機床數控技術1.ppt

1、1,Numerical Control Technique,數 控 技 術,2,第一章 數控技術概述,第一節(jié) 數控機床簡介,第二節(jié) 數控機床的控制原理和組成,第三節(jié) 數控機床分類,第四節(jié) 數控技術及數控機床的發(fā)展,3,第一節(jié) 數控機床簡介,一、數控機床的產生與發(fā)展,數控機床是為了解決單件、小批量，特別是復雜型面零件加工的自動化并保證質量要求而產生。1952 年美國 PARSONS 公司與麻省理工學院（ MIT ）合作研制了第一臺三坐標數控銑床。,計算機數值控制系統(tǒng)（Computerized Numerical Control System，簡稱CNC）,數值控制，數控（Numerical Co

2、ntrol，簡稱NC）,數控機床（Numerical Control Machine Tools）,4,第一節(jié) 數控機床簡介,一、數控機床的產生與發(fā)展,第一代數控（19521959年）： 采用電子管構成的硬件數控系統(tǒng)（NC）；,第二代數控（19591965年）： 采用晶體管電路為主的硬件數控系統(tǒng)；,第三代數控（1965年開始）： 采用小、中規(guī)模集成電路的硬件數控系統(tǒng)；,第四代數控（1970年開始）： 采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機數控系統(tǒng)；,第五代數控（1974年開始）： 采用微型計算機控制的系統(tǒng)；,第六代數控（1990年開始）： 采用工業(yè)PC機的通用CNC系統(tǒng)。,硬件數控,軟件數控,

3、5,一、數控機床的產生與發(fā)展,數控（NC）； 計算機數控（CNC，Computer Numerical Control）； 加工中心（MC，Machine Center）； 直接數字控制（DNC，Direct Numerical Control）； 自適應控制（AC，Adaptive Control）； 柔性制造系統(tǒng)（FMS，F(xiàn)lexible Manufacturing System）； 計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）等。,數控機床經歷了,6,代表性的廠家有： 日本的法那克（FANUC）公司、 （1977年540

4、0多臺，1988年50000臺，居世界第一位 ） 德國的西門子（SIEMENS）公司、 美國的A-B（ALLEN-BRADLEY）公司 意大利的A-BOSZA公司等。,數控系統(tǒng) FANUC 0i-TC FANUC 0i-MC,一、數控機床的產生與發(fā)展,向高速度、高精度方向發(fā)展,向柔性化、功能集成化方向發(fā)展,向高可靠性方向發(fā)展,向網絡化方向發(fā)展,向造型宜人化方向發(fā)展,7,二、數控機床的特點,2. 生產效率高、加工精度高、加工質量穩(wěn)定。,1. 能適應不同零件的自動加工。,3. 加工能力強。,4. 工序集中，一機多用。,5. 數控機床是一種高技術的設備。,數控技術是綜合了計算機、自動控制、電機、電氣

5、傳動、測量、監(jiān)控、機械制造等學科領域最新成果而形成的一門交叉科學技術。,8,第二節(jié)數控機床的控制原理和組成,一、數控機床的控制原理,數控機床是用數字化的信息來實現(xiàn)自動控制的，將與加工零件有關的信息，用規(guī)定的文字、數字和符號組成的代碼，按一定的格式編成加工程序單，將加工程序通過控制介質輸入到數控裝置中，由數控裝置經過分析處理后，發(fā)出各種與加工程序相對應的信號和指令控制機床進行自動加工。,9,二、數控機床的組成,10,（一） 程序編制及程序載體,數控程序是數控機床自動加工零件的工作指令。,加工程序可以用手動輸入法輸入到數控系統(tǒng)中，也可以存儲在程序載體上。載體有穿孔紙帶、磁卡、磁盤等。,在數控機床上

