数控机床一般由输入剖析

目录目录 第一部分第一部分 数控机床数控机床 1 11 1 数控机床的结构组成数控机床的结构组成 1 21 2 数控机床的种类数控机床的种类 1 31 3 数控机床的主要功能数控机床的主要功能 1 41 4 数控机床的主要性能指标数控机床的主要性能指标 第二部分第二部分 CK9330CK9330 数控车床数控车床 2 1CK93302 1CK9330 数控车床的工作原理数控车床的工作原理 2 2CK93302 2CK9330 数控车床的工作过程数控车床的工作过程 2 3CK93302 3CK9330 数控车床的数控系统数控车床的数控系统 2 4CK93302 4CK9330 数控车床的拆装过程数控车床的拆装过程 2 2 5CK93305CK9330 数控车床的主轴驱动原理数控车床的主轴驱动原理 2 6CK9330 数控车床的进给系统数控车床的进给系统 第三部分第三部分 实践体会实践体会 第一部分第一部分 数控机床数控机床 1 11 1 数控机床的结构组成数控机床的结构组成 数控机床一般由输入 输出装置 数控装置 可编程控制器 伺服系统 检测反馈装置和机床主机等组成 1 输入输出装置 输入装置可将不同加工信息传递于计算机 在数控机床产生的 初期 输入装置为穿孔纸带 现已趋于淘汰 目前 使用键盘 磁 盘等 大大方便了信息输入工作 输出指输出内部工作参数 含机床正常 理想工作状态下的原始参 数 故障诊断参数等 一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记 录保存 待工作一段时间后 再将输出与原始资料作比较 对照 可帮助判断机床工作是否维持正常 2 数控装置 数控装置是数控机床的核心与主导 完成所有加工数据的处理 计算工作 最终实现数控机床各功能的指挥工作 它包含微计算机 的电路 各种接口电路 CRT 显示器等硬件及相应的软件 3 可编程控制器 即 PLC 它对主轴单元实现控制 将程序中的转速指令进行处 理而控制主轴转速 管理刀库 进行自动刀具交换 选刀方式 刀 具累计使用次数 刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理 控制主轴 正反转和停止 准停 切削液开关 卡盘夹紧松开 机械手取送刀 等动作 还对机床外部开关 行程开关 压力开关 温控开关等 进行控制 对输出信号 刀库 机械手 回转工作台等 进行控制 4 检测反馈装置 由检测元件和相应的电路组成 主要是检测速度和位移 并将 信息反馈于数控装置 实现闭环控制以保证数控机床加工精度 5 机床主机 数控机床的主体 包括床身 主轴 进给传动机构等机械部件 1 21 2 数控机床的种类数控机床的种类 1 按工艺用途分类 1 金属切削类数控机床 分别有数控车床 数控铣床 数控 磨床 数控镗床以及加工中心 这些机床的动作与运动都是数字化 控制 具有较高的生产率和自动化程度 特别是加工中心 它是一 种带有自动换刀装置 能进行铣 钻 镗削加工的复合型数控机床 加工中心又分为车削中心 磨削中心等 还实现了在加工中心上增 加交换工作台以及采用主轴或工作台进行立 卧转换的五面体加工 中心 2 金属成形类及特种加工类数控机床 它是指金属切削类以 外的数控机床 数控弯管机 数控线切割机床 数控电火花成形机 床等等都是这一类数控机床 2 按运动方式分类 1 定位控制数控机床 它是指能控制刀具相对于工件的精确定 位控制系统 而在相对运动的过程中不能进行任何加工 通过采用 分级或连续降速 低速趋近目标点 来减少运动部件的惯性过冲而 引起的定位误差 2 直线运动控制数控机床 它是指控制机床工作台或刀具以要 求的进给速度 沿平行于某一坐标轴或两轴的方向进行直线或斜线 移动和切削加工的机床 这类数控机床要要求具有准确的定位功能 和控制位移的速度 而且也要偶刀具半径和长度的补偿功能以及主 轴转速控制的功能 现代组合机床也算是一种直线运动控制数控机 床 3 轮廓控制的数控机床 