数控车床概述教案

课 题 数控车床概述 课 型 理论课 教学目的与要求 1 掌握数控车床的概念 2 了解数控车床的分类 重点难点 数控车床的组成结构和工作原理 教 具 多媒体 教学方法与手段 概念感知 融会贯通 实例讲解法 实施步骤 引入 同学们上堂课我们学习了编程指令 对于编程指令功能令大家要记住 以便可以对简 单零件进行编程 正题 数控车床概述 数控车床 是一种高精度 高效率的自动化机床 配备多工位刀塔或动力刀塔 机床就具有 广泛的加工艺性能 可加工直线圆柱 斜线圆柱 圆弧和各种螺纹 槽 蜗杆等复杂工件 具有 直线插补 圆弧插补各种补偿功能 并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果 数控车床 数控车床又称为 CNC 车床 即计算机数字控制车床 是一种高精度 高效率的自动化机 床 它具有广泛的加工艺性能 可加工直线圆柱 斜线圆柱 圆弧和各种螺纹 具有直线插补 圆弧插补各种补偿功能 并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果 数控车床是目前国内使用量最大 覆盖面最广的一种数控机床 约占数控机床总数的 25 数控机床是集机械 电气 液压 气动 微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品 是 机械制造设备中具有高精度 高效率 高自动化和高柔性化等优点的工作母机 数控机床 数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家 国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一 数控车床是数控机床的主要品种之一 它在 数控机床中占有非常重要的位置 几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展 三 数控车床的分类 数控车床品种繁多 规格不一 可按如下方法进行分类 按车床主轴位置分类数控车床分为立式数控车床和卧式数控车床两种类型 1 立式数控车床立式数控车床简称为数控立车 其车床主轴垂直于水平面 一个直径很大的 圆形工作台 用来装夹工件 这类机床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 2 卧式数控车床卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床 其倾 斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性 并易于排除切屑 板书 板书 板书 板书 板书 数控加工工艺与装备 第 31 32 课时 机电技术教研室 李俊阳 2 按加工零件的基本类型分 1 卡盘式数控车床 这类车床没有尾座 适合车削盘类 含短轴类 零件 夹紧方式多为电动 或液动控制 卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪 即软卡爪 2 顶尖式数控车床 这类车床配有普通尾座或数控尾座 适合车削较长的零件及直径不太大 的盘类零件 按刀架数量分 1 单刀架数控车床数控车床 一般都配置有各种形式的单刀架 如四工位卧动转位刀架或多 工位转塔式自动转位刀架 2 双刀架数控车床 这类车床的双刀架配置平行分布 也可以是相互垂直分布 按功能分类 1 经济型数控车床 采用步进电动机和单片机对普通车床的车削进给系统进行改造后 形成的简易型数控车床 成本较低 自动化程度和功能都比较差 车削加工精度也不高 适用于 要求不高的回转类零件的车削加工 2 普通数控车床 根据车削加工要求在结构上进行专门设计 配备通用数控系统而形成的数 控车床 数控系统功能强 自动化程度和加工精度也比较高 适用于一般回转类零件的车削加工 这种数控车床可同时控制两个坐标轴 即 x 轴和 z 轴 3 车削加工中心 在普通数控车床的基础上 增加了 C 轴和动力头 更高级的机床还带有刀 库 可控制 X Z 和 C 三个坐标轴 联动控制轴可以是 X Z X C 或 Z C 由于增加了 C 轴和铣削动力头 这种数控车床的加工功能大大增强 除可以进行一般车削外 还可以进行径向 和轴向铣削 曲面铣削 中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工 其它分类方法 按数控系统的不同控制方式等指标 