6、加工零件，首先要對圖樣上零件的幾何形狀、尺寸和技術條件進行工藝分析，并在此基礎上確定加工順序和走刀路線，確定主運動和進給運動的工藝參數，確定加工過程中的各種輔助操作，之后用標準格式和代碼編制出零件的加工程序。,11,（二）輸入裝置,光電閱讀機、錄放機、軟盤驅動器、,編程計算機（通訊方式）。,MDI （ Manual Data Input）、,12,（三） 數控裝置及強電控制裝置,數控裝置是數控數控機床的核心。,強電控制裝置是介于數控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。,13,（四） 伺服驅動系統(tǒng)及位置檢測裝置,伺服單元和驅動裝置是指主軸伺服裝置和主軸電機、進給伺服驅動裝置和進給電機。測量裝

7、置是指位置和速度測量裝置。,伺服驅動電路,伺服電機,步進電機,電液馬達,直流伺服電機,交流伺服電機,測量裝置,旋轉變壓器,編碼器,磁柵,感應同步器,光柵,14,（五）機床的機械部件,主要由主運動部件、進給運動部件、支承件以及特殊裝置和輔助裝置組成。,機床的主運動部件（主軸）,進給運動部件(工作臺、拖板),基礎部件：,底座、立柱、滑鞍、導軌,輔助動作機構：,冷卻、潤滑、刀具交換、,單獨伺服電機驅動,傳動鏈短，結構簡單,排屑系統(tǒng)、防護、對刀儀,15,第三節(jié)數控機床分類,一、按數控機床的加工功能分類,二、按所用進給伺服系統(tǒng)的類型分類,三、按所用數控裝置類型分類,補充分類,四、按功能水平分類,五、按工

8、藝方法分類,16,一、按數控機床的加工功能分類,（一）點位控制數控機床,（二） 直線控制數控機床,（三） 輪廓控制數控機床,17,（一）點位控制數控機床,點位控制的數控機床用于加工平面內的孔系，它控制在加工平面內的兩個坐標軸帶動刀具與工件相對運動從一個坐標位置快速移動到下一個坐標位置，然后控制第三個坐標軸進行鉆鏜切削加工。,（Positioning Control）,點位控制,點到點控制（Point to Point Control）,18,（一）點位控制數控機床,確保準確的定位，系統(tǒng)在高運行后，一般采用三級減速，以減小定位誤差。,坐標鉆床、坐標鏜床以及沖床,19,（二） 直線控制數控機床,直

9、線控制數控機床可控制刀具或工作臺以適當的進給速度，沿著平行于坐標軸的方向進行直線移動和切削加工，進給速度根據切削條件可在一定范圍內調節(jié)。,直線切削控制（Strait Cut Control）,平行切削控制（Parallel Cut Control）,20,（二）直線控制數控機床,簡易數控車床、數控鏜銑床,21,（三） 輪廓控制數控機床,1. 平面輪廓加工的數控機床,輪廓控制（Contouring Control） 又稱連續(xù)軌跡控制（Continuous Path Control）,數控銑床、加工中心,22,（1）2 坐標聯(lián)動用 “行切法”,2. 空間輪廓加工的數控機床,空間輪廓曲面,兩軸半數控

10、銑床,球頭銑刀,X軸 、Z軸聯(lián)動,Y取值：,銑刀的刀頭半徑,零件表面光潔度要求,Y軸: 單獨控制 周期進給,23,（2）3 坐標聯(lián)動加工,2. 空間輪廓加工的數控機床,內循環(huán)滾珠螺母反向器：,滾道母線SS (空間曲線),數控銑床：,三坐標聯(lián)動,把空間曲線分成很多小曲線段:,空間直線段,逼近,三坐標聯(lián)動插補運算,24,（3）4坐標聯(lián)動加工,2. 空間輪廓加工的數控機床,x1,x2,x3,飛機大梁 側面：,直紋扭曲面,四坐標聯(lián)動機床 圓柱銑刀,周邊銑削,X 、Y、Z直線進給軸聯(lián)動,刀具繞旋轉坐標軸A軸擺動,刀具與工件型面 在全長上始終貼合,25,（4）5 坐標聯(lián)動加工,很大的球面零件：,潛水艇螺旋

