数控线切割机床的电气控制系统设计

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1、毕业论文文题目：数控机床发展及应用引言现代数控技术集机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体,是现代制造技术的基础,它的发展和应用,开创了制造业的新时代,使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段,它的广泛使用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化,它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础,现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等,都是建立在数控技术之上。数控技术是国际商业贸易的重要构成,发达国家把数

2、控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品,世界贸易额逐年增加。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。因此数控技术是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志,实现加工机床及生产过程数控化是当今制造业的发展方向,机械制造的竞争其实质是数控的竞争。摘 要 世界制造业转移,中国正在逐步成为世界加工厂。美国、德国、国等国家已经进入工业化发展的高技术密集时代与微电子时代,钢铁、机械、化工等重工业正逐渐向发展中国家转移。我国目前经济发展已经过了发展初期,正处于重化工业发展中期。 未来10年将是中国机械行业发展最佳时期。美国、德国的重化

3、工业发展期延续了18年以上,美国、德国、国四国重化工业发展期平均延续了12年,我们估计中国的重化工业发展期将至少延续10年,直到2015年。因此,在未来10年中,随着中国重化工业进程的推进,中国企业规模、产品技术、质量等都将得到大幅提升,国产机械产品国际竞争力增强,逐步替代进口,并加速出口。目前,机械行业中部分子行业如船舶、铁路、集装箱及集装箱起重机制造等已经受益于国际间的产业转移,并将持续受益；电站设备、工程机械、床等将受益于产业转移,加快出口进程关键词 : 历史 机床 刀具 发展趋势数控的历史数控英文名字：Numerical Control 简称:NC技术是指用数字、文字和符号组成的数字指

4、令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制,因此数控也称为计算机数控,简称CNC,国外一般都称为CNC,很少再用NC这个概念了。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。 数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年,穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末,以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年,美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输,奠定了现代计算机,包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年,第一台数控机床问世,成为世界机械工业史上一件

5、划时代的事件,推动了自动化的发展。现在,数控技术也叫计算机数控技术,目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置,使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现,均可通过计算机软件来完成。车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法,所谓机械加工,就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状,包含尺寸精度和几何精度两个方面。能完成以上功能的设备都称为机床,数控机床就是在普通机床上发展过来的,数控的意思就是数字控制。给机床装上数控系统后,机床就成了数控机床。

6、当然,普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单,例如：从铣床发展到加工中心,机床结构发生变化,最主要的是加了刀库,大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。我们一般所说的数控设备,主要是指数控车床和加工中心。数控机床的分类按加工工艺方法分类 1、金属切削类数控机床 与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别,具体的控制方式也各不相同,但机床的动作和运动都是数字化控制的,具有较高的生产率和自动化程度。 在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工

7、中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心,它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的,工件一次装夹后,可以对箱体零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工,特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差,减少了机床的台数和占地面积,缩短了辅助时间,大大提高了生产效率和加工质量。2、特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外,数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。 3、板材加工类数控

8、机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。 近年来,其它机械设备中也大量采用了数控技术,如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。 按控制运动轨迹分类 1、点位控制数控机床位置的精确定位,在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值,不控制点与点之间的运动轨迹,因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动,也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。 2、直线控制数控机床直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给

9、速度,沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工,进给速度根据切削条件可在一定围变化。 直线控制的简易数控车床,只有两个坐标轴,可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床,有三个坐标轴,可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统,驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工,它也可算是一种直线控制数控机床。 数控镗铣床、加工中心等机床,它的各个坐标方向的进给运动的速度能在一定围进行调整,兼有点位和直线控制加工的功能,这类机床应该称为点位/直线控制的数控机床。 3、轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制,使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓

10、的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标,而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移,将工件加工成要求的轮廓形状。 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂,在加工过程中需要不断进行插补运算,然后进行相应的速度与位移控制。 现在计算机数控装置的控制功能均由软件实现,增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此,除少数专用控制系统外,现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。 按驱动装置的特点分类1、开环控制数控机床 这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件

