1、第七章 数控车床培训要点 数控车床的特点、组成、基本工作原理；数控车床的零件编程及基本操作。第一节 数控车床的特点及组成自从美国帕森斯公司和麻省理工学院合作，于 1952 年研制成功三坐标数控铣床以来，随着数控技术的发展，现在几乎各种金属切削机床都已数控化，车床的数控化近几年在国内发展非常迅速。一、数控车床的特点1柔性高 柔性就是灵活、通用、万能，可以适应加工不同形状的零件。数控车床对零件的加工是按照编制的加工程序来加工的，由于数控车床的几个轴可以联动，所以通过编程可以加工形状复杂的零件，而且要改变加工零件时，只需要改变加工程序即可，而不需要象仿形车床或一般自动车床那样需要重新制造凸轮及靠模等
2、。2精度高 数控车床加工是由计算机控制的，故在加工过程中避免了人为误差。又由于车床的传动系统和结构都具有较高的精度和刚度，因此数控车床的重复精度高，在正常情况下可获得较高的加工精度和稳定的加工质量。3效率高 数控车床由于刚度及功率大，且是自动加工的，所以每个工序都能选择较有利的切削用量，这样有效地节省了机动时间，数控车床具有自动换刀、自动不停机变速和快速空行程等机能，使辅助时间大为减少。在数控车床上加工零件时，一般只作首件检验及过程中检验，故大大减少了停机检验时间。这样单件零件加工时间较短，是普通车床效率的 34 倍甚至几十倍。4劳动强度低 数控车床加工零件是按编制的加工程序自动完成的，工人一
3、般只需操作键盘、装卸零件、零件检验及观察车床运行，所以工人的劳动强度大为减轻。二、数控车床的组成1主机 主机是数控车床的主要机械部件，包括底座床身、主轴箱、进给机构、刀架、尾座等。2数控装置 数控装置是数控车床的控制核心，现在一般由一台专用计算机构成。3驱动装置 驱动装置是数控车床执行机构的驱动部件，包括主轴电动机、进给伺服电动机等。4辅助装置 辅助装置是数控车床的一些配套部件，如自动排屑部件，自动对刀部件等。三、TND360 型数控车床简介TND360 型数控车床为两坐标轮廓控制的卧式数控车床，回转刀架具有八个工位，能对回转直径为 360mm 以下的内外圆进行车削加工。适用于形状复杂、精度高
4、、工序多、品种多变的单件或中小批量的生产。TND360 型数控车床如图 7-1 所示。图 7-1 TND360 型数控车床1操纵台 2主轴箱 3回转刀架 4电气柜 5排屑装置6十字溜板 7床身 8底座1技术参数床身上最大回转直径 360mm溜板上最大回转直径 160mm最大车削长度 800mm主轴孑 L 通过最大棒料直径 60mm低速级主轴转速范围 10760rmin高速级主轴转速范围 423150rmin最大进给速度 10000mmmin回转刀架工位 8 个2机床结构(1)底座床身 底座是车床的基础部件，联接电气柜和支承防护罩。底座采用钢板焊接的框架结构，可装排屑装置。床身固定在底座上，床身
5、上装有主轴箱、十字溜板和尾座。床身采用筒形、封闭式结构。床身导轨采用山形导轨和平面导轨的组合。导轨向后倾斜，便于排屑。(2)主轴箱 主轴箱用底平面和侧平面定位，装在床身左端，并用螺钉紧固。主轴部件由主轴、主轴支承和装在主轴上的齿轮组成主轴为中空的阶梯轴，前端采用短锥法兰式结构。主轴部件采用两支承结构，前后支承都用角接触球轴承。前支承三个一组，前两个大口朝外，后一个大口朝里，装配时预加载荷，消除间隙。后支承两个一组，小口相对。(3)十字溜板 十字溜板由纵溜板( Z 轴)和横溜板( X 轴)纠成。纵溜板的前、后侧装有压板。横向溜板装在纵溜板的横向导轨上。伺服电动机通过滚珠丝杠带动溜板移动。横溜板上
6、装有回转刀架。(4)回转刀架 回转刀架箱体内有换位的间隙运动机构、夹紧朴构及控制机构。换位后由碟形弹簧迅速锁紧。回转刀架可同时安装八把刀具，外圆加工刀具的刀杆尺寸为25mm25mm110mm；安装内孔刀具时，先将该工位防护板卸下后再装上刀夹，然后将内孔刀具在刀夹孔内锁紧。(5)尾座 尾座装在床身的导轨上，可根据工件长度调整尾座位置并用螺钉紧固。套筒的锥孔中可装后顶尖。套筒的移动用液压控制。3传动系统 TND360 型数控车床的传动系统如图 7-2 所示。图 7-2 TND360 型数控车床传动系统图(1)主运动 电动机经齿形带传至主轴箱中的轴 I，在轴 I 上装有双联滑移齿轮。当轴 I上的双联
