模具数控加工技术 二版 课件 绪论及单元一项目四

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1、模具数控加工技术,教学单元一 项目四 数控机床 【职业能力】正确选择数控机床和数控系统的能力。,任务1 数控机床原理认识 【技能目标】正确确定数控机床坐标系的能力。 【核心知识】 机床坐标系。 一、数控机床工作原理 数控机床（Numerical Control Machine Tool）是模具零件加工的主要加工 设备。 数控机床是采用数字控制技术（Numerical Control），以数字量作为指令信 息，通过计算机控制机床的运动及其整个加工过程的机械加工设备。数控机床 的各种操作如主轴启动与停止、主轴变速、工件夹松、刀具进退、冷却液自动 关停等，工件的尺寸都是用数字代码的程序指令表示，通过

2、控制介质（如磁 盘）将数字信息输送到控制装置，经计算机处理和运算，转化为电信号控制机 床的伺服系统及其它驱动元件使机床自动加工出所要求的工件。 数控机床是机电一体化技术的典型代表，是机械技术、现代控制技术、传感检 测技术、信息处理技术、网络通信技术、成组技术有机集合的产物。数控机床 的诞生，标志着机器制造生产方式和制造技术发生了革命性的深刻变革。,教学单元一 项目四 数控机床,一、数控机床工作原理 1. 数控机床坐标系 为保证工件在数控机床上正确定位，并准确描述机床运动部件的运动范围和瞬 时位置，建立机床几何坐标系是必须的。数控机床坐标轴的指定方法已标准 化，我国执行的JB 305282（数控

3、机床坐标和运动方向的命名）与国际ISO 841是等效的，均采用笛卡尔直角坐标系定义数控机床的坐标系，规定了直角 坐标系中X、Y、Z三个直线坐标轴和A、B、C三个回转坐标轴，其正方向用右 手螺旋法则确定，如图1-29所示。,教学单元一 项目四 任务1 数控机床原理认识,一、数控机床工作原理 1. 数控机床坐标系 注意：规定数控机床的坐标运动都是指刀具相对静止的工件运动。工件远离刀 具的坐标轴方向为该坐标轴的正方向，即刀具进给方向为负方向。 数控机床X、Y、Z坐标轴的确定方法： 首先要确定Z轴。定义机床上提供主切削力的主轴轴线方向为Z轴。当机床没有 回转主轴时，可指定垂直于工作台台面的轴为Z轴。

4、确定X轴。X轴一般平行于工件的装夹面或平行于切削方向。 确定Y轴。依据Z、X轴方向按右手螺旋法则确定Y轴方向。 各类数控机床坐标轴的确定如图1-30所示。,教学单元一 项目四 任务1 数控机床原理认识,一、数控机床工作原理 1. 数控机床坐标系,教学单元一 项目四 任务1 数控机床原理认识,一、数控机床工作原理 2. 数控机床工作原理 数控机床与普通机床比较，其工作原理区别在于数控机床是按数字指令控制机 床切削加工的。在数控机床上加工零件时，首先将被加工零件的图样及其工艺 信息进行数字化处理，即按数控机床加工规定的代码和程序格式编制加工程 序，然后将程序通过MDI或DNC方式输入机床的数控装置

5、，经编译、运算等处 理后，发出相应的指令，通过机床的伺服机构驱动各运动部件按预定的轨迹运 动，加工出合格的零件。数控机床的工作原理如图1-31所示。,教学单元一 项目四 任务1 数控机床原理认识,二、数控机床的主要技术性能指标 1.精度指标 （1）分辨率与脉冲当量 对测量系统来说，分辨率是可以测量的最小增量；对控制系统来说，分辨率是 可以控制的最小位移量。数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件 上的一个位移量。脉冲当量数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量， 脉冲当量越小，机床加工精度和加工表面质量越高。精密数控机床的脉冲当量 小于0.1um, 分辨率可以达到0.001um。 (2

