《数控机床概述》PPT课件.ppt

第1章数控机床概述,1.1数控机床的产生和发展1.2数控机床的特点1.3数控机床的分类1.4数控机床的基本原理和坐标系1.5数控机床的主要性能指标1.6数控机床的应用范围,数控机床主要是为了实现复杂多变零件的自动化加工而产生的。机床数控技术的产生，不仅为复杂零件的加工提供了方便，而且加工精度高，一致性好，生产效率高，能够大大减轻工人的劳动强度，因此很快受到了人们的关注。,1.1数控机床的产生和发展,数控铣床:发展最早的一种数控机床升降工作台式工作台不升降可加工复杂平面、曲面、壳体,数控车床：目前使用较广泛的数控机床,加工中心：一次装夹完成多道工序加工的数控机床,1.2数控机床的特点,与普通机床相比，数控机床具有以下特点：（1）自动化程度高，劳动强度低。数控机床能够在程序的控制下自动实现零件的加工功能，加工过程一般不需要人工干预，可大大降低工人的劳动强度。（2）加工精度高。数控机床一般采用闭环位置控制，并且可以利用软件进行间隙补偿和螺距误差补偿，因此可以获得比机床本身精度还要高的加工精度。此外，像加工中心一类的数控机床还配有刀库，具有多工序加工能力，可以实现工件的一次装夹后多道工序连续加工，从而消除了多次装夹引起的定位误差。,（3）产品一致性好。由于数控机床按照预定的加工程序自动进行加工，加工过程消除了操作者人为的操作误差，因而零件加工的一致性好。（4）能够实现复杂工件的加工。由于数控机床能够实现多轴联动，可加工出普通机床无法完成的空间曲线和曲面，因而在航空、航天领域和对复杂型面的模具加工中得到了广泛的应用。,（5）生产效率高。数控机床的刚性好，功率大，主轴转速高，进给速度范围广，平滑无级变速，容易选择较大及合理的切削用量，可以减少许多调整时间。此外，数控机床加工可免去划线工序，节省加工过程中检验时间，空行程速度远高于普通机床，因此也能省出大量的辅助时间。（6）机械传动链短，结构简单。数控机床的主传动多采用分段无级变速，主轴箱结构简单；进给采用伺服电机驱动，省去了庞杂的进给变速箱；因此，传动链短，机械结构简单。,1.3数控机床的分类,1.3.1按加工工艺及机床用途分类（1）金属切削类。金属切削类数控机床指采用车、铣、镗、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。金属切削类数控机床又可被分为两类：普通型数控机床:如数控车床、数控铣床、数控磨床等。加工中心:加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，它将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能结合在一起，零件一次装夹后，可以实现多工序加工。,数控车床,数控车床,数控铣床,数控铣床,数控加工中心,(2)金属成型类指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床，常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。（3）特种加工类特种加工数控机床包括数控切割机、数控火焰切割机、数控电火花成型机床、数控激光加工机床等。（4）其他类型的数控设备。如数控装配机、数控测量机、机器人等。,数控电火花线切割机床,1.3.2按运动轨迹分类1.点位控制数控机床这类数控机床的特点是在刀具相对于工件的移动过程中不进行切削加工，只要求刀具从一点移动到另一点并准确定位，而对运动的速度和轨迹没有严格的要求。如图1.1所示，刀具从A点到B点可以走、或中的任意一条路经。为了提高加工效率，保证定位精度，一般按照“先快后慢”的原则移动刀具，即先快速接近目标点，再低速趋近并准确定位。这类控制方式仅用于数控钻床、数控冲床等。,图1.1点位控制切削加工,2.直线控制数控机床这类数控机床不仅要控制机床刀具从一点移动到另一点，而且要沿直线轨迹以一定速度移动，移动过程中可进行切削加工，加工示例如图1.2所示。这类控制方式仅用于简易数控车床、数控铣床。,图1.2直线控制切削加工,3.轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够控制机床刀具或工件沿直线、圆弧或抛物线等曲线轨迹移动，移动过程中可进行切削加工，移动速度根据工艺要求由编程确定，可实现曲线或者曲面轮廓加工，加工示例如图1.3所示。这类数控机床具备多轴联动功能，其辅助功能也比前两类多。常见的数控铣床、数控车床、和数控加工中心都采用这种控制方式。多个坐标轴按照一定的函数关系同时协调运动，称为多轴联动。按照联动轴数，可分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动和多轴联动数控机床，如图1.4所示。