数控车实训教案
五、实操教学内容
（一） 数控机床的基本构成
图2-15 GSK980系统数控车床示意图
图2-16数控车床的原理示意图
图2-17数控机床结构示意图
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1. CNC装置
CNC装置是CNC系统的核心，主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统的其他组成部分联系的接口等。数控机床的CNC系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性化，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。
2. 输入/输出设备
键盘、磁盘机等是数控机床的典型输入设备。除上述以外，还可以用串行通信的方式输入。
数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富 ，并能显示图形。操作人员通过显示器获得必要的信息。
3. 伺服单元
伺服单元是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。
4. 驱动装置
驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动， 最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。
伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。
5. 可编程控制器
可编程控制器 (PC，Programmable Controller) 是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。由于最初研制这种装置的目的是为了解决生产设备的逻辑及开关控制， 故把称它为可编程逻辑控制器( PLC， Programmable
Logic Controller)。当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称之为编程机床控制器( PMC， Programmable Machine Controller )。
PLC己成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PLC协调配合，共同完成对数控机床的控制。用于数控机床的PLC一般分为两类：一类是CNC的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计，称为内装型(或集成型)PLC，内装型PLC是CNC装置的一部分；另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制功能，称为独立型( 或外装型)PLC。
6. 测量装置
测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。按有无检测装置，CNC系统可分为开环与闭环数控系统，而按测量装置的安装位置又可分为闭环与半闭环数控系统。开环数控系统的控制精度取决于步进电机和丝杠的精度，闭环数控系统的控制精度取决于检测装置的精度。因此，测量装置是高性能数控机床的重要组成部分。此外，由测量装置和显示环节构成的数显装置，可以在线显示机床移动部件的坐标值，大大提高工作效率和工件的加工精度。
7. 机床本体
CNC机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加之
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在加工中是自动控制，不能像在普通机床上那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。
（二） 数控机床的分类
数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。根据不完全统计，目前已有近500种数控机床。根据数控机床的功能和组成，一般可分为以下几类。 分 类 方 法 按坐标轴数分类 一般数控机床 机 床 类 型 数控加工中心机床 直线控制数控机床 半闭环数控系统 普及型 表2-1
多坐标数控机床 轮廓控制数控机床 闭环数控系统 高级型 按系统控制特点分类 点位控制数控机床 按有无测量装置分类 开环数控系统 按功能水平分类 经济型 （三） 数控机床特点
1.
适应性强
由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。当改变加工零件时，数控机床只需更换零件加工的NC程序，不必用凸轮、靠模、样板或其它模具等专用工艺装备，且可采用成组技术的成套夹具。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代。所以，数控机床的适应性非常强。
2. 加工质量稳定
对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同， 且数控机床是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性好且质量稳定。
3. 生产效率高
数控机床上可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以，比普通机床的生产率高3～4倍甚至更高。
数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大。目前数控机床的最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01μm。 一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的三倍，甚至更高。数控机床的时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%～50% 。
4. 加工精度高
数控机床有较高的加工精度，一般在0.005～0.1mm之间。数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，其定位精度比较高，同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。
5. 工序集中、一机多用
数控机床特别是带自动换刀的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。这样可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间，还可以节省车间的占地面积，带来较高的经济效益。
加工中心的工艺方案更与普通机床的常规工艺方案不同，常规工艺以“工序分散”为特
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点，而加工中心则以工序集中为原则，着眼于减少工件的装夹次数，提高重复定位精度。
6. 减轻劳动强度
在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。数控机床是一种高技术的设备，尽管机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，但是数控机床的优点很多，它有利于自动化生产和生产管理，使用数控机床的经济效益还是很高的。
（四） 数控机床的加工对象
1.
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
采用数控机床加工的优势及缺点
可以加工具有复杂形面的工件； 加工精度高尺寸一致性好； 生产效率高；
可以减少工人的劳动强度，实现一人多机操作； 经济效应明显；
可以精确计算成本和安排上生产进度； 数控加工是CAD/CAM技术和选进技术基础。
2.
1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)
数控机床的使用范围
多品种，小批量生产的零件或产品试制中的零件； 几何零件复杂的零件；
加工过程中必须进行多工序加工的零件；
用普通机床加工时，需昂贵的工装设备的零件； 必须严格控制公差，对精度要求计较高的零件； 工艺设计需多次改型的零件；
价格昂贵，加工中不允许报废的关键零件； 需要最短生产周期的零件。
（五） 数控机床加工过程
表2-2
（六） 数控加工的工艺路线分析
理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥。数控机床是一种高效率的自动化设备，它的效率高于普通机床的2～3倍，所以，要充分发挥数控机床的这一特点，必须熟练掌握其性能、特点、使用操作方法，同时还必须在编程之前正确地确定加工方案。由于生产规模的差异，对于
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同一零件的加工方案是有所不同的，应根据具体条件，选择经济、合理的工艺方案。
1. 加工路线确定原则
在数控加工中，刀具刀位点相对于零件运动的轨迹称为加工路线。即刀具从对刀点开始运动起，直至结束加工程序所经过的路径，包括切削加工的路径及刀具引入、返回等非切削空行程。加工路线的确定首先必须保证被加工零件的尺寸精度和表面质量，其次考虑数值计算简单，走刀路线尽量短，效率较高等。其确定原则如下:
1. 加工路线应保证被加工零件的精度和表面粗糙度且效率较高。 2. 使数值计算简便，以减少编程工作量。
3. 应使加工路线最短，这样既可减少程序段，又可减少空刀时间。
4. 加工路线还应根据工件的加工余量和机床、刀具的刚度等具体情况确定。 2. 圆锥面车削工艺路线分析 ZZZX X X (a) (b) (c) 图2-18
1. 平行车削法（如图2-18a）
刀具每次切削的背吃刀量相等，但编程时需计算刀具的起点和终点坐标。采用这种加工路线时，加工效率高，但计算麻烦。 2. 终点车削法（如图2-18b）
采用这种加工路线时，刀具的终点坐标相同，无需计算终点坐标，计算方便，但每次切削过程中背吃刀量是变化的。 3. 台阶车削法（如图2-18c）
先根据圆弧面加工出多个台阶，再车削圆弧轮廓。这种加工方法在复合固定循环中被广泛使用。
ZZZZX XXX (a) (b) (c) (d)
图2-19
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