【文章內(nèi)容簡介】 床上開始使用。 輸入裝置 輸入裝置的作用是將程序載體（信息載體）上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。根據(jù)存儲介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機、磁帶機或軟盤驅(qū)動器等。數(shù)控車床加工程序也可通過鍵盤用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控加工程序還可由編程計算機用 RS232C 或采用網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。 零件加工程序輸入過程有兩種不同的方式：一 種是邊讀入邊加工（數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存較小時）；另一種是一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內(nèi)部的存儲器，加工時再從內(nèi)部存儲器中逐段調(diào)出進(jìn)行加工。 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控車床的核心。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運算和邏輯處理后， 10 輸出各種控制信息和指令，控制車床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運動和動作。 零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過程中必須按零件形狀和尺寸的要求進(jìn)行運動，即按圖形軌跡移動。但 輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點和終點坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)，不能滿足要求，因此要進(jìn)行軌跡插補，也就是在線段的起點和終點坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點的密化”，求出一系列中間點的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號，控制各坐標(biāo)軸（即進(jìn)給運動的個執(zhí)行元件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。 驅(qū)動裝置及位置檢測裝置 驅(qū)動裝置接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動車床移動部件，以加工出符合圖樣要求的零件。因此，它的伺服精度和動態(tài)響應(yīng)性能是影響數(shù)控車床加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素之一 。驅(qū)動裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機構(gòu)兩大部件。目前大都采用直流或交流伺服電動機作為執(zhí)行機構(gòu)。 位置檢測裝置將數(shù)控車床個坐標(biāo)軸的實際位移檢測出來，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到車床的數(shù)控裝置之后，數(shù)控裝置將反饋回來的實際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動裝置按照指令設(shè)定值運動。 輔助控制裝置 輔助控制裝置的主要作用是接受數(shù)控裝置輸出的開關(guān)量指令信號，經(jīng)過編譯、邏輯判別和運算，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動相應(yīng)的電器，帶動車床的機械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關(guān)量動作。這些控制包括主軸運動部件的變速、換向和啟停 指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟動停止，工件和機床部件的松開、夾緊等輔助動作。 