二轴联动主要用于数控车床加工回转体端面、圆锥面、圆弧面等，或者用于数控铣床加工如图1.4a所示的箱板类零件的曲线轮廓。两轴半联动主要用于三轴以上控制的机床，其中二轴保持联动，另外一轴作周期进给，可加工如图1.4b所示的三维空间曲面。三轴联动主要用于数控铣床、加工中心等，用来铣削如图1.4c所示的三维空间曲面。,图1.3轮廓控制切削加工,图1.4不同联动轴数所能加工的型面(a)二轴联动；(b)二轴半联动；(c)三轴联动,多轴联动能够同时控制四个以上坐标轴联动。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高，程序编制复杂，主要应用于加工形状复杂的零件。图1.5所示为五轴联动铣削曲面零件示意图，图1.6为6轴加工中心运动坐标系示意图。,图1.5五轴联动铣削曲面零件,图1.6六轴加工中心坐标示意图,1.3.3按伺服系统的控制方式分类按伺服系统的控制方式不同可将数控机床分为开环控制、闭环控制和半闭环控制数控机床。1.开环控制数控机床这类数控机床的运动部件没有位置检测反馈装置，信号流是单向的，如图1.7所示。开环系统无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,图1.7开环控制数控机床结构,2.闭环控制数控机床这类数控机床的运动部件上安装有位置测量反馈装置，由直流或交流伺服电动机驱动，如图1.8所示。位置测量反馈装置测出工作台的实际位移量，与数控装置中的指令位移量相比较，用差值进行控制。这种控制方式可以消除包括工作台传动链在内的传动误差，因此具有很高的运动控制精度。但制造成本较高，因而仅用于镗铣床、超精车床、超精磨床等。,图1.8闭环控制数控机床结构,3.半闭环控制数控机床将位置检测元件安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位移，与数控装置中的指令位移量相比较，实现差值控制，构成如图1.9所示的半闭环控制。由于闭环内不包含机械传动链，因而其控制精度略低于闭环控制，但半闭环控制的稳定性好，调试方便，制造成本低，因此，其实际应用较广泛。,图1.9半闭环控制数控机床结构图,1.3.4按功能水平分类按功能水平可分为经济型、普及型和高级型三种。(1)经济型数控机床该系统采用8位CPU或单片机控制，分辨率0.01mm，进给速度在6-8m/min，采用步进电动机驱动，具有RS232接口，联动轴数在3轴以下，具有简单的CRT字符显示或数码管显示功能。(2)普及型数控机床该系统采用16位或更高性能的CP,分辨率在0.001mm以内，进给速度24m/min，采用交流或直流伺服电动机驱动，具有RS232或DNC接口，联动轴数在5轴以下，具有CRT字符显示和平面线性图形显示功能。,3)高级型数控机床该系统采用32位或更高性能的CPU，分辨率0.0001mm，进给速度24m/min，采用数字化交流伺服电动机驱动，具有MAP（ManufacturingAutomationProtocol）高性能通信接口，具备联网功能，联动轴数在5轴以上，有三维动态图形显示功能。,1.3.5按所用数控装置的不同分类有NC硬件数控和CNC软件数控机床。(1)NC硬件数控机床。它是早期20世纪5060年代采用的技术，其计算控制多采用逻辑电路板等专用硬件的形式。要改变功能时，需要改变硬件电路，因此通用性差，制造维护难，成本高。(2)CNC软件数控机床。它是伴随着计算机技术而发展起来的。其计算控制的大部分功能都是通过小型或微型计算机的系统控制软件来实现的。不同功能的机床其系统软件就不同。当需要扩充功能时，只需改变系统软件即可。,1.4数控机床的基本原理和坐标系,1.4.1数控机床的基本原理1.数控机床的工作过程数控机床是用数字信息进行控制的机床。它用数字代码将刀具相对工件移动的轨迹、速度等信息记录在程序介质上，然后送入数控系统经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件。其基本过程如图1.10所示。,图1.10数控加工过程示意图,2.数控机床的组成如图所示，数控机床由输入/输出设备、数控系统、伺服驱动装置和机床本体等几部分组成。,(1)输入/输出设备在加工过程中，操作人员要向机床数控装置输入操作命令，数控装置也要为操作人员显示必要的信息，如坐标值、报警信号等。数控机床必须要有人机交互设备。键盘和显示器是数控机床常用的输入输出设备。也可以把程序编制好后，存放在穿孔纸带或磁带等介质上，然后由纸带阅读机或磁带机输入数控系统。数控机床程序输入的方法除上述的磁盘、磁带和穿孔纸带外，还可以用串行通信的方式输入。随着CADCAM、CIMS技术的发展机床数控系统和计算机的通信显得越来越重要。,(2)CNC装置CNC装置是数控机床的核心部件。