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下面以CK7815数控车床和CK9330型数控车床为例简单介绍一下数控车床的结构组成。
CK7815型数控车床是长城机床厂的产品,可选配FANUC-6T或FANUC-5T系统,为两坐标联动半闭环控制的CNC车床。
该车床能车削直线(圆柱面)、斜线(锥面)、圆弧(成形面)、公制和英制螺纹(圆柱螺纹、锥螺纹及多头螺纹),能对盘形零件进行钻、扩、铰和镗孔加工。
CK7815数控车床如图2-1所示。
其床身导轨为60º
倾斜布置,排屑方便。
导轨截面为矩形,刚性很好。
主轴由直流(配5T系统时)或交流(配6T系统时)调速电机驱动,主轴尾端带有液压夹紧油缸,可用于快速自动装夹工件。
床鞍溜板上装有横向进给驱动装置和转塔刀架,刀盘可选配8位、12位小刀盘和12位大刀盘。
纵横向进给系统采用直流伺服电机带动滚珠丝杠,使刀架移动。
尾座套筒采用液压驱动。
可采用光电读带机和手工键盘程序输入方式,带有CRT显示器、数控操作面板和机械操作面板。
另外还有液动式防护门罩和排屑装置。
若再配置上下料的工业机器人,就可以形成一个柔性制造单元(FMC)。
图2-1CK7815数控车床
CK9330型数控车床配有由华中数控研制开发的HCNC-1T数控系统,直接由PC电脑通过数控软件进行加工控制的新型CNC系统。
该机床是一开环控制的台式车床,其机械部分由床身、床头箱、工作台、大小拖板、普通刀架、尾座、主轴电机、XZ轴步进电机(4NM,1NM各一个)等组成,控制部分由机床强电控制柜、机械操作面板、PC电脑及其数控软件等组成。
如图2-2所示。
CK9330型数控车床能够控制的主要有X、Z轴的运动(包括移动量及移动速度的控制,能进行直线、圆弧的插补加工控制)、一些电器开关的通断(包括主轴正反转及停转、进给随意暂停和重启、急停及超程保护控制)等,由于主轴采用的是一般交流电机,故主轴转速不可任意调节。
该机床可用于车削内外圆表面、锥面、平面、复杂的回转表面和公、英制螺纹等。
图2-2CK9330数控车床的组成
2.1.2数控车床的传动及速度控制
如图2-3所示为CK7815型数控车床的传动系统图。
主轴由AC-6型5.5Kw交流调速电动机或DC-8型1.1Kw直流调速电动机驱动,靠电器系统实现无级变速。
由于电机调速范围的限制,故采用两级宝塔皮带轮实施高、低两档速度的手工切换,在其中某档的范围内可由程序代码S任意指定主轴转速。
结合数控装置还可进行恒线速度切削。
但最高转速受卡盘和卡盘油缸极限转速的制约,一般不超过4500r/min。
纵向Z轴进给由直流伺服电机直接带动滚珠丝杠实现,横向X轴进给由直流伺服电机驱动,通过同步齿形带带动横向滚珠丝杠实现,这样可减小横轴方向的尺寸。
刀盘转位由电机经过齿轮及蜗杆副实现,可手动或自动换刀。
排屑机构由电机、减速器和链轮传动实现。
CK7815的主要速度指标为:
主轴转速直流电机交流电机(无级)
工进速度:
0.01~500mm/r0.0001~50in/r
1~2000mm/min0.01~600in/min
快进速度:
纵向Z轴12m/min
横向X轴9m/min
工进速度和快进速度还受控制面板上相应的速度修调旋钮影响。
实际速度还应乘以速度修调的倍率。
CK9330型数控车床的传动系统较为简单,该机床主轴是由电机经三角胶带传至车头主轴,由皮带塔轮传动实施有级变速。
主轴转速不受S代码的控制,其调整需靠手工进行。
按图2-4所示变换各皮带位置,即可得到表2-1中所列的六种主轴转速。
由于主轴转速不可无级调控,所以在螺纹车削时只有靠编码器检测主轴的实际转速并反馈到数控系统后再由系统自动调整进给轴的进给速度来保证(主轴每转一圈,刀架移动一个螺距值)。
图2-4CK9330的主轴变速
表2-1CK9330主轴变速列表
皮带接法
主轴转速(r/min)
C
160
D
250
E
400
F
630
G
1000
H
1600
CK9330数控车床的纵向Z轴进给由4NM的三相六拍感应式步进电机直接带动普通丝杠实现,横向X轴进给由1NM的步进电机带动一对18/27的减速齿轮后再带动普通丝杠实现。
由于小拖板上的丝杠手柄调节位移量不计入数控装置,因此只用于加工前对刀时的辅助调节,其在加工过程中的任何移动都将影响尺寸精度。
CK9330型数控车床的主要规格与技术参数为:
床身上最大工件回转直径φ300mm
最大工件长度500mm
刀架上最大工件回转直径φ140mm
主轴通孔直径φ26mm
主轴孔莫氏锥度NO.4.
