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【关键词】数控加工;坐标系;对刀
1.前言
GSK928TA是广州机床厂较早期推出的一种经济型、适合教学的数控机床,其结构简单,操作方便。西安交通大学在2001年教育的号召下成立工程训练中心时(现工程坊),经世行贷款购买的正是GSK928TA数控车床为学生的实践教学使用,一直延续至今。
但数控系统技术的发展日新月异,GSK928TA数控系统早被GSK980系列数控系统及其他新型系统替换(并且一些关键操作不太一致),因此GSK928TA系统使用及关注的人也越来越少,其系统的详细资料的介绍几乎没有。作者以几年来对GSK928TA数控车床的操作经验,将其对刀原理的理解和常用的试切法对刀的步骤整理如下,以供参考。
2.数控车床的坐标系及对刀的意义
2.1 坐标系
通常数控车床在经设计、制造和调整后确定下来两个坐标系,即机床坐标系和参考坐标系,其位置、距离是固定的,一般不允许用户随意变动。
在数控车床上加工零件,机床动作是由数控系统发出的指令来控制的,为了确定机床的运动方向和移动距离,就要在机床上建立一个坐标系,这个坐标系就叫机床坐标系。机床坐标系的原点也称机床原点或机床零点,通常取在主轴轴心线与卡盘后端面的交点处。
数控装置通电时并不知道机床零点的位置,为了正确地在数控车床工作时建立机床坐标系,通常在每个坐标轴的正向最大行程相交处设置一个机床参考坐标系,其原点也称机械原点。数控车床开机后,回零操作就是回些原点,即知道了该坐标轴的零点位置,CNC就建立起了机床坐标系。(由于GSK928TA数控车床系统有位置记忆功能,开机时不零回零操作)。
工件坐标系也称编程坐标系,是编程人员方便编程在零件图样上的某一已知点为工件坐标系原点而设立的直角坐标系,数控车床上一般将工件坐标系原点设在零件的中心线和端面的交点处。
2.2 对刀的意义
当工件安装在主轴上后,数控系统既不知道工件在机床中的位置,也不知道刀具刀位点在机床中的位置(刀位点及各坐标系的关系如图1所示),即无法按所编程序正确加工,因此加工之前,必须确定刀具刀位点与机床坐标原点之间的关系,即通过对刀来实现。
试切法是最基本、常用的一种对刀方法;具有精度高,操作简单等特点,被广泛地用于经济型数控机床。本文分别以外圆车刀(1号刀位)、切断刀(2号刀位)为例,解析GSK928TA操作车床试切法对刀原理及过程。
3.GSK928TA车床的试切法对刀实例
下面以实例说明试切对刀的方法及步骤:
(1)号刀外圆车刀
①在手动方式下,选定一号刀具,即输入T10。
②为防止刀具超程,将刀具靠近工件端面与轴线的交际处,按[命令]键[2设置坐标],确定T10(0,0),如图2所示。
③如图3所示试切(注意控制切削厚度),按[命令][3试切点],数控系统将自动记录Q点的坐标值。
④退刀,如图4所示,用游标卡尺测量直径X1与深度Z1(Z1为负值);按[命令][4X试切数],输入X1;按[命令][5Z试切数],输入-Z1。
⑤输入T11,即1号刀偏生效,确定工件坐标系原点T11(0,0)。
(2)2号刀切断刀
①在手动方式下,选定二号刀具,即输入T20;因T20(0,0)与T10(0,0)相同,所以不需设置T20坐标。
②如图5所示试切,按[命令][3试切点],数控系统将自动记录Q点的坐标值。
③退刀,如图6所示,用游标卡尺测量直径X2与深度Z2(Z2为负值);按[命令][4X试切数],输入X2;按[命令][5Z试切数],输入-Z2。
④输入T22,即2号刀偏生效,确定T22 (0,0)。
4.结束语
对刀是数控加工中的主要操作和重要技能,通过对刀才能建立正确的工件坐标系,对刀的准确与否,直接影响到加工零件的精度;随着机床技术、电子计算机技术、精密机械技术、CAD/CAM和自动检测技术的发展,对刀将会更快捷、更精确。然而学生只有学习掌握了最基本的试切法对刀及偏置原理,其它的对刀方法就会融会贯通易于掌握。
参考文献
[1]GSK928TA车床数控系统操作手册[M].广州:广州数控设备有限公司,2002.
[2]崔兆华.数控车床(中级工)[M].北京:机械工业出版社,2006.
