CNC车铣床分析实用

会计学1CNC车铣床分析实用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第1页/共44页目录一、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2页/共44页

第一部分数控车床第3页/共44页数控车床一、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。

第4页/共44页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第5页/共44页

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。

第6页/共44页数控仪表车床第7页/共44页高档数控车床第8页/共44页第9页/共44页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。第10页/共44页(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、齿轮传动第11页/共44页(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。第12页/共44页转塔刀架（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。第13页/共44页

数控车床的主要机械结构第14页/共44页（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，易于排屑第15页/共44页卡盘式数控车床

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第16页/共44页车床的型号及命名

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：CA6140

C--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)

第17页/共44页

项目规格G-280工作范围床身最大回转直径mm500最大加工直径mm280最大加工长度mm500床身导轨面至主轴中心高mm250行程最大行程Xmm176Z520进给最大速度XMm/min12000Z20000精度重复定位精度Xmm0.007Z0.01三、数控车床主要技术参数第18页/共44页主轴速度r/min45~4500通孔直径mm62轴端型式

A2-6内孔锥度

锥度1:20大端Φ80主电机KW11月15日回转刀塔规格镗刀座

Φ32端面刀座

□25╳25外圆刀压板

□20╳20尾座顶尖套最大行程mm100顶尖套锥度

MT4一般规格电源容量KVA32KVA净重/毛重kg3850/4640外型尺寸(L×W×H)mm3200╳1700╳1720第19页/共44页数控机床性能指标总结第20页/共44页第21页/共44页四、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

第22页/共44页

（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。

第23页/共44页五、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24页/共44页

第二部分车床数控系统第25页/共44页

一、数控系统日本FANUC北京凯恩帝第26页/共44页一、车床数控系统分类（1）按功能划分①、经济型CNC数控系统北京凯恩帝、广州数控、深圳众为兴②、普及型数控系统日本FANUC、三菱、德国西门子（2）按轴数划分①、两轴数控系统②、三轴数控系统③、四轴数控系统（3）从硬件划分①、PC-Based台湾宝元、华中数控②、ARM+FPGA深圳众为兴③、DSP+FPGA广州数控④、NC+PC德国西门子、日本FANUC

（4）依照其他划分①、USB传输和RS232传输②、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第27页/共44页可装刀具数目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：１００－５０００p/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４档位控制或模拟控制第28页/共44页辅助功能主轴正反转，冷却液起停，卡盘松紧显示功能：５.７寸单色，全中文操作，可显示图形轨迹程序编辑２５６Ｍ，９９９９个程序，全屏幕编辑通讯方式ＵＳＢ／ＲＳ２３２PLC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第29页/共44页（2）辅助功能（M指令）指令功能备注M00程序暂停状态不保持M30程序运行结束M98子程序调用M99从子程序返回M03主轴正转功能互锁，状态保持M04主轴反转*M05主轴停止M08冷动液开功能互锁，状态保持*M09冷动液关M10尾座进功能互锁，状态保持M11尾座退M12卡盘夹紧功能互锁，状态保持M13卡盘松开M32润滑开功能互锁，状态保持*M33润滑关注：标“*”的指令上电时有效。第30页/共44页（3）主轴转速选择功能S：①、主轴转速开关量控制

②、主轴转速模拟电压控制③、主轴倍率

（4）刀具选择功能：①、最大设定为8工位电动刀架、排刀②、换刀方式：MDI/自动绝对或手动相对换刀，正转选刀，反转锁紧③、对刀方式：定点对刀、试切对刀④、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。第31页/共44页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第32页/共44页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系统第33页/共44页三、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。

第34页/共44页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

第35页/共44页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）性能价格比第36页/共44页数控车床系统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第37页/共44页还有一些其他因素，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；

第38页/共44页数控系统性能指标评价表第39页/共44页四、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