刀架最大横向行程160mm
刀架最大纵向行程100mm
加工公制螺纹种数14
加工公制螺纹螺距0.5-3(或更大)
加工英制螺纹种数20
加工英制螺纹螺距11-401/n
纵、横向进给量级数无级调速
主轴每转刀架的纵、横向进给量无级调速
主轴转速范围160-1600r/min
主轴转速级数6
另外,还有些车床的主轴虽然采用的是机械式的有级变速,但配合一定的电液动控制系统,也可通过S代码自动实现主轴的变速,当然那也只能是有级变速。
2.1.3数控车床的控制面板及其功能
用PC电脑作控制系统的数控车床,其程序输入、数据设定及NC控制等操作均可由PC键盘进行,文字及图形信息由显示器显示。
CK9330数控车床操作面板的布局如图2-5所示。
图2-5CK9330数控车床的操作面板
面板顶行为一排指示灯,分别为指示机床电柜电源的“强电”指示灯、表示机床与计算机数控软件是否联系上的“联机”指示灯、数控系统内部是否有故障的“数控”报警和控制轴行程是否超界的“超程”报警指示灯以及回参考点指示灯。
右上部菱形布置的几个按钮为拖板移动用的手动操作按钮,相当于普通车床上的旋转手柄,轴移动方向遵循标准规定,当按住某轴移动方向按钮的同时再按住中间的快移按钮,则该轴将以内部设定的最快速度向指定方向移动,否则将以当前设定的速度修调率移动。
指示灯下方的旋钮为速度修调钮,“自动”的各档用于控制机床自动及MDI方式下的进给速度修调率,“手动”各档用于控制点动及步进移动时的X、Z轴移动速度,“增量”各档则用于决定步进方式下点按一下轴移动按钮所产生的移动量。
左下NC锁匙电源是为机床提供的又一道电源开关,右下急停按钮是用于紧急情况下强行切断电源的,中部几个为功能控制按钮。
超程解除----当Z轴正负方向出现硬性行程超界时,可同时按此钮和Z轴相反方向的按钮以解除超程
进给保持和循环启动----用于自动运行中暂停进给和持续加工。
单段执行----自动运行方式下若按下此钮,则每执行一段程序后都将暂停等待,需按循环启动方可执行下一段程序。
机床锁住----若此按钮按下,则程序执行时只是数控系统内部进行控制运算,可模拟加工校验程序,但机械部件被锁住而不能产生实际的移动。
主轴正转、反转和停转----用于手动控制主轴的正转、反转和停转。
2.1.4控制软件界面和菜单结构
HCNC-1T控制软件系统的环境界面如图2-6所示。
屏幕顶行为状态行,用于显示工作方式及运行状态等,工作方式按主菜单变化,运行状态在不同的工作方式下有不同的显示。
如:
图2-6控制软件的环境界面
自动运行时显示:
5%~140%(自动运行的进给速度修调倍率)
循环停止(自动运行处于暂停状态)
机床锁住(机械锁住有效时)
程序单段(单段运行有效时)等;
MDI方式时显示:
当前默认的G代码模态值(如G00G91G21G94);
点动操作方式:
5%~100%(最大速度百分比)
X轴进给或Z轴进给;
步进功能方式:
x1、x10、x100、x1000(四种步进倍率)
屏幕中间为工件加工的坐标显示和图形跟踪显示或加工程序内容显示。
屏幕下部为提示输入行和菜单区(多级菜单变化都在同一行中进行)。
屏幕右部为信息检索显示区:
O-N索引处显示自动运行中的O代码(主程序号)和N代码(程序段号),P-L索引处显示自动运行中的P代码(子程序调用)和L代码(调用次数),M-T索引处显示自动运行中的M代码(辅助功能)和T代码(刀具号和刀补号),机械坐标处显示刀具在机床坐标系中的坐标变化。
