数控综合实验指导书

数控综合实验指导书（自编）扬州科技学院（筹）机械工程学院1目录1、数控系统与机床数控改造综合实验指导书(节选)……………………………………………………12、数控加工工艺及编程综合实验指导书(节选)………………………………………………………143、数控电加工综合实验指导书(节选)………………………………………………………442数控综合实验一数控系统与机床数控改造综合实验指导书（初稿）主编张承阳扬州市职业大学机械工程系2006年10月3前言数控综合实验是重要的实践性教学环节。随着技术的发展和进步，我校实验、实训条件的提高，相应的实践性教学内容也应该有所改进和提升。在系领导的关心和组织下，由数控教研室组织相关教师编写了数控综合实验指导书的初稿。其中：《数控综合实验一》由张承阳，杜晋和刘敏编写，主编张承阳；《数控综合实验二》由冯晋，季平、胡林岚和包峥嵘编写，主编冯晋；《数控电加工综合实验》由王传红、孙庆东、黄厚霞编写，主编王传红。。综合实验指导书系列计划在实践使用的过程中不断进行修改和完善，力争使之成为针对性强，符合学校发展实际的实践教材。周德卿教授对本指导书提出了许多宝贵意见和建议，在此表示衷心感谢。由于技术更新速度非常快，适逢数控实训基地建设，再加上编写时间紧迫，数控综合实验指导书必定存在各种遗憾和疏漏，欢迎批评指正。编者2006年10月4第一章经济型数控系统简介1.1经济型数控机床的原理与组成经济型数控机床就是指价格低廉、操作使用方便，比较适合我国国情的，在普通机床上加装数控系统的高级自动化机床。一、数控机床的工作原理用数控机床加工工件时，首先应编制零件加工程序。这是数控机床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启动、停止、进给运动的方向、速度和位移量，以及刀具选择交换，工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、运行轨迹和运行参数进行工作，从而达到加工出符合要求零件的目的。二、数控机床的组成根据数控机床的工作原理，数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体和测量装置等五部分组成。其组成框图如图1.1-1所示。1.控制介质对于经济型数控系统，一般直接用存储器作为载体，用操作面板上的按键和键盘将加工程序直接键入，并且可在数码显示器或CRT显示器上显示出来。2．数控装置数控装置是数控机床的核心。它由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经过数控装置的系统软件对代码进行处理后，输出相应的指令脉冲，驱动伺服系统，来控制机床的各个运动部件按规定的要求实现各个动作。53．伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。其作用是把来自数控装置的各种指令，转换成机床移动部件的运动速度、运动方向和位移量。机床中每个运动的执行部件，都有各自的伺服系统。数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动系统有开环系统、闭环系统和半闭环系统之分。其驱动元件主要有功率步进电动机，电液脉冲马达和大惯量直流电动机等。4．机床本体与普通机床相比，数控机床应具有更好的刚性和抗振性，尤其是相对运动表面的摩擦系数要小、传动件之间的间隙要小外，还要求具有自动变速、自动换刀和自动诊断故障的功能，以便于实现自动加工的需要。5．测量装置测量装置的作用是将机床的实际位置、速度等参数，转换成电信号，反馈回数控装置，以校核执行部件实际运动的速度、方向和位移量，并使之与加工指令相一致。开环数控系统无测量装置。三、经济型数控机床的特点1）价格便宜。仅数控系统与国外同类型系统相比，前者只需1～2万元，而国外系统则需十几至几十万元。因此，它特别适合对国内企业现有普通机床进行改造。2）解决复杂零件的加工精度控制，提高生产率。对经济型数控车床，一般可提高工效3～7倍，对经济型数控铣床，可提高3倍～几十倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工效则越多。