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1、第一章第一章 数控机床概述数控机床概述 1.1 数控机床的基本工作原理数控机床的基本工作原理1.2 数控机床分类数控机床分类 1.3 数控机床发展概况数控机床发展概况 练习与思考练习与思考 1.1 数控机床的基本工作原理数控机床的基本工作原理 一、一、数控机床的组成数控机床的组成 二二、数控机床加工的基本工作原理数控机床加工的基本工作原理 三、三、数控机床加工特点数控机床加工特点 四、四、数控机床的应用范围数控机床的应用范围 数控机床主要由以下几个部分组成：l机床本体机床本体 l数控系统数控系统（CNC装置）l驱动装置驱动装置 l辅助装置辅助装置 一、数控机床的组成一、数控机床的组成 l机床本
2、体机床本体 是数控机床加工运动的机械部分，主要包括支承部件（床身、立柱等）、主运动部件（主轴箱）、进给运动部件（工作台滑板、刀架）等。l数控系统数控系统（CNC装置）是数控机床的控制核心，一般是一台专用的计算机。l驱动装置驱动装置l是数控机床执行机构的驱动部分，包括主轴电机、进给伺服电机等。l辅助装置辅助装置 l指数控机床的一些配套部件，包括刀库、液压、气动装置、冷却系统、排屑装置、夹具、换刀机械手等。加工程序计算机数字控制装置(CNC）主轴电机机床本体进给电机位置检测速度控制单元主轴控制单元可 编程 控制 器(PLC)机床数控系统基本工作流程机床数控系统基本工作流程1 1数控系统数控系统即位
3、置控制系统位置控制系统的三个基本功能基本功能l1）输入功能输入功能 指零件加工程序和各种参数的输入。l2）插插补补功功能能 在加工零件的实际轮廓或轨迹的已知点之间确定一些中间点的方法。通常在给定直线或圆弧的起点和终点之间进行密化。l3）伺服控制伺服控制 将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后化为伺服电机（步进或直、交流电机）的转动，从而带动机床工作台移动。2数控系统的工作过程数控系统的工作过程l对输入的零件加工程序、控制参数、补偿数据等进行识别和译码，并执行所需要的逻辑运算，发出相应的指令脉冲，控制机床的驱动装置，操作机床实现预期的加工功能。3.主轴控制单元主轴控制单元 l主
4、要控制机床主轴的旋转运动。4.进给控制单元进给控制单元 l进给驱动装置是由交、直流电机、速度检测元件和速度控制元件组成。l速度控制单元主要控制机床各坐标轴的切削进给运动。5.可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器 l是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。PLC处于计算机控制装置与机床之间，对计算机控制装置和机床的输入输出信号进行处理，实现辅助功能M、主轴转速S及刀具功能T的控制和译码。即按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启停、转向、转速、刀具的更换、工件的夹紧松开、液压、冷却、润滑、气动等进行控制。二、数控机床加工的基本工作原理二、数控机床加工的基本工作原理l数控机床加工时，是根据
5、工件图样要求及加工工艺过程，将所用刀具及机床各部件的移动量、速度及动作先后顺序、主轴转速、主轴旋转方向及冷却等要求，以规定的数控代码形式，编制成程序单，并输入到机床专用计算机中。然后，数控系统根据输入的指令，进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床各部分进行规定的位移和有顺序的动作，加工出各种不同形状的工件。三、数控机床加工特点三、数控机床加工特点 1 1.适应性强适应性强 2 2.精度高精度高 3 3.效率高效率高 4 4.减减轻劳动轻劳动强强度、改善度、改善劳动劳动条件条件 1 1.适应性强适应性强l灵活、通用、万能，可加工不同形状的工件。能完成钻、镗、锪、铰、铣削、车削、
6、攻螺纹等加工。2.2.精度高精度高l目前数控装置的脉冲当量（每输出一个脉冲后滑板的移动量称为脉冲当量）一般为0.001mm，高精度的数控系统可达0.0001mm。而切削进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到比较高的加工精度，一般可达0.0050.1mm。对于中、小型数控机床，定位精度普遍可达到0.03mm，重复定位精度为0.01mm。数控机床的自动加工方式不但可避免人工操作误差，工件加工的质量稳定，更重要的是可进行复杂曲面的加工。3.效率高效率高l与普通机床相比可提高生产效率35倍。对于复杂成型面的加工，生产效率可提高十倍，甚至几十倍。4.4.减轻劳动
7、强度、改善劳动条件减轻劳动强度、改善劳动条件l利用数控机床进行加工，只需按图样要求编制加工程序，然后输入并调试程序，安装坯件进行加工，观察监视加工过程并装卸零件。除此之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度可大为减轻，劳动条件也相应得到改善。数控机床是一种高度自动化的机床，有一般机床所不具备的许多优点，所以数控机床的应用范围在不断扩大，但数控机床的技术含量高，成本高，使用维修都有一定难度，若从最经济的方面考虑，数控机床适用于加工：l1多品种小批量零件（合理生产批量为10100件之间）；l2.结构较复杂，精度要求较高或必须用数学方法确定的复杂曲线、曲面等零件。四、数控机床的应用范
