数控机床-第一章数控机床概论--课件

第一章 数控技术概论u 数控机床基本概念数控机床基本概念u 数控机床分类数控机床分类u 数控机床加工特点及应用数控机床加工特点及应用u 数控机床发展趋势数控机床发展趋势1PPT课件1.1 数控机床的产生与发展v随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备.v单件，小批量机加工零件的总量占机械加工总量的80%左右。数控机床的基本概念2PPT课件v普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。v一种新型的生产设备数控机床就应运而生了。数控机床的基本概念数控机床、数控火焰切割机、数控绘图机、数控冲剪机、数控肋骨冷弯机等都是属于这个范围的自动化设备 规模化效益3PPT课件普通车床操作数控车床4PPT课件帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。1955年实现量产；1959年，美国克耐杜列克公司首次成功开发了加工中心（Machining Center）。数控机床的基本概念1.1.1数控机床的产生数控机床的产生5PPT课件ThefirstsuccessfulN/Cmachine,fundedbytheAirForce,wasdemonstratedbytheMassachusettsInstituteofTechnologyin1952.ItwasaretrofittedCincinnatimillingmachine(Figure1.15).Ithadtheabilitytocoordinatetheaxismotionstomachineacomplexsurface.ThefirstcommercialN/Cmachineswereshownatthe1955NationalMachineToolShow.相关摘录资料6PPT课件1.1.2数控机床的发展简况数控机床的发展简况数控机床的基本概念l 第1代数控机床：1952年1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。1952，Parsons Corp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣l 第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。1959，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，K&T开发第一台加工中心MILWAUKEE-MATIC。l 第3代数控机床：从1965年开始采用小、中 规模集成电路的NC系统。1965,由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，这是第三代数控系统。1967英国最初的FMS电子计算机技术的发展一致7PPT课件l第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由软件完成,被人们成为第四代数控系统。l 第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（MNC）。开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统，近30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。l 1980年后，FMS、FMC、CIMS、开放式数控（open NC）系统、智能制造系统（IMS）大发展。l基于PC（PC-BASED）,1990.基于PC开发式数控系统。高速加工，纳米制造。8PPT课件1.1.3我国数控机床发展概况我国数控机床发展概况 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。数控机床的基本概念v80年代前期，在引入了日本数控技术后，我国的数控机床才真正进入小批量生产的商品化时代。v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。9PPT课件国产数控设备统计情况：现达到1500多个品种，年生产能力400002000年的统计数据 数控机床厂家：100 数控系统厂家：50 数控机床配套厂家：300 年产量：14053台 数控机床品种：1300 产量数控化率：8%（95年 3.6%）2。2003年产量36000台，产值295亿元。3。2003年19月，海关统计机床进口297482.6万美元，出口26630.8万美元4。2004年9月，国产数控机床国内占有率2710PPT课件5。北京一机床 五坐标数控螺旋桨铣床，加工直径达6米，可加工10万吨级远洋海轮用螺旋桨叶轮面；武汉重型机床厂 数控立车，可加工30万KW水轮机，直径达16米，精度0.02mm。常州机床厂 五轴联动机床；秦川机床厂 六轴五联动全数控螺旋齿锥齿轮切齿机。北京机电院 定位精度+-3um 立式加工中心；宁江机床厂+-8um卧式加工中心。6 国产数控系统有 中国东方数控公司；中国科偌达，航天数控，珠峰数控,北大方正,兰州电机厂,南京四开,华中等开发的华中、中华、航天和蓝天；上海开通数控技术有限公司KT；北京凯恩帝的KND系列数控系统、广州数控设备厂的GSK系列数控系统。11PPT课件1.2 数控机床组成与工作原理数控机床组成与工作原理需要澄清的几个概念需要澄清的几个概念 1.1.数控技术数控技术 (Numerical Control-NC(Numerical Control-NC)用用数字化信号数字化信号对机床运动及其加工过程中进行控制的对机床运动及其加工过程中进行控制的一种方法。