数控加工技术概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,1,章数控加工技术概述,1.1,数控机床概述,1.2,数控机床的分类与数控加工的特点,1.3,数控加工技术的发展方向,第一章 数控加工技术概述,第,1,章数控加工技术概述,1.1,数控机床概述,本节主要讲解数控机床的概念、产生与发展历程、构成、工,作原理，数控技术在数控机床中的应用等。,在学习新知识前，我们先通过图片和视频了解一下数控机床,和数控加工。,1.,数控机床类型与加工范围,图片链接,2.,数控加工视频,车削加工,铣削加工,1,箱体加工,车铣加工,铣削加工,2,自动换刀,第,1,章数控加工技术概述,1.1.1,数控机床的产生与发展,科学技术的不断发展对机械产品的,品种、结构、精度、加工效率,的要求越来越高，单件、中小批量机械产品的比例越来越大（,70%-80%,），传统的通用、专用机床和工艺设备已不能适应高质量、高效率、多样化加工的要求，一种新型的数字控制机床由此诞生。,1.,数控技术的基本概念,数字控制（,Numerical Control,NC,）,:,是一种借助数字、字,符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。,第,1,章数控加工技术概述,数控技术（,Numerical Control Technology,）,:,采用数字控制,的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。数控技术就是,利用数字化信号进行控制的技术。,数控机床（,Numerical Control Machine Tools,）,是采用数字,控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它是,数控技术典型应用的例子。,2.,数控机床的产生与发展,1948,年：,美国,Pasons,公司在研制加工直升机叶片时提出数控机床设想,1949,年：,美国帕森斯公司,&,麻省理工学院研制,1952,年：,世界第一台三坐标数控铣床诞生,1955,年：,投入实用阶段,第,1,章数控加工技术概述,发展历程：,1959,-,加工中心,MC,；,1960,-,直接数字控制系统,DNC,（计算机群控系统）；,1967,-,柔性制造系统,FMS,；,1978,-,柔性制造单元,FMC,；,1990,-,计算机集成制造系统,CIMS,；,相关概念及术语：,CNC,：计算机数字控制,CAD,：计算机辅助设计,CAM,：计算机辅助制造,CAT,：计算机辅助检验,第,1,章数控加工技术概述,1.1.2,数控机床的构成与工作原理,1.,数控机床的工作原理,数控机床与普通机床相比较，其工作原理的不同之处就在于数控机床是按控制指令进行加工的。两者加工零件的,区别,如下图,:,第,1,章数控加工技术概述,数控机床加工零件的原理(过程)如下:,首先要将被加工零件的样图及工艺信息用规定的代码和程序格式编写成加工程序；,然后将所编程序指令输入到机床的数控装置中；,数控装置,再将程序进行翻译、运算后，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，,伺服机构和辅助控制装置驱动机床各个运动部件完成所需的运动，最后加工出合格零件。,第,1,章数控加工技术概述,2.,数控机床的构成,数,控机床一般由,输入,/,输出设备、数控系统、伺服系统、测量与反馈系统、机床本体,等组成。,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往往被看作数控系统中的一个子系统，输入,/,输出装置也被视为数控系统中的一个功能模块，所以现在的观点认为数控机床主要由,计算机数控系统,和,机床本体,组成，数控机床的组成框图如图所示。,第,1,章数控加工技术概述,数控机床组成,:(,数控程序,操作面板,),、输入,/,输出设备、数控系统、伺服系统、测量与反馈系统、机床本体,第,1,章数控加工技术概述,操作面板,它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。是数控机床特有部件。,组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器。,CRT,显示器,MDI,键盘,第,1,章数控加工技术概述,机床控制面板,第,1,章数控加工技术概述,程序载体,程序载体,是记录零件加工程序的媒介，如：纸带（八单位,标准穿孔纸带）、磁带或磁盘。,图片,输入输出设备,输入输出设备是,CNC,系统与外部设备进行,零件加工程序,交互,的装置。即将编制好的记录在程序载体上的零件加工程序输入,CNC,系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记,录在相应的程序载体上。,数控机床常用的程序载体和输入输出设备见表,1,：,第,1,章数控加工技术概述,表1 ：程序载体和输入输出设备表,程序载体,输入设备,输出设备,穿孔纸带,纸带阅读机,纸带穿孔机,磁带,磁带机或录音机,磁盘,磁盘驱动器,第,1,章数控加工技术概述,第,1,章数控加工技术概述,数控装置,(CNC,单元,),数控机床的核心,组成：,计算机系统、位置控制板、,PLC,，通讯接口板、,特殊功能模块以及相应的控制软件。,作用：,根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨,迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的,执行部件,(,伺服单元、驱动装置和,PLC,等,),，使整个系统有条不,紊地进行工作。,第,1,章数控加工技术概述,伺服系统,伺服单元和驱动装置,主轴伺服驱动装置和主轴电机,：,接受主轴运动指令，实现零件加,工的切削运动（速度控制）,进给伺服驱动装置和进给电机,：,接受进给运动指令，实现零,件加工的成形运动（速度和位置控制）,第,1,章数控加工技术概述,位置反馈系统（,测量装置,）,用于数控机床移动部件,位置,和,速度,测量装置。