【文章內(nèi)容簡介】 開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 這類控制的數(shù)控機(jī)床是其控制系統(tǒng)沒有位置檢測元件，伺服驅(qū)動部件通常為反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)或混合式伺服步進(jìn)電動機(jī)。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個進(jìn)給指令，經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個角度，再經(jīng)過齒輪減速裝置帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移。移動部件的移動速度與位移量是由輸入脈沖的頻率與脈沖數(shù)所決定的。此類數(shù)控機(jī)床的信息流是單向的，即進(jìn)給脈沖發(fā)出去后，實(shí)際移動值不再反饋回來，所以稱為開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。 開環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。但是 ，系統(tǒng)對移動部件的實(shí)際位移量不進(jìn)行監(jiān)測，也不能進(jìn)行誤差校正。因此，步進(jìn)電動機(jī)的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等傳動誤差都將影響被加工零件的精度。開環(huán)控制系統(tǒng)僅適用于加工精度要求不很高的中小型數(shù)控機(jī)床，特別是簡易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。 閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 接對工作臺的實(shí)際位移進(jìn)行檢測，將測量的實(shí)際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移值進(jìn)行比較，用差值對機(jī)床進(jìn)行控制，使移動部件按照實(shí)際需要的位移量運(yùn)動， 13 13 / 34 最終實(shí)現(xiàn)移動部件的精確運(yùn)動和定位。從理論上講，閉環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)動精度主要取決于檢測裝置的檢測精度，也與 傳動鏈的誤差無關(guān)，因此其控制精度高。圖 13所示的為閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)框圖。圖中 A為速度傳感器、 C 為直線位移傳感器。當(dāng)位移指令值發(fā)送到位置比較電路時，若工作臺沒有移動，則沒有反饋量，指令值使得伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動，通過 A將速度反饋信號送到速度控制電路，通過 C將工作臺實(shí)際位移量反饋回去，在位置比較電路中與位移指令值相比較，用比較后得到的差值進(jìn)行位置控制，直至差值為零時為止。這類控制的數(shù)控機(jī)床，因把機(jī)床工作臺納入了控制環(huán)節(jié)，故稱為閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。 閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的定位精度高，但調(diào)試和維修都較困難，系統(tǒng)復(fù)雜 ，成本高。 半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床是在伺服電動機(jī)的軸或數(shù)控機(jī)床的傳動絲杠上裝有角位移電流檢測裝置（如光電編碼器等），通過檢測絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測移動部件的實(shí)際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，并對誤差進(jìn)行修正。