数控车床：从知识准备到经济型实践

数控机床是指采用数控技术进行控制的机床。数控机床按用途进行分类，用于完成车削加工的数控机床称为数控车床。

数控车床与普通车床相同的是它们都主要用于加工轴类、盘套类等回转体零件；不同的是数控车床能够自动完成圆柱面、圆锥面、球面以及螺纹等的加工，还能加工一些复杂的回转面，如椭圆、抛物线等特殊曲面。

一、数控车床的分类

1.按车床主轴位置分类

数控车床根据车床主轴的位置，可分为卧式数控车床和立式数控车床两类。

（1） 卧式数控车床。卧式数控车床的主轴轴线平行于水平面，图1−1−1所示为经济型卧式数控车床。卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控斜导轨卧式车床。斜导轨结构多采用45°、60°、75°，其可以使车床获得更大的刚性，并易于排除切屑。

（2） 立式数控车床。立式数控车床的主轴轴线垂直于水平面，并有一个直径很大、供装夹工件用的圆形工作台，如图1−1−2所示。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。

图1-1-1　经济型卧式数控车床　

　图1-1-2　立式数控车床　

2.按功能分类

数控车床根据功能，可分为经济型数控车床、全功能数控车床和车削中心等几类。

（1） 经济型数控车床。经济型数控车床如图1−1−1所示，一般采用开环或半闭环伺服系统控制，主轴多采用变频调速。其结构和普通车床相似，系统通常配备经济型数控系统，具有CRT（阴极射线管）显示、程序储存、程序编辑等功能。此类数控车床结构简单、价格低廉，主要用于加工精度要求不高但有一定复杂性的零件。

（2） 全功能数控车床。全功能数控车床是较高档次的数控车床，如图1−1−3所示，一般采用后置转塔式刀架，可装刀具数量较多；主轴为伺服驱动；车床采用倾斜床身结构以便于排屑；数控系统的功能较多，具有刀尖圆弧半径自动补偿、恒线速切削、倒角、固定循环、螺纹车削、图形显示、用户宏程序等功能，可靠性较好。这类车床加工能力强，适用于精度高、形状复杂、工序多、循环周期长、品种多变的单件或中、小批量零件的加工。

（3） 车削中心。车削中心是在全功能数控车床的基础上，增加了C轴和动力头，刀架具有Y轴功能的更高级的数控车床。其带有刀库和自动换刀装置，扩大了自动选择和使用刀具的数量，功能更全面，可实现四轴（X轴、Y轴、Z轴和C轴）联动功能。除了能进行车削、镗削加工外，车削中心还能对端面和圆周上任意部位进行钻削、铣削、攻螺纹等加工；而且在具有插补功能的情况下还能铣削曲面、凸轮槽和螺旋槽，可实现车削、铣削复合加工。车削中心如图1−1−4所示。

图1-1-3　全功能数控车床　

图1-1-4　车削中心　

二、数控车床的组成

数控车床主要由车床本体和数控系统两大部分组成。车床本体由床身、主轴、滑板、刀架和冷却装置等组成；数控系统由程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置3部分组成。

图1−1−5所示为CKA61100型数控车床的外形图，它主要由床身、主轴箱、电气控制箱、刀架、数控装置、尾座、进给系统、冷却系统和润滑系统等组成。

图1-1-5　CKA61100型数控车床　

1—床身；2—主轴箱；3—电气控制箱；4—刀架；5—数控装置；6—尾座；7—导轨；8—丝杠；9—防护板

1.床身

床身部分如图1−1−6所示，包括床身与床身底座。床身底座为整台机床的支撑与基础，所有的机床部件均安装于其上，主电动机与冷却箱置于床身底座的内部。

2.主轴箱

图1-1-6　床身部分　

主轴箱用于固定机床主轴。主电动机通过三角带直接把运动传给主轴。主轴通过同步齿形带与编码器（图 1−1−7）相连，通过编码器测出主轴的实际转速，主轴的调速直接通过变频电动机来完成。

