模具制造工艺—第4章—模具的数控加工.ppt

第4章模具的数控加工 一 数控加工基本概念 1 数控与数控机床 数字控制是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法 简称为数控 NC 它是一种自动控制技术 数控机床就是采用了数控技术的机床 或者说是装备了数控系统的机床 2 数控加工 数控加工是指在数控机床上进行零件切削加工的一种工艺方法 数控加工与普通加工方法的区别在于控制方式 在普通机床上进行加工时 机床动作的先后顺序和各运动部件的位移都是由人工直接控制 一 数控加工基本概念 3 数控加工研究的主要内容 1 数控加工工艺设计工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作 它必须在程序编制工作以前完成 因为只有工艺设计方案确定以后 程序编制工作才有依据 包括以下内容 1 选择并决定零件的数控加工内容 2 零件图纸的数控加工工艺性分析 3 数控加工的工艺路线设计 4 数控加工的工序设计 5 数控加工专用技术文件的编写 二 数控机床加工 特点 自动化程度高 生产率高 加工精度高 质量稳定 适应性强 为单件 小批 试制产品 主要是模具 提供了较大的便利 常用数控机床分类 数控铣床 数控磨床 数控镗铣床 原理 根据工件形状和尺寸 材料 技术要求 进行程序设计 通过数控装置变换 发出相应的指令 控制机床的动作 二 数控机床的工作原理与分类 1 数控机床的工作原理 数控机床的组成 图纸 存储介质 数控装置 输入 输出 CNC装置 伺服驱动装置 伺服系统 执行机构 切削驱动装置 机床主体 检测装置 1 控制介质控制介质是用于记载各种加工信息 如零件加工的工艺过程 工艺参数和位移数据等 的媒体 经输入装置将加工信息送给数控装置 2 数控装置数控装置是数控机床的核心 它的功能是接受输入装置输入的加工信息 经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码 运算和逻辑处理之后 发出相应的脉冲送给伺服系统 通过伺服系统控制机床的各个运动部件按规定要求动作 二 数控机床的工作原理与分类 2 数控机床的组成 3 伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成 它是数控系统的执行部分 4 机床本体数控机床的本体包括 主运动部件 进给运动部件如工作台 刀架及传动部件和床身立柱等支撑部件 此外还有冷却 润滑 转位 夹紧等辅助装置 二 数控机床的工作原理与分类 2 数控机床的组成 3 数控机床的分类 1 金属切削类属于此类的有数控车床 数控铣床 数控钻床 数控镗床 数控磨床 数控齿轮加工机床和加工中心等 2 金属成形类属于此类的有数控折弯机 数控弯管机 数控冲床 数控旋压机等 3 特种加工类属于此类的有数控电火花线切割机床 数控电火花成形机床及数控激光切割焊接机等 4 其他类属于此类的有数控火焰切割机床 数控激光热处理机床 三坐标测量机等 二 数控机床的工作原理与分类 三 数控加工的特点与应用 1 数控加工的特点 1 加工精度高数控机床是精密机械和自动化技术的综合 所以机床的传动精度与机床的结构设计都考虑到要有很高的刚度和热稳定性 它的传动机构采用了减小误差的措施 并由数控装置补偿 所以数控机床有较高的加工精度 2 自动化程度高和生产率高数控加工是按事先编好的程序自动完成零件加工任务的 操作者除了安放控制介质及操作键盘 装卸零件 关键工序的中间测量以及观察机床的运动情况外 不需要进行繁重的重复性手工操作 因此自动化程度很高 管理方便 三 数控加工的特点与应用 1 数控加工的特点 3 适应性强当改变加工零件时 只需更换加工程序 就可改变加工工件的品种 这就为复杂结构的单件 小批量生产以及试制新产品提供了极大的便利 特别是普通机床很难加工或无法加工的精密复杂型面 4 有利于生产管理现代化用数控机床加工零件 能准确地计算零件的加工工时 并有效地简化了检验和工夹具 半成品的管理工作 三 数控加工的特点与应用 1 数控加工的特点 5 减轻劳动强度 改善劳动条件操作者不需繁重而又重复的手工操作 劳动强度和紧张程度大大改善 另外工作环境整洁 劳动条件也相应改善 6 成本高数控加工不仅初始投入大 数控设备及计算机系统 而且复杂零件的编程工作量也很大 从而增加了它的生产成本 三 数控加工的特点与应用 2 数控加工的应用与目的应用 数控加工有一般机械加工所不具备的许多优点 所以其应用范围不断扩大 但目前它并不能完全代替普通机床 也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题 目的 解决单件 中小批量精密复杂零件的加工问题 三 数控加工的特点与应用 3 数控加工技术的发展历史1 1952年 第一台数控机床 电子管元器件 2 1959年 出现晶体管元器件 1959年3月美国克耐 杜列可公司 K T 发明了带有自动换刀装置的数控机床称为 加工中心 MachiningCenter 60年代开始 除美以外的其他一些工业国家 如德 