7、齿轮移到左端位置时，轴 I 的运动经齿轮副 8460传给主轴(轴) ，使主轴实现高速旋转。当轴 I 上的双联滑移齿轮移到右端位置时，轴 I 的运动经齿轮副 2986 传给主轴(轴)，使主轴实现低速旋转。数控系统为了检测主轴的转速，将主轴的运动经齿轮副6060传给轴，在轴上装有一圆光栅编码器。(2)进给运动 进给运动有纵向进给运动和横向进给运动。纵向进给运动 由伺服电动机通过安全离合器直接驱动有予加载荷的滚珠丝杠，将旋转运动转变为十字溜板的纵向(Z 向)运动。横向进给运动，由伺服电动机经齿形带传动通过安全离合器驱动有予加载荷的滚珠丝杠，将旋转运动转变为十字溜板的横向(X 向) 运动。(3)回转刀
8、架的换刀运动 换刀电动机( 带制动器)经齿轮 1465、1496 传给凸轮一槽轮轴，由凸轮通过杠杆使刀盘轴产生伸出和退回运动，由槽轮轴通过马氏机构中的槽盘对刀盘进行分度，两者结合动作，刀盘轴伸出后进行分度，分度后刀盘轴退回，刀盘轴退回后依靠一对精密齿盘和碟形弹簧精密定位并锁紧。数控系统为了检测刀盘上的工位，刀盘轴的分度运动经齿轮副 6060 传给检测轴，在检测轴上装有一角度编码器。4液压系统 液压系统分供油和控制两部分，液压原理图如图 7-3 所示。图 7-3 TND360 型数控车床液压原理图(1)供油部分 电动机使限压式变量叶片泵产生高压油经单向阀，由蓄能器消去压力波动、溢流阀控制系统的最
9、高压力，经滤油器高压油进入各控制油路。需要卸荷时，高压油经二位二通换向阀直接进入油箱。(2)控制部分 控制部分由工件夹紧 (松开)油路、主轴变速汕路、尾座套筒工作位移及顶紧油路等组成。主轴变速油路 在高速级时，高压油经二位四通换向阀左位、节流阀(调节杠杆运动速度)进入液压缸的右腔，液压缸左腔的液压油经换向阀流回油箱，杠杆回收，高速级齿轮啮合，主轴实现高速旋转。在低速级时，高压油经二位四通换向阀右位进入液压缸的左腔，液压缸右腔的液压油经节流阀、换向阀流回油箱，杠杆伸出，低速级齿轮啮合，主轴实现低速旋转。工件夹紧(松开)油路 当工件夹紧时，高压油经减压阀减压后，至二位四通换向阀左位，进人手动换向阀
10、(变更高压油进入液压缸的腔体实现卡盘卡瓜正向夹紧和反向撑紧) 到工件夹紧液压缸一腔，另一腔的液压油经两个换向阀回油箱。其中在两个换向阀中间高压油路上有一压力继电器，这是数控系统对工件夹紧压力的监控。当工件松开时，高压油经减压阀减压、二位四通换向阀右位、手动换向阀至液压缸一腔，另一腔液压油经两个换向阀回油箱。尾座油路 当尾座套筒前移时，三位四通换向阀处于左位，高压油经换向阀至单向减压阀减压后，又经节流阀(控制套筒移动速度 )、液控单向阀 (实现断电保压功能)至尾座套筒液压缸的右腔，活塞前移，左腔中的液压油经换向阀流回油箱，实现尾座套筒的前移及顶紧动作。其中在液控单向阀和液压缸右腔中间有一压力继电
11、器，这是数控系统对尾座套筒顶紧压力的监控。当尾座套筒后退时，高压油经三位四通换向阀右位至套筒液压缸左腔，使套筒后退，右腔的液压油经液控单向阀、节流阀、单向减压阀的单向阀、换向阀回油箱。当三位四通换向阀处于中间位置时，高压油断开，套筒处于停止状态。在液压系统中有一个六点压力表开关，可根据需要检测各被控制部分的压力；其对应点为：M1 为中心架压力、M2 为备用、M3 为液压系统工作压力(一般 4.55MPa)、M4 为空档、M5 为工件夹紧压力、M6 为尾座套筒顶紧压力。第二节 数控车床的基本工作原理数控车床又称 CNC(Computer Numerical Control)车床，就是用电子计算机
