數(shù)控技術(shù)第1章課件

1、數(shù) 控 技 術(shù)第1章 緒 論1.1數(shù)控機(jī)床1.1.1 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床 什么是數(shù)控？ 數(shù)控是數(shù)字控制（Numerical control）的簡稱，是近代發(fā)展起來的用數(shù)字化信息進(jìn)行控制的自動(dòng)控制技術(shù)。 在機(jī)床領(lǐng)域是指用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法。 金屬切削機(jī)床及其它各類機(jī)床，如線切割機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等 采用數(shù)字控制技術(shù)的控制系統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為“數(shù)控機(jī)床”或“NC機(jī)床”。CNCNC數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)加工程序零件圖 數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)床1.1.2 數(shù)控機(jī)床的組成輸入設(shè)備計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置（CNC裝置）可編程控制器（PLC）主軸伺服單元進(jìn)給伺服單元輸出設(shè)備主

2、軸電機(jī)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)裝置機(jī)床本體操作面板1.1.3 數(shù)控機(jī)床加工特點(diǎn) 柔性好零件加工精度高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可加工復(fù)雜形狀的零件生產(chǎn)效率高易于建立計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò) 所謂的柔性即適應(yīng)性，是指數(shù)控機(jī)床隨生產(chǎn)對(duì)象變化而變化的適應(yīng)能力。 數(shù)控系統(tǒng)取代了通用機(jī)床的手工操作，具有充分的柔性，只要重新編制零件程序，更換相應(yīng)工裝，就能加工出新的零件。 因而用數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)，準(zhǔn)備周期短，靈活性強(qiáng)，特別適合小批量、單件零件的加工，有利于產(chǎn)品的升級(jí)和新產(chǎn)品的試制。 1）數(shù)控機(jī)床有較高的加工精度，而且加工精度不受零件形狀復(fù)雜程度的影響。 2）數(shù)控機(jī)床是按預(yù)先編制好的加工程序進(jìn)行工作的，加工過程中無須人的參與與調(diào)整，消除了

3、操作者的人為誤差，提高了同批零件加工的一致性，使產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定。3）數(shù)控機(jī)床可以通過在線自動(dòng)補(bǔ)償（實(shí)時(shí)補(bǔ)償）技術(shù)消除或減少熱變形、力變形和刀具磨損的影響，使加工精度的一致性得到了保證。 當(dāng)然數(shù)控機(jī)床在某些方面也有不足之處： 1）數(shù)控機(jī)床價(jià)格較貴，設(shè)備初期投資大，加工成本高。2）技術(shù)復(fù)雜，增加了電子設(shè)備的維護(hù)，維修困難。 3）對(duì)工藝和編程要求較高，加工中難以調(diào)整，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求較高。 由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，增加了維修的技術(shù)難度和維修費(fèi)用。 由于數(shù)控機(jī)床的上述特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床最適合加工以下零件： 1）幾何形狀復(fù)雜的零件2）多品種、小批量生產(chǎn)的零件 3）必須嚴(yán)格控制公差的零件。4）貴重的、

4、不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件。 1.1.4 數(shù)控機(jī)床的主要性能指標(biāo) 精度定位精度分辨率重復(fù)定位精度可控軸數(shù)與聯(lián)動(dòng)軸數(shù)運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)主軸轉(zhuǎn)速行程進(jìn)給速度1.2 數(shù)控機(jī)床的分類 1.2.1 按工藝用途分類 金屬切削類機(jī)床 數(shù)控車、鉆、銑、磨床、鏜及加工中心。金屬成型類機(jī)床特種加工機(jī)床其他類型的數(shù)控設(shè)備數(shù)控折彎機(jī)、組合沖床、彎管機(jī)、回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。數(shù)控線切割、電火花加工、火焰切割機(jī)、激光切割機(jī)床、專用組合機(jī)床等。自動(dòng)裝配機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、自動(dòng)繪圖機(jī)和工業(yè)機(jī)器人等。1.2.2 按功能水平分類低檔中檔高檔分辨率和進(jìn)給速度10m 815 m/min1m 1524m/min0.1m 15100 m/min伺服進(jìn)給類型