3）-7）与普通数控机床的特点相同。四、经济型数控机床的主要功能1）能控制刀具的位移方向、位移长度及走刀速度。加工程序中的位移长度以十进制数输入。2）单板机数控系统有16种走刀速度供用户选用，其范围为0～2.8m／min，单片机数控系统走刀速度由用户任意选用，其范围为0～6m／min，可根据具体情况进行调整。63）可控制车削端面、内外圆柱面、任意锥面、球面及用圆弧逼近的任意曲面。4）可控制加工右旋或左旋的各种内、外圆柱、圆锥螺纹及多头螺纹。5）程序中可给出一定延时。在加工中执行到延时程序时，刀具在相应时间内停止运动。6）有程序暂停功能。当程序执行到暂停时，刀具停止运动，再按下启动键，可继续执行程序。7）接口可发出和接收多种信号，作为机械手动作，刀架转位、主轴变速等装置的控制信号，它与程序的自动循环功能相结合，可实现加工的全自动化。8）为方便调试和校对原点，设有点动功能。9）具有自诊断功能。当加工程序编制或操作有误时，程序停止运行，并显示相应的出错信息，以便修改。10）加工过程中，为应付特珠情况，设有开关暂停、键急停和键回零功能。11）具有自动循环加工功能，并可进行计数。12）为简化加工程序，设有局部循环功能。13）为提高加工精度，设有间隙补偿功能。71.2经济型数控机床改装的典型部件结构机床数控改造时，除数控系统外，还应选择其他部件。一、步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的机电执行元件。由于所用电源是脉冲电源，因此也叫脉冲电动机。当对步进电动机施加一个脉冲信号时，步进电动机就回转一个固定的角度，叫做一步。每一步所转过的角度叫做步距角。电动机的总回转角与输入的脉冲个数成正比。相应的电动机的转速则取决于输入脉冲的频率，因此也可以说，步进电动机的转速与脉冲频率等同。步进电动机在多数情况下用作伺服电动机用。由于它的回转角完全取决于输入脉冲的数目，而且停止精度很高，所以伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统简化，工作可靠，并获得较高的控制精度。它是数控机床中唯一能使用于开环系统的电动机。步进电动机的优点，一是在工作状态下对各种干扰因素不敏感。电压的波动、电流的数值、波形、温度的变化等干扰因素在其大小未引起步进电动机出现“失步”现象前，不影响其工作状况；二是误差不会长期积累。步进电动机的步距角是有误差的，当转子转过一定步数以后也会出现积累误差，但转过360°以后，积累误差则为“零”。步进电动机的驱动电源由变频信号源、脉冲分配器和功率放大器等部分组成。变频信号源是一个频率从几HZ到几万HZ的频率连续可变的脉冲发生器，它根据步进电动机转速变化的需要把不同频率的脉冲送到脉冲分配器。脉冲分配器也称环形分配器，它按一定的顺序导通和截止功率放大器，使相应的绕组通电或断电。它可以由门电路、双稳态触发器等基本逻辑功能元件组成。也有专门的分配器功能组件。也可用计算机软件来实现环形分配器的功能。功率放大器。由于环形分配器输出的电流只有几毫安，而一般步进电机的励磁电流需要几安到几十安，所以需要功率放大器进行功率放大和电流放大。功率放大器有单一电压型和高、低压切换型。经济型数控系统所用步进电动机一般均8用高、低压切换型。步进电动机的外形与安装尺寸如图1.l-2所示。有的厂家为方便用户，在步进电动机上加装了减速器，作为减速步进电动机供给用户。加装减速器的步进电动机，其减速比是按机床丝杠螺距来配置的。其安装联接尺寸如图1.l-3所示。二、自动回转刀架快速准确地换刀是每一台数控机床所必须具备的功能。图1.1-4是利用电动机驱动端定位的刀架结构图。图示位置为夹紧状态。其工作过程为：当电动机接到转位信号后，带动蜗轮1作逆向回转，蜗轮带动芯轴9转动，其上的螺母7将四方刀架体6抬起。端齿脱开后，在回转轴套10（其上开有单向槽）和销8的作用下开始回转。其转过的方位数由手动或计算机控制。刀架每转过990°，即由装在刀架座2上的微动开关发出一次到位和反转夹紧信号。当计算机收到信号后，即由微动开关控制，使电动机反转，芯轴9亦反向转动，刀架体6在预定销5的作用下下降，夹紧时由瑞齿盘3和4进行精密定位。