子项目(一)　数控车床

项目目标

了解数控加工与传统加工相比所具有的优点,了解数控车床的加工特点,明确数控车床坐标系的有关标准和常用的坐标系,掌握数控车床的回零、对刀等基本操作。

项目分析

① 数控车床种类众多,使用的数控系统也较多,但是加工特点基本相同。

② 数控车床的数控系统不同,其基本操作、功能指令等有所区别,本项目以FANUC 0i数控车床和GSK 980TD 数控车床为例进行讲解。

③ 学习并掌握数控车床的基本操作,数控车床的坐标系是学习的一个重点。

项目准备

【知识点一】　数控车床的加工特点

1.数控加工技术

数控加工技术是以数字控制技术为基础,以计算机编程技术为辅助,在数控机床上进行零件加工的一种技术。数控加工是指机械工人运用数控设备来完成各类工件的加工,常用的数控加工设备主要包括数控车床、数控铣床、数控冲床以及加工中心等。

数控加工经历了半个多世纪的发展已成为当代各个制造领域的先进制造技术,随着制造设备的数控化率不断提高,数控加工技术在我国得到日益广泛的使用。与传统加工相比,数控加工具有以下优点:

① 加工精度高:随着数控加工技术的发展,尺寸精度达0.0001mm,表面粗糙度Ra达0.02μm。

② 高适应性:数控装置越来越智能化,只要改变程序,就可以在数控机床上加工新的零件,能很好地适应市场竞争。

③ 生产效率高:便于实现计算机辅助设计与制造的一体化,容易实现工序集中,主轴转速、进给速度大幅提高,加工零件一致性好,大大提高生产效率。

2.数控车削加工

数控车削加工是现代制造技术的典型代表,在制造业的各个领域,如航空航天、汽车、模具、精密机械、家用电器等行业有着日益广泛的应用,已成为这些行业中不可缺少的加工手段。

数控车床除具有普通车床的全部功能外,配以计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)技术,特别适合车削加工以下零件。

(1)精度要求高的回转体零件

这里所说的精度要求包括尺寸公差精度要求、几何公差精度要求和表面粗糙度要求。数控车床不但具有良好的刚性和精度,而且其切削速度的稳定性也非常出色,这个特性对于降低工件表面粗糙程度是很有帮助的。数控车床随着数控技术的发展,越来越多地具有车削速度恒定功能,这样加工出的零件表面不仅粗糙度低、质量好,而且还能够保持一致性。

另外还有一些超精密及超低表面粗糙度的零件,如激光打印机的多面反射体、复印机的回转鼓、照相机等光学设备的透镜及其模具等超精密零件,只有在精度达到0.1μm量级的特种精密数控车床上才能加工出来。

(2)表面形状复杂的回转体零件

由复杂曲线和平面构成的表面形状复杂的回转体零件是无法用人工控制普通车床进行加工的,但是在数控车床上很容易加工出来,因为数控车床拥有直线插补、圆弧插补功能以及某些非圆曲线插补等功能。

(3)带横向加工的回转体零件

有些回转体零件带有横向加工,比如键槽或径向孔等,或者是端面有分布的孔系以及有曲面的盘套或轴类零件。采用车削加工中心加工,具有自动换刀系统,只装夹一次就能够完成普通机床的多道加工工序,这样就大大减少了装夹次数,实现了工序集中的原则,保证了加工质量的稳定,并且提高了加工效率,降低了加工成本。

(4)带有特殊螺旋面的零件

带有特殊螺旋面的零件主要是指带有不等距螺纹、端面螺纹等结构的零件。使用数控车床,不但可以加工增螺距、减螺距这样的变螺距螺纹及端面螺纹,还可以加工等螺距与变螺距平滑过渡的螺纹,而且配以特种螺纹车刀,可以使用较高的转速,加工效率远远高于普通车床,加工出的螺纹质量也大大优于普通车床。

【知识点二】　数控车床的坐标系

为了确定机床的运动方向、移动的距离,简化程序的编制,并使所编程序具有互换性,需要在机床上建立一个坐标系,这个坐标系就是机床坐标系。目前国际标准化组织已经对机床的坐标系进行了统一并且标准化。

我国也颁布了《工业自动化系统与集成　机床数值控制　坐标系和运动命名》标准(GB/T 19660—2005/ISO 841:2001),对数控机床的坐标和运动方向作了明文规定。

1.我国国标的有关规定

(1)坐标系的规定

数控机床上的坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系,如图1⁃1所示,图中规定了X、Y、Z三个直角坐标轴和三个旋转坐标A、B、C。

