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车铣床初级培训教材 培训目标 了解数控机床 数控系统和步进伺服的基本概念 结构 功能 作用和区别掌握数控机床 数控系统和步进伺服的基本工艺加工流程和配套知识掌握数控系统和步进伺服的基本应用和选型原则局部了解数控系统和步进伺服的市场状态和对比能向客户进行简单的技术交流和咨询探讨熟悉一些数控电气方面的周边知识和非标知识 目录 一 数控车床二 车床数控系统三 步进和伺服四 车床数控改造五 数控铣床和加工中心六 非标和传动机构七 补充和小结 第一部分数控车床 数控车床 一 机械部分1 1 概念 作用和优点概念数控车床又称为CNC ComputerNumericalControl 车床 是一种能够将编制好的加工程序输入到数控系统中 由数控系统通过车床X Z坐标轴的步进或者伺服电机去控制车床进给运动部件的动作顺序 移动量和进给速度 再配以主轴转速调整和自动换刀系统 能够加工出各种形状不同的轴类或盘类回转体零件的机械整体 作用数控车床作为当今使用最广泛的数控机床之一 主要用于加工轴类 盘套类等回转体零件 能够通过程序控制自动完成内外圆柱面 锥面 圆弧 螺纹等工序的切削加工 并进行切槽 钻 扩 铰孔等工作 而近年来研制出的数控车削中心 使得在一次装夹中可以完成更多道加工工序 提高了加工质量和生产效率 因此特别适宜复杂形状的回转体零件的加工 数控车床的主要加工对象 高精度的机床主轴 高速电机主轴 精度要求高的回转体零件 优点 与普通车床相比 1 加工精度高数控机床是精密机械和自动化技术的综合体 机床的数控装置可以对机床运动中产生的位移 热变形等导致的误差 通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工精度 由于数控机床实现自动加工 所以减少了操作人员素质带来的人为误差 提高了同批零件的一致性 2 生产效率较高就生产效率而言 相对普通机床 数控机床的效率一般能提高2 3倍甚至十几倍 主要体现在以下几个方面 a 一次装夹完成多工序加工 省去了普通机床加工的多次变换工种 工序间的转件等工序 b 简化了夹具及专用工装等 由于是一次装夹完成加工 所以普通机床多工序的夹具省去了 即使偶尔必须用到专用夹具 由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简化 3 减轻劳动强度 数控机床的操作简化 4 改善劳动条件 如采用全封闭护罩 机床不会有水 油 铁屑溅出 可有效保持工作环境的清洁 5 有利于生产管理a 程序化控制加工 更换品种方便 b 一机多工序加工 减化生产过程的管理 减少管理人员 c 可实现无人化生产 数控仪表车床 高档数控车床 1 2 数控车床的组成数控车床主要由床身 主轴箱 刀架进给系统 冷却润滑系统及数控系统组成 数控系统由CNC单元及输入输出模块 操作面板等组成 与普通车床的最大区别数控车床的进给系统没有传统的走刀箱溜板箱和挂轮架 而是直接用伺服电机或步进电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀具 实现进给运动 一 主传动系统 主轴 主轴箱 主轴电机主轴箱一般采用三相交流主轴电机或者伺服主轴电机驱动 采用变频器可实现无级调速 主轴箱的传动一般可采用直接传动 皮带传动或齿轮变速组传动 在主轴箱的前后装有夹紧卡盘 可将工件装夹在此 卡盘卡盘有三爪卡盘 四爪卡盘等 还有液压卡盘等称呼 1 三爪卡盘适合安装较短的轴类或盘类工件 2 四爪卡盘适合安装方型 椭圆型或不规则形状的工件 装夹时必须找正定中心 3 夹紧装置这套装置通过液压自动控制卡爪的开 合 二 进给系统结构特点电机和驱动器 步进电机 直流伺服电机 交流伺服电机运动转换 滚珠丝杠 直线导轨快移速度 经济型数控车床 纵向 6m min横向 3m min全功能型数控车床 10 15m min重复精度 经济型数控车床重复定位精度 0 01 0 03mm全功能型数控车床重复定位精度 0 002 0 005mm进给传动装置传动 同步带传动 齿轮传动 三 刀架要求 重复定位精度高 刚性好 可靠性好 寿命长 自动转位刀架分类 1 按工位可分为 四位刀架六位刀架八位刀架 2 按工作原理分 旋转刀架 应用广泛 十字槽转位刀架 少 液压式转塔刀架四工位自动转位刀架编码 需两位数00 01 10 11 通过控制器刀位信号控制 以实现加工所需刀具的选择 转塔刀架 回转刀架 刀位数 常用4 8两种 外形 圆鼓形 星形和伞形 常用圆鼓形 驱动 电机传动和液压传动 动力刀架 