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《机床与数控技术》苏州大学机电学院机械设计制造及自动化专业主讲:倪俊芳范立成孙承峰目录第一章数控机床概述第二章数控机床的程序编制第三章数控机床的位置检测装置第四章计算机数字控制系统第五章进给伺服系统第六章数控机床的结构设计和总体布局第七章数控机床的主运动部件第八章进给系统的机械传动结构第九章数控机床的刀具与工件交换装置第一章数控机床概述1.1数控机床及其特点1.2数控机床分类1.3数控机床发展1.4数控机床图片§1-1数控机床及其特点•数字控制（NumericalControl）是近代发展起来的一种自动控制技术，是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，简称NC。•数控制机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令规定的程序。一、数控机床的特点①能够完成很多普通机床难的完成，或有根本不能加工的复杂型面的零件加工，尤其是复杂型面模具，蜗轮叶片螺旋桨加工等。②采用数控机床，可提高零件的加工精度，稳定产品的质量。③可以提高生产率，比普通机床可提高2-3倍，尤其对某些复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。④可以实现一机多用，加工中心可以自动换刀，一次装夹后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，可以替代5-7台普通机床，节省厂房面积。⑤几乎不需要专用的工装夹具，采用通用的工夹具，只需更换程序，就可适应不同品种及尺寸规格零件的自动加工。⑥减少了在制品，加速了资金流动，提高经济效益。⑦大大减轻了工人劳动强度。二、数控的构成1.主机——数控机床的机械部件，是用于各种切削加工的机械部分，根据不同的零件加工要求，有车、镗、钻、磨、电加工机床。与普通机床相比较，数控机床具有以下特点：①由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺眼传动系统，因此，其机械传动结构得到简化，传动链较短。②为了适应数控机床连续地自动化加工，其机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小。③采用高效传动部件，如滚珠丝杆副，直线滚动导轨等。2.CNC装置——数控机床的核心，用于实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储，数据变换，插补运算以及实现各种控制功能，其功能包括：①多坐标控制（多轴联动）；②实现多种函数插补（直线、图弧、抛物线等）；③代码转换（EIA/ISO转换，英/公转换，二、十制转换等）；3.驱动装置——数据机床执行机械的驱动部件，普通机床是主轴箱实现传动与变速，数控机床主轴与进给是由数控装置发出进给指令，通过电气或电液伺服系统实现。4.辅助装置——配套部件，有电器、液压、气动元件及系统，冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等装置。5.编程机——手工键盘输入程序或自动编程，对于复杂零件、必须在机外编制，记录在信息载体上(如纸带、磁带、磁盘等）然后送入数控装置。图1.1数控机床的基本组成第一章数控机床概述1.1数控机床及其特点1.2数控机床分类1.3数控机床发展1.4数控机床图片§1-2数控机床分类1.按控制系统的特点分类①点位控制数控机床：控制刀具对工件的定位点坐标，对定位移动过程中的轨迹无要求，不进行切削加工。②直线控制数控机床控制刀具或工件以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴方向直线位移和加工，或同时控制两轴移动，加工45度斜线。也可以有三个坐标轴，用于直线控制的平面铣削加工。③轮廓控制的数控机床又称为连续控制或多坐标轴联动控制，可以加工复杂零件。与直线控制数控机床相比较，能进行多轴联动和控制，有刀具长度和刀具半径补偿功能。图1.2数控机床的开环、半闭环、闭环形式2.