称这种方法为数字控制，简称数控。一种方法。称这种方法为数字控制，简称数控。2.2.数控机床数控机床 一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码或其他符号编码指令规定的程序。处理具有使用代码或其他符号编码指令规定的程序。3.3.数控系统（数控系统（Numerical Control SystemNumerical Control System）实现数字化控制的软件和硬件的整体称为数控系统。实现数字化控制的软件和硬件的整体称为数控系统。它由程序输入、输出设备、数控装置、伺服装置、反馈它由程序输入、输出设备、数控装置、伺服装置、反馈装置、辅助驱动装置组成。装置、辅助驱动装置组成。采用数控技术对加工过程采用数控技术对加工过程进行控制的机床。进行控制的机床。数控机床的基本概念12PPT课件数控装置伺服系统加工程序零件图 数控系统 机床用数控机床加工工件时，首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作14PPT课件v计算机数控CNC控制系统，它自动读入载体上的数字信息，经过译码，控制机床运动。整个系统包括信息输入、运算和控制、进给伺服驱动和主轴驱动以及机电接口等。其中运算和控制部分，是数控系统的核心,称为数控装置NCU。以计算机系统为主构成的数控系统，运算和控制部分是一个专用的计算机，也称为计算机数控CNC。数控装置有时也简称为数控系统。NCU就是数控装置的英文缩写。15PPT课件数控机床的基本概念1.2.2数控机床的组成数控机床的组成加工程序输入装置数控装置辅助控制装置伺服驱动装置检测反馈装置机床本体强电控制装置16PPT课件数控机床的基本概念加工程序：建立人与机床之间的联系，也称为 程序载体，储存着加工零件所需要的全部几何信息和工艺信息。工艺分析；工件坐标；工件，刀具运动坐标；加工路线与顺序；主运动，进给运动参数；辅助设备参数；输入装置：将程序载体上记录的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号传送至数控装置内存储器。常用的控制介质是8单位的标准穿孔带，且常用的穿孔带是纸质的，所以又称纸带。其宽为 25.4mm，厚0.108mm，每行除了必须有一个1.17mm的同步孔外，最多可以有8个1.33mm 的信息孔。用每行8个孔有无的排列组合来表示不同的代码(纸带上孔的排列规定，称为代码)。把穿孔带输入到数控装置的读带机，再由读带机把穿孔带上的代码转换为数控装置可以识别和处理的电信号，并传送到数控装置中去，便完成了指令信息的输入工作。指令集17PPT课件数控装置：数控机床的关键环节、核心，一般为一台专用的计算机；把从输入装置得到的电脉冲信号进行译码和寄存，得到这些指令作为控制与运算的原始依据。伺服控制装置：接受来自数控装置的位置控制信息，转换为相应坐标轴的进给运动和精确定位运动。伺服精度和动态相应特性直接影响数控机床的生产率、加工精度和表明加工质量。数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。在数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电机、电液脉冲马达、直流伺服电机和交流伺服电机等。18PPT课件辅助控制装置：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。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。数控机床中的机床，在开始阶段使用通用机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面作些改变。实践证明：数控机床除由于切削用量大、连续加工发热多等影响工件精度外，并且由于是自动控制，在加工中不能像在通用机床上那样可以随时由人工进行干预。所以其设计要求比通用机床更严格，制造要求更精密。因而后来在数控机床设计时，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施，使得数控机床的外部造型、整体布局、传动系统以及刀具系统等方面都已发生了很大的变化。强电控制装置：接收内置PLC所输出的各种指令。主轴变速，换向，停止；分度台转位，锁紧；刀具进给，更换；工件夹紧；辅助信号等。一典型数控机床示意图如下19PPT课件 同类型的加工中心与数控铣床的结构布局相似，主要在刀库的结构和位置上有区别，一般由床身、主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给机构、自动换刀装置、辅助系统（气液、润滑、冷却）、控制系统等组成，如图所示。20PPT课件数控机床的基本概念1.2.3数控机床设计基本技术数控机床设计基本技术1.精密机械技术 是数控机床的基础，包括精密机械设计和精密机械加工两大方面。2.计算机及信息处理技术 计算机技术的发展是数控机床发展和变革最活跃的因素。与人工智能、专家系统、模糊控制、人工神经网络、仿真技术结合为组成柔性制造系统提供了重要的技术保证。3.自动控制理论与伺服驱动技术 对数控机床的功能、动态特性、控制品质有决定性影响。4.精密检测与传感技术 是实现自动控制的关键环节之一，是闭环和半闭环控制系统的核心技术。主要放映在精度补偿方面；关键器件是传感器，要求其准确性、快速性与可靠性。5.网络和通信技术 柔性制造，柔性制造系统和计算机集成制造系统的产生。