11、,伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令,经驱动电路功率放大后,驱动步进电机旋转一个角度,再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转,通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的,即进给脉冲发出去后,实际移动值不再反馈回来,所以称为开环控制数控机床。 开环控制系统的数控机床结构简单,成本较低。但是,系统对移动部件的实际位移量不进行监测,也不能进行误差校正。因此,步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高

12、的中小型数控机床,特别是简易经济型数控机床。 2、闭环控制数控机床 接对工作台的实际位移进行检测,将测量的实际位移值反馈到数控装置中,与输入的指令位移值进行比较,用差值对机床进行控制,使移动部件按照实际需要的位移量运动,最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲,闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度,也与传动链的误差无关,因此其控制精度高。图1-3所示的为闭环控制数控机床的系统框图。图中A为速度传感器、C为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时,若工作台没有移动,则没有反馈量,指令值使得伺服电动机转动,通过A将速度反馈信号送到速度控制电路,通过C将工作台实际位移量反馈回去

13、,在位置比较电路中与位移指令值相比较,用比较后得到的差值进行位置控制,直至差值为零时为止。这类控制的数控机床,因把机床工作台纳入了控制环节,故称为闭环控制数控机床。 闭环控制数控机床的定位精度高,但调试和维修都较困难,系统复杂,成本高。 3、半闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置如光电编码器等,通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移,然后反馈到数控装置中去,并对误差进行修正。通过测速元件A和光电编码盘B可间接检测出伺服电动机的转速,从而推算出工作台的实际位移量,将此值与指令值进行比较,用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控

14、制回路中,因而称为半闭环控制数控机床。 半闭环控制数控系统的调试比较方便,并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体,这样,使结构更加紧凑。 4、混合控制数控机床 将以上三类数控机床的特点结合起来,就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床,因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度,其传动链惯量与力矩大,如果只采用全闭环控制,机床传动链和工作台全部置于控制闭环中,闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式： 1开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构,另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校

15、正机械系统的误差。 2半闭环补偿型。它是用半闭环控制方式取得高精度控制,再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正,以获得高速度与高精度的统一。其中A是速度测量元件如测速发电机,B是角度测量元件,C是直线位移测量元件。数控机床运动坐标的电气控制数控机床一个运动坐标的电气控制由电流控制环、速度控制环和位置控制环串联组成 。电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数,其反馈信号也在伺服系统联接完成,因此不需接线与调整。速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分调节器,其P、I调整值完全取决于所驱动坐标轴的

16、负载大小和机械传动系统的传动刚度与传动间隙等机械特性,一旦这些特性发生明显变化时,首先需要对机械传动系统进行修复工作,然后重新调整速度环PI调节器。速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的,这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行,而对于垂向运动坐标轴则位置开环时会自动下落而发生危险,可以采取先摘下电动机空载调整,然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整,这时需要有一定的经验和细心。速度环的反馈环节见前面速度测量一节。位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。这其中有两方面的工作：一是位置测量元件的精度与CNC系统

17、脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离发出的脉 冲数目经过外部倍频电路和/或CNC部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的分辨率相符。例如位置测量元件10脉冲/mm,数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm,则测量元件送出的脉冲必须经过100倍频方可匹配。二是位置环增益系数Kv值的正确设定与调节。通常Kv值是作为机床数据设置的,数控系统中对各个坐标轴分别指定了Kv值的设置地址和数值单位。在速度环最佳化调节后Kv值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。Kv值是机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。关于Kv值的设置要注意两个问题,首先要满足下列公式：Kv=v/式中v坐

18、标运行速度,m/min跟踪误差,mm注意,不同的数控系统采用的单位可能不同,设置时要注意数控系统规定的单位。例如,坐标运行速度的单位是m/min,则Kv值单位为m/,若v的单位为mm/s,则Kv的单位应为mm/。其次要满足各联动坐标轴的Kv值必须相同,以保证合成运动时的精度。通常是以Kv值最低的坐标轴为准。位置反馈有三种情况：一种是没有位置测量元件,为位置开环控制即无位置反馈,步进电机驱动一般即为开环；一种是半闭环控制,即位置测量元件不在坐标轴最终运动部件上,也就是说还有部分传动环节在位置闭环控制之外,这种情况要求环外传动部分应有相当的传动刚度和传动精度,加入反向间隙补偿和螺距误差补偿之后,可

