数控铣床的应用与实践.docx

1、数控铣床的应用与实践第一章 概述1.1 数控机床的基本组成及加工原理1.1.1 数控机床的组成及工作原理数控机床主要有以下几个部分组成，如图1.1所示。图1.1数控机床的组成1. 计算机数控装置（CNC装置）计算机数控装置是计算机数控系统的核心。其主要作用是根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），完成零件加工程序或操作者所要求的工作。所有这些都是在CNC装置协调控制、合理组织下，使整个系统有条不紊地工作。他主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、扩展功能模块以及相应的控制软件等模块组成。2. 伺服驱动单元

2、、驱动装置和测量装置伺服驱动单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置、主轴电动机、进给伺服驱动装置及进给电动机。测量装置是指位置和速度测量装置，他是实现主轴、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。它是实现主轴、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制量为速度。进给伺服系统的主要作用是实现加工的成形运动，其控制量为速度和位置，特点是能灵敏、准确地实现CNC装置的位置和速度指令3. 控制面板控制面板又称为操作面板，是操作人员与数控机床（系统）进行信息交互的工具。操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试或对机床参数进行修改

3、和设定，也可以通过他了解对或查询数控机床（系统）的运行状态。它是数控机床的一个输入输出部件，主要由按扭站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器等部分组成4. 控制介质与程序输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介，是人与机床建立联系的介质。程序输入输出设备是CNC系统与外部设备进行信息交互的装置，其作用是将记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统，或将已调试好的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的介质上。目前数控机床常用的控制介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。此外，现代数控系统一般可利用通信方式进行信息交换。这种方式是实现CAD（计算机辅助设计）/CAM（计

4、算机辅助制造）的集成、FMS（柔性制造系统）和CIMS（计算机集成制造系统）的基本技术。目前数控机床上常用的通信方式有：（1） 串行通信；（2） 自动控制专用接口；（3） 网络技术。5. PLC、机床I/O（输入/输出）电路和装置PLC是用于进行计算机逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制，它有硬件和软件组成。机床I/O电路和装置是用于实现I/O控制的执行部件，是由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。它们共同完成以下任务：（1）接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并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；（2）接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经

5、其处理后输出指令控制的CNC系统的工作状态和机床的动作。6. 机床本体机床本体是数控系统的控制对象，是实现加工零件的执行部件。它主要有主运动部件（主轴、主运动传动机构）、进给传动部件（工作台、拖板及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置、自动工件交换（APC）系统、自动刀具交换（ATC）系统和辅助装置（如冷却、润滑、排削、转位和夹紧装置等）组成。1.1.2 数控机床的基本加工原理 数控机床加工零件时，先将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等)和步骤以及与工件之间的相对位移等都用数字化的代码表示，并按工艺先后顺序组织成“NC程

6、序”，通过介质(如软盘、电缆等)或手工将其输入到机床的NC存储单元中，NC装置对输入的程序、机床状态、刀具偏置等信息进行处理和运算，发出各种驱动指令来驱动机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出尺寸和形状都符合预期结果的零件。数控加工中数据转换过程如图1.2所示： 图1.2 数控加工中数据转换过程 1. 译码(解释) 译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用

7、处理等数据或标志的存放顺序和格式。 2. 刀补处理(计算刀具中心轨迹) 用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。 3. 插补计算 本模块以系统规定的插补周期t定时运行，它将由各种线形（直线，圆弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在t位移指令（X1、 Y1、），并送给进给伺服系统，实现成形运动。 4. PLC控制PLC控制是对机床动作的“顺序控制”。即以CNC部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序

8、对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。5. 数控加工轨迹控制原理（1） 逼近处理1 如图1.3所示，为欲加工的圆弧轨迹L，起点为P0，终点为Pe。CNC装置先对圆弧进行逼近处理。 图1.3 数控加工原理图系统按插补时间t和进给速度F的要求，将 L分割成若干短直线 L1，L2， Li，这里： Li = Ft （i=1，2，）其中F：给定的进给速度 t：数控系统插补周期 用直线Li逼近圆弧存在着逼近误差，但只要足够小（Li足够短），总能满足零件的加工要求。 当F为常数时，而t对数控系统而言恒为常数，则Li的长度也为常数L，只是其斜率与其在L上的位