组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：它的主要功能是将输入设备传送的数控加工程序，经数控装置系统软件进行译码、插补运算和速度预处理，产生位置和速度指令以及辅助控制功能信息等。,(3)伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机测量装置位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）,(4)PLC、机床I/O电路和装置PLC：用于控制机床顺序动作，完成与逻辑运算有关的开关量I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：实现开关量I/O控制的执行部件，即由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等电器组成的逻辑电路；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，控制辅助装置完成机床相应开关动作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，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。,(5)机床本体机床本体：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）以及特殊装置（刀具自动交换系统、工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。,与普通机床相比，数控机床本体具有以下特点：（1）采用了高性能主轴部件及传动系统，机械传动结构简单。（2）机械结构具有较高刚度和耐磨性，热变形小。（3）更多地采用了高效传动部件，如滚珠丝杠、静压导轨、滚动导轨等。,1.4.2数控机床的坐标系该标准规定，数控机床采用右手直角笛卡尔坐标系，如图1.12所示。基本直角坐标轴X、Y、Z三者的关系及其正方向按右手定则判定，围绕X、Y、Z各轴作旋转运动的轴A、B、C三者的正方向按右螺旋法则判定。,图1.12右手直角笛卡尔坐标系,该标准还规定，增大工件与刀具之间距离（即增大工件尺寸）的方向为正方向；Z轴为平行于机床主轴的坐标轴，如果机床有一系列主轴，则选尽可能垂直于工件装卡面的主要轴为Z轴；X轴为水平或者平行于工件装卡平面的轴；其余各轴根据右手定则和右螺旋法则确定。图1.13和图1.14所示为卧式车床和立式铣床的坐标系。,图1.13卧式车床坐标系,图1.14立式铣床坐标系,1.5数控机床的主要性能指标,1.5.1数控机床的运动性能指标（1）主轴转速数控机床主轴一般采用直流或交流电动机驱动，选用高速精密轴承支承，具有较宽的调速范围和较高的回转精度、刚度及抗震性。目前，数控机床主轴转速已普遍达到5000-10000r/min。（2）进给速度进给速度是影响加工质量、生产效率和刀具寿命的主要因素，它受数控装置的运算速度、机床动态特性及刚度安等因素限制。目前数控机床的进给速度可达到10-30m/min。,(3)坐标行程数控机床坐标轴X、Y、Z等的行程大小构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。行程是直接体现机床加工能力的指标参数。数控车床有最大回转直径、最大车削直径等指标参数；数控铣床有工作台尺寸、工作台行程等指标参数。（4)刀库容量和换刀时间刀库容量和换刀时间对数控机床的生产效率有直接影响。刀库容量是指刀架位数或刀库能存放刀具的数量，目前，常见的小型加工中心的刀库容量为16-60把，大型加工中心的可达100把以上。换刀时间是指将正在使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需要的时间，目前一般数控机床的换刀时间为10-20s,高档机床的换刀时间仅为4-5s。,1.5.2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是指数控机床工作台等移动部件实际运动位置与指令位置的一致程度，其不一致的差量即为定位误差。重复定位精度是指在相同的操作方法和条件下，多次完成规定操作后得到结果的一致程度。一般数控机床的定位精度为0.01mm,重复定位精度为0.005mm。2.分辨率与脉冲当量分辨率是指可以分辨的最小位移间隔。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小位移；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量。脉冲当量是指数控装置每发出一个脉冲信号，机床位移部件所产生的位移量。普通数控机床的脉冲当量一般为0.001mm。