19、以得到很高的位置控制精度；第三种是全闭环控制,即位置测量元件安装在坐标轴的最终运动部件上,理论上这种控制的位置精度情况最好,但是它对整个机械传动系统的要求更高而不是低,如若不然,则会严重影响两坐标的动态精度,而使得机床只能在降低速度环和位置精度的情况下工作。影响全闭环控制精度的另一个重要问题是测量元件的精确安装问题,千万不可轻视。前馈控制与反馈相反,它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路,其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度。因为多数机床没有设此功能,故本文不详述,只是要注意,前馈的加入必须是在上述三个控制环均最佳调试完毕后方可进行。数控机床的伺服系统数控机床一般由

20、NC控制系统、伺服驱动系统和反馈检测系统3部分组成。数控机床对位置系统要求的伺服性能包括：定位速度和轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。对闭环系统来说,总希望系统有较高的动态精度,即当系统有一个较小的位置误差时,机床移动部件会迅速反应。下面就位置控制系统影响数控机床加工要求的几个方面进行论述。1加工精度精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度,一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小,另一

21、方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中,对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的,反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。可以说,数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身,也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时,必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量,一般要求比加工精度高一个数量级。总之,高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。例如,数控机床中常用的直线感应同步器的精度已可达0.0001mm,即0.1m,灵敏度为0.05m,

22、重复精度0.2m；而圆型感应同步器的精度可达0.5N,灵敏度0.05N,重复精度0.1N。2开环放大倍数在典型的二阶系统中,阻尼系数x=1/2-1/2,速度稳态误差e1/K,其中K为开环放大倍数,工程上多称作开环增益。显然,系统的开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。一般情况下,数控机床伺服机构的放大倍数取为2030。通常把K20的系统称为高放大倍数或硬伺服系统,应用于轮廓加工系统。假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度,希望阶跃响应不产生振荡,即要取值大一些,开环放大倍数K就小一些；若从系统的快速性出发,希望x选择小一些,即希望开环放大倍数增加些,同时K值的增大对系统的

23、稳态精度也能有所提高。因此,对K值的选取是必需综合考虑的问题。换句话说,并非系统的放大倍数愈高愈好。当输入速度突变时,高放大倍数可能导致输出剧烈的变动,机械装置要受到较大的冲击,有的还可能引起系统的稳定性问题。这是因为在高阶系统中系统稳定性对K值有取值围的要求。低放大倍数系统也有一定的优点,例如系统调整比较容易,结构简单,对扰动不敏感,加工的表面粗糙度好。3提高可靠性数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备,如果发生故障其损失就更大,所以提高数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一,其定义为：产品在规定条件下和规定时间,完成规定功能的概率。对数控机床来说,它的规定条

24、件是指其环境条件、工作条件及工作方式等,例如温度、湿度、振动、电源、干扰强度和操作规程等。这里的功能主要指数控机床的使用功能,例如数控机床的各种机能,伺服性能等。平均故障间隔时间是指发生故障经修理或更换零件还能继续工作的可修复设备或系统,从一次故障到下一次故障的平均时间,数控机床常用它作为可靠性的定量指标。由于数控装置采用微机后,其可靠性大大提高,所以伺服系统的可靠性就相对突出。它的故障主要来自伺服元件及机械传动部分。数控加工刀具的种类 数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类。模块化刀具是发展方向。发展模块化刀具的主要优点：减少换刀停机时间,提高生产加工时间；加快换刀及安装时间,提高小批

25、量生产的经济性；提高刀具的标准化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平；扩大刀具的利用率,充分发挥刀具的性能；有效地消除刀具测量工作的中断现象,可采用线外预调。事实上,由于模块刀具的发展,数控刀具已形成了三大系统,即车削刀具系统、钻削刀具系统和镗铣刀具系统。 1、从结构上可分为整体式镶嵌式可分为焊接式和机夹式。机夹式根据刀体结构不同,分为可转位和不转位；减振式当刀具的工作臂长与直径之比较大时,为了减少刀具的振动,提高加工精度,多采用此类刀具；冷式切削液通过刀体部由喷孔喷射到刀具的切削刃部；特殊型式如复合刀具、可逆攻螺纹刀具等。2、从制造所采用的材料上可分为高速钢刀具高速钢通常是型坯材料

