注：本文是对数控技术的入门级别介绍，目的在于让读者对这一领域形成基本的认知，并掌握一些基本的线上和线下操作能力。
由于时间仓促和笔者个人能力的局限，疏漏在所难免数控加工，欢迎热心乎友在评论区指出疏漏之处，笔者一定细心更正。
19世纪40年代初，美国密歇根州的一个小型飞机工业承包商帕森兹公司，在制造直升机螺旋桨叶片轮廓检查用样板机床时，提出了数控机床的初始设想。
1952年，美国麻省理工学院受美国空军委托成功研制出第一台数控机床。这是一台具有直线插补连续控制的三坐标立式铣床。
1959年，出现了晶体管元器件。美国克耐·杜列可公司发明了带有自动换刀功能装置的数控机床，称为“加工中心”。19世纪60年代开始，德国、日本等一些工业国家开始开发和使用数控机床。
1965年，出现小规模集成电路。1967年，英国生产出了柔性制造系统（FMS），几台数控机床连接成具有柔性的加工系统。
1965-1970年，由于计算机发展，小型计算机的价格大幅下降，大规模集成电路及小型计算机开始取代专用数控计算机，出现了计算机数控系统（CNC），数控的许多功能在软件中得以实现。CNC成为第四代系统。1970年的美国芝加哥国际机床展览会上首次展览出这种系统。
1970年前后,美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年,美国、日本等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统(MNC),称为第五代系统。此后,MINC数控机床得到飞速发展,数控技术的发展也越来越突出,数控技术的作用已充分体现在现代制造业中。
随着时代的发展,社会的进步,人们对工业品的需求越来越大,数控机床的应用越来越普及,数控机床产值的比重迅速超过传统机床,成为制造业的主导产品。1989年,日本、德国、美国、意大利、法国、英国六国成为数控机床的生产大国。
机械制造业中的技术密集行业,如航空、航天、汽车、机床等数控化率高达60%~90%,而且大量使用由数控机床组成的各种生产单元、柔性线年代以来,由于数控机床的广泛使用,西方工业在装备水平、加工范围、加工质量和生产效率方面获得长足的进步。
我国在数控研发和应用方面距离西方发达国家还有一定的距离。随着国家的重视程度不断提高,在数控加工领域的投人越来越大,数控加工领域发展越来越好,数控技术的使用越来越广泛,对数控人才的需求量越来越大。
数字控制简称数控(numerical control,NC),是用数字化信息对机床的运动及加工过程进行控制的自动化方法。通常采用专门的计算机(或单片机)让机器设备按照编写的程序进行工作。
数控系统(Numerical Contro System)指采用数字控制技术的控制系统,类似计算机的操作系统一样,有多种数控系统,每种数控系统有不同的版本,适于应用到不同配置的数控机床。
输入是将程序及加工信息传递给计算机。在数控机床产生初期,输入装置有穿孔纸东、软盘等介质,现在已经淘汰。目前广泛使用的输入装置有键盘、U盘,无线传输等。输出装置指输出系统内部工作参数。如显示器、打印机等。
数控装置是数控系统的核心,数控机床的各项任务均由数控装置完成。数控装置的作用是接受输入信息并对输入信息进行译码、数值运算、逻辑处理,并将处理结果传送到辅助控制装置和伺服驱动装置,从而控制机床各个运动部件的运动。
辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置,常用的辅助装置包括:气动或液压装置、排屑装置、冷却装置、润滑装置、回转工作台、数控分度头、防护、照明灯等各种辅助装置。
伺服系统包括伺服驱动电路和伺服电机,其作用是接受数控装置发出的位移、速度指令,经过调解、转换、放大后驱动伺服电机带动机床执行部件运动。
检测反馈装置由测量部件(传感器)和测量电路组成。检测反馈装置的作用是检测机床移动部件的位移和速度,并反馈至数控装置和伺服驱动装置。数控装置将反馈回来的实际位移量与设定值进行比较,控制驱动装置按照指令设定值运动。
