2010年数控车床概述培训讲义.ppt
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1、数控车床基础知识 概述及其编程,清华大学基础工业训练中心 张秀海,主要内容,一、培训目标 二、数控车床概述 三、数控车床坐标系 四、数控车床零件加工工艺 五、数控车床编程指令简介 六、示例讲解 七、数控车床基本操作 八、加工误差分析 九、数控车床维护与保养 十、安全要点,一、培 训 目 标,1.掌握数控车床的结构组成、传动原理、特点、应用及分类。 2.掌握数控编程指令及程序的编制方法。 3.掌握数控车床加工零件的工艺制定方法。 4.要求能独立操作机床,加工出合格零件。(初级、中级、高级、技师),返回,二、数控车床概述,1.数控车床组成 2.数控车床传动原理 3.数控车床加工范围 4.数控车床加
2、工特点 5.数控车床分类,返回,1.数控车床组成,数控车床由数控系统和机床本体组成 数控系统包括:计算机数控装置、输入输出设备、PLC控制单元、各轴伺服控制单元、伺服驱动装置、主轴编码器、测量装置、监控器、辅助装置、控制电路等组成。 机床本体包括:床身、电动机、主轴箱、回转刀架、进给传动系统、冷却系统、润滑系统、机床安全保护系统组成。,数控车床结构框图,数控系统,JK6132数控车床结构及传动原理图,1.数控车床组成计算机数控装置,计算机数控装置:是数控机床的控制中心。其主要作用是根据输入零件的加工程序或操作指令进行相应的处理,然后输出控制命令到相应的执行部件,完成零件加工程序或操作者所要求的
3、工作。所有这些都是由CNC装置协调控制、合理组织,使整个系统有条不紊地工作。它主要由计算机系统、控制面板、位置控制板、PLC控制板、I/O接口板、局部总线以及相应的控制软件等模块组成 (见下图),计算机数控装置,1.数控车床组成-进给伺服系统,进给伺服系统(Feed Servo System)是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。它是一个典型的机电一体化系统,由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元、机械执行部件等几部分组成。 进给伺服系统的功能是忠实执行计算机数控装置发来的运动命令,精确控制执行部件的运动方向、进给速度和位移量。 根据工作原理,进给伺服系统可
4、分为开环、半闭环和闭环三种伺服方式。,开环进给伺服系统,开环进给伺服系统是不带位置测量和反馈装置的系统,如下图所示。,半闭环进给伺服系统,半闭环进给伺服系统的位置检测是通过检测丝杠转角角度间接地测量工作台的位移量,然后反馈给数控装置进行位置校正,而不是检测工作台的实际位置,如下图所示。其精度低于闭环控制,但测量装置结构简单,安装方便,常用于中档数控机床。,闭环进给伺服系统,闭环进给伺服系统具有位置检测和反馈装置,它直接对工作台的位置进行检测,将检测到的实际位置数据反馈到数控装置中,与输入的指令数据进行比较并校正直至差值为零,实现工作台的精确定位,其特点是:位置控制精度高,但结构复杂,设计、安装
5、、调试困难,价格昂贵。一般应用在:高精度数控车床、镗铣床和数控加工中心中。,1.数控车床组成伺服驱动装置,驱动装置把经过放大的指令信号转变为机械运动,通过机械传动部件驱动车床主轴、刀架和工作台等精确定位。驱动装置有:步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。 伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统,是数控车床的重要组成部分。数控车床功能的强弱主要取决于数控装置,数控车床性能的好坏,则取决于伺服驱动系统。,步进电机,我们学校在872000年之间,使用的是自己改造的开环控制的数控车床。步进电机,交流伺服电机,带有检测转角的光电编码器,1.数控车床组成输入、输出设备,键盘、软盘、U盘是数控车床的典
