数控机床的工作原理组成及主要性能指标

数控机床的工作原理、组成及主要性能指标数控机床的工作原理、组成及主要性能指标数控机床的基本操作（以BEIJING-FANUC0数控系统为例）数控机床的工作原理数控机床是用数字信息进行控制的机床。凡是用代码化的数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送人数控系统经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工的基本过程。在数控机床加工工件前，要分析零件图，拟定零件加工工艺方案，明确加工工艺参数，然后按编程规则编制数控加工程序。当加工零件的几何信息和工艺信息转换为数字化信息后，可以用不同方法输入到机床的数控系统中，经检查无误即可启动机床，运行数控加工程序数控装置自动完成数控加工程序发出的各种控制指令。如果不出现故障，直到加工程序运行结束，零件加工完毕为止。数控加工的控制过程与计算机控制打印机的打印过程，特别是与计算机控制绘图机的绘图过程非常相似。数字控制是相对于模拟控制而言的。数字控制系统或计算机数字控制系统用字长来表示不同精度信息，可进行复杂的算术运算、逻辑运算和信息处理，通过改变软件（而非电路或机械机构）实现信息处理方式和过程的转换，具有很好的柔性功能。cNc系统方便、可靠、精度高，广泛应用于机械运动的轨迹、检测和辅助运动控制等各方面，其中，轨迹控制是机床和工业机器人的主要控制内容。数控机床的组成数控机床一般由输人输出设备、数控装置（cNc）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器（眦）及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。（1）输入和输出装置。是机床数控系统和操作人员进行信息交流、实现人机对话的交互设备。输人装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存人数控装置内。目前，数控机床的输入装置有键盘、磁盘驱动器、光电阅读机等，其相应的程序载体为磁盘、穿孔纸带。输出装置是显示器，有CRT显示器或彩色液晶显示器两种。输出装置的作用是：数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息。显示的信息可以是正在编辑的程序、坐标值以及报警信号等。（2）数控装置（cNc装置）。是计算机数控系统的核心，是由硬件和软件两部分组成的。它接收的是输入装置送来的脉冲信号，信号经过数控装置的系统软件或逻辑电路的编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，使其进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是各坐标轴（即作进给运动的各执行部件）的进给速度、进给方向和位移量指令（送到伺服驱动系统驱动执行部件作进给运动），还有主轴的变速、换向和启停信号，选择和交换刀具的刀具指令信号，控制冷却液、润滑油启停控制工件和机床部件松开、夹紧，控制分度工作台转位的辅助指令信号等。数控装置主要包括微处理器（CPU）存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与cNc系统他组成部分联系的接口等。（3）可编程逻辑控制器（Pl）。数控机床通过cNc和PLC共同完成控制功能，其中，cNc主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、刀具运动的位置伺服控制等。而PLc主要完成与逻辑运算有关的一些动作它接收cNc的控制代码M（辅助功能）、s（主轴转速）、T（选刀、换刀）等开关量动作信息，对开关量动作信息进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作。它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作（如手动操作机床），另一方面将一部分指令送往数控装置，用于加工过程的控制。（4）伺服单元。伺服单元接收来自数控装置的速度和位移指令。这些指令经伺服单元变换和放大后，通过驱动装置转变成机床进给运动的速度、方向和位移。因此，伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。伺服单元分为主轴单元和进给单元等，伺服单元就其系统而言又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分。（5）驱动装置。驱动装置把经过伺服单元放大的指令信号变为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。