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数控铣床加工的原理、应用及编程简介

文章出处:三重铣床厂家作者:三重机械人气:发表时间:2017-01-12 16:10【

    自从世界上第一台数控铣床在麻省理工学院诞生以来,数控机床按照控制机的发展已经历了五代。数控铣床不仅在军工,宇航等领域广泛使用。而且也进入了汽车、机床等民用机械,模具制造行业。特别是在模具行业中,基本都是单件,小批量生产。对于产品质量越来越高的要求,直接的反映便是要求模具的精度和质量达到新的水平。因此,普通的机床难以满足加工精密零件的需要,而数控机床在这方面有着无法比拟的优越特性:(1)对加工对象改型的适应性强,对于单件、小批量及试制新产品带来极大的便利。(2)加工精度高,定位精度普遍可达0.02mm,重复定位精度为0.01mm,产品加工质量十分稳定。(3)加工生产率高。由于数控机床集高精度、高效率于一身,故在许多企业的生产中,已替代坐标镗床、万能铣床完成加工任务。适用于多品种、小批量生产,特别是结构比较复杂的零件、模具。
 
    在我国的模具行业中,最初由于所加工的模具并不复杂,对于产品的要求也不高,使用传统的刨、铣、磨加上钳工的手艺也能满足要求。随着我国对外开放政策的实施以及人民生活水平的提高,国内的模具厂商与国外客户的交往越来越密切,这就对模具提出了更高要求。为了提高模具质量,增强市场竞争能力,我国的模具制造行业基本用以下三种加工方法:(1)主模型->翻制工艺模型->仿型加工;(2)二维图线->数学模型造型->数控加工;(3)实物模型->三坐标测量->数学模型造型->数控加工。
 
    第一种方法在早期使用较多,简便易行,但由于工艺模型的准确性难以控制,且仿型加工误差较大,加工出的模具还要靠钳工用较长的工时进行修整,难与现代化的制造技术相匹配。在现代加工中,用得较多的是第二,第三种方法。在这两种制造方式中,不论是直接按二维图纸在计算机中作造型,还是用三坐标测量机测绘后按测绘点作图形,都属于模具 CAD的范畴,是现代模具设计的大势所趋,这在模具设计中所起的作用和优点是有目共睹的。但计算机中得到客户认可的图形如何精确的转化为实际的模具(零件)呢?这就要靠数控加工来完成。
 
    让我们来看一个例子,图1是一个轮毂的造型,要把它变成一副标准的模具,靠传统的加工方法恐怕难以完成,因为它拥有许多难以描述的曲面。而对于数控机床来说,却很容易达到。近年来,在我国,特别是南方地区涌现出许多中小型模具企业。他们借助于早期传统的加工方法和经验,取得了一定的成绩,规模也渐渐扩大。
 
    在与国外客商和同行的接触中,认识到数控机床在模具加工中是不可缺少的。不少企业花大力气购买了数控加工设备,以求达到最佳的加工效果。但往往事与愿违,这些设备得不到充分利用,真正能发挥作用的只占一小部分。这种情况在国有企业中也时有发生。经常有模具企业的负责人拿着图纸或产品造型的光盘找到我所,希望能够按要求进行数控加工。闲聊之余,不少企业老总透露,他们自己也有数控设备,但苦于加工不了复杂零件,既然如此,那么拥有数控机床的优势也就荡然无存了。其中的关键问题在于数控机床的工作依赖于数控程序,编不出好的数控程序,当然也就无法使设备物尽其用了,这对于企业来说是一个极大的浪费。
 
    要解决以上问题,当务之急便是尽快的、大量的培养数控编程人才。在外界看来,数控编程人员这一群体需要具备基本的机加工常识,熟练的计算机操作能力,较好的空间想象力,但就笔者这些年的学习和工作经历来说,觉得数控编程并不高不可攀。只要多看、多想、多练,在短期内让数控机床动起来并不难。笔者曾受本单位培训部委托,与宁波科委、宁海科委在浙江宁海合作开办了一期数控编程培训班!,在二十天的课程结束后,全体学员都能通过软件完成中等偏下难度模具的编程。而在此之前,他们中的绝大多数还从没有接触过数控技术。