用于车削中心 与C轴坐标功能配合 完成联动插补加工 四 床身与导轨床身分为 平床身 斜床身 平床身与斜滑板 立床身 平床身 工艺性好 运动精度较高 但排屑困难 一般用于经济形数控车床 斜床身 排屑方便 占地面积小 外形美观 便于安装机械手 可实现单机自动化 一般用于中小型机床 导轨 支承导轨 一般采用镶钢导轨或铸铁淬火导轨 滑动导轨 一般采用贴塑或注塑导轨 直线滚动导轨副 应用日益广泛 数控车床的主要机械结构 五 数控系统由第二部分具体讲述二 数控车床的分类可根据以下五种方式分类 立式车床 水平导轨 卧式车床 倾斜导轨 1 主轴位置 2 刀架数量 双刀架数控车床 两坐标控制 四工位刀架 单刀架数控车床 四坐标控制 多采用倾斜导轨 平行或者垂直分布 主要用于加工径向尺寸大 轴向尺寸相对较小的大型复杂零件 档次较高 刚性好 易于排屑 卡盘式数控车床 3 加工零件 顶尖式数控车床 没有尾座 适合切削盘类 含短轴类 零件 有尾座 适合切削较长零件及直径小的盘类零件 4 功能 经济型数控车床 普及型数控车床 车削加工中心 5 其他分类方法 数控系统的控制方式 特殊或专门工艺性能 直线控制数控车床 两主轴控制数控车床 螺纹数控车床 活塞数控车床 曲轴数控车床 车床的型号及命名机床的型号是机床产品的代号 用来表示机床的类别 主要技术参数 性能和结构特点 机床型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字 按一定规律组合表示 例 CA6140C 类代号 车床类机床 A 结构特性代号6 组代号 落地及卧式车床组 1 系代号 卧式车床系 40 主参数 最大工件回转直径的1 10 三 数控车床主要技术参数 数控机床性能指标总结 四 数控车床性能指标分析 1 CNC系统及伺服目前市场上主流产品在性能上均已比较可靠 市面上主流系统为稳定的5 10家 但还是有不少问题 问题如下 1 系统故障频繁 主板容易毁坏2 与外设通讯能力差 抗干扰性差3 易烧大功率管4 数控系统可靠性差 容易死机5 界面不够友好 面板样式不合理6 电机过载能力和防水能力差7 编程说明书和操作说明书与机床不配套 可读性差 2 数控刀架1 设计结构 有的刀盘直径过小 刀盘与后防护板间隙过小 不利于工作2 控制 有的刀架控制部分时有故障出现3 定位 有的定位不准或不到位4 密封 有的刀架上电气线路板密封不好 易出故障 3 滚珠丝杠1 丝杆做工工艺差2 反向偏差大 四 轴承1 主轴轴承应采用外引导 不应采用内引导 2 P4级主轴轴承外环外径和内环内孔偏差大 3 轴承内外环端面出现错位或滚珠与滚道间出现滑移现象 4 丝杠用轴承间隙过大 5 轴承的使用指导性资料欠缺 包装简陋 五 其他1 电缆走线布局不合理 不固定 不美观易造成磨损和故障 2 排屑装置连接板易损坏 松动 到位尺寸不准 有的数控车床还没有后排屑方式 3 数控车床密封性较差 漏切削液 漏油 4 机床电器对这次测评的机床电器 用户普遍要求提高互换性 改进包装 加强用户服务 五 数控机床市场简介1 机床厂家 1 大型机床厂机床类型齐全 影响力大日本马扎克 大隈 森精机德国DMG美国哈挺 哈斯台湾友嘉 武将国内大连机床厂 沈阳机床厂 鲁南机床厂等 2 中小型机床厂以经济型机床为主以浙江民营企业居多坎门机床厂 华亚机床厂等2 市场分布 1 外资港资台资企业财大气粗 以高档机床为主 2 民营企业以经济型机床为主3 市场前景08年09年数控车床需求量7 6W台8 9W台加工中心需求量2 3W台2 9W台 第二部分车床数控系统 一 数控系统 日本FANUC 北京凯恩帝 一 车床数控系统分类 1 按功能划分 经济型CNC数控系统北京凯恩帝 广州数控 深圳众为兴 普及型数控系统日本FANUC 三菱 德国西门子 2 按轴数划分 两轴数控系统 三轴数控系统 四轴数控系统 3 从硬件划分 PC Based台湾宝元 华中数控 ARM FPGA深圳众为兴 DSP FPGA广州数控 NC PC德国西门子 日本FANUC 4 依照其他划分 USB传输和RS232传输 支持伺服主轴和不支持伺服主轴二 系统简介 以配套CK6132经济型数控车床CNC4320系统为例 1 主要技术参数与功能主轴转速级数16级主轴转速范围10 5000rpm进给量 纵向 0 001mm进给量 横向 0 0005mm 可装刀具数目8把主电机 直流 功率5 5KW 7 5KW刀架纵向快速移动8m min刀架横向快速移动速度15m min纵向步进电机静态转矩20N M横向步进电机静态转矩10N M2 数控装置控制芯片32位CPU FPGA控制轴数x z两轴联动插补方式直线 