目前常用的驱动装置有直流伺服电机和交流伺服电机，交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机。伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，计算机数控装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，伺服驱动装置包括主轴驱动单元（主要控制主轴的速度）、进给驱动单元（主要控制进给系统的速度和位置）。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床的功能主要取决于数控装置，而数控机床的性能主要取决于伺服驱动系统。（6）机床本体。即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件（工作台、拖板及其传动部件）和支承部件（床身、立柱等），还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似。由于数控机床高速度、高精度、大切削用量和连续加工的要求，其机械部件在精度、刚度、抗振性等方面要求更高。此外，为保证数控机床功能的充分发挥还有一些辅助系统，如冷却系统、润滑系统、液压（或气动）系统、排屑系统、防护系统等。数控机床的主要性能指标（1）主要规格尺寸。数控车床主要有床身与刀架最大回转直径、最大车削长度、最大车削直径等规格尺寸；数控铣床主要有工作台、工作台T形槽、工作台行程等规格尺寸。（2）主轴系统。数控机床主轴采用直流或交流电动机驱动，具有较宽的调速范围和较高的回转精度，主轴本身刚度与抗振性比较好。现在，数控机床主轴普遍达到500010000tiltln，甚至更高的转速，对提高加工质量和各种小孔的加工极为有利；主轴可以通过操作面板上的转速倍率开关直接改变转速，每档间隔5，其调节范围为50%120%;在加工端面时，主轴具有恒定的切削速度（恒线速单位：mm/）。（3）进给系统。该系统有进给速度范围、快进（空行程）速度范围、运动分辨率（最小移动增量）、定位精度和螺距范围等主要技术参数。 进给速度是影响加工质量、生产效率和刀具寿命的主要因素，直接受到数控装置运算速度、机床运动特性和工艺系统剐度的限制。数控机床的进给速度可达到1030nvlllin。其中，最大进给速度为加工的最大速度，最大快进速度为不加工时移动的最快速度，进给速度可通过操作面板上的进给倍率开关调整，每档间隔为10%，其调整范围为10%200%。 脉冲当量（分辨率）是cNc重要的精度指标。有两个方面的内容，一是机床坐标轴可达到的控制精度（可以控制的最小位移增量），表示cNc每发出一个脉冲时坐标轴移动的距离，称为实际脉冲当量或外部脉冲当量;二是内部运算的最小单位，称之为内部脉冲当量，一般内部脉冲当量比实际脉冲当量设置得要小，为的是在运算过程中不损失精度，数控系统在输出位移量之前自动将内部脉冲当量转换成外部脉冲当量。数控机床的加工精度和表面质量取决于脉冲当量数的大小。普通数控机床的脉冲当量一般为0001mm，简易数控机床的脉冲当量一般为。叭mm，精密或超精密数控机床的脉冲当量一般为o0001mm，脉冲当量越小.数控机床的加工精度和表面质量越高。 定位精度和重复定位精度。定位精度是指数控机床工作台或其他运动部件实际运动位置与指令位置的一致程度，其不一致的差量即为定位误差。引起定位误差的因素包括伺服系统、检测系统、进给系统误差，以及运动部件导轨的几何误差等。定位误差直接影响加工零件的尺寸精度。重复定位精度是指在相同的操作方法和条件下，在完成规定操作次数过程中得到结果的一致程度。重复定位精度一般是呈正态分布的偶然性误差，它会影响批量加工零件的一致性，是一项非常重要的性能指标。一般数控机床的定位精度为0Olmm，重复定位精度为土0005itlm。（4）刀具系统。包括刀架工位数、工具孔直径、刀杆尺寸、换刀时间、重复定位精度等内容。加工中心刀库容量与换刀时间直接影响其生产率，通常中小型加工中心的刀库容量为1660把，大型加工中心可达100把以上。换刀时间是指自动换刀系统将主轴上的刀具与刀库中的刀具进行交换所需要的时间.一般可在520s的时间内完成换刀。（5）电气。包括主电动机、伺服电动机的规格型号和功率等。(6) 冷却系统。包括冷却箱容量、冷却泵输出量等。(7) 外形尺寸。表示为长X宽X高。(8) 机床重量。项目一操作面板及其功能应用加工中心的操作面板由机床控制面板和数控系统操作面板两部分组成，下面分别作一介绍。一、机床操作面板主要由操作模式开关、主轴转速倍率调整开关、进给速度倍率调整开关、快速移动倍率开关以及主轴负载荷表、各种指示灯、各种辅助功能选项开关和手轮等组成。