學(xué)習(xí)情境1 模具數(shù)控加工技術(shù)導(dǎo)論

要點鏈接

項目1.1 數(shù)控機床的認識

職業(yè)能力 具備正確認識數(shù)控機床及數(shù)控系統(tǒng)的能力。

任務(wù)1.1.1 數(shù)控機床加工原理及過程的認識

任務(wù)描述 了解數(shù)控機床加工原理及過程，并掌握數(shù)控機床坐標(biāo)系的確定。

任務(wù)分析 本任務(wù)是進行數(shù)控加工及編程的最基本內(nèi)容，要完成本任務(wù)，需掌握數(shù)控機床加工原理及過程、數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成，并掌握數(shù)控機床坐標(biāo)系統(tǒng)的理論知識。技能方面需掌握數(shù)控機床坐標(biāo)系的確定。

相關(guān)知識

1. 數(shù)控加工原理

數(shù)控機床（Numerical Control Machine Tool）是模具零件的主要加工設(shè)備，按照零件加工的技術(shù)要求和工藝要求，編寫零件的加工程序，然后將加工程序輸入到數(shù)控裝置，通過數(shù)控裝置控制機床的主軸運動、進給運動、更換刀具，以及工件的夾緊與松開，冷卻、潤滑泵的開與關(guān)，使刀具、工件和其他輔助裝置嚴格按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合圖紙要求的零件。

數(shù)控機床是一種綜合運用了計算機技術(shù)、自動控制、精密測量和機械設(shè)計等新技術(shù)的機電一體化典型產(chǎn)品。它的誕生標(biāo)志著機械制造生產(chǎn)方式和制造技術(shù)發(fā)生了革命性的變革。

2. 數(shù)控系統(tǒng)的基本組成

數(shù)控機床一般由輸入/輸出設(shè)備、CNC數(shù)控裝置、主軸單元、進給伺服驅(qū)動裝置、可編程控制器及電氣控制裝置、機床本體及位置檢測裝置（開環(huán)機床無）等組成，如圖1-1-1所示。除機床本體外的部分，統(tǒng)稱數(shù)控系統(tǒng)。

1）數(shù)控裝置

數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、驅(qū)動裝置、機床電器邏輯控制裝置四部分組成，機床本體為被控對象。

（1）采用計算機數(shù)控裝置的數(shù)控系統(tǒng)稱為CNC。

（2）現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)量控制采用PLC。

（3）FANUC 0i-C數(shù)控系統(tǒng)的主要部件：數(shù)控裝置（顯示器、數(shù)控鍵盤）、操作面板、伺服放大器、伺服電動機、I/O單元等。

FANUC 0i-C數(shù)控系統(tǒng)的部件連接：

經(jīng)FANUC串行伺服總線FSSB，用一條光纜與多個進給伺服放大器（αi系列）相連。進給伺服電動機使用αis系列，最多可接4個進給軸電動機。伺服電動機上裝有脈沖編碼器，標(biāo)配為1000000脈沖/轉(zhuǎn)。編碼器既用做速度反饋，又用做位置反饋。系統(tǒng)支持半閉環(huán)控制和使用直線尺的全閉環(huán)控制。檢測器的接口有并行口（A/B相脈沖）和串行口兩種。位置檢測器可用增量式或絕對式。

2）輸入/輸出裝置

開關(guān)量輸入/輸出裝置通過輸入接線端子板和繼電器板，作為輸入/輸出接口的轉(zhuǎn)接單元用，以方便連接及提高可靠性。開關(guān)量控制用于主軸啟停、正反轉(zhuǎn)、冷卻液啟停、刀架（刀庫）換刀等的信號開關(guān)控制。