由于可編程控制器（ PLC）具有響應(yīng)快、性能可靠、使用方便、編程和調(diào)試程序容易等特點，并可直接驅(qū)動部件機床電器，因此，被廣泛用作數(shù)控車床的輔助控制裝置。目前，大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都帶有內(nèi)部 PLC，用于處理數(shù)控機床的輔助指令，從而簡化了機床的輔助控制裝置。 車床本體 車床本體與傳統(tǒng)車床相似，由主軸傳動裝置、進(jìn)給傳動裝置、床身、工作臺以及運動裝置、液壓氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。但數(shù)控車床特別是車削中心在整體布局 、外觀造型、傳動系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及操作機構(gòu)等方面都已發(fā)生 11 了較大的變化。這種變化的目的是為了滿足數(shù)控車床的要求和充分發(fā)揮數(shù)控車床的特點。歸納起來包括以下幾個方面的變化。 （ 1）采用高性能主傳動及主軸部件、具有傳遞功率大、剛度高、抗振性好及熱變形小等優(yōu)點。 （ 2）進(jìn)給傳動采用高效傳動件、具有傳動鏈短、結(jié)構(gòu)簡單、傳動精度高等特點，一般采用滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副等。 （ 3）具有完善的刀具自動變換和管理系統(tǒng)。 （ 4）車床本身具有很高的動、靜剛度。 （ 5）采用全封閉罩殼。由于數(shù)控車床是自動完成加工，為了操作安 全等，一般采用移動門結(jié)構(gòu)的全封閉罩殼，對車床的加工部件進(jìn)行全封閉。 3． 2 數(shù)控車床的特點 數(shù)控車床的優(yōu)點 （ 1）加工對象改型的適應(yīng)性強 由于在數(shù)控車床上改革加工零件時，只需要重新編制程序就能實現(xiàn)對零件的加工，它不同于傳統(tǒng)的車床，不需要改造、更新許多工夾具和檢具，更不需要重新新調(diào)整車床。因此，數(shù)控車床可以快速地從加工一種零件轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸ち硪环N零件，這就為單件、小批以及試制新產(chǎn)品提供了極大的便利。它不僅縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，而且節(jié)省了大量工藝裝備費用。 （ 2）加工精度高 數(shù)控車床是以數(shù)字形式給出的指令進(jìn)行加 工的，由于目前數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量（即每輸出一個脈沖后數(shù)控機床移動部件相應(yīng)的移動量）一般達(dá)到了 ，而且進(jìn)給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補償，因此，數(shù)控車床能達(dá)到比較高的加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。這是由數(shù)控車床結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了必要的措施，以及機電結(jié)合的特點決定的，首先是結(jié)構(gòu)上引入了滾珠絲杠螺母機構(gòu)、各種消除間隙結(jié)構(gòu)等，使機械傳動的誤差盡可能小；其次是采用了軟件精度補償技術(shù)，使機械誤差進(jìn)一步減少；第三是用程序控制加工，減少了人為因素對加工精度的影響。這些措施不僅保證了較高的加工精度，同 時還保證了較高的質(zhì)量穩(wěn)定性。 （ 3）生產(chǎn)效率高 零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。數(shù)控車床能夠有效地減少這兩部分時間，因而加工生 12 產(chǎn)率比一般車床高得多。數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍比普通車床的范圍大，每一道工序都能選用最有利的切削用量，良好的結(jié)構(gòu)剛性允許數(shù)控車床進(jìn)行大切削用量的強力切削，有效地節(jié)省了機動時間。數(shù)控車床移動部件的快速移動和定位采用了加速與減速措施，因而選用了很高的空行程運動速度，消耗在快進(jìn)、快退和定位的時間要比一般車床少的多。 數(shù)控車床的加工精度比較穩(wěn)定，一般只做首件檢驗或工 序間關(guān)鍵尺寸的抽樣檢驗，因而可以減少停機檢驗的時間。