第1章数控车工入门知识

第1章数控车工入门知识本章概述本章主要讲述了数控车床的发展历程，从产生到发展，还简述了数控车床的分类;最后讲解了数控车床的组成及特点和数控车床的工作过程及加工对象.教学目标1.了解数控机床的产生和发展历程。2.了解车床的分类。3.掌握数控车床的组成及特点。4.了解车床的工作原理。5.掌握数控车床的主要加工对象。下一页第1章数控车工入门知识1.1数控机床的发展历程1.2数控车床的分类1.3数控车床的组成及特点1.4数控车床的工作过程及加工对象1.5练习1.1数控机床的发展历程1.1.1数控与数控机床的概念数控(NumericalControl,NC)技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(ComputerNumericalControl,CNC)国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了。数控技术的机床，就是采用了数控技术的车床;或者说是装备了数控系统的机床。从数控车床应用来说就是将加工零件过程所需的如主轴开和停、刀具移动和切削加工、松夹工件、换刀具位、主轴变速、开停切削等各种操作和工序步骤，以及刀具与工件之间的速度、方向等相对位移量都用数字化的代码来表示，将这些代码输人数控系统，数控系统对输人的代码进行处理与运算后发出各种指令控制伺服系统或其他辅助装置，使机床自动完成各种动作从而加工出所需的零件。返回下一页上一页1.1数控机床的发展历程1.1.2数控机床的产生在现代机械制造业中，按年生产数量的多少，可分为单件小批生产、中批生产和大批生产，三种生产方式要相应采用不同的设备，以求获得良好的经济效益。在机械制造中，有15%一50%属于单件小批量生产，一般多采用普通机床加工。这对一般工人的技术水平要求较高，且手工操作机床，生产效率难以提高。特别是对一些精密复杂的零件，在普通机床加工时，困难较多，有的甚至难以实现，为了解决对复杂零件加工的自动化问题，过去人们采用带靠模的仿形机床进行加工，但模具的制造、安装、调整都要付出大量的手工劳动，而且加工零件的精度要直接受到模具自身精度的影响。上一页返回下一页1.1数控机床的发展历程实际上，数控机床的产生与计算机的诞生密切相关。1946年，世界上第一台电子计算机产生了，人们开始设想能否用电子计算机来协助人类解决复杂零件的加工问题。1952年试制成功了世界上第一台由电子计算机控制的三坐标立式铣床。后来，经过改进并发展自动编程技术研究，于1955年进人实用阶段，投产了100台类似产品，这对于加工复杂曲线、曲面和美国飞机工业的发展起了重要的作用。人们把电子计算机以数字指令方式控制机床动作的技术称为数字控制技术，简称数控，采用数控技术的机床，称为数控机床。国际信息联盟第五技术委员会对数控机床做了如下定义:数控机床是一个装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑地处理具有‘使用号码或其他符号编码指令规定的程序。定义中的控制系统就是数控系统。下一页上一页返回1.1数控机床的发展历程我国自1958年由清华大学和北京机床研究所联合研制国内第一台101数控机床以来，数控技术发展较快。特别是改革开放以来，由于引进国外的数控和伺服系统，使我国数控机床在品种、数量和质量方面都得到迅速发展。1986年，我国数控机床开始进人国际市场，从20世纪90年代起，数控机床已向高档方向发展。如图所示为我国第一台数控车床。上一页下一页返回1.1数控机床的发展历程1.1.3数控机床的发展数控机床自诞生已有50多年的时间了。随着电子元器件的更新换代，数控系统也不断发展，特别是超大规模成电路技术和微处理器引人数控系统，以及直流伺服和交流伺服驱动技术的成熟，大大推动了数控机床的发展。今天的数控机床已发展成为一种高度机电一体化的产品。上一页下一页返回1.1数控机床的发展历程为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控机床未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。1.开放式为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国及日本发展开放式数控的计划等。2.基于PC的第六代方向基于PC所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通信、远程诊断和维修将更加普遍。上一页下一页返回1.1数控机床的发展历程3.高速化、高效化机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。20世纪90年代以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统(含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15000一100OOOr/min)、高速且高力p/减速度的进给运动部件(快移速度60一120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。下一页上一页返回1.1数控机床的发展历程4.高精度化精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(10nm)，其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等)。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。上一页下一页返回1.1数控机床的发展历程随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由正负10um提高到正负5um，精密级加工中心的加工精度则从正负3-5um提高到正负1-1.5um。5.高可靠性数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)=99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1的话(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。上一页下一页返回1.1数控机床的发展历程6.智能化随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。引入故障诊断专家系统智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。上一页返回1.2数控车床的分类数控车床可分为卧式和立式两大类。卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。按刀架数量分类，又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车，前者是两坐标控制，后者是四坐标控制。双刀架卧车多数采用倾斜导轨。下一页返回立式数控车床卧式数控车床倾斜导轨水平导轨1.2数控车床的分类数控车床与普通车床一样，也是用来加工零件旋转表面的。一般能够自动完成外圆柱面圆锥面、球面以及螺纹的加工，还能加工一些复杂的回转面，如双曲面等。车床和普通车床的工件安装方式基本相同，为了提高加工效率，数控车床多采用液压、气动和电动卡盘。数控车床的外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。下一页返回1.2数控车床的分类数控车床品种繁多，规格不一，可按如下方法进行分类。1.2.1按车床主轴位置分类(1)立式数控车床立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床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，如图所示。(2)卧式数控车床卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑，如图所示。1.2.2按加工零件的基本类型分类(1)卡盘式数控车床这类车床没有尾座，适合车削盘类(含短轴类)零件。夹紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构多具有可调卡爪或不淬火卡爪(即软卡爪)。(2)顶尖式数控车床这类车床配有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的零件及直径不太大的盘类零件。上一页下一页返回1.2数控车床的分类1.2.3按刀架数量分类(1)单刀架数控车床数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位卧动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架。(2)双刀架数控车床这类车床的双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直分布。1.2.4按功能分类(1)经济型数控车床采用步进电动机和单片机对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床，成本较低，但自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工。(2)普通数控车床根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即X轴和z轴。上一页下一页返回1.2数控车床的分类1.2.3按刀架数量分类(1)单刀架数控车床数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位卧动转位刀架或多工位转塔式自动转位刀架。(2)双刀架数控车床这类车床的双刀架配置平行分布，也可以是相互垂直分布。上一页下一页返回1.2数控车床的分类(3)车削加工中心在普通数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，更高级的数控车床带有刀库，可控制X,Z和C三个坐标轴，联动控制轴可以是(X,Z),(X,C)或(Z,C)。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外，可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工，其他分类方法:上一页返回数控车削中心1.2数控车床的分类按数控系统的不同控制方式等指标，数控车床可以分很多种类，如直线控制数控车床，两主轴控制数控车