并输送给数控装置，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，使数控机床按工件加工程序要求的进给位置和速度完成加工。以实现进给伺服系统的闭环控制。,第,1,章数控加工技术概述,机床,I/O,电路和装置,测量装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数,控,装,置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,键盘,输入输出,设备,第,1,章数控加工技术概述,PLC、,机床,I/O,电路和装置,PLC,(,Programmable Logic Controller),：,用于完成与逻辑运算有关，顺序动作的,I/O,控制，它由硬件和软件组成；,功能：,接受,CNC,的,M,、,S,、,T,指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制,主轴电机的,起停、速度；,辅助装置,完成机床相应的开关动作；,机床,I/O,电路和装置：,实现输入,/,输出,(I/O),控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；,功能：,接受,操作面板,和,机床侧的,I/O,信号,，送给,CNC,装置，经其处理后，输出相应信号，控制,CNC,系统的工作状态和机床的动作。,第,1,章数控加工技术概述,机床,I/O,电路和装置,测量装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数,控,装,置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,键盘,输入输出,设备,第,1,章数控加工技术概述,PLC,CNC,第,1,章数控加工技术概述,机床本体,数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。,组成：,由,主运动部件,、,进给运动部件,（工作台、拖板以及相应,的传动机构）、,支承件,（立柱、床身等）。,机床,I/O,电路和装置,测量装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数,控,装,置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,键盘,输入输出,设备,第,1,章数控加工技术概述,1.1.3,数控技术的应用,数控技术不仅应用于机床的控制,还应用于科学技术的各个领域,如,:,数控绘图机、数控测量仪、机器人、航天航空领域等。,此外，数控机床还包括：,特殊装置,（刀具自动交换系统 、工件自动交换系统）和,辅助装置,（如排屑装置,冷却装置,润滑装置等）,第,1,章数控加工技术概述,1.2,数控加工的特点及数控机床的分类,1.2.1,数控加工的特点,1,）自动化程度高，劳动强度低,在进行数控加工中，除了开始时要进行手工装夹毛坯并输入程序之外，其余的全部加工过程都是由数控机床自动完成，直至零件加工完毕。这样不仅提高了生产的自动化程度，还简化了工人的操作难度，改善了劳动条件，使劳动强度大大降低。,2,）对加工对象的柔性好，适应性强,由于数控系统可实现多个坐标的联功控制，所以数控设备能加工普通机电设备很难加工或无法加工的复杂曲线、曲面。,当改变加工零件时，除了要解决毛坯的装夹方式和更换刀具之外，数控设备只需更换零件加工的程序，不需要作其他任何复杂的调整。,第,1,章数控加工技术概述,3,）加工精度高、质量稳定,数控设备的加工精度一般在,0.0010.01mm,之间，且不受零件复杂程度的影响。另外数控机床按所编程序自动加工，消除了生产者的人为操作误差，提高了同一批加工零件的尺寸一致性，使加工质量更稳定，产品合格率更高。,4,）加工工序相对集中，生产效率高,数控设备通常可以在一次装夹中加工出许多表面，特别是带自动换刀的,数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工,序。减少了装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间。,在数控设备上可以来用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。加上,其他辅助操作的自动化，使辅助时间大为缩短，无需工序间的检验与测,量，所以数控设备比普通的机电设备生产率高出,34,倍，甚至更高。,第,1,章数控加工技术概述,5,）易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控,由于数控机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成,CAD/CAM,一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。有利于生产管理 。,6,）加工成本高,这是由于数控机床价格高，首次加工准备周期较长，维修成本高等因素造成。,7,）维护与维修要求高,数控机床是技术密集型的机电一体化的典型产品，技术复杂，增加了电子设备的维护，需要维修人员既懂机械，又要懂微电子维修方面的知识，同时还要配备较好的维修设备。,8,）对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，对操作人员的技术水平要求高,。,第,1,章数控加工技术概述,1.2.2,数控机床的分类,1.,按照加工原理分类,1,）普通数控机床,车、铣、钻、磨、加工中心等。,2,）特种加工数控机床,电火花、线切割等。