日开始开发和使用数控机床 3 1965年 出现小规模集成电路1967年英国产生了最初FMS FlexibleManufacturingSystem 柔性制造系统 几台数控机床连接成具有柔性的加工系统 三 数控加工的特点与应用 3 数控加工技术的发展历史4 1965 1970年期间 由于计算机技术的发展 小型计算机的价格急剧下降 小型计算机开始取代专用数控计算机 出现了计算机数控系统 CNC ComputerizedNC 数控的许多功能在软件中实现 CNC系统成为第四代系统 1970年美国芝加哥国际机床展览会上 首次展出这种系统 5 1970年前后 美国英特尔公司开发和使用了微处理器 1974年 美 日等国首先研制出微处理器为核心的数控系统 第五代系统MNC MicrocomputerizedNC 近30年来 MNC机床得到飞速发展 三 数控加工的特点与应用 4 数控加工技术的发展方向 1 高速度高精度化速度和精度是数控加工的两个重要技术指标 它直接关系到加工效率和产品质量 2 智能化智能化是体现数控加工运用高技术的重要标志 它表现在运用自适应控制技术 运用人机会话自动编程功能 建立切削用量专家系统和示教系统 运用自诊断功能 运用模式识别技术 3 小型化CNC系统体积的小型化便于将机 电装置揉合为一体 三 数控加工的特点与应用 4 数控加工技术的发展方向 4 提高可靠性数控系统比较贵重 用户期望发挥投资效益 要求设备可靠 特别是对要用在长时间无人操作环境下运行的数控系统 可靠性成为人们最为关注的问题 5 具有更高的通信功能为适应FMC FMS以及进一步联网组成CIMS的要求 一般的数控系统都具有RS 232C和RS 422高速串行接口 高档的数控系统应具有DNC接口 6 具有开放性传统的数控系统是一种专用封闭式系统 各个厂家的产品之间以及与通用计算机之间不兼容 维修 升级困难 越来越难以满足市场对数控技术的要求 四 数控机床的组成 1 数控与数控机床的概念数控即数字控制 NumericalControl 简称NC 是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术 是用数字化信号进行控制的一种方法 数控机床 NumericalControlTool 是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床 或者说是装备了数控系统的机床 计算机数控 ComputerNumericalControl 系统是采用计算机控制加工功能 实现数字控制 并通过接口与外围设备连接 简称CNC系统 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成数控机床主要由控制介质 数控装置 伺服装置 辅助控制装置 检测装置和机床本体组成 如图所示 控制介质 数控装置 伺服机构 辅助控制装置 检测装置 机床本体 图1 1 主轴箱 立柱 电气柜 控制面板 主轴 床身 工作台 冷却液箱 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成1 控制介质控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置去的程序载体 随数控装置类型的不同而不同 常用的有磁盘 移动硬盘 Flash U盘 等 a b c 常用的控制介质a 磁盘b 移动硬盘c U盘 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成2 数控装置数控装置是数控机床的核心 如图1 3所示是某数控车床的数控装置 它由输入装置 如键盘 面板 控制运算器和输出装置 如显示器 等构成 数控装置 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成2 数控装置操作面板操作面板的是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具 组成 按钮站 状态灯 按键阵列 功能与计算机键盘一样 和显示器 它是数控机床特有的部件 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成2 数控装置控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置 交互的信息通常是零件加工程序 即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成2 数控装置通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外 一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力 它们是实现CAD CAM的集成 FMS和CIMS的基本技术 采用的方式有 串行通讯自动控制专用接口和规范网络技术 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成3 