数控机床、

第1章绪论1.1概述1.2数控机床的基本组成和工作原理1.3数控机床的分类1.4数控机床的特点本章要点图库下页返回1.1概述下页上页返回数控技术的基本概念数控技术、数控系统与数控机床数控技术，简称数控（NumericalControl—NC）是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（ComputerizedNumericalControl—CNC）。为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统（NumericalControlSystem），数控系统的核心是数控装置（NumericalController）。图库1.1概述由于数控系统、数控装置的英文缩写亦采用NC（或CNC），因此，在实际应用中，在不同场合NC（或CNC）具有三种不同含义，即：既可以在广义上代表一种控制技术，又可以在狭义上代表一种控制系统的实体，此外还可以代表一种具体的控制装置——数控装置。数控系统和计算机技术的发展始终保持同步，至今已经历了从电子管、晶体管、集成电路、计算机到微处理机的演变，系统功能的日益增强，应用领域的日益扩大，发展异常迅速，更新换代十分频繁。下页上页返回图库附：机床发展的历史回顾1.1概述采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，数控机床的水平代表了当前的数控技术的性能、水平和发展方向，因此，本书将以数控机床为主线，介绍数控技术的有关内容。下页上页返回图库1.1概述NC机床、加工中心、FMC、FMS与CIMS数控机床种类繁多，有钻铣镗类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称NC机床。下页上页返回图库1.1概述带有自动刀具交换装置（AutomaticToolChanger—ATC）的数控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心（MachineCenter—MC）。它通过刀具的自动交换，可以一次装夹完成多工序的加工，实现了工序的集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件的安装、安装次数，提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、应用最广的数控机床。下页上页返回图库1.1概述在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（AutoPalletChanger—APC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（FlexibleManufacturingCell—FMC）。FMC不仅实现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的自动交换和较完善的自动检测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。FMC既是柔性制造系统的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此，其发展速度较快。下页上页返回图库1.1概述在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem－FMS）。FMS不仅可以进行长时间的无人化，而且可以实现多品种零件的全部加工或部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。下页上页返回图库1.1概述随着科学技术的发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且是实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。将这些要求综合，构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem－CIMS）。CIMS将一个工厂的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。下页上页返回图库1.1概述NC机床与程控机床NC机床与程控机床是两种不同含义的机床，它们的控制要求和控制对象有本质的不同。一般来说，机床自动控制主要包括三方面内容：1)机床动作顺序的程序控制，典型的有组合机床、自动生产线等的流程与工步控制。其主要控制要求是根据机床的动作顺序表（如电磁阀等执行元件的动作表）。按规定的顺序通过执行原件依次动作，完成机床的动作流程。下页上页返回图库1.1概述NC机床与程控机床2)主电机与辅助电机的启动、停止、变速、冷却、润滑、排屑、自动换刀等辅助机能的控制。这些控制有的是实现机械加工必须的，有的是机床特殊动作和功能方面的需要。它可以通过继电器、接触器、变频器、调速器等进行控制。对于只需要上述1）、2）两方面控制的加工设备，称为程序控制机床，简称程控机床。如：组合机床、自动生产线等。可编程控制器（ProgrammableController），是实现以上控制的最佳选择。下页上页返回图库1.1概述NC机床与程控机床3)刀具（或坐标轴）移动轨迹控制。对刀具运动轨迹进行控制，使加工轮廓的必要条件，它包括移动速度控制、移动位置控制、移动轨迹控制等几个方面的基本要求，必须通过采用数控技术才能实现。在数控机床上，对于运动部件的位移量控制，一般需要通过档铁、行程开关等检测元件的发信和对执行元件的通断控制实现。即便采用了侍服驱动装置的程控机床，一般也只能对各运动部件的移动速度、移动位置进行单独的控制和调整，因此，程控机床能够实现点位控制，但不能实现各部件间的“联动”，任意改变坐标轴（或刀具）在平面或空间的移动轨迹，故不能成为数控机床。下页上页返回图库1.1概述NC机床与程控机床在数控机床上，通过数控系统的“插补”运算，实现了坐标轴的联动功能。它不仅可以控制移动部件的起点与终点坐标，而且还能同时控制各运动部件每一时刻的速度和位移，以及各运动部件间的相互关系，从而可以将工件加工要求的轮廓形状。这是数控机床与其他机床的本质区别，也是机床采取数控技术的根本原因。