在使用帶有刀庫和自動換刀裝置的數(shù)控車削中心機床時，在一臺機床上實現(xiàn)了多道工序的連續(xù)加工，減少了半成品的周轉(zhuǎn)時間，生產(chǎn)效率的提高就更為明顯。 （ 4）自動化程度高 數(shù)控車床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，其他的機床動作直至加工完畢，都是自動連續(xù)完成，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強度與緊張程度均大為減少，勞動條件也得到相應(yīng)的改善。 （ 5）良好的經(jīng)濟效益 使用失控車床加工 零件時，分?jǐn)傇诿總€零件上的設(shè)備費用是比較昂貴的。但在單件、小批量生產(chǎn)情況下，可以節(jié)省工藝裝備費用、輔助生產(chǎn)工時、生產(chǎn)管理費用及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟效益。 （ 6）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 用數(shù)控車床加工零件，能準(zhǔn)確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。 數(shù)控車床在應(yīng)用中也有不利的一面，如提高了起始階段的投資，對設(shè)置維護的要求較高，對操作人員的技術(shù)水平要求較高等 . 3． 數(shù)控車床的適用范圍及工作原理 數(shù)控車床的適用范圍 數(shù)控車 床與臥式車床一樣，也是用來加工軸類或盤類的回轉(zhuǎn)體零件。但是由于數(shù)控車床是自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、螺紋等工序的切削加工，所以數(shù)控車床特別適合加工形式復(fù)雜的軸類或盤類零件。 數(shù)控車床具有加工靈活、通用性強、能適應(yīng)產(chǎn)品的品種和規(guī)格 13 頻繁變化的特點，能夠滿足新產(chǎn)品的開發(fā)和多品種、小批量、生產(chǎn)自動化的要求，因此被廣泛應(yīng)用于機械制造業(yè)。 數(shù)控車床確實存在一般車床所不具備的許多優(yōu)點，但是這些優(yōu)點都是以一定條件為前提的。數(shù)控車床的應(yīng)用范圍正在不斷擴大，但它并不能完全代替其他類型的機床，也還不能以最經(jīng)濟的方式 解決機械加工中的所有問題。數(shù)控車床通常最適合加工具有以下特點的零件。 1）多品種小批量生產(chǎn)的零件 從通用車床、專用車床、數(shù)控車床的零件加工批量數(shù)與綜合費用的關(guān)系來看，零件加工批量增大對于選用數(shù)控車床是不利的。原因在于數(shù)控車床設(shè)備費用昂貴，以及與大批量生產(chǎn)采用的專用機床相比其效率還不夠高。通常，采用數(shù)控車床加工的合理生產(chǎn)批量在 10~200 件之間。目前有向中批量發(fā)展的趨勢。 2）結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件 從通用車床、專用車床、數(shù)控車床的被加工零件復(fù)雜程度與批量數(shù)的關(guān)系來看。通常數(shù)控車床適宜于加工結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在非 數(shù)控車床上加工時需要有昂貴的工藝裝備的零件。 3）需要頻繁改型的零件 它節(jié)省了大量的工藝裝備費用，使綜合費用下降。 4）價格昂貴、不允許報廢的關(guān)鍵零件。 5）需要最短生產(chǎn)周期的急需零件。 數(shù)控車床的初始投資相對較大，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，又增加了維修費用。如果缺少完善的售后服務(wù)，往往不能及時排除設(shè)備故障，將會在一定程度上影響機床的利用率，這些都會增加綜合生產(chǎn)費用。 考慮到以上所述的種種原因，在決定選用數(shù)控車床加工時，需要進(jìn)行反復(fù)對比和仔細(xì)的經(jīng)濟分析，使數(shù)控車床發(fā)揮它的最佳經(jīng)濟效益。 數(shù)控車床的工作原理 在 傳統(tǒng)的金屬切削機床上，加工零件是操作者根據(jù)圖樣的要求，通過不斷改變刀具的運動軌跡、運動速度等參數(shù)，使刀具對工件進(jìn)行切削加工，最終加工出合格零件。 