项目一数控车床基本知识课件

数控机床编程与操作7/30/20241项目一 数控车床基本知识 7/30/20242学习目标1.了解数控技术和数控机床的概念2.了解数控机床的发展3.掌握数控机床的工作原理4.了解数控车床结构布局5.了解数控车床分类学习重点数控机床工作原理学习难点数控机床工作原理项目一项目一 数控车床基本知识数控车床基本知识 7/30/20243随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备设备机床也相应的提出了高性能、高精度与高自动化的要机床也相应的提出了高性能、高精度与高自动化的要求。求。为了满足单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动为了满足单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量的生产要求，人们一直在寻找新的加工工具化并保证质量的生产要求，人们一直在寻找新的加工工具。采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早在采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早在20世纪世纪40年代初提出。年代初提出。从第一台数控机床问世到现在，数控技术的发展非常迅从第一台数控机床问世到现在，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领速，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民域也从航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造行业。用机械制造行业。7/30/202441.数控技术：数控技术：是数字控制（Numerical Control，NC）技术的简称。是指用数字化信号对设备运行及其加工过程进行控制的一种自动化技术,它是一种可编程的自动控制方式。随着科学技术的发展，数控系统也采用专用或通用计算机及控制软件与相关的电气元部件一起来实现数控功能，称为计算机数控（CNC）系统。2.数控机床：数控机床：装备了数控系统的机床称为数控机床。数控机床在计算机控制系统的控制下按照一定的加工指令控制主轴系统、进给系统和刀具库系统、冷却系统等辅助设备的工作。(一一)数控技术与数控机床的概念数控技术与数控机床的概念7/30/20245 数控机床的诞生是内因、外因共同作用的结果数控机床的诞生是内因、外因共同作用的结果。内在动力内在动力：零件加工的复杂程度迫切需要一种精度高、柔性好的加工设备；外在的技术基础：外在的技术基础：电子技术、计算机技术、控制技术的发展。1948年，美国帕森（Parsons）公司在研制加工直升机螺旋桨叶片轮廓用检查样板的机床时，首先提出计算机控制机床的设想，在麻省理工学院（MIT）的协助下，于1952年研制成功了世界上第一台三坐标直线插补且连续控制的立式数控铣床。用它来加工直升飞机叶片轮廓检查用样板，可做直线插补。研制成功后立即生产100台交付军工使用。在成果上显示了它是社会需求、科技水平、人员素质三者的结晶；在技术上则显示出机电一体化机床在控制方面的巨大创新。(二二)数控机床的发展数控机床的发展7/30/20246我国于1958年由清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。数控机床为数控机床为单件、小批生产的精密、复杂单件、小批生产的精密、复杂零件提供零件提供了自动化加工手段。了自动化加工手段。7/30/20247普通数控（普通数控（NCNC）阶段）阶段电子管时代（电子管时代（19521952年）年）晶体管时代（晶体管时代（19591959年）年）小规模集成电路时代（小规模集成电路时代（19651965年）年）计算机数字控制（计算机数字控制（CNCCNC）阶段）阶段小型计算机控制的计算机数控小型计算机控制的计算机数控基于个人计算机（基于个人计算机（PCPC）平台的数）平台的数控系统（称为控系统（称为PCPC数控系统）数控系统）微型机数控（微型机数控（MNCMNC）上一页上一页下一页下一页7/30/20248图1 电子管实物图TD5TD92SOT26图1 晶体管实物图7/30/20249DeltaTau PMAC IDeltaTau PMAC I型多轴运动控制卡型多轴运动控制卡 (PCI)(PCI)数控系统数控系统DeltaTau PMAC IDeltaTau PMAC I型多轴运动控制卡型多轴运动控制卡 (PC104)(PC104)7/30/202410(三三)数控机床工作原理数控机床工作原理传统观点认为数控机床由程序载体、输入输出设备、数控系统、伺服系统、机床本体等组成。