通過測速元件 A 和光電編碼盤 B可間接檢測出伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而推算出工作臺的實(shí)際位移量，將此值與指令值進(jìn)行比較，用差值來實(shí)現(xiàn)控制。由于工作臺沒有包括在控制回路中，因而稱為半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。 半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度檢測裝置和伺服電動機(jī)設(shè)計成一體，這樣，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。 混合控制數(shù)控機(jī)床 將以上三類數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)結(jié)合起來，就形成了混合控制數(shù)控機(jī)床。混合控制數(shù)控機(jī)床特別適用于大型或重型數(shù)控機(jī)床，因為大型或重型數(shù)控機(jī)床需要較高的進(jìn)給速度與相當(dāng)高的精度，其傳動鏈慣量與力矩大，如果只采用全閉環(huán)控制，機(jī)床傳動鏈和工作臺全部置于控制閉環(huán)中，閉環(huán)調(diào)試比較復(fù)雜?；旌峡刂葡到y(tǒng)又分為兩種形式： 14 14 / 34 （ 1）開環(huán)補(bǔ)償型。它的基本控制選用步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，另外附加一個校正電路。用裝在工作臺的直線位移測量元件的反饋信號校正機(jī)械 系統(tǒng)的誤差。 （ 2）半閉環(huán)補(bǔ)償型。它是用半閉環(huán)控制方式取得高精度控制，再用裝在工作臺上的直線位移測量元件實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統(tǒng)一。其中 A是速度測量元件（如測速發(fā)電機(jī)）， B 是角度測量元件， C是直線位移測量元件。 15 15 / 34 第四 章 數(shù)控車的工藝與工裝削 數(shù) 控車床加工 工藝與普通車床的加工工藝類似，但由于數(shù)控車床是一次裝夾，連續(xù)自動加工完成所有車削工序，因而應(yīng)注意以下幾個方面。 . 合理選擇切削用量 對于高效率的金屬切削加工來說，被加工材料、切削工具、切削 條件是三大要素。這些決定著加工時間、刀具壽命和加工質(zhì)量。經(jīng)濟(jì)有效的加工方式必然是合理的選擇了切削條件。 切削條件的三要素：切削速度、進(jìn)給量和切深直接引起刀具的損傷。伴隨著切削速度的提高，刀尖溫度會上升，會產(chǎn)生機(jī)械的、化學(xué)的、熱的磨損。切削速度提高 20%，刀具壽命會減少 1/2。 進(jìn)給條件與刀具后面磨損關(guān)系在極小的范圍內(nèi)產(chǎn)生。但進(jìn)給量大，切削溫度上升，后面磨損大。它比切削速度對刀具的影響小。切深對刀具的影響雖然沒有切削速度和進(jìn)給量大，但在微小切深切削時，被切削材料產(chǎn)生硬化層，同樣會影響刀具的壽命。 用戶要根據(jù)被 加工的材料、硬度、切削狀態(tài)、材料種類、進(jìn)給量、切深等選擇使用的切削速度。 最適合的加工條件的選定是在這些因素的基礎(chǔ)上選定的。有規(guī)則的、穩(wěn)定的磨損達(dá)到壽命才是理想的條件。 然而，在實(shí)際作業(yè)中，刀具壽命的選擇與刀具磨損、被加工尺寸變化、表面質(zhì)量、切削噪聲、加工熱量等有關(guān)。在確定加工條件時，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行研究。對于不銹鋼和耐熱合金等難加工材料來說，可以采用冷卻劑或選用剛性好的刀刃。 . 合理選擇刀具 1) 粗車時，要選強(qiáng)度高、耐用度好的刀具，以便滿足粗車時大背吃刀量、大進(jìn)給量的要求。 2) 精車時， 要選精度高、耐用度好的刀具，以保證加工精度的要求。 