9.1數(shù)控機床的基本組成 9.2數(shù)控機床加工特點

9.3數(shù)控編程的種類

以數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)機床主運動與進給運動的自動化控制，這種機床稱為數(shù)控機床。在數(shù)控機床上，零件加工的全過程是由數(shù)控指令控制。數(shù)控指令是被加工零件的幾何信息和工藝信息按規(guī)定格式編寫的數(shù)字化代碼，稱為數(shù)控加工程序。

數(shù)控機床主要是由輸入與輸出裝置、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、機床主機和其他輔助裝置組成。數(shù)控裝備的供應(yīng)廠家，一般將輸入、輸出裝置，數(shù)控裝置，位置控制和速度控制等部分集成在一起(如圖9-1)稱為CNC系統(tǒng)。9.1數(shù)控機床的基本組成圖9-1數(shù)控機床將數(shù)控加工程序以適當(dāng)?shù)姆绞捷斎氲綌?shù)控機床的數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置會對數(shù)控加工程序的代碼進行各種數(shù)值運算與處理，得到的結(jié)果以數(shù)字信號的形式傳送給機床的伺服電機(如步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等)，經(jīng)傳動裝置(如滾珠絲杠螺母副等)，使機床按數(shù)控程序規(guī)定的順序、速度和位移量進行工作，從而加工出符合圖紙技術(shù)要求的

零件。9.1.1輸入與輸出裝置

1．輸入裝置

輸入裝置是將數(shù)控指令傳輸給數(shù)控系統(tǒng)的裝置。輸入方式有手動輸入和直接輸入兩種方式。

1)手動輸入方式

手動輸入是由操作者將數(shù)控程序直接輸入數(shù)控系統(tǒng)中，有三種輸入方式：

(1)操作者在數(shù)控裝置操作面板上用鍵盤輸入加工程序的指令，稱為MDI功能，適用于比較短的程序，只能使用一次，機床動作后程序即消失。MDI功能允許手動輸入一個命令或一段程序的指令，并即時啟動運行。

(2)在控制裝置編輯狀態(tài)下，用軟件輸入加工程序，并存入控制裝置的存儲器中，稱為EDIT功能。這種輸入方法可重復(fù)使用程序，一般手工編程均采用這種方法。

(3)在具有會話編程功能的數(shù)控裝置上，按照顯示器上提示，以人機對話的方式，輸入有關(guān)的尺寸數(shù)值，就可自動生成加工程序。

2)直接輸入方式

直接輸入方式是指零件加工程序在上級計算機中生成，以計算機與數(shù)控裝置直接通信的方式傳輸程序，CNC系統(tǒng)一邊加工一邊接收來自上級計算機的后續(xù)程序段。這種方式是采用CAD/CAM軟件設(shè)計的復(fù)雜工件并直接生成零件加工程序的情況。

2．輸出裝置

輸出裝置有數(shù)碼管顯示、視頻顯示器、液晶顯示器和輸出接口等。通過軟件與接口，可以在顯示器上顯示程序、加工參數(shù)、各種補償量、坐標(biāo)位置、故障信息，并可以采用人機對話編輯加工程序、零件圖形、動態(tài)刀具軌跡等。先進的數(shù)控系統(tǒng)有豐富的顯示功能，如具有實時圖形顯示、PLC梯形圖顯示和多窗口的其他顯示功能。9.1.2數(shù)控系統(tǒng)

現(xiàn)代數(shù)控機床采用的數(shù)控系統(tǒng)均為計算機數(shù)字控制(CNC系統(tǒng))。按數(shù)控裝置的功能不同，數(shù)控系統(tǒng)分為三大類型：點位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)和輪廓控制系統(tǒng)。

1．點位控制系統(tǒng)

這類數(shù)控裝置在運動過程中不進行切削加工，對運動軌跡沒有要求，要求有較高的終點定位精度。數(shù)控程序中一般不指定進給速度，均按事先規(guī)定的速度(較快的定位速度)運動(如圖9-2)。該系統(tǒng)常用于數(shù)控鉆床和數(shù)控鉆鏜床上。圖9-2點位控制系統(tǒng)

2．直線控制系統(tǒng)

直線運動控制系統(tǒng)通常在坐標(biāo)軸運動的同時進行切削加工，坐標(biāo)軸的驅(qū)動要承受切削力。指令中要給出下一位置的數(shù)值，同時給出移動到該位置的進給速度(如圖9-3)。圖9-3直線控制系統(tǒng)

3．輪廓控制系統(tǒng)

