相應(yīng)的工件表面。其中,工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為切削主運(yùn)動(dòng),刀具的直線或曲線運(yùn)動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng),兩者共同組成切削成型運(yùn)動(dòng)。

數(shù)控車床主要用于軸類和盤(pán)類回轉(zhuǎn)體零件的多工序加工,具有高精度、高效率、高柔性化等綜合特點(diǎn),其加工范圍較普通車削廣,不僅可以進(jìn)行車削,還可以進(jìn)行銑削。6.5.2數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)

數(shù)控車床種類較多,但主體結(jié)構(gòu)都是由車床主體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)三大部分組成的。

數(shù)控臥式車床的基本結(jié)構(gòu)如圖6-14所示。數(shù)控立式車床的基本結(jié)構(gòu)如圖6-15所示。圖6-14數(shù)控臥式車床圖6-15數(shù)控立式車床6.5.3數(shù)控車床的主要加工對(duì)象

數(shù)控車削加工是數(shù)控加工中用得最多的加工方法之一,由于數(shù)控車床具有精度高,能做直線和圓弧插補(bǔ)以及在加工過(guò)程中能自動(dòng)變速,適合于車削具有以下要求和特點(diǎn)的零件:(1)精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件;

(2)帶特殊螺紋的回轉(zhuǎn)體零件;

(3)表面形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)體零件;

(4)其他形狀復(fù)雜的零件。

6.6數(shù)控銑床

數(shù)控銑床是一種加工功能很強(qiáng)的數(shù)控機(jī)床,如圖6-16所示,在數(shù)控加工中占據(jù)著重要的地位。世界上首臺(tái)數(shù)控機(jī)床就是一臺(tái)三坐標(biāo)銑床。

現(xiàn)在數(shù)控銑床已全面向多軸化發(fā)展,目前迅速發(fā)展的加工中心和柔性制造單元也是在數(shù)控銑床和數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。圖6-16數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)6.6.1數(shù)控銑床的主要加工對(duì)象

數(shù)控銑床是用來(lái)加工工件的平面、內(nèi)外輪廓、孔和攻螺紋,并可通過(guò)兩軸聯(lián)動(dòng)加工零件的平面輪廓,通過(guò)兩軸半控制、三軸或多軸聯(lián)動(dòng)來(lái)加工空間曲面零件。6.6.2數(shù)控銑床的類型

數(shù)控銑床分類方法如下:

(1)按體積大小可分為小型、中型及大型數(shù)控銑床;

(2)按主軸布局形式分為立式、臥式及立臥兩用式數(shù)控銑床;

(3)按控制坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)分為兩軸半控制、三軸控制及多軸控制數(shù)控銑床。

6.7加工中心

6.7.1加工中心的特點(diǎn)

加工中心(CNCmachiningcenter)又稱多工序自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床,如圖6-17所示。加工中心的突出特征是設(shè)置有刀庫(kù),刀庫(kù)中存放著各種刀具和檢具。加工中心是在數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它們都是通過(guò)程序控制多軸聯(lián)動(dòng)走刀進(jìn)行加工的數(shù)控機(jī)床,不同的是加工中心具有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀功能。圖6-17加工中心的外形6.7.2加工中心的用途

加工中心具備多種加工能力,能實(shí)現(xiàn)工件一次裝卡后

的銑、鉆、鉸、攻絲等綜合加工。對(duì)中等加工難度的批量工件,其生產(chǎn)效率是普通設(shè)備的5～10倍。加工中心對(duì)形狀復(fù)雜、精度要求高的單件加工或小批量生產(chǎn)更為適用,調(diào)換工藝時(shí)能體現(xiàn)出相對(duì)的柔性。

加工中心控制系統(tǒng)功能較多,機(jī)床運(yùn)動(dòng)至少用三個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸,多的達(dá)十幾個(gè)。加工中心還具有各種輔助機(jī)能,如加工固定循環(huán)、刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償、刀具長(zhǎng)度自動(dòng)補(bǔ)償、刀具破損報(bào)警、刀具壽命管理、過(guò)載超程自動(dòng)保護(hù)、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、絲杠間隙補(bǔ)償、故障自動(dòng)診斷、工件與加工過(guò)程圖形顯示、人機(jī)對(duì)話、工件在線檢測(cè)和加固自動(dòng)補(bǔ)償、離線編程等,這些對(duì)提高設(shè)備的加工效率,保證產(chǎn)品的加工精度等都起到了保證作用。加工中心既可以單機(jī)使用,也能在計(jì)算機(jī)輔助控制下多臺(tái)同時(shí)使用,構(gòu)成柔性生產(chǎn)線,還可以與工業(yè)機(jī)器人、立體倉(cāng)庫(kù)等組合成無(wú)人工廠。隨著21世紀(jì)現(xiàn)代制造業(yè)的技術(shù)發(fā)展,

機(jī)械加工的工藝與裝備在數(shù)字化基礎(chǔ)上正向智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化邁進(jìn),而作為前沿工藝裝備的先進(jìn)數(shù)控設(shè)備大量取代傳統(tǒng)機(jī)加工設(shè)備將是必然趨勢(shì)。6.7.3加工中心的結(jié)構(gòu)

