模块九(数控加工)

第一节数控机床的基本知识一、数控机床的产生随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备。普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。一种新型的生产设备——数控机床就应运而生了。二、数控机床的发展简况1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和五代。第1代数控机床：1952年～1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。以上三代都是采用专用计算机的硬逻辑数控系统。装有这类数控系统的机床为硬件数控机床，简称NC机床。第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（MNC）。三、数控机床的基本概念（一）数控机床的概念1.数控(NumericalControl，NC)数控是采用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的方法，即硬件数控。2.数控技术（NumericalControlTechnology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。3.数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。国际信息处理联盟定义:是一种装了程序控制系统的机床4.数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。5.计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）以计算机为控制核心的数字控制系统，即软件数控。6.计算机直接控制技术（DNC）（二）数控机床的特点•加工精度高•生产效率高•减轻劳动强度•改善劳动条件•有利于生产管理四、数控机床技术发展趋势•高速、高效加工•高精密、超精密加工•高可靠性•工序复合化和复合加工•智能化、网络化、柔性化和集成化•并联机床技术1.高速、高效加工•高速CPU芯片•主轴高速化，采用电主轴•采用全数字交流伺服•机床动、静态性能的改善•在分辨率为1μm时，快进速度达240m/min，可获得复杂型面的精确加工•加速度达2g•主轴转速已达200,000r/min•换刀速度少于1s2高精密、超精密加工•提高机械的制造和装配精度；•采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化•采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上1000000脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01μm/脉冲）•位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法•采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术•设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。5.并联机床1）机床结构技术上的突破性进展当属20世纪90年代中期问世的并联机床。并联机床是机器人技术、机床结构技术、现代伺服驱动技术和数控技术相结合的产物，被称为“21世纪的机床”•传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制了加工精度和速度的提高。2）我国自主研发的并联机床样机3）并联机床的优、缺点及发展热点：•优点：进给速度快；精度高；刚性好；加速度高；安装、维修方便。•局限：工作空间小；姿态能力差；运动特性和力特性非线性。•目前研究热点：混联机床。五、数控机床（系统）分类数控机床规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面4种方法来分类的。1.按工艺用途分类2.按运动轨迹分类3.按伺服系统的控制方式分类4.按数控装置分类1.按工艺用途分类•一般数控机床：车铣镗钻磨等，功能与通用机床相似；但是可以加工复杂形状的零件。•数控加工中心：在数控铣、镗、钻床的基础上增加了自动换刀装置。带刀库，一次装夹后可完成多工序加工。•多坐标数控机床：坐标轴大于3，能加工复杂形状零件。•线切割机床•电火花机床2.按运动轨迹分类点位控制数控系统仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。点位控制钻孔加工工件刀具AB直线控制数控系统能实现点位控制数控系统的功能能实现沿平行某个坐标轴（如X、Y、Z）或两轴等速的方向进行加工；适用范围：数控车床、数控镗铣床、数控加工中心等。直线控制切削加工轮廓控制数控系统轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。工件刀具轮廓控制加工3.按联动轴数分，2轴联动（平面曲线）3轴联动（空间曲面，球头刀）4轴联动（空间曲面）5轴联动及6轴联动（空间曲面）。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。4.按进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。第二节数控机床的有关功能规定一、数控机床技术术语（一）DNC（计算机直接控制技术）由一台计算机控制一台或多台数控机床。（二）FMS（柔性制造系统）1.柔性制造单元FMC：由加工中心（MC）与自动交换工件（AW、APC）的装置所组成。2.核心：柔性，并不事先固定哪一台机床加工什么零件，而是根据需要，由系统调度由哪一台机床加工某一零件。二、数控机床的坐标的运动方向的规定统一规定数控机床坐标轴及其运动的方向，可使编程方便，并使编出的程序对同类型机床有通用性。同时也给维修和使用带来极大的方便。ISO和我国都拟定了命名的标准。+Z立、卧式数控铣床+Z+X+Z+X+Y+Y+Z+X+Y立式5轴联动数控铣床+Z+X+Y龙门数控铣床数控车床数控机床例图数控铣床数控钻床加工中心数控雕刻机床三座标测量机数控电火花成型机快速成型设备数控弯管机数控卷簧机