《数控机床概述 》PPT课件

本 章 学 习 目 标 ： 本 章 教 学 学 时 ： 4学 时n本 章 教 学 要 求 数 字 控 制 ， 用 数 字 、 字 母 和 符 号 构 成 的 数 字 化信 号 对 机 床 运 动 及 其 加 工 过 程 进 行 控 制 的 一 种 方 法 。 采 用 了 数 控 技 术 的 机 床 。1.1.1 数 控 机 床 及 其 特 点 数 控 机 床 的 特 点（ 1） 适 应 性 、 灵 活 性 好 。 适 用 于 多 品 种 、 中 小 批 量 生 产 或 加 工 形状 复 杂 、 精 度 要 求 高 的 零 件 。（ 2） 加 工 精 度 高 、 质 量 稳 定 。（ 3） 生 产 效 率 高 , 一 般 为 普 通 机 床 的 3 5倍 。（ 4） 劳 动 强 度 低 、 劳 动 条 件 好 。（ 5） 有 利 现 代 化 生 产 和 管 理 。（ 6） 初 始 投 资 较 大 ， 使 用 、 维 修 技 术 要 求 高 。 对 操 作 人 员 和 维 修人 员 的 专 业 素 质 要 求 较 高 。 辅助控制装置 伺服系统 1.1.2 数 控 机 床 的 组 成 （ 1） 控 制 介 质 将 零 件 加 工 信 息 （ 数 控 程 序 ） 传 送 到 控 制 装 置 中 去 的 程 序 载 体 。 输 入 、 输 出 装 置 将 控 制 介 质 上 的 信 息 传 入 数 控 系 统 。手动通过控制面板，在MDI或编辑操作状态下从键盘输入。利用通信的方式，可实现与计算机或其他数控机床间的信息交互自动 RS232C接口 （ 2） 数 控 系 统 数 控 机 床 的 核 心 （ 3） 伺 服 系 统数 控 系 统 的 执 行 部 分 ， 接 受 CNC装 置 的 指 令 信 号 ， 转 换 和 放 大后 驱 动 机 床 运 动 部 件 。进 给 伺 服 系 统 实 现 零 件 加 工 所 需 的 成 型 运 动 ， 控 制 机 床移 动 部 件 的 位 置 和 速 度 ；主 轴 伺 服 系 统 实 现 零 件 加 工 的 切 削 运 动 ， 控 制 机 床 主 轴的 转 速 。测 量 反 馈 装 置 减 少 误 差 ， 提 高 加 工 精 度 。 包 括 位 置 和 速度 测 量 装 置 。 （ 4） 机 床 主 体o 包 括 机 床 的 主 运 动 部 件 、 执 行 部 件 和 基 础 部o 件 。 如 主 轴 、 滚 动 导 轨 、 滚 珠 丝 杠 、 工 作 台 （ 或 刀 架 ） 、 底座 、 立 柱 等 。 请 思 考 ： 数 控 机 床 主 体 结 构 与 普 通 机 床 大 体 一致 。 那 么 与 普 通 机 床 相 比 ， 数 控 机 床 的 结 构有 什 么 特 点 ？ 数 控 机 床 进 给 传 动 系 统 示 意 图 （ 5） 辅 助 装 置辅 助 装 置 接 收 CNC装 置 输 出 的 M、 S、 T等 辅 助 指 令 信 号 ， 驱 动相 应 电 器 带 动 机 床 机 械 部 件 、 液 压 启 动 等 辅 助 装 置 完 成 指 令动 作 。 如 工 件 的 夹 紧 、 松 开 、 冷 却 液 开 关 、 刀 具 更 换 、 主 轴启 停 等 。目 前 广 泛 采 用 可 编 程 控 制 器 （ Programmable Logic Control，PLC） 作 数 控 机 床 的 辅 助 控 制 装 置 。PLC是 一 种 强 化 了 逻 辑 运 算 功 能 的 数 字 运 算 系 统 ， 适 用 于 控 制动 作 复 杂 或 逻 辑 多 变 的 场 合 。 形（零件图纸）编写数控程序程序输入CNC系统发出脉冲信号驱动机床各部件完成零件的加工零件图纸的工艺处理数(数控程序）形（成型零件）数学处理1.1.3 数 控 机 床 的 工 作 过 程 将加工程序翻译成便于计算机处理的格式包括刀具补偿（长度、半径、磨损补偿）、速度计算和辅助指令的处理经插补运算可确定各坐标轴的进给速度、方向和位移量，并以脉冲信号的方式传输给伺服系统。