11、槳,端銑刀五坐標聯(lián)動機床,刀具的端面,切削點處的切平面,刀具的軸線,工件輪廓在切削點處的法線 n,相平行,相重合,切削點的坐標,工件輪廓在切削點處的法線 n,變化,切削點變化,刀位點坐標,刀軸線方向,X 、Y、Z直線進給軸聯(lián)動,兩個繞旋轉坐標軸聯(lián)動,26,二、按所用進給伺服系統(tǒng)的類型分類,（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)控制數控機床,這類沒有位置測量反饋裝置的數控機床稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)控制數控機床。,結構簡單，制造成本較低，價格便宜。,特點,位移精度一般不高。,27,（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制數控機床,這類伺服系統(tǒng)未將絲杠螺母副等傳動裝置包含在閉環(huán)反饋系統(tǒng)中而稱之為半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。,特點,有相當高的精度且調

12、試比較方便，價格比全閉環(huán)系統(tǒng)便宜 ，廣泛應用。,28,（3）閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制數控機床,特點,定位精度高、調節(jié)速度快。系統(tǒng)復雜和成本高，故適用于精度要求很高的數控機床。,這類伺服控制系統(tǒng)因把機床工作臺納入了位置控制環(huán)而稱為閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。,29,三、按所用數控裝置類型分類,（一） 硬線數控機床 NC 機床,（二）計算機數控機床 CNC 機床,30,四、按功能水平分類,分類補充,可以分為經濟型、中檔型和高檔型三種類型。, 分辨率和進給速度 分辨率為10m、進給速度在815mmin的為低檔；分辨率為1m、進給速度在1524mmin 的為中檔；分辨率為0.11m、進給速度在15100mmin的為高檔

13、。 伺服進給類型 采用開環(huán)、步進電動機進給系統(tǒng)的為低檔；中、高檔的則采用半閉環(huán)或閉環(huán)的直流伺服系統(tǒng)或交流飼服系統(tǒng)。, 聯(lián)動軸數 低檔數控機床聯(lián)動軸數一般不超過3軸；而中高檔的則為35軸。,31, 通信能力 低檔數控一般無通信能力中檔的可以有RS232C或直接數控（DNC）或網絡接口；高檔的可以有網絡接口或制造自動化協(xié)議（Manufacturing Automation Protocol，簡稱MAP）通信接口，具有聯(lián)網功能。, 顯示功能 低檔一般只有單色CRT字符顯示；而中檔的則具有較齊全的CRT顯示，甚至LCD顯示，高檔的具有圖形用戶界面，能進行加工仿真檢驗。, 內裝PLC 低檔數控一般無PL

14、C，而中、高檔的都有內裝PLC。 主CPU 低檔數控一般采用8bit CPU，中、高檔的已經逐步由16bit CPU向32bit CPU過渡，國外一些新的數控系統(tǒng)甚至已選用了64bit CPU。,32,五、按工藝方法分類, 金屬切削數控機床 金屬切削數控機床和普通機床品種一樣，有數控車床、數控銑床、數控鉆床、數控磨床、帶有刀庫和能實現(xiàn)多工序加工的銑鏜加工中心和車削中心。銑鏜加工中心主要完成銑、鏜、鉆、攻絲等工序的加工；車削中心以完成各種車削加工為主，也能完成銑平面、銑鍵槽及鉆橫孔等工序。, 金屬成型數控機床 金屬成形數控機床是指使用擠、沖、壓、拉等成形工藝的數控機床，如數控壓力機、折彎機、彎管