26、,韧性较硬质合金好,硬度、耐磨性和红硬性较硬质合金差,不适于切削硬度较高的材料,也不适于进行高速切削。高速钢刀具使用前需生产者自行刃磨,且刃磨方便,适于各种特殊需要的非标准刀具。硬质合金刀具硬质合金刀片切削性能优异,在数控车削中被广泛使用。硬质合金刀片有标准规格系列产品,具体技术参数和切削性能由刀具生产厂家提供。硬质合金刀片按国际标准分为三大类：P类,M类,K类。 P类适于加工钢、长屑可锻铸铁相当于我国的YT类 M类适于加工奥氏体不锈钢、铸铁、高锰钢、合金铸铁等相当于我国的YW类 M-S类适于加工耐热合金和钛合金 K类适于加工铸铁、冷硬铸铁、短屑可锻铸铁、非钛合金相当于我国的YG类 K-N类适

27、于加工铝、非铁合金 K-H类适于加工淬硬材料瓷刀具立方氮化硼刀具金刚石3、从切削工艺上可分为车削刀具分外圆、孔、外螺纹、螺纹,切槽、切端面、切端面环槽、切断等。数控车床一般使用标准的机夹可转位刀具。机夹可转位刀具的刀片和刀体都有标准,刀片材料采用硬质合金、涂层硬质合金以及高速钢。数控车床机夹可转位刀具类型有外圆刀具、外螺纹刀具、圆刀具、螺纹刀具、切断刀具、孔加工刀具包括中心孔钻头、镗刀、丝锥等。机夹可转位刀具夹固不重磨刀片时通常采用螺钉、螺钉压板、杠销或楔块等结构。常规车削刀具为长条形方刀体或圆柱刀杆。方形刀体一般用槽形刀架螺钉紧固方式固定。圆柱刀杆是用套筒螺钉紧固方式固定。它们与机床刀盘之间

28、的联接是通过槽形刀架和套筒接杆来联接的。在模块化车削工具系统中,刀盘的联接以齿条式柄体联接为多,而刀头与刀体的联接是插入快换式系统。它既可以用于外圆车削又可用于孔镗削,也适用于车削中心的自动换刀系统。数控车床使用的刀具从切削方式上分为三类：圆表面切削刀具、端面切削刀具和中心孔类刀具。钻削刀具分小孔、短孔、深孔、攻螺纹、铰孔等。钻削刀具可用于数控车床、车削中心,又可用于数控镗铣床和加工中心。因此它的结构和联接形式有多种。有直柄、直柄螺钉紧定、锥柄、螺纹联接、模块式联接圆锥或圆柱联接等多种。镗削刀具分粗镗、精镗等刀具。镗刀从结构上可分为整体式镗刀柄、模块式镗刀柄和镗头类。从加工工艺要求上可分为粗镗

29、刀和精镗刀。铣削刀具分面铣、立铣、三面刃铣等刀具。面铣刀也叫端铣刀 面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃,端部切削刃为副切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构和刀片机夹可转位结构,刀齿材料为高速钢或硬质合金,刀体为40Cr。立铣刀 立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃,它们可同时进行切削,也可单独进行切削。结构有整体式和机夹式等,高速钢和硬质合金是铣刀工作部分的常用材料。模具铣刀 模具铣刀由立铣刀发展而成,可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种,其柄部有直柄、削平型直柄和莫氏锥柄。它的结构特点是球头或端面上布满切削刃,圆周刃与球头刃圆弧连接,可以

30、作径向和轴向进给。铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。键槽铣刀鼓形铣刀成形铣刀4、特殊型刀具 特殊型刀具有带柄自紧夹头、强力弹簧夹头刀柄、可逆式自动反向攻螺纹夹头刀柄、增速夹头刀柄、复合刀具和接杆类等。刀具的选用与其使用刀具的选用与其使用条件,式件材料和尺寸,断屑及刀具和刀片的生产供应等许多因素有关。如选用适当不但能使机床发挥出应有的效率,同时能提高加工质量,降低生产成本。而且,刀具的结构形式有时对工艺方案的拟定也起着决定性影响,因此必须慎重对待,综合考虑。一般选择原则如下：为了提高刀具的耐用度和可靠性。应尽量选用各种高性能,高效率,长寿命的刀具材料制成的刀具,如使用各种超硬材料人造聚晶金刚石