圆弧插补最小指令单位0 001mm最高移动速度30m minG代码28种G代码及宏运算螺纹攻丝单头 多头 螺距0 001 500mm 主轴编码器线 p r补偿功能反向间隙补偿 螺距误差补偿 刀具补偿换刀功能自动换刀主轴功能 档位控制或模拟控制 辅助功能主轴正反转 冷却液起停 卡盘松紧显示功能 寸单色 全中文操作 可显示图形轨迹程序编辑 个程序 全屏幕编辑通讯方式 PLC功能 电机配套步进或伺服3 数控系统的指令功能 1 准备功能 G指令 1 快速移动G002 直线插补G013 圆弧插补G02 G034 暂停指令G045 返回机械零点G286 螺纹切削指令G327 Z轴攻丝循环G338 工件坐标系设定G509 固定循环指令G90 G92 G9410 多重循环指令G70 G76 2 辅助功能 M指令 3 主轴转速选择功能S 主轴转速开关量控制 主轴转速模拟电压控制 主轴倍率 4 刀具选择功能 最大设定为8工位电动刀架 排刀 换刀方式 MDI 自动绝对或手动相对换刀 正转选刀 反转锁紧 对刀方式 定点对刀 试切对刀 刀补几个重要概念脉冲当量 单位脉冲作用下工作台移动的距离就称之为脉冲当量 进给速度 进给速度是指单位时间内坐标轴移动的距离 也即是切削加工时刀具相对于工件的移动速度 插补 插补是在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间 按一定的算法进行数据点的密化工作 以确定一些中间点 车外圆 车端面 钻孔 车内孔 切槽 切断 车锥面 车型面 车螺纹 加工范围 数控车床的基本特征与加工范围 C轴坐标功能C轴坐标概念 即绕Z轴的旋转运动C轴坐标功能 该功能能够控制主轴绕C轴旋转的角度 实现主轴定向停车和圆周进给 从而实现C轴 Z轴联动插补或C轴 X轴联动插补 进行工件任意部位的钻 铣 攻丝及曲面加工 C轴坐标功能示意图 5 C轴动作 对应4322系统 三 目前国内经济型数控系统的性能指标分析 衡量一款经济型数控系统的性能 可以从系统使用的方便性 技术的先进性和可靠性三方面进行分析 下面是具体的指标分析 1 系统使用的方便性系统使用的方便性主要反映在系统的编辑部分 作为一个好的系统 应该具备以下几点性能 模态指令 多指令共段 输入 检索 修改一体化 汉化按键 自动排序字母 快速检索 指令功能强 指令的多样性 对于螺纹加工 带有退刀槽的螺纹希望采用直线退尾 以减少退尾长度 2 技术的先进性1 插补速度2 螺纹功能 自动化程度 高速加工能力 大导程加工能力 等螺距退尾功能3 速度衔接技术 手动定程和倒角 加工过程中的调速和坐标动态显示 掉电保护运动位置和断点运行电动刀架控制器自动对刀闭环控制细分技术PLC功能VMOS驱动技术4 是否带PLC功能 3 系统的可靠性看一台系统的可靠性如何 应注意以下五个方面 1 系统设计2 生产条件3 驱动技术4 刀架控制器5 结构设计4 如何选择一台经济型数控系统1 系统要可靠2 系统性能要满足需求3 销售单位的技术服务能力4 生产单位的技术开发能力5 性能价格比 数控车床系统PLC功能的作用 主要作用 完成各种辅助功能1 机床主轴的起停 正反转控制及主轴转速的控制 倍率的选择 2 机床冷却 润滑系统的接通和断开 3 机床刀库的起停和刀具的选择 更换 4 机床卡盘的夹紧 松开 5 机床自动门的打开 闭合 6 机床尾座和套筒的起停 前进 后退控制 7 机床排屑等辅助装置的控制 还有一些其他因素 会影响到数控系统的性能和寿命 一 硬件 1 用什么样的标准筛选元件 2 用什么样的工艺制造PCB 3 用什么样的方式屏蔽干扰固定板卡设计电路 二 软件 1 公司工程师的水平能力 2 最新功能的及时更新速度 3 细节功能的实现方式 三 其他 1 成品出货流程的完善程度 2 包装安全性等 数控系统性能指标评价表 四 数控系统行业概况 一 各大生产厂家 1 高端西门子 海德汉 大连光洋 2 中端日本FANUC 日本三菱 法国NUM 西班牙FAGE 北京航天 3 低端台湾宝元 北京凯恩帝 广州数控 成都广泰 南京仁和 南京华兴 深圳众为兴 二 市场分布和份额 1 大型机床厂基本以西门子 FANUC和三菱配套 这三种系统占据80 以上市场份额 配套国产以政府指标和客户需求为标准 2 民营企业主要分布在珠三角和长三角地区 仍然基本以西门子 FANUC和三菱为主流配套系统 也积极配套国产系统 但却主要以北京凯恩帝 广州数控两种系统为主 其他系统影响力和认可程度均无法和上面两者抗衡 3 PLC及数控改造商以客户选择的模式选择系统 一般主推上述五种系统 综合上述描述情况 中高端系统为西门子 FANUC所垄断 低档系统以北京