XQ6232WA数控铣床
 
    1.数控铣床的加工原理和分类
 
    数控机床就是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种机床。与普通机床相比,它取代了手工操作。现代数控机床的加工原理可以简单表示如下:
 
    数控程序->输入设备->主轴控制单元速度控制单元->主轴电机进给电机->刀具与工件的相对运动进行加工
 
    说得简单些,其实数控机床的工作方法与仿型机床有类似之处,只不过仿型机床是通过仿型探头采集数据点,将此点位置传递到机床控制单元,使刀具运动到相应位置,加工出所需零件。数控机床是通过程序直接得知刀具与工件的相对位置进行加工。
 
    数控机床的分类方法有好几种,可以按照功用进行区分,如数控车床、数控铣床、数控电火花机床等。本文以后的论述都是以数控铣床为例。更常用的是根据数控装置的能力来分,比如二轴二联动、三轴二联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动机床等。所谓联动就是几根轴可以同时运动,以达到最佳加工效果。
 
    这里先给大家阐述两个概念。数控加工:根据零件图纸或造型及工艺要求等原始条件编制数控加工程序,输入数控系统,控制机床刀具与工件的相对运动,完成零件的加工。数控编程:从零件图纸或造型到获得数控加工程序的全过程。
 
    2.数控编程
 
    2.1编程的手段数控编程方法有两种,即手工编程和自动编程。
 
    手工编程是指编制零件数控加工程序的各个步骤,即从零件图纸分析、确定加工路线和工艺参数至编写数控程序加工单均由人工来完成。虽然从表面上看这是一种较原始的方法,但在当前还经常使用。因为对于几何形状不太复杂的零件,特别是由直线和圆弧组成的二维轮廓(例如平面凸轮),数值点计算较简单,手工编程效率并不比其他方法低,更改也快捷。
 
    自动编程是通过计算机将图纸信息转化为数控加工程序。按操作方式可分为APT(Automati-cally Programmed Tool)语言编程和图像数据编程两种。
 
     APT语言编程又称自动编程,是用一种接近于英语的语言符号,对工件、刀具的几何形状及刀具相对于工件的运动进行描述。通过计算机的APT编程系统编译,产生数控加工程序。自动编程的出现使得一些计算烦琐、手工编程困难的程序能够实现。但由于其编程直观性差,过程较复杂。在图像数据编程产生后,此种方法现已不太使用。
 
    图像数据编程又称图形交互式自动编程,是通过某些 CAD/ CAM软件以作图的方法做出三维造型,以此为依托,输入刀具的几何形状,定义刀具相对于工作的运动方式,生成走刀轨迹,动态仿真显示加工过程。所有这些都是采用屏幕菜单和命令驱动方式在图形交互方式下得到。图2便是上面的例子在计算机中实现编程的结果,图中的虚线是刀具的运动路线。说得简单些,就好比通过比计算机的一系列对话!,告诉计算机必要的信息,让其生成加工程序,而且所有过程都可在计算机显示屏上直观、形象的表示出来,使得编程人员可在上机床加工前预知会可能发生的问题。因此它已成为当前程序编制的主要方法,在人工智能可成功应用于编程领域前,它将在相当长的时间内占据主导地位。
 