8、围四、数控机床的应用范围l3需要频繁改型的零件；l4钻、镗、铰、锪、攻丝及铣削工序联合进行的零件，如箱体、壳体等；l5价格昂贵，不允许报废的零件；l6要求百分之百检验的零件；l7.需要最小生产周期的急需零件。1.2 1.2 数控机床分类数控机床分类 一、一、按控制刀具与工件相对运动轨迹分类按控制刀具与工件相对运动轨迹分类 二、二、按加工方式分类按加工方式分类 三、三、按控制坐标轴数分类按控制坐标轴数分类 四、四、按驱动系统的控制方式分类按驱动系统的控制方式分类 一、按控制刀具与工件相对运动轨迹分类一、按控制刀具与工件相对运动轨迹分类l点点位位控控制制（Point to Point Contro
9、l）或位置控制位置控制（Positioning）数控机床 l轮轮廓廓控控制制Contouring Control数控机床 1点位控制点位控制（Point to Point Control）或位置控制位置控制（Positioning）数控机床 这类机床只能控制工作台或刀具从一个位置精确地移动到另一位置，在移动过程中不进行加工，各个运动轴可以同时移动，也可以依次移动见图1-3（a）。如数控镗、钻、冲，数控点焊机及数控折弯机等均属次类机床。2.轮廓控制轮廓控制（Contouring Control）数控机床 这类机床能够同时对两个或两个以上坐标轴进行连续控制，具有插补功能，工作台或刀具边移动边加工见
10、图1-3（b）（c）。如数控铣、车、磨及加工中心等是典型的轮廓控制数控机床，数控火焰切割机、数控线切割及数控绘图机等也都采用轮廓控制系统。二、按加工方式分类二、按加工方式分类l1.金属切削类：如数控车、钻、镗、铣、磨、加工中心等。l2.金属成型类：如数控折弯机、弯管机、四转头压力机等。l3.特殊加工类：如数控线切割、电火花、激光切割机等。l4.其他类：如数控火焰切割机、三坐标测量机等。三、按控制坐标轴数分类三、按控制坐标轴数分类1.两坐标数控机床：两轴联动，用于加工 各种曲线轮廓的回转体，如数控车床。2.三坐标数控机床：三轴联动，多用于加工曲面零件，如数控铣床、数控磨床。3.多坐标数控机床：四
11、轴或五轴联动，多用于加工形状复杂的零件。图1-4为两种不同类型的四轴联动数控机床。四、按驱动系统的控制方式分类四、按驱动系统的控制方式分类 1.1.开环控制数控机床开环控制数控机床 2.2.闭环控制闭环控制（Closed Loop Control）数控机床 3.3.半闭环控制半闭环控制（Semi-closed Loop Control）数控机床 1 1.开环控制数控机床开环控制数控机床l工作原理如图1-5所示：l指令脉冲 驱动器步进电机 机床工作台l这类机床不带位置检测反馈装置，通常使用功率补进电机或电液脉冲马达作为执行机构，数控装置输出的脉冲通过环形分配器和驱动电路，使步进电机转过相应的步距
12、角。l再经过减速齿轮带动丝杠旋转，最后转换为移动部件的直线位移。其反应快，调试方便，比较稳定，维修简单。但系统对移动部件的误差没有补偿和校正，步进电机的步距误差、齿轮与丝杠等的传动链误差都将反映到被加工零件的精度中去，所以精度比较低。此类数控机床多为经济类机床。2闭环控制闭环控制（Closed Loop Control）数控机床 这类机床带有检测反馈装置，位置检测器安装在机床运动部件上，加工中将监测到的实际运行位置值反馈到数控装置中，与输入的指令位置相比较，用差值对移动部件进行控制，其精度高。l从理论上说，闭环系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，但这并不意味着可以降低机床的结构与传动链的要
13、求，传动系统的刚性不足及间隙、导轨的爬行等各种因素将增加调试的困难，严重时会使闭环控制系统的品质下降甚至引起振荡。故闭环系统的设计和调整都有较大的难度，此类机床主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精车床和加工中心等。工作原理如图1-6。3半闭环控制半闭环控制（Semi-closed Loop Control）数控机床l与闭环控制不同的是，检测元件安装在电机的端头或丝杠的端头（如图1-6所示）。该系统不是直接测量工坐台的位移量，而是通过检测丝杠或电机轴上的转角间接地测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置。显然，半闭环控制系统的实际控制量是丝杠的转动，而由丝杠转动变换为工作台的移动，不受闭环的控制
14、，这一部分的精度由丝杠螺母（齿轮）副的传动精度来保证。其特点是比较稳定，调试方便，精度介于开闭环之间，被广泛采用。指令 位置比较电路 速度控制电路 伺服电机 机床工作台 速度反馈 半闭环 位置反馈 闭环 图1-6 1.3 1.3 数控机床发展概况数控机床发展概况 一、一、工业化国家数控机床的发展概况工业化国家数控机床的发展概况 二、二、我国数控机床的我国数控机床的发发展概况展概况 三、三、数控机床的数控机床的发发展展趋势趋势 进入80年代，数控机床进一步发展。近年来具有代表性的数控系统有以下几个方面：1.1.计算机直接控制系统计算机直接控制系统2.2.自适应控制机床自适应控制机床 3.3.柔性