关键词:数控车床 机械结构 编程
中图分类号:TG751 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2013)09-0001-02
轴类零件在机械设备中支承传动零部件、传递扭矩、承受载荷,应用广泛,为提高轴类零件的车削加工效率、保证加工精度,设计了结构简单、成本低、精度高、生产率高、工艺性广的轴类零件车削加工专机—三轴双刀架数控车床。
1 轴类零件加工专用数控车床机械结构
传统的经济型数控机床有一个中拖板、一个四方刀架,由一个伺服电机通过一付滚珠丝杠带动刀架作X方向运动从而与大拖板的Z向运动合成切削运动;现改为两个中拖板,各装一个四方刀架,分别由两个伺服电机通过两付滚珠丝杠分别带动前后刀架运动刀架作X方向运动从而与大拖板的Z向运动合成切削运动,实际上是在x轴方向增加一个平行轴,故称之为三轴双刀架数控车床。
送电后,启动主轴,主轴旋转,控制双刀架进给,可实现单独进给、共同进给,转动刀塔实现分别换刀和同时换刀,启停切削液加工,主轴转泵工作等。车床主轴旋转进行加工,刀架进给实现切削。
三轴双刀架数控车床机械结构如图1所示。
2 三轴双刀架数控车床的功能特点
三轴双刀架数控车床除具有普通经济型数控车床的功能之外,在加工长轴及细长轴时,将会充分体现具有生产率高、工件变形小的特点:(1)在车削长轴时,前后刀架均可与主轴实现两轴联动,两刀架配合,在大拖板沿Z轴正负方向运动时均可进行加工,减少了空行程,提高了生产效率;(2)在车削细长轴时,前后刀架配合还可起到跟刀架的作用,减少工件变形。
3 三轴双刀架数控车床对刀与编程方法
3.1 三轴双刀架数控车床坐标轴的重新定义
三轴双刀架数控车床前后刀架均可与主轴实现两轴联动,实际上是三轴控制。机床选择FANUC0i Mate-TD数控系统,对其坐标轴进行重新定义,建立具有同一车削加工平面的两个坐标系。坐标的定义采用右手笛卡尔坐标系原则,X前与Z轴、X后与Z轴确定的是同一个平面,编程指令中用G18表示。为利于编程,定义X前轴为X1,X后为X2轴。具有同一车削加工平面的两个坐标系如图2所示。
对FANUC0i—Mate-TD系统参数及轴属性进行定义如下:
1010 CNC的控制轴数;1020各轴的编程轴名:88(X前)、89(X后)、90(Z);1022基本坐标系的轴指定。
3.2 三轴双刀架数控车床对刀方法
三轴双刀加架数控车床前刀架刀位号依次为01、02、03、04,后刀架刀位号定义为05、06、07、08,前后刀架上的刀具分别进行对刀,操作方法同FANUC0i Mate-TD数控系统常规对刀方法。为方便操作人员观察05、06、07、08刀位刀具和工件的相对位置是,在后刀架设计安装了对刀探头,如图3示。
3.3 三轴双刀架数控车床编程方法
三轴双刀架数控车床编程方法简捷易行,当程序指令中的Z坐标值发生变化时,前后刀架上的刀具均同步移动到Z轴相应位置;当程序指令中的X1坐标值发生变化时,前刀架上的刀具移动到X1轴相应位置;当程序指令中的X2坐标值发生变化时,后刀架上的刀具移动到X2轴相应位置;刀具刀位点沿X1轴-Z轴(或X2轴-Z轴)的合成运动就是刀具的运动轨迹。
【编程实例】零件如图4所示,材料为45钢,毛坯尺寸Ф60×395mm,未注倒角C1。请确定加工方案并编程。
(1)设备选用。选择三轴双刀架数控车床,配置FANUC 0i Mater-TD系统数控系统。
(2)零件分析。该零件由外圆柱面、外圆弧面、外圆锥面组成。其中¢300.003-0.04×30mm圆柱作为装夹面,必须采用铜皮保护,R120的圆弧面对刀具的偏角有要求。
(3)刀具选择。采用两把35°菱形刀片机夹刀(T0101),完成外圆柱、外圆弧面、外圆锥面的粗精加工;
(4)加工工艺分析。1)采用三爪卡盘装夹毛坯,伸出长度80mm,采用T0101加工¢300.009-0.04×30圆柱面、圆锥面,加工总长80mm;2)零件掉头,伸出长度25mm,采用三爪卡盘装夹毛坯,在另一侧打中心孔,采用T0101加工¢320.009-0.039×20圆柱面;3)卡盘装夹¢300.009-0.04×30圆柱面,必须用铜皮保护,采用一夹一顶方式固定。用T0101和T0505连续加工外圆柱面和外圆弧面。
(5)确定切削用量(见表1)。
(6)零件的加工程序。1)工件左侧加工:左端面手摇去2mm。(见表2)。2)工件右侧加工:右端面手摇去3mm,并打中心孔。(见表3)。3)采用双刀T0101和T0505连续加工¢48°-0.04×200圆柱面和R120外圆弧面,并采用深滚压刀架进行镜面加工,保证0.8级的表面光洁度。(见表4)。
4 结语
高速化、高精度化、复合化、智能化、柔性化、集成化、高可靠性和开放性是当今数控机床的主要发展趋势和方向,在保证加工精度的情况下,省时、节能、高效是加工理念的核心。作为一种轴类零件加工专机,三轴双刀架数控车床采用单主轴、卧式床身、平导轨,具有结构简单、成本低、编程方便、精度高、生产率高、工艺性广的优势,将会得到广泛应用。
参考文献
[1]狄寿刚.双主轴双刀架数控车床的设计制造[J].制造技术与机床,2011(12):98-100.
