數(shù)控機(jī)床概述課件

1、第一章 數(shù)控機(jī)床概述 1.1 數(shù)控機(jī)床的基本工作原理1.2 數(shù)控機(jī)床分類 1.3 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況 練習(xí)與思考 1.1 數(shù)控機(jī)床的基本工作原理 一、數(shù)控機(jī)床的組成 二、數(shù)控機(jī)床加工的基本工作原理 三、數(shù)控機(jī)床加工特點(diǎn) 四、數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 數(shù)控機(jī)床主要由以下幾個(gè)部分組成：機(jī)床本體 數(shù)控系統(tǒng) （CNC裝置） 驅(qū)動(dòng)裝置 輔助裝置 一、數(shù)控機(jī)床的組成 機(jī)床本體 是數(shù)控機(jī)床加工運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部分，主要包括支承部件（床身、立柱等）、主運(yùn)動(dòng)部件（主軸箱）、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（工作臺(tái)滑板、刀架）等。數(shù)控系統(tǒng) （CNC裝置） 是數(shù)控機(jī)床的控制核心，一般是一臺(tái)專用的計(jì)算機(jī)。 驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分，包括主

2、軸電機(jī)、進(jìn)給伺服電機(jī)等。輔助裝置 指數(shù)控機(jī)床的一些配套部件，包括刀庫、液壓、氣動(dòng)裝置、冷卻系統(tǒng)、排屑裝置、夾具、換刀機(jī)械手等。 加工程序計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置(CNC）主軸電機(jī)機(jī)床本體進(jìn)給電機(jī)位置檢測速度控制單元主軸控制單元可編程控制器(PLC)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)基本工作流程1數(shù)控系統(tǒng)即位置控制系統(tǒng)的三個(gè)基本功能1）輸入功能 指零件加工程序和各種參數(shù)的輸入。2）插補(bǔ)功能 在加工零件的實(shí)際輪廓或軌跡的已知點(diǎn)之間確定一些中間點(diǎn)的方法。通常在給定直線或圓弧的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行密化。3）伺服控制 將計(jì)算機(jī)送出的位置進(jìn)給脈沖或進(jìn)給速度指令，經(jīng)變換和放大后化為伺服電機(jī)（步進(jìn)或直、交流電機(jī)）的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)

3、移動(dòng)。 2數(shù)控系統(tǒng)的工作過程對(duì)輸入的零件加工程序、控制參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)等進(jìn)行識(shí)別和譯碼，并執(zhí)行所需要的邏輯運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的指令脈沖，控制機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置，操作機(jī)床實(shí)現(xiàn)預(yù)期的加工功能。 3. 主軸控制單元 主要控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 4. 進(jìn)給控制單元 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置是由交、直流電機(jī)、速度檢測元件和速度控制元件組成。速度控制單元主要控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 5. 可編程邏輯控制器 是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。PLC處于計(jì)算機(jī)控制裝置與機(jī)床之間，對(duì)計(jì)算機(jī)控制裝置和機(jī)床的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)輔助功能M、主軸轉(zhuǎn)速S及刀具功能T的控制和譯碼。即按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序

4、對(duì)諸如主軸的啟停、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、刀具的更換、工件的夾緊松開、液壓、冷卻、潤滑、氣動(dòng)等進(jìn)行控制。 二、數(shù)控機(jī)床加工的基本工作原理數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，是根據(jù)工件圖樣要求及加工工藝過程，將所用刀具及機(jī)床各部件的移動(dòng)量、速度及動(dòng)作先后順序、主軸轉(zhuǎn)速、主軸旋轉(zhuǎn)方向及冷卻等要求，以規(guī)定的數(shù)控代碼形式，編制成程序單，并輸入到機(jī)床專用計(jì)算機(jī)中。然后，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的指令，進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種信號(hào)和指令，控制機(jī)床各部分進(jìn)行規(guī)定的位移和有順序的動(dòng)作，加工出各種不同形狀的工件。 三、數(shù)控機(jī)床加工特點(diǎn) 1. 適應(yīng)性強(qiáng) 2. 精度高 3. 效率高 4. 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件 1.適應(yīng)性強(qiáng)靈活、通用、萬