但现代数控机床的数控系统都采用模块化结构，伺服系统中的伺服单元和驱动装置为数控系统中的一个子系统，输入、输出装置也为数控系统中的一个模块，所以现在的观点认为数控车床主要由计算机数控系统和机床本体组成。1.数控机床组成及其外形7/30/202411数控机床是按照编程人员编制的工件加工程序运行的。在工件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（走刀量、主轴转速等）和辅助运动等。通常编程人员将工件加工程序以一定的格式和代码存储在一种载体上，如录音磁带、软磁盘或硬盘等。通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到数控装置内。输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读入数控装置。根据程序载体的不同，输入装置可以是录音机或软盘驱动器等。数控机床还可以不用任何载体，通过数控机床操作面板上的键盘，用手工将工件加工程序输入数控装置；或者将存储在计算机硬盘上的工件加工程序传送到数控装置。1)输入装置7/30/202412数控装置是数控机床的核心。它根据输入的数据，完成数值计算、逻辑判断、输入输出控制等。数控装置一般由专用（或通用）计算机、输入输出接口板及可编程序控制器（PLC）等组成。可编程序控制器主要用于对数控车床辅助功能、主轴转速功能和刀具功能的控制。3)伺服系统伺服系统包括主轴伺服单元、进给伺服单元、机床控制线路、功率放大线路及驱动装置，它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动数控机床传动系统的运动。它的伺服精度和动态响应是影响数控机床的加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。2)计算机数控装置7/30/202413测量装置的作用是通过位置传感器将伺服电动机的角位移或数控车床执行机构的直线位移转换成电信号，输送给数控装置，使之与指令信号进行比较，并由数控装置发出指令，纠正所产生的误差，使数控车床按工件加工程序要求的进给位置和速度完成加工。5)机床本体机床本体包括：主传动系统、进给系统以及辅助装置等。对于数控加工中心，还有存放刀具的刀库、自动换刀装置（ATC）和自动托盘交换装置等。与传统的车床相比，数控车床的结构强度、刚度和抗振性，传动系统和刀具系统的部件结构，操作机构等方面都发生了很大的变化，其目的是为了满足数控技术的要求和充分发挥数控车床的效能。4)测量装置7/30/2024141)多轴控制功能控制系统可以控制坐标轴的数目指的是数控系统最多可以控制多少个坐标轴，其中包括平动轴和回转轴。基本平动坐标轴是X、Y、Z轴，基本回转坐标轴是A、B、C轴。联动轴是指数控系统按照加工的要求可以控制同时运动的坐标轴的数目。如某型号的数控机床具有X、Y、Z三个坐标轴运动方向，而数控系统只能同时控制两个坐标（XY、YZ、XZ）方向的运动，则该机床的控制轴数为3轴（称为三轴控制），而联动轴数为2轴（称为两轴联动）。2.数控系统的主要功能7/30/202415 2)插补功能 指数控机床能够实现的运动轨迹。如直线、圆弧、螺旋线、抛物线、正弦曲线等。数控机床的插补功能越强，说明加工的轮廓种类越多。3)进给功能包括快速进给（空行程移动）、切削进给、手动连续进给、点动、进给量调整（倍率开关）、自动加减速功能等性能。进给功能与伺服驱动系统的性能有很大的关系。7/30/2024164)主轴功能 可实现恒转速、恒线速度、定向停车、及转速调整（倍率开关）等功能。恒线速度指主轴可以自动变速，使得刀具对工件切削点的线速度保持不变。主轴定向停车功能主要用于数控机床在换刀、精镗等工序退刀前，对主轴进行精确定位，以便于退刀。5)刀具功能指在数控机床上可以实现刀具的自动选择和自动换刀。6)刀具补偿功能包括刀具位置补偿、半径补偿和长度补偿功能。半径补偿中有车刀的刀尖半径、铣刀半径的补偿，长度补偿中有车刀长度变化的补偿。7/30/202417 7)机械误差补偿功能指系统可以自动补偿机械传动部件因间隙产生的误差的功能。8)操作功能数控机床通常有单程序段运行、跳段执行、连续运行、试运行、图形模拟仿真、机械锁住、暂停和急停等功能，有的还有软件操作功能。9)程序管理功能指对加工程序的检索、编制、插入、删除、更名、锁住、在线编辑（即后台编辑，在执行自动加工的同时进行编辑）以及程序的存储通信等。