9、置有关。 （2）指令输出 将计算出ti 在时间的和作为指令输出给Y轴，以控制它们联动。即：DXi X 轴； DYi Y 轴。 2 只要能连续自动地控制X，Y 两个进给轴在ti时间移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。1. 数控机床的分类数控机床的种类很多，从不同的角度进行考察，就有不同的分类方法，通常有以下几种分类方法。1.2.1 按控制功能分类1. 点位控制数控机床这类数控机床只能控制两个坐标轴带动刀具或者工作台，从一点（坐标位置）准确的快速移动到下一个点（坐标位置），然后控制第三个坐标进行钻、镗等切削加工。他具有较高的位置定位精度，在移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有要求。点位控

10、制的数控机床主要用于加工平面的空系，主要有数控钻床、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等。2. 直线控制数控机床这类数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，从一点以一条直线准确的移动到下一个点，移动过程中能进行切削加工，进给速度根据切削条件可在一定围调节。现代组合机床采用的数控进给伺服系统，驱动动力头带着多轴箱向进给进行钻、镗等切削加工，它可以算做一种直线控制的数控机床。3. 轮廓控制数控机床这类数控机床具有控制几个轴同时进行协调运动，即多坐标轴联动的能力，使刀具相对于工件按程序规定轨迹和速度运动，能在运动过程中进行连续切削加工。这类数控机床有用于加工曲线和曲面形状零件的数控车床、数控铣床、

11、数控加工中心等。现代的数控机床基本上都是这种类型。若根据其联动的轴数还可以细分为2轴（X、Z轴联动或X、Y轴联动）、2.5轴联动（任意两轴联动或第三轴周期进给）、3轴联动（X、Y、Z 3轴联动）、4轴联动（X、Y、Z和A或B 4轴联动）、5轴联动（X、Y、Z和A、C或X、Y、Z和A、B 5轴联动）联动数控机床。轴动坐标轴数越多，加工程序的编制程序越难，通常3轴以上的零件的加工程序只能采用自动编程系统编制。1.2.2. 按进给伺服系统类型分类数控系统的进给伺服子系统有无位置测量反馈装置可分为开环数控机床和闭环数控机床，在闭环数控系统中，根据位置测量装置安置位置的不同又可分为全闭环和半闭环两种。1

12、. 开环数控机床类机床不带位置检测反馈装置，通常用步进电机作为执行机构。输入数据经过数控系统的运算，发出脉冲指令，使步进电机转过一个步距角，再通过机械传动机构转换为工作台的直线移动，移动部件的移动速度和位移量由输入脉冲的频率和脉冲个数所决定。图1.4为开环进给伺服系统示意图：1.4开环进给伺服系统2. 半闭环数控机床半闭环控制数控机床： 在电机的端头或丝杠的端头安装检测元件（如感应同步器或光电编码器等），通过检测其转角来间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控系统中。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路，因此可获得较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床，但调试比较方便，因而被广

13、泛采用。图1.5为半闭环进给伺服系统示意图：1.5为半闭环进给伺服系统3. 闭环数控机床闭环控制数控机床：这类数控机床带有位置检测反馈装置，其位置检测反馈装置采用直线位移检测元件，直接安装在机床的移动部件上，将测量结果直接反馈到数控装置中，通过反馈可消除从电动机到机床移动部件整个机械传动链中的传动误差，最终实现精确定位。图1.6为闭环伺服系统示意图：1.6为闭环伺服系统1.2.3 按加工工艺分类1. 金属切削类数控机床与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大的差别，具体的控制方式也各不相同，但它们都具有很

14、好的精度一致性，较高的生产率和自动化程度。在普通数控机床上加装一个刀库和一个自动换刀装置就成为数控加工中心。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如：铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后可以对其大部分加工面完成铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹多工序加工，特别适合箱体零件类加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。2. 特种加工类数控机床除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数

15、控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。3. 板材类数控加工机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机、数控折弯机等。近年来，非加工设备也大量采用数控技术，如：数控多坐标测量机、自动绘图机、及工业机器人等。.3 数控机床的特点及应用围1.3.1 数控机床的加工特点1. 加工精度高加工精度高 数控机床是以数字形式给出指令进行加工的，由于目前数控装置的脉冲当量 ( 即每输出一个脉冲后数控机床移动部件相应的移动量 ) 一般达到了 0.001mm，而进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿。数控机床的加工精度由过去的0.01mm提高到0.005

