机床加工及实用操作第三章.ppt

第三章数控机床,什么是数控机床？,是数字控制机床的简称，是一种以数字量作为指令信息形式，通过专用的或通用的电子计算机控制的机床。,普通数控称NC,计算机数控称CNC,计算机数控机床是综合了计算机、微电子、自动化和精密测试等技术的最新成就而发展起来的，是一种灵活而高效的自动化机床。,第一节数控机床的产生和特点,一、柔性生产自动化和数字控制,生产过程的自动化是工业现代化的重要标志之一。它对提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件和降低生产成本都有非常重要的意义。在大批大量生产中，采用自动机床、组合机床和专用自动线就可以较好的解决自动化生产问题。这类机床属刚性自动机，不适应单件小批生产。,在机械制造业中，中小批及单件生产约占机械加工总量的80%以上。尤其是在航天、航空、造船、重型机械和国防等部门，产品的生产批量不大，生产周期要求短，改型频繁，精度要求高，零件形状又很复杂。这就要求加工这些产品的机床设备具有较大的“柔性”，即灵活、通用。数字控制机床的产生，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段，为适应产品不断更新换代的需要提供了“柔性”的自动化设备。,二、数控机床的特点和用途,优点：,（一）具有较强的适应性和广泛的通用性,（二）获得更高的加工精度和稳定的加工质量,(1)脉冲当量普遍达到0.001mm;(2)进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿；(3）刀具沿轮廓曲线进给时可以保持线速度不变；,缺点：,价格较贵，设备首次投入大。由于综合应用了机、电、液和计算机技术等，对维修技术要求也高。,（五）便于现代化的生产管理,（四）改善劳动条件，减轻工人的劳动强度,（三）具有较高的生产率,（1）允许进行大切削用量的强力切削；（2）无需停车就可以进行自动换刀、自动变换切削用量、快速进退等，大大缩短辅助时间；（3）一般只需做首件检验或工序中关键尺寸的检验，因而可以减少停机检验时间。,第二节数控的工作原理,零件图样,程序编制,信息载体,数控装置,伺服系统,机床,毛坯,工件,反馈系统,一、信息的输入,为了使数控加工的自动工作循环执行人的意图，必须在人机之间建立某种联系，这种联系的媒介称为信息载体。,八单位标准纸带,二、信息的处理,信息载体,控制器,输入装置,运算器,输出装置,伺服系统,插补运算,NC,微处理器,储存器（系统程序，零件程序）,I/O接口,外围设备,伺服系统,机床,CNC,三、信息的输出和对机床的控制,数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，也称为位移随动系统。,计算机数控系统对机床的控制，通过对机床伺服系统中驱动元件的控制来实现。,目前大都采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服系统的驱动元件。,微机,I/O接口电路,位置控制,速度控制,速度控制,X轴电机,Y轴电机,位置反馈,机床逻辑状态检测,机床逻辑状态控制,机床,主轴转速、负载力矩、工作台超程、液压系统压力等,第三节数控机床的伺服系统,机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。,什么是机床的伺服系统？,数控机床的精度和速度等技术指标，主要取决于伺服系统。,按控制方式分,开环控制,闭环控制,半闭环控制,一、开环控制,步进电机驱动线路的功能就是将来自数控机床控制系统的具有一定数量、一定频率和方向的进给脉冲转换成控制步进电机各相定子绕组通电、断电的电平信号变化次数、变化频率和通电顺序，从而控制工作台的位移、进给速度和方向。,二、闭环控制,三、半闭环控制,一、程序编制的基本概念,程序编制就是根据加工零件图样的要求，用规定的代码和程序格式，把加工零件的全部工艺过程、工艺参数、刀具位移量及其它辅助动作（换刀、冷却等）编成加工程序单，并将其全部内容记录在信息载体上。