[2]尹昭辉,周礼根. FANUC系统在数控车床改造中的应用[J].机床与液压,2013(5):185-187.
[3]徐增豪,胡克廷,张仲益等,双主轴双刀架车削中心的研制[J].机械制造,2002(11):18-19.
关键词 数控车床 变量 宏指令 椭圆
随着数控技术不断进步,数控车床加工中各种复杂型面也日渐增多。如椭圆、抛物线、正弦曲线、余弦曲线和双曲线等各种非圆曲面。对于上述各种复杂成形面,利用CAM软件进行自动编程相对简单,但由于种种原因,在很多情况下数控车床主要还是依靠手工编程。目前在数控车床上加工正椭圆已不是难事,本人结合平时加工的实际情况,简单谈下在FANUC系统数控车床上椭圆的车削。
数控车床所具备的插补功能是直线插补和圆弧插补,而椭圆既不是直线也不是圆弧,所以在用数控车床加工椭圆时就不可以直接用G01(直线插补)和G02/G03(圆弧插补)进行车削,而应该采用变量利用宏指令对椭圆进行车削加工。宏指令有两类,其中A类宏指令是早期使用过的宏指令,其使用G65代码作为宏指令专用代码,包括宏变量的赋值、运算、条件条用等。但是编程起来相对繁琐一点。B类宏指令功能相对A类而言,其功能更强大,编程更直观。
一、变量
1.变量的表示
2.FANUC系统使用“#”表示变量,例如:#1、#5、#100等,变量根据变量号分为四类。变量的运算按照优先的先后顺序依次是函数乘和除运算加和减运算。
3.条件转移(IF)功能语句
IF[表达式]GOTO n
说明:如果指定的条件表达式满足时,转移到标有顺序号n的程序段,如果指定的条件表达式不满足时,则执行下一个程序段。
二、椭圆方程
数学方程 :
是数学当中椭圆的方程,采用的是X、Y坐标系,而在数控车床采用的是X、Z坐标系,所以椭圆方程应做出相应的调整。
三、FANUC系统宏指令加工椭圆曲线编程实例
1.凸椭圆中心在零件轴线上(如下图)
椭圆方程:,用变量进行编程时,为了编程方便,一般用变量中Z来表示X,所以椭圆方程可变为:。
2.凸椭圆中心不在零件轴线上。
椭圆方程:,用变量进行编程时,为了编程方便,还是用变量Z来表示变量X,所以椭圆方程可变为:。经计算椭圆起点的X轴坐标值为9.43.