数控车床可以分很多种类 如直线控制数控车床 两主 轴控制数控车床等 按特殊或专门工艺性能可分为螺纹数控车床 活塞数控车床 曲轴数控车床等 多种 数控车床的组成结构和工作原理 1 机床结构 数控机床一般由输入输出设备 CNC 装置 或称 CNC 单元 伺服单元 驱动装置 或称 执行机构 可编程控制器 PLC 及电气控制装置 辅助装置 机床本体及测量反馈装置组成 如 下图是数控机床的组成框图 电 气 回 路辅 助 装 置 PLC 主轴伺服单元 操 作 面 板 主轴驱动装置 进给驱动装置 测量反馈装置 进给伺服单元 输入 输出 设 备 计算机 数 控 装 置 机 床 本 体 机床本体 数控机床的机床本体与传统机床相似 由主轴传动装置 进给传动装置 床身 工作台以及 辅助运动装置 液压气动系统 润滑系统 冷却装置等组成 但数控机床在整体布局 外观造型 数控加工工艺与装备 第 31 32 课时 机电技术教研室 李俊阳 7 传动系统 刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化 这种变化的目的是为了 满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点 CNC 单元 CNC 单元是数控机床的核心 CNC 单元由信息的输入 处理和输出三个部分组成 CNC 单 元接受数字化信息 经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码 插补 逻辑处理后 将各种 指令信息输出给伺服系统 伺服系统驱动执行部件作进给运动 输入 输出设备 输入装置将各种加工信息传递于计算机的外部设备 在数控机床产生初期 输入装置为穿孔 纸带 现已淘汰 后发展成盒式磁带 再发展成键盘 磁盘等便携式硬件 极大方便了信息输入 工作 现通用 DNC 网络通讯串行通信的方式输入 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 伺服单元 伺服单元由驱动器 驱动电机组成 并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的 进给系统 它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动 对于步进电机来 说 每一个脉冲信号使电机转过一个角度 进而带动机床移动部件移动一个微小距离 每个进给 运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统 整个机床的性能主要取决于伺服系统 驱动装置 驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动 通过简单的机械连接部件驱动机床 使工作台 精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动 最后加工出图纸所要求的零件 和伺服单元相对应 驱动装置有步进电机 直流伺服电机和交流伺服电机等 伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统 它是机床工作的动力装置 CNC 装置的指令要 靠伺服驱动系统付诸实施 所以 伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分 可编程控制器 可编程控制器 PC Programmable Controller 是一种以微处理器为基础的通用型自动控制 装置 专为在工业环境下应用而设计的 由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻 辑及开关控制 故把称它为可编程逻辑控制器 PLC Programmable Logic Controller 当 PLC 用于控制机床顺序动作时 也可称之为编程机床控制器 PMC Programmable Machine Controller PLC 己成为数控机床不可缺少的控制装置 CNC 和 PLC 协调配合 共同完成对数控 机床的控制 测量反馈装置 测量装置也称反馈元件 包括光栅 旋转编码器 激光测距仪 磁栅等 通常安装在机床的 工作台或丝杠上 它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给 CNC 装置 供 CNC 装置与指 