第一章数控加工技术概述

数控加工技术基础2009年11月田锡天NWPU参考书1.田锡天.数控加工技术基础（讲义）.西北工业大学出版社，20092.范炳炎.数控加工程序编制（第2版）.航空工业出版社，19953.蔡兰.数控加工工艺学.化学工业出版社，20054.王爱玲.现代数控编程技术及应用.国防工业出版社，2002先修课程1.现代制造工艺基础（含夹具）2.切削加工及刀具技术3.机床概论与设计NWPU内容第一章数控加工技术概述第二章数控加工程序编制基础第三章数控加工工艺过程设计第四章数控铣床的程序编制第五章加工中心的程序编制第六章数控车床的程序编制第七章CAD/CAM软件及其应用NWPU第一章数控加工技术概述本章内容：1.1数控加工的基本概念1.2数控机床1.3数控系统1.4数控机床的发展NWPU1.1数控加工的基本概念1.数字控制NumericalControl，NC－数字控制，简称数控。数字控制是用数字信号对控制对象进行自动控制的一种技术。数字控制的优点：•可用不同的字长表示不同精度的信息；•可对数字化信息进行逻辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作；•可用计算机程序来改变信息处理的方式或过程，而不用改变电路或机械机构，从而使机械设备具有很大的柔性。NWPU1.1数控加工的基本概念2.数控机床数字控制的对象是多种多样的，但数控机床是最早应用数控技术的控制对象，也是应用最广泛和最典型的数控设备。因此，国家标准将数字控制定义为：用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。数控系统是数控机床的控制装置，其作用是处理输入到系统中具有特定指令代码的程序，控制机床的运动，实现零件的加工。NWPU3.数控机床的应用数控机床是一种新型的自动化机床，具有广泛的通用性和较高的经济加工精度。适应于单件和中小批量生产的自动化加工。在整个机械加工生产中，中小批量和单件生产的零件品种，占80％以上。一般的自动化机床由于准备工作、调整工作量很大（凸轮，靠模、挡块、电器、液压等），在大批量生产中使用才是经济合理的，而对中小批量、单件生产是不合理的。适应于精密复杂零件的自动化加工。在航空、汽车、造船、兵器等工业中，机械产品日趋精密、复杂，而且改型频繁，一些普通机床加工手段已不能完全适应，对于一些复杂曲线、曲面零件，手工操作不仅劳动强度大、生产周期长，精度不易保证，有时甚至无法加工。1.1数控加工的基本概念NWPU1.1数控加工的基本概念4.数控加工数控加工是指使用数控机床进行零件加工的方法或技术，它采用数字信息对零件加工过程进行定义（即程序），并控制机床自动运行完成零件的加工。NWPU1.1数控加工的基本概念数控加工过程：(1)数控加工程序编制。首先根据零件设计要求制定数控加工工艺过程，选择刀具及切削参数，然后按数控机床规定的编程格式编写零件的数控加工程序。(2)数控加工程序输入。根据数控机床的程序输入要求，通过输入装置将数控加工程序输入到数控机床的数控系统中。(3)零件加工。数控系统对输入的数控加工程序进行必要的处理，生成和发出相应的控制指令，控制机床的各种运动和动作，使刀具与工件严格地按照程序规定的顺序、刀具路径和参数运动，从而加工出符合要求的零件。NWPU1.1数控加工的基本概念数控加工程序，简称为数控程序或零件程序（PartProgram），是用特定格式的一套指令代码编写的控制数控机床执行一个确定的加工任务的一系列指令。数控加工程序编制是指为零件的数控加工编写加工程序的过程。数控加工技术包括数控加工工艺和数控加工程序编制技术两大方面。数控机床为数控加工提供了物质基础，但数控机床是按照事先规定的指令信息——数控加工程序来执行各种运动的。因此，数控加工程序的编制是实现数控加工的重要环节。对于复杂零件的加工，其编程工作显得尤其重要。NWPU数控机床主要由控制介质、数控系统、伺服系统和机械系统等组成。（图1-1，图1-2）一、数控机床的组成1.2数控机床数控系统控制介质伺服系统机械系统测量装置NWPU图1-2数控机床的组成1.2数控机床数控程序输入装置输出装置数控装置PLC主轴控制主轴电机机床本体位置控制伺服电机测量装置存储介质数控系统伺服系统NWPU1.