下页上页返回图库1.1概述下页上页返回数控系统及其组成机床数控系统的基本组成数控系统是所有数控设备的核心。数控系统的主要控制对象是坐标轴的位移（包括移动速度、方向、和位置等），其控制信息主要来源于数控加工或运动控制程序。因此，作为数控系统最基本的组成应该包括：程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三部分。图库1.1概述下页上页返回数控系统及其组成机床数控系统的基本组成（1）输入/输出装置输入/输出装置的主要作用是进行数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据的输入、输出。键盘和显示器是任何数控设备必须的最基本的输入输出装置。此外，根据数控系统的不同，还可以配光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。作为外围设备，计算机是目前常用的输入/输出装置之一。图库1.1概述下页上页返回数控系统及其组成机床数控系统的基本组成（2）数控装置数控装置是数控系统的核心。它由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存储器等部分组成。数控装置的作用是将输入装置输入的数据，通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理，并输出各种信息和指令，以控制机床的各部分进行规定的动作。在这些控制信息和指令中，最基本的是坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量指令；它经插补运算后生成，提供给伺服驱动，经驱动器放大，最终控制坐标轴的位移。它直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。图库1.1概述下页上页返回数控系统及其组成机床数控系统的基本组成此外，根据系统和设备的不同，如：在数控机床上，还可能有主轴的转速、转向和起、停指令；刀具的选择和交换指令；冷却、润滑装置的起、停指令；工件的松开、夹紧指令；工作台的分度等辅助指令。在基本的数控系统中，它们是通过接口，以信号的形式提供外部辅助控制装置，由外部辅助控制装置对以上信号进行必要的编译和逻辑运算，放大后驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。图库1.1概述下页上页返回数控系统及其组成机床数控系统的基本组成（3）伺服驱动伺服驱动通常由伺服放大器（亦称：驱动器、伺服单元）和执行机构等部分组成。在数控机床上，目前一般采用交流伺服电动机作为执行机构；在先进的高速加工机床上，已经开始使用直线电动机。图库1.1概述数控系统及组成：NC(CNC)、SV与PC(PLC、PMC)NC(CNC)：数控（NumericalControl）的常用英文缩写。由于现代数控都采用了计算机控制，因此，可以认为NC和CNC的含义完全等同。如前所述，NC(CNC)在广义上代表一种控制技术----数控技术；在狭义上代表一种控制系统的实体----数控系统；此外，还可以代表一种具体的控制装置----数控装置。下页上页返回图库1.1概述数控系统及组成：NC(CNC)、SV与PC(PLC、PMC)SV：伺服驱动（ServoDrive,简称伺服）的常用英文缩写。按日本JIS标准规定的术语，它是“以物体的位置、方向、状态等作为空置量，追踪目标值的任意变化的控制机构”。简言之，它是一种能够自动跟随目标位置等物理量的控制装置。在数控机床上，伺服驱动的作用主要有两个方面：一是按照数控装置给定的速度运行；二是按照数控装置给定的位置定位。因此，伺服驱动的精度和动态响应性能是影响数控机床的加工进度、表面质量和生产率的重要因素之一。下页上页返回图库1.1概述数控系统及组成：NC(CNC)、SV与PC(PLC、PMC)PC：可编程序控制器（ProgrammableController）的英文缩写。随着个人计算机的日益普及，为了避免和个人计算机（亦称：PC机）混淆，现在一般都将可编程序控制器称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController----PLC）或可编程序机床控制器（ProgrammableMachineController----PMC）。因此，在数控机床上，PC、PLC、PMC具有完全相同的含义。下页上页返回图库1.2数控机床的基本组成和工作原理数控机床的基本组成在数控机床上，为了进行零件的加工，可以通过如下步骤进行：1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式，将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够识别的指令形式。2）将所编写的加工程序输入数控装置。3）数控装置对输入的程序（代码）进行译码、运算处理，并向各坐标轴的伺服驱动装置和辅助机能控制装置发出响应的控制信号，以控制机床的各部件的运动。下页上页图库返回1.2数控机床的基本组成和工作原理数控机床的基本组成4）在运动过程中，数控系统需要随时检测机床的坐标轴位置、行程开关的状态等，并与程序的要求相比较，以决定下一步动作，直到加工出合格的零件。5）操作者可以随时对机床的加工情况、工作状态进行观察、检查，必要时还需要对机床动作和加工程序进行调整，以保证机床安全、可靠地运行。由此可知，作为数控机床的基本组成，它应包括：输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置、辅助控制装置以及机床本体等部分。（见图1-1）数控机床的基本组成下页上页图库返回1.2数控机床的基本组成和工作原理数控机床的基本组成图1-1中的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置构成了机床数控系统，其作用见前述。测量装置的作用是检测数控机床坐标轴的实际位置和移动速度，检测信号被反馈输入到机床的数控装置或伺服驱动中，数控装置或伺服驱动对反馈的实际位置和速度与给定值进行比较，并向机床输出新的位移、速度指令。检测装置的安装、检测信号反馈的位置，决定于数控系统的结构形式。下页上页图库返回1.2数控机床的基本组成和工作原理数控机床的基本组成数控装置发出的一个进给脉冲所对应的机床坐标轴的位移量，称为数控机床的