令值比较产生误差信号 以控制机床向消除该误差的方向移动 2 工作原理 使用数控机床时 首先要将被加工零件图纸的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写 成加工程序 然后将加工程序输入到数控装置 按照程序的要求 经过数控系统信息处理 分配 使各坐标移动若干个最小位移量 实现刀具与工件的相对运动 完成零件的加工 3 数控车床的分类 数控车床的品种和规格繁多 一般可以用下面三种方法分类 按控制系统分 目前市面上占有率较大的有法拉克 华中 广数 西门子 三菱等 按运动方式分类 点位控制数控机床 点位 直线控制数控机床 连续控制数控机床 按控制方式分类 按控制方式分类可以分为开环控制数控机床 闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床 五 数控车床的使用条件 数控车床的正常使用必须满足如下条件 机床所处位置的电源电压波动小 环境温度低 于 30 摄示度 相对温度小于 80 1 机床位置环境要求 机床的位置应远离振源 应避免阳光直接照射和热辐射的影响 避免潮湿和气流的影响 如机床附近有振源 则机床四周应设置防振沟 否则将直接影响机床的加工精度及稳定性 将使 电子元件接触不良 发生故障 影响机床的可靠性 2 电源要求 一般数控车床安装在机加工车间 不仅环境温度变化大 使用条件差 而且各种机电设 备多 致使电网波动大 因此 安装数控车床的位置 需要电源电压有严格控制 电源电压波动 必须在允许范围内 并且保持相对稳定 否则会影响数控系统的正常工作 3 温度条件 数控车床的环境温度低于 30 摄示度 相对温度小于 80 一般来说 数控电控箱内部 设有排风扇或冷风机 以保持电子元件 特别是中央处理器工作温度恒定或温度差变化很小 过 高的温度和湿度将导致控制系统元件寿命降低 并导致故障增多 温度和湿度的增高 灰尘增多 会在集成电路板产生粘结 并导致短路 4 按说明书的规定使用机床 用户在使用机床时 不允许随意改变控制系统内制造厂设定的参数 这些参数的设定直接关 系到机床各部件动态特征 只有间隙补偿参数数值可根据实际情况予以调整 用户不能随意 更换机床附件 如使用超出说明书规定的液压卡盘 制造厂在设置附件时 充分考虑各项环节参 数的匹配 盲目更换造成各项环节参数的不匹配 甚至造成估计不到的事故 使用液压卡盘 液压刀架 液压尾座 液压油缸的压力 都应在许用应力范围内 不允许任意提高 典型的数控车床组成 如图 1 1 1 所示为典型的全功能数控车床 CNC 车床的主要组成部分有 CNC 控制 床身 主轴箱 进给运动装置 刀架 卡盘与卡爪 尾座 电源控制箱 液压和润滑系统以及其它设置 下面以典型的全功能卧式数控车床为例 简介数控车床的组成 1 CNC 控制系统 现代数控车削控制系统中 除了具 有一般的直线 圆弧插补功能外 还具有 同步运行螺纹切削功能 外圆 端面 螺 纹切削固定循环功能 用户宏程序功能 另 外 还有一些提高加工精度的功能 如 恒 线速度控制功能 刀具形状 刀具磨损和 刀尖半径补偿功能 存储型螺距误差补偿 功能 刀具路径模拟功能 FANUC 数控车削系统以其高质量 低 成本 高性能 较全的功能特点 在市场 图 1 1 3 典型 FANUC 数控车床控制器面板 数控加工工艺与装备 第 31 32 课时 机电技术教研室 李俊阳 7 的占有率远远超过其他的数控系统 FANUC 0i TB TA 是目前广泛使用的数控车床控制系统 它 以高品质 高可靠性 高性价比在国内得到广泛应用 0i TB 可实现四轴二联动 目前多用于全功 能数控车床 0i mate TA 用于二轴二联动车床 CRT 位于控制器面板 它允许操作员方便 直观地访问 CNC 程序和机床信息 通过 CNC 控 制器屏幕 操作员可以浏览 CNC 程序 活动代码 刀具偏置和工件偏置 机床位置 报警信息 错误消息 主轴转速 RPM 及功率 控制器面板上控制开关 按键 按钮用于操作员对机床的手动 操控 CRT 控制器面板如图 1 1 3 所示 2 进给运动装置 CNC 车床的两个主要进给轴是 X 轴和 Z 轴 X 轴用于控制横溜板 控制刀具横向进给移动 改变工件的直径 Z 轴用于控制拖板 会沿长度方向移动刀具来控制工件的长度 全功能 CNC 车床进给伺服系统 通常为高精度数字式闭环伺服系统 采用高速微处理器及 软件伺服控制 采用高分辨率位置检测器进行位置检测 能实现高速 高精度的进给运动控制 