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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,2020/4/27,#,数控机床,第四节,数控机床是数字控制,(Computer numerical control,CNC),机床的简称,是一种装有程序控制系统的自动化机床。,特点：,柔性高,加工精度高,加工质量一致性好,生产效率高,改善劳动条件,数控机床第四节数控机床是数字控制(Computer num,1,数控机床,第四节,一、数控车床,数控车床是将编好的加工程序输入到数控系统中,由数控系统通过控制车床,X,、,Z,坐标轴的伺服电动机去控制车床运动部件的动作顺序、移动量和进给速度,再配以主轴的转速和转向,便能加工出各种不同形状的轴类和盘类回转体零件,具有高精度、高效率等特点。,图,3-33,数控车床,a),卧式刀架式数控机床,b),立式刀架式数控机床,1,主轴,2,刀塔,3,尾架,4,电动机,5,丝杠,6,床身,数控机床第四节一、数控车床图3-33数控车床,2,数控机床,第四节,从结构和性能上看,数控车床,:,采用了全封闭或半封闭式防护装置,采用自动排屑装置,主轴转速高,工件装夹安全可靠,可自动换刀,主、进给传动分离,数控机床第四节从结构和性能上看,数控车床:,3,数控机床,第四节,二、加工中心,加工中心是带有刀库,可在一次装夹中通过换刀装置改变主轴上的加工刀具,能够在一定范围内对工件进行多工序加工的数字控制机床。,加工中心的综合加工能力较强,(,主要体现在它把铣削、镗削、钻削等功能集中在一台设备上,),工件在一次装夹后,按照不同的工序自动选择和更换刀具,自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能完成较多的加工内容,加工效率和加工精度均较高。,图,3-34,典型的加工中心,数控机床第四节二、加工中心图3-34典型的加工中心,4,数控机床,第四节,加工中心,主机部分,数控部分,床身、主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给结构、刀库、换刀机构和辅助系统,(,气液、润滑和冷却,),等,硬件部分,软件部分,CNC,、,PLC,、输出输入设备、主轴驱动装置、显示装置,控制程序,系统程序,数控机床第四节加工中心主机部分数控部分床身、主轴箱、工作台、,5,数控机床,第四节,按照主轴与工作台的相对位置分类：,卧式加工中心,立式加工中心,复合加工中心,万能加工中心,卧式加工中心是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心,主要适用于加工箱体类零件,如图,a,所示。,图,3-35,加工中心,a),卧式加工中心,b),立式加工中心,c),复合加工中心,(,立卧两用加工中心,),d),万能加工中心,(,五轴加工中心,),1,、,6,主轴,2,转台,3,、,8,进给系统,4,、,7,控制系统,5,刀库,9,转摆台,数控机床第四节按照主轴与工作台的相对位置分类：图3-35加,6,数控机床,第四节,立式加工中心是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心,主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件,如图,b,所示。,图,3-35,加工中心,a),卧式加工中心,b),立式加工中心,c),复合加工中心,(,立卧两用加工中心,),d),万能加工中心,(,五轴加工中心,),1,、,6,主轴,2,转台,3,、,8,进给系统,4,、,7,控制系统,5,刀库,9,转摆台,数控机床第四节立式加工中心是指主轴轴线与工作台垂直设置的加,7,数控机床,第四节,复合加工中心是指主轴能调整成立轴或卧轴以形成立卧可调式加工中心,它能对工件进行五个面的加工,如图,c,所示。