31、,金刚石压层刀片,立方氮化硼cNB,cNB硬质合金复合片等,高性能复合瓷,涂层刀具,硬质合金层压刀片是一种耐磨性,强度及冲击韧性等综合性能较好的硬质合金刀片,它是在韧性较好的YG8合金基础上,再压一层厚度为0.20.5mm含Tic和Tac等稀有金属碳化物的刀片和各种超硬高速钢等。必须指出,基于目前我国现实防情况,有些新型刀片还处于过渡试制阶段,性能不够稳定,所以通用型高速钢w18Cr4V和W6M05Cr4V2与硬质合金仍是我国制造数控刀具与自动线刀具的主要材料,但应尽量选用涂层牌号。而且使用之前刀片须经过严格检验,以避免一把刀具损坏而造成停机,甚至使整条自动线不能工作。 应选用机夹可转位刀具的

32、结构。现行的可转位车刀国家标准GB5343-85中的规定的刀具品种,因其刀尖位置精度要求较低刀尖到侧基面允差和刀尖高度允差为一O.33-0.39mm,刀尖到后基面允差为一2.5-2.9mm,因此只适用于普通车床及带有快换刀夹的数控车床。这是因为刀具上刀尖位置过大的制造误差,可通过快换刀夹和刀具一起在机外预调时得到补偿。如要求刀具不经过预调使用如使用圆盘形或圆锥形刀架,则应选用精密级可转位车刀的刀尖位置精度可达0.08mmX方向和Y方向,换刀后经过试切补偿修正,可满足一般车削加下精度的要求。由于带沉孔和后角刀片的刀具结构简单,通常只需用一个沉头螺钉就可直接将刀片3压紧在车刀刀杆上。它具有夹紧元件

33、少,制造方便断屑可靠,刀头部分尺寸小,刀头上无凸出部分,切屑流出不受阻碍等优点,因此应优先采用,这可广泛用于制造各种小尺寸的外圆车刀和端面车刀、孔镗刀和镗刀头、可转位钻头、叫转位铣刀和三面铣刀等刀具上。 为了集中工序,提高生产率及保证加工精度,应尽可能采用复合刀具。其中以孔加工复合刀具的使用最为普遍。 精加工孔时可采用镗孔或铰孔工艺。由于镗刀结构简单,刃磨和调整方便,因此只要在镗杆刚性足够的条件下,应尽量采用镗刀。尤其是孔径在大于80cm的孔,过小的孔不宜用镗刀加工,不然由于镗杆过细,会引起振动而影响加工精度和表面粗糙度。应尽量采用各种高效刀具。如高刚性麻花钻,钻扩四刃钻,硬质合金单刃铰刀,精

34、密微调镗刀,波形刃立铣刀和热管式刀具等。3几种高效率数控自动线刀具在数控机床和自动线上,为提高钻头耐用度和生产率,国外大量使用高刚性麻花钻。这种钻头在如下特点：螺旋角大,可增大到35。一45。以降低切削力。钻芯厚度厚。可将钻芯厚度由标准钻的0.125-0.15D提高到0.3D,D为钻头直径,以提高钻头的强度与刚性。采用新的容屑槽形状。钻头的刚性与容屑是两个相互矛盾的问题,如用增加钻芯厚度的方法来提高刚性,容屑的断面就要减小,这样会使排屑困难。所以必须采用新的容屑槽形状。由于铰孔比镗钻孔更能保证孔的位置和形状精度。所以数控机床和自动线上广泛使用尺寸可微调和镶装刃头的各种镗刀杆。二刀具安全使用 1