传输主轴的变速、换向、启停；刀具的选择和交换；工件夹紧和松开、冷却液启停等辅助指令 插 补在 被 加 工 轨 迹 的 起 点 和 终 点 之 间 ， 进 行 “ 数 据 密 化 ” ， 并 求 取 中间 点坐 标 ， 然 后 利 用 已 知 线 性 逼 近 的 过 程 。 1.数 控 机 床 的 精 度 指 标（ 1） 定 位 精 度 和 重 复 定 位 精 度定 位 精 度 ： 数 控 机 床 工 作 台 等 移 动 部 件 所 达 到 的 实 际 位 置 的 精度 。重 复 定 位 精 度 ： 相 同 条 件 下 ， 相 同 的 操 作 方 法 ， 重 复 进 行 同 一动 作 时 得 到 的 一 致 性 程 度 。重 复 定 位 精 度 越 高 ， 一 批 工 件 的 尺 寸 一 致 性 越 好 ， 加 工 质 量 越稳 定 。中 小 型 数 控 机 床 的 定 位 精 度 普 遍 可 达 0.015mm， 重 复 定 位 精 度为 0.003mm。1.1.4 数 控 机 床 的 技 术 性 能 指 标 （ 2） 分 度 精 度（ 3） 分 辨 率 与 脉 冲 当 量脉 冲 当 量 （ 单 位 位 移 精 度 ） ： CNC装 置 每 发 出 一 个 脉 冲 信 号 ，机 床 移 动 部 件 上 的 移 动 量 。数 值 大 小 决 定 数 控 机 床 的 加 工 精 度 和 表 面 质 量 。 脉 冲 当 量 越小 ， 机 床 加 工 精 度 越 高 ， 表 面 质 量 越 好 。普 通 数 控 机 床 的 脉 冲 当 量 为 0.001mm， 精 密 数 控 机 床 的 脉 冲 当量 一 般 为 0.0001mm。 2.可 控 轴 数 与 联 动 轴 数可 控 轴 数 机 床 CNC装 置 能 够 控 制 的 坐 标 数 目 。联 动 轴 数 机 床 CNC装 置 控 制 的 坐 标 轴 同 时 到 达 空 间 某 一 点的 坐 标 轴 数 。普 通 数 控 车 床 可 控 制 2轴 ， 2轴 联 动 ；普 通 数 控 铣 床 可 控 制 3轴 ， 2.5轴 或 3轴 联 动 ；加 工 中 心 一 般 为 多 轴 控 制 ， 3轴 联 动 。控 制 轴 数 越 多 ， CNC功 能 越 强 ， 程 序 编 制 越 困 难 。 3.数 控 机 床 的 运 动 性 能 指 标(1)主 轴 转 速采 用 直 流 或 交 流 调 速 主 轴 电 机 驱 动 ， 高 速 精 密 轴 承 支 承 。目 前 ， 普 遍 可 达 到 5000 10000r/min。（ 2） 进 给 速 度进 给 速 度 是 影 响 零 件 加 工 质 量 、 生 产 效 率 以 及 刀 具 寿 命 的 主 要因 素 之 一 。国 内 机 床 的 进 给 速 度 可 达 到 15 30m/min。 （ 3） 坐 标 行 程X、 Y、 Z的 行 程 大 小 决 定 了 加 工 零 件 的 大 小 。坐 标 行 程 可 直 接 体 现 机 床 的 加 工 能 力 。（ 4） 摆 角 范 围主 轴 摆 角 大 小 直 接 影 响 加 工 零 件 空 间 部 位 的 能 力 。（ 5） 刀 库 容 量 和 换 刀 时 间刀 库 容 量 和 换 刀 时 间 直 接 影 响 数 控 机 床 的 生 产 效 率 。目 前 常 见 的 中 小 型 加 工 中 心 刀 库 容 量 多 为 24把 ， 大 型 加 工 中心 可 达 100把 以 上 。目 前 国 外 先 进 加 工 中 心 的 刀 具 交 换 时 间 普 遍 已 在 1s左 右 ， 高的 已 达 0.5s。 4.数 控 系 统 的 技 术 性 能 指 标（ 1） 数 控 系 统 的 CPU（ 2） 数 控 系 统 的 分 辨 率（ 3） 控 制 功 能（ 4） 伺 服 驱 动 系 统 的 性 能（ 5） 数 控 系 统 内 置 PLC功 能（ 6） 数 控 系 统 的 通 信 接 口 功 能（ 7） 数 控 系 统 的 开 放 性（ 8） 可 靠 性 和 故 障 自 诊 断 1.