控制介质/信息载体2.数控系统3.伺服系统4.机械系统一、数控机床的组成1.2数控机床NWPU1.控制介质/信息载体用于记录零件的数控程序。输入装置光电阅读机磁带磁带录音机磁盘磁盘驱动器网络传送穿孔纸带图1-31.2数控机床NWPU图1-3穿孔纸带NWPU1.控制介质/信息载体2.数控系统3.伺服系统4.机械系统一、数控机床的组成1.2数控机床NWPU2.数控系统/数控装置/控制机数控系统控制的机床运动和动作主要包括：机床主轴运动，如主轴的启动、停止、转向和速度；机床进给运动，如点位、直线、圆弧进给运动，运动方向和进给速度选择等；刀具选择、换刀和刀具补偿；其它辅助运动，如工作台锁紧和松开、工作台的旋转与分度、冷却液的开和关等各种辅助操作。数控系统是数控机床的控制系统，是数控机床的核心组成部分。它的功能是输入数控加工程序，进行计算和处理后，发出相应的指令，传送给伺服系统，通过伺服系统控制机床的运动和动作。1.2数控机床NWPU1.控制介质/信息载体2.数控系统3.伺服系统4.机械系统一、数控机床的组成1.2数控机床NWPU3.伺服系统(1)伺服系统的组成伺服系统（或称驱动系统）是数控系统与机床执行机构的连接环节，是数控机床执行机构的驱动部件。伺服系统的作用是把来自数控系统的脉冲信号，经功率放大和处理后，转换成机床执行部件的运动，如工作台的直线运动和主轴的旋转运动。根据驱动主轴或进给运动，可以将伺服系统划分为主轴伺服系统和进给伺服系统。NWPU3.伺服系统(1)伺服系统的组成伺服系统由驱动单元和伺服电动机组成。驱动单元包括位置控制单元和速度控制单元。数控系统位置控制单元速度控制单元伺服电动机机床测量反馈单元＋—一般情况下，多将位置控制单元与数控系统做在一起，所以通常所说的驱动单元是指速度控制单元。速度控制单元是一个调速系统，由速度调节器、电流调节器、功率驱动放大环节等组成。NWPU3.伺服系统常用的伺服电动机：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和数字伺服电动机。NWPU3.伺服系统(2)伺服系统的组成—举例总旋转角驱动装置步进电机工作台脉冲信息脉冲总数滚珠丝杠总位移丝杠回转时，滚珠相对于螺母在滚动。滚珠丝杠的优点：摩擦小，运动平稳，传动精度高，预紧后可消除间隙，有可逆性。丝杠和螺母都可作主动件。NWPU(3)伺服系统的作用因为数控系统发出的信号—脉冲信息是不连续的数字量，而机床工作台的位移是一种连续的模拟量，中间需要一个转换环节—伺服系统。作用：接受来自数控系统的指令信息，通过步进电机、直流伺服电机或交流伺服电机及减速齿轮、滚珠丝杠等传动机构驱动机床的移动部件运动。脉冲信息功率放大模拟量（如转角等）传动机构工作台转换NWPU(4)脉冲当量脉冲当量是指当数控系统发送一个脉冲时工作台或刀具移动的距离。如：0.01mm/脉冲，0.001mm/脉冲。总位移量＝脉冲总数×脉冲当量当数控装置输出指令脉冲信号给伺服系统时，伺服系统就使机床上的移动部件作相应的移动，并对定位精度和速度加以控制。伺服系统的性能将直接影响数控机床部件的运动精度和速度，因此是影响数控机床加工精度和加工效率的主要因素之一。NWPU1.控制介质/信息载体2.数控系统3.伺服系统4.机械系统一、数控机床的组成1.1数控机床概述NWPU4.机械系统与普通机床相比，数控机床在外部造型、整体布局、传动系统、刀具部件系统的结构、操作机构等方面具有特色。机械系统组成：机床基础件：包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台等，它是整台机床的的基础和框架。主轴部件：包括主轴伺服电动机和主轴传动系统。进给系统：包括进给伺服电动机和进给传动系统。实现工件回转、定位的装置和附件。实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、防护等装置。刀库和自动换刀装置。自动托盘交换装置。NWPU4.