,图,3-35,加工中心,a),卧式加工中心,b),立式加工中心,c),复合加工中心,(,立卧两用加工中心,),d),万能加工中心,(,五轴加工中心,),1,、,6,主轴,2,转台,3,、,8,进给系统,4,、,7,控制系统,5,刀库,9,转摆台,数控机床第四节复合加工中心是指主轴能调整成立轴或卧轴以形成,8,数控机床,第四节,万能加工中心是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化,完成复杂空间曲面加工的加工中心,又称多轴联动型加工中心,适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具等工件的加工。,图,3-35,加工中心,a),卧式加工中心,b),立式加工中心,c),复合加工中心,(,立卧两用加工中心,),d),万能加工中心,(,五轴加工中心,),1,、,6,主轴,2,转台,3,、,8,进给系统,4,、,7,控制系统,5,刀库,9,转摆台,数控机床第四节万能加工中心是指通过加工主轴轴线与工作台回转,9,数控机床,第四节,按照立柱的数量分类：,单柱式加工中心,双柱式加工中心,按照工作台的数量和功能分类：,单工作台加工中心,双工作台加工中心,多工作台加工中心,按照加工精度分类：,普通加工中心,高精度加工中心,数控机床第四节按照立柱的数量分类：,10,数控机床,第四节,加工中心具有如下特点,:,1),零件加工的适应性强、灵活性好,能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件,如模具类零件、壳体类零件等。,2),加工质量稳定可靠,加工精度高,重复精度高。,3),能加工其他机床无法加工或很难加工的零件,如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。,4),能加工一次装夹定位后,需进行多道工序加工的零件。,5),多品种、小批量生产情况下生产效率较高,能减少生产准备、机床调整和工序检验的时间,而且由于使用最佳切削量而减少了切削时间。,6),生产自动化程度高,可以减轻操作者的劳动强度,有利于生产管理自动化。,数控机床第四节加工中心具有如下特点:,11,数控机床,第四节,三、高速加工机床,1.,简介,(1),高速加工机床的性能优点,1),高速度,2),小切深,3),干式切削,4),切削力小,切削温度低,有利于延长机床和刀具的寿命,5),直接加工硬化材料,可省去电极制造,简化工艺流程,6),加工薄壁零件,可减少零件变形,优化了零件性能,7),工艺集中,数控机床第四节三、高速加工机床,12,数控机床,第四节,(2),高速机床的关键技术,硬件技术,主要是指数控机床和刀具,软件技术,主要指数控编程技术,也就是,CAM,系统,高速加工对机床的要求包括以下几个方面,:,1),主轴转速高、功率大,2),进给量和快速行程速度高,3),主轴和工作台,(,拖板,),运动的加,(,减,),速度高,4),机床要有优良的静、动特性以及热特性,5),与主要部件的高速度匹配的辅件,6),数控系统功能优良,数控机床第四节(2)高速机床的关键技术,13,数控机床,第四节,高速加工对,CAM,软件的要求：,基本要求：,安全性,验证机构,多种加工策略,轨迹编辑功能,丰富的数据接口,特殊要求：,自动生成高速加工的工艺参数,生成平滑的刀具轨迹,进给量优化,减少加工数据量,毛坯余量知识,数控机床第四节高速加工对CAM软件的要求：基本要求：特,14,数控机床,第四节,(3),高速机床的主要部件：,1),高速主轴部件,(,电主轴,),2),高速进给驱动和传动系统,3),具有高速进给控制功能的数控装置,4),高速刀具系统,5),适用于高速切削的工件装夹设备,6),动、静、热特性优良的床身、立柱及工作台等支承部件,7),其他辅件,如冷却、排屑装置,防护和监测装置等,数控机床第四节(3)高速机床的主要部件：,15,数控机床,第四节,2.,高速主轴技术,(1),简介,借助于电气传动技术,(,变频调速技术、电动机矢量控制技术等,),的现代成果,高速机床主传动的机械结构已得到极大的简化,基本上取消了带传动和齿轮传动,机床主轴由内装式电动机直接驱动,从而把机床主传动链的长度缩短为零。,这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式,称为“电主轴”,或“直接传动主轴”,。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机,故也称为“高频主轴”,。