当达到预定的夹紧力时切断电源（夹紧力可调），刀架转位过程结束。该刀架的定位精度小于0.005mm，完成90°转位时间小于3.5s，且结构性较普通刀架为好。刀架的重复定位精度和刚性主要取决于定位端齿盘，一对齿盘结合后的重复定位精度可达3～5。三、主轴脉冲发生器主轴脉冲发生器也叫光电编码器。其作用是当数控机床加工螺纹时，用主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它应与车床主轴同步转动，并发出主轴转角位置变化信号，输送给计算机。计算机按所需加工的螺距进行处理，控制机床纵向或横向步进电动机运转，实现加工螺纹的目的。其加工螺距为6、5、3.5、3、2.5、2、1.75、1.5、1.25、1、0.75、0.7、0.6、0.5、0.4、0.35、0.3、0.25共18种。在使用主轴脉冲发生器时，受到步进电动机频率的限制。如采用1000Hz工作频率，加工3mm螺距的螺纹时，步进电动机频率为300Hz，而主轴脉冲发生器频率为1000×60Hz＝60000Hz，所以车床主轴转速n＝1000×60／300r/min＝200r／min，即车床主轴转速不得超过200r／min转，如果主轴脉冲发生器的源率提高到2000Hz转速也仅达到400r／min。由此可知，当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低。主轴脉冲发生器的安装，通常采用二种方式：一是同轴安装，二是采用异轴安装。参见图1.1－5。同轴安装的结构简单，联接方便。但缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件。而异轴安装则没有这个缺陷。目前经济型数控系统改造卧式车床，多采用同轴方式。主轴脉冲发生器从传动联接方面分为刚性联接和柔性联接。所谓刚性联接就是指常用的轴套方式联接，这种联接对联接件的制造精度和安装精度要求较高。10因为同轴度的误差，会引起主轴脉冲发生器轴的偏扭，造成信号不准，甚至损坏内部光栅盘。另一种联接方式为柔性联接，即车床主轴与主轴脉冲发生器之间用弹性元件联接，常用的元件为波纹管和橡胶管。联接方式如图1.l－6所示。这是较为适用的联接方式。须引起注意的是，主轴脉冲发生器属精密光学元件，安装时应格外小心，以免损坏光栅盘。另外，在使用中还应注意最高许用转速，使用时车床主轴不能超过此转速。最好能做到使用时可将其装上，不使用时将其脱开，以延长其使用寿命。四、可控电动尾座可控电动尾座结构如图1.1－7所示。其工作原理为：电动机接通后，通过齿轮减速器带动丝杠转动，通过装在轴套2上的丝杠螺母3使轴套前进并压缩蝶形弹簧4，当顶尖顶紧工件时，螺母3及轴套2不能前进，因此迫使丝杠后退，压缩蝶形弹簧4，并使大齿轮后退，大齿轮压下顶杆5，顶杆5压下微动开关6，切断电动机电源，顶紧过程结束。当电动机功率为750W时，顶尖的顶紧力可达686kN。顶尖后退时利用档块11和开关10来限位。电动机除有正反向点动按钮外，还需有微机信号输入开并。一般在微机控制时，其后退距离可利用计算时延时控制。11可控电动尾座结构简单，工件可靠，只有在顶尖顶紧工作并达到预定力时，顶紧过程才结束，并有手动和计算机控制二种方式。五、滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副能保证机床进给动作灵敏、传动效率和传动精度高的要求。滚珠丝杠螺母副中丝杠及螺母的工作表面为弧形螺旋槽，装配后形成螺旋滚道，在螺旋滚道内放人一定数量的滚珠，使丝杠与螺母在工作时形成滚动摩擦，如图1.1－8所示。当丝杠1与螺母3相对运动时，滚珠4沿螺旋滚道滚动。螺母3的二端设有回珠滚道2，使滚珠能在闭合珠槽内作周而复始的循环运动。滚珠丝杠螺母副的优点是摩擦系数小，传动效率高，所需传动转矩小，灵敏度高，低速运动平稳性好，磨损小，精度保持性好，使用寿命高，可通过预紧和间隙消除措施保证其反向传动精度。缺点是加工复杂，成本高，垂直安装时不能自锁。滚珠丝杠螺母副中，滚珠的循环方式分外循环和内循环二种方式。滚珠在返回过程中与丝杠脱离接触的为外循环方式，如图1.1－8所示。滚珠在循环过程中与丝杠