35、、请不要在不合适的切削条件下使用。 请将产品目录中所记载的切削条件表的参数作为新的加工工作开始时的大致标准。因为切削而出现异常的震动或响声时,请调整切削条件。 2、请不要使用磨损严重,有缺口的刀具。 连续地使用磨损严重、有缺口的刀具,会引起破损,在装上刀具之前请先确认刀具的损伤情况,并在合适的时候更换刀具或重新研磨。 3、请不要进行反向使用 刀具通常是在向右旋转的状态下使用。如为向左旋转,则会在包装上加以提示,故请予确认。数控机床如何正确选用刀具及编程数控刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要容,它不仅影响数控机床的加工效率,而且直接影响加工质量。CAD/CAM技术的发展,使得在数控

36、加工中直接利用CAD的设计数据成为可能,特别是DNC系统微机与数控机床的联接,使得设计、工艺规划及编程的整个过程全部在计算机上完成,一般不需要输出专门的工艺文件。 目前,许多CAD/CAM软件包都提供自动编程功能,这些软件一般是在编程界面中提示工艺规划的有关问题,如,刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等,编程人员只要设置了有关的参数,就可以自动生成NC程序并传输至数控机床完成加工。 因此,数控加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的,这与普通机床加工形成鲜明的对比,同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则,在编程时充分考虑数控加工的特点,能够正确选择刀刃具及切

37、削用量。 一、数控加工刀具的选择刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：安装调整方便、刚性好、耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下,尽量选择较短的刀柄,以提高刀具加工的刚性。选取刀具时,要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中,平面零件周边轮廓的加工,常采用立铣刀；铣削平面时,应选硬质合金刀片铣刀；加工凸台、凹槽时,选高速钢立铣刀；加工毛坯表面或粗加工孔时,可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀；对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工,常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形

38、铣刀。 在进行自由曲面加工时,由于球头刀具的端部切削速度为零,因此,为保证加工精度,切削行距一般采用顶端密距,故球头常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀,因此,只要在保证不过切的前提下,无论是曲面的粗加工还是精加工,都应优先选择平头刀。另外,刀具的耐用度和精度与刀具价格关系极大,必须引起注意的是,在大多数情况下,选择好的刀具虽然增加了刀具成本,但由此带来的加工质量和加工效率的提高,则可以使整个加工成本大大降低。 在加工中心上,各种刀具分别装在刀库上,按程序规定随时进行选刀和换刀动作。因此必须采用标准刀柄,以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具迅速、准确地装到

39、机床主轴或刀库上去。编程人员应了解机床上所用刀柄的结构尺寸、调整方法以及调整围,以便在编程时确定刀具的径向和轴向尺寸。目前我国的加工中心采用TSG工具系统,其刀柄有直柄和锥柄2种,共包括16种不同用途的刀柄。 在经济型数控机床的加工过程中,由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行,占用辅助时间较长,因此,必须合理安排刀具的排列顺序。一般应遵循以下原则：尽量减少刀具数量；一把刀具装夹后,应完成其所能进行的所有加工步骤；粗精加工的刀具应分开使用,即使是相同尺寸规格的刀具；先铣后钻 ；先进行曲面精加工,后进行二维轮廓精加工；在可能的情况下,应尽可能利用数控机床的自动换刀功能,以提高生产效率等。 二

40、. 数控刀具的特点数控刀具与普通机床上所用的刀具相比,有许多不同的要求,主要有以下特点： 刚性好、精度高、抗振及热变形小； 互换性好,便于快速换刀； 寿命高,切削性能稳定、可靠； 刀具的尺寸便于调整,以减少换刀调整时间； 刀具应能可靠地断屑或卷屑,以利于切屑的排除； 系列化、标准化,以利于编程和刀具管理。三、加工过程中切削用量的确定合理选择切削用量的原则是：粗加工时,一般以提高生产率为主,但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时,应在保证加工质量的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册,并结合经验而定。具体要考虑以下几个因素： 切削深度ap。在机床

41、、工件和刀具刚度允许的情况下,ap就等于加工余量,这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度,一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。 切削宽度L。一般L与刀具直径d成正比,与切削深度成反比。经济型数控机床的加工过程中,一般L的取值围为：L=d。 切削速度V。提高V也是提高生产率的一个措施,但v与刀具耐用度的关系比较密切。随着v的增大,刀具耐用度急剧下降,故v的选择主要取决于刀具耐用度。另外,切削速度与加工材料也有很大关系,例如用立铣刀铣削合金刚30CrNi2MoVA时,v可采用8m/min左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时,V可选200m/m