7/30/20241810)图形显示功能 在显示器（CRT）上进行二维或三维、单色或彩色的图形显示。图形可以进行缩放、旋转，还可以进行刀具轨迹动态显示。11)辅助编辑功能如固定循环、镜像、图形缩放、子程序、宏程序、坐标轴旋转、极坐标等功能，可减少手工编程的工作量和难度。12)自诊断报警功能指数控系统对其软件、硬件故障的自我诊断能力。这项功能可以用于监视整个机床和整个加工过程是否正常，并在发生异常时及时报警。13)通讯功能现代数控系统中一般都配有RS232接口或DNC接口，可以与计算机进行信号的高速传输。高档数控系统还可与MAP或INTERNET相连，以适应FMS、CIMS的要求。7/30/2024193.数控机床的工作原理图1-1-1 数控机床的工件过程7/30/202420如图1-1-1首先根据零件图样，进行工艺分析，确定工艺方案，依据数控系统的规定指令，编制零件的加工程序。视零件结构的复杂程度，可以采用手工或计算机编程，程序较小时，可以直接在机床的操作面板的输入区域操作；程序较大时，也可以在装有程序软件的普通计算机上进行，编程软件国内一般采用模拟软件和专用软件，经过相应的后处理，生成加工程序。再通过机床控制系统上的接口或其它存储介质(软盘、光盘等)，把生成的加工程序输入到机床的控制系统中。进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变成脉冲信号。有的信号输送到机床的伺服系统，通过伺服机构处理，传到驱动装置（主轴电机、步进或交、直流伺服电机），使刀具和工件严格执行零件加工程序规定的运动；有的信号送到可编程控制器，可以控制机床的其它辅助运动，如主轴和进给运动的变速、液压或气动装夹。7/30/2024211.数控车床的用途数控车床和普通车床一样，用于加工轴类或盘类回转体零件。2.数控车床的组成及特点数控车床在结构上与普通车床很相似，仍然由床身、主轴箱、进给传动系统、刀架以及液压、冷却、润滑系统等部分组成，只是数控车床的进给系统与普通车床有着本质上的差别。(四四)数控车床结构布局数控车床结构布局7/30/2024223.数控车床的布局1)床身和导轨的布局床身和导轨的布局数控车床床身和导轨与水平面的相对位置有4种布局形式：水平床身、斜床身、水平床身斜滑板和立床身。2）刀架的布局）刀架的布局数控车床多采用回转式刀架，其布局形式有两种：一种是卧式回转刀架，其回转轴垂直于主轴，一般为4工位；另一种是立式回转刀架，其回转轴平行于主轴，有6工位、8工位、10工位、12工位等几种。7/30/202423随着现代制造技术的不断发展，数控车床的品种不断增多，一般按以下几种方法进行分类。1.按数控车床的功能分类按数控车床的功能分类 1)经济型数控车床。2)全功能型数控车床。3)车削中心。(五五)数控车床的分类数控车床的分类7/30/2024242.按主轴的配置形式分类按主轴的配置形式分类 1)卧式数控车床：主轴轴线处于水平位置的数控车床。2)立式数控车床：主轴轴线处于垂直位置的数控车床。3)具有两根主轴的车床，也称为双轴卧式数控车床或双轴立式数控车床。3.按数控系统控制的轴数分类按数控系统控制的轴数分类1)两轴控制的数控车床：机床上只有一个回转刀架,可实现两坐标轴控制。2)四轴控制的数控车床：机床上有两个独立的回转刀架,可实现四坐标轴控制。7/30/202425数控车床7/30/2024267/30/202427数控车床7/30/202428数控刀具7/30/202429单刀架通用通用X、Z二轴控制数控车二轴控制数控车7/30/2024302）X、Y、Z、C四轴控制车削中心 采用四轴三联动配置，线性轴X/Y/Z及旋转C轴，C轴绕主轴旋转。机床除具备一般的车削功能外，还具备在零件的端面和外圆面上进行铣加工的功能。刀塔7/30/202431 外圆面与端面上的再加工7/30/2024323）X、Y、Z、B、C五轴控制车削中心7/30/2024337/30/2024344)双主轴、双刀塔车削中心7/30/202435双主轴、双刀塔双主轴、双刀塔CNC车床结构示意车床结构示意 主轴主轴副主轴副主轴副主轴刀塔副主轴刀塔主轴刀塔主轴刀塔7/30/202436 加工前半部分工作过程工作过程7/30/202437 副主轴伸出7/30/202438 副主轴缩回7/30/202439 加工另一部分7/30/2024405 5）车铣加工中心）车铣加工中心 对复杂零件进行高精度的六面完整加工。可以自动进行从第1主轴到第2主轴的工件交接，自动进行第2工序的工件背面加工。具有高性能、高精度的车-铣主轴。