控制软件系统的菜单结构见附录2。
整个菜单的显示切换均在屏幕底行上进行,菜单选取由功能键F1-F10操作,第一级子菜单的调出和所有下级菜单的往上退回均靠F1功能键实施。
在主菜单级显示时按下F2键选中自动运行方式后该按钮呈凹下状,但需要再按F1键方可切换到自动运行方式的下级菜单。
然后在本级菜单显示时按下相应的选用功能键即可自动调用显示下级菜单或执行相应的菜单项功能(即除第一级子菜单调出需按F1键外,往下层次的子菜单调出则不需按F1键,均可自动调出)。
从本级菜单返回到上一级以及当本级某菜单项执行完后又想执行本级的另一菜单项功能时则需要按F1功能键,而不是按ESC键,若在主菜单显示时按了ESC键,则自动退出控制软件系统。
2.2数控车床的位置调整与坐标系的设定
本节主要以CK9330型数控车床及其HCNC-1T控制系统为例介绍其基本操作。
2.2.1手动位置调整及MDI操作
1.回参考点操作
对于具有参考点功能的数控车床而言,当系统接通电源、复位后首先应进行机床各轴回参考点的操作,以建立机床坐标系。
(1)先检查一下各轴是否在参考点的内侧,如不在,则应手动回到参考点的内侧,以避免回参考点时产生超程。
(2)在主菜单下按F3选择“回零功能”;
(3)分别按+X、+Z轴移动方向按键,使各轴返回参考点,回参考点后,相应的指示灯将点亮。
返回参考点后,屏幕上即显示此时刀具(或刀架)上某一参照点在机床坐标系中的坐标值,对某机床来说,该值应该是固定的。
系统将凭这一固定距离关系而建立起机床坐标系,机床原点通常就设在车床主轴端头(或卡盘)的回转中心处。
2.点动操作
图2-7点动操作时画面
(1)在主菜单下选择“点动操作”,即按F6功能键,此时屏幕显示如图2-7。
(2)将机床操作面板上的进给修调旋钮旋至所需的进给百分比(自动的8档和手动的4档);
此时,实际移动速度=最大移动速度x进给百分比
如:
若某轴的最大移动速度为6m/min则:
5%档时点动移动速度为0.3m/min;
100%档时点动移动速度为6m/min;
(3)按机床操作面板上的“+X”或“+Z”键,则刀具向X或Z轴的正方向移动,
按机床操作面板上的“-X”或“-Z”键,则刀具向X或Z轴的负方向移动;
(4)如欲使某坐标轴快速移动,只要在按住某轴的“+”或“-”键的同时,按住“快移”键即可。
说明:
①一次只能使一个坐标轴运动;
②系统通电启动时,主菜单默认方式为“点动操作”;
③快速移动的速度为系统设定的该轴的最大移动速度(同G00速度);
④机械移动的同时,计算机屏幕上的坐标显示和图形追踪也跟着同步变化。
无论用何种移动操作方式,当某轴移动导致刀架拖板碰到机床上的限位档块时,限位行程开关将会产生相应的动作,数控系统将出现某轴超程的警告信息,即超程报警。
此时只可在点动方式下,同时按住操作面板上的“超程解除”按钮和该轴反方向的移动按钮而退出到非超程区,然后才可进行其它操作。
自动运行时若出现超程报警的话,运行状态无法持续。
程序执行将中止。
所以当要用某程序进行自动加工控制前,必须先进行空程校验,确保无误后方可进行实际加工。
3.步进功能
(1)在主菜单下按F7选择“步进功能”;
(2)将机床操作面板上的进给倍率修调旋钮旋至所需的倍率(增量x1.10.100.1000等4档);