21PPT课件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22PPT课件1.2.3数控机床基本工作原理数控机床基本工作原理数控机床的工作原理图数控机床的工作原理图数控机床的工作原理图数控机床的工作原理图编程手册编程手册加工图样加工图样编程机编程机穿孔机或穿孔机或存储装置存储装置穿孔带穿孔带磁盘等磁盘等输入装置输入装置数控装置数控装置进给系统进给系统机床机床数控机床的基本概念23PPT课件1.2 1.2 数控机床分类数控机床分类 数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下方法来分类按工艺用途分类按工艺用途分类按机床运动的控制轨迹分类按机床运动的控制轨迹分类伺服控制的方式分类伺服控制的方式分类按控制坐标轴数分类按控制坐标轴数分类按数控系统功能水平分类按数控系统功能水平分类24PPT课件 （1）金属切削类数控机床 金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。（2）金属成型类数控机床 金属成型类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。（3）数控特种加工机床 数控特种加工机床如数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光切割机床等。（4）其它类型的数控机床 其他类型的数控机床如数控三坐标测量机等.1按工艺用途分类按工艺用途分类25PPT课件数控机床的基本概念加工中心加工中心(Machining Center)简称MC，是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂零件的高效率自动化数控机床。加工中心是高效的、高精度数控机床，工件在一次装夹中便可完成多道工序的加工，同时还备有刀具库，并且有自动换刀功能。工艺集中原则26PPT课件加工中心数控机床的基本概念加工中心 能实现三轴或三轴以上的联动控制，以保证刀具进行复杂表面的加工。加工中心除具有直线插补和圆弧插补功能外，还具有各种加工固定循环、刀具半径自动补偿、刀具长度自动补偿、加工过程图形显示、人机对话、故障自动诊断、离线编程等功能。加工中心是从数控铣床发展而来的。一般数控机床上加装一个刀库(可容纳10-100多把刀具)和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床(又称多工序数控机床或镗铣类加工中心。与数控铣床的最大区别在于加工中心具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，实现多种加工功能。优点:减少机床台数,便于管理，对于多工序的零件只要一台机床就能完成全部加工，并可以减少半成品的库存量；由于工件只要一次装夹，因此减少了由于多次安装造成的定位误差，可以依靠机床精度来保证加工质量；工序集中，减少了辅助时间，提高了生产率；由于零件在一台机床上一次装夹就能完成多道工序加工，所以大大减少了专用工夹具的数量，进一步缩短了生产准备时间。27PPT课件加工中心分为：立式、卧式和复合加工中心 立式加工中心的主轴垂直于工作台，主要适用于加工板材类、壳体类工件，也可用于模具加工。卧式加工中心的主轴轴线与工作台台面平行，它的工作台大多为由伺服电动机控制的数控回转台，在工件一次装夹中，通过工作台旋转可实现多个加工面的加工，适用于箱体类工件加工。复合加工中心主要是指在一台加工中心上有立、卧两个主轴或主轴可90改变角度，因而可在工件一次装夹中实现五个面的加工。28PPT课件加工中心 是一种工艺范围较大的数控加工机床，能进行铣削、镗削、钻削和螺纹加工等多项工作。加工中心特别适合于箱体类零件和孔系的加工 加工中心数控机床的基本概念铣削加工钻削加工 螺纹加工 29PPT课件五面体加工中心五面体加工中心一次装卡中完成除安装底面以外所有表面和精密孔系加工；箱体类零件，汽车覆盖件模具等。加工示意图可以参看动画30PPT课件2 2按机床运动的控制轨迹分类按机床运动的控制轨迹分类 （1）点位控制数控机床）点位控制数控机床 1)点位控制只要求控制机床的移动部件从某一位置移动到另一位置的准确定位，对于两位置之间的运动轨迹不作严格要求，在移动过程中刀具不进行切削加工，如图所示。2)为了实现既快又准的定位，常 采用先快速移动，然后慢速趋近 定位点位的方法来保证定位精度。3)主要有数控钻床、数控冲床、数控镗床、数控点焊机等。点位数控机床加工示意图两相关点之间的移动先是以快速移动到接近新的位置，然后降速 1-3 级，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度 31PPT课件（2）直线控制数控机床 1）直线控制数控机床的特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要保证两点之间移动的轨迹平行于坐标轴或者是一条斜线。2）对移动的速度也要进行控制，因为这类数控机床在两点之间移动时要进行切削加工，如图1.3所示。图1.3直线数控机床加工示意图路线一般都由和各轴线平行的直线段组成。可以沿一个坐标轴的方向(一般地也可以沿45斜线进行切削，)进行切削加工 但不能进行任意轮廓加工32PPT课件（3）轮廓控制数控机床 1）轮廓控制能够对两个或两个以上的运动坐标的位移及速度进行连续相关的联动控制，因而可以进行曲线或曲面的加工，如图1.4所示。2）具有轮廓控制功能的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。