点 位 控 制 数 控 机 床实 现 从 一 点 到 另 一 点 的 精 确 、 快 速 定 位 。在 两 点 间 移 动 时 没 有 切 削 加 工 。不 要 求 轨 迹 和 速 度 。代 表 机 床 ： 数 控 钻 床 、 数 控 镗 床 、 数 控冲 床 等 ， 主 要 用 于 平 面 内 孔 系 的 加 工 。 1.2.1 按 照 运 动 控 制 的 特 点 分 类 2.直 线 控 制 数 控 机 床控 制 刀 具 或 工 作 台 以 一 定 的 速度 沿 直 线 从 一 个 点 移 动 到 另 一个 点 。移 动 过 程 中 进 行 切 削 加 工 。可 控 轴 数 一 般 为 2 3个 ， 但 联动 轴 数 只 有 1个 。代 表 机 床 ： 简 易 数 控 车 、 数 控铣 。 3.轮 廓 控 制 数 控 机 床可 以 同 时 控 制 两 个 或 两 个 以 上 的 坐 标轴 进 行 加 工连 续 控 制 加 工 过 程 中 每 个 点 的 坐 标 和速 度 ， 以 形 成 所 需 的 曲 线 或 曲 面 。根 据 联 动 轴 数 可 细 分 为 2轴 联 动 、 2.5轴 联 动 、 3轴 联 动 、 4轴 联 动 、 5轴 联 动 。除 了 少 数 专 用 数 控 机 床 ， 如 数 控 钻 床 、冲 床 等 以 外 ， 现 代 数 控 机 床 都 具 有 轮廓 控 制 功 能 。 1.开 环 数 控 机 床特 点 ： 无 测 量 反 馈 装 置 ； 伺 服 驱 动 原 件 为 步 进 电 机优 点 ： 结 构 简 单 、 工 作 稳 定 、 调 试 维 修 方 便 、 价 格 低缺 点 ： 控 制 精 度 不 高应 用 ： 用 于 经 济 型 数 控 机 床 或 旧 机 床 数 控 化 改 造 。1.2.2 按 照 伺 服 系 统 的 类 型 分 类 2.闭 环 控 制 数 控 机 床特 点 ： 位 置 检 测 装 置 安 装 在 移 动 部 件 上 ， 直 接 测 量 实 际 位 置 ； 伺 服 驱 动 元 件为 直 流 、 交 流 伺 服 电 机优 点 ： 可 以 消 除 机 械 传 动 部 分 的 各 种 误 差 ， 控 制 精 度 高 、 加 工 精 度 高缺 点 ： 价 格 昂 贵 ， 调 试 维 修 复 杂 、 成 本 高应 用 ： 主 要 用 于 精 度 要 求 高 的 镗 铣 床 、 超 精 车 床 、 超 精 磨 床 和 大 型 的 数 控 机床 。 3.半 闭 环 控 制 数 控 机 床有 测 量 反 馈 装 置 ； 间 接 测 量 工 作 台 的 位 移 ， 伺 服 驱 动 元 件 为 直 流 、 交 流 伺 服 电 机 。优 点 ： 控 制 精 度 高 于 开 环 控 制 系 统 ， 稳 定 性 较 好 ， 成 本 低 ， 调 试 维 修 比 较 方 便 。缺 点 ： 部 分 误 差 无 法 消 除 。应 用 ： 兼 顾 开 环 与 闭 环 的 优 点 ， 应 用 广 泛 。 1.金 属 切 削 类 数 控 机 床如 数 控 车 、 铣 、 钻 、 磨 、 镗 床 和 加 工 中 心 。2.金 属 成 形 类 机 床如 数 控 弯 管 机 、 数 控 压 力 机 、 数 控 折 弯 机 、 数 控 冲 床 等 。3.特 种 加 工 类 数 控 机 床如 数 控 线 切 割 、 数 控 电 火 花 机 床 等 。1.2.3 按 照 加 工 工 艺 方 法 分 类 功 能 水 平 指 标 低 档 中 档 高 档分 辨 率 （ ） 10 1 0.1进 给 速 度 （ m/min） 615 1224 24100伺 服 系 统 类 型 开 环 、步 进 电 机 半 闭 环 或 闭 环 、 直 流 或 交 流 伺 服 系 统联 动 轴 数 3轴 2 4轴 3 轴通 信 能 力 无 RS-232C或 DNC接 口 遵 循 自 动 化 协 议 ， 具有 联 网 功 能 显 示 功 能 数 码 管 显 或 单 显CRT 较 齐 全 的 CRT显 示 （ 文 字 、 二维 图 象 等 ） 三 维 图 显 ， 图 形 编 程等内 装 与 否 无 有主 8bit 16bit、 32bit或 32bit以 上 1.2.4 按 照 功 能 水 平 分 类 数 控 机 床 跟 随 计 算 机 技 术 的 发 展 而 发 展 ， 经 历 了 两 个 阶 段 ， 共六 代 系 统 。