1.基礎(chǔ)部件

基礎(chǔ)部件一般指床身、立柱和工作臺(tái),它們是組成加工中心的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這些大件是鑄鐵件或焊接的鋼結(jié)構(gòu)件,在加工中心中質(zhì)量和體積最大。由于它們要承受加工中心的靜負(fù)荷以及在加工時(shí)的切削負(fù)載,因此應(yīng)是剛度很高的部件。

2.主軸部件

主軸部件一般由軸箱、主軸電機(jī)、主軸、主軸軸承等零件組成。主軸部件的啟動(dòng)、停止和速度變化等均由數(shù)控系統(tǒng)控制,并通過(guò)裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng),是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)特征直接關(guān)系到加工中心的使用性能。

3.數(shù)控系統(tǒng)

單臺(tái)加工中心的數(shù)控系統(tǒng)(NC)由數(shù)控裝置、可編程序控制器、伺服式驅(qū)動(dòng)裝置及電機(jī)等部分組成。它們是加工中心進(jìn)行加工過(guò)程控制和執(zhí)行順序動(dòng)作的控制中心。

4.自動(dòng)換刀系統(tǒng)

自動(dòng)換刀系統(tǒng)(ATC)由刀庫(kù)、機(jī)械手等部件組成。刀庫(kù)是存放加工過(guò)程中所要使用的全部刀具的裝置,圖6-18為無(wú)臂式刀庫(kù),圖6-19為有臂式刀庫(kù)。當(dāng)需要換刀時(shí),根據(jù)數(shù)控系

統(tǒng)的指令由機(jī)械手或通過(guò)其他方式將刀具從刀庫(kù)上取出后裝入主軸孔中,有的加工中心不用機(jī)械手而利用主軸箱或刀庫(kù)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直接換刀。圖6-18無(wú)臂式刀庫(kù)外形圖6-19有臂式刀庫(kù)外形

5.輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)包括潤(rùn)滑、冷卻排屑、防護(hù)、液壓和隨機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)等部分。輔助系統(tǒng)雖不直接參與切削運(yùn)動(dòng),但對(duì)加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保證作用,也是加工中心不可缺少的部分。

6.自動(dòng)托盤(pán)交換系統(tǒng)(APC)

為縮短非切削時(shí)間,有的加工中心配有兩個(gè)自動(dòng)交換工件的托盤(pán),一個(gè)在工作臺(tái)上加工,另一個(gè)在工作臺(tái)外裝卸工件,即自動(dòng)托盤(pán)交換系統(tǒng)(APC)。當(dāng)完成一個(gè)托盤(pán)上工件的加工后,便自動(dòng)交換托盤(pán),進(jìn)行新的加工,以減少輔助時(shí)間,提高加工效率。6.7.4自動(dòng)交換裝置

1.自動(dòng)換刀裝置的形式

1)回轉(zhuǎn)刀架

回轉(zhuǎn)刀架換刀裝置的刀具數(shù)量有限,但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便。如數(shù)控車床上的回轉(zhuǎn)刀架。

2)帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置

帶刀庫(kù)的自動(dòng)換刀裝置由刀庫(kù)和機(jī)械手組成,是多工序數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用最廣泛的換刀裝置。加工時(shí),把加工過(guò)程中需要使用的全部刀具分別安裝在標(biāo)準(zhǔn)刀柄上,在機(jī)外進(jìn)行尺寸預(yù)調(diào)后,按一定的方式放入刀庫(kù)。換刀時(shí)先在刀庫(kù)中進(jìn)行選刀,并由機(jī)械手從刀庫(kù)和主軸上取出刀具,在進(jìn)行刀具交換之后,將新刀具裝入主軸,把舊刀具放回刀庫(kù)。存放刀具的刀庫(kù)有較大的容量,它既可以安裝在主軸箱的側(cè)面或上方,也可以作為獨(dú)立部件安裝在機(jī)床以外。

2.換刀過(guò)程

自動(dòng)換刀裝置的換刀過(guò)程由選刀和換刀兩部分組成。選刀即刀庫(kù)按照選刀命令自動(dòng)將要用的刀具移動(dòng)到換刀位置,完成換刀過(guò)程,為下面換刀做好準(zhǔn)備;換刀即把主軸上用過(guò)的刀具取下,將選好的刀具安裝在主軸上。

3.刀具的選擇方法

數(shù)控機(jī)床常用的選刀方式有順序選刀方式和任選方式兩種。順序選刀方式是將加工所需要的刀具按預(yù)先確定的加工順序依次安裝在刀座中。換刀時(shí),刀庫(kù)按順序轉(zhuǎn)位。這種方式刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單,但刀庫(kù)中刀具順序不能錯(cuò)。任選方式是對(duì)刀具或刀座進(jìn)行編碼并根據(jù)編碼選刀,它可分為刀具編碼和刀座編碼兩種方式。6.7.5加工中心的加工范圍

在生產(chǎn)中加工中心適合的加工范圍為：

(1)中小批量、周期性地進(jìn)行加工、品種多變并有一定復(fù)雜程度的零件。

(2)需加工多個(gè)不同位置的平面和孔系的箱體或多棱體零件。

(3)不同類型表面之間有較高的位置精度要求的零件。

(4)加工精度一致性要求較高的零件。

(5)切削條件多變的零件。

(6)形狀簡(jiǎn)單,可成組安裝在工作臺(tái)夾具上進(jìn)行多品種同時(shí)加