15、制造系统柔性制造系统 4.4.计算机集成生产系统计算机集成生产系统 1计算机直接控制系统计算机直接控制系统（DNC-Direct Numerical Control）l计算机直接控制系统又称群控。其特点是：使用计算机对生产过程加强管理，使程序的编制、生产的准备与计划安排等工作和机床工作协调一致，以提高各个数控机床的使用效率。2自适应控制机床自适应控制机床（AC-Adaptive Control）l一般数控机床，是按预先编好的程序进行加工的。但在编程时，实际上有许多参数只能参照过去的经验数据来决定，不可能准确地考虑到它们的一切变化，如毛坯的不均匀，刀具与工件材质的变化，刀具的磨损，工件的变形，热
16、传导性的差别等等，这些变化直接或间接地影响着加工质量，使加工不能在最佳状态下进行。l如果控制系统能对实际加工中的各种加工状态的参数及时地测量并反馈给机床进行修正，则可使切削过程随时都处在最佳状态。所谓最佳状态，指的是最高生产率、最低加工成本、最好的加工质量等。由于CNC系统自身带由计算机，只要加上相应的检测元件、控制线路和有关软件就可以制造出这种自适应控制机床。3柔性制造系统柔性制造系统（FMS-Flexible Manufacturing System）l柔性制造系统是在柔性制造单元（FMC-Flexible Manufacturing Cell）基础上研制和发展起来的。柔性制造单元是一种在
17、人的参与减到最小时，能连续地对同一组零件内不同的工件进行自动化加工（包括工件在单元内部的运输和交换）的最小单元。它即可以作为独立使用的加工设备，又可以作为更大更复杂的柔性制造系统或柔性自动线的基本组成模块。l柔性制造系统是由加工系统（由一组数控机床和其他自动化工艺设备如清洗机、成品试验机、喷漆机等组成）、智能机器人、全自动输送系统及自动化仓库组成见（图1-7）。这种系统可按任意顺序加工一组不同工序与不同加工节拍的工件，工艺流程可随工件不同而调整，全部生产过程有一台中央计算机进行生产程序的调度，若干台计算机进行工位控制。其中各个制造单元相对独立，能适时地平衡资源的利用。4计算机集成生产系统计算机
18、集成生产系统（CIMS-Computer _integrated Manufacturing System）l为实现整个生产过程自动化，人们正着手研制包括计划设计、工艺、加工、装配、检验、销售等全过程都由计算机控制的集成生产系统。它具有计算机控制的自动化信息流和物质流，对产品的构思和设计直到最终装配、检验这一全过程进行控制，以实现工厂自动化这一伟大的目标。l我国数控机床的研制始于1958年，由清华大学研制出了最早的样机。1966年诞生了第一台用于直线圆弧插补的晶体管数控系统。1970年北京第一机床厂的XK5040型数控升降台铣床作为商品，小批量生产并推向市场。但由于相关工业基础差，尤其是数控系
19、统的支撑工业电子工业薄弱，致使在19701976年间开发出的加工中心、数控镗床、数控磨床及数控钻床因系统不过关，多数机床没有在生产中发挥作用。二、我国数控机床的发展概况二、我国数控机床的发展概况l80年代前期，在引入了日本FANUC数控技术后，我国的数控机床才真正进入小批量生产的商品化时代。l目前我国已经有自主版权的数控系统，但绝大多数全功能数控机床还是采用国外的CNC系统。从机床的整体来看，无论是可靠性、精度、生产效率和自动化程度，与国外相比，还存在着不小的差距。三、数控机床的发展趋势三、数控机床的发展趋势l未来数控机床的发展趋势主要表现在以下三个方面：1.数控技术水平 2.数控系统方面 3
20、.驱动系统方面 1数控技术水平l高精度高精度 定位精度微米级、纳米级；l高高速速度度 主轴转速10000 r/min、快速进给100 m/min、换刀时间23 s；l高柔性高柔性 多主轴、多工位、多刀库；l多功能多功能 立卧并用、复合加工；l高高自自动动化化 自动上下料、自动监控、自动测量、自动通讯。l对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求其具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。2数控系统方面l目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，如日本的FANUC，德国的SIEMENS和美国的AB公司产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16
21、位、32位甚至64位微处理器、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到了数十兆字节以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100 m/min以上，一般控制轴数在315轴，最多可达24轴，并采用先进的电装工艺。3驱动系统方面l交流驱动系统发展迅速，交流传动系统以由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。练习与思考练习与思考 1.数控机床有哪几部分组成？2.试述机床数控系统的组成。3.机床数控系统有哪些功能？4.试述数控机床加工的基本工作原理。5数控机床有哪些类型？6数控机床加工有哪些特点？7何谓点位控制及轮廓控制，所用的数控机床有何不同？8何谓开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统，它们各有何特点？9何谓自适应数控机床？10何谓柔性制造系统？11未来数控机床的发展趋势是什么？