金属切削机床数控机床PPT课件

1 第四章数控机床 第一节概述一 机床数控技术机床数控技术可从精度 速度 柔性和自动化程度等方面来衡量 目前的技术现状与发展趋势是 1 高精度化2 高速度化3 高柔性化4 高自动化5 智能化6 超复合化二 数控机床工作原理数控机床加工零件时 首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序 由输入部分送入数控装置 经过数控装置的处理 运算 按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路 经过转换 放大去驱动伺服电动机 带动各轴运动 并进行反馈控制 使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序 轨迹和参数有条不紊地工作 从而加工出零件的全部轮廓 2 刀具沿各坐标轴的相对运动 是以脉冲当量 为单位的 mm 脉冲 当走刀轨迹为直线或圆弧时 数控装置则在线段的起点和终点坐标值之间进行 数据点的密化 求出一系列中间点的坐标值 然后按中间点的坐标值 向各坐标输出脉冲数 保证加工出需要的直线或圆弧轮廓 数控装置进行的这种 数据点的密化 称做插补 一般数控装置都具有对基本函数 如直线函数和圆函数 进行插补的功能 对任意曲面零件的加工 必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合 才能加工出所需的零件 3 例如 欲加工轮廓为任意曲线L的零件 如图所示 可将曲线L分成 L0 L1 L2 Li等线段 设切削 Li的时间为 ti 当 Li 0 即把曲线划分的段数越小 则刀具运动的轨迹越逼近曲线L 即lim L在 ti时间那 刀具在各坐标的位移量为 Xi和 Yi 即 Li 进给速度 vi 当加工直线时 Li的斜率不变 各坐标轴速度分量的比值不变 因此进给速度vi可保持常量 当加工任意曲线时 Li的斜率不断变化 的比值也不断变化 只要能连续地自动控制两坐标方向运动速度的比值 便可实现任意曲线零件的加工 4 图4 2示出用直线逼近一任意曲线L的情况 只要求出节点a b c 的坐标值 按节点写出直线插补程序 数控装置则进行节点间的 数据点的密化 并向各坐标轴分配脉冲数 控制刀具完成该直线段的加工 逼近误差 应满足零件公差要求 即 max 三 数控机床组成数控机床一般由控制介质 数控装置 伺服系统和机床本体所组成 如图所示 图中实线部分为开环系统 虚线部分包含位置反馈构成了闭环系统 5 1 控制介质数控机床工作时 不需人参与直接操作 但人的意图又必须参与 所以人和数控机床之间必须建立某种联系 这种联系的媒介物称为控制介质或输入介质 2 数控装置数控装置是数控机床的中枢 用来接受并处理输入介质的信息 并将代码加以识别 存储 运算 并输出相应的命令脉冲 经过功率放大驱动伺服系统 使机床按规定要求动作 通常由一台通用或专用微型计算机构成 有输入接口 存储器 运算器 输出接口和控制电路等 6 3 伺服系统伺服系统包括驱动部分和执行机构两大部分 伺服系统把数控装置输出的脉冲信号通过放大和驱动元件使机床移动部件运动或使执行机构动作 以加工出符合要求的零件 每一脉冲使机床移动部件产生的位移量称为脉冲当量 常用的脉冲当量为0 01mm 脉冲 0 005mm 脉冲 0 001mm 脉冲等 4 机床本体机床本体也称主机 包括机床的主运动部件 进给运动部件 执行部件和基础部件 如底座 立柱 滑鞍 工作台 刀架 导轨等 四 数控机床特点及应用范围1 数控机床的特点现代数控机床集高效率 高精度 高柔性于一身 具有许多普通机床无法实现的特殊功能 它具有如下特点 1 通用性强在数控机床上加工工件时 一般不需要复杂的工艺装备 生产准备简单 当工件改变时 只需更换控制介质或手工输入加工程序 因此解决了机械加工单件 小批生产的柔性自动化问题 可显著缩短生产周期 提高劳动生产率 7 2 加工精度高 质量稳定数控机床上综合应用了保证加工精度 提高质量稳定性的各种技术措施 因此控制精度高 机床零部件及整体结构的刚度高 抗振性能好 自动化加工 很少需要人工干预 消除了操作者的人为误差和技术水平高低的影响 在自动换刀数控机床上可以实现一次装夹 多面和多工序加工 可以减小安装误差等 3 生产效率高数控机床结构刚性良好 可进行强力切削 有效地节省机动时间 还具有自动变速 自动换刀 自动交换工件和其他辅助操作自动化等功能 使辅助时间缩短 而且无需工序间的检测和测量 生产效率比一般普通机床高得多 4 自动化程度高除装卸零件 