用变量进行编程时,为了编程方便,同样用变量中Z来表示X,所以椭圆方程可变为:。利用图中的关系,可计算出在椭圆坐标系中Z=±11.81。
以上的三个实例都是横椭圆(两凸一凹)在数控加工中的宏程序程序编制,关系竖椭圆的宏程序编制方法和步骤和横椭圆一样,在此不再多做介绍。
其实在用变量编制椭圆程序时,只要能够合理选取变量,通过方程的关系确定另一变量。并能正确确定工件坐标系与椭圆坐标系之间的关系便可。当然遇到具体的加工实例应根据零件的加工要求合理利用宏指令进行编程即可。
在目前数控车床中,主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机。为满足数控车床对主轴驱动的要求,必须有以下性能:(1)宽调速范围,且速度稳定性能要高;(2)在断续负载下,电机的转速波动要小;(3)加减速时间短;(4)过载能力强;(5)噪声低、震动小、寿命长。
本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式,并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本应用。 2 数控车床主轴变频的系统结构与运行模式
2.1 主轴变频控制的基本原理
由异步电机理论可知,主轴电机的转速公式为:
n=(60f/p)×(1-s)
其中P—电动机的极对数,s—转差率,f—供电电源的频率,n—电动机的转速。从上式可看出,电机转速与频率近似成正比,改变频率即可以平滑地调节电机转速,而对于变频器而言,其频率的调节范围是很宽的,可在0~400Hz(甚至更高频率)之间任意调节,因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。
当然,转速提高后,还应考虑到对其轴承及绕组的影响,防止电机过分磨损及过热,一般可以通过设定最高频率来进行限定。
图1所示为变频器在数控车床的应用,其中变频器与数控装置的联系通常包括:(1)数控装置到变频器的正反转信号;(2)数控装置到变频器的速度或频率信号;(3)变频器到数控装置的故障等状态信号。因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。
2.2 主轴变频控制的系统构成
不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀,而使用变频器后,机床可按指令信号进刀,这样一来就提高了效率。如果被加工件如图2(1)所示所示形状,则由图2(1)中看出,对应于工件的AB段,主轴速度维持在1000rpm,对应于BC段,电机拖动主轴成恒线速度移动,但转速却是联系变化的,从而实现高精度切削。
在本系统中,速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流),通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置,数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置,以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。
3 无速度传感器的矢量控制变频器
3.1 主轴变频器的基本选型
目前较为简单的一类变频器是V/F控制(简称标量控制),它就是一种电压发生模式装置,对调频过程中的电压进行给定变化模式调节,常见的有线性V/F控制(用于恒转矩)和平方V/F控制(用于风机水泵变转矩)。
标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1:10),因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰,而矢量控制的变频器正逐步进行推广。
所谓矢量控制,最通俗的讲,为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能,通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位,用以维持电机内部的磁通为设定值,产生所需要的转矩。
矢量控制相对于标量控制而言,其优点有:(1)控制特性非常优良,可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;(2)能适应要求高速响应的场合;(3)调速范围大(1:100);(4)可进行转矩控制。
当然相对于标量控制而言,矢量控制的结构复杂、计算烦琐,而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式,区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五),而前者为千分之五,但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求,所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。
3.2 无速度传感器的矢量变频器
无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出,总结各自产品的特点,它们都具有以下特点:(1)电机参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强,如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;(3)低频高输出转矩,如150%额定转矩/1HZ;(4)各种保护齐全(通俗地讲,就是不容易炸模块)。
无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性,而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。图3所示,为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据(电机为5.5kW/4极)。从图中可知,其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。在实验中,我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现,前者具有更强的输出力矩,切削力几乎与正常频段(如30Hz或50Hz)相同。
3.3 矢量控制中的电机参数辨识
