第一章 数控机床概述

第一章数控机床概述第一节数控机床的产生与发展第二节数控机床的组成与工作原理第三节数控机床的分类及应用*第四节数控系统的插补原理第一节数控机床的产生与发展数控加工与传统加工的比较第一节数控机床的产生与发展一、数控机床的产生及基本概念1．数控机床的产生满足多品种、小批量的自动化生产，从而出现的一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。2．基本概念数字控制（NC）——借助数字、字符或其他符号对某一工作过程进行可编程控制的自动化方法。数控技术——用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。数控系统——采用数字控制技术的控制系统。计算机数控系统（CNC）——以计算机为核心的数控系统。数控机床——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。第一节数控机床的产生与发展二、数控机床的发展及趋势1．数控系统开放化的趋势2．数控系统小型化的趋势3．数控系统优化人机交互方式的趋势4．数控系统产品配套性的提高5．数控系统的智能化趋势第一节数控机床的产生与发展一、数控机床的产生及基本概念1．数控机床的产生数字控制机床是为了满足多品种、小批量零件的生产而发展起来的。2．基本概念数字控制、数控技术、数控系统、计算机数控系统、数控机床二、数控机床的发展及趋势开放化、小型化、人机交互方式、产品的配套性、智能化第一节数控机床的产生与发展第二节数控机床的组成与工作原理一、数控机床的组成第二节数控机床的组成与工作原理a）磁盘b）磁盘驱动器c）串行通信卡d）网卡e）移动硬盘f）U盘1．输入/输出装置常用控制介质及输入输出装置第二节数控机床的组成与工作原理常用控制介质及输入输出装置CF卡第二节数控机床的组成与工作原理2．操作装置（1）显示装置（2）NC键盘（3）机床控制面板MCP（4）手持单元MPG手持单元结构第二节数控机床的组成与工作原理FANUC系统操作装置机床控制面板MCPNC键盘功能软键机床控制面板各功能键的含义与用途数控系统MDI各功能键的含义与用途第二节数控机床的组成与工作原理3．计算机数控装置（CNC装置或CNC单元）计算机数控（CNC）装置是计算机数控系统的核心。主要作用：根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理然后输出控制命令到相应的执行部件，控制其动作，加工出需要的零件。伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动和执行两大部分组成。4．伺服机构伺服电动机驱动装置第二节数控机床的组成与工作原理5．检测装置第二节数控机床的组成与工作原理实际位置速度参数测量元件电信号转换反馈CNC装置指令纠正误差工作原理CNC机床开环（无检测装置）闭环（有检测装置）开环数控机床的控制精度取决于步进电动机和丝杠的精度，闭环数控机床的精度取决于检测装置的精度。第二节数控机床的组成与工作原理开环和闭环第二节数控机床的组成与工作原理a）光栅b）光电编码器检测装置部件第二节数控机床的组成与工作原理6．可编程控制器可编程控制器（ProgrammableLogicController，缩写PLC）是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置。可编程控制器（PLC）用于数控机床的PLC一般分为两类：内装型（集成型）PLC和通用型（独立型）PLC。机床是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。机床本体主运动部件进给运动部件支撑件特殊装置辅助装置第二节数控机床的组成与工作原理7．机床本体第二节数控机床的组成与工作原理8．数控机床组成举例（1）数控车床的组成第二节数控机床的组成与工作原理带有刀库、动力刀具、C轴控制的数控车床通常称为车削中心。车削中心第二节数控机床的组成与工作原理（2）数控铣床/加工中心的组成加工中心最先是在镗铣类机床上发展起来的，所以称为镗铣类加工中心，简称加工中心。