安装穿孔带或操作键盘 观察机床运行之外 其他的机床动作直至加工完毕 都是自动连续完成 可大大减轻操作者的劳动强度和紧张程度 改善劳动条件 减少操作人员的人数 5 经济效益好虽然设备昂贵 加工时分摊到每个工件上的设备折旧费较高 但在单件 小批量生产情况下 使用数控机床加工 可节省划线工时 减少调整 加工和检验时间 节省直接生产费用和工艺装备费用 数控机床的加工精度稳定 减少了废品率 使生产成本进一步下降 此外 数控机床可实现一机多用 节省厂房面积和建厂投资 因此 使用数控机床仍可获得良好的经济效益 8 6 采用数控机床是实现先进制造技术的基础采用数控机床是实现柔性制造系统 计算机辅助设计与计算机辅助制造一体化的基础 是实现计算机生产管理的基础 是使用计算机技术对机械制造业进行全面技术改造的基础 2 数控机床的应用范围1 多品种小批量零件的加工 2 结构较复杂 精度要求较高的零件 3 需要频繁改型的零件加工 4 价格昂贵 不允许报废的关键零件 5 需要最小生产周期的急需零件 五 数控机床分类1 按工艺用途分类1 一般数控机床2 数控加工中心3 多坐标轴数控机床2 按控制的运动轨迹分类1 点位控制2 点位直线控制3 轮廓控制 9 3 按控制方式分类1 开环控制数控机床 3 半闭环控制数控机床 2 闭环数控系统 10 4 按功能水平分类1 高级型数控系统2 普及型数控系统3 经济型数控系统六 数控机床编程1 编程的内容和步骤1 确定加工方案分析零件图纸 根据零件的材料 形状 尺寸 精度 毛坯和热处理状态等确定加工方案 并选择能够实现该方案的适当的机床 刀具 夹具和装夹方法 2 工艺处理包括选择对刀点 确定加工路线和切削用量 3 数学处理主要任务是根据图纸数据求出编程所需的数据 4 编写程序清单编程人员要根据所选用数控机床的指令 程序段格式 逐段编写零件加工程序 5 制备介质和程序检验程序编好后 需要制作控制介质 根据所用的机床不同 介质的形式可能是纸带 穿孔卡 磁带或磁盘 各种介质上的代码标准是相同的 编好的加工程序在正式加工前 一定要经过检验 11 2 编程方法1 手工编程2 数控语言编程3 图形编程3 数字控制标准与穿孔带代码4 数控机床的坐标系国际上统一采用标准坐标系 标准坐标系采用右手直角笛卡儿坐标 如图4 20所示 12 我国参考国际标准也制定了JB3051 32 数控机床坐标和运动方向的命名 标准 这三个图分别是几种典型数控机床的坐标系统 13 七 直线电机在数控机床中的应用1 直线电机驱动装置是一种适用于各种机械加工机床设备作为其独立动力源的电磁驱动装置 14 2 直线电机驱动的X Y工作台现在激光机械 半导体制造设备上用的X Y工作台 对其速度和精度的要求越来越高 在这种情况下 东京芝浦电气公司和生产技术研究所实现了这种设备的高速移动 小型化和轻型化 试制了一种同一个工作台上装有X Y二轴的结构 这种X Y工作台的定位精度是 2 m 15 第二节JCS 018型立式镗铣加工中心 一 机床的布局及用途1 机床的布局机床由床身 立柱 主轴箱 工作台 自动换刀装置及数控装置等组成 在床身的后部装有固定的框式立柱 主轴箱可在立柱导轨上作垂向 Z轴 进给运动 床身上的滑座作横向 Y轴 进给运动 工作台在滑座上作纵向 X轴 进给运动 自动换刀装置 刀库和机械手 装在立柱左侧的前部 其后部装有数控装置的数控柜 在立柱的右侧装有驱动电柜 电源 伺服装置等 并在立柱上安装悬挂式操纵面板 16 2 机床的用途工件一次装夹在机床工作台上 可自动连续地进行铣 钻 镗 铰 攻丝等多种工序的加工 这种机床主要用于小型板类 盘类 壳体类等复杂工件的多品种 中小批量加工 二 机床主要技术参数1 工作台2 移动范围3 主轴箱4 进给速度5 自动换刀装置6 精度7 承载能力8 其他三 机床传动系统 1 主传动系统机床的主轴转速为无极变速 并具有较大的变速范围 以适应完成多种工艺和获得最佳的加工精度和加工表面质量 JCS 018型机床传动系统主轴由交流调速电动机经两级塔带轮直接驱动 机床传动带采用三联V带 不会因长度不一致而产生受力不均匀的现象 因此 它的承载能力要比3根V带大 故重量较轻 耐挠曲性能好 允许的带轮最小直径小 线速度高 传动平稳 17 2 进给运动传动系统机床的X Y Z三个坐标轴的进给运动分别由三台功率为1 4kw的FANUC BESKDC15型直流伺服电动机直接带动滚珠丝杠旋转 图4 28为Z轴进给装置中电动机与丝杠连接的局部视图 如图中所示 1为DC直流伺服电动机 2为电动机轴 7为滚珠丝杠 4为相互配合的锥环 该连接结构可以实现无间隙传动 