3) 為減少換刀時間和方便對刀，應(yīng)盡量采用機(jī)夾刀和機(jī)夾刀片。 . 合理選擇夾具 16 16 / 34 1) 盡量選用通用夾具裝夾工件，避免采用專用夾具； 2) 零件定位基準(zhǔn)重合，以減少定位誤差。 . 確定加工路線 加工路線是指數(shù)控機(jī)床加工過程中，刀具相對零件的運(yùn)動軌跡和方向。 1) 應(yīng)能保證加工精度和表面粗糙要求； 2) 應(yīng)盡量縮短加工路線，減少刀具空行程時間。 . 加工路線與加工余量的聯(lián)系 目前，在數(shù)控車床還未達(dá)到普及使用的條件下，一般應(yīng)把毛坯上過多的 余量，特別是含有鍛、鑄硬皮層的余量安排在普通車床上加工。如必須用數(shù)控車床加工時，則需注意程序的靈活安排。 . 夾具安裝要點(diǎn) 目前液壓卡盤和液壓夾緊油缸的連接是靠拉桿實(shí)現(xiàn)的，液壓卡盤夾緊要點(diǎn)如下：首先用搬手卸下液壓油缸上的螺帽，卸下拉管，并從主軸后端抽出，再用搬手卸下卡盤固定螺釘，即可卸下卡盤。 17 17 / 34 第五章 程序首句妙用與控制尺寸精度的技巧 、程序首句妙用 G00的技巧 目前我們所接觸到的教科書及數(shù)控車削方面的技術(shù)書籍，程序首句均為建立工件坐標(biāo)系，即以 G50 Xα Zβ作為程序首句 。根據(jù)該指令，可設(shè)定一個坐標(biāo)系，使刀具的某一點(diǎn)在此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為 (Xα Zβ )(本文工件坐標(biāo)系原點(diǎn)均設(shè)定在工件右端面 )。采用這種方法編寫程序，對刀后，必須將刀移動到 G50設(shè)定的既定位置方能進(jìn)行加工，找準(zhǔn)該位置的過程如下。 1. 對刀后，裝夾好工件毛坯； 2. 主軸正轉(zhuǎn)，手輪基準(zhǔn)刀平工件右端面 A； 3. Z 軸不動，沿 X 軸釋放刀具至 C點(diǎn)，輸入 G50 Z0，電腦記憶該點(diǎn)； 4. 程序錄入方式，輸入 G01 W8 F50，將工件車削出一臺階； 5. X 軸不動，沿 Z 軸釋放刀具至 C 點(diǎn)，停車測量車削出的工件臺階直徑γ ，輸入G50 Xγ，電腦記憶該點(diǎn)； 6. 程序錄入方式下，輸入 G00 Xα Zβ，刀具運(yùn)行至編程指定的程序原點(diǎn)，再輸入G50 Xα Zβ，電腦記憶該程序原點(diǎn)。 。上述步驟中，步驟 6即刀具定位在 Xα Zβ處至關(guān)重要，否則，工件坐標(biāo)系就會被修改，無法正常加工工件。有過加工經(jīng)驗的人都知道，上述將刀具定位到 Xα Zβ處的過程繁瑣，一旦出現(xiàn)意外， X或 Z軸無伺服，跟蹤出錯，斷電等情況發(fā)生，系統(tǒng)只能重啟，重啟后系統(tǒng)失去對 G50 設(shè)定的工件坐標(biāo)值的記憶，“復(fù)位、回零運(yùn)行”不再起作用，需重新將刀具運(yùn)行至 Xα Zβ位置并重設(shè) G50。如 果是批量生產(chǎn)，加工完一件后，回 G50 起點(diǎn)繼續(xù)加工下一件，在操作過程中稍有失誤，就可能修改工件坐標(biāo)系。鑒于上述程序首句使用 G50 建立工件坐標(biāo)系的種種弊端，筆者想辦法將工件坐標(biāo)系固定在機(jī)床上，將程序首句 G50 Xα Zβ改為 G00 Xα Zβ后，問題迎刃而解。其操作過程只需采用上述找 G50過程的前五步，即完成步驟 5 后，將刀具運(yùn)行至安全位置，調(diào)出程序，按自動運(yùn)行即可。即使發(fā)生斷電等意外情況，重啟系統(tǒng)后，在編輯方式下將光標(biāo)移至能安全加工又不影響工件加工進(jìn)程的程序段，按自動運(yùn)行方式繼續(xù)加工即可。上述程序 首句用 G00 代替 G50 的實(shí)質(zhì)是將工件坐標(biāo)系固定在機(jī)床上，不再囿于 G50 Xα Zβ程序原點(diǎn)的限制，不改變工件坐標(biāo)系，操作簡單，可靠性強(qiáng)，收到了意想不到的效果。中國金屬 18 18 / 34 加工在線 、控制尺寸精度的技巧 . 