它是指能实现两轴或两轴以上的联动 加工 而且对各坐标的位移和速度进行严格的不间断控制 具有这 种控制功能的数控机床 现代数控机床大多数有两坐标或以上联动 控制 刀具半径和长度补偿等等功能 按联动轴数也可分两轴联动 两轴半 三轴 四轴 五轴联动等 随着制造技术的发展 多坐标 联动控制也越来普遍 3 按控制方式分类 1 开环控制系统 它是指没有位置检测反馈装置的控制方式 特点是结构简单 价格低廉 但难以实现运动部件的快速控制 广 泛应用于步进电机低扭矩 高精度 速度中等的小型设备德驱动控 制中 特别在微电子生产设备中 2 半闭环控制系统 它是指在电动机轴或丝杆的端部装有角位 移 角速度检测装置 通过位置检测反馈装置反馈给数控装置的比 较器与输入指令比较 用差值控制运动部件 特点是调试方便 良 好的系统稳定性 结构紧凑 但在机械传动链的误差无法得校正或 消除 目前采用滚珠丝扛螺母机构有很好的精度和精度保持性和采 取看可靠的 消除反向运动间隙的机构 可以满足大多数的数控机 床用户 因此被广泛的采用且成为首选的控制方式 3 闭环控制系统 是在机床最终的运动部件的相应位置安装直 线或回转式检测装置 将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装 置的比较器中 与输入指令位移量比较 用差值控制运动部件 优 点是将机械传动链的全部环节都包含在闭环内 精度取决于检测装 置的精度 超过半闭环系统 缺点是价格昂贵 对机构和传动链要 求严格 不然会引起振荡 降低系统的稳定性 4 按功能水平分类 一般把数控机床分为精密型 普通型 经济型 数控机床水平 的高低一般取决于以下几个参数和功能 1 中央处理单元 经济型数控 8 位 CPU 精密和普通型有 16 位发展到 32 或 64 位且采用精简指令集的 CPU 2 分辨率和进给速度 经济型数控分别率 10 m 进给速度 8 15m min 普通型数控分别率 1 m 进给速度 15 24m min 精密型数控分别率 0 1 m 进给速度 24 100m min 3 多轴联动功能 经济型数控 2 3 轴联动 普通与精密型数 控 3 5 轴联动 甚至更多 4 显示功能 经济型数控只有简单的数码显示或简单的 CRT 字符显示 普通型则有较为齐全的 CRT 显示 还有图形 人及对话 自诊等功能 精密型则还有三维图形显示 5 通信功能 经济型无通信功能 普通型有 RS232 或 DNC 等 接口 精密型有 MAP 等高性能通信接口 除用以上几种参数或功能来衡量数控的档次外还有伺服系统的类 型和可编程控制器功能的强弱 除以上四种分类外 目前还有用数控装置的构成方式来分类 分 硬件和软件数控 控制坐标轴数和联动咒术方式分位三轴二联动 和四轴四联动等 1 31 3 数控机床的主要功能数控机床的主要功能 加工精密的零件 不同档次的数控铣床的功能有较大的差别 但都应具备以下主要功能 1 铣削加工 数控铣床一般应具有三坐标以上联动功能 能够进行直线插补 和圆弧插补 自动控制旋转的铣刀相对于工件运动进行铣削加工 如图 4 4 所示 坐标联动轴数越多 对工件的装夹要求就越低 加 工工艺范围越大 2 孔及螺纹加工 可以采用定尺寸孔加工刀具进行钻 扩 铰 锪 镗削等加工 也可以采用铣刀铣削不同尺寸的孔 3 刀具补偿功能 一般包括刀具半径补偿功能和刀具长度补偿功能 4 公制 英制单位转换 可以根据图纸的标注选择公制单位 mm 和英制单位 inch 进行程序编制 以适应不同企业的具体情况 5 绝对坐标和增量坐标编程 程序中的坐标数据可以采用绝对坐标或增量坐标 使数据计算 或程序的编写更方便 6 进给速度 主轴转速调整 数控铣床控制面板上一般设有进给速度 主轴转速的倍率开关 用来在程序执行中根据加工状态和程序设定值随时调整实际进给速 度和主轴实际转速 以达到最佳的切削效果 一般进给速度调整范 围在 0 150 之间 主轴转速调整范围在 50 120 之间 7 固定循环 