闭环进给伺服系统通常采用交流伺服电机来驱动滚珠丝杠 滚珠丝杠又驱动刀架刀具沿导轨 进给运动 各轴向运动控制分别采用单独的驱动电机 滚珠丝杠 导轨 3 床身 床身用于支撑和对正机床的 X 轴 Z 轴及刀具部件 此外 床身可以吸收由于金属切削 而引起的冲击与振动 床身的设计有两种方式 即平床身或斜床身 如图 1 1 1 大多数全功能 CNC 车床采用斜床身设计 这种设计有利于切屑和冷却液从切削区落到切屑传送带 4 主轴箱 主轴箱包含用于旋转卡盘和工件的主轴 以及传递齿轮或皮带 主轴电机驱动主轴箱主轴 数控车床的主传动与进给传动采用了各自独立的伺服电机 使传动链变得简单 可靠 由于采用了高性能的主传动及主轴部件 CNC 车床主运动具有传递功率大 刚度高 抗振性 好及热变形小的优点 全功能 CNC 车床主轴实现无级变速控制 具有恒线速度 同步运行等控制 功能 6 卡盘与卡爪 卡盘安装在主轴上 并配备有一套卡爪来夹持工件 见图 1 1 1 可以将卡盘设计成有两个卡 爪 3 个卡爪 4 个卡爪 6 个卡爪形式 三爪卡盘一般通过自定心沿径向对正零件 自定心卡盘的各卡爪同时夹紧和松开 可以自动 找工件轴心与主轴线对齐 四个卡爪卡盘装夹工件时 通常要手动找正工件 各卡爪可以单独控 制 分别实现夹紧和松开 适用于不规则零件的夹持 卡爪可以是淬硬钢 即硬卡爪 或低碳钢 即软卡爪 硬卡爪有各种标准设计 软卡爪需要镗孔 工序 以与所夹持工件的直径相匹配 与主轴相连接的夹具或可设计成弹簧夹头 弹簧夹头用于夹持棒料 棒料可以是圆形 方形 或六边形等 采用了液压卡盘的数控车床 夹紧力调整方便可靠 同时也降低了操作工人的劳动强度 6 刀架 数控车床都采用了自动回转刀架 在 加工过程中可自动换刀 连续完成多道工 序的加工 大大提高了加工精度和加工效 率 刀架是用于安放刀具的部件 当 CNC 程序需要某一把刀具时 必须将它转位到 切削位置 因此 其基本功能是夹持刀具 图 1 1 4 数控车床的自动回转刀架 图 1 1 6 车削中心的动力刀具对工件加工 并实现刀具的快速转位 实现换刀功能 如图 1 1 4 数控车床多采用自动回转刀架来夹持各种不同用途的刀具 它们可能是外圆加工 刀具 也可能是内孔加工刀具 转塔刀架可以夹持 4 把 6 把 8 把 12 把以至更多的刀具 回转 刀架上的工位数越多 加工的工艺范围越大 但同时刀位之间的夹角越小 则在加工过程中刀具 与工件的干涉越大 7 尾座 如图 1 1 5 尾座用于支撑刚性较低的工件 如轴 长的空心铸件及小型零件等 尾座可以设 计成手动操作或由 CNC 程序命令操作 尾座一般利用顶尖来支撑工件的一端 车床项尖有多种样 式 以适用于各种车削加工的需要 最常用的顶尖是活动顶尖 它可以在轴承中旋转 从而能够 减小摩擦 尾座可以沿 Z 轴滑动并支撑工件 尾座可以由操作员手动或自动定位并紧固在床身上 顶尖 是单独的部件 它要锁紧到尾座轴中 尾座的一般设置过程如下 1 松开锁紧螺钉 2 将尾座滑动到需要的位置 3 允许尾座轴回缩来装 卸工件 4 拧紧尾座锁紧螺钉 5 检验主轴顶尖是否对中 8 电源控制箱 电源控制箱上通常安装有电源开 关及各种电器元件 其中包括保险和复 位按钮 为安全起见 这些元件均安装在电器控制柜内部 通常要对电源控制箱加锁 以防止未 得到授权的人员操作 如果需要进行电器方面的维护 需要与取得授权的人员联系 9 其它设置 1 自动棒料进给器 此配置用于减少将工件材料装卡到卡盘时的操作时间 棒料进给器的目的是在 CNC 加工循 环结束时快速 自动地装卡棒料 2 零件接收器 零件接收器的目的是当零件被切断后快速接收到它 以避免损坏零件 刀具和 或 机床部件 此配置一般配备在棒料进给类型的车床 3 第二刀架 主刀架和第二刀架均彼此独立地工作 可以同时切削两个零件 以减小循环时间 4 对刀器 对刀器是机床上的一个传感装置 可自动标记设置中的每一把刀具 操作员可根据需要手动 将刀具沿 X 轴和 Z 轴方向移动到对刀器并与其接触 控制器会自动在偏置存储内存中记录此距离 值 这种装置可以减少机床设置时间 提高所加工零件的质量 5 动力刀头 此配置安装动力刀夹进行主动切削 配合 主机完成铣 钻 镗等各种复杂工序 动力刀 头安装在动力转塔刀架 图 1 1 5 CNC 车床尾座 数控加工工艺与装备 第 31 32 课时 机电技术教研室 李俊阳 7 图 1 1 6 所示为工件随主轴准停定位后 车削中心的动力刀具对工件直径方向铣平面和键槽 钻径向孔以及动力刀具轴向加工工件的示意图