按下操作面板上的“循環(huán)啟動”按鈕后，就向CNC裝置發(fā)出中斷請求。一旦CNC裝置所處狀態(tài)符合啟動條件，則CNC裝置就響應(yīng)中斷，控制程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的控制機床運動的中斷服務(wù)程序。進行插補運算，逐段計算出各軸的進給速度，插補軌跡等；并將結(jié)果輸出到進給伺服控制接口及其他輸出接口，控制工作臺（或刀具）的位移和其他輔助動作。這樣，機床就自動地按照零件加工程序的要求進行切削運動。

3. 數(shù)控加工的過程

與傳統(tǒng)加工比較，數(shù)控加工與普通機床加工在方法與內(nèi)容上有許多相似之處，不同點主要表現(xiàn)在控制方式上。以機械加工為例，用普通機床加工零件時，工步的安排、機床運動的先后次序、位移量、走刀路線及有關(guān)切削參數(shù)的選擇等，都是由操作者自行考慮和確定的，并且采用手工操作的方式進行控制。操作者總是根據(jù)零件和工序卡的要求，在加工過程中不斷改變刀具與工件的相對運動軌跡和加工參數(shù)（位置、速度等），使刀具對工件進行切削加工，從而獲得合格的零件。而在CNC機床上，傳統(tǒng)加工過程中的人工操作均被數(shù)控系統(tǒng)的自動控制所替代。其工作過程如圖1-1-2所示，具體步驟為：

（1）首先閱讀零件圖紙，充分了解圖紙的技術(shù)要求，如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度、工件的材料、硬度、加工性能，以及工件數(shù)量等；

（2）根據(jù)零件圖紙的要求進行工藝分析，其中包括零件的結(jié)構(gòu)工藝性分析，材料和設(shè)計精度合理性分析，大致工藝步驟等；

（3）根據(jù)工藝分析制定出加工所需要的一切工藝信息——如加工工藝路線、工藝要求、刀具的運動軌跡、位移量、切削用量（主軸轉(zhuǎn)速、進給量、吃刀深度）及輔助功能（換刀、主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)、切削液開或關(guān)）等，并填寫加工工序卡和工藝過程卡；

（4）根據(jù)零件圖和制定的工藝內(nèi)容，再按照所用數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的指令代碼及程序格式進行數(shù)控編程；

（5）將編寫好的程序通過傳輸接口，輸入到數(shù)控機床的數(shù)控裝置中，調(diào)整好機床并調(diào)用該程序后，就可以加工出符合圖紙要求的零件。

4. 數(shù)控機床的坐標(biāo)系統(tǒng)

數(shù)控機床加工時的橫向、縱向等進給量都是以坐標(biāo)數(shù)據(jù)來進行控制的，如數(shù)控車床、數(shù)控線切割機床等是屬于兩坐標(biāo)控制的，數(shù)控銑床則是三坐標(biāo)控制的，還有四坐標(biāo)軸、五坐標(biāo)軸甚至更多的坐標(biāo)軸控制的加工中心機床等。

在數(shù)控編程時，為了描述機床的運動，簡化程序編制的方法及保證記錄數(shù)據(jù)的互換性，數(shù)控機床的坐標(biāo)系和運動方向均已標(biāo)準(zhǔn)化，ISO和我國都擬定了命名的標(biāo)準(zhǔn)。

1）機床坐標(biāo)系

（1）機床相對運動的規(guī)定。在機床上，我們始終認為工件靜止，而刀具是運動的。這樣編程人員在不考慮機床上工件與刀具具體運動的情況下，就可以依據(jù)零件圖樣，確定機床的加工過程。

（2）機床坐標(biāo)系的規(guī)定。在數(shù)控機床上，機床的動作是由數(shù)控裝置來控制的。為了確定數(shù)控機床上的成形運動和輔助運動，必須先確定機床上運動的位移和運動的方向，這就需要通過坐標(biāo)系來實現(xiàn)，這個坐標(biāo)系稱為機床坐標(biāo)系。