对于以前需要通过多台机床分工序加工的复杂形状工件，可一次装夹进行全工序的加工。7/30/202441数控加工中心7/30/2024427/30/2024437/30/2024447/30/2024457/30/2024467/30/202447第一章第一章第一章第一章 概论概论概论概论7/30/2024487/30/2024497/30/2024507/30/202451锥度电火花线切割机床 7/30/202452数控电火花成型机数控电火花成型机7/30/202453快速成型设备快速成型设备7/30/202454数控多工位冲床数控多工位冲床7/30/202455数控弯管机数控弯管机7/30/202456数控卷簧机数控卷簧机7/30/2024577/30/2024587/30/2024597/30/202460米克朗（Mikron）公司生产的HSM400U5轴联动高速加工中心机床性能参数：工作范围400mm240mm350mm，主轴转速42000r/min，主轴功率13kW，进给速度X,Y,Z方向40m/min，回转速度B、C摆9001500o/s，加速度X,Y,Z方向17m/s2，回转加速度B、C摆570017200o/s2，刀柄采用HSK40，刀库为1876位。7/30/202461我国自主研发的并联机床样机我国自主研发的并联机床样机7/30/2024627/30/202463v1994年，美国 Giddings&Lewis 公司展出第一台并联运动机床：Variax 加工中心，该机床现在英国 Nottingham 大学工学院v1996年，美国 Ingersoll 公司推出VOH1000型立式加工中心和HOH600型卧式加工中心，现分别在美国国家标准与技术研究所和德国阿亨工业大学机床实验室并联运动机床并联运动机床7/30/202464VARIAX 型加工中心伸缩杆伸缩杆伸缩杆伸缩杆激光测量激光测量激光测量激光测量主轴部件主轴部件主轴部件主轴部件工作台工作台工作台工作台有效工作空间小有效工作空间小 工件装卸不方便工件装卸不方便7/30/202465VOH1000型加工中心伸缩杆伸缩杆伸缩杆伸缩杆主轴部件主轴部件主轴部件主轴部件工作台工作台工作台工作台有效工作空间小有效工作空间小 工件装卸不方便工件装卸不方便7/30/202466HOH600型加工中心伸缩杆伸缩杆伸缩杆伸缩杆主轴部件主轴部件主轴部件主轴部件工作台工作台工作台工作台工作空间小工作空间小7/30/202467 数控机床的种类与常见数控机床数控机床的种类与常见数控机床 数控机床的种类数控机床的种类 1按工艺方式分类按工艺方式分类1)1)金属切削类数控机床金属切削类数控机床这类数控机床如数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床、数控齿轮加工机床、加工中心等。尽管这些机床在加工工艺方面存在很大差异，具体的控制方法也各不相同，但它们都适合于单件、小批量和多品种的零件加工，具有很高的生产率和自动化程度。7/30/2024682)金属成型类数控机床金属成型类数控机床这类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床等。3)数控特种加工及其他类型机床数控特种加工及其他类型机床这类数控机床如数控线切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控电火花加工机床等。7/30/202469按控制方式分，最常用的数控机床可分为以下三类：1)开环数控机床开环数控机床这类数控机床采用开环进给伺服系统。其数控装置发出的指令信号是单向的，没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测，不能进行运动误差的校正，因此步进电机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。2按控制系统运动方式分类按控制系统运动方式分类7/30/202470这类机床通常为经济型、中小型机床，具有结构简单、价格低廉、调试方便等优点，但通常输出的扭矩值大小受到限制，而且当输入的频率较高时，容易产生失步，难以实现运动部件的控制，因此已不能充分满足数控机床日益提高功率、运动速度和加工精度的控制要求。图1-1是开环控制的系统框图。图1-1 开环控制的系统框图 7/30/202471 这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上，该位置检测装置可实测进给系统的位移量或位置。