16、mm 。定位精度90年代初中期已达到了0.002mm0.005mm 。此外，数控机床的传动系统与机床结构都具有很高的刚度和热稳定性，制造精度高。数控机床的自动加工方式避免了人为的干扰因素，同一批零件的尺寸一致性好，产品合格率高，加工质量十分稳定。2. 对加工对象的适应性强在数控机床上改变加工零件时只需重新编制（更换）程序，输入新的程序后就能实现对新零件的加工。这就为复杂结构的单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的方便。对普通手工操作的机床很难加工或根本无法加工的精密复杂零件，数控机床也能实现精密自动的加工。3. 自动化程度高，劳动强度低数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作

17、者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成、不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。4. 生产效率高零件加工所需要的时间包括在线加工时间与辅助时间两部分。数控机床能够有效地减少这两部分时间，因而加工生产率比一般机床高得多。数控机床主轴转速和进给量的围比普通机床的围大，每一道工序都能选用最有利的切削用量，良好的结构刚性允许数控机床进行大切削用量的强力切削，有效地节省了在线加工时间。数控机床移动部件的快速移动和定位均采用了加速与减速措施，由于选用了很高的空行程运动速度，因而消耗在快

18、进、快退和定位的时间要比一般机床少得多。 数控机床在更换被加工零件时几乎不需要重新调整机床，而零件又都安装在简单的定位夹紧装置中，可以节省用于停机进行零件安装调整的时间。数控机床的加工精度比较稳定，一般只做首件检验或工序间关键尺寸的抽样检验，因而可以减少停机检验的时间。在使用带有刀库和自动换刀装置的数控加工中心时，在一台机床上实现了多道工序的连续加工，减少了半成品的周转时间， 生产效率的提高就更为明显。5. 良好的经济效益使用数控机床加工零件时，分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的。但在单件、小批生产情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济

19、效益。6. 有利于现代化管理用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。数控机床使用数字化信息与标准代码输入，适用于数字计算机联网，成为计算机辅助设计、制造及管理一体化的基础数控机床在应用中也有不利的一面，如提高了起始阶段的投资，对设备维护的要求较高，对操作人员的技术水平要求较高等。1.3.2 数控机床的使用特点1. 数控机床对操作维修人员的要求数控机床采用计算机驱动控制，驱动装置的技术复杂，机床的精度要求很高。因此数控机床使用不是简单的设备使用问题，而是一项技术应用工程，这就要求人员具有较高的文化水平和技术素

20、质数控机床的加工根据程序进行，在零件的形状不甚复杂的情况下，可由操作人员手工或者利用计算机编制程序。程序编制的要求既有一定的技术理论又有一定的技巧，而程序的设计直接影响数控机床的加工精度。因此数控机床的操作人员除了应具有一定的工艺知识和普通机床的操作经验之外，还应对数控机床的结构特点、工作原理非常了解，须在程序编制方面进行专门的培训，经考核合格才能上机操作。事实上，数控机床使用过程中的许多问题都是由于编制程序错误和操作使用不当引起的。当零件的形状比较复杂时，手工编程就很困难，而且往往容易出错。因此必须采用计算机自动编程，一般需要配备专门的程序设计人员。2. 数控机床对夹具和刀具的要求单件生产时

21、一般采用通用夹具。当批量生产时，为了节省加工工时，应用专用夹具。数控机床的夹具应定位可靠，可自动夹紧或松开工件还应具备良好的排削和冷却功能。数控机床的刀具应该有以下特点：（1）具有较高的精度和耐用度，几何尺寸稳定、变化小；（2）刀具能实现机外预调和快速换刀，加工高精度孔时要经试切确定其尺寸；（3）刀具应具有柄部标准系列；（4）具有良好的可冷却性能（5）很好的控制刀具的折断、卷曲和排出。1.3.3 数控机床的应用围数控机床具有一般机床所不具备的许多优点的，数控机床的应用围正在不断的扩大，但它并不能完全代替普通机床、组合机床和专用机床，而且不是任何情况下都是能最经济的方式解决机械加工中的问题。数控