固定循环是固化为 G 指令的子程序 并通过各种参数适应不同 的加工要求 主要用于实现一些具有典型性的需要多次重复的加工 动作 如各种孔 内外螺纹 沟槽等的加工 使用固定循环可以有 效地简化程序的编制 但不同的数控系统对固定循环的定义有较大 的差异 在使用的时候应注意区别 8 工件坐标系设定 9 数据输入输出及 DNC 功能 10 子程序 11 数据采集功能 12 自诊断功能 1 41 4 数控机床的主要性能指标数控机床的主要性能指标 一 数控机床的精度 精度是数控机床的重要技术指标之一 精度主要指加工精度 定位精度和重复定位精度 1 定位精度和重复定位精度 定位精度是指数控机床工作台等移动部件实际运动位置与指令 位置的一致程度 其不一致的差量即为定位误差 定位误差包括伺服系统 检测系统 性进给系统等误差 还包 括移动部件导轨的几何误差等 定位误差将直接影响零件加工的位 置精度 重复定位精度是指在同一台数控机床上 应用相同程序相同代码 加工一批零件 所得到的连续结果的一致程度 重复定位精度受伺服系统特性 进给系统的间隙与刚性以及摩 擦特性等因素的影响 一般情况下 重复定位精度是成正态分布的偶然性误差 它影 响一批零件加工的一致性 是一项非常重要的性能指标 2 分度精度 分度精度是指分度工作台在分度时 实际回转角度与指令回转 角度的差值 分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置 也 影响孔系加工的同轴度等 3 分辨率与脉冲当量 分辨率是指可以分辨的最小位移间隔 对测量系统而言 分辨 率是可以测量的最小位移 对控制系统而言 分辨率是可以控制的 最小位移增量 即数控装置每发出一个脉冲信号 反映到机床移动 部件上的移动量 一般称为脉冲当量 脉冲当量是设计数控机床的 原始数据之一 其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量 脉冲当量越小 数控机床的加工精度和加工表面质量越高 4 加工精度 近年来 伴随着数控机床的发展和机床结构特性的提高 数控 机床的性能与质量都有了大幅度的提高 中等规格的加工中心 其 定位精度普通级达到 0 005 0 008 mm 300mm 精密级达到 0 001 0 003mm 全程 普通级加工中心的加工精度达到 1 5 m 超精密级数控车床的加工圆度已经达到 0 1 m 表面 粗糙度为 Ra0 3 m 二 数控机床的可控轴数与联动轴数 可控轴数是指数控系统能够控制的坐标轴数目 该指标与数控 系统的运算能力 运算速度以及内存容量等有关 目前 高档数控 系统的可控轴数已多达 24 轴 数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到 空间某一点的坐标数目 目前有两轴联动 三轴联动 四轴联动 五轴联动等 三轴联动数控机床可以加工空间复杂曲面 四轴联动 五轴联动数控机床可以加工宇航叶轮 螺旋桨等零件 三 数控机床的运动性能指标 数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速 进给速度 坐标 行程 回转轴的转角范围 刀库容量及换刀时间等 1 主轴转速 目前 随着刀具 轴承 冷却 润滑及数控系统等相关技术的 发展 数控机床主轴转速已普遍提高 以中等规格的数控机床为例 数控车床从过去的 1000 2000r min 提高到 4000 6000r min 加 工中心从过去的 2000 3000r min 提高到现在的 10000r min 以上 在高速加工的数控机床上 通常采用电动机转子和主轴一体的电主 轴 可以使主轴达到每分钟数万转 这样对各种小孔加工以及提高 零件加工质量和表面质量都极为有利 2 进给速度和加速度 数控机床的进给速度和切削速度一样 是影响零件加工质量 加工效率和刀具寿命的主要因素 目前国内数控机床的进给速度可 达 10 15m min 国外一般可达 15 