第一章+数控机床概论

第一章现代数控加工设备概论数控机床的产生及发展趋势数控机床的基本概念数控机床的组成及工作原理数控机床的分类数控机床坐标的规定数控机床的特点学习导论本章主要介绍数控机床的发展过程和趋势，数控机床的基本概念，数控机床的组成、工作原理及分类，数控加工的特点。重点掌握数控机床的组成及工作原理；点位控制、点位直线控制、轮廓控制数控机床的特点。数控机床的产生及发展趋势一、数控技术的产生和发展（1）最早采用数字控制技术进行机械加工的思想，是在20世纪40年代提出的。1952年，美国麻省理工学院研制出一套试验性数字控制系统，并把它装在一台立式铣床上，成功地实现了同时控制三轴的运动。1954年11月，在帕尔森斯专利基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司(BendixCooperation)生产出来。1959年，数控系统中广泛采用晶体管和印制电路板，使数控机床跨入了第二代。一、数控技术的产生和发展（2）1960年，研制出了小规模集成电路。由于它的体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。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，这就是最初的柔性制造系统（FMS——FlexibleManufacturingSystem）。1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。一、数控技术的产生和发展（3）20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）。二、数控机床的发展趋势一、工序集中加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少由于工序分散、工件多次装夹引起的定位误差，提高加工精度，有效地提高数控机床的生产率和数控加工的经济效益。二、高速、高效、高精度高速提高切削速度可以减少机动时间。目前，数控机床的主轴转速已普遍达到6000r／min以上，有的高达40000r／min；切削速度达到2000m／min。高效缩短换刀时间；采用各种形式的交换工作台；广泛采用脱机编程；采用快换夹具、刀具装置以及实现对工件原点快速确定等措施，缩短机床及刀具的调整时间。高精度工件的加工精度主要取决于机床精度、编程精度、插补精度和伺服精度。三、方便使用、提高可靠性加工编程方便使用方便诊断功能不断发展完善可靠性不断提高数控机床的基本概念一、基本概念（1）数字控制(NC——NumericalControl)技术是20世纪中期发展起来的一种技术，是用数字化信号进行控制的一种方法。一、基本概念（2）数控机床（NumerialControlMachineTool)是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床，或者说是装备了数控系统的机床。它是一种技术密集度及自动化程度很高的机电一体化加工设备，是数控技术与机床相结合的产物。一、基本概念（3）NC机床早期的数控机床控制系统采用各种逻辑元件、记忆元件构成随机逻辑电路，属于固定接线的硬件结构，由硬件来实现数控功能，称为硬件数控，一般地用这种技术实现的数控机床称为NC机床。一、基本概念（4）CNC机床现代数控系统是采用微处理器中的系统程序(软件)来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备联接成为计算机数控(ComputerNumericalToo1)系统，简称CNC系统。具有CNC系统的机床称为CNC机床。一、基本概念（5）加工中心(MachiningCenter)有些数控机床具有刀库、自动换刀装置，自动交换工作台或回转工作台，能在一次装夹中对工件的多个表面进行多工序加工，如进行钻孔，铰孔、镗孔、攻螺纹、平面铣削、轮廓铣削等加工，这种新一代的数控机床称为加工中心(MachiningCenter)，它代表着当今数控机床发展的主流。一、基本概念（6）柔性制造单元（FMC）如果某加工中心有较多的交换工作台，便可实现长时间无人看管加工。一、基本概念（7）柔性制造系统（FMS）是一种把自动化加工设备、物流自动化处理和信息流自动处理融为一体的智能化加工系统。数控机床的组成及工作原理一、数控加工工艺的主要内容选择并确定需要进行数控加工的零件及内容；进行数控加工工艺设计；对零件图形进行必要的数学处理；编写加工程序(自动编程时为源程序，由计算机自动生成目标程序—加工程序)；按程序单制作控制介质；对程序进行校验和修改；首件试加工与现场问题处理；数控加工工艺技术文件的编写与存档。二、数控机床的组成（1）数控机床的种类很多，但基本构成如图所示。数控机床的基本组成图例二、数控机床的组成（2）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。加工程序存储着加工零件所需的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息等。输入装置输入装置的作用是将控制介质上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传递并存入数控系统内。二、数控机床的组成（3）数控系统是数控机床的核心，通常是一台具有专用系统软件的微型计算机，它由输入输出接口线路、控制运算器和存储器等构成。它接受控制介质上的数字化信息，经过控制软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。二、数控机床的组成（4）伺服系统伺服系统是数控机床的执行机构。是由驱动装置和执行部件两大部分组成。它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给速度、方向和位移，以加工出符合图样要求的零件。伺服精度和动态响应是影响数控机床的加工精度、表面质量和生产效率的重要因素之一。二、数控机床的组成（5）反馈系统测量元件将数控机床各坐标轴的位移指令值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与设定值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的主运动换向、变速、启停、刀具的选择和更换，以及其它辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判别和运算，经过功率放大后直接驱动相应的电器，带动机床的机械部件、液压装置、气动装置等辅助装置完成指令规定的动作。