第 一 代 ： 采 用 电 子 管 元 件 的 专 用 NC系 统1948年 ， 美 国 帕 森 斯 公 司 首 先 提 出 了 采 用 数 字 控 制 技 术 进 行 机械 加 工 的 方 案 。1952年 ， 诞 生 了 世 界 上 第 一 台 数 控 机 床 ， 是 一 台 立 式 数 控 铣 床 ，成 功 实 现 了 三 轴 联 动1954年 底 ， 第 一 台 工 业 用 数 控 机 床 生 产 出 来 。1.3.1 数 控 机 床 的 产 生 与 发 展 第 二 代 ： 1959年 采 用 晶 体 管 电 路 的 NC系 统同 年 ， 出 现 了 带 有 刀 库 和 自 动 换 刀 装 置 的 数 控 机 床 ， 称 为 “ 加工 中 心 ” 。从 1960年 开 始 ， 德 国 、 日 本 等 工 业 国 家 都 陆 续 开 发 、 生 产 和 使用 数 控 机 床 。第 三 代 ： 1965年 采 用 小 规 模 集 成 电 路 以 上 三 代 属 于 NC阶 段 （ 1952 1970年 ） ，即 硬 件 逻 辑 数 控 系 统 。 其 特 点 是 ： 由 硬 件 数 字逻 辑 电 路 “ 搭 ” 成 专 用 的 计 算 机 作 为 数 控 系 统 。 第 四 代 ： 1970年 采 用 小 型 计 算 机 的 NC系 统第 五 代 ： 1974年 采 用 微 处 理 器 的 数 控 系 统 （ MNC）第 六 代 ： 1990年 后 ， 基 于 PC机 的 开 放 式 数 控 系 统 1970年 ， 通 用 小 型 计 算 机 成 为 数 控 系 统 的 核 心部 件 ， 许 多 功 能 可 通 过 软 件 实 现 ， 通 用 性 强 。数 控 机 床 从 此 进 入 计 算 机 数 控 阶 段 ， 即 CNC（ Computer Numerical Control ） 。 我 国 数 控 技 术 的 发 展1958年 开 始 研 制 ， 以 高 等 院 校 为 主 （ 清 华 大 学 ）1966年 生 产 第 一 台 晶 体 管 数 控 机 床1970年 后 进 入 第 三 代 数 控 系 统 的 研 发 ， 但 发 展 缓 慢 ， 数 控 系统 的 稳 定 性 、 可 靠 性 较 差 ， 主 要 生 产 数 控 线 切 割 机 床 。1980年 后 引 进 日 、 美 等 国 的 数 控 装 置 及 伺 服 系 统 的 技 术 ， 开始 合 资 批 量 生 产 一 些 数 控 机 床 。1985年 后 我 国 已 经 能 生 产 45种 各 类 数 控 机 床 ， 同 时 数 控 机 床功 能 部 件 的 专 业 厂 也 逐 渐 形 成 规 模 。1990年 中 期 国 产 数 控 系 统 开 始 崭 露 头 角 ， 进 入 21世 纪 ， 拥 有自 主 版 权 的 五 轴 联 动 数 控 系 统 ， 打 破 了 西 方 对 高 端 数 控 系 统的 垄 断 。 1.高 速 化主 轴 转 速 ： 如 果 机 床 采 用 电 主 轴 （ 内 装 式 主 轴 电 机 ） ，即 主 轴 电 机 的 转 子 轴 就 是 主 轴 部 件 。 主 轴 最 高 转 速 达200000r/min。进 给 速 度 ： 在 分 辨 率 为 0.01 m时 ， 最 大 进 给 率 达 到240m/min且 可 获 得 复 杂 型 面 的 精 确 加 工 ；运 算 速 度 ： CPU已 发 展 到 32位 以 及 64位 。换 刀 速 度 ： 目 前 国 外 先 进 加 工 中 心 的 刀 具 交 换 时 间 普遍 已 在 1s左 右 ， 高 的 已 达 0.5s。1.3.2 数 控 技 术 的 发 展 趋 势 2.