22、机床最适合加工具有以下特点的零件：（1） 多品种小批量生产的零件；（2） 形状结构比较复杂的零件；（3） 精度要求高的零件；（4） 需要频繁改型的零件；（5） 价格昂贵，不允许报废的关键零件；（6） 需要生产周期短的急需零件；（7） 批量较大，精度要求高的零件。但在使用数控机床的时，如有以下问题也需考虑：（1） 数控机床初始投资费用大；（2） 对操作、维修及管理人员的素质要求高；（3） 维修和维护费用高，技术难度大。第二章 数控铣加工实例（可乐瓶）数控铣削是机械加工中最常用的数控加工方法之一，它除了能铣削普通机床所能铣削的各种零件表面之外，还能铣削普通机床不能铣削的25坐标联动的各种表面轮廓和

23、立体轮廓。根据数控铣床的特点，从铣削加工的角度来考虑，适合数控铣削的主要加工对象有三类：（1） 平面类零件 加工平行或者垂直于水平面，或者加工面与水平面的夹角为定角的零件为平面类零件。现在数控铣床上加工的绝大多数零件属于平面类零件，平面类零件的特点是各个加工面是平面或可以展开成平面。（2） 变斜角类零件 加工面与水平面的夹角呈持续变化的零件称为变斜角类零件，如：飞机上的整体梁、缘条、肋等。变斜角类零件的变斜角加工面不能展开成平面但在加工时铣刀圆周接触的瞬间成为一条线，最好采用四坐标或五坐标数控铣床摆角加工，也可以采用三坐标轴数控铣床进行两轴半近似加工。（3） 曲面类零件加工面为空间曲面的零件成

24、为曲面类零件，如：模具、叶片、螺旋桨等曲面类零件加工面不能展开为平面，加工时，加工面与铣刀始终为点接触。加工曲面类零件一般采用三坐标轴数控铣床。当曲面较复杂、通道较狭窄、会伤及毗邻表面及需刀具摆动时，要采用四坐标或五坐标数控铣床。可乐瓶底的加工2.1 工件加工前的准备工作2.1.1 毛坯的选择和确定可乐瓶模具的尺寸：100mm100mm50mm；材料选择为P20钢。可乐瓶的曲面及渲染图见图2.1所示毛坯设置为一个100mm100mm50mm的长方形精铸件。2.1可乐瓶的渲染图和曲面2.1.2 工艺分析零件分析：可乐瓶的造型就是由一复杂的曲面A和底部一小平面B组成，如图2.1所示。零件的整体形状

25、是陡峭的，因此，可以采用等高线粗加工和等高线精加工来完成可乐瓶加工，但是，除了采用等高线粗加工之外，还可以采用插铣式粗加工，即用类似钻空的方式实现零件的粗加工。可乐平底部角落的最小半径为7.5mm，因此可以用半径为8mm的刀具做插铣式粗加工，用半径为5mm的球头刀完成等高线精加工。加工原点：以可乐瓶A曲面的上端缘平面的中心为原点。安全高度：因可乐瓶最高点的Z坐标为0，所以安全高度可设为30mm，其始点坐标为（0，0，50）。毛坯是100mm100mm50mm的长方形状。根据对零件的分析，加工步骤如下：（1）用直径为16mm的球头刀做插铣式粗加工（2）用直接为10mm的球头刀做等高线精加工2.1

26、.3 工件装夹因为工件是长方体的标准件，而且加工中不许要改换加工面和更换装夹。所以可以直接用虎钳装夹夹紧进行加工。2.1.4 绘制图纸和生成程序利用机械制图软件，比如PRO/E、CAD、UG、制造工程师等软件绘出图纸（造型），然后根据工艺分析选择加工方式和设置刀具参数、路线，然后通过软件生成程序2.2 利用制造工程师绘制图纸可乐瓶底的造型图2.1是可乐瓶瓶底的渲染图和线框图，2.2为骨架曲线在X0Y面上的投影俯视图，由线框图和俯视图我们可以看出骨架由两类曲线组成，第一类是A类曲线，两两组成一组彼此间夹角为11.2，共为5组均匀分布在同一个圆周上，第二类是B类曲线，共5条分布在同一圆周上，A曲线