右手直角笛卡儿坐标系的规定:伸出右手的大拇指、食指和中指并互成90°,大拇指代表X坐标轴,大拇指的指向为X坐标轴的正方向;食指代表Y坐标轴,食指的指向为Y坐标轴的正方向;中指代表Z坐标轴,中指的指向为Z坐标轴的正方向。围绕X、Y、Z坐标轴的旋转坐标分别用A、B、C表示,旋转坐标A、B、C的正方向根据右手螺旋定则判定。

(2)刀具相对于静止工件而运动的原则

这一原则使编程人员能在不知道是刀具移近工件还是工件移近刀具的情况下,就可以根据零件图样确定零件的加工过程。

(3)坐标轴正方向的规定

对于各坐标轴的正方向,均将增大刀具与工件距离的方向(或刀具远离工件的方向)确定为各坐标轴的正方向。

(4)右手螺旋定则

伸出右手,如图1⁃2所示,大拇指的指向为X、Y、Z坐标轴中任意坐标轴的正向,则其余四指的旋转方向即为旋转坐标A、B、C的正方向。

2.坐标轴的确定

(1)Z坐标轴

Z坐标轴是由传递切削力的主轴所决定的,与主轴轴线平行的标准坐标轴即为Z坐标轴,其正方向是增加刀具和工件之间距离的方向,如图1⁃3所示为卧式数控车床的坐标系。

(2)X坐标轴

X坐标轴平行于工件的装夹平面,一般在水平面内,它是刀具或工件定位平面内运动的主要坐标。对于数控车床,X坐标的方向是在工件的径向上,且平行于横向滑座。X的正方向是安装在横向滑座的主要刀架上的刀具离开工件回转中心的方向,如图1⁃3所示。

(3)Y坐标轴

在确定X和Z坐标轴后,可根据X和Z坐标轴的正方向,按照右手直角笛卡儿坐标系来确定Y坐标轴及其正方向。

3.数控车床常用的坐标系

(1)机床坐标系

机床坐标系是数控车床的基本坐标系,它是以机床原点为坐标系原点建立起来的X、Z轴直角坐标系,如图1⁃4所示。机床原点是由生产厂家决定的,是数控车床上的一个固定点。

在机床每次通电之后,一般要进行回机床零点操作(简称回零操作),使刀架运动到机床参考点,其位置由机械挡块确定。数控机床通过回零操作,就确定了机床原点,从而建立了机床坐标系。

(2)工件坐标系

数控车床加工时,工件可以使用卡盘等夹具装夹于机床坐标系下的任意位置,这样用机床坐标系描述刀具轨迹就变得不大方便。

零件在设计时有设计基准,在加工时有工艺基准,应尽量使设计基准与工艺基准统一,并将该统一的基准点作为工件原点。以工件原点为坐标原点建立起来的X、Z轴直角坐标系,称为工件坐标系。编程人员在编写零件加工程序时通常采用工件坐标系,因此工件坐标系也称编程坐标系。工件坐标系、编程坐标系为同一个坐标系,从而使编程、加工操作等问题大大地简化。

工件坐标系是由操作人员设定的,设定的依据既要符合尺寸标注的习惯,又要便于坐标的计算和编程,尽量做到设计基准与工艺基准统一。根据数控车床的特点,工件原点通常设在工件左端面的中心、右端面的中心或卡盘前端面的中心,如图1⁃5所示是以工件右端面的中心为工件原点。工件坐标系是由操作人员通过对刀操作建立的。

项目实施

1.熟悉数控车床的控制系统

(1)数控车床FANUC 0i系统的控制面板(图1⁃6)

(2)数控车床GSK 980TD 系统的控制面板(图1⁃7)

2.学习数控车床的基本操作

(1)数控车床的回零操作

① 选择“回零”模式:先X轴回零(避免刀架与尾座相撞),再Z轴回零。

② 不同数控系统的车床回零操作后,显示的坐标结果不一样,如图1⁃8所示,FANUC 0i数控车床的机床零点坐标为绝对坐标,GSK 980TD 数控车床的机床零点坐标为相对坐标。

(2)数控车床的坐标系

① 根据数控车床的回零操作,理解机床坐标系。

② 选择数控车床的“手动”功能,练习X向、Z向进刀、退刀,如图1⁃9所示,练习车端面、车外圆,理解X、Z坐标,明确数控车床的工件坐标系。

(3)对刀操作

① 练习数控车床FANUC 0i系统的对刀操作,掌握后置刀架数控车床的相关知识。

② 通过对刀练习,进一步明确数控车床的坐标系,掌握数控车床的基本操作。

项目拓展

(1)项目小结

① 本项目学习的主要内容有哪些?

② 操作中遇到哪些难题?如何处理的?

(2)思考与练习

① 结合数控车削加工,分析为什么需要数控自动编程?

② 数控机床的机床坐标系是如何定义的?由谁设定的?如何设定?

③ 数控机床的工件坐标系是如何定义的?由谁设定的?如何设定?

④ 思考:立式车床的坐标系是怎样的?