从零件图样的分析开始，到获得数控机床所需的信息载体的全过程称为程序编制。,第四节数控机床的程序编制,（一）程序格式和结构,（1）程序段序号,（2）准备功能G,（3）尺寸字,（4）进给功能F,（5）主轴转速功能S,（6）刀具功能T,（7）辅助功能M,（8）程序段结束符,返回,返回,（1）坐标轴的设定,（二）数控机床的坐标,机床主轴为Z轴，远离工件方向为正向,X轴为水平方向且垂直于Z轴，刀具远离工件方向为正向,根据右手定则可判断Y向,一律假定工件不动，刀具相对于工件移动,（2）坐标系统的原点设定,根据具体机床具备的坐标系，从编程方便及加工精度的要求而设定。,数控机床坐标系中点的位置有两种坐标：绝对坐标与增量坐标（相对坐标）,换刀点是指刀架转位换刀时的位置,G92X320Z300,机械原点是指刀具退离至一个固定不变的极限点，对车床而言，是指车刀退离主轴端面和中心线最远而且固定的点。,二、手工编程,手工编程是用人工编写零件程序。,1、工艺分析,2、坐标计算,3、编写加工程序单,4、制备信息载体,三、自动编程,零件图,零件源程序,翻译处理,刀具轨迹处理,后置处理,系统处理程序,加工程序单,穿孔纸带,CRT显示,绘图检查,计算机,第五节加工中心,一、加工中心概述在机械零件中，箱体类零件占相当大的比重，这类零件质量大，形状复杂，加工工序多。如果能在一台机床上一次装夹自动的完成大部分工序，对于提高生产率、提高加工质量和自动化程度有很大的意义。,加工中心的特点：(1)工序集中工件一次装夹后可以实现多表面、多工序的连续加工，将数控铣、镗、钻的功能集成在一台机床上，集中完成铣削和不同直径的孔加工工序。(2)自动换刀装有刀库和换刀机械手等，可以按预定的加工程序自动选刀，并把各种刀具从刀库换到主轴上去，把用过的刀具从主轴上换下来，送回到刀库。,(3)加工精度高各孔的中心距全靠各坐标的定位精度保证，不用钻、镗模。有的机床还有自动转位工作台，用来保证各面和各孔之间的角度。工件一次安装加工出大部分待加工表面，减少了工件多次安装产生的误差。镗铣加工中心、钻削加工中心、车削加工中心等。,二、BV75型立式加工中心（一）机床的布局,二、机床的运动和传动原理图,（一）表面成形运动,（二）辅助运动切入运动、快进快退、刀库旋转、换刀机械手动作等。,三、传动系统,主运动,三个方向伺服进给运动,刀库圆盘旋转运动,1、主运动传动链,FANUC交流伺服电机，连续额定功率11kW，30min过载功率15kW,2、伺服进给传动链,（四）主轴组件,3、刀库圆盘旋转传动链,十字滑块联轴节,高精度（C级）角接触轴承,角接触轴承,高,轴承标准,1、刀具自动夹进机构和切屑清除装置,2、主轴定向准停机构,（五）进给机构,（六）自动换刀装置,1、无机械手换刀,2、机械手换刀,七、加工中心的发展方向,（一）高速度,(1)提高主轴转速这是提高加工效率的基本措施，近些年来，加工中心的主轴转速普遍提高。(2)提高进给速度一般的加工中心机床在加工过程中，进给速度可达12m/min，快速进给速度已达100m/min，逐步靠近200m/min。(3)缩短辅助时间缩短辅助时间包括换刀时间、刀具移近或离开工件的时间、工件装卸时间等。,（二）高精度在工厂的一般环境下，加工中心的加工精度可达IT7级，经过努力可以达到IT6级。镗孔加工时，如提高主轴部件的刚度和精度，其加工孔径公差可达IT4级。提高加工中心精度的主要措施是提高编程时的圆弧补偿精度、机床定位精度和精度补偿技术。世界许多国家都在进行机床运动和负载变形误差以及机床热误差的软件补偿技术的研究，有的可消除此类误差的60%。,（三）高自动化提高加工中心的自动化层度不仅可以改善操作条件，减轻工人的劳动强度，而且可以明显提高加工效率。,第六节数控车床和车削中心,一、数控车床数控车床是数控机床中产量较大、使用较广泛的机床，主要用于加工各种轴类、盘类回转体零件，车削内外圆柱面、圆锥面、圆弧、端面、各种螺纹及回转体的内外曲面。