由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流,因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从图4的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出,电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外,还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流)。
参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种,其中在静止辨识中,变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗,并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中,变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。
在参数辨识中,必须注意:(1)若旋转辨识中出现过流或过压故障,可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。
3.4 数控车床主轴变频矢量控制的功能设置
从图1中可以看出,使用在主轴中变频器的功能设置分以下几部分:
(1) 矢量控制方式的设定和电机参数;
(2) 开关量数字输入和输出;
(3) 模拟量输入特性曲线;
(4) SR速度闭环参数设定。
4 结束语
对于数控车床的主轴电机,使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后,具有以下显著优点:大幅度降低维护费用,甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。
参考文献
关键词:数控车床 维修 望、闻、问、切
中图分类号:TG659 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)07(b)-0066-01
数控车床是一种价格昂贵,结构复杂、智能化的机械设备,它在加工编程方面有许多独到之处。可是,一旦它出现了故障报警,那将是非常棘手的事情,遇到复杂专业性问题,维修起来会相当困难。该文将介绍几种检修方法,和大家一起分享探讨。
1 数控车床维修中的“望”
中医的“望诊”,就是用眼睛查看病人面部表情、神态。数控车床显示屏出现故障报警时,提示有紧急险情发生,需要诊断维修。要先从“望诊”入手,判断是什么原因引起的报警。接下来,打开机床电控柜,仔细查看元器件指示灯是否发亮,测量其电源接口是否有供电,不能毫无目的,没有头绪地随意下手,这样很可能产生错判,误判。
有一次,系统开机后,屏幕闪现“EMG-ALM”跳动报警,此时,机床主轴旋转、刀架换刀移动等所有的操作都无法进行。打开电控柜后,发现PLC电路板上的指示灯不亮,这说明PLC电路板电源接口,没有从直流电压源得到26伏3L+和3L-直流电压,处于休眠状态,无法进行开机后的诊断检测、循环扫描。用万用表250伏直流档测量电源线两端管脚,表针指示26伏,电源供电正常。证明问题出现在PLC电路板本身,初步判断电路板上的保险丝坏了,把它拔下来,更换同型号新的,重新开机上电后,指示灯亮起来,报警解除,机床恢复正常工作状态。
2 数控车床维修中的“闻”
中医的“闻诊”就是听病人的声音、闻气味异常来分析病情。数控车床处于正常的工作状态时,刀架会按照指令以逆时针方向找位换刀。当数控系统发出某一个指令后,相应的受控机械部件没有按要求做出正常反应,则说明控制信号传递不畅通。
例如:系统启动后,在MDI方式下输入换刀指令“T0202”后,循环起动发现刀架不停地转动,找不到2号刀位。打开电控柜,发现反转接触器KM3触头不吸合。正常情况下PLC输出Y04刀架电机正转寻找刀位号,PLC输出Y05刀架电机反转锁紧,KA5继电器触头吸合,KM3接触器线圈通电,触头吸合,380伏交流电压通过,刀架反转定位锁紧。刀架正反转交替工作,是受PLC控制的。问题很可能出现PLC电路控制部分,用螺丝刀检查,发现18绿色导线接点螺钉松动,PLC接口输入点X44检测不到刀位信号,产生报警。紧固螺丝,重新启动系统,报警解除。再输入T0202刀位指令,循环启动,刀架正常寻找刀号定位。
3 数控车床维修中的“问”
中医的“闻诊”,就是医生看病时要仔细询问病人的病因、病史,确定治疗方案。数控车床本身结构很复杂,它涉及许多专业知识和和技术,跨度很大,你不可能对所有的内容都精通和掌握。有时遇到疑难问题时,仅凭自己的的能力是无法解决的。要虚心向有经验的内行技术人员学习,相互借鉴交流、取长补短。少碰钉子,少走弯路。
例如:在加工过程中,发现主轴无油干转着,如果不及时采取措施,时间一长,主轴轴承因摩擦增大会断裂。刚开始检查时,以为储油箱油位过低,油泵吸不上来油,加注机油,启动主轴旋转,还是没有油花喷溅;又怀疑油箱漏油,经检查也没发现有漏油点存在;打开电控柜,启动主轴旋转,用万用表交流档测量油泵电机三相交流电压,供电也正常,心里焦急不安。后来向比较懂行的老师请教得知,原来是油泵电机三相交流电接线错位,相位反了,把布线槽U3、V3、W3接线,其中的两根电源线对调紧固,再重新启动,主轴恢复了。
4 数控车床维修中的“切”
中医的“切诊”,就是医生看病时切脉、候脉。数控车床电控柜内有很多功能不同的元器件和众多颜色各异的交、直流导线。在维修时,仅凭眼睛看,耳朵听是不够的,有些问题是不能靠主观臆断去猜测的。数控车床维修中的“切”,就是用万用表测量各个元器件的好坏,准确把握各类元器件的逻辑关系、信号控制、传递方式等。
比如,系统启动开机后,画面出现EMG-ALM闪烁报警。打开电控柜,伺服供电接触器触头不吸合,用500 V交流电压档检测线圈两端电压值为220 V,机床再断电,用万用表1K欧姆档测量线圈两端阻值,表针指向左侧静止不动,说明线圈内有断点,不能通电导通,接触器触头无法吸合,虽然接触器输入端有220 V伺服交流电压,但输出端却得不到,结果导致两个伺服驱动放大器没有220 V交流供电,产生报警。把旧的拆下,新的换上,重新启动,接触器触头吸合,输出端获得了220 V交流电压,伺服驱动器恢复了交流供电,报警解除。
总之,作为数控机床维修人员,应勤思考,细观察,多动手,常请教,通过反复实践,不断地总结失败的原因,积累成功的经验,几年来对数控车床维修的实践摸索,排除了很多故障,总结出了自己特有的一套维修思路和方法。保证了机床的正常运转,满足了教学、培训、技能大赛的需要。
参考文献
[1]黄祥.“望、闻、问、切”在数控机床机械故障诊断中的应用[J].长春大学学报,2012(4):382-385.