机械系统数控机床的机械系统的主要特点：大多数数控机床采用高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的机械传动机构得到了简化，传动链较短。为了适应数控机床的连续自动化加工，数控机床具有较高的刚度、精度及耐磨性，热变形较小。采用高效、高精度、无间隙传动部件，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨等。一些数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率。NWPU零件图程序编制穿孔制带数控系统伺服系统机床加工零件成品1.2数控机床二、数控机床的工作过程NWPU1.2数控机床数控机床按其加工工艺方式一般可分为金属切削数控机床、金属成型数控机床和特种加工数控机床等。金属切削数控机床中根据其自动化程度的高低，又可分为数控机床、加工中心和柔性制造单元。数控机床可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床、数控冲床、数控剪床等，这类数控机床的工艺特点和相应的通用机床相似，但它们具有复杂形状零件的加工能力。加工中心可分为镗铣类加工中心和车削加工中心，它们是在相应的数控机床的基础上加装刀库和自动换刀装置而构成的。柔性制造单元由加工中心、搬运机器人和（或）自动化小车等自动物料储运系统组成。三、数控机床的分类NWPU1.2数控机床1、按运动方式区分，有三种控制方式：点位控制直线运动控制轮廓控制四、数控机床的控制方式NWPU点位控制：刀具从某一位置向另一位置移动时，只控制机床移动部件的终点位置，而不管移动轨迹如何，并且在移动过程中不进行切削。数控钻床、数控冲床等是典型的点位控制机床。1.2数控机床ABNWPU直线运动控制：除了控制运动的起点与终点的准确位置外，还要求刀具运动轨迹为一条直线，并能控制刀具按照给定的进给速度进行切削加工。数控车床、数控铣床、加工中心等一般都具有直线运动控制功能。1.2数控机床NWPU轮廓控制：又称连续轨迹控制，能够对刀具与工件的相对移动轨迹和速度进行连续控制，并在移动时进行切削加工，可以加工任意斜率的直线、圆弧和曲线。即能够控制刀具在每个位置的坐标、切削方向和进给速度。大多数数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心等都具有轮廓控制功能。1.2数控机床NWPU1.按运动方式区分，有三种控制方式：点位控制直线运动控制轮廓控制2.按伺服系统控制方式区分，有三种控制方式：开环控制方式闭环控制方式半闭环控制方式四、数控机床的控制方式1.2数控机床NWPU进给脉冲变速箱工作台步进电动机指令输入步进电动机驱动器数控系统开环控制是一种不带位置测量反馈装置的控制方式。数控系统处理数控加工程序，并向伺服系统发出位移指令信号，驱动机床运动，进行加工。最典型的开环伺服系统就是采用步进电机的伺服系统1.2数控机床NWPU闭环控制是一种在机床移动部件上直接安装有位置测量反馈装置的控制方式。位置测量装置（光栅、感应同步器等）检测工作台的实际位置并反馈给数控系统；数控系统将实际位置与数控加工程序中规定的位置相比较，以其差值来控制伺服电机驱动工作台向减少误差的方向移动，直到差值等于零为止。这类伺服系统因为把机床工作台纳入位置控制环，故称为闭环控制。主要用于精度要求高的数控机床。位置反馈工作台A伺服电动机速度反馈位置测量装置位置信号伺服驱动器速度控制环节位置比较环节1.2数控机床NWPU半闭环控制用安装在伺服电机或丝杠的角位移测量元件（如旋转变压器、脉冲编码器、光栅等）来代替安装在机床工作台上的直线测量元件，用测量电动机的旋转角位移来代替测量工作台的直线位移。这种系统未将丝杠螺母副、齿轮传动副等传动装置包含在闭环反馈系统中，因而称之为半闭环控制方式。其控制精度介于开环控制系统和闭环控制系统之间。位置反馈工作台A伺服电动机速度反馈角位移测量装置位置信号伺服驱动器速度控制环节位置比较环节1.2数控机床NWPU1.自动化程度高：除了手工装卸工件及对