5、開環(huán)半閉環(huán)閉環(huán)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)23軸35軸5軸以上通信功能無RS232或DNCMAP顯示功能字符二維三維內(nèi)置PLC無有有主CPU8或1632641.2.3 按機(jī)床控制的運(yùn)動(dòng)軌跡分類 1點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 2直線控制數(shù)控機(jī)床3輪廓控制數(shù)控機(jī)床 1.2.4 按伺服系統(tǒng)的控制方式分類 1開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床2閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。（1）全閉環(huán)控制（2） 半閉環(huán)控制1.3 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展1.3.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展發(fā)展的基礎(chǔ)普通機(jī)床發(fā)展的原始動(dòng)力軍事工業(yè)需求發(fā)展的動(dòng)力民用工業(yè)對(duì)高精度、高效率、柔性化及批量生產(chǎn)的要求發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 促進(jìn)發(fā)展的動(dòng)力二戰(zhàn)后的軍備競(jìng)賽。 1948年，美國

6、帕森（Parsons）公司在研制加工直升機(jī)螺旋槳葉片輪廓用檢查樣板的機(jī)床時(shí)，首先提出計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想。 1949年在麻省理工學(xué)院（MIT）的協(xié)助下開始數(shù)控機(jī)床的研究； 1952年研制成了第一臺(tái)三坐標(biāo)直線插補(bǔ)立式數(shù)控銑床。 這是第一代數(shù)控系統(tǒng)，即電子管時(shí)代。 標(biāo)志著數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生。 1959年，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入第二代晶體管時(shí)代。 1959年，美國克耐杜列克公司成功開發(fā)了帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為“加工中心” 。 1960年開始，美國、德國、日本等開始開發(fā)、生產(chǎn)和使用數(shù)控機(jī)床，數(shù)控技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段 。 1965年，數(shù)控系統(tǒng)從而發(fā)展到第三代集成電路時(shí)代。 以上三代數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)都是靠

7、硬件實(shí)現(xiàn)的，是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的第一階段，稱之為普通數(shù)控系統(tǒng)（NC）。 1970年小型計(jì)算機(jī)開始用于數(shù)控系統(tǒng)，稱之為第四代，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入第二階段，即計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）階段。 1974年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第五代，即微型機(jī)數(shù)控（MNC）系統(tǒng)。 從90年代開始，基于個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入第六代。1.3.2 我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 1958年，由清華大學(xué)和北京第一機(jī)床廠合作研制了我國第一臺(tái)數(shù)控銑床。 1966年研制成功晶體管并用于數(shù)控系統(tǒng)； 1972年研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)，出現(xiàn)了線切割機(jī)、數(shù)控銑床等產(chǎn)品。 但由于歷史的原因，一直沒

8、有取得實(shí)質(zhì)性成果。數(shù)控機(jī)床的品質(zhì)和數(shù)量都很少，穩(wěn)定性和可靠性也比較差，只在一些復(fù)雜的、特殊的零件加工中使用。 20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)先后從日本、德國、美國等國引進(jìn)了一些CNC裝置及主軸、伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)，這些數(shù)控系統(tǒng)性能比較完善，穩(wěn)定性和可靠性都比較好，在數(shù)控機(jī)床上采用后，得到了用戶的認(rèn)可，從而結(jié)束了數(shù)控機(jī)床發(fā)展徘徊不前的局面，推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。 到20世紀(jì)90年代初，國內(nèi)的數(shù)控機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn)具有了一定的規(guī)模。2003年開始，中國已成為全球最大的機(jī)床消費(fèi)國，也是世界上最大的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國。 1國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國際先進(jìn)水平差距逐漸縮小 國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展經(jīng)歷了30年跌宕起伏，已經(jīng)由成

9、長期進(jìn)入了成熟期，覆蓋超重型機(jī)床、高精度機(jī)床、特種加工機(jī)床、鍛壓設(shè)備、前沿高技術(shù)機(jī)床等領(lǐng)域，產(chǎn)品種類可與日、德、意、美等國并駕齊驅(qū)。 特別是在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、超重型數(shù)控機(jī)床、立式和臥式加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床領(lǐng)域，部分技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 2國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床存在的問題 由于國內(nèi)技術(shù)水平和工業(yè)基礎(chǔ)還比較落后，數(shù)控機(jī)床的性能、水平和可靠性與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，差距還是很大，尤其是數(shù)控系統(tǒng)的控制可靠性還較差，數(shù)控產(chǎn)業(yè)尚未真正形成，核心技術(shù)嚴(yán)重缺乏。 數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)數(shù)控系統(tǒng)，包括顯示器、伺服控制器、伺服電機(jī)和各種開關(guān)、傳感器，90%需要國外進(jìn)口。國內(nèi)能做的中、高端數(shù)控機(jī)床，更多處于組

