数控机床的产生和发展

第一章 概论一、数控机床的产生和发展 （一）产生：随着科学技术的发展，机械产品结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应得提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。数字控制机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。1第一台数控机床是1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制的三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，可用于加工复杂曲面零件。数控机床的发展先后经历了电子管（1952年）、晶体管（1959年）、小规摸集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型机算机（1974年）等五代数控系统。2（二）数控机床的发展趋势1 高速化：采用高速的32位以上的微处理器，可提高数控系统的分辨率及实现连续小程序段的高速、高精加工。日本产的FANUC15系统开发出64位CPU系统，能达到最小移动单位0.1um时，最大进给速度为100m/min。2 多功能化33 智能化：引进了自适应控制技术.自适应控制（Adaptive Control，简称AC）技术是能调节在加工过程中所测得的工作状态特性，且能使切削过程达到并维持最佳状态的技术。4 高精度化：通过减少数控系统误差和采用补偿技术可提高数控机床的加工精度。5 高可靠性：通过提高数控系统的硬件质量，采用模块化、标准化和通用化来提高其可靠性。4二、数控技术的基本概念1 数字控制（Numerical Control)，简称NC，它是采用数字化信息实现加工自动化的控制技术，用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床称作数控机床。2 NC机床：早期的数控机床的NC装置是由各种逻辑元件、记忆元件组成随机逻辑电路由硬件来实现数控功能，称作硬件数控，用这种技术实现的数控机床称作NC机床。3 CNC 机床：现代数控系统采用微处理器或专用微机的数控系统（Computer Numerical Control）由事先存放在存储器里的系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，这样的机床称作CNC机床。5三、数控机床的组成及工作原理 1 工作原理图纸存储介质数控装置输入输出CNC装置伺服驱动装置伺服系统执行机构切削驱动装置机床主体检测装置62 组成（1）程序的存储介质（纸带、磁带或磁盘等）（2）输入输出装置（3）数控装置（是数控机床的核心，接受脉冲信号经过译码、运算和逻辑处理将指令信息输出给伺服系统，使设备按轨定的动作执行）（4）伺服装置（是数控机床执行机构的驱动部件，作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床执行部件的运动）7（5）检测反馈装置（作用是对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态加以检测并将结果反馈给数控装置，计算出与指令位移之间的偏差并发出纠正误差指令）（6）机床主体（是加工运动的实际机械部件，主要包括主运动部件、进给运动执行部件如工作台、拖板、刀架，和支承部件如床身、立柱等，还有冷却、润滑、转位部件、夹紧、换刀机械手等辅助装置。83 数控系统的主要功能（1）多坐标控制（多轴联动）（2）准备功能（G功能）（3）实现多种函数的插补（直线、圆弧、抛物线等）（4）代码转换（EIA/ISO代码转换、英制/公制转换、绝对值/增量值转换等）（5）固定循环加工（6）指定进给速度9（7）指定主轴转速（8）辅助功能：指定主轴的起、停、反向，冷却系统的开、关等。（9）刀具选择功能（10）各种补偿功能：如刀具半径、刀具长度补偿等。（11）字符图形在显示器(CRT)上的显示（12）故障的诊断及显示、与外部设备的连网及通信。（13）存储加工程序，人机对话、程序的输入、编辑及修改。104 数控机床的特点数控机床与普通机床相比，具有以下特点：）适应性强适应性是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。）精度高工作过程不需要人工干预，而是自动工作的，且通过实时检测装置来修正或补偿以获得更高的精度。）效率高数控机床可以采用较大的切削用量，而且具有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化的功能。）减轻劳动强度、改善劳动条件。）有利于生产管理的现代化。