,（一）机床布局,（二）机床的运动和传动系统,1、主运动传动链,2、进给运动传动链,（三）主轴箱,二、车削中心,（一）车削中心的工艺范围车削中心是数控车床在扩大工艺范围方面的发展。不少回转体零件常常还有钻孔、铣削等工序，如钻油孔、钻横向孔、铣扁方以及铣油槽等。最好能在一次装夹中完成。一次装夹，完成尽可能多的工序，对降低成本、缩短加工周期有重要的意义。,车削中心除具有数控车床的切削加工功能外，还可在工件的端面、侧面或斜面上，进行铣削、钻削和攻螺纹等。,（二）车削中心的特点车削中心与数控车床比较，增加了两大功能：一是自驱动刀具。在数控车床上的多工位转塔刀架上备有刀具主轴电动机，自动无级变速，通过传动机构驱动装在刀架上的刀具主轴。二是主轴能按程序要求精确分度及与X或Z轴进行插补联动伺服控制。,1、自驱动刀具,第五章数控机床,铣削附件,2、主轴的分度与伺服控制,在主轴的尾端装有主轴分度装置，用于加工零件圆周上按某种角度分布的径向孔或零件端面上分布的轴向孔。,同时主轴还可以象数控车床的刀架一样，用单独的伺服电机进行控制。按数控车床坐标系的规定，这样的主轴称为C轴，当C轴和Z轴联合控制时，可以铣零件上的螺旋槽。,车削中心的主轴可以分度和进行伺服控制。在转塔刀架上，除装有普通数控车床的刀具外，同时还装有各种自驱刀具，并实现各坐标轴之间的联合伺服控制。所以，车削中心可以实现车削外的其他工序。有的车削中心应用的刀具较多，转位刀架不敷应用，这时，采用刀库和换刀机械手。,车削中心与普通数控车床的基本区别在于前者的转塔刀架上能安装带旋转刀具的动力刀座，且主轴能按程序要求精度分度及与X或Z轴进行插补联动，主轴这种控制称C轴功能。车削中心是可以对三个坐标进行伺服控制的数控机床。,第七节车铣复合加工中心,一、车铣复合加工技术数控车床主要用于加工各种轴类、盘类回转体零件；数控铣床主要用于加工各类平面、曲面和壳体类零件。这两类机床的加工原理和加工范围都不相同。,形状复杂的零件，如叶轮、叶片等自由曲面形状的模具及航空零件等，传统工艺需要采用多种加工方法和多道工序生产。涉及的机床种类繁多，既需要数控车床加工，也需要加工中心加工。通常先在数控车加工，然后用加工中心进行铣削，工件需在多台机床间传递，还要准备多种工装夹具。,配套工装设计和制造繁杂，产品生产准备周期长；零件的多次装夹和基准转换，有时带来不必要的工序，也使零件加工精度难以有效控制。随着产品结构和工件复杂程度的提高，追求一次装夹完成工件的全部加工已成为机床技术发展的需求，多工序复合加工技术应运而生。,近些年来，已相继开发出各种类型的复合加工机床，将车、铣功能融合在一台机床上，发展成为一种加工范围更加广泛的新型数控机床，即复合加工中心。在一台机床上，自动完成一个工件的大部分或所有工序。这样工序更为集中，功能更加完善。,由于工序集中，不但工件定位误差小、提高加工精度，并缩短加工时间，而且能够缩短生产准备周期，提高整体生产效率。复合加工中心中应用最广、难度最大的就是车削和铣削的复合加工，相当于一台数控车床和一台加工中心的复合，可以使工件在一次装夹中完成全部车、铣、钻、镗、攻螺纹等不同方法的加工，是机械加工领域目前最流行的机械加工设备之一。,复合加工机床可以分为两类，一类是以数控车床为设计基础增添铣削等功能的复合加工机床，称为车铣复合加工中心；另一类是以加工中心为设计基础增添车削功能的复合加工机床，称为铣车复合加工中心。车铣复合加工中心使得原本要在车床和铣床上先后分别加工的形状复杂的工件，采用车铣复合加工，可以在一台机床上完成多种工序。,车铣复合加工技术包括“车铣技术”和“复合加工技术”两个方面。所谓车铣技术，就是利用铣刀和工件旋转的合成运动，进行工件各类表面的切削加工。车铣属于断续切削，可以获得较好的断屑效果，自动排屑容易；断续切削使刀具冷却时间较长，刀具温度相对较低，易于实现高速切削。,因此，车铣技术不是车削与铣削的简单结合，而是利用车铣合成运动来完成多种工序的一种高新切削技术，并使工件的形状精度、位置精度、表面粗糙度及残余应力等多方面达到使用要求。