    2.2使用软件要想用图像数据编程的方法编制数控程序,就要借助 CAM软件。常用的Unigraphics( UG)、 Cimatron、 Pro/ E、 CAT IA、 EUCLID、 MasterCAM等。以上软件都是 CAD、 CAM一体化的软件,既可以做设计也可以编程,这样的软件集成化较高,使用方便。另外还有一些软件不包含 CAD部分,仅仅用来编程。它拥有一些通用的图形接口,可将其它软件作出的造型读入进行编程。另外某些数控机床会附带自动编程功能,其实它是在机床数控系统中加入了交互式图形输入系统,可通过机床操作者的输入将简单的图形告知!机床,再选择适当的加工参数,由内部数控系统自动生成程序。这在进行较规则工件的粗加工时较有作用,但由于人机对话的局限性,还不适合于精加工和复杂零件。
 
    3.数控铣床编程基础知识
 
    让我们先来认识一下什么是数控程序。
 
    这是一条标准的数控程序,这里需要说明的是不同的机床,特别是不同的数控系统,例如FANUC(法那科)、 SIEMENS(西门子)系统,所使用的程序的格式是不同的。但对于同一数控系统来说,程序的格式基本一致,唯一不同的是刀具和加工轨迹。让我们先来简单分析一下上面这条程序:
 
    第一行00001指的是本条程序的编号,用来区别不同程序,但不同的机床厂家对于使用的位数和数值范围有各自的规定。
    第二行代表本条程序使用的刀具是1号刀,这要与机床刀库中的刀具相对应。N1代表程序段编号,机床加工时并不起作用,是为了使程序看起来方便,可以不按顺序或跳跃使用,也可以省略。
    第三行是一些准备工作,告知机床工件所在位置,选用的坐标系。
    第四行指定机床主轴按顺时针旋转,转速为3000rpm。
    接下去八行给出了刀具运动的具体位置, F代表刀具运动的速度分别为300mm/ min和1000mm/ min。
    最后第二行给出指令--主轴停转。最后一行程序结束。
    在程序中,最重要的就是中间加工轨迹部分的内容,它可以指挥机床加工出不同的工件。既然如此,那么机床是通过什么来识别加工的位置的呢?为了确定机床的运动方向,移动距离,就要在机床上建立一个坐标系,也叫加工坐标系。在编制程序时,以该坐标系来规定运动方向和距离。数控铣床机床的坐标系是采用右手直角笛卡儿坐标系,
    Z坐标是由传递切削力的主轴所决定,与主轴轴线平行的坐标轴即为 Z坐标,正方向为增大工件与刀具之间距离的方向。
    X坐标是水平的,它平行于机床台面即工件装卡面。
    Y坐标垂直于X、 Z坐标轴。 Y运动的正方向根据X和Z坐标的正方向,按照右手直角坐标系来判断。有了坐标系后,机床上工件的任一位置都可由一个三维坐标来表示。只需将软件中的造型放在相同的坐标系中,就可以将造型上每一点的位置转化为刀具的位置,进行加工。因此可以发现数控程序是以 X、 Y、 Z的坐标点位置为主。需要注意的是,编程时的坐标系(造型上零点的位置)一定要与机床上所确定的坐标系(零点在工件上的位置)相一致,不然的话,会出现加工过切或刀具加工不到零件的错误。    在上面所示的程序中,大家可能注意到频繁出现的除了 X、 Y、 Z的坐标点外,就是G和 M两个符号了,它们在数控程序是必不可少的。
    符号 G规定为准备机能,也称 G指令。说的通俗些,凡是与机床的运动位置有关的指令,都可以 G代码来表示。例如直线运动( G01),圆弧运动( G02, G03),快速抬刀( G00)等动作。具体的指令会在今后讲解。
    符号 M称为辅助机能,通常代表起辅助作用的命令。例如主轴旋转( M03),主轴停止( M05),程序结束( M30)等。
    F和S分别代表进给速度和主轴转速是切削加工时必须设定的,单位为 mm/ min和 rpm。具体参数的选择取决于所选用的刀具和切削的材料。
    到此为止,给大家介绍的是数控编程中最基本的知识,从下期起,将由简入繁的介绍如何编制加工程序,其中包括简单实用的手工编制二维程序和复杂的图像数据编程。
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