基础部件主轴组件计算机数控装置自动换刀装置辅助系统自动托盘更换系统第二节数控机床的组成与工作原理二、数控机床的工作原理数控机床的工作原理第二节数控机床的组成与工作原理CNC系统对零件程序的处理流程三、数控机床的特点第二节数控机床的组成与工作原理1．适应性强2．适合加工复杂形面的零件3．加工精度高、加工质量稳定4．自动化程度高5．加工生产率高6．一机多用7．有利于生产管理的现代化8．价格较贵9．调试和维修较复杂第二节数控机床的组成与工作原理一、数控机床的组成1．输入/输出装置2．操作装置3．计算机数控装置4．伺服机构5．检测装置6．可编程控制器7．机床本体8．数控机床的举例（数控车床、数控铣床/加工中心）二、数控机床的工作原理三、数控机床的特点第三节数控机床的分类及应用一、按工艺用途分类1．一般数控机床最普通的数控机床有钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床。立式数控车床卧式数控车床立式数控铣床卧式数控铣床第三节数控机床的分类及应用2．数控加工中心加工中心是在一般数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置，构成一种带自动换刀装置的数控机床。a）立式加工中心b）卧式加工中心第三节数控机床的分类及应用数控加工中心分类二、按加工路线分类1．点位控制机床刀具与工件相对移动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的路径和方向。控制运动的方式第三节数控机床的分类及应用2．直线控制机床刀具与工件相对移动时，除控制从起点刀终点的准确定位外，还要保证平行于坐标轴的直线切削运动。第三节数控机床的分类及应用3．轮廓控制机床刀具与工件相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。第三节数控机床的分类及应用第三节数控机床的分类及应用三、按可控制联动的坐标轴分类数控机床可控制联动的坐标轴数是指数控装置控制几个伺服电动机同时驱动机床移动部件运动的坐标轴数目。1．两坐标联动数控机床能同时控制两个坐标轴联动，即数控装置同时控制X和Z方向运动，可用于加工各种曲线轮廓的回转体类零件。第三节数控机床的分类及应用2．三坐标联动数控机床能同时控制三个坐标轴联动，此时，铣床称为三坐标数控铣床，可用于加工曲面零件。第三节数控机床的分类及应用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，但控制装置只能同时控制两个坐标联动，而第三个坐标只能作等距周期移动。第三节数控机床的分类及应用4．多坐标联动能同时控制四个以上坐标轴联动的数控机床，多坐标数控机床的结构复杂、精度要求高、程序编制复杂，主要应用于加工形状复杂的零件。第三节数控机床的分类及应用四、按控制方式分类1．开环控制数控机床开环控制数控机床系统中没有检测反馈装置，不检测运动的实际位置，没有位置反馈信号。指令信息在控制系统中单方向传送，不反馈。第三节数控机床的分类及应用2．全闭环控制数控机床安装在工作台上的检测元件将工作台实际位移量反馈到计算机中，与所要求的位置指令进行比较，用比较的差值进行控制，直到差值消除为止。第三节数控机床的分类及应用3．半闭环控制数控机床半闭环控制系统采用转角位移检测元件，测出伺服电动机或丝杠的转角，推算出工作台的实际位移量，反馈到计算机中进行位置比较，用比较的差值进行控制。第三节数控机床的分类及应用五、其他分类方式1．按加工方式（1）金属切削类数控机床第三节数控机床的分类及应用数控车床加工中心数控钻床数控磨床数控镗床（2）金属成形类数控机床数控折弯机数控全自动弯管机数控旋压机第三节数控机床的分类及应用第三节数控机床的分类及应用（3）数控特种加工机床数控电火花线切割机床数控电火花成型加工机床数控激光切割机（4）其他类型的数控机床数控火焰切割机数控三坐标测量机第三节数控机床的分类及应用2．按照功能水平分类按照功能水平划分，数控机床可以分为：高档中档低档第三节数控机床的分类及应用六、数控机床的应用范围1．