修改刀補(bǔ)值保證尺寸精度 由于第一次對刀誤差或者其他原因造成工件誤差超出工件公差，不能滿足加工要求時，可通過修改刀補(bǔ)使工件達(dá)到要求尺寸，保證徑向尺寸方法如下： a. 絕對坐標(biāo)輸入法 根據(jù)“大減小，小加大”的原則，在刀補(bǔ) 001～ 004 處修改。如用 2 號切斷刀切槽時工件尺寸大了 ，而 002 處刀補(bǔ)顯示是 ，則可輸入 ，減少 2號刀補(bǔ)。 b. 相對坐標(biāo)法 如上例， 002 刀補(bǔ)處輸入 ，亦可收到同樣的效果。 同理，對于軸向尺寸的控制亦如此類推。如用 1 號外圓刀加工某處軸段，尺寸長了，可在 001 刀補(bǔ)處輸入 。 . 半精加工消除絲桿間隙影響保證尺寸精度 對于大部分?jǐn)?shù)控車床來說，使用較長時間后，由于絲桿間隙的影響，加工出的工件尺寸經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。這時，我們可在粗加工之后，進(jìn)行一次半精加工消除絲桿間隙的影響。如用 1 號刀 G71 粗加工外圓之后，可在 001 刀補(bǔ)處輸入 ，調(diào)用 G70精車一次，停車測量后，再在 001 刀補(bǔ)處輸入 ，再次調(diào)用 G70 精車一次。經(jīng)過此番半精車，消除了絲桿間隙的影響，保證了尺寸精度的穩(wěn)定。 . 程序編制保證尺寸精度 a. 絕對編程保證尺寸精度 編程有絕對編程和相對編程。相對編程是指在加工輪廓曲線上，各線段的終點(diǎn)位置以該線段起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)而確定的坐標(biāo)系。也就是說，相對編程的坐標(biāo)原點(diǎn)經(jīng)常在變換，連續(xù)位移時必然產(chǎn)生累積誤差，絕對編程是在加工的全過程中，均有相對統(tǒng)一的基準(zhǔn)點(diǎn)，即坐標(biāo)原點(diǎn)，故累積誤差較相對編程小。數(shù)控車削工件時，工件徑向 尺寸的精度一般比軸向尺寸精度高，故在編寫程序時，徑向尺寸最好采用絕對編程，考慮到加工及編寫程序的方便，軸向尺寸常采用相對編程，但對于重要的軸向尺寸，最好采用絕對編程。 b. 數(shù)值換算保證尺寸精度 19 19 / 34 很多情況下，圖樣上的尺寸基準(zhǔn)與編程所需的尺寸基準(zhǔn)不一致，故應(yīng)先將圖樣上的基準(zhǔn)尺寸換算為編程坐標(biāo)系中的尺寸。如圖 2b 中，除尺寸 外，其余均屬直接按圖2a 標(biāo)注尺寸經(jīng)換算后而得到的編程尺寸。其中， φ 、φ 16mm 及 三個尺寸為分別取兩極限尺寸平均值后得到的編程尺寸。 . 修 改程序和刀補(bǔ)控制尺寸 數(shù)控加工中，我們經(jīng)常碰到這樣一種現(xiàn)象：程序自動運(yùn)行后，停車測量，發(fā)現(xiàn)工件尺寸達(dá)不到要求，尺寸變化無規(guī)律。如用 1號外圓刀加工圖 3 所示工件，經(jīng)粗加工和半精加工后停車測量，各軸段徑向尺寸如下：φ 、φ 及φ 。對此，筆者采用修改程序和刀補(bǔ)的方法進(jìn)行補(bǔ)救，方法如下： a. 修改程序 原程序中的 X30 不變， X23 改為 ， X16 改為 ，這樣一來，各軸段均有超出名義尺寸的統(tǒng)一公差 ； b. 改刀補(bǔ) 在 1 號刀刀補(bǔ) 001處輸入 。 經(jīng)過上述程序和刀補(bǔ)雙管齊下的修改后，再調(diào)用精車程序，工件尺寸一般都能得到有效的保證。 數(shù)控車削加工是基于數(shù)控程序的自動化加工方式，實(shí)際加工中，操作者只有具備較強(qiáng)的程序指令運(yùn)用能力和豐富的實(shí)踐技能，方能編制出高質(zhì)量的加工程序，加工出高質(zhì)量的工件。 20 20 / 34 第六章 數(shù)控技術(shù) 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)綜述 (1)數(shù)據(jù)輸入裝置將指令信息和各種應(yīng)用數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機(jī) (已很少使用 )， 軟盤驅(qū)動器， CNC 鍵盤 (一般輸入操作 )，數(shù)控系統(tǒng)配備的硬盤及驅(qū)動裝置 (用于大量數(shù)據(jù)的存儲保護(hù) )、磁帶機(jī) (較少使用 )、 PC 計算機(jī)等等。 (2)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的中樞，它將接到的全部功能指令進(jìn)行解碼、運(yùn)算，然后有序地發(fā)出各種需要的運(yùn)動指令和各種機(jī)床功能的控制指令，直至運(yùn)動和功能結(jié)束。 數(shù)控系統(tǒng)都有很完善的自診斷能力，日常使用中更多地是要注意嚴(yán)格按規(guī)定操作，而日常的維護(hù)則主要是對硬件使用環(huán)境的保護(hù)和防止系統(tǒng)軟件的破壞。 (3)可編程邏輯控制器是機(jī)床各項功能的邏輯控制中心。它將來自 CNC 的各種運(yùn)動及功能指令進(jìn)行邏輯排序，使它們能夠準(zhǔn)確地、協(xié)調(diào)有序地安全運(yùn)行；同時將來自機(jī)床的各種信息及工作狀態(tài)傳送給 CNC，使 CNC 能及時準(zhǔn)確地發(fā)出進(jìn)一步的控制指令，如此實(shí)現(xiàn)對整個機(jī)床的控制。 當(dāng)代 PLC多集成于數(shù)控系統(tǒng)中，這主要是指控制軟件的集成化，而 PLC 硬件則在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu)。 PLC 與 CNC 的集成是采取軟件接口實(shí)現(xiàn)的，一般系統(tǒng)都是將二者間各種通信信息分別指定其固定的存放地址，由系統(tǒng)對所有地址的信息狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，根據(jù)各接口信號的現(xiàn)時狀態(tài)加以分析判斷，據(jù)此作出進(jìn)一步的控制命令，完成對運(yùn)動或功能的控制。 不同廠商的 PLC 有不同的 PLC 語言和不同的語言表達(dá)形式，因此 ，力求熟悉某一機(jī)床 PLC 程序的前提是先熟悉該機(jī)床的 PLC語言。 (4)主軸驅(qū)動系統(tǒng)接受來自 CNC 的驅(qū)動指令，經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩 (功率 )調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動信號驅(qū)動主電動機(jī)轉(zhuǎn)動，同時接受速度反饋實(shí)施速度閉環(huán)控制。它還通過 PLC 將主軸的各種現(xiàn)實(shí)工作狀態(tài)通告 CNC 用以完成對主軸的各項功能控制。 主軸驅(qū)動系統(tǒng)自身有許多參數(shù)設(shè)定，這些參數(shù)直接影響主軸的轉(zhuǎn)動特性，其中有些不可丟失或改變的，例如指示電動機(jī)規(guī)格的參數(shù)等，有些是可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)加以調(diào)改的， 21 21 / 34 例 如零漂等。通常 CNC 中也設(shè)有主軸相關(guān)的機(jī)床數(shù)據(jù)，并且與主軸驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù) 作用相同，因此要注意二者取一，切勿沖突。 (5)進(jìn)給伺服系統(tǒng)接受來自 CNC 對每個運(yùn)動坐標(biāo)軸分別提供的速度指令，經(jīng)速度與電流 (轉(zhuǎn)矩 )調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動信號驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動，同時接受速度反饋信號實(shí)施速度閉環(huán)控制。它也通過 PLC 與 CNC通信，通報現(xiàn)時工作狀態(tài)并接受 CNC的控制。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器的正確調(diào)節(jié)是最重要的，應(yīng)該在位置開環(huán)的條件下作最佳