数控车床基本组成和工作原理.docx

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数控车床基本组成和工作原理

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摘要

　世界制造业转移，中国正在逐步成为世界加工厂。

美国、德国、韩国等国家已经进入工业化发展的高技术密集时代与微电子时代，钢铁、机械、化工等重工业正逐渐向发展中国家转移。

我国目前经济发展已经过了发展初期，正处于重化工业发展中期。

　　未来10年将是中国机械行业发展最佳时期。

美国、德国的重化工业发展期延续了18年以上，美国、德国、韩国四国重化工业发展期平均延续了12年，我们估计中国的重化工业发展期将至少延续10年，直到2015年。

因此，在未来10年中，随着中国重化工业进程的推进，中国企业规模、产品技术、质量等都将得到大幅提升，国产机械产品国际竞争力增强，逐步替代进口，并加速出口。

目前，机械行业中部分子行业如船舶、铁路、集装箱及集装箱起重机制造等已经受益于国际间的产业转移，并将持续受益；电站设备、工程机械、床等将受益于产业转移，加快出口进程

关键词：

数控的产生、数控发展趋势、数控技术。

摘要...........................................

（2）

1.数控车床的基本组成和工作.................（5）

1.1任务准备.....................................（5）

1.1.1机床结构....................................（5）

1.2工作原理.....................................（7）

1.3数控车床的分类...............................（7）

1.4数控车床的性能指标...........................（7）

1.5数控车床的特点...............................（9）

2.数控车床编程与操作......................（10）

2.1数控车床概述................................（10）

2.1.1数控车床的组...............................（11）

2.1.2数控车床的机械构成..........................（11）

2.1.3数控系统...................................（12）

2.1.4数控车床的特点............................（12）

2.1.5数控车床的分类..............................（13）

2.1.6数控车床（CJK6153）的主要.....................（13）

2.1.7数控车床（CJK6153）的润滑.....................（13）

2.数控车床的编程方法............................（14）

2.2.1设定数控车床的机床坐标系.....................（14）

2.2.2设定数控车床的工件坐标系........................（14）3.数控车床加工工艺分析....................（20）

3.1零件图样分析.................................（20）

3.2工艺分析.....................................（21）

3.3车孔的关键技术...............................（21）

3.4解决排屑问题.................................（22）

3.5加工方法....................................（22）

4.当前数控机床技术发展趋势..............（23）

4.1是精密加工技术有所突破.......................（23）

4.2是技术集成和技术复合趋势明显.................（24）

结束语........................................（25）参考文献......................................（26）

1.数控车床的基本组成和工作原理

1.1任务准备

1.1.1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。

图1-1机床机构

⑴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、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。

⑵CNC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。

⑶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。

⑷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。

⑸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。

⑹可编程控制器

可编程控制器（PC，ProgrammableController）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，ProgrammableLogicController）。

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，ProgrammableMachineController）。

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。

⑺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。

1.2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。

1.3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。

⑴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。

⑵按运动方式分类

①点位控制数控机床

②点位/直线控制数控机床

③连续控制数控机床

⑶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。

1.4数控车床的性能指标

⑴主要规格尺寸

数控车床主要有床身与刀架最大回转直径、最大车削长度、最大车削直径等。

⑵主轴系统

数控车床主轴采用直流或交流电动机驱动，具有较宽调速范围和较高回转精度，主轴本身刚度与抗振性比较好。

现在数控机床主轴普遍达到5000～10000r／min甚至更高的转速，对提高加工质量和各种小孔加工极为有利；主轴可以通过操作面板上的转速倍率开关调整转速；在加工端面时主轴具有恒线切削速度（恒线速单位：

mm/min），是衡量车床的重要性能指标之一。

⑶进给系统

该系统有进给速度范围、快速（空行程）速度范围、运动分辨率（最小移动增量）、定位精度和螺距范围等主要技术参数。

进给速度是影响加工质量、生产效率和刀具寿命的主要因素，直接受到数控装置运算速度、机床动特性和工艺系统刚度限制。

数控机床的进给速度可达到10～30m／min其中最大进给速度为加工的最大速度，最大快进速度为不加工时移动的最快速度，进给速度可通过操作面板上的进给倍率开关调整。

脉冲当量（分辨率）是CNC重要的精度指标。

有其两个方面的内容，一是机床坐标轴可达到的控制精度（可以控制的最小位移增量），表示CNC每发出一个脉冲时坐标轴移动的距离，称为实际脉冲当量或外部脉冲当量；二是内部运算的最小单位，称之为内部脉冲当量，一般内部脉冲当量比实际脉冲当量设置得要小，为的是在运算过程中不损失精度，数控系统在输出位移量之前，自动将内部脉冲当量转换成外部脉冲当量。