高 精 度 化数 控 系 统 分 辨 率 可 达 到 0.1 m ， 有 的 可 达 0.01 m，实 现 了 高 精 度 加 工 。目 前 数 控 机 床 的 定 位 可 达 0.001mm， 重 复 定 位 精 度 可达 0.0005mm。普 通 数 控 机 床 的 加 工 精 度 已 达 到 5 m， 精 密 级 加 工中 心 的 加 工 精 度 可 达 到 （ 1 1.5） m 3.多 功 能 化CRT显 示 可 实 现 二 维 图 形 轨 迹 模 拟 或 三 维 动 态 图 形 显示 。装 有 小 型 数 据 库 ， 可 自 动 选 择 最 佳 刀 具 和 切 削 用 量 。具 有 刀 具 寿 命 管 理 、 刀 具 尺 寸 自 动 测 量 和 补 偿 、 工 件尺 寸 自 动 测 量 和 补 偿 、 切 削 参 数 自 动 调 整 等 功 能 。 4.加 工 功 能 复 合 化复 合 化 是 指 在 一 台 机 床 上 实 现 多 工 序 、 多 种 工 艺 方 法 加工 。镗 铣 钻 复 合 加 工 中 心 、 五 面 加 工 中 心 （ 主 轴 立 卧 转 换 ）车 铣 复 合 车 削 中 心 （ 动 力 刀 头 ） ；铣 镗 钻 车 复 合 复 合 加 工 中 心 （ 可 自 动 装 卸 车 刀 架 ） ；铣 镗 钻 磨 复 合 复 合 加 工 中 心 （ 动 力 磨 头 ） ；可 更 换 主 轴 箱 的 数 控 机 床 组 合 加 工 中 心 ； 数 控 技 术 是 制 造 业 实 现 自 动 化 、 柔 性 化 、 集 成 化生 产 的 基 础 技 术 ， 现 代 的 先 进 制 造 技 术 都 是 建 立 在数 控 技 术 之 上 的 。1.3.3 自 动 化 生 产 系 统 的 发 展 数 控 机 床 涉 及 的 内 容 和 知 识 比 较 多 ， 本 章 仅 对 数 控 机 床的 基 本 知 识 和 基 本 内 容 做 了 概 述 ， 包 括 数 控 机 床 的 基 本 概 念 ，数 控 机 床 的 组 成 及 特 点 ， 数 控 机 床 的 精 度 指 标 、 运 动 性 能 指标 与 技 术 性 能 指 标 ； 从 运 动 控 制 的 特 点 、 伺 服 系 统 的 类 型 、加 工 工 艺 方 法 、 功 能 水 平 四 方 面 对 数 控 机 床 进 行 了 分 类 ； 数控 机 床 的 产 生 与 发 展 、 数 控 技 术 的 发 展 趋 势 以 及 数 控 技 术 在先 进 制 造 技 术 中 的 作 用 等 。 1-1 什 么 是 数 控 ？ 数 控 机 床 与 普 通 机 床 相 比 有 哪 些 特 点 ？1-2 数 控 机 床 有 哪 几 部 分 组 成 ？ 每 一 部 分 主 要 起 什 么 作 用 ？1-3 简 述 数 控 机 床 的 工 作 过 程1-4 开 环 、 闭 环 、 半 闭 环 控 制 系 统 各 有 什 么 特 点 ？ 它 们 一 般 适 用 于 哪 些 数 控 机 床 ？1-5 数 控 机 床 按 照 运 动 控 制 特 点 可 以 分 为 几 类 ？ 它 们 的 特 点 是 什 么 ？1-6 数 控 机 床 的 精 度 指 标 主 要 包 括 哪 些 ？ 其 值 大 小 各 有 什 么 影 响 ？1-7 数 控 机 床 的 运 动 性 能 指 标 主 要 包 括 哪 些 ？ 对 加 工 各 有 什 么 影 响 ？1-8 数 控 系 统 的 技 术 性 能 指 标 主 要 包 括 哪 些 ？1-9 数 控 机 床 的 可 控 轴 数 与 联 动 轴 数 有 什 么 区 别 ？1-10 解 释 下 列 名 词 术 语 ： 定 位 精 度 、 重 复 定 位 精 度 、 脉 冲 当 量 、 插 补 、 MTBF、 CNC、 FMC、 FMS、 CIMS1-11 数 控 技 术 的 主 要 发 展 趋 势 有 哪 些 ？1-12 请 查 阅 相 关 资 料 ， 了 解 数 控 技 术 最 近 有 哪 些 新 发 展 ？