例如銑床上，有機床的縱向運動、橫向運動及垂向運動，如圖1-1-3所示。在數(shù)控加工中就應(yīng)該用機床坐標(biāo)系來描述。

標(biāo)準(zhǔn)機床坐標(biāo)系中X、Y、Z坐標(biāo)軸的相互關(guān)系用右手笛卡兒直角坐標(biāo)系決定：伸出右手的大拇指、食指和中指，并互為90°。則大拇指代表X坐標(biāo)，食指代表Y坐標(biāo)，中指代表Z坐標(biāo)。大拇指的指向為X坐標(biāo)的正方向，食指的指向為Y坐標(biāo)的正方向，中指的指向為Z坐標(biāo)的正方向。圍繞X、Y、Z坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分別用A、B、C表示，根據(jù)右手螺旋定則，大拇指的指向為X、Y、Z坐標(biāo)中任意軸的正向，則其余四指的旋轉(zhuǎn)方向即為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)A、B、C的正向，如圖1-1-4所示。

（3）坐標(biāo)軸正方向的規(guī)定。增大刀具與工件距離的方向，即為各坐標(biāo)軸的正方向。

2）數(shù)控機床各坐標(biāo)軸方向的確定

在確定機床坐標(biāo)軸時，一般先確定Z軸，然后確定X軸和Y軸，最后確定其他軸。

（1）先確定Z軸：以平行于機床主軸的刀具運動坐標(biāo)為Z軸，Z軸正方向是使刀具遠離工件的方向。如立銑類，主軸箱的上、下或主軸本身的上、下即可定為Z軸，且是向上為正，若主軸不能上下動作，則工作臺的上、下便為Z軸，此時工作臺向下運動的方向定為正向；對于臥銑類，一般是工作臺離開主軸前移為+Z方向；對于臥式車床，刀架拖板遠離主軸朝尾座移動為+Z方向。

（2）再確定X軸：X軸為水平方向且垂直于Z軸并平行于工件的裝夾面。

對于立銑或立式加工中心，工作臺往左（刀具相對向右）移動為X正向。

對于臥銑或臥式加工中心，工作臺往右（刀具相對向左）移動為X正向。

對于數(shù)控車床，視刀架前后放置方式不同，其X正向也不相同，但都是由軸心沿徑向朝外的，如圖1-1-5所示。

（3）最后確定Y軸：在確定了X、Z軸的正方向后，即可按右手定則定出 Y軸正方向。對于立銑或立式加工中心，工作臺往前（刀具相對向后）為 Y 正向，如圖1-1-6所示。

對于臥銑或臥式加工中心，主軸箱帶動刀具向上移動為Y正向。

3）機床原點的設(shè)置

機床坐標(biāo)系的原點是由廠家確定的，用戶一般不可更改，機床原點是指在機床上設(shè)置的一個固定點，即機床坐標(biāo)系的原點。它在機床裝配、調(diào)試時就已確定下來，是數(shù)控機床進行加工運動的基準(zhǔn)參考點。

（1）數(shù)控車床的原點。在數(shù)控車床上，機床原點一般取在卡盤端面與主軸中心線的交點處，如圖1-1-7所示。同時，通過設(shè)置參數(shù)的方法，也可將機床原點設(shè)定在X、Z坐標(biāo)的正方向極限位置上。

（2）數(shù)控銑床的原點。在數(shù)控銑床上，機床原點一般取在X、Y、Z坐標(biāo)的正方向極限位置上，如圖1-1-8所示。

4）機床參考點

機床參考點是用于對機床運動進行檢測和控制的固定位置點。

機床參考點是機床上的一個固定點，用于對機床工作臺、滑板與刀具相對運動的測量系統(tǒng)進行標(biāo)定和控制。其位置由機械擋塊或行程開關(guān)來確定。機床參考點對機床原點的坐標(biāo)是一個已知定值，也就是說，可以根據(jù)機床參考點在機床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值間接確定機床原點的位置。在機床接通電源后，通常都要做回零操作，使刀具或工作臺退離到機床參考點。當(dāng)回零操作完成后，顯示器即顯示出機床參考點在機床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，表明機床坐標(biāo)系已自動建立?？梢哉f回零操作是對基準(zhǔn)的重新核定，可消除由于種種原因產(chǎn)生的基準(zhǔn)偏差。機床參考點已由機床制造廠測定后輸入數(shù)控系統(tǒng)，并且記錄在機床說明書中，用戶不得更改。