30m min 进给加速度是反映进给速度提速能力的性能指标 也是反映机 床加工效率的重要指标 国外厂家生产的加工中心加速度可达 2g 3 坐标行程 数控机床坐标轴 X Y Z 的行程大小 构成数控机床的 空间加工范围 即加工零件的大小 4 刀库容量和换刀时间 刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量 目前常见的 中小型加工中心多为 16 60 把 大型加工中心达 100 把以上 换刀时间指有自动换刀系统的数控机床 将主轴上使用的刀具 与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需要的时间 目前 国内生产的数控机床的换刀时间可达到 4 5s 刀库容量和换刀时间对数控机床的生产率有直接影响 第二部分第二部分 CK9330CK9330 数控车床数控车床 2 1CK93302 1CK9330 数控车床的工作原理数控车床的工作原理 按照零件加工的技术要求和工艺要求 编写零件的加工程序 然后 将加工程序输入到数控装置 通过数控装置控制机床的主轴运动 进给运动 更换刀具 以及工件的夹紧与松开 冷却 润滑泵的开 与关 使刀具 工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序 轨迹和参数进行工作 从而加工出符合图纸要求的零件 2 2CK93302 2CK9330 数控车床的工作过程数控车床的工作过程 1 首先根据零件加工图样进行工艺分析 确定加工方案 工艺参 数和位移数据 2 用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单 或用自动 编程软件进行 CAD CAM 工作 直接生成零件的加工程序文件 3 将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质 如穿孔带 或磁带 上 4 通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号 并输送给数控 装置 由手工编写的程序 可以通过数控机床的操作面板输入程序 由编程软件生成的程序 通过计算机的串行通信接口直接传输到数 控机床的数控单元 MCU 5 数控装置将所接受的信号进行一系列处理后 再将处理结果以 脉冲信号形式向伺服系统统发出执行的命令 6 伺服系统接到执行的信息指令后 立即驱动车床进给机构严格 按照指令的要求进行位移 使车床自动完成相应零件的加工 CK9330 数控车床的工作过程框图 2 3CK93302 3CK9330 数控车床的数控系统数控车床的数控系统 数字控制车床是采用数字控制技术对车床的加工过程进行自动控制 的车床 它是数控技术的典型应用 数控系统是实现数字控制的装置 计 算机数控系统是以计算机为核心的数控系统 计算机数控系统的组 成如图 3 1 所示 2 4CK93302 4CK9330 数控车床的拆装过程数控车床的拆装过程 一 尾座部分拆装 1 首先拆除尾座锁紧螺杆和限位块 2 拆除尾座与导轨的连接螺杆 3 把尾座从导轨上取出 4 拆卸滑动套筒定位块 5 拆卸滑动套筒 6 拆卸刻度盘 7 测绘各个零件草图 8 画出车床尾座装配图 二 车架和溜板箱部分拆装 1 拆卸步进电机 2 拆卸刀架锁紧螺母 3 拆除刀架各部分 4 拆卸溜板与导轨连接部分 5 拆卸溜板 三 车床主轴传动部分拆装 1 拆除步进电机 2 拆除过渡导轮 3 拆卸主动轮 4 拆卸从动轮 5 拆卸丝杆步进电机 6 拆除丝杆 2 2 5CK93305CK9330 数控车床的主轴驱动原理数控车床的主轴驱动原理 数控机床的主轴性能是在很宽范围内转速连续可调 恒功率范围宽 当要求机床有螺纹加工功能 准停功能和恒线速加工等功能时 则需要对主轴进行进给控制和位置控制 此时 主轴驱动系统也可 称为主轴伺服系统 主轴电动机装配有编码器或者在主轴上安装外 置式的编码器 