5、能，可加工不同形狀的工件。能完成鉆、鏜、锪、鉸、銑削、車削、攻螺紋等加工。 2.精度高目前數(shù)控裝置的脈沖當(dāng)量（每輸出一個(gè)脈沖后滑板的移動(dòng)量稱為脈沖當(dāng)量）一般為0.001mm，高精度的數(shù)控系統(tǒng)可達(dá)0.0001mm。而切削進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償，因此，數(shù)控機(jī)床能達(dá)到比較高的加工精度，一般可達(dá)0.0050.1mm。對(duì)于中、小型數(shù)控機(jī)床，定位精度普遍可達(dá)到0.03mm，重復(fù)定位精度為0.01mm。數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)加工方式不但可避免人工操作誤差，工件加工的質(zhì)量穩(wěn)定，更重要的是可進(jìn)行復(fù)雜曲面的加工。 3.效率高與普通機(jī)床相比可提高生產(chǎn)效率35倍。對(duì)于復(fù)雜成型面的加工，生產(chǎn)

6、效率可提高十倍，甚至幾十倍。 4.減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，只需按圖樣要求編制加工程序，然后輸入并調(diào)試程序，安裝坯件進(jìn)行加工，觀察監(jiān)視加工過程并裝卸零件。除此之外，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度與緊張程度可大為減輕，勞動(dòng)條件也相應(yīng)得到改善。 數(shù)控機(jī)床是一種高度自動(dòng)化的機(jī)床，有一般機(jī)床所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，所以數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，但數(shù)控機(jī)床的技術(shù)含量高，成本高，使用維修都有一定難度，若從最經(jīng)濟(jì)的方面考慮，數(shù)控機(jī)床適用于加工：1多品種小批量零件（合理生產(chǎn)批量為10100件之間）；2.結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精度要求較高或必須用數(shù)學(xué)方法確定的復(fù)雜曲線、曲面等零件 。四、數(shù)

7、控機(jī)床的應(yīng)用范圍3需要頻繁改型的零件；4鉆、鏜、鉸、锪、攻絲及銑削工序聯(lián)合進(jìn)行的零件，如箱體、殼體等；5價(jià)格昂貴，不允許報(bào)廢的零件；6要求百分之百檢驗(yàn)的零件；7. 需要最小生產(chǎn)周期的急需零件 。1.2 數(shù)控機(jī)床分類 一、按控制刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡分類 二、按加工方式分類 三、按控制坐標(biāo)軸數(shù)分類 四、按驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制方式分類 一、按控制刀具與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡分類點(diǎn)位控制（Point to Point Control ） 或位置控制（Positioning）數(shù)控機(jī)床 輪廓控制Contouring Control數(shù)控機(jī)床 1點(diǎn)位控制（Point to Point Control ） 或位置控制（P

8、ositioning）數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床只能控制工作臺(tái)或刀具從一個(gè)位置精確地移動(dòng)到另一位置，在移動(dòng)過程中不進(jìn)行加工，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸可以同時(shí)移動(dòng)，也可以依次移動(dòng)見圖1-3（a）。如數(shù)控鏜、鉆、沖，數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)及數(shù)控折彎機(jī)等均屬次類機(jī)床。 2. 輪廓控制（Contouring Control ）數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床能夠同時(shí)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸進(jìn)行連續(xù)控制，具有插補(bǔ)功能，工作臺(tái)或刀具邊移動(dòng)邊加工見圖1-3（b）（c）。如數(shù)控銑、車、磨及加工中心等是典型的輪廓控制數(shù)控機(jī)床，數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控線切割及數(shù)控繪圖機(jī)等也都采用輪廓控制系統(tǒng)。二、按加工方式分類1.金屬切削類： 如數(shù)控車、鉆、鏜、銑、磨、加工中心等。

9、2.金屬成型類： 如數(shù)控折彎機(jī)、彎管機(jī)、四轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。3.特殊加工類： 如數(shù)控線切割、電火花、激光切割機(jī)等。4.其他類： 如數(shù)控火焰切割機(jī)、三坐標(biāo)測量機(jī)等。三、按控制坐標(biāo)軸數(shù)分類1.兩坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床：兩軸聯(lián)動(dòng)，用于加工 各種曲線輪廓的回轉(zhuǎn)體，如數(shù)控車床。2.三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床：三軸聯(lián)動(dòng)，多用于加工曲面零件，如數(shù)控銑床、數(shù)控磨床。3.多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床：四軸或五軸聯(lián)動(dòng)，多用于加工形狀復(fù)雜的零件。圖1-4為兩種不同類型的四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。 四、按驅(qū)動(dòng)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（Closed Loop Control）數(shù)控機(jī)床 3. 半閉環(huán)控制（Semi-closed Loo