12、数字化指令控制车床各运动部件的动作，从而实现车床加工过程的自动化。数控车床基本工作原理框图，如图 7-4 所示。图 7-4 数控车床基本工作原理框图加工程序可通过输入设备存储于数控装置(CNC 计算机数字控制系统)内的存储器，在需要的时候也可将存储器内的加工程序通过输出设备把加工程序存储在外部存储介质上，以长期保存。数控装置是数控车床的控制系统，它采集和控制着车床所有的运动状态和运动量。数控装置是由中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器 (RAM)、相应的总线和各种接口电路所构成的专用计算机。车床数控装置都是轮廓控制系统，就是对刀具相对于工件运动的轨迹进行控制的系统，轨迹可以
13、是任意直线或圆弧，所以可以加工复杂的工件。在轮廓控制系统中，坐标轴运动轨迹是靠插补汁算得出的，所谓插补计算就是对加工程序段输入的工件轮廓上的某起始点和终点的坐标数据进行计算，将起始点与终点之间进行“数据密化”，并将密化数据送给各坐标轴位置控制器。插补可分为直线插补和圆弧插补等，其插补示意图如图 7-5 所示。设想工件轮廓(直线或圆弧)L 可以细分成很多小线段L 1，L 2，L n。单位时间内所需进绐的细分小线段L 1 是由横向( X 轴)及纵向(Z 轴)移动分量X 1、Z 1 所合成的直线段代替，这样在单位时间内插补计算一次得出细分小线段L 在 X 轴及 Z 轴的移动分量X、Z 。所以工件的轮
14、廓是由很多细分的小线段所逼近。位置控制在闭环系统中也是很重要的，位置控制是把插补计算出的坐标轴位移量与反馈回来的实际位置比较，通过硬件或软件进行位置调整后向驱动装置输出实际需要的进给量。a) b)图 7-5 插补示意图a)直线插补 b)圆弧插补驱动装置接受数控装置输出的进给指令，严格按照指令驱动电动机转动，经滚珠驱动车床的溜板运动，加工出符合图样要求的工件，所以驱动装置的精度和动态响应是影响数控车床的加工精度、表面质量与生产效率的重要因素之一。目前驱动装置的电动机有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。在基本工作原理框图中根据测量装置的有无及位置可将数控系统分为开环系统、半闭环系统、全
15、闭环系统。三种系统的示意图如图 7-6 所示。开环系统的结构比较简单、容易调试、造价低廉，所以精度不高，一般精度为0.01mm。全闭环系统利用测量元件检测出溜板的实际位移量反馈给数控系统，所以其可得到很高的精度，但其造价较高、安装和调整较复杂、维护费用也较高，测量装置一般为光栅、磁尺等。半闭环系统利用装在电动机上或丝杆上的测量旋转角度的测量元件获得反馈量，其测量元件比直线位移测量元件简单，所以其可得到较高的精度，成本比较适中，安装和调整也不困难，测量装置一般为光电脉冲编码器等。车床的运动量是数控系统直接控制的，运动状态则是由数控系统内的可编程控制器PLC 控制，各运动状态由动作的检测开关检测送
16、至数控系统的接口，经 PLC 逻辑处理后输出控制信号，经放大后控制动作执行器件。图 7-6 开环系统、半闭环系统、全闭环系统示意图a)开环系统 b)半闭环系统 c)全闭环系统第三节 数控车床的编程及操作在本节内所述内容均以 TND360 型数控车床( 配 FANUC 0T 系统)为基础。一、数控车床的编程1编程的步骤(1)分析零件图样 分析零件的材料、形状、尺寸、精度及毛坏形状和热处理要求等。确定该零件是否适宜在数控车床上加工，加工该零件的哪些表面。(2)确定工艺过程 在分析零件图的基础上，确定零件的加工方法(如采用的工夹具、装夹定位方法等)，加工路线(如对刀点、进给路线)，切削用量(背吃刀量