27、和B曲线的夹角为41.6。可乐瓶底就是由这两类骨架曲线放样组成的一曲面。2.2俯视线框图 A类曲线尺寸B类曲线尺寸分析骨架线的组成，得出该零件的造型方案（1） 绘制A曲线（2） 旋转拷贝A曲线并均匀分布到圆周上（3） 绘制B曲线（4） 旋转并拷贝B曲线均匀分布到圆周上（5） 将A类曲线和B类曲线做放样图从上述步骤可以看出两点：第一图2.2中的两个整圆在造型中没有起作用；第二整个造型中没有用实体造型，即造型结果是曲面模型而非实体模型。下面详细介绍几个步骤。1. 绘制A曲线如图2.3所示，绘制顺序为依次绘制曲线、和曲线及直线，然后过渡。图2.3 A曲线的绘制顺序（单位：mm）（1） 绘制曲线。a.

28、 按键盘功能键“F7”，切换到X0Z坐标平面上。b. 点击菜单：造型曲线生成圆弧，或点击其图表。c. 在立即菜单中选择相应的参数，如图2.4（a）所示。输入圆心坐标：（-47.0625，0，0），半径值：89.5625，结果如图2.4（b）所示（a）绘制圆弧的参数 （b）绘制完成圆弧图2.4绘制圆弧（2） 绘制直线点击菜单：造型曲线生成直线，或点击图表。从立即菜单中选择如图2.5（a）所示参数，并从键盘输入两点：（0，0，-32）和（8，0，-32）。结果如图2.5（b）所示2.5（a）绘制曲线的参数（b）绘制完成直线图2.5绘制直线（3） 绘制曲线点击菜单：造型曲线生成圆弧，或点其图表。在立

29、即菜单中选择相应的参数，如图2.6（a）所示。输入圆心坐标：（8，0，-38），半径值：6，结果如图2.6（b）所示。（a）绘制曲线的参数 （b）绘制完成曲线图2.6绘制曲线（4） 绘制曲线a. 点击菜单：造型曲线生成直线，或点其图表从立即菜单选择如图2.7（a）所示的参数。（a）绘制直线的参数（b）绘制完成直线图2.7绘制直线b. 系统提示：拾取曲线。拾取刚刚绘制完成的曲线，曲线变为拾取色（红色）。c. 系统提示：输入直线中点点击曲线的右端点，结果如图2.7（b）所示。d. 裁剪掉图2.7（b）中直线位于曲线的上半部分。点击菜单：造型曲线编辑曲线裁剪，或点其图标在立即菜单中，选择个参数如图2

30、.8（a）所示（a）裁剪直线的参数 （b）裁剪后的直线图2.8裁剪直线系统提示：拾取被裁剪线（选取被剪掉的段）点击直线的上半部分，该部分即被裁剪，如图2.8（b）所示（5） 绘制直线。点击菜单：造型曲线生成直线，或点图标从立即菜单中选择如图2.9（a）所示参数，并从键盘输入并从键盘输入两点：（8，0，-37）和（45，0，-37）。结果如图2.9（a）所示。（a）绘制直线的参数 （b）绘制完成直线图2.9绘制直线（6） 圆弧过渡曲线在曲线和之间直线和之间用半径为6mm的圆弧过渡。点击菜单：造型曲线编辑曲线过渡，或点其相应的图标。在立即菜单中选择如2.10（a）所示的菜单。系统提示：拾取第一条曲

31、线用鼠标拾取曲线的上半部，曲线将变成拾取色（红色）系统接着提示：拾取第二条曲线用鼠标拾取直线的左半部分，曲线和曲线过渡完成，如图2.10（b）所示系统提示：拾取第一条直线用鼠标拾取直线的上半部分系统提示：拾取第二条直线用鼠标拾取直线的右半部分，直线和曲线过渡完成，如图2.10（c）所示。（a）曲线过渡参数（b）曲线和直线过度完成 （c）直线和直线过渡完成图2.10曲线间的过渡（7） 将曲线及直线、组合成一条曲线。点击菜单：造型曲线编辑曲线组合，或点其相应图标系统弹出立即菜单，立即菜单有两个选项“删除原曲线”和“保留原曲线”，表示让用户选择将许多条曲线组合成一条取消后，原先的多条曲线是删除还是保留，此处选择“删除原曲线”，如下一行表示。系统提示：拾取曲线。此时按空格，屏幕上弹出曲线“拾取菜单”。其中有“链拾取”或“限制链拾取”或“单个拾取”三个选项，