机床切削加工技术.doc

机床切削加工技术机床切削加工技术数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点（cutter location point 简称 CL 点） 刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量数控加工技术的发展历程点击: 364, 文章入库日期: 2008-08-11 17:57:41, 来源: --------------------------------------------------------------------------------1．数控加工技术的发展历程 1949 年美国 Parson 公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“Numerical Control” 1953 年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成 NC 程序的自动编程语言 1959 年美国 Keaney&Trecker 公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻丝等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心 1968 年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统 FMS。

1974 年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此 CNC(计算机数控系统)软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展 1976 年美国 Lockhead 公司开始使用图像编程利用 CAD(计算机辅助设计)绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得 NC 程序 DNC(直接数控)技术始于 20 世纪 60 年代末期它是使用一台通用计算机，直接控制和管理一群数控机床及数控加工中心，进行多品种、多工序的自动加工DNC 群控技术是 FMS 柔性制造技术的基础，现代数控机床上的 DNC 接口就是机床数控装置与通用计算机之间进行数据传送及通讯控制用的，也是数控机床之间实现通讯用的接口随着 DNC 数控技术的发展，数控机床已成为无人控制工厂的基本组成单元 20 世纪 90 年代，出现了包括市场预测、生产决策、产品设计与制造和销售等全过程均由计算机集成管理和控制的计算机集成制造系统 CIMS其中，数控是其基本控制单元 20 世纪 90 年代，基于 PC-NC 的智能数控系统开始得到发展，它打破了原数控厂家各自为政的封闭式专用系统结构模式，提供开放式基础，使升级换代变得非常容易。

充分利用现有 PC 机的软硬件资源，使远程控制、远程检测诊断能够得以实现 我国虽然早在 1958 年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果20 世纪 70 年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差1980 年北京机床研究所引进日本 FANUC5、7、3、6 数控系统，上海机床研究所引进美国 GE 公司的 MTC－1 数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国 Bendix 公司的 Dynapth LTD10 数控系统在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出 BS03 经济型数控和 BS04 全功能数控系统，航天部 706 所研制出 MNC864 数控系统 “八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关” ，从而为数控技术产业化建立了基础20 世纪90 年代末，华中数控自主开发出基于 PC-NC 的 HNC 数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度 据 1997 年不完全统计，全国共拥有数控机床 12 万台目前，我国数控机床生产企业有 100 多家，年产量增加到 1 万多台，品种满足率达 80%，并在有些企业实施了 FMS 和 CIMS 工程，数控机床及其加工技术进入了实用阶段。

2．数控加工技术的发展方向 现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展 1) 高速切削 受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现 高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善因此，经高速加工的工件一般不需要精加工 2) 高精度控制 高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面 提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来达到的目前精整加工精度已提高到 0.1 μm，并进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代加工精度达 0.01 μm) 3) 高柔性化 柔性是指机床适应加工对象变化的能力目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性和系统柔性化发展数控系统在 21 世纪将具有最大限度的柔性，能实现多种用途具体是指具有开放性体系结构，通过重构和编辑，视需要系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统。

4) 高一体化 CNC 系统与加工过程作为一个整体，实现机电光声综合控制，测量造型、加工一体化，加工、实时检测与修正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化 5) 网络化 实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足 FMS(柔性制造系统)、CIMS(计算机集成制造系统)对基层设备的要求配置网络接口，通过 Internet 可实现远程监视和控制加工，进行远程检测和诊断，使维修变得简单建立分布式网络化制造系统，可便于形成“全球制造” 6) 智能化 21 世纪的 CNC 系统将是一个高度智能化的系统具体是指系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，可使用自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求 （一）对位置检测装置的要求闭环伺服系统和半闭环伺服系统均装有位置检测装置，常用的有旋转变压器、光栅、感应同步器、编码盘等位置检测装置的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零数控机床对位置检测装置的要求如下：（1）工作可靠，抗干扰性强 （2）满足精度和速度的要求 （3）便于安装和维护 （4）成本低、寿命长。

