机械制造装备设计第1章-数控机床概述

大连理工大学出版社1大连理工大学出版社2第1章数控机床概述大连理工大学出版社31.1项目的引出1.2数控机床的组成和特点1.3数控机床的分类1.4数控机床的主要性能指标1.5数控机床的发展趋势★数控加工制造技术鉴赏大连理工大学出版社41.1项目的引出本节提示数控机床是装备了数控系统的机床。数控机床适于加工形状复杂、精度要求高或是在普通机床难以加工的各类零件。当今数控机床已经广泛应用于宇航、汽车、船舶、机床、轻工、纺织、电子、通用机械、工程机械等几乎所有的制造行业。大连理工大学出版社51.1项目的引出图示的回转体零件辊轮、模具和蜗轮减速器箱体零件在普通机床上很难完成加工，适合采用数控机床和加工中心加进行加工。图1-1辊轮图1-2模具图1-3蜗轮减速器箱体大连理工大学出版社61.2数控机床的组成和特点本节提示数控机床主要由程序载体、人机交互装置、数控装置、伺服系统和机床本体五部分组成。数控机床具有适应范围广、生产准备周期短、工序高度集中、生产效率和加工精度高、能完成复杂型面的加工及有利于生产管理的现代化等优点。与普通机床相比，数控机床价格昂贵，养护与维修费用较高，要合理使用、妥善保管。大连理工大学出版社71.2数控机床的组成和特点1.2.1数控机床的组成数控机床是典型的机电一体化产品，主要由程序载体、人机交互装置、数控装置、伺服系统和机床本体五部分组成图1-4数控机床的组成框图大连理工大学出版社81.2数控机床的组成和特点1.2.2数控机床的特点1.适应范围广2.生产准备周期短3.工序高度集中4.生产效率和加工精度高5.能完成复杂型面的加工6.有利于生产管理的现代化大连理工大学出版社91.3数控机床的分类本节提示数控机床最基本的分类方法是按工艺用途分类。1.切削类:其中一类是普通型数控机床，如数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控齿轮加工机床等;另一类是数控加工中心。2.成型类:数控液压机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。3.电加工类:数控电火花成型机床、数控电火花线切割机床、数控火焰切割机、数控激光加工机等。4.快速成型机等。大连理工大学出版社101.3数控机床的分类1.3.1按工艺用途分类1.切削类（1）普通型数控车床①典型的数控车床在数控车床上除了能够完成普通车床上的工艺内容外，还能完成各种复杂的内外回转表面的加工。例如，加工如图1-6所示的手把零件。图1-5数控车床图1-6手把零件大连理工大学出版社111.3数控机床的分类（1）普通型数控车床②典型的数控铣床普通铣床所能完成的工艺内容，数控铣床都能完成。此外，数控系统通过伺服进给机构可以同时控制两个或三个坐标轴的运动，即二轴联动或三轴联动。图1-7数控铣床大连理工大学出版社121.3数控机床的分类（1）普通型数控车床②典型的数控铣床数控铣床可以加工如图所示的具有曲线轮廓的平面凸轮、复杂的三维曲面凸模和连接板等零件。图1-8平面凸轮图1-10连接板零件图1-9三维曲面凸模大连理工大学出版社131.3数控机床的分类（1）普通型数控车床③钻削中心图示的带有转塔主轴头的钻削中心，转塔上安装有多个主轴头。钻削中心主要完成钻孔、扩孔、铰孔、锪孔和攻螺纹等工艺内容，还可以完成简单的铣削功能。图1-11钻削中心大连理工大学出版社141.3数控机床的分类（1）普通型数控车床④数控平面磨床主要用于高硬度、高精度零件的平面加工.随着砂轮半径补偿技术、砂轮自动修整技术和磨削固定循环技术的发展，数控磨床的加工功能会越来越强。大连理工大学出版社151.3数控机床的分类（1）普通型数控车床⑤数控齿轮加工机床主要有数控滚齿机、数控插齿机、数控弧齿锥齿轮铣齿机。图示的数控插齿机，主要用于加工直齿圆柱齿轮及各种形状的直齿非圆齿轮。