CNC装置 CNC单元 组成 计算机系统 位置控制板 PLC接口板 通讯接口板 特殊功能模块以及相应的控制软件 作用 根据输入的零件加工程序进行相应的处理 如运动轨迹处理 机床输入输出处理等 然后输出控制命令到相应的执行部件 伺服单元 驱动装置和PLC等 所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合 合理组织 使整个系统有条不紊地进行工作的 CNC装置是CNC系统的核心 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成4 伺服机构伺服机构是数控机床的执行机构 由驱动装置和执行部件 如伺服电动机 两大部分组成 如图所示 a 驱动装置 b 伺服电动机 伺服机构 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成5 辅助控制装置辅助控制装置是介于数控装置和机床机械 液压部件之间的强电控制装置 由于可编程控制器 PLC 具有响应快 性能可靠 易于使用 编程和修改程序 并可直接驱动机床电气等特点 现已广泛用作数控机床的辅助控制装置 图所示为某可编程控制器的外观图 辅助控制装置 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成6 检测装置检测反馈装置将数控机床各个坐标轴的实际位移量 速度参数检测出来 转换成电信号 并反馈到机床的数控装置中 检测装置的检测元件有多种 常用的有直线光栅 光电编码器 圆光栅 绝对编码尺等 光电编码器 直线光栅 四 数控机床的组成 2 数控机床的组成7 机床本体机床本体是数控机床的主体 是用于完成各种切削加工的机械部分 包括主运动部件 进给运动执行部件 如工作台 滑板及其传动部件 和床身 立柱 支承部件等 五 数控机床的工作原理 数控机床加工零件的工作过程如图所示 加工步骤如下 1 根据被加工零件的图样与工艺方案 用规定的代码和程序段格式编写出加工程序 2 将所编写加工程序指令输入到机床数控装置中 3 数控装置对程序 代码 进行处理之后 向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出控制信号 五 数控机床的工作原理 数控机床加工零件的工作过程如图所示 加工步骤如下 4 伺服机构接到执行信号指令后 驱动机床的各个运动部件 并控制所需的辅助动作 5 机床自动加工出合格的零件 五 数控机床的工作原理 数控系统的主要功能 1 多坐标控制 多轴联动 2 准备功能 G功能 3 实现多种函数的插补 直线 圆弧 抛物线等 4 代码转换 EIA ISO代码转换 英制 公制转换 绝对值 增量值转换等 5 固定循环加工 6 指定进给速度 五 数控机床的工作原理 数控系统的主要功能 7 指定主轴转速 8 辅助功能 指定主轴的起 停 反向 冷却系统的开 关等 9 刀具选择功能 10 各种补偿功能 如刀具半径 刀具长度补偿等 11 字符图形在显示器 CRT 上的显示 12 故障的诊断及显示 与外部设备的连网及通信 13 存储加工程序 人机对话 程序的输入 编辑及修改 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 1 按工艺用途分类1 切削加工类 如数控铣床 数控车床 数控磨床 加工中心 数控齿轮加工机床 FMC等 2 成型加工类 数控折弯机 数控弯管机等 3 特种加工类 数控线切割机 电火花加工机 激光加工机等 4 其它类型 数控装配机 数控测量机 机器人等 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 2 按控制方式的类型分类轮廓控制数控系统按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统 在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 2 按控制方式的类型分类开环数控系统没有位置测量装置 信号流是单向的 系统稳定性好 无位置反馈 精度相对闭环系统来讲不高 其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件 这类系统具有结构简单 工作稳定 调试方便 维修简单 价格低廉等优点 在精度和速度要求不高 驱动力矩不大的场合得到广泛应用 一般用于经济型数控机床 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 2 按控制方式的类型分类开环数控系统 驱动装置 工作台 数控装置 控制介质 指令脉冲 伺服电机 齿轮箱 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 2 按控制方式的类型分类半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置 常用伺服电机 或丝杠引出 采样旋转角度进行检测 不是直接检测运动部件的实际位置 