按执行机构伺服系统类型分类①开环伺服系统：步进电机为代表②闭环伺服系统：精度高、超精加工场合③半闭环伺服系统：大多数数控机床3.按数控装置类型分类①硬件式（NC）数控——专用逻辑电路实现，不同机床其组合逻辑电路不同；通用性差、灵活性差，制造周期长、成本高；②软件式（CNC）数控——采用计算机或小型机；无需改动硬件电路，只需改变系统软件。第一章数控机床概述1.1数控机床及其特点1.2数控机床分类1.3数控机床发展1.4数控机床图片§1-3数控机床发展1.国外数控机床发展•40年代初，美国北密执安一个小型飞机企业派尔逊斯（parsonsco）公司实现了采用数字技术进行机构加工。•1952年，美国麻省理工学院（MIT）在一台立式铣床上，安装了一套试验性的数控系统，实现了同时控制三轴运动。•1954年月11月，在派尔逊斯末到基础上，第一台正式数控机床由美国本迪克斯公司（Bendix）生产出来。•1959年3月，克耐·杜列克公司（Keaney&Trecker）开发生产具有多种刀具，自动模刀。•从1960年起，工业发达国家，德、日等都陆续地开发，生产及使用了数控机床。采用电子管式，体积庞大，功耗高，主要应用于军事部门。•1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就FMS系统（FlexibleManufacturingSystem）之后，日、美也相继推广与应用。•1974年微小处理机直接应用于数控机床，进一步促进了数控机床发展。•1980年后，出现了柔性制造系统（FMS）——包括几台加工中心，配套工作自动装卸和监控检验装置。2.中国数控机床发展•50年代末到60年代初，我国数控机床处于研制、开发阶段。•1968年研制成了CJK-18晶体管数控系统及X53K-1G立式数控机床。•1970年后，数控技术在车、铣、刨、磨等全面展开，但由于电子器件和制造工艺水平差，可靠性差，难以推广。•1980年后，改革开放，我国从日、美引进了部分数控装置及伺服系统的技术。•1982年，国内许多机床厂开始试产数控机床与加工中心。•1985年我国数控制机床在引进、消化国外技术基础上，进行了大量开发工作。•1990年后，我国数控机床安装逐步向高档数控机床发展。3.数控机床的发展趋势①实现长时间、连续自动化加工；②高速度、高精度发展；③提高机床利用率与生产效率；④提高可靠性；⑤具有良好的可操作性；⑥人机对话，自动编程；⑦具有强功能内装式机床可编程控制器；⑧具有更高的通信功能。第一章数控机床概述1.1数控机床及其特点1.2数控机床分类1.3数控机床发展1.4数控机床图片1.数控冲床§1-4数控机床图片2.数控钻床3.数控车床4.数控铣床5.数控加工中心思考题目：1.计算机数控（CNC）与群控（DNC）2.CNC、FMC与FMS3.普通机床、数显机床和数控机床4.数控机床的根本特征：三高一低5.计算机数控（CNC）与计算机集成制造系统（CIMS）目录第一章数控机床概述第二章数控机床的程序编制第三章数控机床的位置检测装置第四章计算机数字控制系统第五章进给伺服系统第六章数控机床的结构设计和总体布局第七章数控机床的主运动部件第八章进给系统的机械传动结构第九章数控机床的刀具与工件交换装置第二章数控机床的程序编制2.1编程目的2.2手工程序编制2.3数控机床的坐标系2.4指令编程方法与举例2.5程序编制中的数值计算2.6自动编程下一页上一页一、目的现代数控机床是按照事先编制好的加工程序自动地对工件进行加工的高效自动化设备。理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格工件，同时应能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥，以使数控机床能安全可靠及高效地工作。§2.1编程目的数控机床程序编制过程主要包括：分析零件图样、工艺处理、数据处理、编写程序单、制作控制介质及程序检验。所谓“数控机的程序编制”指由分析零件图样到程序检验的全过程（如图2－l所示）。图2.1数控编程的基本过程（二）步骤与要求1．分析零件图样和工艺处理编程人员需注意如下几点:（1）确定加工方案此时应考虑数控机床使用的合理性及经济性。并充分发挥数控机床的功能。