,图,3-36,电主轴典型的结构和系统组成,数控机床第四节2.高速主轴技术图3-36电主轴典型的结构和,16,数控机床,第四节,图中的冷却装置是油,-,水冷却系统,主要用于解决无外壳主轴电动机的发热问题。,图,3-37,主轴电动机的油,-,水冷却系统示意图,数控机床第四节图中的冷却装置是油-水冷却系统,主要用于解决,17,数控机床,第四节,(2),电主轴的技术参数指标,套筒直径（电主轴的主要参数）,最高转速,输出功率,转矩,刀具接口,高速电主轴重要参数,:,精度和静刚度,临界转速值,残余动不平衡值,噪声,套筒温升阈值,拉紧和松开刀具所需的力的最小值,电主轴的额定寿命值,主轴与刀具的接口规格,数控机床第四节(2)电主轴的技术参数指标高速电主轴重要参数,18,数控机床,第四节,(3),电主轴的轴承,电主轴所用轴承的性能对电主轴的使用功能和使用寿命有重要的影响,特点,:,高速回转精度高,径向和轴向刚度高,温升较小,使用寿命长,电主轴的轴承一般采用滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。,数控机床第四节(3)电主轴的轴承,19,数控机床,第四节,(4),电主轴的电动机及其驱动方式,1),普通变频器标量驱动和控制。,以,IBAG,公司的,HFK90S,型电主轴用的普通变频器为例说明。这类驱动控制特性为恒转矩驱动,输出功率和转速成正比,其转矩和功率特性如图所示。,这类驱动方式在低速时的输出功率不够稳定,不能满足低速大转矩的要求,也不具备主轴的准停和,C,轴控制功能,但价格较为便宜。主要用于在高速范围工作的电主轴,如磨削、小孔钻削及普通高速铣削的电主轴。,图,3-38,HFK90S,型电主轴的转矩,-,转速特性,图,3-39,HFK90S,型电主轴的功率,-,转速特性,数控机床第四节(4)电主轴的电动机及其驱动方式图3-38,20,数控机床,第四节,2),矢量控制驱动器的驱动和控制,以,IBAG,公司的,HF250,型电主轴的矢量控制驱动器为例说明。这种矢量控制驱动控制特性为低速端的恒转矩驱动以及中、高速端的恒功率驱动。其转矩和功率特性如图所示。,这种驱动方式又有开环和闭环控制两种方式。在闭环工作方式下,可通过主轴上的位置传感器,来实现位置和速度反馈,获得更好的动态性能,并可实现主轴准停和,C,轴控制功能。,图,3-40,HF250,型电主轴转矩特性,图,3-41,HF250,型电主轴功率与转速的关系,数控机床第四节2)矢量控制驱动器的驱动和控制图3-40HF,21,数控机床,第四节,3.,高速机床的进给系统,要求：,1),高速度,2),高加速度,3),高静态、动态精度,4),高可靠安全性,5),成本较低,数控机床第四节3.高速机床的进给系统,22,数控机床,第四节,高速机床用的进给系统,高速滚珠丝杠副传动系统 直线电动机进给驱动系统,传统的滚珠丝杠副在数控机床中应用比较广泛,但其在高速场合下,具有以下缺点,:,1),系统刚度低,2),动态特性差,3),高速下热变形严重,4),噪声大,寿命低,数控机床第四节高速机床用的进给系统高速滚珠丝杠副传动系统,23,数控机床,第四节,改进：,1),提高系统刚度,2),增大丝杠螺母的导程和螺纹线数,可以提高滚珠丝杠副的运动速度,3),强制冷却,减小热变形,4),采用新型的螺母结构,5),采用陶瓷等新材料制造滚珠,6),对螺母预紧力进行控制,7),采用螺母旋转,丝杠不动的运动方案,8),采用双电动机驱动结构,数控机床第四节改进：,24,数控机床,第四节,滚珠丝杠副传动系统在一定程度上可以满足进给系统的高速要求,但是,这类系统仍然存在以下问题,:,1),高速滚珠丝杠螺母副制造困难,成本增加,2),速度和加速度的提高有较大的限制,3),进给行程有限,(46m),4),因矢动量等非线性特性的存在,全闭环时系统稳定性较差,数控机床第四节滚珠丝杠副传动系统在一定程度上可以满足进给系,25,数控机床,第四节,4.,高速加工机床的数控系统,(1),高速加工机床数控系统的要求,1),能够高速度处理程序段,2),能够迅速、准确地处理和控制信息流,把其加工误差控制为最小,3),能够尽量减少机械的冲击,使机床平滑移动,4)
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