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节 因此可获得稳定的控制性能 其系统的稳定性虽不如开环系统 但比闭环要好 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 2 按控制方式的类型分类半闭环数控系统 测速元器件 位移指令 位移反馈 速度反馈 位置检测装置 工作台 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 2 按控制方式的类型分类半闭环数控系统由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除 因此 其精度较闭环差 较开环好 但可对这类误差进行补偿 因而仍可获得满意的精度 半闭环数控系统结构简单 调试方便 精度也较高 因而在现代CNC机床中得到了广泛应用 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 2 按控制方式的类型分类全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图1的虚线所示 直接对运动部件的实际位置进行检测 从理论上讲 可以消除整个驱动和传动环节的误差 间隙和失动量 具有很高的位置控制精度 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 2 按控制方式的类型分类全闭环数控系统 测速元器件 位移指令 位移反馈 速度反馈 位置检测装置 工作台 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 2 按控制方式的类型分类全闭环数控系统由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性 刚性和间隙都是非线性的 故很容易造成系统的不稳定 使闭环系统的设计 安装和调试都相当困难 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床 超精车床 超精磨床以及较大型的数控机床等 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 3 按运动轨迹分类点位控制数控系统仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动 对轨迹不作控制要求 运动过程中不进行任何加工 适用范围 数控钻床 数控镗床 数控冲床和数控测量机 X Y Z 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 3 按运动轨迹分类直线控制系统控制刀具或机床工作台以给定的速度 沿平行于某一坐标轴方向 由一个位置到另一个位置的精确移动 并且在移动过程中进行直线切削加工 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 3 按运动轨迹分类轮廓控制数控系统具有控制几个进给轴同时谐调运动 坐标联动 使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动 在运动过程中进行连续切削加工的数控系统 适用范围 数控车床 数控铣床 加工中心等用于加工曲线和曲面的机床 现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 5 按工业用途分类 1 数控车床 NCLathe 2 数控铣床 NCMillingMachine 3 数控钻床 NCDrillingMachine 4 数控镗床 NCBoringMachine 5 数控齿轮加工机床 NCGearingHoldingMachine 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 5 按工业用途分类 6 数控平面磨床 NCSurfaceGrindingMachine 7 数控外圆磨床 NCExternalCylindricalGrindingMachine 8 数控轮廓磨床 NCContourGrindingMachine 9 数控工具磨床 NCToolGrindingMachine 10 数控坐标磨床 NCJigGrindingMachine 六 数控机床的分类 数控机床的种类很多 通常可以从以下不同角度来对其分类 5 按工业用途分类 11 数控电火花加工机床 NCDieselingElectricDischargeMachine 12 数控线切割机床 NCWireDischargeMachine 13 数控激光加工机床 NCLaserBeamMachine 14 数控冲床 NCPunchingPress 数控铣 5轴数控龙门铣 卧式数控铣 五轴联动加工中心 数控线切割机床 三维五轴联动激光切割机 数控电火花机床 七常见数控机床简介 1 数控车床数控车床一般具有两轴联动功能 Z轴是与主轴方向平行的运动轴 X轴是在水平面向内与主轴方向垂直的运动轴 