數(shù)控車床的加工，其實質(zhì)是應(yīng)用了“微分”原理。其工作原理與過程可簡述如下。 14 1）數(shù)控裝置根據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按車床對應(yīng)的坐標(biāo)軸，以最小移動量（脈沖當(dāng)量）進(jìn)行微分，并計算出各軸需要移動的脈沖數(shù)。 2）通過數(shù)控裝置的插補軟件或插補運算器，把要求的軌跡用量小移動單位的等效折線進(jìn)行擬合，并找出最接近理論軌跡的擬合折線。 3）數(shù)控裝置根據(jù)擬合折線的軌跡，給相應(yīng)的 坐標(biāo)軸連續(xù)不斷地分配進(jìn)給脈沖，并通過伺服驅(qū)動使車床坐標(biāo)軸按分配的脈沖運動。 由上可見： 只要數(shù)控車床的最小移動量（脈沖當(dāng)量）足夠小，所用的擬合折線就完全可以等效代替理論曲線； 只要改變坐標(biāo)軸的脈沖分配方式，即可以改變擬合折線的形狀，從而達(dá)到改變加工軌跡的目的； 只要改變分配脈沖的頻率，即可改變坐標(biāo)軸（刀具）的運動速度。這樣就實現(xiàn)了數(shù)控車床控制刀具移動軌跡的根本目的。 以上根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，在理想軌跡（輪廓）的已知點之間，通過數(shù)據(jù)點的密化，確定一些中間點的方法，稱為補插。能同時參與插補的坐標(biāo)軸數(shù)。顯然 ，當(dāng)數(shù)控機床的聯(lián)動軸越多，機床加工輪廓的性能就越強。因此，聯(lián)動軸的數(shù)量是衡量數(shù)控機床性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。 15 第四章 數(shù)控加工工藝分析 數(shù)控加工柔性好，自動化程度高，特別適宜加工輪廓形狀復(fù)雜的曲線、曲面零件，以及具有大量孔、槽加工的復(fù)雜箱體、棱體零件。在多品種、小批量生產(chǎn)情況下，適用數(shù)控機床加工能獲得較高的經(jīng)濟效益。 數(shù)控加工工藝問題的處理與普通加工基本相同，但又有其特點。因此，在設(shè)計零件的數(shù)控加工工藝時，既要遵循普通加工工藝的基本原理和方法，又要考慮數(shù)控加工本身的特點和零件變 成要求。 （ 1）零件專家方法的確定與夾具的選擇 數(shù)控機床上被加工口零件的裝夾方法與一般的機床上的一樣，也要合理選擇定為基準(zhǔn)和夾緊方案。在選擇精基準(zhǔn)時，也要遵循“基準(zhǔn)統(tǒng)一”和“基準(zhǔn)重合” 等原則。除此之外，還應(yīng)考慮一下幾點： 1） 應(yīng)盡量在一次定位夾緊中完成所有能加工的各表面的加工。為此要選擇便于各個表面都可被加工的定位方式。如對于箱體零件，宜采用一面兩銷的定位方式，也可采用以某側(cè)面為導(dǎo)向基準(zhǔn)，待工件夾緊后將導(dǎo)向遠(yuǎn)見拆去的定位方式。 2） 對于工件一次裝夾可完成工件上各表面的加工，也可直接選用毛面作定位基準(zhǔn)， 只是這時毛坯的制造精度要求要高一些。對于加工中心，工件在工作臺上的安放位置的確定要兼顧各個工位的加工，要考慮刀具的長度及其港督對加工質(zhì)量的影響。如進(jìn)行當(dāng)工位單面加工，應(yīng)將工件靠工作臺一側(cè)放置；若是四工位面加工，則應(yīng)將工件放置在工作臺的鄭重位置。這樣可減少刀桿伸出的長度，提高其剛度。 3） 數(shù)控加工使用的夾具，其結(jié)構(gòu)大多比較簡單，并應(yīng)可能選用由通用元件拼裝的組合可調(diào)節(jié)夾具，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。為了簡化定位、編程和對刀，保證工件能在正確的位置上按程序加工，必須協(xié)調(diào)工作、夾具與機床坐標(biāo)系之間的尺寸關(guān)系。 （ 2）加 工順序的安排 除了應(yīng)照“先面后孔”、“先粗后精”等基本原則安排加工順序外，還應(yīng)注意遵循以下原則： 16 ① 為了減少換刀次數(shù)和時間，通常應(yīng)按刀具集中工序，即在一次裝夾中，用同一把刀具進(jìn)行加工。對于加工中心，若換刀時間較工作臺轉(zhuǎn)位時間長，在不影響加工精度的前提下，可按刀具集中工序；但若換刀時間遠(yuǎn)短于工作臺轉(zhuǎn)位時間，這應(yīng)采用相同工位集中加工的原則，即盡可能在不轉(zhuǎn)動工作臺的情況下加工完畢所有可以加工的待加工表面，然后再轉(zhuǎn)動工作臺去加工其他表面。 ② 對于同軸度要求很高的孔系，應(yīng)在一次定位后，通過順序連續(xù)換刀，順序連續(xù)加 工完該孔系得全部孔后，再加工其他坐標(biāo)位置的孔，以消除重復(fù)定位誤差的影響，提高孔系得同軸度。 （ 3）對刀點和換刀的確定 對刀點是數(shù)控加工時刀具相對于工件運動的起點。由于程序也是從這點開始執(zhí)行，所以對刀點也稱程序起點或起刀點。編程時應(yīng)首先考慮對刀點的位置的選擇。 加工精度要求不高時，可直接用工件上或夾具上的某些表面作對刀面；加工精度要求較高時，對刀點應(yīng)盡量選在林間設(shè)計基準(zhǔn)或工藝基準(zhǔn)上。 對刀點必須與工件的定位基準(zhǔn)油一定的坐標(biāo)之間的關(guān)系，這樣才能確定機床坐標(biāo)系于工件坐標(biāo)系之間的關(guān)系。對刀點的選擇應(yīng)便于坐 標(biāo)值的計算，并使對刀方便。 對刀時，應(yīng)使對刀點與刀位點重合。所謂刀位點，對于平底立銑刀是指刀具軸線與刀具地面的交點；對于球頭銑刀是指球頭部分的球心；對于車刀是指刀尖；對于鉆頭是指鉆尖；對于線電極切割機床，則是指線電極軸心與零件面的交點。 加工過程序要換刀時，應(yīng)規(guī)定換刀點。換刀點的位置應(yīng)根據(jù)換刀時不得碰傷工件、夾具以及機床的原則而設(shè)定。 （ 1） 刀具進(jìn)給路線的規(guī)則 進(jìn)給路線是指數(shù)控加工過程忠刀具相對于被加工零件的運動軌跡。規(guī)劃進(jìn)給路線應(yīng)遵循的原則是： ① 保證加工零件獲得良好的加工精度和表面質(zhì)量。 ② 使數(shù)值計算工 作簡單。 ③ 使進(jìn)給路線簡單。 （ 2） 刀具選擇 數(shù)控加工臺時費用高，為提高效益，數(shù)控加工對刀具提出了更高 17 的要求，不僅要剛性好，精度高，而且要尺寸穩(wěn)定、耐用度高、調(diào)整方便。因此，凡加工情況允許選用硬質(zhì)合金刀具時，就不應(yīng)選用可轉(zhuǎn)位刀片以減少刀具以提高耐磨性。精密鏜孔應(yīng)選用性能更好更耐磨的金剛石和立方氮化硼刀具。 數(shù)控加工一般不采用鉆模，鉆孔剛度差，因此鉆孔前應(yīng)選用大直徑鉆頭或中心鉆先锪以各內(nèi)錐坑或鉆以中心孔，作為鉆頭切入時的定心錐面，然后再用鉆頭鉆孔。 由于鏜孔是懸臂加工，為平衡徑向力，減輕鏜削振動，應(yīng)采用對稱的兩刃或多 刃鏜刀頭進(jìn)行切削。精鏜應(yīng)采用微調(diào)鏜刀。 切削用量的確定 ： 數(shù)控加工的切削用量選擇原則與普通加工相同。由金屬切削原理可知，在選擇切削用量時，應(yīng)首先采用最大的切削深度，再選用大的進(jìn)給量，然后根據(jù)確定的刀具耐用度選擇切削速度。對于數(shù)控加工，刀具耐用度至少應(yīng)大于加工完一個零件，或最少不低于半個工作班。 在輪廓加工中，因注意克服由于慣性或伺服系統(tǒng)的隨動誤差而造成輪廓拐角處的“超程”或“欠程”現(xiàn)象。為此，要選擇變化的進(jìn)給量，即在接近拐角處應(yīng)適當(dāng)降低進(jìn)給量，過拐角后逐漸升高，以保證加工精度。 （ 3） 程誤差及其控制 程序編 程中的誤差由逼近誤差、補差誤差和尺寸圓 誤差三部分組成。在點位數(shù)控加工中，編程誤差只包含尺寸圓整誤差。在輪廓加工中，編程誤差主要是補插誤差，尺寸圓整誤差所占的比例較小。 一般應(yīng)控制尺寸圓整誤差不超過脈沖彈量的一般。減少插補誤差的最簡單方法是密化插補點，但這會增加程序段數(shù)目，增加計算、編程工作量。通常編程誤差應(yīng)小于零件公差的 10%～ 20%。 成批生產(chǎn)按照批量大小與產(chǎn)品的特征，又可分為小批量生產(chǎn)、中批量生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)三種。小批量生產(chǎn)跟單件生產(chǎn)相似，合稱單件小批量生產(chǎn)；大批量生產(chǎn)與大量生產(chǎn)相似，合稱 大批大量生產(chǎn)。因此中批生產(chǎn)通常僅指總評生產(chǎn)。 不同的生產(chǎn)類型采用不同的制造工藝、工裝設(shè)備、技術(shù)措施及經(jīng)濟效果不相同。大批量生產(chǎn)采用高效率的工藝裝備及專用機床，加工成本低；單件小批量通常采用通用設(shè)備及工裝，生產(chǎn)率