6、型输入设备。此外,还可以用串行通信的方式(RS232接口)输入程序。 输出设备采用CRT显示器或点阵式液晶显示器,来显示所需要的数据和图形信息。 见下图,输入、输出设备-键盘、显示器,数控车床的组成测量装置,测量装置就是反馈元件,一般安装在车床主轴、丝杠或电机主轴上,相当于普通车床的刻度盘和人的眼睛,把工作台的实际位移变成电信号反馈给数控装置,数控装置将反馈值与指令值相比较而产生出误差信号,用以控制工作台向消除该误差的方向移动。常用的测量装置有:光栅尺、磁栅尺、光电编码器、旋转变压器等,测量装置-主轴光电编码器:检测主轴的转数;检测电机转角的光电编码器,:用以计算、定位工作台的位置。,数控车床
7、的组成辅助装置,相关辅助装置包括液压、气动、排屑等装置和数控回转工作台、数控分度头等附件。见下图,辅助装置-排屑装置,数控车床-主轴箱,是车床本体的主要部件,一般经济型数控车床需要手动变速,采用一般精密车床用主轴箱。若是带主轴伺服的数控车床,则不需要频繁变速,数控车床-电动回转刀架,可完成手动键盘操作和指令控制换刀。定位准确,可靠。一把刀刀尖重复定位精度可达0.01mm,数控车床-润滑系统,根据需要,可完成机床本体中各部润滑点的自动润滑,如:X、Z轴导轨;X、Z轴滚珠丝杠等。 (北京流遍),数控车床-安全保护系统,包括机床前后防护罩、各轴限位保护行程开关、漏电保护等。比普通车床更具安全性。,2
8、.数控车床传动原理,1.主运动:主电机通过皮带和皮带轮传动,把运动传到主轴箱,主轴带动工件旋转形成数控车床主运动。 2.进给运动:X、Z两方向交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠运动同时带动刀架移动,形成纵横向切削运动。见下图。,JK6132数控车床结构及传动原理图,3.数控车床加工范围,1.数控车床能够加工各种轴类(图片)和盘套类(图片)零件。 2.数控车床能够加工各种复杂回转体曲面(图片)。 3.数控车床能够加工各种标准或非标准螺纹,还可加工变螺距螺纹、变径螺纹和端面螺纹。 4.尺寸多、精度要求高的零件、,轴类零件,返回,盘套类零件,返回,回转体曲面,返回,变螺距螺纹,返回,端面螺纹(三爪卡盘内)
9、,返回,变径螺纹,返回,尺寸复杂的零件,轴类零件,4.数控车床加工特点,1.适应性强。当改变零件时,只需更换零件的加工程序。 2.加工精度高,尺寸的稳定性好。加工精度一般可达:0.0050.01之间;其传动系统采用精密滚珠丝杠传动;还可利用数控软件进行精度校正和补偿;可避免人为因素造成的误差。 3.加工生产效率高。辅助时间大为缩短,只需工序间的抽检即可。数控车床加工时间利用率可达90%,而普通车床仅为30%50%。(下一页),4.数控车床加工特点,4.自动化程度高,劳动强度低。能自动连续加工,简化人工操作。 5.特别适合加工形状复杂的轮廓表面。因可实现两轴或两轴以上联动,可完成复杂型面加工,特
10、别是可完成用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件:如抛物线、渐开线等。 6.工序集中,一机多用。在一次装夹的情况下,几乎可完成零件的全部工序,减少装夹误差,减少运输、测量、装夹辅助时间。(指车削中心)(下一页),4.数控车床加工特点,6.价格昂贵,加工成本高。 7.控制系统复杂,维修较难,维修费用高。 (下一页),5.数控车床分类,1.按主轴布置形式分:卧式和立式. 2.按导轨布置形式分:水平导轨和斜置导轨. 3.按刀架数量分:单刀架(2坐标)和双刀架(4坐标) 4.按档次水平分: ()简易型车床:是通过技术改造实现的 ()经济型车床:主轴不能自动变速 ()多功能型车床:不带刀库或机械手。