图1 25所示为一台数控车床的外观图 数控车床 2 数控铣床世界上第一台数控机床就是数控铣床 它适于加工三维复杂曲面 在汽车 航空航天 模具等行业被广泛采用 图中所示为数控铣床 随着时代的发展 数控铣床趋于加工中心 图1 26数控铣床 七常见数控机床简介 3 加工中心 数控加工中心是具有自动刀具交换装置 并能进行多种工序加工的数控机床 在其上工件可在一次装夹中进行铣 镗 钻 扩 铰 攻螺纹等多工序的加工 立式加工中心 七常见数控机床简介 4 数控磨床 数控磨床主要用于加工高硬度 高精度表面 可分为数控平面磨床 数控内圆磨床 数控轮廓磨床等 七常见数控机床简介 数控磨床 5 数控钻床 数控钻床主要具备钻孔 攻螺纹等功能 同时也具备简单的铣削功能 刀库可存放多种刀具 数控钻床可分为数控立式钻床和数控卧式钻床 图1 28所示为一台数控立式钻床外观图 数控立式钻床 七常见数控机床简介 数控电火花成形机床 6 数控电火花成形机床 数控电火花成形机床属于一种特种加工机床 其工作原理是利用两个不同极性的电极在绝缘液体中产生放电现象 去除材料进而完成加工 图1 29所示为一台数控电火花成形机床的外观图 七常见数控机床简介 7 数控线切割机床 数控线切割机床的工作原理与数控电火花成形机床一样 其电极是电极丝 加工液一般采用去离子水 图1 30所示为一台数控线切割机床的外观图 数控线切割机床 七常见数控机床简介 八数控加工原理1 数控加工与传统机械加工的比较 工艺分析 数控加工程序 工序卡 传统加工 数控加工 传统加工与数控加工的比较图 八数控加工原理2 数控加工中数据转换过程 数控加工中数据转换过程 译码 刀补处理 插补处理 PLC控制 进给伺服系统 切削运动 机床I O装置 成形运动 八数控加工原理2 数控加工中数据转换过程译码 解释 译码程序的主要功能是将用文本格式 通常用ASCII码 表达的零件加工程序 以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构 格式 该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息 它主要包括 X Y Z等坐标值 进给速度 主轴转速 G代码 M代码 刀具号 子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式 八数控加工原理2 数控加工中数据转换过程刀补处理 计算刀具中心轨迹 用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的 而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹 因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹 刀补处理就是完成这种转换的程序 八数控加工原理2 数控加工中数据转换过程PLC控制PLC控制是对机床动作的 顺序控制 即以CNC内部和机床各行程开关 传感器 按钮 继电器等开关量信号状态为条件 并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停 换向 刀具的更换 工件的夹紧 松开 冷却 润滑系统等的运行等进行的控制 八数控加工原理3 数控加工轨迹控制原理逼近处理图为欲加工的圆弧轨迹L 起点为P0 终点为Pe CNC装置首先对圆弧进行逼近处理 八数控加工原理3 数控加工轨迹控制原理逼近处理系统按插补时间 t和进给速度F的要求 将L分割成若干短直线 L1 L2 Li 这里 Li F t i 1 2 则 用直线 Li逼近圆弧存在着逼近误差 但只要 足够小 Li足够短 总能满足零件的加工要求 当F为常数时 而 t对数控系统而言恒为常数 则 Li的长度也为常数 L 只是其斜率与在L上的位置有关 八数控加工原理3 数控加工轨迹控制原理插补运算在计算出 Li后 再将其分解为X轴及Y轴移动分量 Xi和 Yi 在 ti时间内 它们将随着 Li在L上位置的变化而不断变化 但它们满足 Fx Xi tiFy Yi ti Li的斜率是不断变化的 因此进给速度在x方向及y方向的分量Fx与Fy以及它们之间的比值Fx Fy都在不断变化的 八数控加工原理3 数控加工轨迹控制原理指令输出将计算出 ti在时间内的和作为指令输出给Y轴 以控制它们联动 即 Xi X轴 Yi Y轴只要能连续自动地控制X Y两个进给轴在 ti时间内移动量 就可以实现曲线轮廓零件的加工 2 数控加工在模具制造中的应用数控机床的确具有普通机床所不具备的许多优点 而且它的应用范围还在不断扩大 但是在目前还不能完全取代普通机床 也就是说 它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题 为了更好地说明这个问题 有必要先初步了解一下采用数控机床加工的优缺点 2 数控加工在模具制造中的应用数控加工的优点1自动化程度高 可以减轻工人的体力劳动强度2加工的零件一致性好 质量稳定3生产效率较高4便于产品研制5便于实现计算机辅助制造 2 数