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1、第1章 数控加工概述,【学习目标】,1了解数控的概念，熟悉数控机床的加工特点及应用，了解数控机床与普通机床之间的区别和联系 2掌握数控机床的组成及各部分的作用，了解数控机床的分类 3了解数控机床的产生和发展过程,1.1 数控机床基本知识,1.1.1 数控机床的产生及数控概念 1.数控机床的产生 1949年与麻省理工学院（MIT）合作，开始了三坐标铣床的数控化工作，1952年3月公开宣布了世界上第一台数控机床的试制成功，可作直线插补。经过3年的试用、改进与提高，数控机床于1955年进入实用化阶段。此后，其他一些国家，如德国、英国、日本等都开始研制数控机床，其中日本发展最快。当今世界著名的数控系统
2、厂家有日本的法那科（FANUC）公司、德国的西门子（SIEMENS）公司、美国的A-BOSZA公司等。1959年，美国Keaney&Treckre公司开发成功了具有刀库、刀具交换装置及回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工件的多个面进行多工序加工，如进行钻孔、铰孔、攻螺纹、镗削、平面铣削、轮廓铣削等加工。至此，数控机床的新一代类型加工中心（Machining Center）诞生了，并成为当今数控机床发展的主流。,2数控技术的基本概念 数字控制（Numerical Control，NC）是指用输入数控装置的数字化信息来控制机械执行预定的动作。 其数字信息包括字母、数字和符号。而用数字化信号对
3、机床的运动及其加工过程进行控制的机床，称作数控机床。 早期的数控机床NC装置是由各种逻辑元件、记忆元件组成随机逻辑电路，是固定接线的硬件结构，由硬件来实现数控功能，称作硬件数控，用这种技术实现的数控机床一般称作NC机床。,计算机数控（Computer Numerical Control，CNC）是采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里的系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行连接，称为CNC系统，这样的机床一般称为CNC机床。,图1-1 零件程序产生流程,1.1.2 数控机床的特点及应用范围,1数控机床的优点 （1）加工精度高，加工质量稳
4、定 （2）加工生产效率高 （3）减轻劳动强度，改善劳动条件 （4）对零件加工的适应性强，灵活性好 （5）良好的经济效益 （6）有利于生产管理现代化,2数控机床的不足 设备初期投资大。 对设备使用维护人员的技术水平要求较高。 就目前而言，对占机械加工总量20%30%的大批大量生产，数控机床无论是在投资还是加工效率方面均逊色于各类组合专用机床及其自动生产线。 数控机床与普通设备的比较如表1-1所示。 表1-1数控机床与普通机床的比较,3数控机床的应用范围 结构复杂、精度高或必须用数学方法确定的复杂曲线、曲面类零件。 多品种小批量生产的零件。,图1-2 数控机床加工范围的定性分析, 需要频繁改型的零
5、件。在军工企业和科研部门，零件频繁改型是司空见惯的事，这就为数控机床提供了用武之地。 价值昂贵，不允许报废的关键零件。 希望最短生产周期的急需零件。 目前，在中批量生产甚至大批量生产中已有采用数控机床加工的情况，这种方案从产品直接经济效益而言并非最佳，但其投资风险小，能经受市场的波动与冲击，可以动态地适应市场，实现柔性制造。 广泛推广使用数控机床的主要障碍是设备的初期投资大。由于系统本身的复杂性，维护费用必然相应增加，加上目前社会数控编程、操作、维护人才的严重不足，一定程度上降低了数控机床的利用率，从而进一步增加了综合生产费用。,1.2 数控机床的组成及分类,1.2.1 数控机床的组成及工作原