3.电气控制箱

电气控制箱如图1−1−8所示，其内部用于安装各种机床电气控制元件、数控伺服控制单元、控制芯板和其他辅助装置。

图1-1-7　主轴与编码器　

　图1-1-8　电气控制箱　

4.刀架

刀架（图1−1−9）固定在中滑板上，常用的刀架有四工位立式电动刀架和转塔式刀架，用于安装车削刀具。刀架通过自动转位来实现刀具的交换。

图1-1-9　刀架　

（a）四工位立式电动刀架；（b）转塔式刀架

5.数控装置

数控装置主要由数控系统、伺服驱动装置和伺服电动机组成，如图1−1−10所示。数控系统发出的信号经伺服驱动装置放大后，指挥伺服电动机进行工作。

图1-1-10　数控装置　

目前，我国主要使用的数控系统包括由日本富士通公司研制开发的FANUC（发那科）数控系统、德国西门子公司开发研制的SIEMENS（西门子）数控系统和国产数控系统3类。

FANUC数控系统在我国得到了广泛的应用。目前，在我国市场上，应用于车床的FANUC数控系统主要有FANUC 18i Mate-TA/TB、FANUC 0i Mate-TA/TB/TC、FANUC 0 Mate-TD等。本书以FANUC 0i TC为例，讲解FANUC系统的编程与操作。FANUC 0i TC数控系统操作界面如图1−1−11所示。

图1-1-11　FANUC 0i Mate-TC数控系统操作界面　

SIEMENS数控系统在我国数控机床中的应用也相当普遍。目前，在我国市场上，常用的SIEMENS数控系统除SIEMENS 840D/C、SIEMENS 810T/M外，还有专门针对我国市场开发的车床数控系统SIEMENS 802S/C/802D，其中802S系统采用步进电动机驱动，802C/D系统则采用伺服电动机驱动。

常用于车床的国产数控系统有广州数控系统，如GSK928T、GSK980T等；华中数控系统，如 HNC−21T 等；北京航天数控系统，如 CASNUC 2100 等；南京仁和数控系统，如RENHE−32T/90T/100T等。

除了以上3类主流数控系统外，国内使用较多的数控系统还有日本的三菱数控系统和大森数控系统、法国的施耐德数控系统、西班牙的法格数控系统和美国的A−B数控系统等。

6.尾座

尾座在长轴类零件加工时起支撑等作用。

7.进给系统 (www.xing528.com)

数控车床的纵向、横向进给均由伺服电动机通过联轴器与滚珠丝杠连接来实现。伺服电动机、弹性联轴器和各种滚珠丝杠如图1−1−12所示。

图1-1-12　伺服电动机、弹性联轴器和各种滚珠丝杠　

（a）伺服电动机；（b）弹性联轴器；　

图1-1-12　伺服电动机、弹性联轴器和各种滚珠丝杠（续）　

（c）液珠丝杠

三、数控加工

1.数控加工的定义

数控加工是指在数控机床上自动加工零件的一种工艺方法。

2.数控加工的实质

数控机床按照事先编制好的加工程序并通过数字控制过程，自动地对零件进行加工。

3.数控加工的流程

数控加工流程如图1−1−13所示，主要包括以下几方面内容。

图1-1-13　数控加工流程　

（1） 分析图样，确定加工方案。对所要加工的零件进行技术要求分析，选择合适的加工方案，再根据加工方案选择合适的数控加工机床。

（2） 工件的定位与装夹。根据零件的加工要求，选择合理的定位基准，并根据零件批量、精度及加工成本选择合适的夹具，完成工件的装夹与找正。

（3） 刀具的选择与安装。根据零件的加工工艺性和结构工艺性，选择合适的刀具材料与刀具种类，完成刀具的安装与对刀，并将对刀所得参数正确设定在数控系统中。

（4） 编制数控加工程序。根据零件的加工要求，对零件进行编程，并经初步校验后将这些程序通过控制介质或手动方式输入机床数控系统。

（5） 试运行、试切削并校验数控加工程序。对所输入的程序进行试运行，并进行首件的试切削。试切削一方面用来对加工程序进行最后的校验，另一方面用来校验工件的加工精度。