所为复合加工技术，包含工艺复合和工序复合两方面内容。工艺复合是工件装夹在机床上以后，用车、铣、镗、刨、磨、研、抛等不同的制造方法，顺序的或并行的完成各个表面的加工。,工序复合指用同类加工方法对不同工序进行顺序或并行的完成各个表面的加工。如用不同类型的铣刀完成工件的顶面、端面、侧面、成形面甚至底面等不同工序的铣削以及粗、精铣等不同工步的加工。车铣复合加工特点：（1）提高工序集中度,加工任务只交给一个工作岗位，一台机床完成了多台机床的加工任务，减少了加工设备的数量和车间占地面积。同时也缩短了物流长度，简化生产过程和生产管理，且减少了在制品的储存量，相对于传统的工序分散生产方法来说，工件越复杂，优势越明显。,（2）提高加工精度工件在整个加工过程中只有一次装夹，减少了工件的安装次数，避免由于基准转换产生的安装误差，加工精度容易保证。（3）减少工装夹具数量工序集中在一台机床上，加工过程仅需一次装夹，使工装夹具数量减少，缩短生产准备周期。,（4）提高加工效率车铣复合加工可以进行高速切削，缩短切削时间；同时避免或减少工件在不同机床间进行工序转换而增加的工序间输送和等待时间。,目前车铣复合加工中心机床的单台设备价格较高，初始投入较大，但由于缩短了生产过程链，减少了工装夹具数量、加工设备数量，车间占地面积和设备维护费用等也随之减少，从而降低了总体固定资产的投资，节省了生产运作和管理成本。,二、HTM63150iy型车铣复合加工中心（一）机床布局和用途HTM63150iy型车铣复合加工中心是在三轴车削中心基础上发展起来的，相当于一台车削中心和一台加工中心的复合，简称车铣中心。它集成了车削、铣削、钻削和镗削等功能，一次可以在一台车铣中心上，经过一次装夹，完成全部车、铣、钻、镗、攻螺纹等加工。,可见，该机床加工工艺范围广，不仅具有车床的全部功能，还能够进行铣、钻、磨，甚至滚齿加工，该车铣中心的显著特点是铣削加工叶片螺旋面、加工偏心零件、铣削斜面等，特别适用于军工、航天航空、汽车、石油、能源等加工制造行业的复杂零件的加工，工件一次装夹可以加工完成全部或大部分工序，大大提高了工作效率，保证零件的加工精度。,（二）机床的运动和伺服控制轴HTM63150iy型车铣中心有车削、铣削等多种加工状态，有工件旋转的车削主轴和刀具旋转的铣削主轴。有Z、Z2、W、Y、X、X2、B、C和C2等九个伺服控制轴，具备Z、Y、X、B、C轴的五轴插补联动功能，具有多任务通道，多轴控制，可以同时进行不同任务的加工。1、机床的主运动,本机床的主运动分为车削状态下的主运动和铣削状态下的主运动。车削状态下的主运动是机床的车削主轴带动工件旋转。机床有两个车削主轴。第一车削主轴装在床身左端的主轴箱(第一主轴箱)内，由30kW的主电动机经同步齿形带直接驱动，无级变速，主轴最高转速达3000r/min。,第二车削主轴(车副主轴)为内装电动机式主轴，装在床身右端的第二主轴箱内，由23.6kW的内装电动机直接驱动，无级变速，第二主轴最高转速达3200r/min。铣削状态下的主运动是装在上刀架系统动力主轴上各类刀具的旋转，刀具动力主轴采用电主轴，19kW，最高转速12000r/min，,也有些车铣复合加工中心的刀具动力主轴采用典型机械式主轴。最高转速9000r/min，比电主轴低，可以满足大多数切削条件的要求，适合于大转矩切削。2、伺服进给运动（1）直线移动控制轴机床9个伺服进给控制轴中，有6个是直线移动轴：Z、Z2、W、Y、X、X2。,虚Y轴对X轴和YT轴两轴运动的动态特性要求较严格，这种形式X轴拖动重力轻，易于控制，但受布局影响，Y轴行程较小。目前国内外有些车铣复合加工中心产品，用机械保证Y坐标与X、Z坐标的垂直关系，即实Y轴。显然这种结构的优点是Y轴运动是直接的，不需任何插补合成运动。实Y轴可达到较高的精度。但机床结构尺寸较大。,（2）圆周进给控制轴（回转轴）机床9个伺服控制轴中，有三个圆周进给轴：B、C、C2。