6、) 定位精度与重复定位精度 定位精度是指机床移动部件移动到实际位置与理想位置的定位误差。定位误差 包括伺服系统、检测系统、进给系统的误差以及机床移动部件的几何误差等。 定位误差直接影响零件加工的定位精度。 重复定位精度是指在同一机床，应用同一程序加工一批零件，所得到连续定位 误差结果的一致程度。重复定位精度影响一批零件加工精度的一致性，是非常 重要的技术指标。重复定位精度受数控机床伺服系统稳定性、传动副间隙及机 床刚性等因素影响。,教学单元一 项目四 任务1 数控机床原理认识,二、数控机床的主要技术性能指标 (3) 分度精度 指分度工作台分度时，实际回转的角度值与理论要求回转的角度值的误差为分

7、 度精度。 2. 加工性能指标 机床主轴的最高转速和最大加速度 该项指标是影响加工效率，表面加工质量和刀具使用寿命的主要因素之一。 最快位移速度和最高进给速度 最快位移速度是进给轴在非加工状态下的最高位移速度。最高进给速度是进给 轴在加工状态下的最快移动速度。它们也是影响零件加工质量、生产率、刀具 使用寿命的主要因素。它们受数控系统运算速度、机床动态特性及工艺系统刚 度等因素的制约。,教学单元一 项目四 任务1 数控机床原理认识,二、数控机床的主要技术性能指标 4. 运动性能指标 （1）主轴转速 数控机床的主轴转速直接影响机床的加工效率和加工精度，要求具有高的最高 转速和宽的调速范围。目前数控

8、机床的主轴转速可以达到 500010000r/min，高速数控机床主轴转速可以达到100000r/min （2）进给速度 进给速度也直接影响零件的加工质量、生产效率和刀具的使用寿命。 （3）坐标行程 数控机床移动部件在各坐标轴方向的行程大小构成机床的空间加工范围，决定 了加工零件的大小。坐标行程是体现机床加工能力的指标参数。 (4) 摆角范围 具有摆角坐标的数控机床，摆角的大小直接影响零件加工的空间范围。摆角的 大小受机床刚度制约，摆角太大，机床设计困难。 (5) 刀库容量和换刀时间 加工中心的刀库容量和换刀时间直接影响加工中心的生产效率。刀库容量指刀 库能存放刀具的数目；换刀时间指使用完的刀

9、具自动从机床上卸下送回刀库到 从刀库中取出另一把刀具安装在机床上所需要的时间。目前中小型加工中心刀 库容量在1260把，大型加工中心可以达到100把以上；多数加工中心的换刀 时间在1020s, 而一些高效先进的加工中心的换刀时间只需几秒种。,教学单元一 项目四 任务1 数控机床原理认识,任务2 数控机床类型识别 【技能目标】根据加工内容正确选择数控机床类型的能 力。 【核心知识】多轴联动加工；控制系统类型。,教学单元一 项目四 数控机床,数控机床一般按如下方法分类。 一、按轮廓加工控制的坐标轴数进行分类 1.两轴联动数控机床 同时可以控制2个轴，但机床可以多于2个轴。如机床有X、Y、Z三个坐标

10、，2 轴联动可以同时控制其中两个。如图1-32加工直线型母线曲面轮廓，只要同时 控制X、Y坐标，图1-33加工槽底面，只要控制Z、X或Z、Y坐标,教学单元一 项目四 任务2 数控机床类型识别,一、按轮廓加工控制的坐标轴数进行分类 2.两轴半联动 用于三轴及以上的数控机床，但控制装置只能同时控制两个坐标，而第三个坐 标只能作等距周期移动，如X、Y坐标联动，另一个轴（Z坐标）作周期性间歇 进给。如图1-34用行切法在数控铣床上加工三维曲面, 数控装置在ZX坐标平面 内控制X、Z两坐标联动，加工垂直面内的轮廓表面，Y坐标作定期等距移动， 即可加工出零件的空间曲面。,教学单元一 项目四 任务2 数控机