图1.4轮廓数控机床加工示意图不仅控制起点与终点，还要控制加工中每一点的速度与位移量33PPT课件3 伺服控制的方式分类伺服控制的方式分类 （1 1）开环控制系统）开环控制系统 开环控制系统是指不带反馈的控制系统.数控装置发出信号的流程是单向的 其其特特点点:开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低。一般适用于经济型数控机床和旧机床数控化改造。如图1.5,部件的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的。图1.5开环控制系统34PPT课件（2）半闭环控制系统 1）半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上装有角位移测量装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，反馈到数控系统中，由于惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围之内，因而称作半闭环控制系统，如图1.6所示。2）系统闭环环路内不包括机械传动环节，可获得稳定的控制特性。机械传动环节的误差，可用补偿的办法消除，可获得满意的精度。中档数控机床广泛采用半闭环数控系统。图1.6半闭环控制系统35PPT课件 1）在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的结果直接反馈到数控装置中，与输入指令进行比较控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位，原理如下图所示，因为把机床工作台纳入了位置控制环，故称为闭环控制系统。2）该系统定位精度高、调节速度快。该系统调试工作困难。系统复杂并且成本高，故适用于精度要求很高的数控机床，如精密数控镗铣床、超精密数控车床等。（3）闭环控制系统36PPT课件4 按控制坐标轴数分类按控制坐标轴数分类v1.两坐标数控机床：两轴联动，用于加工 各种曲线轮廓的回转体，如数控车床。v2.三坐标数控机床：三轴联动，多用于加工曲面零件，如数控铣床、数控磨床。v3.多坐标数控机床：四轴或五轴联动，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。37PPT课件 5.按数控系统功能水平分类按数控系统功能水平分类 数控机床按数控系统的功能水平可分为 低、中、高三档n 经济型数控机床，以步进电动机为伺服驱动单元的开环系统，功能简单，价格低廉；n 普及型数控机床，控制功能齐全；n 高级型数控机床，采用32位或16位微处理器，可以实现5轴以上控制；38PPT课件1.3 1.3 数控机床加工的特点及应用数控机床加工的特点及应用 1数控机床加工的特点数控机床加工的特点 （1）可以加工具有复杂型面的工件 （2）加工精度高，质量稳定 （3）生产率高 （4）改善劳动条件 （5）有利于生产管理现代化39PPT课件2数控机床的适用范围数控机床的适用范围 （1）多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中的零件；（2）几何形状复杂的零件；（3）精度及表面粗糙度要求高的零件；（4）加工过程中需要进行多工序加工的零件；（5）用普通机床加工时，需要昂贵工装设备（工具、夹具和模具）的零件。数控机床加工特点与应用40PPT课件数控机床加工特点与应用数控机床的精度精度是数控机床的一项重要指标；主要指：加工精度、定位精度、重复定位精度中、小型数控机床的加工精度通常为0.1-0.005mm；定位精度通常为0.05-0.0025mm；重复定位精度通常为0.025-0.001mm；数控机床是以数字形式给出相应的脉冲指令进行加工，所以脉冲当量就与精度保持了紧密的联系；数控机床脉冲当量一般为：0.01-0.0005mm/脉冲。41PPT课件柔性制造系统柔性制造系统（FMS-Flexible Manufacturing System）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。数控机床的基本概念随着产品多样化、降低制造成本、缩短制造周期等迫切要求，以及以数控机床为基础的自动化生产技术的惊人发展，1967年Molins公司研制了第一个柔性制造系统。FMS是一种在批量加工条件下，高柔性和高自动化程度的制造系统。解决了中小批量、中大批量、多品种产品生产自动化技术难题。42PPT课件 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。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。数控机床的基本概念43PPT课件自适应控制机床自适应控制机床（AC-Adaptive Control）n 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。数控机床的基本概念n 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。44PPT课件数控设备与加工方式的选用一般原则1.什么时候选择数控机床？什么时候选择数控机床？45PPT课件2.选择什么样的数控机床？选择什么样的数控机床？数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性能，是选数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性能，是选择数控系统的主要依据，概括起来如下择数控系统的主要依据，概括起来如下1控制轴数和联动轴数控制轴数和联动轴数2脉冲当量（控制分辨率）脉冲当量（控制分辨率）3定位精度和重复精度定位精度和重复精度4行程行程5主轴转速和调节范围主轴转速和调节范围6进给速度和调节范围进给速度和调节范围7准备功能（准备功能（G功能）功能）8辅助功能（辅助功能（M功能）功能）9.