10、p Control）數(shù)控機(jī)床 1.開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床工作原理如圖1-5所示：指令脈沖 驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī) 機(jī)床工作臺(tái)這類機(jī)床不帶位置檢測反饋裝置，通常使用功率補(bǔ)進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，數(shù)控裝置輸出的脈沖通過環(huán)形分配器和驅(qū)動(dòng)電路，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的步距角。再經(jīng)過減速齒輪帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，最后轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線位移。其反應(yīng)快，調(diào)試方便，比較穩(wěn)定，維修簡單。但系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)部件的誤差沒有補(bǔ)償和校正，步進(jìn)電機(jī)的步距誤差、齒輪與絲杠等的傳動(dòng)鏈誤差都將反映到被加工零件的精度中去，所以精度比較低。此類數(shù)控機(jī)床多為經(jīng)濟(jì)類機(jī)床。2閉環(huán)控制（Closed Loop Control）數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床帶有檢測反饋裝

11、置，位置檢測器安裝在機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件上，加工中將監(jiān)測到的實(shí)際運(yùn)行位置值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位置相比較，用差值對(duì)移動(dòng)部件進(jìn)行控制，其精度高。從理論上說，閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度主要取決于檢測裝置的精度，但這并不意味著可以降低機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)鏈的要求，傳動(dòng)系統(tǒng)的剛性不足及間隙、導(dǎo)軌的爬行等各種因素將增加調(diào)試的困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使閉環(huán)控制系統(tǒng)的品質(zhì)下降甚至引起振蕩。故閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大的難度，此類機(jī)床主要用于一些精度要求較高的鏜銑床、超精車床和加工中心等。工作原理如圖1-6。3半閉環(huán)控制（Semi-closed Loop Control）數(shù)控機(jī)床與閉環(huán)控制不同的是，檢測元件安裝在電機(jī)的端頭或絲

12、杠的端頭（如圖1-6所示 ）。該系統(tǒng)不是直接測量工坐臺(tái)的位移量，而是通過檢測絲杠或電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)角間接地測量工作臺(tái)的位移量，然后反饋給數(shù)控裝置。顯然，半閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)際控制量是絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，而由絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)變換為工作臺(tái)的移動(dòng)，不受閉環(huán)的控制，這一部分的精度由絲杠螺母（齒輪）副的傳動(dòng)精度來保證。其特點(diǎn)是比較穩(wěn)定，調(diào)試方便，精度介于開閉環(huán)之間，被廣泛采用。指令 位置比較電路 速度控制電路 伺服電機(jī) 機(jī)床工作臺(tái) 速度反饋 半閉環(huán) 位置反饋 閉環(huán) 圖1-6 1.3 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概況 一、工業(yè)化國家數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 二、我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 三、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 進(jìn)入80年代，數(shù)控機(jī)床進(jìn)一步發(fā)展。近年來

13、具有代表性的數(shù)控系統(tǒng)有以下幾個(gè)方面：1.計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)2.自適應(yīng)控制機(jī)床 3.柔性制造系統(tǒng) 4.計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng) 1計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng) （DNC- Direct Numerical Control）計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)又稱群控。其特點(diǎn)是：使用計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程加強(qiáng)管理，使程序的編制、生產(chǎn)的準(zhǔn)備與計(jì)劃安排等工作和機(jī)床工作協(xié)調(diào)一致，以提高各個(gè)數(shù)控機(jī)床的使用效率。 2自適應(yīng)控制機(jī)床（AC-Adaptive Control）一般數(shù)控機(jī)床，是按預(yù)先編好的程序進(jìn)行加工的。但在編程時(shí)，實(shí)際上有許多參數(shù)只能參照過去的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來決定，不可能準(zhǔn)確地考慮到它們的一切變化，如毛坯的不均勻，刀具與工件材質(zhì)的變化，刀具

14、的磨損，工件的變形，熱傳導(dǎo)性的差別等等，這些變化直接或間接地影響著加工質(zhì)量，使加工不能在最佳狀態(tài)下進(jìn)行。如果控制系統(tǒng)能對(duì)實(shí)際加工中的各種加工狀態(tài)的參數(shù)及時(shí)地測量并反饋給機(jī)床進(jìn)行修正，則可使切削過程隨時(shí)都處在最佳狀態(tài)。所謂最佳狀態(tài)，指的是最高生產(chǎn)率、最低加工成本、最好的加工質(zhì)量等。由于CNC系統(tǒng)自身帶由計(jì)算機(jī)，只要加上相應(yīng)的檢測元件、控制線路和有關(guān)軟件就可以制造出這種自適應(yīng)控制機(jī)床。3柔性制造系統(tǒng)（FMS-Flexible Manufacturing System）柔性制造系統(tǒng)是在柔性制造單元（FMC-Flexible Manufacturing Cell）基礎(chǔ)上研制和發(fā)展起來的。柔性制造單元是