图1-13数控插齿机大连理工大学出版社161.3数控机床的分类（2）加工中心在普通数控机床上加装刀库和自动换刀装置，构成一种带自动换刀系统的数控机床，称为加工中心。图1-14立式加工中心图1-15卧式加工中心刀库刀库自动换刀装置大连理工大学出版社171.3数控机床的分类（2）加工中心以镗铣加工中心为例，它将数控铣床、数控钻床和数控镗床的功能组合在一起，工件在一次装夹后，可以对零件的大部分加工表面进行铣削、镗削、钻孔、扩孔、铰孔和攻螺纹等多种加工。图示的零件很适合在卧式加工中心上加工图1-16发动机机体大连理工大学出版社181.3数控机床的分类1.3.1按工艺用途分类2.成型类数控冲模回转头压力机适合在板材上打中心孔；冲圆孔、多边孔和曲线孔；进行起伏成形加工（如：冲百叶窗、压筋、浅拉深、翻边成形等）。还可以进行压标和半切断加工。图1-17数控冲模回转头压力机大连理工大学出版社191.3数控机床的分类1.3.1按工艺用途分类2.成型类数控折弯机适合在板材上图1-19数控折弯机工作部位简图图1-18数控折弯机大连理工大学出版社201.3数控机床的分类1.3.1按工艺用途分类3.电加工类电加工类数控机床指具有通过物理方法改变工件形状功能的数控机床，它是采用电加工技术对零件加工，电加工数控机床常见的有数控电火花成型机床、数控电火花线切割机床、数控火焰切割机、数控激光加工机等。大连理工大学出版社211.3数控机床的分类1.3.1按工艺用途分类3.电加工类左下图是数控电火花成形机床外观图，图1-20是外形结构图。图1-20数控电火花成型机床大连理工大学出版社221.3数控机床的分类3.电加工类左图是高速走丝数控电火花线切割机床，右图是低速走丝数控电火花线切割机床。大连理工大学出版社231.3数控机床的分类3.电加工类图1-21是高速走丝数控电火花线切割的外形结构图。图1-21高速走丝数控电火花线切割大连理工大学出版社241.3数控机床的分类1.3.1按工艺用途分类4.快速成型机快速成型是一项新的制造技术，它开辟了不使用刀具、模具等传统工具即可制作各类零件的新途径。快速成型技术应用领域广泛，典型的方面如下：1）产品设计评估与功能检测2）快速模具制造3）医学领域的仿生制造4）艺术品的制造图1-22熔融挤压快速成型机大连理工大学出版社251.3数控机床的分类4.快速成型机利用熔融成形工艺制造速度快且经济；尺寸精度较高、表面质量较好；材料利用率高。下图1-23所示为采用熔融挤压快速成型机加工成形的零件。图1-23熔融挤压快速成型机加工成型件大连理工大学出版社261.3数控机床的分类4.快速成型机图1-24所示为国外生产的激光烧结成型机，利用烧结成形工艺制造速度快；成形后的零件需要抛光处理。右图所示为利用直接金属激光烧结成形工艺制造的零件。图1-24激光烧结成型机图1-24直接金属激光烧结成型的零件大连理工大学出版社271.3数控机床的分类1.3.2按控制方式或运动方式分类1.按运动方式分类（1）点位控制数控机床数控钻床，数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机及数控弯管机等均采用点位控制方式。使用数控钻床或数控坐标镗床加工零件不仅可以节省钻模板、镗模等工装的费用，而且能达到较高的孔距精度。图1-26大连理工大学出版社281.3数控机床的分类1.按运动方式分类（2）直线控制数控机床典型的直线控制数控机床有早年的数控车床、数控铣床和数控镗床。a图所示为数控车床加工阶梯轴的示意图；b图所示为数控铣床加工示意图。大连理工大学出版社291.3数控机床的分类1.3.2按控制方式或运动方式分类1.按运动方式分类（1）轮廓控制数控机床轮廓控制又称为连续轨迹控制。数控车床、数控铣床、加工中心、数控磨床、数控齿轮加工机床和各类数控切割机床均采用轮廓控制方式，图示为轮廓控制数控机床的加工示意图。图1-28大连理工大学出版社301.3数控机床的分类1.3.2按控制方式或运动方式分类2.