輪廓控制系統(tǒng)是兩個或兩個以上的坐標(biāo)軸根據(jù)指令要求協(xié)調(diào)地運行。指令中指明運動輪廓曲線的類型(點位、直線、順圓、逆圓、拋物線及樣條曲線等)，并指出下一點的位置和移動至該位置的進給速度(如圖9-4)。各坐標(biāo)軸的進給速度是根據(jù)輪廓各軸相互位置關(guān)系而變化的。在輪廓控制系統(tǒng)中采用插補運算來處理各坐標(biāo)軸速度的變化。各坐標(biāo)軸一邊移動，刀具一邊進行切削，各坐標(biāo)軸均承受切削力。數(shù)控車床、數(shù)控銑床及加工中心等均為輪廓控制系統(tǒng)。能進行輪廓控制的CNC系統(tǒng)，也能進行直線控制或點位控制。先進的數(shù)控系統(tǒng)都屬于輪廓控制的CNC系統(tǒng)。圖9-4輪廓控制系統(tǒng)9.1.3伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)與機床主機聯(lián)接的重要環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件。伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動裝置和執(zhí)行機構(gòu)兩大部分。驅(qū)動裝置由主軸驅(qū)動單元、進給驅(qū)動單元和主軸伺服電機、進給伺服電機組成。步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機是常用的伺服元件。執(zhí)行機構(gòu)(如主軸箱、工作臺、轉(zhuǎn)位刀架等)由相應(yīng)的驅(qū)動裝置來驅(qū)動。

伺服電機的類型有直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機和直線電機。

伺服系統(tǒng)的分類有開環(huán)控制伺服系統(tǒng)、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。

伺服系統(tǒng)檢測元件有直線型檢測元件(如磁尺)和回轉(zhuǎn)型的檢測元件(如脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和光柵等)。9.1.4數(shù)控機床主機

由于數(shù)控機床的機械構(gòu)件要求傳動剛度和傳動精度更高，傳動系統(tǒng)更具穩(wěn)定性，快速響應(yīng)能力更強，因此數(shù)控機床主機中的關(guān)鍵部件，如機床床身、導(dǎo)軌副、絲杠螺母副等，其特殊結(jié)構(gòu)是普通機床所沒有的。機床床身結(jié)構(gòu)要求采用具有高剛度、高抗震性及較小熱變形的機床新結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代數(shù)控機床可以采用焊接床身，它比鑄造床身的剛度有較大的提高。數(shù)控系統(tǒng)要求機床導(dǎo)軌運動輕便、靈活，摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)的差別小，啟動阻力小，低速運行時無爬行現(xiàn)象等。常用的機床導(dǎo)軌有滾動直線導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌塊和貼塑導(dǎo)軌。滾珠絲杠螺母副在絲杠和螺母的圓弧螺旋槽之間裝有滾珠作為傳動元件，因而摩擦系數(shù)小，傳動效率可達(dá)90％～95％，動、靜摩擦系數(shù)相差小；在施加預(yù)緊后，軸向剛度好，傳動平穩(wěn)，無間隙，不易產(chǎn)生爬行，隨動精度和定位精度都較高。滾珠絲杠螺母副是目前數(shù)控機床進給系統(tǒng)最常用的機械結(jié)構(gòu)之一。但是滾珠絲杠螺母副安裝時要通過預(yù)緊消除間隙保證換向精度。9.1.5數(shù)控機床的輔助裝置

數(shù)控機床的輔助裝置包括：氣動、液壓裝置，排屑、冷卻、潤滑裝置，回轉(zhuǎn)工作臺和數(shù)控分度頭，防護、照明等裝置。應(yīng)用氣動、液壓系統(tǒng)，可以使機床完成自動換刀所需的動作，實現(xiàn)運動部件的制動和滑移齒輪移動變速，完成工作臺的自動夾緊、松開，工件、刀具定位表面的自動吹屑等輔助功能。數(shù)控機床加工具有如下特點：

(1)數(shù)控機床精度高。數(shù)控機床的機床結(jié)構(gòu)具有很高的剛度和熱穩(wěn)定性，并采取了減小誤差的措施，有了誤差還可以由數(shù)控裝置進行補償，所以數(shù)控機床有較高的加工精度。數(shù)控機床的傳動系統(tǒng)采用無間隙的滾珠絲杠、滾動導(dǎo)軌、零間隙的齒輪機構(gòu)等，大大提高了機床傳動剛度、傳動精度與重復(fù)精度。先進的數(shù)控機床采用直線電機技術(shù)，使機床的機械傳動誤差為零。數(shù)控系統(tǒng)的誤差補償功能消除了系統(tǒng)誤差。數(shù)控機床是自動加工，消除了人為誤差，提高了同批零件加工尺寸的一致性，加工質(zhì)量穩(wěn)定，一次安裝能進行多道工序的連續(xù)加工，減少了安裝誤差。9.2數(shù)控機床加工特點