11、()高级型:车削中心:它是在车床的基础上,配有刀库和机械手,使之选择和使用刀具的数量大大增加,5.数控车床分类,5.按车床进给伺服系统的控制方式分:开环控制数控车床、半闭环控制数控车床、闭环控制数控车床。,5.数控车床分类,6.按坐标轴数分类:可分为两坐标数控车床和多坐标数控车床。 两坐标数控车床是指可以控制两个坐标轴同时运动来加工曲线轮廓零件的车床,即两轴联动。 可以控制的、联动坐标轴均为三轴或三轴以上的车床,为多坐标轴数控车床。这类机床一般适宜加工形状特别负杂、精度要求较高的零件,如:空间曲面零件。,简易数控车车床 (开环控制数控车床-步进电机驱动),返回,卧式数控车车床,返回,立式数控车
12、床,返回,斜导轨数控车床,返回,经济型数控车床,返回,多功能数控车床,返回,三、数控车床坐标系,编制数控加工程序有手工编程和自动编程两种方法。无论采用那种编程方法,首先必须确定坐标系。国际标准化组织ISO规定了标准坐标系(ISO841),我国也制定了数控机床坐标和运动方向的命名标准(JB3051-1982)。,三、 数控车床坐标系,1标准坐标系 数控加工的标准坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系。规定直线进给坐标轴为基本坐标轴,用X、Y、Z表示,相应的旋转坐标轴用A、B、C表示。,三、 数控车床坐标系,1标准坐标系和运动方向 图中大拇指指向X轴正向,食指指向Y轴正向,中指指向Z轴正向。相应的旋转坐标
13、轴分别用A、B、C表示,如图所示。,三、 数控车床坐标系,2运动方向的确定 数控机床的进给运动,有的是主轴带动刀具运动来实现(数控铣床),有的是工作台带动刀具运动来实现(数控车床)。而上述坐标轴的正方向是假定工件不动,刀具相对于工件做进给运动的方向。如果刀具不动,工件运动,则坐标轴用“”的+X、+Y、+Z、+A、+B、+C表示。坐标轴名(X、Y、Z、A、B、C)不带“”的表示刀具运动,带“”的表示工件运动。,三、 数控车床坐标系,2运动方向的确定 对于数控车床来说:Z轴与主轴轴线重合,设远离工件的方向为正方向。X轴垂直于Z轴,对应于刀架的径向移动,设远离工件轴心的方向为正方向。,三、数控车床坐
14、标系,3绝对坐标与增量(相对)坐标 绝对坐标和增量坐标是在数控编程中常用的两个概念。 (1)绝对坐标 当坐标原点唯一,所有刀具运动轨迹的坐标值都是相对于原点进行计算的,称为绝对坐标值。所用坐标系称绝对坐标系。 (2)增量坐标 当坐标原点定义为刀具移动的前一个位置,刀具运动轨迹的坐标值是相对于前一位置进行计算的,称为增量坐标值。增量坐标又称为相对坐标。所用坐标系称增量坐标系。(见下一页),G00、G01指令图解,N10 G00 X50 Z50;,N20 G01 U25 W50 F500;,绝对坐标计算,增量坐标计算,三、数控车床坐标系,4机床坐标系、机床参考点、工件坐标系 (1)机床坐标系与机床
15、原点:机床坐标系是机床上固有的坐标系,并建立在机床原点上。机床原点是机床固有的固定点,通常由机床厂确定。数控车床的机床原点的位置一般选择在主轴轴心线与装夹卡盘的法兰盘端面的交点上。如下图所示,三、数控车床坐标系,机床原点:主轴轴心线与装夹卡盘的法兰盘端面的交点上。,机床原点,三、数控车床坐标系,4机床坐标系、机床参考点、工件坐标系 (2)机床参考点:机床参考点可以与机床原点重合,也可不重合,数控车床一般不重合。它是相对于机床原点的一个可以设定的参数值,通常设定在X轴和Z轴的正向最大行程处。出厂时已经确定,用户一般不得随意更改。刀架回到参考点,也就知道了各坐标轴的原点位置,数控系统也就内建立起了