按伺服驱动的控制方式分类数控机床按照对伺服驱动被控量有无检测反馈装置可分为开环控制和闭环控制，而在闭环系统中，根据测量装置安装的部位不同又分为全闭环控制和半闭环控制两种。（1）开环控制数控机床：系统没有检测反馈装置（2）闭环控制数控机床：在机床移动部件直接安装直线位移检测装置（3）半闭环控制数控机床：将角位移检测元件安装在伺服电动机轴或滚珠丝杠的端部大连理工大学出版社311.4数控机床的主要性能指标本节提示1.数控机床的精度主要是指加工精度、定位精度和重复定位精度。2.数控机床完成的运动越多，控制轴数就越多；机床联动轴数越多，控制系统就越复杂，加工能力就越强。大连理工大学出版社321.4数控机床的主要性能指标1.4.1数控机床的精度1.定位精度和重复定位精度表1-1为GB/T16462—1996《数控卧式车床精度检验》中规定的数控车床位置精度指标。2.分度精度表1-2为部分立式加工中心和卧式加工中心的精度指标。3.分辨率与脉冲当量一般情况下，脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。4.加工精度大连理工大学出版社331.4数控机床的主要性能指标1.4.2数控机床的可控轴数与联动轴数数控机床的可控轴数（或称坐标数）是指机床数控装置能够控制的坐标数目。图示为五轴控制数控机床，其中有三个移动坐标轴和两个转动坐标轴。数控机床完成的运动越多，控制轴数就越多，对应的功能就越强，同时机床结构的复杂程度与技术含量也就越高。图1-29五轴控制数控机床大连理工大学出版社341.4数控机床的主要性能指标1.4.2数控机床的可控轴数与联动轴数机床数控装置控制各坐标轴协调动作的坐标轴数目称为联动轴数。联动轴数越多，控制系统就越复杂，加工能力就越强。左图所示为两轴联动加工；右图所示为两轴半联动加工图1-31两轴半联动加工三维空间曲面图1-30两轴联动加工曲面大连理工大学出版社351.4数控机床的主要性能指标1.4.2数控机床的可控轴数与联动轴数三轴联动数控机床可以用球头铣刀加工左图所示的三维空间曲面；四轴联动、五轴联动数控机床可以加工宇航叶轮、螺旋桨等零件。右图所示为五轴联动加工中心加工叶轮的实例。大连理工大学出版社361.5数控机床的发展趋势本节提示数控机床的主要发展趋势:1.高速度与高精度化。2.高柔性化。3.复合化:主要包含工序复合化和功能复合化。4.多功能化。5.智能化。6.造型宜人化。大连理工大学出版社371.5数控机床的发展趋势数控机床的发展主要呈现出如下趋势:1.高速度与高精度化2.高柔性化3.复合化复合化包含工序复合化和功能复合化。图a所示为五轴铣车复合加工中心铣头摆动工作的状态；图b所示为该机床车削回转体零件的实例。铣削与激光复合可用于精细型面模具的三维加工；冲压与激光切割复合可用于板材加工。图（a）图（b）大连理工大学出版社381.5数控机床的发展趋势数控机床的发展主要呈现出如下趋势:4.多功能化5.智能化常用的智能加工系统的基本结构模式如图所示，由智能监测模块、决策规划模块和实时控制模块三个基本模块组成。6.造型宜人化图1-32智能加工系统的基本结构图机床智能监测模块决策规划模块实时控制模块NC控制器知识库数据库大连理工大学出版社39★数控加工制造技术鉴赏德国奥格斯堡飞机制造厂叶片等零件的五轴联动加工直接驱动的万向铣头三杆并联机构主轴头五杆并联机构五面高速加工六杆并联机构铣削工作台激光切割加工及激光烧结模具激光焊接加工大连理工大学出版社40德国奥格斯堡飞机制造厂大连理工大学出版社41叶片等零件的五轴联动加工大连理工大学出版社42直接驱动的万向铣头大连理工大学出版社43三杆并联机构主轴头大连理工大学出版社44五杆并联机构五面高速加工大连理工大学出版社45六杆并联机构铣削工作台大连理工大学出版社46激光切割加工及激光烧结模具大连理工大学出版社47激光焊接加工