17、、进给量、切削速度) 等工艺参数。(3)数值计算 根据零件图样和确定的工艺过程，算出编程所需的数据，如零件形状各几何尺寸的坐标数值等。(4)编写程序单 根据以上数据结合数控系统对输入信息的要求，按照加工过程逐步编写程序。(5)校对程序及首件试加工 将编写好的程序输入数控系统，校对输入无误后，在有图形模拟功能的系统上可通过图形模拟出刀具运动轨迹来校对编程是否正确，在刀具运动轨迹正确后，用单程序段功能运行程序对工件进行首件试加工，加工符合图样要求后即可进行批量生产。2数控车床的坐标系 在数控车床上需要对刀具运动轨迹的数值进行准确控制，所以要对数控车床建立坐标系。标准坐标系是右手直角笛卡尔坐标系，右
18、手直角笛卡尔坐标系如图 7-7 所示，但车床只用到 X、Z 两坐标。Z 轴坐标 是由传递切削动力的主轴所确定，平行于主轴轴线，一般 Z 轴的正方向为远离主轴的方向。图 7-7 右手直角笛卡尔坐标系X 轴坐标 是沿工件的径向且平行于横向导轨，一般 X 轴的正方向为远离工件旋转中心的方向。数控车床上一般有二个坐标系零点：机床坐标系零点、工件坐标系零点。机床坐标系零点 机床坐标系零点简称机床零点，机床零点是机床直角坐标系的原点，一般用符号“M”表示。机床零点由机床制造厂所确定。一般厂家设在主轴端面轴线上。工件坐标系零点 工件坐标系零点简称工件零点。一般用符号 “W”表示，工件零点由编程者确定，编程时
19、根据编程方便原则确定，一般设在工件轴线上。机床坐标系与工件坐标系两者之间的关系见图 7-8 所示。3程序的结构 数控程序由程序号、程序段、程序结束符组成。程序段由程序指令字、程序段结束符组成。程序指令字通常是由地址符和地址后面的符号和数据字组成。如 X-12.342，X 为地址符，-为符号，12.342 为数据字。地址符含义见表 7-1。图 7-8 机床坐标系与工件坐标系关系图表 7-1 地址符含义表功 能 地 址 含 义程序号程序段号ON程序的编号，在数控系统中是唯一的程序段的编号，在程序中顺序编号且唯准备功能 G 用来定义几何形状和 CNC 的工作状态坐标字X、ZU、 WI、KRC绝对坐标
20、值地址相对坐标值地址圆弧中心坐标值地址圆弧半径地址，倒圆弧量倒角量进给功能 F 进给速度，螺纹螺距主轴功能 S 主轴旋转速度刀具功能 T 刀具选择更换及刀具补偿值的调用辅助功能 M 机床侧的接通或断开控制的功能程序段结束符为“；”或“*” 。4准备功能指令(G 功能 ) 准备功能用字母 G 后跟两位数字来编程， G 功能也称 G 指令，一般在程序段的开头，用来定义几何形状和 CNC 的工作状态。C 功能见表 7-2。G 功能代码分为一次有效 G 代码和模态 G 代码两种类型：一次有效 G 代码指 G 代码仅在指定的程序段内有效。如表中无模态组号的 G 代码。表 7-2 G 功能表G 功能代码
21、模态组 功 能 含 义G 00 快速定位G 01 直线插补G 02 顺时针圆弧插补G 0301逆时针圆弧插补G 04 暂停G 10 刀具补偿值的输入、修改G 20 英制输入G 21 06 米制输入G 27 返回基准点检验G 28 返回基准点G 30 返回第二基准点G 32 01 螺纹切削G 40 * 取消刀尖圆弧补偿G 41 左边刀尖圆弧补偿G 4207右边刀尖圆弧补偿G 50 坐标系设定、主轴最高转速设定G 65 宏指令G 70 精加工循环G 71 外圆粗加工循环G 72 端面粗加工循环G 73 轮廓平行粗加工循环G 74 z 轴方向钻削循环G 75 x 轴方向切槽循环G 76 螺纹切削循环G 90 内外圆表面切削循环G 92 螺纹切削循环G 9401端画切削循环G 96 主轴恒线速控制G 97 * 02 主轴恒转速控制G 98 每分钟进给控制G 99 * 05 每转进给控制模态 G 代码指当该 G 代码被编程后，它一直维持有效，直至被同一模态组的其它 C代码所取代。如表中有模态组号的 G 代码。当电源接通时每一个模态组内带有*号标记的G 代码有效。下面介绍一些常用的 G 功能：(1)G00 快速定位 G00 功能是以车床设定的最大运动速度定位到目标点，目标点由本程序段内的坐标字所确定。其编写格式G00 X(U) Z(W) ；