自动加减速功能自动加减速功能10.开关量接口开关量接口 46PPT课件v以上性能指标可以作为选择数控装置时参考，随着数控技术的发展，数控装置的性能指标也在不断地丰富和提高。v一般来说，性能越高的数控装置，价格也越贵，所以对用户来说并不一定一味地追求高性能，而应该根据自己的实际需要，综合考虑性能和价格，作出最经济实用的选择。47PPT课件1.4 1.4 数控机床发展趋势数控机床发展趋势v总的发展趋势：高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复 合化、开放化和智能化以及数控标准的发展。目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统。v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.驱动系统方面 48PPT课件1数控技术水平v高精度高精度 定位精度微米级、纳米级；v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；v高柔性高柔性 多主轴、多工位、多刀库；数控机床发展趋势49PPT课件 随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.010.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心的加工精度则从35m，提高到11.5m 高可靠性 当前国外数控装置的可靠性指标，平均无故障间隔时间（MTBF）已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上。高精度50PPT课件51PPT课件v多功能多功能 立卧并用、复合加工；v高高自自动动化化、智智能能化化 自动上下料、自动监控、自动测量、自动通讯。v主要表现在以下4个方面：数控机床发展趋势52PPT课件v应用自适应控制技术53PPT课件v自动编程，可视化结合54PPT课件v自动故障诊断可靠性、稳健性保障55PPT课件v应用模式识别56PPT课件2数控系统方面v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，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。数控机床发展趋势57PPT课件v开放式系统产生的原因随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，暴露出许多自身固有的缺陷。最大的问题是，这些数控系统都是专门设计的，它们具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。当今的当今的CNC控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不能把特控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透明，因此需要开放殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透明，因此需要开放结构的数控系统。结构的数控系统。现在的现在的CNC技术（其核心为技术（其核心为CNC控制器和驱动技术）及结构为专控制器和驱动技术）及结构为专用的软硬件，远落后于用的软硬件，远落后于PC的主流技术。升级困难，各厂家产品不兼容，的主流技术。升级困难，各厂家产品不兼容，成本高。成本高。用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护培训昂贵。用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护培训昂贵。58PPT课件v开放式数控系统的概念 为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。这个概念最早见于1987年美国的NGC(Next Generation Controller)计划，NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。由于这样一个富有哲理的概念作为NGC计划的奠基石，NGC代表了下一代控制技术。系统平台-开发接口-二次开发59PPT课件v开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化(用户界用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯)，而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：，而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：可移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何可移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化就可以应用到不同的平台上。变化就可以应用到不同的平台上。可扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现可扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。