10、裝和制造環(huán)節(jié)，普遍未掌握核心技術(shù)。國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵技術(shù)主要依賴進(jìn)口，國內(nèi)真正大而強(qiáng)的企業(yè)并不多。 目前世界最大的3 家廠商是：日本發(fā)那科、德國西門子、日本三菱；其余還有法國扭姆、西班牙凡高等。國內(nèi)有華中數(shù)控、航天數(shù)控、廣州數(shù)控等。 國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)剛剛開始產(chǎn)業(yè)化、水平質(zhì)量一般，高檔次的系統(tǒng)全都是進(jìn)口。 數(shù)控功能部件是另外一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的主要故障大多出在功能部件上，它是影響國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床使用的主要根源。 特別是數(shù)控刀具滯后現(xiàn)象反映相當(dāng)強(qiáng)烈。國產(chǎn)數(shù)控刀具在壽命、可靠性等方面差距明顯，無論在品種、性能和質(zhì)量上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶要求。1.3.3 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)及研究方向1高速

11、高精加工技術(shù) 進(jìn)給速度和快速進(jìn)給速度： 100240m/min 數(shù)控金切機(jī)床的加工精度： 絲級(jí)（0.01mm）提升到微米級(jí)（0.001mm），有些品種已達(dá)0.05m左右。 超精密數(shù)控機(jī)床微細(xì)切削和磨削加工： 精度可穩(wěn)定達(dá)0.05m左右，形狀精度可達(dá)0.01m左右。 采用光、電、化學(xué)等能源的特種加工精度可達(dá)到納米級(jí)（0.001m）。 通過機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償技術(shù)，提高機(jī)床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進(jìn)入亞微米、納米級(jí)超精加工時(shí)代。 2 復(fù)合加工 “一臺(tái)機(jī)床就是一個(gè)加工廠” “一次裝卡，完全加工”什么

12、是復(fù)合機(jī)床？ 多功能復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床簡稱，或稱為多功能加工或完全加工機(jī)床。復(fù)合機(jī)床的含義： 是在臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的全部加工。 從20世紀(jì)70年代以來，出現(xiàn)了鏜銑加工的加工中心和車削中心。 3可靠性 數(shù)控機(jī)床的故障率一直是影響數(shù)控機(jī)床品質(zhì)的一個(gè)重要問題。 通常用平均無故障時(shí)間（以MTBF表示）的長短來衡量它的可靠性。數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)比較： 增加了數(shù)控系統(tǒng)、伺服控制單元以及自動(dòng)化功能部件和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓、氣動(dòng)元件和機(jī)電裝置。結(jié)果： 導(dǎo)致出現(xiàn)失效概率的增大。措施： 進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。 4智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)（1） 智能

13、化 1） 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 2） 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 3） 引入故障診斷專家系統(tǒng) （2） 開放式 所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的品牌產(chǎn)品。（3）網(wǎng)絡(luò)化 （4）并聯(lián)機(jī)床 并聯(lián)機(jī)床（Parallel Machine Tools）是世界上近年來逐漸興起的一種新型制造設(shè)備，又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床（Parallel Structured Machine Tools）、虛擬軸機(jī)床（Virtual Axis Machine Tools），也稱為六條腿機(jī)床、六足蟲（Hexapods）。 國際上一般稱為Parallel Kinematic Machine（PKM）。 并聯(lián)機(jī)床是基于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)Stewart平臺(tái)原理開發(fā)的，是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與機(jī)床結(jié)合的產(chǎn)物，是空間機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械制造、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品。 傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床，是屬于數(shù)學(xué)簡單而機(jī)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)床，并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床則機(jī)構(gòu)簡單而數(shù)學(xué)復(fù)雜，整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)牽涉到相當(dāng)龐大的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、裝配和測(cè)量多種功能，更能滿足復(fù)雜特種零件的加工。 這種新型機(jī)床完全打