16、机床坐标系。因此,机床参考点是用来对机床运动进行检测和控制的固定位置点。机床原点实际上是通过返回(寻找)机床参考点来确定的。 一般数控系统在机床上电后,刀架都应先回参考点,确立机床坐标系。如下图所示,三、数控车床坐标系,机床参考点:通常设定在X轴和Z轴的正向的最大行程处。,三、数控车床坐标系,工件坐标系:是编程人员在编程时根据具体情况而确定的坐标系,一般选择在工件上或工件附近的特殊点上,以方便操作人员计算、编程、测量和对刀。编制加工程序通常按工件坐标系进行。,工件坐标系,三、数控车床坐标系,5起刀点,换刀点,程序结束点 起刀点一般选在第一象限; 换刀点在保证安全的前提下,尽量是换刀路径最短;
17、程序结束点一般与起刀点重合。 三点可重合也可不重合,具体情况具体分析。,返回,四、数控车床零件加工工艺,对于简单零件,数控车床的操作人员,无需制定工艺卡片,直接上机床编程、加工即可。但对于较为复杂的零件、不是本人去操作机床的工艺技术人员、要求工艺文件严格管理的规范化工厂来讲,必须事先制定好工艺卡片,以备操作人员编程、调试、加工使用;以备后续人员检验和查找问题使用。(工艺卡片见下图),四、数控车床零件加工工艺,工艺卡片图片,四、数控车床零件加工工艺,工艺卡片内容: 1.根据零件图样和技术要求,对加工零件进行工艺分析; 2.选择定位基准; 3.制定零件加工工艺顺序,绘制工艺路线图; 4.确定各个工
18、序需要使用的刀具、夹具、量具等。 5.确定切削用量以及各工序加工余量; 6.对工艺文件进行校队、审批。,四、数控车床零件加工工艺,工序安排应该注意: 1.与普通机床加工工艺衔接好。 2.要求本道工序要为后道工序做好装夹、定位、测量、加工的准备。 3.遵循先内后外的原则;基准先行的原则,先粗后精的原则,先面后孔的原则,先主后次的原则,先近后远的原则等;,四、数控车床零件加工工艺,先粗后精:粗加工时可以安排较大吃刀量和进给量,提高效率;注意:留量均匀。精加工余量要根据材料、刀具、工序间的关联来确定。 先近后远:是相对于起刀点位置而说的。有利于保持半成品的刚性,改善切削条件,使工件变形和震动较小;也
19、有利于缩短刀具移动距离,减少空行程时间,提高效率。,四、数控车床零件加工工艺,先内后外:对既有外表面又有内表面的零件,通常安排先加工内表面,再加工外表面。因为内孔的尺寸和形位精度较为困难,刀具刚性差;此时工件刚度好,有利于刀尖的稳定切削。 基准先行:作为装夹的基准,必须先行作出,有利于后续工作的进行。,四、数控车床零件加工工艺,示例:,四、数控车床零件加工工艺,工序划分方法: 1.以一次安装、加工作为一道工序; 2.以同一把刀具加工的一次内容为一道工序;(工序项目较长) 3.以加工部位来划分工序;大外圆、小外圆、内孔、曲面、螺纹、切槽、锥面等。 4.以粗、精加工来划分工序。应力、实效,四.数控
20、车床零件加工工艺,工艺方案制定还要注意: 1.程序段尽可能少;可尽量使用指令中的固定循环指令。 2.换刀及进给路线最短;在保证安全的前提下,换刀行程尽可能短,以提高效率。尽可能选择最优的进给方案。 见下图,四、数控车床零件加工工艺,起刀点的位置选择,四、数控车床零件加工工艺,复合循环路线 三角形路线 矩形路线 经分析可知矩形循环进给路线的走刀路线长度总和最短, 切削时间最短。,四、数控车床零件加工工艺,可以灵活选择不同形式的切削路线,以适应刀具和工艺要求。 同心圆 等径圆弧 三角形 梯形,四、数控车床零件加工工艺,具体零件工艺顺序思路: 1.根据零件图样和各项技术要求,分析加工图纸及工艺方案。
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