数控机床概述

2019年8月15日8时46分数控1CNC概念、组成、特点、分类、发展数控机床概述2019年8月15日8时46分数控2第一节数控机床的基本概念一、数控设备和数控机床(一)数控设备和数控机床的概念⒈数控，即数字控制（NumericalControl，简称NC）是近代发展起来的一种自动控制技术，在机床领域是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。定义中的“机床”不仅指金属切削机床，还包括其它各类机床，如线切割机床、三坐标测量机等。⒉采用数控技术的控制系统称为数控系统。这种控制系统，能自动阅读输入载体上事先给定的数字值和指令，并将其译码、处理，从而自动地控制机床移动和加工零件。装备了数控系统的受控设备称为数控设备。受控设备包括机床行业的各种数控机床和其它行业的许多数控设备，如数控火焰切割机、电火花加工机、数控冲剪机、数控测量机等。装备了数控系统的机床叫数控机床。2019年8月15日8时46分数控3数控装置是数控机床的控制核心，通常由一台通用或专用的微型计算机构成。数控装置根据输入的指令，进行译码、处理、计算和控制，实现其数控功能。以前数控设备的数控功能是用专用计算机的硬件结构来实现，所以称为硬件数控，简称NC。现在主要以计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能，所以称为软件数控或计算机数控，简称CNC。由于计算机数控是数控系统的一种，再加上现在已经没有硬件数控，所以我们现在管数控系统统称为CNC系统。（二）数控（NC）与计算机数控（CNC）二、数控机床的产生与发展应用大批大量生产方式（汽车、拖拉机、家电等零件）：刚性生产线。机械产品中，单件小批产品占75-80%，其生产多采用通用机床，效率低。产品的改型换代周期长。…1952,受美国空军委托，ParsonsCo与麻省理工学院（MIT):第一台3轴立式数控铣（用于直升机叶片轮廓检验样板曲线）。55年进入实用阶段（美国飞机制造业中加工复杂曲面）。2019年8月15日8时46分数控4二、CNC系统的组成与加工原理（一）CNC系统的组成及功用数控机床在数控系统的控制下，自动地按给定的程序进行机械零件的加工。数控系统是由用户程序、输入/输出设备、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。如图1-1所示。1958,我国开始研制……863计划……应用：在各个领域得到广泛应用，在国民经济的发展发挥乐巨大的作用。国防军业：汽车制造业：刚性生产线---〉柔性生产线2019年8月15日8时46分数控5图1-1CNC组成框图与加工原理程序输入设备计算机数控制装置（CNC）可编程控制器（PLC）主轴控制单元进给控制单元输出设备主轴电机进给电机位置检测器机床1．加工程序数控机床工作时，不需要工人直接去操作机床，要对数控机床进行控制，必须编制加工程序。零件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量主轴转速等）和辅助运动等。将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元。2019年8月15日8时46分数控62．数控装置数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNC(ComputerNumericalControl)形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称软件数控(SoftwareNC)。CNC系统是一种位置控制系统，它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件加工出所需要的零件。因此，数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。而所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理地组织，使整个系统协调地进行工作。（1）输入装置将数控指令输入给数控装置，根据程序载体的不同，相应有不同的输入装置。目前主要有键盘输入、磁盘输入、CAD/CAM系统直接通信方式输入和连接上级计算机的DNC(直接数控)输入等。1）纸带输入方式（早期数控机床）。2）编辑状态(EDIT)下、MDI手动数据输入方式：操作者可利用操作面板上的键盘输入加工程序的指令，它适用于比较短的程序。3）采用DNC直接数控输入方式。把零件程序保存在上级计算机中，CNC系统一边加工一边接收来自计算机的后续程序段。DNC方式多用于采用CAD/CAM软件设计的复杂工件并直接生成零件程序的情况。4）直接通讯输入。2019年8月15日8时46分数控7（2）信息处理输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。CNC系统的输入数据包括：零件的轮廓信息(起点、终点、直线、圆弧等)、加工速度及其他辅助加工信息(如换刀、变速、冷却液开关等)，数据处理的目的是完成插补运算前的准备工作。数据处理程序还包括刀具半径补偿、速度计算及辅助功能的处理等。（3）输出装置输出装置与伺服机构相联。输出装置根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲，并把它送到各坐标的伺服控制系统，经过功率放大，驱动伺服系统，从而控制机床按规定要求运动。3.可编程控制器(PLC)可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。数控设备用PLC有内装型和独立型两种。2019年8月15日8时46分数控84．伺服系统和测量反馈系统伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。测量元件……5.机床主机机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。6.数控机床的辅助装置保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括：气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置。