15、機、旋壓機等。, 特種加工數控機床 特種加工數控機床主要指數控線切割機、電火花成形機、火焰切割機、激光加工機等。,33,第四節(jié) 數控技術及數控機床的 發(fā)展及其技術水平,一、概述,（一）數控裝置,（二）進給伺服系統(tǒng),（三）程序編制,（四）工況檢測、監(jiān)控和故障診斷,（五）采用功能強的PLC,（六）機床的主機,（CPU、智能接口、人機界面、高集成芯片）,（伺服電機、驅動電路、位置檢測裝置）,（自動編程、在線編程、數據庫、專家系統(tǒng)）,（32位微處理器、PC編程）,（主運動部件、加工功能、合理結構）,（報警信號、自診斷）,34,二、直接數字控制系統(tǒng),（Direct Numerical Control）,

16、分布式數字控制（Distributed Numerical Control 簡稱 DNC ),用一臺通用計算機直接控制和管理一群數控機床進行零件加工或裝配的系統(tǒng)，即形成分級連接和控制的制造系統(tǒng) 。,間接型系統(tǒng) 直接型系統(tǒng) 計算機網絡型,35,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell，簡稱 FMC ）,柔性是指能夠較容易地適應多品種、小批量的生產功能，通過稍加調整或編程就可同時加工幾種不同的工件。,FMC是由一臺或兩臺數控加工中心、工業(yè)機器人、自動上下料裝置以及物料運輸存儲設備構成，它是實現(xiàn)單工序或雙工序加工的可變加工單元，同時系統(tǒng)還增

17、加了自動檢測和監(jiān)控等功能。,36,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造單元（FMC ）,根據上下料裝置的不同，托盤（Pallet）搬運式和工業(yè)機器人（Industrial Robot，簡稱IR）搬運式兩大類型。,1加工中心機床 2托盤 3托盤座 4托盤交換裝置 5環(huán)形工作臺,37,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造單元（FMC ）,機器人搬運式FMC,FMC 具有規(guī)模小、成本低、占地面積小，便于擴充等特點，相對于規(guī)模較大的FMS，由于投資小、風險小，技術上也容易實現(xiàn)，特別適于資金有限的中、小型企業(yè)。,38,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufac

18、turing System，簡稱FMS）,柔性制造系統(tǒng)是一個由中央計算機控制的自動化制造系統(tǒng)，是將若干臺數控機床、加工中心或其他直接參加產品零部件生產的自動化設備，用一套自動物料（包括工件和刀具）搬運和存儲系統(tǒng)連接起來，由分布式多級計算機進行統(tǒng)一的綜合管理與控制，在沒有固定加工順序和生產節(jié)拍情況下，能夠實現(xiàn)不停機調整，自動完成不同的加工任務。FMS把高柔性、高效率、高質量結合在一起，即能解決單件小批量生產自動化問題，也能適應大批量、多品種生產的自動化問題。,39,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，簡稱FMS）,柔性制造系統(tǒng)

19、由加工、物流、信息流三個子系統(tǒng)組成，每一個子系統(tǒng)還可以有分系統(tǒng)。,40,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),一種較為典型的實例 FMS 結構框圖,41,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),6感應線圈 7地平面 8磁力線 9導向電纜,自動引導小車及原理圖（AGV）,42,四、計算機集成制造系統(tǒng),（Computer Integrated Manufacturing System，簡稱CIMS）,美國人約瑟夫哈林頓1974年,發(fā)展分為三個階段，先是從NC機床入手，研究生產企業(yè)中如何將制造技術與計算機技術和自動化技術相綜合。其次研究和開發(fā)CAD/CAM、制造資源計劃（MRP）和FMS，最后一個階段是開發(fā)CIMS。,CIMS是在柔性制造技術、計算機技術、信息技術、自動化技術和現(xiàn)代管理科學的基礎上，將制造工廠的全部生產、經營活動所需的各種分布的自動化分系統(tǒng)，通過新的生產管理模式、工藝理論和計算機網絡有機地集成起來，以獲得適應于多品種、中小批量生產的高效益、高柔性和高質量的智能制造系統(tǒng)。,43,CIMS結構圖,44,（1）管理信息分系統(tǒng)（Management Information System，簡稱 MIS）,（2）技術信息分系統(tǒng)（Technical Information System，簡稱TIS