x1档即表示移动单位为1个脉冲当量(本系统一个脉冲对应0.001mm)
x100档即表示移动单位为100个脉冲当量,即0.1mm
x10、x1000档即分别为移动0.1mm、1mm。
(3)、按机床操作面板上的“+X”或“+Z”键,则向X或Z轴的正向移动相应脉冲当量的距离,按机床操作面板上的“-X”或“-Z”键,则向X或Z轴的负向移动相应脉冲当量的距离;
①一次只能使一个坐标轴运动;
②通常步进功能是以按键触发的次数来进行脉冲计数的,亦即按下某轴向按键后无论持续多久都只视为按动一次。
③机械移动的同时,计算机屏幕上的坐标显示和图形追踪也跟着同步变化。
和点动不同的是其坐标变化是以倍率当量为单位跳变的。
4.手摇操作
如果机床配置了MPG手持单元,即可进行手摇操作控制。
MPG手持单元由手摇脉冲发生器、坐标轴选择开关组成,如图2-8所示。
手摇操作时:
(1)在主菜单下按F4选择“手摇进给”;
(2)将手持单元上的增量倍率修调旋钮旋至所需的倍率(增量x1、x10、x100等3档,分别对应于0.001、0.01、0.1mm的增量值);
(3)将手持单元的坐标轴选择开关置于所要移动的“X”轴或“Z”轴档;
(4)顺时针/逆时针旋转手摇脉冲发生器一格,可控制相应的轴向正向或负向移动一个增量值。
注:
手摇移动小刀架或手摇旋动各轴端把手是无法进行坐标计数的。
5.MDI操作
MDI操作就是指命令行形式的程序执行方法,即当场输入一段程序指令后,马上就可令其执行。
从本义上讲其属于自动运行的范畴,但一般地都习惯将其作为手动调整操作的手段。
其操作步骤为:
(1)在主菜单下,按F5键选择MDI功能,此时系统的模态信息将显示在屏幕顶行的“运行状态”处;
启动系统时的模态值为G91-增量编程方式,G00-快进状态,G20-米制单位,G94-每分钟进给速度方式。
(2)再按F1键切入到MDI功能的子菜单;
(3)按F4键选择“程序进给”菜单项,则在菜单行上部的提示输入行上将出现光标
图2-9MDI操作时画面
(4)在光标处输入想要执行的MDI程序段,此时可左右移动光标以修改程序;
如输入:
G90G01X20.0Z20.0F200;
(5)如果前面输入的程序都不要,可按ESC键全部删除,重新输入;
(6)按F10键执行“循环启动”功能,则所输入的程序将立即运行,如图2-9所示;
(7)在运行过程中,选择F9键执行“循环停止”功能,则刀具将停止运动,但主轴并不停转,此时再按F10键即可继续运行程序;
(8)在运行过程中或程序输入时,按F1键即可退出该级菜单而返回到主菜单,但并不影响已运行程序的继续执行。
本级菜单中的“循环启动”,“循环停止”和机床操作面板上相应的硬键功能等效。
2.2.2数控车床坐标系统的设定
1.车床坐标系统的组成
坐标系有机床坐标系、编程坐标系和工件坐标系等概念。
机床坐标系是数控机床安装调试时便设定好的一固定的坐标系统,对带参考点设定功能的车床而言,其机床坐标原点就在车床主轴端头(或卡盘)的中心,沿轴心方向作为Z轴,其正向指向尾座顶尖。
以刀架横向拖板运动方向作为X轴,其正向由主轴回转中心指向工件外部。
如图2-10(a)所示,对于刀架后置式(刀架活动范围主要在回转轴心线的后部)的车床来说,X轴正向是由轴心指向后方,而对于刀架前置式的车床来说,X轴的正向应是由轴心指向前方,如图2-10(b)所示。