11、床类型识别,一、按轮廓加工控制的坐标轴数进行分类 3. 三轴联动 就是X、Y、Z三个直线坐标方向的联动，或除同时控制其中两个直线坐标的联 动外，还同时控制围绕某一坐标轴旋转的旋转坐标。例如在数控铣床或在加工 中心上用球头铣刀加工如图1-35三维曲面。,教学单元一 项目四 任务2 数控机床类型识别,一、按轮廓加工控制的坐标轴数进行分类 4. 四轴联动 同时控制X、Y、Z三个直线坐标及某一旋转坐标的联动，用来加工叶轮或圆柱 凸轮。如图1-36所示为同时控制X、Y、Z坐标与工作台绕Y轴旋转（B坐标） 的4轴联动。,教学单元一 项目四 任务2 数控机床类型识别,一、按轮廓加工控制的坐标轴数进行分类 5

12、. 五轴联动 同时控制X、Y、Z三个直线坐标及两个旋转坐标（A、B、C旋转坐标中的任意 两个）的联动，形成5坐标联动。这样，刀具可以向空间的任意方向进给加 工。如加工图1-37两种空间曲面，控制刀具同时绕X轴和Y轴两个方向摆动， 使刀具切削方向保持与加工的曲面的切平面重合，提高加工表面的加工精度。 采用5轴联动加工特别适用各种复杂空间曲面。,教学单元一 项目四 任务2 数控机床类型识别,二、按伺服控制方式分类 1. 开环控制数控机床 这类机床的伺服驱动系统是开环的，没有检测反馈装置，采用步进电机驱动。 数控系统每发一个脉冲指令，步进电机就转动一个步距角，结构简单，控制方 便，价格便宜。由于数控

13、系统发出的指令信号是单向的，机械传动的误差不能 检测反馈，所以加工精度不高，加工稳定性差，是早期数控机床和现代经济型 数控机床采用的控制系统。图1-38是开环控制系统框图。,教学单元一 项目四 任务2 数控机床类型识别,二、按伺服控制方式分类 2. 闭环控制数控机床 这类机床带有检测反馈装置，通过传感器直接对工作台的位移量进行检测，并将检测结果通过反馈装置反馈到输入端与输入信号进行比较，将误差值放大、变换处理修正工作台向误差减少的方向移动，直到误差为零。闭环控制数控机床可以消除从电动机到机床工作台整个机械传动链中的传动误差，定位精度高，自动调节速度快。但由于整个控制环内，摩擦阻尼特性、刚性及装

14、配间隙等非线性因素的影响，易于造成各种参数不匹配，引起系统振荡和不稳定，而且设计、调节比较复杂，成本高。因此，闭环控制方式用于精度要求很高的数控机床，如精密数控镗铣床、精密数控磨床等。图1-39为闭环控制的系统框图。,教学单元一 项目四 任务2 数控机床类型识别,二、按伺服控制方式分类 3. 半闭环控制数控机床 大多数数控机床采用半闭环伺服系统。这类数控机床是将检测传感器直接安装在伺服电机的轴端或安装在丝杠的的端部，以测量电机输出轴旋转位移角或丝杠旋转位移角。因为大部分机械传动装置未包括在闭环系统内，所以称为办闭环控制系统。虽然不能检测补偿机械传动装置的传动误差，但有些可以通过软件定值补偿适当

15、校正（如补偿丝杠传动的反向间隙）提高传动精度，而且设计、调整比闭环系统简单方便得多，得到广泛应用。图1-40 为半闭环控制的系统框图.,教学单元一 项目四 任务2 数控机床类型识别,二、按伺服控制方式分类,教学单元一 项目四 任务2 数控机床类型识别,三、按加工工艺类型分类 1. 普通数控机床 这类数控机床与传统的通用机床有相似的加工工艺特性，品种、类型繁多。如 数控车、铣、镗、钻、磨床等。 2.数控加工中心 与普通数控机床比较，另带有自动换到装置和刀具库，工件一次装夹后，加工 中可以自动更换各种刀具，自动连续完成在普通数控机床上需要多个工序的加 工过程。如镗铣加工中心、车削加工中心等。 3.金属成型数控机床 指通过挤、拉、压、冲等工艺方式使材料成型的数控机床。如数控冲床、数控 弯管机、数控折弯机、数控旋压机等。 4.特种加工数控机床 如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。 另外，数控机床还可以按数控系统功能水平及相应的主要技术指标分为高、 中、低三档。这种分法是相对的，不同时期划分的标准不同。,教学单元一 项目四 任务2 数控机床类型识别,