二、数控机床的组成（6）机床本体与传统的机床相比较，数控机床本体仍然由主传动装置、进给传动装置、床身及工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床本体的整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统等的结构以及操纵机构发生了很大的改变,这种变化的目的是为了满足数控机床高精度、高速度、高效率以及高柔性的要求。三、数控机床的工作原理一、工作原理用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入装置送入数控系统，经过数控系统的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和工件及其它辅助运动装置严格按要求运动。数控机床加工零件过程如图所示。数控机床加工零件的基本过程图例数控机床的分类一、按数控机床的工艺用途分类普通类数控机床普通类数控机床一般指在加工工艺过程中的一个工序上实现数控的自动化机床。如数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床等。加工中心加工中心的典型特征是有刀库和自动换刀装置。加工中心一般可分为立式加工中心、卧式加工中心和万能加工中心金属成型类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控转头压力机等。特种加工及其他类型数控机床如数控线切割机床、数控电火花成形机床、数控激光加工机床等。二、按控制运动的方式分类（1）点位控制数控机床点位控制数控机床只控制移动刀具或部件从一个位置到另一个位置的精确定位，而不管从一点到另一点按照什么轨迹运动，同时在移动和定位过程中刀具不进行任何加工。典型机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控三坐标测量机等。点位控制机床原理图例二、按控制运动的方式分类（2）点位直线控制数控机床点位直线控制数控机床不仅能控制刀具或移动部件，从一个位置到另—个位置的精确移动，而且能以给定的速度，实现平行于坐标轴方向的直线切削加工运动。典型机床属于这种类型的机床有数控车床、数控磨床、数控镗铣床等。点位直线控制机床原理图二、按控制运动的方式分类（3）轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床是对两个或两个以上坐标轴同时进行控制。它不仅要控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且要控制加工过程中每一点的速度、方向和位移量，轮廓控制又称连续控制。典型机床大多数数控机床具有轮廓控制功能。如数控车床、数控铣床、加工中心等。轮廓控制机床图例三、按伺服系统的类型分类（1）开环控制数控机床这类数控机床没有检测反馈装置，通常使用步进电动机作为驱动。这类机床结构简单，成本低，工作较稳定，调试方便。开环控制数控机床原理图例三、按伺服系统的类型分类（2）闭环控制数控机床位置检测装置直接安装于机床运动部件上。采用闭环控制的数控机床可以消除由于传动部件的机械误差对加工精度的影响，可以获得很高的加工精度。闭环系统的设计和调整都有很大的难度，造价高，通常用于精度和速度都要求较高的精密大型数控机床。闭环控制数控机床原理图例三、按伺服系统的类型分类（3）半闭环控制数控机床位置检测装置安装于驱动电动机轴端或安装在传动丝杠端部，间接地测量移动部件(工作台)的实际位置或位移。其精度高于开环系统，低于闭环系统。由于半闭环伺服系统的性能价格比较好，目前广泛用于中小型数控机床中。半闭环控制数控机床原理图例四、按可控制联动的坐标轴分类（1）两坐标轴联动数控机床能同时控制两个坐标轴联动。四、按可控制联动的坐标轴分类（2）三坐标联动数控机床能同时控制三个坐标轴的联动，四、按可控制联动的坐标轴分类（3）两轴半坐标联动数控机床本身有三个坐标能作三个方向的运动，但数控装置同时只能控制两个坐标，而第三个坐标只能作等距周期移动。四、按可控制联动的坐标轴分类（4）多坐标联动数控机床能同时控制四个以上坐标轴联动。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高，程序编制复杂。主要用于加工形状复杂的零件。五、按数控机床功能水平的高低分类（1）低档数控机床又称经济型数控机床。其特点是根据实际加工要求，合理地简化系统以降低机床价格。在我国，将由单片机或单板机与步进电动机构成的数控系统以及—些功能简单、价格低的系统称为经济型数控系统。主要用于车床、线切割机床以及旧机床的数控改造等。五、按数控机床功能水平的高低分类（2）中档数控机床其CPU一般为16位或32位，具备较齐全的CRT显示，可以显示字符和图形，进行人机对话，自诊断等。伺服系统为半闭环直流或交流伺服系统，脉冲当量O.005mm～O.001mm，快进速度15m／min～24m／min。高档数控机床其CPU一般为32位或**位，CRT显示具备中档的功能外，还具有三维图形显示等。伺服系统为闭环的直流或交流伺服系统，脉冲当量0.001mm～0.0001mm，快进速度15m／min～100m／min。数控机床坐标的规定机床的运动（1）机床运动的主要要素：机床的运动是为了将工件或坯料上多余的材料层切除，从而使工件获得所需要的几何形状、尺寸和表面质量。运动的主要要素是切削工具（常为刀具）、工件和切削运动。表面成型运动是通过刀具与工件间的相对运动直接进行切削的过程。表面成型运动的形式和数量，决定了被加工表面的形状、能采用的加工方法和刀具的结构。表面成型运动可分为机床的主运动和机床的进给运动。所示为外圆车刀车削外圆时的表面成型运动。机床的运动（2）1）机床的主运动可促使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前刀面接近工件，从工件上直接切除金属，它具有切削速度最高，消耗功率最大的特点。如车削时工件的旋转运动，钻床、铣床、镗床等刀具的回转运动，刨削、拉削时工件或刀具的往复运动等。在切削中有且只有一个主运动。机床的运动（3）2）机床的进给