42、in以上。 主轴转速n。主轴转速一般根据切削速度v来选定。计算公式为：V=pnd/1000。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调开关,可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。 进给速度Vf。VF应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。Vf的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时,Vf可选择得大些。在加工过程中,Vf也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整,但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。随着数控机床在生产实际中的广泛应用,量化生产线的形成,数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。在数控程序的编制过程中,要在人机交互状态下即时选择刀具

43、和确定切削用量。因此,编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则,从而保证零件的加工质量和加工效率,充分发挥数控机床的优点,提高企业的经济效益和生产水平。数控机床发展趋势1、高速、高精密化20世纪90年代以来,欧、美、日各国数控机床特别是高速加工中心的开发应用新一代的高速数控机床,加快机床高速化的发展步伐。1、主轴转速：高速主轴单元装式主轴电机,主轴转速15000-100000r/min；2、高速且高加/减速度的进给运动部件快移速度60-120m/min,切削进给速度高达60m/min、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破,达到了新的技术水平。 3、运算速度：微处理器的

44、迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障,开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统,频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高,使得当分辨率为0.1m时,在24m/mi以上；在分辨率为1m时,在100m/min有的到200m/min以上,4、换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右,高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式,以主轴为轴心,刀具在圆周布置,其刀到刀的换刀时间仅0.9s。5、采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度,并通过仿真预测机床的加工精度,以保证机床的定位精度和重复定位精度,使其性能长期稳定,能够在不同运行

45、条件下完成多种加工任务,并保证零件的加工质量。小线段插补进给速度达到12m/min。6、随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高,机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要,近10多年来,普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m,精密级加工中心的加工精度则从35m,提高到11.5m。2、数控机床设计CAD化数控机床的设计时一项要求较高、综合性强、工作量打的工作、故应用CAD技术就更有必要、更迫切。1结构设计模块化任何一类机床都是若干基础件、标准件和功能部件组成的,尽管在同一类机床中有规格大小和立、卧等形式之分,但大体上功能部件都是相似的。为便于发展同系列和跨系列变

46、形品种,满足用户的市场需要,现在许多机床生产厂家都在发展自己产品的模块化结构设计。3、 数控机床功能多样化随着计算机技术的飞速发展,数控机床的功能越来越多,具体体现在：A、 用户界面图形化B、 科学计算可视化C、 插补和补偿方式多样化D、 装高性能数控系统E、 多媒体技术应用4、智能化、网络化、柔性化、集成化随着人工智能技术的发展,为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求,数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：1、为追求加工效率和加工质量方面的智能化,如自适应控制、工艺参数自动生成。2、高驱动性能及使用连接方便方面的智能化,如前馈控制、电动机参数的自适应运算、自动识别负

47、载自动选定模型、自整定等。3、故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息,应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；4、简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程,智能化的人机界面等。5、4M数控系统：在制造过程中,加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径,将测量Measurement、建模Modelling、加工Manufacturing、机器操作Manipulator四者即4M融合在一个系统中,实现信息共享,促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点数控单机、加工中心和数控复合加工机床、线FMC、FMS、FTL、FML向面

48、工段车间独立制造岛、FA、体CIMS、分布式网络集成制造系统的方向发展,另一方面向注重应用性和经济性方向发展。5、复合化复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合加工中心、车铣复合车削中心、铣镗钻车复合复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工,减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差,提高了零件加工精度,缩短了产品制造周期,提高了生产效率和制造商的市场反应能力,相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。加

49、工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构,该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序,可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高,大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。在20XX中国国际机床展览会CIMT2005上,国外制造商展出了形式各异的多轴加工机床包括双主轴、双刀架、9轴控制等以及可实现45轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。6、驱动并联化并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性