,2.,按照数控机床运动轨迹分类,1,）点位控制数控机床,2,）直线控制数控机床,3,）连续（轮廓）控制数控机床,第,1,章数控加工技术概述,特点,:,数控装置只能控制点与点的精确定位,在移动过程中不加工,对两点间的移动速度,和轨迹也没有严格要求,使用于钻床、冲床、数控测量机等,Z,Y,X,1,）点位控制数控机床,第,1,章数控加工技术概述,第,1,章数控加工技术概述,2,）直线控制数控机床,特点,:,不但能控制点与点的精确定位，还要控制两相关,点之间的移动,速度,和,路线,路线由与各个轴线平,行的直线段组成,控制的坐标轴为一个,使用于简易数控车、数控镗铣床等,第,1,章数控加工技术概述,第,1,章数控加工技术概述,3,）轮廓控制数控机床,特点,:,数控装置能够同时对,两个,或,两个以上,的坐标,轴进行连续控制（坐标轴联动），能准确控,制移动的,速度,和,位置,加工复杂形状零件,使用于数控车床、数控铣床、数控加工中心,第,1,章数控加工技术概述,第,1,章数控加工技术概述,3.,按进给伺服系统的类型分类,1,）开环控制系统,特点：,没有位置检测与反馈装置,采用步进电机,数控装置发出信号的流程是单向的,速度和加工精度低，其精度取决于伺服系统,的性能，系统稳定性好,成本低，适用于中、小型数控机床,=,t,360i,数控装置,驱动电路,指令脉冲,电机,步进电动机,工作台,第,1,章数控加工技术概述,2,）闭环控制系统,特点：,采用直线位移传感器,直接检测工作台直线位移,驱动元件：直流或交流伺服电机,利用偏差信号工作,e=0,，工作台停止,加工精度高，但结构复杂，造价高，调试维修困难,适用于精度要求高的大型和精密机床,位置控制调节器,速度控制,调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,CNC,插,补,指令,实际位置反馈,实际速度反馈,第,1,章数控加工技术概述,3,）半闭环控制系统,特点：,采用角位移检测传感器,通过检测丝杠或电动机轴旋转,的角度,间接检测工作台的直线位移,驱动元件：直流或交流伺服电机,精度低于闭环系统,系统调试较容易，稳定性也较好,位置控制调节器,速度控制,调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,CNC,插补,指令,实际位置反馈,实际速度反馈,第,1,章数控加工技术概述,1.2.3,数控机床的工作步骤,在数控机床上加工零件经过以下步骤,:,1.,准备阶段,2.,编程阶段,3.,准备信息载体,4.,加工阶段,第,1,章数控加工技术概述,1.3,数控加工技术的发展方向,现代数控加工正在向,高速化,、,高精度化,、,高柔性化,、,高一体化,、,网络化,和,智能化,等方向发展。,1),高速化,受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。,高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。因此，经高速加工的工件一般不需要精加工。,第,1,章数控加工技术概述,2),高精度化,高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度控制两方面。,提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来达到的。目前精整加工精度已提高到,0.1 m,，并进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代。,(,加工精度达,0.01 m),第,1,章数控加工技术概述,3),高柔性化,柔性是指机床适应加工对象变化的能力,。目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性和系统柔性化发展。,数控系统在,21,世纪将具有最大限度的柔性，能实现多种用途。具体是指具有,开放性体系结构,，通过重构和编辑，视需要系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统,第,1,章数控加工技术概述,4),高一体化,CNC,系统与加工过程作为一个整体，实现机电光声综合控制，,测量,、,造型,、,加工,一体化，,加工,、,实时检测,与,修正,一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。,5),网络化,实现多种通讯协议，既满足单机需要，又能满足,FMS(,柔性制造系统,),、,CIMS(,计算机集成制造系统,),对基层设备的要求。配置网络接口，通过,Internet,可实现,远程监视,和,控制加工,，进行,远程检测,和,诊断,，使维修变得简单。建立,分布式网络化制造系统,，可便于形成“全球制造”。,第,1,章数控加工技术概述,6),智能化,21,世纪的,CNC,系统将是一个高度智能化的系统。具体是指系统应在局部或全部实现,加工过程,的,自适应,、,自诊断,和,自调整,；,多媒体人机接口,使用户操作简单，,智能编程,使编程更加直观，可使用自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求等。,第,1,章数控加工技术概述,柔性好 加工精度高 能加工复杂型面 生产效率高 劳动条件好 有利于生产管理 易于建立计算机通信网络,1),数控加工的优点,数控机床价格较贵，加工成本高，提高了起始阶段的投资。技术复杂，增加了电子设备的维护，维修困难。对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，对操作人员的技术水平要求高。,2),数控加工的不足之处,数控加工的优点与不足,第,1,章数控加工技术概述,数控加工技术的主要应用对象,贵重的、不允许报废的关键零件,必须严格控制公差的零件,多品种,、小批量生产的零件,几何形状复杂的零件,新产品,的试制零件,需要最少生产周期的急需件,第,1,章数控加工技术概述,