由于车削加工是围绕主轴中心前后对称的,因此无论是前置还是后置式的,X轴指向前后对编程来说并无多大差别。
为适应笛卡尔坐标习惯,编程绘图时都按如图2-10(a)所示后置式的方式进行表示(从俯视方向看),机床坐标系在进行回参考点操作后便开始在数控系统内部自动建立了。
(a)刀架后置式(b)刀架前置式
图2-10车床坐标系
编程坐标系是在对图纸上零件编程计算时就建立的,程序数据便是用的基于该坐标系的坐标值。
工件坐标系则是当系统执行“G92X...Z...”后才建立起来的坐标系,或用G54~G59预置的坐标系。
对刀操作就是用来沟通机床坐标系、编程坐标系和工件坐标系三者之间的相互关系的,由于坐标轴的正负方向都是统一的,因此实际上是确立坐标原点的位置。
由对刀操作,找到编程原点在机床坐标系中的坐标位置,然后通过执行G92或G54~G59的指令创建和编程坐标系一致的工件坐标系,可以说,工件坐标系就是编程坐标系在机床上的具体体现。
编程(工件)坐标原点通常选在工件右端面、左端面或卡爪的前端面。
当用G90编程方式时,通常将工件原点设在工件左端轴心处,这样程序中的各坐标值基本都是正值,比较方便;
当用G91编程时,取在工件右端较为方便,因为加工都是从右端开始的。
工件坐标系建立以后,程序中所有绝对坐标值都是相对于工件原点的。
2.G92指令----工件坐标系的建立
数控程序中所有的坐标数据都是在编程坐标系中确立的,而编程坐标系并不和机床坐标系重合,所以在工件装夹到机床上后,必须告诉机床,程序数据所依赖的坐标系统,这就是工件坐标系。
通过对刀取得刀位点数据后,便可由程序中的G92(有的机床控制系统用G50)设定,当执行到这一程序段后即在机床控制系统内建立了一工件坐标系。
其格式为:
G92(G50)X...Z...;
该指令是声明刀具起刀点(或换刀点)在工件坐标系中的坐标,通过声明这一参照点的坐标而创建工件坐标系。
X、Z后的数值即为当前刀位点(如刀尖)在工件坐标系中的坐标,在实际加工以前通过对刀操作即可获得这一数据。
换而言之,对刀操作即是测定某一位置处刀具刀位点相对于工件原点的距离。
一般地,在整个程序中有坐标移动的程序段前应由此指令来建立工件坐标系。
(整个程序中全用G91方式编程时可不用G92指令)
(1)在执行此指令之前必须先进行对刀,通过调整机床,将刀尖放在程序所要求的起刀点位置上。
(2)此指令并不会产生机械移动,只是让系统内部用新的坐标值取代旧的坐标值,从而建立新的坐标系。
3.预置工件坐标系G54~G59
具有参考点设定功能的机床还可用工件零点预置G54~G59指令来代替G92建立工件坐标系。
它是先测定出欲预置的工件原点相对于机床原点的偏置值,并把该偏置值通过参数设定的方式预置在机床参数数据库中,则该值无论断电与否都将一直被系统所记忆,直到重新设置为止。
当工件原点预置好以后,便可用“G54G00XZ;
”的指令让刀具移到该预置工件坐标系中的任意指定位置。
不需要再通过试切对刀的方法去测定刀具起刀点相对于工件原点的坐标,也不需要再使用G92指令了。
很多数控系统都提供从G54~G59共预置六个工件原点的功能。
G54~G59与G92之间的区别是:
用G92时后面一定要跟坐标地址字,而用G54~G59时则不需要后跟坐标地址字,且可单独作一行书写。