11四、数控机床的分类 1按工业用途分类（1）数控车床（NC Lathe）（2）数控铣床(NC Milling Machine)（3）数控钻床(NC Drilling Machine)(4)数控镗床(NC Boring Machine)（5）数控齿轮加工机床(NC Gearing Holding Machine)（6）数控平面磨床(NC Surface Grinding Machine)（7）数控外圆磨床(NC External Cylindrical Grinding Machine)（8）数控轮廓磨床(NC Contour Grinding Machine)12（9）数控工具磨床(NC Tool Grinding Machine)（10）数控坐标磨床(NC Jig Grinding Machine)（11）数控电火花加工机床(NC Dieseling Electric Discharge Machine)（12）数控线切割机床(NC Wire Discharge Machine)（13）数控激光加工机床(NC Laser Beam Machine)（14）数控冲床(NC Punching Press)（15）加工中心(Machine Center)（16）数控超声波加工机床NC Ultrasonic Machine)（17）其他（如三坐标测量机等）132 按运动方式分类（1）点位控制系统（Positioning Control）只控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削加工。刀具的三种路径 （1）（2）（3）14（2）直线控制系统（Straight-line Control）是控制刀具或机床工作台以给定的速度，沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一个位置的精确移动，并且在移动过程中进行直线切削加工。15（3）轮廓控制系统（Contour Control）是对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，并能对机床移动部件的位移和速度进行严格的控制，即要控制加工的轨迹，加工出要求的轮廓。其运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。163 按控制方式分类（1）开环控制（Open Loop Control）即不带位置测量元件，数控装置根据控制介质上的指令信号，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构（如工作台）移动或转动。特点是没有来自位置测量元件的反馈信号，对执行机构的动作情况不进行检查，指令流向为单向，控制精度较低。17l开环控制驱动装置工作台数控装置控制介质指令脉冲伺服电机齿轮箱18（2）闭环控制（Closed Loop Control）是将位置检测装置安装于机床运动部件上，加工中将测量到的实际位置值反馈。另外通过与伺服电机刚性连接的测速元件，随时实测驱动电动机的转速，得到速度反馈信号，并与速度指令信号相比较，其比较的差值对伺服电动机的转速随时进行校正，直至实现移动部件工作台的最终精确定位。19l闭环控制测速元器件位移指令位移反馈速度反馈位置检测装置工作台20（3）半闭环控制（Semi-Closed Loop Control）是将位置检测装置安装于驱动电动机轴端或安装于传动丝杠端部，间接地测量移动部件（工作台）的实际位置或位移。21l半闭环控制测速元器件位移指令位移反馈速度反馈位置检测装置工作台22五、主要数控机床介绍1 数控车床：机床主体包括主轴、溜板、刀架等。数控系统包括电显示器（CRT）、控制面板、强电控制系统。2 数控铣床：适于加工三维复杂曲面。3 加工中心：即具有自动刀具交换装置，并能进行多种工序加工的数控机床。4 数控钻床：主要完成钻孔、功丝功能，同时也可以完成简单的铣削功能，刀库可以存放多种刀具。235 数控磨床：主要用在高精度、高硬度加工表面。6 数控电火花成形机床：是利用两个不同极性的电极在绝缘液体中产生放电现象，去除材料进而完成加工。7 数控线切割机床：工作原理与电火花成形机床一样，其电极是电极丝，加工液一般采用去离子水。24六、先进制造系统简介（其核心是生产加工设备的数控化、柔性化和精密化）1 柔性制造系统（FMS）根据自动化程度及功能可分为三类：（1）单机数控加工：是用一台数控机床或加工中心加工机械零件。（2）柔性加工单元（Flexible Machining Cell）是一种人的参与减到最小时，能连续地对同一零件族内不同的零件进行自动化加工（包括工件、刀具、废屑等在单元内部的运输和交换）的最小加工单元。25（3）柔性制造系统（Flexible Manufacturing System）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、成品实验机、喷漆机等组成）、物料自动储运系统和信息控制系统三者相结合，由中央计算机管理使之自动运转的制造系统。2 计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）CIMS的构成可以分以下几个部分：（1）设计过程 （2）加工制造过程（3）计算机辅助生产管理 （4）集成方法及技术26思考题：1、数控机床由哪几部分组成？简述数控机床各组成部分的作用。2、什么是数字控制、柔性制造单元（FMC）、直接数控（DNC）？3、什么是点位控制？4、什么是开环控制、闭环控制和半闭环控制系统？5、其他：6、从数控机床的产生和发展论述其在机械制造业中的作用。27答案28