一般數(shù)控車床、數(shù)控銑床的機床原點和機床參考點位置如圖1-1-7和圖1-1-8所示，也有些數(shù)控機床的機床原點與機床參考點重合。

數(shù)控機床開機時，必須先確定機床原點，而確定機床原點的運動就是刀架返回參考點的操作，這樣通過確認參考點，就確定了機床原點。只有機床參考點被確認后，刀具（或工作臺）移動才有基準(zhǔn)。

任務(wù)鞏固

通過課后閱讀，了解數(shù)控加工原理與數(shù)控系統(tǒng)的基本組成，掌握數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu)組成和零件從編程到數(shù)控加工的大致過程。在數(shù)控機床上練習(xí)機床坐標(biāo)系的確定。

任務(wù)1.1.2 數(shù)控機床類型識別

任務(wù)描述 根據(jù)所加工的內(nèi)容，正確選擇數(shù)控加工。

任務(wù)分析 選擇合適的加工機床類型，是數(shù)控加工工藝編制的第一步，完成該任務(wù)，需了解數(shù)控機床多軸聯(lián)動加工和伺服系統(tǒng)控制方式。

相關(guān)知識

1. 按輪廓加工控制的坐標(biāo)軸數(shù)分類

1）兩軸聯(lián)動數(shù)控機床

同時可以控制兩個軸，但數(shù)控機床可以多于兩個軸；如機床有X、Y、Z三個坐標(biāo)，則兩軸聯(lián)動可以同時控制其中兩個。如圖1-1-9所示的加工直線型母線曲面輪廓，只要同時控制X、Y坐標(biāo)即可。

2）兩軸半聯(lián)動數(shù)控機床

用于三軸及以上的數(shù)控機床，但控制裝置只能同時控制兩個坐標(biāo)，而第三個坐標(biāo)只能做等距周期移動，如X、Y坐標(biāo)聯(lián)動，另一個軸（Z坐標(biāo)）做周期性間歇進給。如圖1-1-10所示的用行切法在數(shù)控銑床上加工三維曲面，數(shù)控裝置在ZOX坐標(biāo)平面內(nèi)控制X、Z兩坐標(biāo)聯(lián)動來加工垂直面內(nèi)的輪廓表面，Y坐標(biāo)做定期等距移動，即可加工出零件的空間曲面。

3）三軸聯(lián)動數(shù)控機床

三軸聯(lián)動即X、Y、Z三個直線坐標(biāo)方向的聯(lián)動，或除同時控制其中兩個直線坐標(biāo)的聯(lián)動外，還同時控制圍繞某一坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。例如，在數(shù)控銑床或加工中心上用球頭銑刀加工如圖1-1-11所示的三維曲面。

4）四軸聯(lián)動數(shù)控機床

四軸聯(lián)動是同時控制X、Y、Z三個直線坐標(biāo)及某一旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的聯(lián)動，用來加工葉輪或圓柱凸輪。如圖1-1-12所示為同時控制X、Y、Z坐標(biāo)與工作臺繞Y軸旋轉(zhuǎn)（B坐標(biāo)）的四軸聯(lián)動。

