第一章数控机床概述

数控技术提醒:教材：廖效果等《数控技术》实验：张葵老师实验楼一层数控实验室考试：试卷+实验+作业（听课）比例：70％：15％：15％时间：12周左右第一章数控机床概述课程的特点、主要内容及学习方法数控机床的发展历史及其特点数控机床的组成及控制原理数控机床的分类数控技术和数控机床的现状与未来课程要求§1.1课程特点、内容及学习方法特点：理论与实践相结合主要内容：以数控技术为核心，包括：数控编程技术、数控装置及其原理、伺服系统及检测以及相关的内容（传动、换刀）学习方法：理论与实践相结合、分组学习和研究性学习§1.2发展历史及其特点数控机床的产生1.生产力的发展和加工制造业的需求2.1952年，MIT和PARSONS公司研制第一台数控机床3.发展：金属成型类数控机床、自动换刀数控机床、直接数字控制系统、柔性制造系统和计算机集成制造系统§1.2发展历史及其特点§1.2发展历史及其特点最适合的应用范围：单件，小批生产所加工零件具有的特点：1.用普通机床难以加工的形状复杂的曲线、曲面零件2.结构复杂、要求多部位、多工序加工的零件3.价格昂贵不允许报废的零件4.要求精密复制或准备多次改变设计的零件§1.2发展历史及其特点意义1.自从20世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化2.现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上§1.2发展历史及其特点1.数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段2.是国家的战略技术：东芝事件、考克斯报告3.基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业4.专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争§1.2发展历史及其特点数控机床的特点1.适应不同零件（复杂零件）的自动加工2.生产效率高、精度好且加工质量稳定3.工序集中，一机多用4.技术含量高§1.3组成及控制原理与传统机床的根本不同点控制原理：采用数字化信息来实现自动控制。信息内容及其表示、信息输入与存储、信息处理。§1.3组成及控制原理数控机床的组成机床I/O电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数控装置操作面板PLC计算机数控系统机床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备§1.3组成及控制原理操作面板1.它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具2.组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器3.它是数控机床特有部件4.它是一种输入输出设备BACKSPACECTRLINSCRTABALT0SHIFTZENDWHOMETPgDnOPgUpJRSTE65“432？198:7YXVU[]SRPQNMKLIHFGDCABESC14''彩色显示器空运行Z轴锁定MST锁定任选程序段机床锁定快进+JOG-JOG主轴正转主轴停主轴反转急停超程解除循环驱动进给保持冷却液开关刀松/刀紧主轴修调16010进给修调16050403020100电源关开1自动方式选择回零手摇点动步进单段驱动器NC机床电源XYZA主轴超程报警手摇脉冲发生器2010090增量倍率1000101001坐标轴选择ZYX§1.3组成及控制原理控制介质与输入输出设备1.控制介质是记录零件加工程序的媒介2.输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上§1.3组成及控制原理表1控制介质和输入输出设备控制介质输入设备输入设备穿孔纸带纸带阅读机纸带穿孔机磁带磁带机或录音机磁盘磁盘驱动器§1.3组成及控制原理通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：1.串行通讯（RS-232等串口）、2.自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）3.网络技术（internet，LAN等）§1.3组成及控制原理CNC装置(CNC单元)1.组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。2.作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心§1.3组成及控制原理PLC、机床I/O电路和装置1.PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成2.机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路3.功能：A)接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作B)接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作§1.3组成及控制原理机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）§1.3组成及控制原理测量装置：检测位置和速度，发送反馈信号1.旋转变压器2.感应同步器3.码盘（脉冲编码器）4.磁尺（磁栅）5.光栅尺作业题目：数控机床的起源与现状要求：1.自由论述，但是必须有自己的观点2.字数不限3.鼓励使用邮件发送电子档上次课程回顾1.数控机床产生的背景2.数控机床的特点3.数控加工的原理4.数控机床的组成5.简单介绍几个名词(MC/DNC/FMS/AC/CIMS/CAD/CAM/CAT)§1.4数控机床的分类按工艺用途分类1.切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等2.成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等3.特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等4.其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等§1.4数控机床的分类按控制功能分类A）点位控制数控系统，特点：1）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2）对轨迹不作控制要求（解释）3）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§1.4数控机床的分类B）直线控制数控机床，特点：1）刀具或者工作台的运动可控2）刀具或工作台的运动或者加工沿平行于坐标轴的方向（介绍坐标轴）3）进给速度可变适用范围：数控车、数控铣等§1.4数控机床的分类C）轮廓控制数控系统，特点：1）控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)2）使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动3）在运动过程中进行连续切削加工适用范围：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解释：坐标联动，插补运算、刀具补偿§1.4数控机床的分类按联动轴数分1.2轴联动（平面曲线）2.2.5轴联动3.3轴联动（空间曲面，球头刀）4.4轴联动（空间曲面）5.5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说明：应用范围gogogogoN行切法加工（两轴半）B三轴联动SSXYSSZXYXZB四轴联动1O2OZB五轴联动后倾角）(j1m4m2m3mZ螺旋角）(iOjjRAXBYB§1.4数控机床的分类按所用进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服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§1.4数控机床的分类开环数控系统：没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统）原理介绍：电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大§1.4数控机床的分类特点：1.无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度2.一般以功率步进电机作为伺服驱动元件3.结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉4.在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。5.一般用于经济型数控机床§1.4数控机床的分类半闭环数控系统：位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈§1.4数控机床的分类特点：1.半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能2.由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度3.半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用§1.4数控机床的分类全闭环数控系统：系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈§1.4数控机床的分类特点：1.从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度2.由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难3.该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等§1.4数控机床的分类按所用数控装置类型分类：1.硬线数控机床：输入处理、插补运算和控制等功能有专用的组合逻辑电路来实现，其通用性和灵活性差，制造周期长、成本高。已经基本不用2.软线数控机床：硬件采用计算机加上集成电路构成，主要功能基本上有系统软件来实现，目前基本上都是这样的系统。§1.5现状与未来概述：数控装置：计算机数控装置，32位甚至64位，多CPU，大规模集成电路；配备多种遥控和智能接口；具有很好的操作性能；高可靠性；开放体系进给伺服系统：永磁同步交流伺服电机；数字化控制；高速、高分辨率位置检测装置；强大的误差补偿功能程序编制：多种编程方式；在线编程；包含工艺信息工况检测、监控和故障诊断：实时检测、监控，专家系统PLC：高速§1.5现状与未来直接数字控制系统（群控）定义：使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或者装配的系统。分类：1.间接控制型：各机床的数控装置仍然承担原来的数控功能，中央计算机与接口仅仅起到了原有数控机床的纸带阅读机的作用2.直接控制型：插补运算全部或部分由中央计算机集中完成§1.5现状与未来柔性制造单元和柔性制造系统1.柔性制造单元：加工中心＋自动交换工件装置，数控系统具有自动检测与工况自动监控等功能2.柔性制造系统：加工＋物流＋信息流§1.5现状与未来计算机集成制造系统自动化子系统：了解名词CIMS的形成：在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更重要的是以信息为特征的技术集成和功能集成§1.6课程要求认真听讲按时完成作业课后要复习，做好试验预习讲求团队精神杜绝作弊§1.6课程要求核心内容：数控编程插补原理刀具补偿原理伺服系统构成及工作原理机床的机械传动结构换刀方法与装置作业你认为本章的重点内容是什么？请简单说明你判断的标准和你掌握的程度。学习本章之后，那些部分你认为最难理解和掌握？书上p26给出的复习思考题1~6题，哪题你不会？第二章数控加工程序的