数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，使运动部件严格按照实际需要的位移量运动；还可利用测速元器件随时测得驱动电机的转速，将速度反馈信号与速度指令信号相比较，对驱动电机的转速随时进行修正。这类机床的运动精度主要取决于检测装置的精度，与机械传动链的误差无关，因此可以消除由于传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响。图1-2是闭环控制的系统框图。2)闭环数控机床闭环数控机床7/30/202472图1-2 闭环控制的系统框图 7/30/202473相比于开环数控机床，闭环数控机床精度更高，速度更快，驱动功率更大，但是，这类机床价格昂贵，对机床结构及传动链依然提出了严格的要求。传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性，机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试困难。闭环系统设计和调整得不好，很容易造成系统的不稳定。所以，闭环控制数控机床主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床等。7/30/202474这类机床的检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部，可间接测量执行部件的实际位置或位移。这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，控制系统的调试十分方便，因此可以获得稳定的控制特性。由于采用高分辨率的测量元件，如脉冲编码器，因此可以获得比较满意的精度与速度。半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度，但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正，因此它的位移精度比闭环系统的要低。大多数数控机床采用半闭环控制系统。图1-3是半闭环控制的系统框图。3)半闭环数控机床半闭环数控机床7/30/202475图1-3 半闭环控制的系统框图 7/30/2024763按控制系统功能水平分按控制系统的功能水平，可以把数控机床分为经济型、普及型、高级型三类，主要由技术参数、功能指标、关键部件的功能水平来决定。这些指标具体包括CPU性能、分辨率、进给速度、伺服性能、通信功能、联动轴数等。1)经济型数控机床经济型数控机床这类数控机床通常为低档数控机床，一般采用8位CPU或单片机控制，分辨率为10 m，进给速度为615 m/min，采用步进电机驱动，具有RS232接口。低档数控机床最多联动轴数为二轴或三轴，具有简单CRT字符显示或数码管显示功能，无通信功能。7/30/202477这类数控机床通常为中档数控机床，一般采用16位或更高性能的CPU，分辨率在1 m以内，进给速度为1524 m/min，采用交流或直流伺服电机驱动；联动轴数为35轴；有较齐全的CRT显示及很好的人机界面，大量采用菜单操作，不仅有字符，还有平面线性图形显示功能、人机对话、自诊断等功能；具有RS232或DNC接口，通过DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。2)普及型数控机床普及型数控机床7/30/202478这类数控机床通常为高档数控机床，一般采用32位或64位CPU，并采用精简指令集RISC作为中央处理单元，分辨率可达0.1 m，进给速度为15100 m/min，采用数字化交流伺服电机驱动，联动轴数在五轴以上，有三维动态图形显示功能。高档数控机床具有高性能通信接口，具备联网功能，通过采用MAP(制造自动化协议)等高级工业控制网络或Ethernet(以太网)，可实现远程故障诊断和维修，为解决不同类型不同厂家生产的数控机床的联网和数控机床进入FMS(柔性制造系统)和CIMS(计算机集成制造系统)等制造系统创造了条件。3)高级型数控机床高级型数控机床7/30/202479上述这种分类方式没有严格的界限，经济型数控是相对于标准数控而言的，在不同时期、不同国家的含义是不一样的。区别于经济型数控，把功能比较齐全的数控系统称为全功能数控，也称为标准型数控。7/30/2024801.实践内容：现场认知数控车床2.具体要求：1）认识数控车床的各组成部分，观察机床的布局；2）记录并分析加工现场数控车床的功能状况:机床的进给速度范围，主轴转速范围，控制轴数与联动轴数，刀架装夹刀具数，判断机床的档次；3）观察机床编程加工的全过程。二、实践训练二、实践训练7/30/202481