若其后紧跟有地址坐标字,则该地址坐标字是附属于前次移动所用的模态G指令的,如G00,G01等。
用G54等设立工件原点可由“数据设定”-“零点偏置”层次菜单项中进行,如图2-11所示。
在运行程序时若遇到G54指令,则自此以后的程序中所有用绝对编程方式定义的坐标值均是以G54指令的零点作为原点的。
直到再遇到新的坐标系设定指令,如G92、G55~G59等后,新的坐标系设定将取代旧的。
G54建立的工件原点是相对于机床原点而言的,在程序运行前就已设定好而在程序运行中是无法重置的,G92建立的工件原点是相对于程序执行过程中当前刀具刀位点的。
可通过编程来多次使用G92而重新建立新的工件坐标系。
4.图形显示的设定
通过在数控软件系统中按“数据设定”--“图形参数”层次结构选择菜单功能项,即可设定用于图形跟踪显示的区域,改变图形跟踪显示的效果,如图2-12所示。
(1)平面选择设定值:
0--X-Z平面;
1--X-Y平面
(2)坐标系设定:
0--+X向右+Z向下
1--+X向上+Z向右
2--+X向左+Z向上
3--+X向右+Z向上
(3)图形上、下、左、右坐标值:
上下值是用于控制纵轴的显示边界范围的,左右值是用于控制横轴的显示边界范围的。
(4)图形放大系数:
如为1,显示为1:
1;
如为2,显示放大两倍。
操作:
先移动光标到所需行,在“INPUT:
”提示符后键入新值,回车即可。
退出本菜单时即自动将设定数据存盘,一次更改,持续有效。
2.2.3刀具装夹与对刀调整
1.刀具类型与装夹
(a)普通转塔刀架(b)12位自动回转刀架
图2-14刀具在刀架上的安装
常用车刀类型如图2-13所示,刀具装夹结构如图2-14所示。
对于数控车床,较适合的应该是可转位刀片式车刀。
当某零件加工需要用到多把车刀时,所用刀架可用如图2-14(a)所示的普通转塔刀架。
如果不能自动转位换刀,换刀动作得由人工在程序中进行适当处理。
也有很多机床采用如图2-14(b)所示的刀架形式,图(b)所示为12位自动回转刀架,最多可安装12把车刀,其中可装外圆车刀6把,内孔刀具6把,此类系统可由程序控制实现自动换刀。
2.对刀调整
数控车床的对刀可分为基准车刀的对刀和各个刀具相对位置偏差的测定两部分。
先从所需用到的众多车刀中选定一把作为基准刀具,进行对刀操作,再分别测出其它各刀具与基准刀具刀位点的位置偏差值(这可通过分别测量各刀具相对于刀架中心或相对于刀座装刀基准点在X、Z方向的偏置值来得到),不必对每把刀具都进行对刀操作。
(1)基准车刀的对刀。
基准车刀的对刀就是在加工前测定出加工起始点(起刀点)处,刀具刀位点(如刀尖)在预想的工件坐标系(编程坐标系)中的相对坐标位置。
对刀操作通常是在建立工件坐标系以前进行的,只有通过对刀才可确保建立一个和编程坐标系一致的工件坐标系。
对于具有参考点功能的数控车床而言,在经过回参考点操作后,由于机床原点是已知的、固定不变的,因此在参考点处显示的是刀架上某参照点(如刀架中心)在机床坐标系中的位置坐标。
对刀操作在机床坐标系控制下进行,当刀具装夹好后,刀架中心和刀具刀位点之间的距离即是固定的,因此,可以通过刀架中心在机床坐标系中的坐标变化来推测出刀具刀位点在设想的工件坐标系中的
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