作为主轴位置检测 主轴驱动变速目前主要有两种形式 一是主轴电动机带齿轮换挡 目的在于降低主轴转速 增大传 动比 以适应切削的需要 二是主轴电动机通过同步齿形带或 v 带驱动主轴 该类主轴电 动机又称宽域电动机或强切削电动机 具有恒功率宽的特点 由于 无需机械变速 主轴箱内省却了齿轮和离合器 主轴箱实际上成为 主轴支架 简化了主传动系统 从而提高了传动链的可靠性 由于交流驱动系统保持了直流驱动系统的优越性 而且交流电 动机无须维护 便于制造 不受恶劣环境影响 所以目前直流驱动 系统已被交流驱动系统所取代 初期是采用模拟式交流伺服系统 而现在伺服系统的主流是数字式交流伺服系统 交流伺服驱动系统 走向数字化 驱动系统中的电流环 速度环的反馈控制已全部数字 化 系统的控制模型和动态补偿均由高速微处理器实时处理 增强 了系统自诊断能力 提高了系统的快速性和精度 1 带有变速齿轮的主传动 大 中型数控机床采用这种变速方式 通过少数几对齿轮降速 扩大输出转矩 以满足主轴低速时对输出转矩特性的要求 2 通过带传动的主传动 主要应用于转速较高 变速范围不大的机床 电动机本身的调 速就能满足要求 可以避免齿轮传动引起的振动与噪音 3 用两个电机分别驱动主轴 上述两种方式的混合传动 高速时带轮直接驱动主轴 低速时 另一个电机通过齿轮减速后驱动主轴 4 内装电动机主轴传动结构 大大简化主轴箱体与主轴的结构 有效提高主轴部件的刚度 但主轴输出转矩小 电动机发热对主轴影响较大 电气上模拟主轴由 CNC 给出 0 10V 的模拟电压 去控制变频 器无极调速 伺服主轴由 CNC 发出转速指令去控制主轴驱动器 实现速度或 位置控制 不是无级调速的主轴 由 CNC 发出 M 代码控制主轴电机 和离 合器或齿轮变档 2 6CK9330 数控车床的进给系统数控车床的进给系统 数控车床一般有两个进给方向 横向 X 轴和纵向 Y 轴 是由伺服电机带动滚珠丝杠拖动床鞍实现的 进给系统接收数控系 统发出的移动指令信号 经电路放大和转换后 输送到驱动装置和 机械传动机构 工作台 主轴刀架等执行部件 实现加工 它能根 据指令信号精确地控制执行部件的远动 以及多个执行部件有规律 的远动 数控车床进给远动由电机带动 所以伺服电机要求从最低速到 最高速电机都能平稳运转 转矩波动要小 特别是在低速如 0 1r min 或更低速时 仍有平稳的速度而无爬行现象 电机应具 有大的较长时间的过载能力 以满足低速大转矩的要求 一般伺服 电机要求在数分钟内过载 4 6 倍而不损坏 为了满足快速响应的要求 电机应有较小的转动惯量和大的堵 转转矩 并具有尽可能小的时间常数和启动电压 电机应具有耐受 4000rad s2 以上的角加速度的能力 才能保证电机可在 0 2s 以内 从静止启动到额定转速 而且电机应能频繁启动 制动和反转 随着微电子技术 计算机技术和伺服控制技术的发展 数控机 床的伺服系统已开始采用高速 高精度的全数字伺服系统 使伺服 控制技术从模拟方式 混合方式走向了全数字方式 由位置 速度 和电流构成的三环反馈全部数字化 软件处理数字 PID 使用灵活 柔性好 数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的 措施 使控制精度和品质大大提高 第三部分第三部分 实践体会实践体会 在课堂上学习电子数控专业大部分都是理论知识 所以我很珍 惜这次实习机会 认真的听老师的讲解和介绍 观察每一个机械的 构造和零件 以及学习它的实用方法 和理论知识相结合 才能理 解的更透彻 实习参观是数控机床 首先我们同学按顺序进去参观 然后上 课的老师给我介绍一下参观时应该注意那些要求 不要乱碰机械 也不能乱按开关等 然后我们在老师的教导下通过上机学会了数控 车床的程序编写 因为是电脑操作 所以我们首先必须学会电脑能 够识别的语言 指令等 这样我们才能正确输入指令操控电脑 得 到我们需要的产品 在编写好程序后 我们可以观看仿真模拟 预 先知道该程序是否符合要求和标