冲突。互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据定义相互交换数据。以根据定义相互交换数据。可维护性：用户修方便。可维护性：用户修方便。统一的人机界面。统一的人机界面。60PPT课件v目前开放的数控系统结构1.基于基于PC的的CNC系统（软数控系统（软数控：Soft CNC）以以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。运机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机。动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机。全方位开放全方位开放2.PC嵌入式嵌入式 把一块多轴运动控制卡插入传统的把一块多轴运动控制卡插入传统的PC中，运动卡运行以坐标轴运动为中，运动卡运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人机接口平台作为人机接口平台。易实现，研究单位和高校易实现，研究单位和高校61PPT课件3.PC+CNC（融合系统）（融合系统）专业厂家认为专业厂家认为CNC系统最主要功能是高速、高精加工系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，向和可靠性，向PC在的死机现象是不允许的。已生产的大量在的死机现象是不允许的。已生产的大量CNC系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取了：增加一块了：增加一块PC板，提供键盘，使板，提供键盘，使PC与与CNC 联系在一起的联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业专业CNC系统厂家（如系统厂家（如fanuc，siemens等）现在都采用此方式。等）现在都采用此方式。62PPT课件1996年，美国HP公司在东京日本国际机床展览会上展出了开放式数控系统OAC500；HP公司对开放式数控系统提出了12个方面的判别准则：（1）是否基于工业标准硬件平台和总线结构；（2）运动控制软件是否采用工业标准的开放操作系统；（3）能否采用流行的硬件和软件与工厂的网络相连接；（4）能否运行流行的软件而不降低机床的性能；（5）能否安装从不同商家得到的流行硬件；（6）设计或第三方开发者能否应用标准工具和文件格式、编程接口建立用户实时的应用；（7）能否修改所有级别的控制软件；（8）控制商家能否提供文件格式的开发工具，允许访问系统的所有级别？（9）对于I/O接口，控制器是否使用了标准的现场总线？（10）是否可以把控制器与不同厂家的伺服装置相连接？（11）控制器是否可以与多用户控制的网络相连接？（12）所有的编程（GUI、运动、PLC）是否采用了标准的流行的编程工具？系统平台-开发接口-二次开发63PPT课件v基于网络的数控系统 新兴发展方向，非常有利于现代先进制造技术的数字化，智能化。现代加工制造企业数字化、智能化管理基础。组织结构参考下页图：64PPT课件网络的任务主要是进行通讯，共享信息。数控机床作为车间的基本设备，它的通讯范围是：1）数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的 通信；（2）数控系统与上级主计算机间的通信；（3）与车间现场设备及I/O装置的通信，主要通过现场总线，如PROFIBUS等进行通讯；（4）通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据；（5）通过因特网与另一个工厂交换制造数据65PPT课件v提高数控系统的可靠性 可靠性是数控机床用户最为关注的问题，提高可靠性通常可采取下列一些措施：（1）提高线路的集成度。采用大规模集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件数量，精简外部连线和降低功耗。（2）建立由设计、试制到生产的完整质量保证体系。例如采取防电源干扰，输入输出隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便组织批量生产和维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面检查考核等66PPT课件v增强故障自诊断功能和保护功能。由于元器件失效、编程及人为操作失误等原因，数控系统完全可能出现故障。数控系统一般具有故障预报和自恢复功能。此外，应注意增强监控和保护功能，例如有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床或报废工件。由于采用了各种有效的增强可靠性的措施，现代数控系统的平均无故障时间可达到MTBF=1000036000小时。67PPT课件3驱动系统方面v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。数控机床发展趋势68PPT课件4.新发展的主要技术数控机床发展趋势u 伺服驱动技术是数控技术的重要组成部分。与数控装置相配合，伺服系统的静态和动态特性直接影响机床的位移速度，定位精度和加工精度。现在，直流伺服系统被交流数字伺服系统所取代；伺服电机的位置，速度及电流环都实现了数字化；并采用了新的控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应系统。前馈控制技术。前馈控制技术。