不同机床的操作面板，各开关的位置结构各不相同，但功能及操作方法大同小异，具体可参见数控铣床操作项目相关内容。二、数控系统操作面板由CRT显示器和操作键盘组成，面板功能键介绍可参见数控车床操作项目相关内容。项目二开机及回原点一、开机1、首先合上机床总电源开关；2、开稳压器、气源等辅助设备电源开关；3、开加工中心控制柜总电源；4、将紧急停止按钮右旋弹出，开操作面板电源，直到机床准备不足报警消失，则开机完成。二、机床回原点开机后首先应回机床原点，将模式选择开关选到回原点上，再选择快速移动倍率开关到合适倍率上，选择各轴依次回原点。三、注意事项1、在开机之前要先检查机床状况有无异常，润滑油是否足够等，如一切正常，方可开机；2、回原点前要确保各轴在运动时不与工作台上的夹具或工件发生干涉；3、回原点时一定要注意各轴运动的先后顺序。项目三工件安装根据不同的工件要选用不同的夹具选用夹具的原则：1、定位可靠；2、夹紧力要足够。安装夹具前，一定要先将工作台和夹具清理干净。夹具装在工作台上，要先将夹具通过量表找正找平后，再用螺钉或压板将夹具压紧在工作台上。安装工件时，也要通过量表找正找平工件。项目四刀具装入刀库一、刀具选用加工中心的刀具选用与数控铣床基本类似，在此不再赘述。二、刀具装入刀库的方法及操作当加工所需要的刀具比较多时，要将全部刀具在加工之前根据工艺设计放置到刀库中，并给每一把刀具设定刀具号码，然后由程序调用。具体步骤如下：1、将需用的刀具在刀柄上装夹好，并调整到准确尺寸；2、根据工艺和程序的设计将刀具和刀具号一一对应；3、主轴回Z轴零点；4、手动输入并执行“T01M06”；5、手动将1号刀具装入主轴，此时主轴上刀具即为1号刀具；6、手动输入并执行“T02M06”；7、手动将2号刀具装入主轴，此时主轴上刀具即为2号刀具；8、其它刀具按照以上步骤依次放入刀库三、注意事项将刀具装入刀库中应注意以下问题：1、装入刀库的刀具必须与程序中的刀具号一一对应，否则会损伤机床和加工零件；2、只有主轴回到机床零点，才能将主轴上的刀具装入刀库，或者将刀库中的刀具调在主轴上；3、交换刀具时，主轴上的刀具不能与刀库中的刀具号重号。比如主轴上已是“1号刀具，则不能再从刀库中调“1”号刀具。项目五对刀及刀具补偿一、对刀对刀方法与具体操作同数控铣床。二、刀具长度补偿设置加工中心上使用的刀具很多，每把刀具的长度和到Z坐标零点的距离都不相同，这些距离的差值就是刀具的长度补偿值，在加工时要分别进行设置，并记录在刀具明细表中，以供机床操作人员使用。一般有两种方法：1、机内设置这种方法不用事先测量每把刀具的长度，而是将所有刀具放入刀库中后，采用Z向设定器依次确定每把刀具在机床坐标系中的位置，具体设定方法又分两种。（1）第一种方法将其中的一把刀具作为标准刀具，找出其它刀具与标准刀具的差值，作为长度补偿值。具体操作步骤如下： 将所有刀具放入刀库，利用Z向设定器确定每把刀具到工件坐标系Z向零点的距离，如图5-2所示的A、B、C，并记录下来；选择其中一把最长（或最短）、与工件距离最小（或最大）的刀具作为基准刀，如图5-2中的T03（或T01），将其对刀值C（或A）作为工件坐标系的Z值，此时H03=0；确定其它刀具相对基准刀的长度补偿值，即H0仁|C-A|,H02=|C-B|,正负号由程序中的G43或G44来确定。 将获得的刀具长度补偿值对应刀具和刀具号输入到机床中。2）第二种方法将工件坐标系的Z值输为0，调出刀库中的每把刀具，通过Z向设定器确定每把刀具到工件坐标系Z向零点的距离，直接将每把刀具到工件零点的距离值输到对应的长度补偿值代码中。正负号由程序中的G43或G44来确定。2、机外刀具预调结合机上对刀这种方法是先在机床外利用刀具预调仪精确测量每把在刀柄上装夹好的刀具的轴向和径向尺寸，确定每把刀具的长度补偿值，然后在机床上用其中最长或最短的一把刀具进行Z向对刀，确定工件坐标系。这种方法对刀精度和效率高，便于工艺文件的编写及生产组织。三、刀具半径补偿设置进入刀具补偿值的设定页面，移动光标至输入值的位置，根据编程指定的刀具，键入刀具半径补偿值，按INPUT键完成刀具半径补偿值的设定。项目六程序输入及调试一、程序输入程序的输入有多种形式，可通过手动数据输入方式（MDI）或通信接口将加工程序输入机床，也可实行在线加工。二、程序调试由于加工中心的加工部位比较多，使用的刀具也比较多。为方便加工程序的调试，一般根据加工工艺的安排，针对每把刀具将各个加工部位的加工内容编制为子程序，而主程序主要包含换刀命令和子程序调用命令。程序的调试可利用机床的程序预演功能或以抬刀运行程序方式进行，依次对每个子程序进行单独调试。在程序调试过程中，可根据实际情况修调进给倍率开关。项目七程序运行在程序正式运行之前，要先检查加工前的准备工作是否完全就绪。确认无误后，选择自动加工模式，按下数控启动键运行程序，对工件进行自动加工。