（二）常用的位置检测装置1．旋转变压器（1）旋转变压器的结构和工作原理它是一种电磁式传感器，又称同步分解器它是一种测量角度用的小型交流电动机，由定子和转子组成其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用 400、500、3000 及 5000Hz等转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则各有两对磁极，主要用于高精度的检测系统除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统2）旋转变压器的应用 由于旋转变压器具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低、输出信号幅度大、抗干扰能力强和测量精度一般等特点，所以在连续控制系统中得到普遍应用，一般用于精度要求不高的数控机床上2．感应同步器感应同步器也是一种非接触电磁式测量装置，它可以测量角位移或直线位移。

感应同步器的特点是：感应同步器有许多极，其输出电压是许多极感应电压的平均值，因此检测装置本身微小的制造误差由于取平均值而得到补偿，其测量精度较高；测量距离长，感应同步器可以采用拼接的方法，增大测量尺寸；对环境的适应性较强，因其利用电磁感应原理产生信号，所以抗油、水和灰尘的能力较强；结构简单，使用寿命长且维护简单1）感应同步器的结构和工作原理感应同步器是由旋转变压器演变而来，即相当于一个展开的旋转变压器，它是利用两个保持均匀气隙的平面形印制电路绕组的互感，随着它们的位置变化而变化的原理进行工作的感应同步器测量装置分为直线式和旋转式两种直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图 2-21 所示定尺上制有单向的均匀感应绕组，尺长一般为 250mm，绕组节距（两个单元绕组之间的距离）为 2τ（通常为 2mm） 滑尺上有两组励磁绕组，一组是正弦绕组，另一组是余弦绕组，两绕组节距与定尺绕组节距相同，并且相互错开 1/4 节距当正弦绕组和定尺绕组对准时，余弦绕组和定尺绕组相差 τ/2 的距离（即 1/4 节距） ，一个节距相当于旋转变压器的一转（即 360o） ，这样两励磁绕组的相位差为90°感应同步器的定尺和滑尺是通过定尺尺座和滑尺尺座分别安装在机床上两个相对移动的部件上（如工作台和床身） ，两者平行放置，保持 0.15～0.35mm 的气隙，并在测量全程范围内气隙的允许变化量为±0.05mm。

当给滑尺的正弦、余弦绕组加上交流励磁电压时，则在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由于电磁感应的原因，则在定尺绕组上产生感应电压当滑尺与定尺之间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺绕组上的感应电压随滑尺的位移变化而变化图 2-22 表示了定尺绕组感应电压与定尺、滑尺之间相对位置的关系如果滑尺处于 A 点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全重合，定尺绕组中穿入的磁通最多，此时为最大耦合，则定尺绕组上感应电压为最大随着滑尺相对定尺向右作平行移动，穿入定尺绕组中的磁通逐渐减少，感应电压慢慢减小；当滑尺相对定尺刚好右移 1/4 节距时（即表中 B 点） ，定尺绕组中穿入穿出的磁通相等，则感应电压为0；当滑尺继续向右移动至 1/2 节距位置（即表中 C 点） ，定尺绕组中穿出的磁通最多，而穿入的磁通为零，此时定尺绕组中的感应电压达到与 A 点位置极性相反的最大感应电压，即最大负值电压滑尺再右移至 3/4 节距位置时（即表中 D 点） ，感应电压又变为 0当滑尺移动至一个节距时（即表中 E 点） ，又恢复为初始状态（即与 A点位置完全相同） ，此时定尺绕组上感应电压为最大这样，滑尺在移动一个节距的过程中，定尺绕组感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。

2）感应同步器的工作方式根据滑尺励磁绕组供电方式的不同，感应同步器的工作状态可分为相位工作方式和幅值工作方式两种情况3．光栅光栅是用于数控机床的精密检测装置，是一种非接触式测量它是利用光学原理进行工作，按形状可分为圆光栅和长光栅圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由光栅尺（包括标尺光栅和指示光栅）和光栅读数头两部分组成光栅尺是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间的距离相等，称此距离为栅距对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数常见的长光栅的线纹密度为 25，50，100，250 条/mm对于圆光栅，若直径为 70mm，一周内刻线 100～768 条；若直径为 110mm，一周内刻线达600～1024 条，甚至更高同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图 2-23 所示读数头的光源一般采用白炽灯泡。