5）五軸聯(lián)動數(shù)控機床

同時控制X、Y、Z三個直線坐標(biāo)及兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（A、B、C三個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中的任意兩個）的聯(lián)動為五軸聯(lián)動。這樣，刀具可以向空間的任意方向進給加工。如加工圖1-1-13所示的兩種空間曲面，控制刀具同時繞X軸和Y軸兩個方向擺動，使刀具切削方向保持與加工曲面的切平面重合，提高被加工表面的加工精度。五軸聯(lián)動加工特別適合各種復(fù)雜的空間曲面。

2. 按數(shù)控機床加工原理分類

按數(shù)控機床加工原理可把數(shù)控機床分為普通數(shù)控機床和特種加工數(shù)控機床。

1）普通數(shù)控機床

如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、車削中心等各種普通數(shù)控機床，其加工原理是用切削刀具對零件進行切削加工。

2）特種加工數(shù)控機床

如線切割數(shù)控機床，對硬度很高的工件進行切割加工；如電火花成形加工數(shù)控機床，采用電火花原理對工件的型腔進行加工。

3. 按數(shù)控機床運動軌跡分類

數(shù)控機床運動軌跡主要有三種形式：點位控制運動、直線控制運動和連續(xù)控制運動。

1）點位控制運動

點位控制運動指刀具相對工件的點定位，一般對刀具運動軌跡無特殊要求，為提高生產(chǎn)效率和保證定位精度，機床設(shè)定快速進給，臨近終點時自動降速，從而減小運動部件因慣性而引起的定位誤差。

2）直線控制運動

直線控制運動指刀具或工作臺以給定的速度按直線運動。

3）連續(xù)控制運動

連續(xù)控制運動也稱為輪廓控制運動，指刀具或工作臺按工件的輪廓軌跡運動，運動軌跡為任意方向的直線、圓弧、拋物線或其他函數(shù)關(guān)系的曲線。這種數(shù)控系統(tǒng)有一個軌跡插補器，根據(jù)運動軌跡和速度精確計算并控制各個伺服電動機沿軌跡運動。

4. 按進給伺服系統(tǒng)控制方式分類

由數(shù)控裝置發(fā)出脈沖或電壓信號，通過伺服系統(tǒng)控制機床各運動部件運動。數(shù)控機床按進給伺服系統(tǒng)控制方式分類有開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)三種形式。

1）開環(huán)控制系統(tǒng)

這種控制系統(tǒng)采用步進電動機，無位置測量元件，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)運算，輸出指令脈沖控制步進電動機工作，如圖1-1-14所示。這種控制方式對執(zhí)行機構(gòu)不檢測，無反饋控制信號，因此稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)備成本低，調(diào)試方便，操作簡單，但控制精度低，工作速度受到步進電動機的限制。

2）閉環(huán)控制系統(tǒng)

這種控制系統(tǒng)絕大多數(shù)采用伺服電動機，有位置測量元件和位置比較電路。如圖1-1-15所示，測量元件安裝在工作臺上，測出工作臺的實際位移值反饋給數(shù)控裝置。位置比較電路將測量元件反饋的工作臺實際位移值與指令的位移值相比較，用比較的誤差值控制伺服電動機工作，直至到達實際位置，誤差值消除，因此稱為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度高，但要求機床的剛性好，對機床的加工、裝配要求高，調(diào)試較復(fù)雜，而且設(shè)備的成本高。

3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)

如圖1-1-16所示，這種控制系統(tǒng)的位置測量元件不是測量工作臺的實際位置，而是測量伺服電動機的轉(zhuǎn)角，經(jīng)過推算得出工作臺位移值，反饋至位置比較電路，與指令中的位移值相比較，用比較的誤差值控制伺服電動機工作。這種用推算方法間接測量工作臺位移，不能補償數(shù)控機床傳動鏈零件的誤差，因此稱為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度高于開環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)試比閉環(huán)控制系統(tǒng)容易，設(shè)備的成本介于開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)之間。

任務(wù)鞏固

通過對車間內(nèi)不同數(shù)控機床的觀察，練習(xí)對各種數(shù)控機床進行分類。