数控车床是高精度.docx

基 础 篇

数控车床是高精度、高生产率的自动化机床。数控车床主要用来对旋转体零件进行车削、镗削、钻削、铰削和攻丝等加工。一般能自动完成内外圆柱面、圆锥面、球面、螺纹、槽及端面等切削加工。

& 数控车床的组成及工作流程
& 数控车床的分类
& 数控车床的加工特点
1.1 数控车床的组成及工作流程
1.1.1 组成及流程概述
从机械结构上看，数控车床还没有脱离普通车床的结构形式，一般主要由程序输入装置、数控装置、伺服系统、位置检测反馈装置和车床主体组成。
数控车床的工作流程可以简单地分为以下几步：根据图样进行工艺分析，确定加工方案→编写程序（手动或自动）→输入程序→完成相应零件的加工。
1.1.2 相关知识
1.1.2.1 数控车床的组成
数控车床的基本组成如图l-1所示。
1．输入装置
数控程序编制后需要存储在一定的介质上，控制介质就是由穿孔带或磁盘等存储数控程序的介质。目前，控制介质大致可分为纸介质和电磁介质两种，它们相应地通过不同方法将程序输入到数控装置中。

图1-1 数控车床原理图
纸带输入方法即在专用的纸带上穿孔，用不同孔的位置组成数控代码，再通过纸带阅读机将代表不同含义的信息读入。穿孔纸带使用ISO和EIA两种标准信息代码，数控机床能自动识别。
手动输入是将数控程序通过数控机床上的键盘输入，程序内容将存储在数控系统的存储器内，使用时可以随时调用。数控程序的产生由计算机编程软件或手工输入到计算机中，也可采用机床与计算机通信方式来传递数控程序到数控系统中。
2．数控装置
数控装置是数控机床的中枢，一般由输入装置、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置是数控车床的核心部分，它将接收到的数控程序经过编译、数学运算和逻辑处理后，输出各种信号到输出接口上。
3．伺服系统
伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。伺服系统通过接收数控装置输出的各种信号经过分配、放大、转换等，驱动各运动部件，完成零件的切削加工。
4．位置检测反馈装置

图1-2 数控车床的组成结构

位置检测和速度反馈装置根据系统要求不断测定运动部件的位置或速度，并转换成电信号传输到数控装置中，数控装置将接收的信号与目标信号进行比较、运算，对驱动系统不断进行补偿控制，以保证运动部件的运动精度。
5．车床主体
数控车床的主体由主轴、床身及导轨、刀架、尾座和进给机构等组成。它们的设计和制造应该具有结构先进、刚性好、制造精度高、工作可靠等优点，这样才能保证加工零件的高精度和高效率。如图1-2所示为数控车床的组成结构。
1.1.2.2 数控车床的工作流程
数控车床的工作流程如图1-3所示，具体如下。

图1-3 数控车床的工作流程
（1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。
（2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。
（3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。
（4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。手工编写 的程序可以通过数控机床的操作面板输入程序；编程软件生成的程序可通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。
（5）数控装置将所接收的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统发出执行的命令。
（6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。
1.2 数控车床的分类
1.2.1 分类概述
数控车床可分为卧式和立式两大类，卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。数控车床按刀架数量又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车床两类，前者是两坐标控制，后者是4坐标控制。双刀架卧车多数采用倾斜导轨。数控车床品种繁多、规格不一，下面介绍具体分类方法。
1.2.2 相关知识
1.2.2.1 按车床主轴位置分类
1．立式数控车床
立式数控车床简称数控立车，如图1-4所示。其车床主轴垂直于水平面上一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。
2．卧式数控车床
卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床，如图1-5所示。其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。

   图1-4 立式数控车床     图1-5 卧式数控车床
1.2.2.2 按加工零件的基本类型分类
1．卡盘式数控车床
卡盘式数控车床没有尾座，适合车削盘类（含短轴类）零件。夹紧方式多为电动或液动控制，卡盘结构大多具有可调卡爪或不淬火卡爪（即软卡爪）。
2．顶尖式数控车床
顶尖式数控车床配有普通尾座或数控尾座，适合车削较长的零件及直径不太大的盘、套类零件。
1.2.2.3 按刀架数量分类
1．单刀架数控车床
单刀架数控车床一般都配置有各种形式的单刀架，如四工位卧式回转刀架或多工位转塔式自动转位刀架，如图1-6所示。
2．双刀架数控车床
双刀架数控车床的双刀架配置平行分布，也可以垂直分布，如图1-7所示。

 图1-6 单刀架数控车床   图1-7 双刀架数控车床
1.2.2.4 按功能分类
1．经济型数控车床
经济型数控车床是采用步进电动机和单片机对普通车床的进给系统进行改造后形成的简易型数控车床，成本较低，但自动化程度和功能都比较差，车削加工精度也不高，适用于要求不高的回转类零件的车削加工，如图1-8所示。
2．普通数控车床
普通数控车床是根据车削加工要求在结构上进行专门设计并配备通用数控系统而形成的数控车床，如图1-9所示。其数控系统功能强，自动化程度和加工精度也比较高，适用于一般回转类零件的车削加工。这种数控车床可同时控制两个坐标轴，即X轴和Z轴。

   图1-8 经济型数控车床   图1-9 普通数控车床
3．车削加工中心
车削加工中心为在普通数控车床的基础上增加了C轴和动力头的更高级的数控车床，带有刀库，可控制X、Z和C 3个坐标轴，联动控制轴可以是(X，Z)、(X，C)或(Z，C)。由于增加了C轴和铣削动力头，这种数控车床的加工功能大大增强，除可以进行一般车削外，还可以进行径向和轴向铣削、曲面铣削、中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削等加工，如图1-10（a）所示为车削中心整体结构，图1-10（b）为车削中心内部结构。