机床本体是机床的主体,指机床的机械部件,主要包括床身、底座、立柱、横梁杏彩体育、滑座、主轴箱、刀架、尾座、进给传动机构等。
按工艺用途分为金属切削类数控机床、金属成形类数控机床、特种加工数控机床。金属切削类数控机床有数控车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床等,以及各类铣削加工中心、车削加工中心。金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控转头压力机。特种加工数控机床有数控线切割、杏彩体育数控电火花、数控激光切割机、数控三坐标测量机、快速成型等。
点位控制是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位,然后进行定点加工,而点与点之间的路径不需控制。
按数粒系统可同时摚制的坐标轴数分为2轴联动、2.5轴联动、3轴联动、5轴及多轴联动。这里的“联动”,指数控系统控制几个坐标轴按指令关系同时协调运动。
数控机床对零件的加工过程,是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床,与普通机床相比,具有以下明显特点。杏彩体育
①适合于复杂异形零件的加工。数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工,因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。
④高生产率。数控机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量,生产效率高,一般为普通机床的3~5倍,对某些复杂零件的加工,生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。
⑥有利于管理现代化。采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展,为实现生产自动化创造了条件。其缺点是:投资大、使用成本高;生产准备工作复杂,如进行工艺编排、刀路规划、程序编制等;维修成本高。
选择加工设备、编制零件加工工艺,要考虑质量优、效率高、成本低等几个因素。因此,要根据实际的加工设备特点选择合适的设备和设计合理的加工工艺。鉴于数控机床的上述特点,适于数控加工的零件有:
②通用机床难加工,质量也难以保证的内容应作为重点选择内容,如加工精度很高、零件一致性要求高的批量零件。
③通用机床加工效率低、工人手工操作劳动强度大的内容,可在数控机床尚存在富余加工能力时选择。一般来说,上述这些加工内容采用数控加工后,在产品质量、生产效率与综合效益等方面都会得到明显提高。
①占机调整时间长。如以毛坏的粗基准定位加工第一个精基准,需用专用工装协调的内容。
②加工部位分散,需要多次安装、设置原点。这时,采用数控加工很麻烦,效果不明显,可安排通用机床补加工。
③按某些特定的制造依据(如样板等)加工的型面轮廓。主要原因是获取数据困难,易于与检验依据发生矛盾,增加程序编制的难度。
此外,在选择和决定加工内容时,也要考虑生产批量、生产周期、工序间周转情况,等等。总之,要尽量做到合理,达到多、快、好、省的目的。要防止把数控机床降格为通用机床使用。按上述原则选择数控加工内容,才能最大限度地发挥出数控加工的优势。
在确定加工工艺过程时,编程人员要根据零件图样进行工艺分析,然后选择加工方案,确定加工顺序、加工路线、装夹方式、刀具及切削用量等工艺参数。
按已确定的加工路线和允许的零件加工误差,计算出所需的输人数控装置的数据。数值计算的主要内容是在规定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运动的轨迹的坐标值。
编程人员根据数控系统规定的功能指令代码及程序格式,编写零件加工程序单。还要填写有关的工艺文件,比如,数控加工工艺卡片、数控刀具卡片、数控刀具明细表等。