（2）工具的设计和选择应特别注意要迅速完成工件的定位和夹紧过程，以减少辅助时间。使用组合夹具，生产准备周期短，夹具零件可以反复使用，经济效果好。此外，所用夹具应便于安装，便于协调工件和机床坐标系的尺寸关系。（3）正确地选择对刀点对于数控机床来说，程序编制时正确地选择对刀点是很重要的。“对刀点”是指在数控加工时，刀具相对于工件运动的起点。“对刀点”也是程序执行的起点，也称为”程序原点”。对刀点的选择原则如下：1）所选的对刀点（即程序起点）应使程序编制简单。2）对刀点应选在容易找正、并在加工过程中便于检查的位置。3）引起的加工误差小。对刀点、刀位点和对刀的关系：1）对刀点----在数控加工时，刀具相对于工件运动的起点。即程序起点，也是程序的终点。2）刀位点----在数控加工程序编制中，用于表示刀具特征的点，也是对刀和加工的基准点。3）对刀----对刀点和刀位点重合的操作。（4）选择合理的走刀路线1）尽量缩短走刀路线，减少空走刀行程，提高生产效率。2）保证加工零件精度和表面粗糙度的要求。3）有利于简化数值计算，减少程序段数目和编制程序工作量。图2.2走刀路线对精度的影响（A中、B差、C好）（5）合理选择刀具应根据工件材料的性能，机床的加工能力，加工工序的类型，切削用量以及其它与加工有关的因素来正确地选择刀具。对刀具总的要求：安装调整方便、刚性好，精度高，使用寿命长等。（6）确定合理的切削用量在工艺处理中必须正确确定切削用量，即切削深度和宽度、主轴转速及进给速度等。2．数学处理在完成了工艺处理的工作后，下一步需根据零件的几何尺寸、加工路线，计算刀具中心运动轨迹，以获得刀位数据。3．编写零件加工程序单制作控制介质及程序检验在完成上述工艺处理及数值计算工作后，即可编写零件加工程序单。图2.3旋转类零件车削加工线路图2.4旋转类零件粗、精车削加工线路图2.5旋转类零件车削加工线路图2.6平面类零件铣削加工线路图2.7立体轮廓零件铣削加工线路（三坐标两联动）图2.8立体轮廓零件铣削加工线路（三坐标联动）图2.9立体轮廓零件铣削加工线路（四坐标联动）图2.10立体轮廓零件铣削加工线路（五坐标联动）（三）数控机床程序编制的方法1）手工编制程序编制零件加工程序的各个步骤，即从零件图样分析及工艺处理、数值计算、书写程序单、穿制纸带直至程序的检验，均由人工完成的即为手工编制程序的过程，亦称为“手工程序编制”。2）自动程序编制使用计算机（或程编机）进行数控机床程序编制工作，即由计算机（程编机）自动地进行数值计算，编写零件加工程序单，自动输出打印加工程序单并将程序记录到穿孔级带上或其它控制介质上。数控机床的程序编制工作的大部分或全部由计算机完成的过程，即为自动程序编制。第二章数控机床的程序编制2.1编程目的2.2手工程序编制2.3数控机床的坐标系2.4指令编程方法与举例2.5程序编制中的数值计算2.6自动编程下一页上一页§2-2手工程序编制数控机床程序编制各个阶段的工作，如果几乎都是由人来完成的，则叫作手工程序编制。在程程时，必须遵守国家规定的数字控制的有关标准。一、数控的主要标准1）ISO标准(InternationalStandardOrganization）国际标准化组织标准2）EIA标准(ElectronicIndustriesAssociation)美国电气工业协会标准3）ASCⅡ码标准二、中国数控的标准与代码1）机械部标准JB3208－83数字控制机床穿孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M的代码》2）新国家标准数控机床必须采用ISO标准（－）穿孔纸带及其代码现国内外广泛采用八单位的穿孔纸带作为数控机床的控制介质。穿孔纸带的编码，国际上采用ISO或EIA标准。图2.11穿孔纸带图2.12ISO编码特征图2.13EIA编码表图2.13ISO编码表第二章数控机床的程序编制2.1编程目的2.2手工程序编制2.3数控机床的坐标系2.4指令编程方法与举例2.5程序编制中的数值计算2.6自动编程下一页上一页§2.3数控机床的坐标系一、数控机床的坐标轴与运动方向为了保证数控机床的运行、操作及程序编制的一致性；数字控制标准统一规定了机床坐标和运动方向的命名原则。图2.14右手法则二、绝对坐标系统与增量（相对）坐标系统1绝对坐标刀具（或机床）运动位置的坐标