在自动运行程序加工过程中，如果出现危险情况时，应迅速按下紧急停止开关或复位键，终止运行程序。项目八零件检测将加工好的零件从机床上卸下，根据零件不同尺寸精度、粗糙度、位置度的要求选用不同的检测工具进行检测。项目九关机零件加工完成后，清理现场，再按与开机相反的顺序依次关闭电源。零件加工实例一、加工要求加工如图5-3所示零件。零件材料为LY12，单件生产。零件毛坯已加工到尺选用设备：V-80加工中心二、准备工作加工以前完成相关准备工作，包括工艺分析及工艺路线设计、刀具及夹具的选择、程序编制等。、操作步骤及内容1、开机，各坐标轴手动回机床原点2、刀具准备根据加工要求选择20立铣刀、5中心钻、8麻花钻各一把，然后用弹簧夹头刀柄装夹20立铣刀，刀具号设为T01，用钻夹头刀柄装夹5中心钻、8麻花钻，刀具号设为T02、T03,将对刀工具寻边器装在弹簧夹头刀柄上，刀具号设为T04。3、将已装夹好刀具的刀柄采用手动方式放入刀库，即）输入“T01M06”，执行1 ）手动将T01刀具装上主轴）按照以上步骤依次将T02、T03、T04放入刀库4、清洁工作台，安装夹具和工件将平口虎钳清理干净装在干净的工作台上，通过百分表找正、找平虎钳，再将工件装正在虎钳上。5、对刀，确定并输入工件坐标系参数）用寻边器对刀，确定X、Y向的零偏值，将X、Y向的零偏值输入到工件坐标系G54中，G54中的Z向零偏值输为0；1 ）将Z轴设定器安放在工件的上表面上，从刀库中调出1号刀具装上主轴，用这把刀具确定工件坐标系Z向零偏值，将Z向零偏值输入到机床对应的长度补偿代码中，“”、“-”号由程序中的G43、G44来确定，如程序中长度补偿指令为G43，则输入“-”的Z向零偏值到机床对应的长度补偿代码中；）以同样的步骤将2号、3号刀具的Z向零偏值输入到机床对应的长度补偿代码中。6、输入加工程序将计算机生成好的加工程序通过数据线传输到机床数控系统的内存中。7、调试加工程序采用将工件坐标系沿Z向平移即抬刀运行的方法进行调试。1）调试主程序，检查3把刀具是否按照工艺设计完成换刀动作；2）分别调试与3把刀具对应的3个子程序，检查刀具动作和加工路径是否正确。8、自动加工确认程序无误后，把工件坐标系的Z值恢复原值，将快速移动倍率开关、切削进给倍率开关打到低档，按下数控启动键运行程序，开始加工。加工过程中注意观察刀具轨迹和剩余移动距离。9、取下工件，进行检测选择游标卡尺进行尺寸检测，检测完后进行质量分析10、清理加工现场11、关机2.4常用车削数控代码241、GOO与G01G00运动轨迹有直线和折线两种，该指令只是用于点定位，不能用于切削加工.GO1按指定进给速度以直线运动方式运动到指令指定的目标点，一般用于切削加工.242、G02与G03G02:顺时针圆弧插补G03逆时针圆弧插补243、G04延时或暂停指令）一般用于正反转切换、加工盲孔、阶梯孔、车削切槽.2.4.4、G17、G18、G19平面选择指令，指定平面加工，一般用于铣床和加工中心.G17:X-Y平面，可省略，也可以是与X-Y平面相平行的平面.G18:X-Z平面或与之平行的平面，数控车床中只有X-Z平面，不用专门指定G19:Y-Z平面或与之平行的平面.245、G27、G28、G29参考点指令G27返回参考点，检查、确认参考点位置G28:自动返回参考点（经过中间点）G29从参考点返回，与G28配合使用.246、G40、G41、G42半径补偿G40:取消刀具半径补偿.247、G43、G44、G49长度补偿G43:长度正补偿G44:长度负补偿G49:取消刀具长度补偿.2.4.8、G32、G92、G76,G32:螺纹切削G92:螺纹切削固定循环G76:螺纹切削复合循环.249、车削加工：G70、G71、72、G73G71:轴向粗车复合循环指令G70:精加工复合循环G72:端面车削，径向粗车循环G73:仿形粗车循环.2410、铣床、加工中心：G73:高速深孔啄钻G83:深孔啄钻G81：钻孔循环G82：深孔钻削循环G74:左旋螺纹加工G84:右旋螺纹加工G76:精镗孔循环G86:镗孔加工循环G85:铰孔G80:取消循环指令.2.4.11、编程方式G90、G91:G90绝对坐标编程G91:增量坐标编程.2.4.12、主轴设定指令G50:主轴最高转速的设定G96:恒线速度控制G97:主轴转速控制（取消恒线速度控制指令）G99:返回到R点（中间孔）G98:返回到参考点（最后孔）.2.4.13、主轴正反转停止指令M03、M04、M05M03:主轴正传M04:主轴反转M05:主轴停止.2.4.14、切削液开关M07、M08、M09M07:雾状切削液开M08:液状切削液开M09:切削液关.2415、运动停止M00、M01、M02、M30M00:程序暂停M01:计划停止M02:机床复位M30:程序结束，指针返回到开头.2416、M98:调用子程序17、M99:返回主程序.