,3.分度精度分度精度是指分度工作台在分度时，实际回转角度与指令回转角度的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。表1.2所示为几种数控机床的精度指标。,表1.2几种数控机床的精度指标,1.5.3数控机床的可控轴数与联动轴数可控轴数是指数控系统能够控制的坐标轴数目。该指标与数控系统的运算能力、运算速度以及内存容量等有关。目前，高档数控系统的可控轴数已多达24轴。联动轴数是指按照一定的函数关系同时协调运动的轴数，目前常见的有二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。联动轴数越多，其空间曲面加工能越强。如五轴联动数控加工中心可以用来加工宇航中使用的叶轮、螺旋桨等零件。,1.6数控机床的应用范围,数控机床的确具有普通机床所不具备的许多优点。而且它的应用范围还在不断扩大，但是在目前还不能完全取代普通机床，也就是说，它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。为了更好地说明这个问题，有必要先初步了解一下采用数控机床加工的优缺点。,数控加工的优点自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度加工的零件一致性好，质量稳定生产效率较高便于产品研制便于实现计算机辅助制造。,数控加工的缺点任何事物都是两重性。数控加工虽有上述各种优点，同时在某些方面也存在不足之处：单位加工成本较高。只适宜于多品种小批量或中批量生产（占机械加工总量70%80%）。加工中的调整相对复杂。维修难度大。,数控加工的适应性根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为下列三类：最适应类对于下述零件，首先应考虑能不能把它们加工出来，即要着重考虑可能性问题。只要有可能，可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理，都应把对其进行数控加工作为优选方案。,1)用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件；2)形状复杂，加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；3)具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；4)必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。,较适应类这类零件在分析其可加工性以后，还要在提高生产率及经济效益方面作全面衡量，一般可把它们作为数控加工的主要选择对象。1)在通用机床上加工时极易受人为因素（如：情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；2)在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；,3)需要多次更改设计后才能定型的零件；4)在通用机床上加工需要作长时间调整的零件；5)用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。,不适应类下述一类零件采用数控加工后，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，还可能弄巧成拙或得不偿失，故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象。装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；生产批量大的零件（当然不排除其中个别工序用数控机床加工）；必须用特定的工艺装备协调加工的零件。,根据上述数控加工的适应性，我们就可以根据所拥有的数控机床来选择加工对象，或根据零件类型来考虑哪些应该先安排数控加工，或从技术改造角度考虑，是否要投资添置数控机床。,航空业,汽车工业,模具制造,零件制造,现场教学安排,下次课到学校数控实训基地参观各类数控设备的结构及其加工零件的运动过程，并建议到图书馆、阅览室了解机械及数控加工等方面的书籍及杂志，上网查询数控机床的最新动向和技术。,习题,1.1什么叫数控系统？什么叫数控机床？1.2数控机床有何特点？适应于哪些类型的零件加工？1.3简述点位控制、直线控制、轮廓控制的区别。1.4简述开环、闭环、半闭环控制的特点。1.5数控机床由哪些部分组成，各起什么作用？1.6数控机床的坐标系是如何规定的？1.7什么叫二轴半联动数控机床?1.8数控机床的档次是如何划分的？什么是经济型数控机床？,