B轴呈现三种工作状态：1）带动刀具主轴每5转位；2）带动刀具主轴任意位置转位；3）带动刀具主轴作插补运动。B轴绕Y轴旋转，形成刀具与主轴回转中心的夹角，当连续插补加工复杂曲面时，刀具可以保持连续垂直于工件轨迹的切线方向。,B轴可以偏斜加工，也可以进行机械分度。B轴功能使机床有能力进行五轴定位铣削和三到五轴联动铣削。C轴是指主轴箱和第二主轴箱车削状态的主轴绕Z轴伺服旋转。装在斜床身左端主轴箱的主轴，其C轴有单独的传动机构，为C轴。装在斜床身右端第二主轴箱的主轴称为副主轴，其C轴功能称为C2轴。,C轴绕Z轴旋转，在回转体上实现周向进给、分度和定向停车，用于端面钻孔和插补铣削加工。,（三）主轴箱和第二主轴箱1、主轴箱,2、第二主轴箱,水入口,水出口,空气入口,空气出口,热装方式,这类车铣复合加工中心把夹持工件的主轴做成2个，既可同时对2个工件进行相同的加工，也可通过在2个主轴上交替夹持，完成对夹持部位的加工。三、车铣复合加工中心的发展趋势1、复合化最先进的复合加工中心除了可以进行车、铣、钻、镗、攻螺纹等加工外，还可以实现更多工序和加工工种的复合。,以车削加工为主的复合加工机床，除车削加工外还装有铣削加工、磨削加工等各种功能模块，实现铣削和磨削加工。如在刀架上装有自驱动装置的回转刀具，可以在圆形工件和棒状工件上加工沟槽和平面。以铣削为主的复合加工机床，实现五轴或更多轴的控制，使所有的控制轴作连续运动，即五轴或更多轴的联动，可以对叶轮等具有外延伸曲面形状的工件进行加工。,除铣削加工外，还装有一个能进行车削的动力回转工作台，是在集中车削和铣削功能基础上，与齿轮加工功能、磨削功能等复合的加工机床。以磨削为主型的磨床多轴化，在一台机床上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工，在欧洲开发了综合螺纹和花键磨削功能的复合加工机床，具有不同工种加工的复合化特点，如车削与磨削、研磨的复合，用激光功能把加工后热处理、焊接、切割合并，加工和组装同时实施等。,还有，装有磨削功能和激光淬火功能的复合机床等。复合加工机床不会停留在目前仅限于车削和铣削的功能上。淬火、磨削、冷压成型、超声波加工、激光加工等不同工种都将可能组合到一台机床上，复合加工机床正向完成型加工机床的方向发展。2、高效和高精度机床复合化是当今提高数控机床效率和加工精度的主要措施，通过配置双主轴、双动力头、双刀架等功能，实现多刀同时加工。,车铣复合加工中心主轴转速高达12000r/min，有的铣削主轴转速超过30000r/min。进给速度一般都是15m/min以上，最高达36m/min，提高了20%，减少了加工工时。工件一次装夹，完成大部分或全部加工部位，减少工序间运输和等待时间，大大节省辅助时间，提高了工作效率。由于工件安装次数减少，消除了装夹位置误差，减少了由于工序转换带来的精度损失；,车铣中心基本采用全闭环控制，还可以进行在线测量、误差补偿、刀具在线实时监控和适应控制等，确保高精度加工实现。3、模块化车铣中心的许多产品都已实现结构模块化设计，利用基本模块和各种功能部件灵活配置，组成各式车铣复合加工中心机床，正在向如何实现功能快速重组的方面发展，以便快速响应市场的需求。,在硬件功能上，除了标准的功能模块配置外，还有一些可选模块，如副主轴模块、下刀塔模块、长镗刀轴模块和对刀尖的ATC更换模块、带径向自动进给的镗刀轴模块、角度头模块等。另一方面，在模块化、通用化的基础上，还可以按用户用途要求，剔除那些用户不需要的多余功能模块，按用户需求进行机床模块组合，实现所谓“价格任选”。4、智能化,复合加工机床内装有储存、运输、加工一体化、工件识别、工件夹持控制、适应控制等功能模块，有些车铣复合机床实现了计算机联网，可实现远程诊断、远程服务和人机对话编程等，正在向智能化方向发展，使车铣复合加工中心成为智能化的机床。,第八节柔性自动化的发展,普通数控(NC),计算机数控(CNC),加工中心机床,柔性加工单元(FMC),柔性加工系统(FMS),计算机集成制造系统(CIMS),一