把编制好的程序记录到控制介质上作为数控装置的输人信息。常用的有U盘、TF卡等。小程序也可以直接用键盘输人。有些设备也采取网线)程序校验和零件试切
编好的加工程序必须经过校验以及零件进行试切。一般采用机床进给锁定运行程序,通过图形功能检查程序。正式加工前还要利用试验件进行切削加工,通过测量试验件和图纸形状、尺寸对比,从而验证程序以及工艺参数。一定要达到完全符合要求才能正式进行加工。
①手工编程。用人工的方法完成程序的全部编制工作。对于几何形状较为简单的零件,数值比较简单,程序段不多,采用手工编程比较容易完成,而且经济及时。
②自动编程。也称计算机辅助编程,程序员利用计算机专用软件编制数控加工程序,根据绘制好的零件图,利用自动编程软件,由计算机自动进行数值计算及后置处理,由计算机自动编制出零件加工程序。加工程序通过传输介质送人数控机床,指挥机床工作。
②遵循右手笛卡儿定则:X、Y、Z表示基本坐标轴,中指为Z轴,拇指为X轴,食指为Y轴。围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴用A、B、C表示,根据右手螺旋定则,以大拇指指向+X、+Y、+Z方向,则四指弯曲的方向是圆周进给运动+A、+B、+C方向,如图3所示。
机床原点也称为机床零点(refrence point),其位置由机床制造厂确定,是机床上的固定点。数控车床的机床原点位置大多数规定在其主轴旋转中心与卡盘后端面的交点上;数控铣床的机床原点的位置大多数规定在其工作台上表面的中心点上,或在机床X、Y、Z三根轴正方向的运动极限位置。如图4所示。
数控装置上电时并不知道机床原点,为了正确地在机床工作时建立机床坐标系,通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点(测量起点),机床启动时,通常要进行机动或手动回参考点(也叫回零),以建立机床坐标系。通过机床系统设定的参数指定机床参考点到机床原点间的距离。
4.工件坐标系(编程坐标系)与程序原点工件坐标系是编程人员在编程时使用的,编程人员选择工件上的某一已知点为原点(也称程序原点),建立一个新的坐标系,称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效,直到被新的工件坐标系所取代。
工件坐标系的原点选择要尽量满足编程简单,尺寸换算少,引起的加工误差小等条件。
②相对(增量)坐标编程是指坐标值是相对于前一位置给出,计算时当前点的坐标是用后一点与前一点的坐标差值作为当前点的坐标。一般以X、Y、Z表示坐标值为绝对坐标,U、V、W表示相对坐标,同一程序段中可以混用X、U或Y、V或Z、W。数控铣编程以G90 X_Y_Z_表示绝对坐标,G91 X_Y_Z_表示相对坐标。如图12.5所示,(a)图绝对编程代码为:G90 G00 X30 Y37;(b)图相对编程代码为:G91 G00 X20 Y25。
②程序段以序号“Nxxxx”开头,以分号(;)结束,一个程序段表示一个完整的加工动作;
③序号可有可无,两个序号之间间隔多少都可以,没有排序要求,顺序可以是混乱的。
零件加工程序是由一个个程序段组成的,程序段又是由程序字构成的,程序字分为尺寸字和功能字,功能字又称为功能指令或功能代码,是程序段的主要组成部分。常用的功能代码有准备功能G代码和辅助功能M代码,此外,还有进给功能F代码,主轴转速功能S代码,以及刀具功能T代码等。
简称功能G指令或G代码,它是使机床和数控系统建立起某种加工方式的指令。在进行加工之前需要事先设定,为加工方式做好准备的指令,如是直线插补还是圆弧插补,刀具沿着哪个平面运动等。
G代码由大写英文字母G后面跟着两位数组成,从G00到G99共100种。部分G代码参见表1。
②非模态指令(非续效指令):指该指令只在使用它的某程序段有效,若需继续使用该功能则必须在后续的程序段重新指定。
辅助功能M代码也称为M功能、M指令或M代码,根据机床的需要予以规定的工艺指令.用于控制机床的辅助动作,主要用于机床加工操作时的工艺性指令,如主轴的转动、冷却液的开停、工件的夹紧松开等。