2019年8月15日8时46分数控9（二）CNC加工过程1.正常工作前的准备工作在接通电源后，CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。2.零件加工控制信息的输入CNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。3.数控加工程序的译码和预处理加工控制信息输入后，启动加工运行，此时CNC装置在系统控制程序的作用下，对数控程序进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。2019年8月15日8时46分数控104.插补计算一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理。所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的运动序列指令。5.位置控制各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。（二）CNC加工过程2019年8月15日8时46分数控11三、数控机床的特点与通用机床和专用机床相比，数控机床具有以下主要特点：（1）加工精度高，质量稳定。（2）能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。（3）生产效率高。（4）柔性高，通用性强：对产品改型设计的适应性强。（5）有利于制造技术向综合自动化方向发展：数控机床是机械加工自动化的基本设备，以数控机床为基础建立起来的FMC、FMS、CIMS等综合自动化系统使机械制造的集成化、智能化和自动化得以实现。（6）功能丰富。CNC系统不仅控制机床的运动，而且可对机床进行全面监控、报警诊断、通讯管理等。（7）减轻工人劳动强度、改善劳动条件。不足：投资大、维修维护难度大以及对操作人员的技术水平要求较高。2019年8月15日8时46分数控12第二节数控机床的分类一、按运动控制的特点分类1.点位控制数控机床：它的特点是刀具相对工件的移动过程中，不进行切削加工，对定位过程中的运动轨迹没有严格要求，只要求实现从一坐标点到另一坐标点的精确定位。点位控制数控机床主要有：数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。2.直线控制数控机床：某些数控机床不仅要求具有准确定位的功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制位移的速度。因为这一类型的数控机床在两点间移动时，要进行切削加工。主要有：数控镗铣床、数控车床、加工中心等。一般情况下这些数控机床有两到三个可控轴，但同时控制轴数只有一个。3.轮廓控制数控机床：这类数控机床的特点是能同时控制两个或两个以上的坐标轴，可以加工曲线或曲面的零件。轮廓控制数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心、数控电加工机床等。2019年8月15日8时46分数控13图1-3数控系统的三种控制形式一、按运动控制的特点分类2019年8月15日8时46分数控14二、按伺服系统的控制方式分类1.开环控制系统：这类数控机床不带位置检测反馈装置。CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电机转动，再经传动机构带动工作台移动，其控制框图如下图所示。开环控制的数控机床工作比较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度低这类数控机床多为经济型。2019年8月15日8时46分数控152.全闭环控制系统：这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制，其控制框图如下图所示。闭环控制系统的特点是：精度高、速度快、技术上要求高，成本较高。闭环控制系统的调试和维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，系统调试不好容易产生振荡，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视。闭环控制系统主要应用于一些精度要求较高的超精车床、镗铣床、超精铣床和精密加工中心等。二、按伺服系统的控制方式分类位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈图1-5全闭环控制系统框图2019年8月15日8时46分数控163.半闭环控制系统：半闭环控制系统是将检测元件安装在电机或丝杠端头上，检测角位移，其控制框图如下图所示。由于闭环环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可以获得比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制系统，但调试比较方便，因此它广泛应用于中小型的CNC机床。二、按伺服系统的控制方式分类位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈图1-6半闭环控制系统框图2019年8月15日8时46分数控17三、按照CNC装置的功能水平分类按照数控机床的功能水平对数控机床进行分类，一般可以把数控机床分为高、中、低档三类。项目低档中档高档分辨率和进给速度10μm、8~15m/min1μm、15~24m/min0.1μm、15~100m/min伺服进给类型开环、步进电动机系统半闭环直流或交流伺服系统闭环直流或交流伺服系统联动轴数2轴3~5轴3~5轴主轴功能不能自动变速自动无级变速自动无级变速、C轴功能通信能力无RS-232C或DNC接口MAP通信接口、连网功能显示功能数码管显示、CRT字符CRT显示字符、图形三维图形显示、图形编程内装PLC无有有主CPU8bitCPU16或32bitCPU64bitCPU2019年8月15日8时46分数控18四、按工艺用途分类1.一般切削加工类：有数控的车床、铣床、磨床与齿轮加工机床等。在数控金属成