过去的伺服系统，是把检测器信号与位置指令的差值乘以位置环增益作为速度指过去的伺服系统，是把检测器信号与位置指令的差值乘以位置环增益作为速度指令。这种控制方式总是存在着跟踪滞后误差，这使得在加工拐角及圆弧时加工精令。这种控制方式总是存在着跟踪滞后误差，这使得在加工拐角及圆弧时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这样使伺服系统的跟踪滞后误差大大减小。样使伺服系统的跟踪滞后误差大大减小。机械静止摩擦的非线性控制技术。机械静止摩擦的非线性控制技术。对于一些具有较大静止摩擦的数控机床，新型数字伺服系统具有补偿机床驱动系对于一些具有较大静止摩擦的数控机床，新型数字伺服系统具有补偿机床驱动系统静摩擦的非线性摩擦的非线性控制功能。统静摩擦的非线性摩擦的非线性控制功能。69PPT课件 伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用数伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用数 字闭环，字闭环，软件计算、数字调解等软件计算、数字调解等。为适应不同类型的机床，不同精度和不同速度的要求，预先调整加、减速为适应不同类型的机床，不同精度和不同速度的要求，预先调整加、减速性能或自动调整加、减速性能。性能或自动调整加、减速性能。采用高分辨的位置检测装置。采用高分辨的位置检测装置。高分辨率的脉冲编码器，内有微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大高分辨率的脉冲编码器，内有微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高，增量位置检测为提高，增量位置检测为10000p/r10000p/r（脉冲数（脉冲数/每转）以上；绝对位置检测为每转）以上；绝对位置检测为1000000p/r1000000p/r、1600000016000000以上。以上。补偿技术得到了发展和应用。补偿技术得到了发展和应用。现代数控系统都具有补偿功能，可以对伺服系统进行多种补偿，如丝杠螺现代数控系统都具有补偿功能，可以对伺服系统进行多种补偿，如丝杠螺距误差补偿，齿侧间隙补偿、轴向运动误差补偿、空间误差补偿和热变形补距误差补偿，齿侧间隙补偿、轴向运动误差补偿、空间误差补偿和热变形补偿等。偿等。采用光栅尺的全闭环系统采用光栅尺的全闭环系统矢量控制技术。矢量控制技术。数控机床发展趋势70PPT课件5.机械结构技术数控机床发展趋势为适应数数控技术的发展，机械结构也发生了很大的变化。为缩小体积，减为适应数数控技术的发展，机械结构也发生了很大的变化。为缩小体积，减少占地面积，更多地采用少占地面积，更多地采用机电一体化结构机电一体化结构。为了提高自动化程度，而采用自。为了提高自动化程度，而采用自动交换刀具，自动交换工件，主轴立、卧自动转换，工作台立、卧自动转换，动交换刀具，自动交换工件，主轴立、卧自动转换，工作台立、卧自动转换，主轴带主轴带C C轴控制，万能回转铣头，以及轴控制，万能回转铣头，以及“数控夹盘数控夹盘”，“数控回转工作台数控回转工作台”，“动力刀架动力刀架”和和“数控夹具数控夹具”等。等。为了提高数控机床的动态特性，伺服系统和主机进行很好的机电匹配。为了提高数控机床的动态特性，伺服系统和主机进行很好的机电匹配。同时主机也借助计算机进行模块化、优化设计。同时主机也借助计算机进行模块化、优化设计。设计思想的发展设计思想的发展 机床是工作母机，机床制造必须连续不断的开发新思想，满足用机床是工作母机，机床制造必须连续不断的开发新思想，满足用户对产品制造质量和效率日益提高地要求。单纯优化现有工艺和一再提户对产品制造质量和效率日益提高地要求。单纯优化现有工艺和一再提高机床的功率是远远不够的。高机床的功率是远远不够的。在新的驱动技术和运动学领域的新开发、轻型化的新材料、环在新的驱动技术和运动学领域的新开发、轻型化的新材料、环保生产、机床安全、精度和测试技术、微型制造和微型装卸技术等方面保生产、机床安全、精度和测试技术、微型制造和微型装卸技术等方面的研究值得注意。的研究值得注意。71PPT课件机床的运动分配和运动设计已经打破传统的金切机床分类机床的运动分配和运动设计已经打破传统的金切机床分类:不管是工件旋转还是刀具旋转为主运动，只要工件和刀不管是工件旋转还是刀具旋转为主运动，只要工件和刀具之间有相对运动就行，并要求这种布置为最佳。具之间有相对运动就行，并要求这种布置为最佳。机床的动力头在同一台机床上有时作传统意义上的主轴机床的动力头在同一台机床上有时作传统意义上的主轴使用，有时又作动力刀具的旋转轴使用。使用，有时又作动力刀具的旋转轴使用。在同一次装夹的情况下，上一工步工件旋转作为主运动，在同一次装夹的情况下，上一工步工件旋转作为主运动，下一步则是工件的进给运动。以下一步则是工件的进给运动。以“完全加工完全加工”的理念进行工序的理念进行工序复合和功能复合。复合和功能复合。数控机床发展趋势72PPT课件 1995年12月，提出，“数字制造”（“digital manufacturing”）将会是我们的主要工作。什么是“数字制造”呢？简单地说，就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化；DNC还可以对CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序进行传送和分级管理。DNC技术使CNC与通信网络联系在一起,还可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品；这个全过程就是数字制造。数字化制造小贴士小贴士73PPT课件END74PPT课件