适于加工的零件（1）多品种、小批量生产的零件。（2）结构比较复杂的零件。（3）需要频繁改型的零件。（4）价值昂贵，不允许报废的关键零件。（5）需要最小生产周期的急需零件。（6）周期性投产的零件。（7）新产品试制中的零件。第三节数控机床的分类及应用第三节数控机床的分类及应用2．典型数控机床的加工应用（1）数控车床1）几何精度要求高、尺寸精度要求高的回转体零件。2）表面质量要求高的回转体零件。3）表面形状复杂的回转体零件。4）带特殊螺纹的回转体零件。轴承内圈任意直线和曲线组成的形状复杂的回转体零件带特殊螺纹的回转体零件（2）数控铣床1）平面轮廓类零件第三节数控机床的分类及应用2）变斜角类零件第三节数控机床的分类及应用3）空间曲面轮廓零件第三节数控机床的分类及应用（3）加工中心1）箱体零件第三节数控机床的分类及应用2）盘、套、板类零件第三节数控机床的分类及应用3）整体叶轮类零件第三节数控机床的分类及应用4）模具类零件第三节数控机床的分类及应用5）异形零件拨叉第三节数控机床的分类及应用第三节数控机床的分类及应用一、按工艺用途分类一般数控机床和数控加工中心。二、按加工路线分类点位控制、直线控制和轮廓控制。三、按可控制联动的坐标轴分类两坐标联动、三坐标联动两轴半坐标联动、多坐标联动。四、按控制方式分类开环、闭环和半闭环。五、其他分类方式六、数控机床的应用范围插补的概念数控系统在处理轨迹控制信息时，用户编程时给出了轨迹的起点和终点以及轨迹的类型，并规定其走向，然后由数控系统在控制过程中计算出运动轨迹的各个中间点，这个过程称之为插补。*第四节数控系统的插补原理一、对插补计算的要求（1）对插补所需要的数据最少。（2）插补理论误差要满足精度要求。（3）沿插补路线或称插补矢量的合成进给速度要满足轮廓表面粗糙度一致性的工艺要求，即进给速度变化要在许可范围内。（4）控制联动坐标轴数的能力强，即易实现多坐标轴的联动控制。（5）插补算法简单可靠。*第四节数控系统的插补原理二、插补算法的种类1．硬件插补由专门的硬件接成的数字电路装置。2．软件插补软件插补法可分成基准脉冲插补法和数据采样插补法(Sampled-data)(也称数字增量插补法)两类。3．软硬件插补数控系统将软件插补法与硬件插补法结合起来，软件插补完成粗插补，硬件完成精插补。*第四节数控系统的插补原理三、逐点比较法直线插补1．逐点比较法直线插补计算原理*第四节数控系统的插补原理以第一象限平面直线为例来推导偏差计算公式。（1）偏差计算公式假定加工如图所示的直线OA。取直线起点为坐标原点，已知直线终点坐标为A(xe，ye)，即直线OA为给定轨迹。m(xm，ym)点为加工点(动点)。若m点在直线OA上，则根据几何关系可得偏差计算公式的推导0ememyxxy即eemmyxyx若Fm=0，表示动点在直线OA上，如m。若Fm0，表示动点在OA直线上方，如m′。若Fm0，表示动点在OA直线下方，如m〞。*第四节数控系统的插补原理m可定义直线插补的偏差判别式如下：ememmyxxyF新点的偏差为：即当Fm≥0时沿+X方向进给一步，当Fm0时沿+Y方向进给一步。沿+X方向进给一步后，新点的坐标值(Xm+1，Ym+1)为：1m1mxxm1myye1me1m1myxxyFemem)1(yxxyeememyyxxyemyF*第四节数控系统的插补原理*第四节数控系统的插补原理若Fm0，表明m点在直线OA的下方，沿+Y方向进给一步，走步后新点的坐标值（xm+1，ym+1）为：新点的偏差为：m1mxx1m1myye1me1m1myxxyFemem)1(yxxyeememxyxxyemxF（2）终点的判别方法*第四节数控系统的插补原理1）设置∑x、∑y两个减法计数器，在∑x、∑y计数器中分别存入终点坐标值xe、ye，当沿X或Y坐标方向每进给一步时，就在相应的计数器中减去1，直到两个计数器中的数都减为零时，停止插补，到达终点。终点的判别方法有三种：2）设置一个终点计数器，计数器中存入X和Y两坐标方向进给步数的总和∑，∑=xe+ye，无论沿X或Y坐标方向进给时均在∑中减1，当减到零时，停止插补，到达终点。3）因为终点坐标值大的坐标轴一般后结束插补，所以选终点坐标值较大的坐标轴做为计数坐标值，放入终点计数器