15、一種在人的參與減到最小時(shí)，能連續(xù)地對(duì)同一組零件內(nèi)不同的工件進(jìn)行自動(dòng)化加工（包括工件在單元內(nèi)部的運(yùn)輸和交換）的最小單元。它即可以作為獨(dú)立使用的加工設(shè)備，又可以作為更大更復(fù)雜的柔性制造系統(tǒng)或柔性自動(dòng)線的基本組成模塊。柔性制造系統(tǒng)是由加工系統(tǒng)（由一組數(shù)控機(jī)床和其他自動(dòng)化工藝設(shè)備如清洗機(jī)、成品試驗(yàn)機(jī)、噴漆機(jī)等組成）、智能機(jī)器人、全自動(dòng)輸送系統(tǒng)及自動(dòng)化倉庫組成見（圖1-7）。這種系統(tǒng)可按任意順序加工一組不同工序與不同加工節(jié)拍的工件，工藝流程可隨工件不同而調(diào)整，全部生產(chǎn)過程有一臺(tái)中央計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)程序的調(diào)度，若干臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行工位控制。其中各個(gè)制造單元相對(duì)獨(dú)立，能適時(shí)地平衡資源的利用。 4計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)

16、（CIMS-Computer _integrated Manufacturing System）為實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，人們正著手研制包括計(jì)劃設(shè)計(jì)、工藝、加工、裝配、檢驗(yàn)、銷售等全過程都由計(jì)算機(jī)控制的集成生產(chǎn)系統(tǒng)。它具有計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化信息流和物質(zhì)流，對(duì)產(chǎn)品的構(gòu)思和設(shè)計(jì)直到最終裝配、檢驗(yàn)這一全過程進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化這一偉大的目標(biāo)。我國數(shù)控機(jī)床的研制始于1958年，由清華大學(xué)研制出了最早的樣機(jī)。1966年誕生了第一臺(tái)用于直線圓弧插補(bǔ)的晶體管數(shù)控系統(tǒng)。1970年北京第一機(jī)床廠的XK5040型數(shù)控升降臺(tái)銑床作為商品，小批量生產(chǎn)并推向市場。但由于相關(guān)工業(yè)基礎(chǔ)差，尤其是數(shù)控系統(tǒng)的支撐工業(yè)電子

17、工業(yè)薄弱，致使在19701976年間開發(fā)出的加工中心、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床及數(shù)控鉆床因系統(tǒng)不過關(guān)，多數(shù)機(jī)床沒有在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。二、我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況80年代前期，在引入了日本FANUC數(shù)控技術(shù)后，我國的數(shù)控機(jī)床才真正進(jìn)入小批量生產(chǎn)的商品化時(shí)代。目前我國已經(jīng)有自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，但絕大多數(shù)全功能數(shù)控機(jī)床還是采用國外的CNC系統(tǒng)。從機(jī)床的整體來看，無論是可靠性、精度、生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，與國外相比，還存在著不小的差距。 三、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢未來數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面： 1.數(shù)控技術(shù)水平 2.數(shù)控系統(tǒng)方面 3.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面 1數(shù)控技術(shù)水平高精度 定位精度微米級(jí)、納米級(jí)；高速

18、度 主軸轉(zhuǎn)速10000 r / min、快速進(jìn)給100 m /min、換刀時(shí)間23 s；高柔性 多主軸、多工位、多刀庫；多功能 立臥并用、復(fù)合加工；高自動(dòng)化 自動(dòng)上下料、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)測量、自動(dòng)通訊。對(duì)單臺(tái)主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動(dòng)化程度，還要求其具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。 2數(shù)控系統(tǒng)方面目前世界上幾個(gè)著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，如日本的FANUC，德國的SIEMENS和美國的AB公司產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位、32位甚至64位微處理器、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到了數(shù)十兆字節(jié)以上，機(jī)床分辨率可達(dá)0.1微米，高速進(jìn)給可達(dá)100 m / min以上，一般控制軸數(shù)在315軸，最多可達(dá)24軸，并采用先進(jìn)的電裝工藝。