使两连接件的同心性好 传递动力平稳 而且加工工艺较好 安装与维修方便 该立式加工中心X Y轴的快速移动速度为14m min 为防止滚珠丝杠因不能自锁而使主轴箱下滑 所以Z轴电动机带有制动器 四 主轴组件数控机床主轴组件的精度 刚度和热变形尤为重要 对加工精度 表面质量和生产率都有直接影响 轴承 前 后支承都采用了向心推力球轴承 主轴轴承润滑方式 采用油脂润滑 迷宫式密封 18 1 刀具自动夹紧装置刀具自动夹紧由活塞8 螺旋弹簧7 拉杆4 蝶形弹簧5和4个钢球3所组成 该机床采用锥柄刀具 刀柄的锥度为7 24 它与主轴前端锥孔锥面定心 且装卸方便 夹紧时 活塞8上端接通回油路无油压 螺旋弹簧7使活塞8向上移动至图示位置 拉杆4在蝶形弹簧压力作用下也向上移动 钢球3被迫进入刀柄尾部拉钉2的环形槽内 将刀具的刀柄拉紧 放松时 即需要换刀松开刀柄时 油缸上腔通入压力油 使活塞8向下移动 推动拉杆4也下移 直到钢球3被推至主轴孔径较大处 便松开了刀柄 机械手将刀具连同刀柄从主轴孔中取出 刀具的刀柄是靠弹簧产生的拉紧力进行夹紧的 以防止在工作中突然停电时 刀柄自行脱落 在活塞8上下移动的两个极限位置上 安装有行程开关9和10 用来发出刀柄夹紧和松开信号 在夹紧时 活塞8下端的活塞杆端部与拉杆4的上端面之间应留有一定的间隙 约为4mm 以防止主轴旋转时引起端面摩擦 19 2 自动吹净装置主轴自动换刀时 自动清除主轴装刀锥孔内的切屑或灰尘 以便保护主轴锥孔和刀柄表面 确保刀具定位安装精度 3 主轴准停装置 主轴自动换刀时 保证主轴上的端面键对准刀柄上的键槽 以实现刀具正确定位和传递转矩 即保证主轴在每次自动装卸刀具时 都应停在一定的周向位置上 该机床主轴定向准停装置设在主轴的尾部 在主轴三联塔带轮1的上端面上 安装一个厚垫片4 在垫片4上装有一个体积很小的发磁体3 在主轴箱体的准停位置上装一个磁感应器2 当主轴需要停车换刀时 数控系统发出主轴准停指令 控制主轴电动机降速 使主轴立即减速 再继续回转1 2 21 2转后 当发磁体3对准磁感应器2时 磁感应器发出准停信号 此信号经放大后 由定向电路使主轴电动机准确地停止在规定的周向位置上 准停的位置精度是 1 这种准停装置的机械结构简单 定位迅速而准确 20 五 主轴组件1 伺服进给系统JCS 018型机床的三个方向 X Y Z轴 进给运动 都采用宽调速直流伺服电动机驱动的滚珠丝杠螺母副伺服进给系统 任意两个坐标均可联动 该机床的伺服进给系统是半闭环系统 即在电机上装有反馈装置 通常采用旋转变压器作为位置检测器 测速发电机作为速度环的速度反馈元件 2 传动机构机床三个坐标方向的进给运动均采用相同的传动机构 宽调速直流伺服电动机1经无键联结的锥环2 十字滑块联轴器3传动滚珠丝杠4和螺母5 6使工作台实现纵向进给运动 21 22 六 自动换刀装置自动换刀装置应满足 换刀时间短 刀具重复定位精度高 足够的刀具储存量 刀库占地面积小 安全可靠 自动换刀的结构形式 取决于机床的型式 工艺范围 刀具的种类和数量等 多工序数控机床广泛应用刀库式自动换刀装置 JCS 018型机床采用刀库式自动换刀装置 它安装在机床立柱左侧的前部 由刀库和机械手两部分组成 刀库可容纳16把刀具 刀库是自动换刀装置的主要组成部分 由刀库圆盘和传动机构等组成 23 刀座的结构如图所示 刀座以铰链形式与支承板3联接 滚子5置于固定导盘6的槽中限位 并在最下端换刀位置开有缺口 锥孔尾部的两个弹簧球头销10用来夹紧刀具 这样刀座旋转90 后 刀具也不会因自重而下落 刀座顶部滚子2用以刀座在水平位置时支承刀座 弹簧11将销12压在支承板3的凹槽中 使刀座定位在水平位置上 24 七 数控系统1 系统的硬件结构基本组成包括 1 中央处理器单元和存储器 2 位置控制器 3 纸带阅读器接口 4 输入输出接口 5 数控操作面板接口 6 CRT显示器接口 控制和显示单元 选用件 7 外部操作面板接口 选用件 8 纸带存储器和穿孔机接口 选用件 9 工程师面板 生产厂用 2 系统的软件结构系统软件由22K控制程序 三坐标两联动系统为20K 4KCRT控制程序 诊断程序 由专用诊断纸带输入 以及作为参数寄存和数据暂存的工件寄存器所组成 25 第三节计算机直接数控 柔性制造系统和计算机集成制造系统 一 计算机直接数控 DNC 是将一组数控机床与存储有零件加工程序和机床控制程序的公共存储器相连接 根据加工要求向机床分配数据和指令的系统 即用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统 二 柔性制造系统 FMS 1