（6） 数控加工。当试切削的首件经检验合格并确认加工程序正确无误后，便可进入数控加工阶段。

（7） 工件的验收与质量误差分析。工件入库前，先进行工件的检验，并通过质量分析，找出误差产生的原因，得出纠正误差的方法。

四、数控车床的加工特点

1.适应能力强

在数控车床上改变加工对象时，只要重新编制或修改加工程序，无须更换许多工具、夹具，更不需要更新机床，就可以迅速达到加工要求，大幅缩短了更换机床硬件的技术准备时间。因此，数控车床适用于新产品试制和多品种、单件或小批量加工。

2.加工精度高

（1） 由于数控车床集机、电等高新技术于一体，机床本身的零部件都具有很高的制造精度，特别是数控车床能实现机械间隙补偿和刀具补偿，因此能够加工形状和尺寸精度要求较高的零件。

（2） 一般情况下机床的加工精度通常是定位精度的2～3倍，数控车床的定位精度是重复定位精度的2.3～2.5倍。对于批量生产的中小型零件，机床的重复定位精度直接影响一批零件加工尺寸的一致性。

（3） 数控车床的加工过程是由计算机根据预先输入的程序进行控制的，这就避免了因操作者技术水平的差异而引起的产品质量不同。此外，数控车床的加工过程受操作者体力、情绪变化的影响也很小，消除了操作者的人为操作误差，使加工质量更稳定、产品合格率更高。

3.生产效率高

（1） 数控车床具有较高的刚度，可采用较大的切削用量，有效地减少了加工中的切削时间。

（2） 数控车床具有自动变速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，而且无须工序间的检验与测量，使辅助时间大为缩短。

（3） 数控车床工序集中、一机多用，如车削中心在一次装夹工件后几乎可以完成零件的全部加工工序，这样不仅可减小装夹误差，还可减少半成品的周转时间，生产效率的提高更为明显。

（4） 通过增加数控车床的控制轴，就能在一台数控车床上同时加工出两个多工序的相同或不同的零件，也便于实现一批复杂零件车削全过程的自动化。如在一台车削中心上，左、右两个同轴线的主轴和前、后配置的两个刀架，在数控系统的控制之下进行多个零件的多工序加工。

4.适合复杂零件的加工

（1） 由于数控车床能实现两轴或两轴以上的联动，所以能完成轮廓形状复杂零件的加工，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。

（2） 数控车床进给传动系统是由伺服驱动系统来实现的，可以任意调节进给速度，数控车床不仅能车削任何等导程的圆柱螺纹、圆锥螺纹及端面螺纹，还能车削变导程螺纹以及要求等导程与变导程之间平滑过渡的螺纹。

5.减轻劳动强度

数控车床可按加工程序要求连续地进行切削加工，操作者手工操作工作量较小，大幅降低了劳动强度，劳动条件也得到了很大的改善。

6.有利于实现制造和生产管理的现代化

采用数控车床加工零件，能准确地计算产品生产的工时，并有效地进行工、夹具和半成品的管理工作。数控车床使用数字信号与标准代码作为输入信号，适宜与计算机网络连接，构成由计算机控制和管理的生产系统，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础。

五、数控车床的加工范围

数控车削加工是应用最多的数控加工方法之一。由于数控车床具有加工精度高，能做直线和圆弧插补，以及在加工过程中能自动变速的特点，因此其加工范围比普通车床要宽得多。

针对数控车床的特点，最适合数控车削加工的零件如图1−1−14所示，主要有精度和表面粗糙度要求较高的轴套类零件、精度和表面粗糙度要求较高的盘类零件、表面形状复杂的回转类零件、带特殊轮廓的回转类零件等。

图1-1-14　最适合数控车削加工的零件　

（a）轴套类零件；（b）盘类零件；（c）表面形状复杂的回转类零件；（d）带特殊轮廓的回转类零件

从数控车床的特点可以看出，适合数控车床加工的零件还包括：

（1） 多品种、小批量生产的零件或新产品试制阶段的零件；

（2） 轮廓形状复杂的零件；

（3） 加工过程中必须进行多工序加工的零件；

（4） 用普通车床加工时，需要有昂贵工艺装备的零件；

（5） 同一批加工零件的尺寸一致性必须严格控制，对加工精度要求高的零件；

（6） 工艺设计需多次改型的零件；

（7） 价格昂贵，加工中不允许报废的关键零件；

（8） 需要最短生产周期的零件。