实际脉冲当量决定于丝杠螺距、电动机每转脉冲数及机械传动链的传动比，其计算公式为

数控机床的加工精度和表面质量取决于脉冲当量数的大小。

普通数控机床的脉冲当量—，般为0.001mm，简易数控机床的脉冲当量一般为0.01mm，精密或超精密数控机床的脉冲当量一般为0.0001mm，脉冲当量越小，数控机床的加工精度和表面质量越高。

定位精度和重复定位精度，定位精度是指数控机床各移动轴在确定的终点所能达到的实际位置精度，其误差称为定位误差。

定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等的误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。

它将直接影响零件加工的精度。

　　重复定位精度是指在数控机床上，反复运行同一程序代码，所得到的位置精度的一致程度。

重复定位精度受伺服系统特性、进给传动环节的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。

一般情况下，重复定位精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的精度指标。

一般数控机床的定位精度为0.001mm，重复定位精度为

0.005mm。

⑷刀具系统

数控车床包括刀架工位数、工具孔直径、刀杆尺寸、换刀时间、重复定位精度各项内容。

加工中心刀库容量与换刀时间直接影响其生产率，换刀时间是指自动换刀系统，将主轴上的刀具与刀库刀具进行交换所需要的时间，换刀一般可在5～20s的时间内完成。

数控机床性能指标还有电机、冷却系统、机床外形尺寸、机床重量等。

1.5数控车床的特点

与普通车床相比，数控车床具有以下几个特点：

⑴适应性强

由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能加工形状复杂的零件，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的零件，加工非常方便。

更换加工零件时，数控机床只需更换零件加工的NC程序。

⑵加工质量稳定

对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同这就保证了零件加工的一致性好，且质量稳定。

⑶效率高

数控机床的主轴转速及进给范围比普通机床大。

目前数控机床最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01um。

一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的三倍，甚至更高。

数控机床的时间利用率高达90％，而普通机床仅为30％～50％。

⑷精度高

数控机床有较高的加工精度，一般在0.005mm～0.1mm之间。

数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿。

因此，数控机床的定位精度比较高。

⑸减轻劳动强度

在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至完毕。

这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。

还有能实现复杂的运动、产生良好的经济效益、利于生产管理现代化等特点。

2.数控车床编程与操作

2.1数控车床概述

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和数控车铣中心，使得在一次装夹中可以完成更多得加工工序，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。

2.1.1数控车床的组成

数控车床由床身、主轴箱、刀架进给系统、冷却润滑系统及数控系统组成。

与普通车床所不同的是数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，它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。

数控系统由NC单元及输入输出模块，操作面板组成。

从机械结构上看，数控车床还没有脱离普通车床的结构形式，即由床身、主轴箱、刀架进给系统，液压、冷却、润滑系统等部分组成。

与普通车床所不同的是数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，它没有传统的走刀箱、溜板箱和挂轮架，而是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀具，实现运动，因而大大简化了进给系统的结构。

由于要实现CNC，因此，数控车床要有CNC装置电器.控制和CRT操作面板。

。

2.1.2数控车床的机械构成

（1）主轴箱

数控车床主轴箱的构造，主轴伺服电机的旋转通过皮带轮送刀主轴箱内的变速齿轮，以此来确定主轴的特定转速。

在主轴箱的前后装有夹紧卡盘，可将工件装夹在此。

（2）主轴伺服电机

主轴伺服电机有交流和直流。

直流伺服电机可靠性高，容易在宽范围内控制转矩和速度，因此被广泛使用，然而，近年来小型、高速度、更可靠的交流伺服电机作为电机控制技术的发展成果越来越多地被人们利用起来。

（3）夹紧装置

这套装置通过液压自动控制卡爪的开/合。

（4）往复拖板

在往复拖板上装有刀架，刀具可以通过拖板实现主轴的方向定位和移动，从而同Z轴伺服电机共同完成长度方向的切削。

（5）刀架

此装置可以固定刀具和索引刀具，使刀具在与主轴垂直方向上定位，并同Z轴伺服电机共同完成截面方向的切削。

（6）控制面板

控制面板包括CRT操作面板（执行NC数据的输入/输出）和机床操作面板（执行机床的手动操作）。

2.1.3数控系统

数控车床的数控系统是由CNC装置、输入/输出设备、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置以及位置测量系统等几部分组成,如图2-4所示。