（a）     （b）
图1-10 车削加工中心
1.2.2.5 按数控车床的布局分类
数控车床床身导轨与水平面的相对位置如图1-11所示，它有4种布局形式，如图1-11（a）所示为平床身，图1-11（b）所示为斜床身，图1-11（c）所示为平床身斜滑板，图1-11（d）所示为立床身。

   （a）    （b）  （c）   （d）
图1-11 数控车床床身导轨与水平面的相对位置图
水平床身的工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度，一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。但是水平床身由于下部空间小，故排屑困难。从结构尺寸上看，刀架水平放置使得滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。数控车床水平床身如图1-12所示。
水平床身配置倾斜放置的滑板，并配置倾斜式导轨防护罩，这种布局形式一方面有水平床身工艺性好的特点，另一方面机床宽度方向的尺寸较水平配置滑板的要小，且排屑方便。水平床身配上倾斜放置的滑板和斜床身配置斜滑板布局形式被中、小型数控车床普遍采用。这两种布局形式的特点是排屑容易，热铁屑不会堆积在导轨上，也便于安装自动排屑器；操作方便，易于安装机械手以实现单机自动化；机床占地面积小，外形简单、美观，容易实现封闭式防护。如图1-13所示为数控车床倾斜床身。

     图1-12 数控车床水平床身      图1-13 数控车床倾斜床身
斜床身其导轨倾斜的角度分别为30°、45°、60°、75°和90°（称为立式床身，如图1-14所示），若倾斜角度小，排屑不便；若倾斜角度大，导轨的导向性差，受力情况也差。导轨倾斜角度的大小还会直接影响机床外形尺寸高度与宽度的比例。综合考虑上面的因素，中小规格数控车床的床身倾斜度以60°为宜。

图1-14 立式床身
1.2.2.6 按伺服控制方式分类
1．开环控制数控机床
开环控制数控机床没有位置检测及反馈装置，通常用步进电机作为执行机构。输入的数据经过数控系统的运算发出脉冲指令，使步进电机轴转过一个角度，再通过机械传动机构把步进电机轴的转动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数量决定。
2．闭环控制数控机床
闭环控制数控机床带有位置检测及反馈装置，其位置检测及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，并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。
3．半闭环控制数控机床
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内，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，因而被广泛采用。
1.3 数控车床的加工特点
1.3.1 特点概述
数控车床是在普通车床的基础上发展而来的，数控车床加工有普通车床无法比拟的特点，下面进行详细介绍。
1.3.2 相关知识
1.3.2.1 数控车床的特点
1．传动链短
与普通车床相比，主轴驱动不再是电机——皮带——齿轮副机构变速，而是采用横向和纵向进给分别由两台伺服电机驱动刀架运动完成，不再使用挂轮、离合器等传动部件，传动链大大缩短。
2．刚性高
为了与数控系统的高精度相匹配，数控机床的刚性也高，以便适应高精度的加工。
3．轻拖动
刀架移动采用滚珠丝杠副，摩擦小，移动轻便。丝杠两端的支撑是专用轴承，其压力角比普通轴承大，在出厂时便选配好；数控车床的润滑部分采用油雾自动润滑，这些措施都使数控车床移动轻便。
1.3.2.2 数控车床的加工特点
1．自动化程度高
可以减轻操作者的体力劳动强度。数控加工过程是按输入的程序自动完成的，操作者只需开始时对刀、装卸工件、更换刀具，加工过程中，主要观察和监督机床运行即可。但是由于数控机床的技术含量高，操作者的脑力劳动强度也相应提高。
2．加工的零件精度高、质量稳定
数控机床的定位精度和重复定位精度都很高，较容易保证一批零件尺寸的一致性，只要工艺设计和程序正确合理，加上精心操作，就可以保证零件获得较高的加工精度，也便于对加工过程实行质量控制。
3．生产效率高
数控机床加工时能在一次装夹中加工多个加工表面，而且一般只检测首件，所以可以省去普通机床加工时的很多中间工序，如划线、尺寸检测等，减少了辅助时间和机动时间。而且由于数控加工出的零件质量稳定，所以也为后续工序带来方便，综合效率明显提高。
4．便于新产品开发和改型
数控加工一般不需要很多复杂的工艺装备，通过编制加工程序就可把形状复杂和精度要求较高的零件加工出来。当产品改型、更改设计时，只需要改变程序，而不需要重新设计工装。所以，数控加工能大大缩短产品研制周期，为新产品的研制开发和产品的改进、改型提供了捷径。
5．初始投资较大
初始投资较大是由于数控机床设备费用高，首次加工准备周期较长，维修成本高等因素造成。
6．维修要求高
数控机床是技术密集型的机电一体化典型产品，需要维修人员既懂机械，又懂微电子维修方面的知识，同时还要配备较好的维修装备。
1.4 本章精华回顾
1．数控车床一般主要由程序输入装置、数控装置、伺服系统、位置检测反馈装置和车床主体组成。
2．数控车床按车床主轴位置分为立式数控车床和卧式数控车床两类。
3．数控车床按加工零件的基本类型分为卡盘式数控车床和顶尖式数控车床。
4．数控车床按刀架数量分为单刀架数控车床和双刀架数控车床。
5．数控车床按功能分为经济型数控车床、普通数控车床和车削加工中心。
6．数控车床按数控车床的布局分为平床身、斜床身、平床身斜滑板和立床身。
7．数控车床按伺服控制方式分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。
8．数控车床的特点是传动链短、刚性高、轻拖动。