50、不够等固有缺陷,在机床主轴一般为动平台与机座一般为静平台之间采用多杆并联联接机构驱动,通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动,可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,更能满足复杂特种零件的加工,具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。并联机床作为一种新型的加工设备,已成为当前机床技术的一个重要研究方向,受到了国际机床行业的高度重视,被认为是自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步和21世纪新一代数控加工设备。 7、极端化大型化和微型化国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是

51、21世纪的战略技术,需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备,所以微型机床包括微切削加工车、铣、磨机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。8、数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649,以提供一种不依赖于具体系统的中性机制,能够描述产品整个生命周期的统一数据模型,从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言,既方便用户使用,又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。9、信息交互网络化对于面临激烈竞争的企业来说,使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能,以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重

52、要的。既可以实现网络资源共享,又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理,还可实现数控装备的数字化服务数控机床故障的远程诊断、维护等。例如,日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔e-Tower的外部设备,包括计算机、手机、机外和机摄像头等,能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能,是独立的、自主管理的制造单元。10、新型功能部件为了提高数控机床各方面的性能,具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：1、电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成,具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点,在各

53、种新型数控机床中已经获得广泛的应用；2、电动机：近年来,直线电动机的应用日益广泛,虽然其价格高于传统的伺服系统,但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用,机械传动结构得到简化,机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；3、珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成,可以大大简化数控机床的结构,具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。11、过程绿色化随着日趋严格的环境与资源

54、约束,制造加工的绿色化越来越重要,而中国的资源、环境问题尤为突出。因此,近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现,并在不断发展当中。在21世纪,绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展,占领更多的世界市场。12、媒体技术的应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体,使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力,因此也对用户界面提出了图形化的要求。合理的人性化的用户界面极方便了非专业用户的使用,人们可以通过窗口和菜单进行操作,便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。除此以外

55、,在数控技术领域应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化,应用于实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等,因此有着重大的应用价值。我国数控机床行业现状及前景随着电子信息技术的发展,世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代,其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段,具有无限放大的经济与社会效应。目前,欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程,而中国从20世纪80年代开始起步,仍处于发展阶段。 十五期间,中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量20XX为17521台,20XX24

56、803台,20XX36813台,20XX51861台,20XX产量是20XX的3.7倍,平均年增长39；20XX国产数控机床产量59639台,接近6万台大关,是九五末期的4.24倍。十五期间,中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。 20XX,中国数控金切机床产量达到85756台,同比增长32.8%,增幅高于金切机床产量增幅18.4个百分点,进而使金切机床产值数控化率达到37.8%,同比增加2.3个百分点。此外,数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人,全年实现出口额3.34亿美元,同比增长63.14%,高于全部金属加

57、工机床出口额增幅18.58个百分点。 20XX,中国数控金切机床产量达123,257台,数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台,进口约20万台。 20XX10月,中国数控机床产量达105,780台,比20XX同比增长2.96。 长期以来,国产数控机床始终处于低档迅速膨胀,中档进展缓慢,高档依靠进口的局面,特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口,技术受制于人。究其原因,国本土数控机床企业大多处于粗放型阶段,在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力

58、也还比较低,相关的技术规和标准的研究制定相对滞后,国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时,中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系,市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力,完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少,制约了数控机床产业的发展。 国外公司在中国数控系统销量中的80以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破,中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时,还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系,提高中国的自主设计、开发和成套生产能力,创建国产自主品牌产品,提高中国高档数控系统总体技术水平。 十一五期间

59、,中国数控机床产业将步入快速发展期,中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇,根据中国数控车床1996-20XX消费数量,通过模型拟合,预计20XX数控车床销售数量将达8.9万台,年均增长率为16.5%。根据中国加工中心1996-20XX消费增长模型,预计20XX加工中心消费数量将达2.8万台,较20XX年均增长率结 语制定符合中国国情的总体发展战略,确立与国际接轨的发展道路,对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。 我们衷心希望,我国科技界、产业界和教育界通力合作,把握好知识经济给我们带来的难得机遇,迎接竞争全球化带来的严峻挑战,为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列,使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗！参考文献1王志平主编.数控机床及应用.：高等教育,2002.32王爱玲.现代数控机床 第2版 国防工业, 2009.3建钢,胡大泽主编.数控技术.武昌：华中科技大学,2000.821 / 21