图2-4CNC系统构成

数控车床通过CNC装置控制机床主轴转速、各进给轴的进z给速度以及其他辅助功能。

2.1.4数控车床的特点

（1）传动链短

数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电机驱动。

伺服电机直接与丝杠联结带动刀架运动，伺服电机与丝杠也可以按控制指令无级变速，它与主轴之间无须再用多级齿轮副来进行变速。

随着电机宽调速技术的发展，目标是取消变速齿轮副，目前还要通过一级齿轮副变几个转速范围。

因此，床头箱内的结构已比传统车床简单得多。

（2）刚性高

与控制系统的高精度控制相匹配，以便为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。

适应高精度的加工。

（3）轻拖动

刀架移动一般采用滚珠丝杠副，

为了提高数控车床导轨的耐磨性，一般采用镶钢导轨，这样机床精度保持的时间就比较长，也可延长使用寿命。

另外，数控车床还具有加工冷却充分、防护严密等结构特点，自动运转时都处于全封闭或半封闭状态。

数控车床一般还配有自动排屑装置。

2.1.5数控车床的分类

数控车床品种繁多，按数控系统功能和机械构成可分为简易数控车床（经济型数控车床）、多功能数控车床和数控车削中心。

（1）简易数控车床（经济型数控车床）。

是低档次数控车床，一般是用单板机或单片机进行控制，机械部分是在普通车床的基础上改进设计的。

（2）多功能数控车床。

也称全功能型数控车床，由专门的数控系统控制，具备数控车床的各种结构特点。

（3）数控车削中心。

在数控车床的基础上增加其他的附加坐标轴。

2.1.6数控车床（CJK6153）的主要技术规格。

床身最大工具回转直径：

ф530mm。

滑板最大工件回转直径：

ф280mm，机床顶尖距1000mm，刀架最大X向行程：

260mm，刀架最大Z向行程：

1000mm。

手动4级变频调速25~2000转/分。

2.1.7数控车床（CJK6153）的润滑与冷却

该机床的润滑分床头箱的润格及其它部件的润滑两个部分。

有齿轮变速的床头箱均采用油润滑，由摆线泵进行强迫润滑，摆线泵吸油时，先通过精制过滤器，再进过磁性滤清器而后送到各润滑部件或经分油器对主轴轴承及所有其它运转零件进行强迫润滑和喷油润滑。