(2)數(shù)控機床能加工形狀復(fù)雜的零件。數(shù)控機床采用二軸以上聯(lián)動的數(shù)控機床，可以加工母線為曲線的旋轉(zhuǎn)體、凸輪、各種復(fù)雜空間曲面的零件，能完成普通機床難完成的加工。例如船用螺旋槳是空間曲面體復(fù)雜零件，加工時采用端面銑刀，五軸聯(lián)動臥式數(shù)控機床才能進行加工。

(3)數(shù)控機床生產(chǎn)率高。數(shù)控機床配備有轉(zhuǎn)位刀架、刀庫等自動換刀機構(gòu)，機械手能自動裝卸刀具與工件，大大節(jié)省了輔助時間；生產(chǎn)過程無需檢驗，節(jié)省了檢驗時間；當(dāng)加工零件改變時，除了重新裝夾工件和更換刀具外，只需更換程序，節(jié)省了準(zhǔn)備與調(diào)整時間。與普通機床相比，數(shù)控機床的生產(chǎn)效率可提高2～3倍，加工中心生產(chǎn)效率可提高十幾倍至幾十倍。采用高速切削數(shù)控加工時還采用小直徑刀具、小切深、小切寬、快速多次走刀來提高切削效率。高速加工的切削力大幅度減小，需要的主軸扭矩相應(yīng)減小，工件的變形也小。高速切削不但提高了生產(chǎn)率，也有利于提高加工精度，降低表面粗糙度。

(4)數(shù)控機床適應(yīng)性強，能適應(yīng)不同品種、規(guī)格和尺寸的工件加工。當(dāng)改變加工零件時，只需用通用夾具裝夾工件、更換刀具、更換加工程序，就可立即進行加工。計算機數(shù)控系統(tǒng)能利用系統(tǒng)控制軟件靈活地增加或改變數(shù)控系統(tǒng)的功能，使其適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。

(5)數(shù)控機床是機械加工自動化的基本設(shè)備。柔性加工單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)以及計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)都是以數(shù)控機床為主體，根據(jù)不同的加工要求及不同對象，由一臺或多臺數(shù)控機床，配合其他輔助設(shè)備(如運輸小車、機器人、可換工作臺、立體倉庫等)而構(gòu)成自動化的生產(chǎn)系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)具有通信接口，易于進行與計算機間的通信，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的計算機管理與控制。

(6)數(shù)控機床的造價比普通機床高，加工成本相對較高。所以，不是所有零件都適合在數(shù)控機床上加工，它有一定的加工適用范圍。要根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)類型、結(jié)構(gòu)大小、復(fù)雜程度來決定其是否適合用數(shù)控機床加工。通用機床適合于單件、小批量生產(chǎn)或加工結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的工件。專用機床適合于大批量工件的加工。數(shù)控機床適合于復(fù)雜工件的成批加工。

(7)數(shù)控機床對管理、操作、維修和編程人員的技術(shù)水平要求比較高。數(shù)控機床造價昂貴，是企業(yè)中關(guān)鍵產(chǎn)品、關(guān)鍵工序的關(guān)鍵設(shè)備，一旦故障停機，其影響和損失是很大的。數(shù)控機床作為機電一體化設(shè)備有其自身的特點。數(shù)控機床的使用效果很大程度上取決于使用者的技術(shù)水平，數(shù)控加工工藝的擬定以及數(shù)控程序編制的正確與否。所以，數(shù)控機床的使用技術(shù)不是一般設(shè)備使用的問題，而是人才、管理、設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用工程。數(shù)控機床的使用人員要有豐富的工藝知識，同時在數(shù)控技術(shù)應(yīng)用等方面有較強的操作能力，以保證數(shù)控機床有較高的完好率與開工率。數(shù)控編程分為手工編程與自動編程兩類。

9.3.1手工編程

手工編程的步驟如下：

(1)確定工藝過程。根據(jù)零件圖紙進行工藝分析，確定零件加工的工藝路線、工步順序、切削用量等工藝參數(shù)，并確定采用的刀具與刀具數(shù)量。9.3數(shù)控編程的種類

(2)計算加工軌跡和尺寸。

(3)編寫程序清單并校驗。

(4)輸入程序清單的內(nèi)容，即通過輸入裝置將數(shù)控程序單的內(nèi)容輸入到數(shù)控裝置中。

(5)數(shù)控程序的校驗和試切。啟動數(shù)控裝置，使數(shù)控機床進行空運轉(zhuǎn)，檢查程序運動軌跡的正確性。用木料或塑料制品代替工件進行試切，檢查切削用量的正確性。

(6)首件試切。9.3.2自動編程

借助計算機編制數(shù)控加工程序的過程，稱