辅助功能是用大写英文字母M后面跟着两位数组成的,从M00 到M99共100种。表2表述了部分M代码。
①进给速度指令F。由大写英文字母F后面跟着若干数字组成,其中数字表示实际的加工速度。单位为mm/min(毫米/分钟)mm/r(毫米/转)。如F100表示进给速度为100 mm/min。
②刀具功能指令T。由大写英文字母T后面跟着四位数组成,其中前两位为刀具号,后两位为刀具补偿号。如果后两位是00,则表示取消刀具补偿值。杏彩体育比如,T0101表示调用01号刀具且采用01号刀具补偿值;T0100表示调用01号刀具取消刀具补偿值。
③主轴转速指令S。由大写英文字母S后面跟着若干数字,其中数字表示主轴旋转速度,单位是r/min(转/分钟)。如S800表示主轴的转速为800 r/min。
利用数控车床进行加工的方法称为数控车削加工。数控车床是目前使用比较广泛的数控机床,由于它的特点是主轴旋转,刀具做平面轨迹运动,所以主要用于轴类和盘类等回转体的加工,能自动完成内外圆面、锥面、圆弧、螺纹等工序的切削加工,还能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。
零件坐标原点:通常把固定在车床卡盘上的圆柱形棒料最右端的端面的圆心作为零件的坐标原点,又称作编程原点。
为了提高生产效率并保证零件精加工质量,应先安排粗加工工序,在较短时间内把精加工前大量的粗加工余量加工掉,同时尽量满足精加工余量均匀性的要求。
这里所说的远近是指加工部位相对于起刀点而言。在一般情况下,特别是在粗加工时,通常安排离起刀点近的部位先加工,离起刀点远的部位后加工,以便缩短刀具移动距离,减少空程时间,也有利于毛坯或者半成品的刚性,改善其切削条件。
对于既要加工内表面(内型、内腔),又要加工外表面的零件,通常应安排先加工内表面,后加工外表面。这是因为控制内表面尺寸和形状比较困难,刀具刚性较差,零件内腔热量不易扩散,刀具的切削刃的耐用度容易受到切削热影响而降低,还有在加工中清除切屑比较困难等。
在保证加工质量的前提下,尽可能选择最短的走刀路线,不仅可以节省整个加工过程的执行时间,还能减少一些不必要的刀具消耗及机床进给机构滑动部件的磨损等。
①在一个程序段中,根据图纸上标注的尺寸,可以采取绝对值方式编程,也可以采取增量值方式编程或者二者混合方式编程。
③编程时,常认为车刀的刀尖是一个点,实际上为了提高刀具的使用寿命和工件表面质量。车刀刀尖常磨成半径不大的圆弧,为了提高工件的加工精度,编制圆头刀具加工程序时,需要对刀具半径进行补偿。大多数数控车床都具有刀具补偿功能(G41、G42、G40),这类数控车床可以直接按工件轮廓尺寸编程;对于不具备刀具自动补偿功能的数控车床,编程时需要事先计算刀具补偿量,将补偿量按照算法合并到图纸尺寸数值。
④许多数控车床直接用X、Z表示绝对坐标值;用U、V表示增量坐标值,而不用G90、G91指令。
数控车床加工程序指令很多,下面我们学习儿个典型的指令,更多的指令还要参照随机指令手册学习。
快速移动,以机床设定最大速度移动,不能进行切削。点位,没有轨迹要求,一般用于
G73两条指令连在一起使用,不能分开。参数的含义如下:U[mm]:X向加工最大总量(半径值),不包括精加工余量U+。W[mm]:Z向加工最大总量,不包括精加工余量W+。R:切削次数。P:循环程序段起始号,Q:循环程序段终止号。U+[mm]:X向加工余量(直径)。W+[mm]:Z向加工余量。如图10 G73编程例图。
G73循环段加工程序如图11。其中P60、075表示程序中的N60行到N75行之间程序段是循环加工,反复调用,直到循环次数参数R值用尽,指针就会跳出循环段接着执行下面的程序段。
刀具的进给速度,有两个单位,一个是mm/min;另一个是mm/r,根据具体情况来选择。
选择刀具,大写英文字符T后面跟着4位数,头两位数表示所选用的刀具号,后两位数表示该刀具补偿值，简称为刀补。如T0101表示01号刀，01号刀补。
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