机床上其它部件的润滑，如尾架、道轨及丝杠螺母等均采用油润滑，采用间歇润滑泵对X轴、Z轴的各导轨润滑面及滚珠丝杠螺母、尾架套筒外圆等部位进行自动间歇式润滑。

在呈透明状态的油箱内，带有一个液位报警开关，当箱内油液低于规定值时，机床会发出润滑报警。

该机床冷却系统采用泵冷却。

冷却装置的日常维修主要是冷却水的补给更换及过滤器的清洗。

在冷却箱内未灌入冷却液前，严禁启动冷却泵，以免使冷却泵烧坏。

当冷却水减少时，应及时补给。

冷却水发生污染变质时，应全部更换，冷却液应注意选择防锈性能好的，以免机床生锈。

2.2数控车床的编程方法

要学好数控车床的编程，必须了解数控车床的操作要点，现有教材大多没把数控车床的操作与编程作为一个整体来讲。

2.2.1设定数控车床的机床坐标系

机床坐标系是机床固有的坐标系，是制造和调整机床的基础，也是设置工件坐标系的基础。

机床坐标系在出厂前已经调整好，一般不允许随意变动。

参考点也是机床上的一个固定不变的极限点，其位置由机械挡块或行程开关来确定。

通过回机械零点来确认机床坐标系。

回机械零点前先要开机，数控车床开机前先要熟悉数控车床的面板。

面板的形式同数控系统密切相关。

数控车床的开机有难有易。

对于配图产系统的车床。

开机大都比较简单，一般打开电源后，直接启动数控系统即可。

开机后，通过回零，使工作台回到机床原点（或参考点，该点为与机床原点有一固定距离的点）。

数控车床的回零（回参考点）步骤为：

开关置于“回零”位置。

按手动轴进给方向键+X、+Z至回零指示灯亮。

开机后必须先回零（回参考点），若不作此项工作，则螺距误差补偿、背隙补偿等功能将无法实现。

设定机床机械原点同编程中的G54指令直接有关。

2.2.2设定数控车床的工件坐标系

工件坐标系是编程时使用的坐标系，又称编程坐标系，该坐标系是人为设定的。

建立工件坐标系是数控车床加工前的必不可少的一步。

不同的系统，其方法各不相同。

实验：

1.西门子802S系统工件坐标系的建立方法

（1）转动刀架至基准刀（如1号刀）。

（2）在MDA状态下，输入T1D0，使刀补为0。

（3）机床回参考点。

（4）用试切法确定工件坐标原点。

先切削试件的端面。

Z方向不动。

若该点即为Z方向原点，则在参数下的零点偏置于目录的G54中，输入该点的Z向机械坐标值A的负值，即Z=-A。

若Z向原点在端面的左边

处，则在G54中输入Z=-（A+

），回车即可。

同理试切外圆，X方向不动。

Z方向退刀，记下X方向的机床坐标A，量直径，得到半径R，在G54的X中输入X=-（A+R），回车即可。

实验：

2.广数GSK980T系统工件坐标系的建立方法

（1）用手动方式，试切端面。

（2）在Z轴不动的情况下，沿X轴退刀，且停止主轴旋转。

3.测量端面与工件坐标系零点间的距离Z。

然后在录入方式下输入G50Z，运行该句即可。

4.同理，用手动方式车外圆，在X轴不动的情况下沿Z轴退刀，且停止主轴旋转，测量工件直径X，在录入方式下输入G50X，运行该句即可。

实验：

3.广数GSK928TC工件坐标系的建立方法

（1）车外圆，沿Z向退刀，测得直径，按InputX输入直径值，回车即可。

（2）车端面，沿X向退刀，测得端面与工件坐标系原点间的距离，按InputＺ输入该距离值，回车即可。

实验：

4.确定基准刀在工件坐标系中的位置

确定了工件坐标系后，可用G50指令确定第1把刀（基准刀）在工件坐标系中的位置。

实验：

5.确定其它刀在工件坐标系中的位置

加工一个零件常需要几把不同的刀具，由于刀具安装及刀具本身的偏差，每把刀转到切削位置时，其刀尖所处的位置并不重合，为使用户在编程时无需考虑刀具间的偏差，需确定其它刀在工件坐标系中的位置，这需要通过对刀来实现。

不同的系统，其对刀方法各不相同。

1）西门子802S系统的对刀方法

（1）选用某一把刀为基准刀，按参数键下和刀具补偿按钮，再按新刀具按钮，输入基准刀的刀号及刀沿（补）号。

如基准刀为1号刀，选用1号刀沿（补），则刀具为T1D1。

（2）调用对刀窗口，用基准刀车外圆，Z向退刀，在对刀窗口的X轴零偏处输入0（因是基准刀），按计算键后确认。

（3）调用其它各把刀具，确定刀号和刀沿（补）号，车外圆输入直径，车端面。

输入台阶深度的负值。

计算、确定即可。

2）广数GSK980T系统的对刀方法

（1）用基准刀试切工件，设定基准坐标系：

试切端面X向退刀，进入录入方式，按程序按钮。

输入G50Z0，即把该端面作为Z向基准面。

然后按设置键，设置偏置号（基准刀+100），输入Z=0，试切外圆，Z向退刀，测得外圆直径

，进入录入方式，按程序按钮。

输入G50X

，然后按设置键，设置偏号，基准刀偏置号+100，X=

。

（2）调用其它各把刀具，车外圆，Z向退刀。

测得外圆直径，将所测得的值

设到一偏置号中，该偏置为刀号+100，如刀号为2，则偏置号为202，在此处输入X=

。

同理车台阶，X向退刀，测得台阶深度

，在偏置号处输入Z=-

。

3）广数GSK928TC系统的对刀方法

（1）用基准刀试切工件，用input建立对刀坐标系，该坐标系的Z向原点，一般设在工件的右端，即把试切的端面作为Z向零点。

（2）调用其它各刀，如2号刀，用T20调用，然后试切外圆Z向退刀，测得直径

，然后按I键。

输入

。

试切台阶，X向退刀，测得台阶深度为

，然后按K键，输入-

，刀补即设置完毕。

4）坐标轴的方向

无论那种坐标系都规定与车床主轴轴线平行的方向为Z轴，从卡盘中心至尾座顶尖中心的方向为正方向。

在水平面内与车床主轴轴线垂直的方向为X轴，远离主轴旋转中心的方向为正方向。

5）直径或半径尺寸编程

被加工零件的径向尺寸在图纸标注和加工测量时，一般用直径值表示，所以采用直径尺寸编程更为方便。

6）一般编程方法

（1）确定第一把刀的位置

G50XZ该指令确定了第一把刀的位置，此时需把第一把刀移动到工坐标为XZ的位置。

（2）返回参考点