6、理 1数控机床的组成 现代计算机数控机床由程序载体、输入/输出装置、计算机数控装置、可编程序控制器（PLC）、主轴控制单元、速度控制单元等部分组成，如图1-3所示。,图1-3 CNC系统图,2数控系统的主要功能,数控系统是数控机床的核心，数控系统的主要功能如下。 多坐标控制（多轴联动）。 准备功能（G功能）。 实现多种函数的插补（直线、圆弧、抛物线等）。 代码转换（EIA/ISO代码转换、英制/公制转换、绝对值/增量值转换等）。 固定循环加工。 进给功能：指定进给速度。 主轴功能：指定主轴转速。 辅助功能：规定主轴的起、停、反向，冷却系统的开、关等。 刀具选择功能。 各种补偿功能：如刀具半径、
7、刀具长度补偿等。 各种信息在显示器上的显示。 故障的诊断及显示。 与外部设备的联网及通信。 存储加工程序，人机对话、程序的输入、编辑及修改。,3工作原理,在数控机床上加工零件经过以下步骤，如图1-4所示。,图1-4 数控机床工作原理,1.2.2 数控机床的分类,1按工艺用途分 （1）金属切削类数控机床 此类数控机床包括数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、加工中心等。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床，它将铣、镗、钻、攻螺纹等功能集中于一台设备上，具有多种工艺手段。在加工过程中由程序自动选用和更换刀具，大大提高了生产效率和加工精度。 （2）金属成型类数控机床 此类数控机床有数控板料折
8、弯机、数控弯管机、数控冲床等。 （3）特种加工类数控机床 此类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等。 （4）其他类数控机床 包括数控火焰切割机、数控三坐标测量仪等。,2按加工路线分类 （1）点位控制系统 点位控制系统又称点到点控制系统，它是指刀具从某一位置向另一目标点位置移动，不管图1-5 点位控制系统加工其中间刀具移动轨迹如何而最终能准确到达目标点位置的控制方式。点位控制的数控机床在刀具的移动过程中，并不进行加工，而是做快速空行程的定位运动。 属于点位控制的数控机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。 （2）直线控制系统 直线控制系统是控制刀具或机床工作台以适当速度
9、，沿着平行于某一坐标轴方向或坐标轴成45的斜线方向进行直线加工的控制系统。但该系统不能沿任意斜率的直线进行直线加工。图1-6所示为直线控制系统加工。,图1-6 直线控制系统加工,图1-5所示为点位控制系统加工,（3）连续控制系统 连续控制系统又称轮廓控制系统，该系统能对刀具相对于零件的运动轨迹进行连续控制，以加工任意斜率的直线、圆弧、抛物线或其他函数关系的曲线。这种系统一般都是两坐标或两坐标以上的多坐标联动控制系统，其功能齐全，可加工任意形状的曲线或型腔。图1-7所示为连续控制系统加工。 采用连续控制系统的数控机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控凸轮磨床和数控线切割机床等。,图1-7 连续
10、控制系统加工,3按伺服系统的类型分类 （1）开环伺服系统 图1-8所示为采用步进电动机驱动的开环伺服系统原理图。它一般是由环形分配器、步进电动机功率放大器、步进电动机、齿轮箱、丝杠螺母传动副等组成。每当数控装置发出一个指令脉冲信号，就使步进电动机的转子旋转一个固定角度，该角称为步距角，而机床工作台将移动一定的距离，即脉冲当量。,图1-8 开环伺服系统原理图,从原理图上可知，工作台位移量与进给指令脉冲的数量成正比，即数控装置发出的指令脉冲频率越高，则工作台的位移速度越快。这种只含有信号放大和变换，不带有位移检测反馈的伺服系统称为开环伺服系统或简称开环系统。 开环伺服系统既没有工作台位移检测装置，
11、又没有位置反馈和校正控制系统，所以工作台的位移精度完全取决于步进电动机的步距角精度、齿轮箱中齿轮副和丝杠螺母副的精度与传动间隙等，由此可见，这种系统很难保证较高的位置控制精度。同时，由于受步进电动机性能的影响，其速度也受到一定的限制。但这种系统的结构简单、调试方便、工作可靠、稳定性好、价格低廉，因此被广泛用于精度要求不太高的经济型数控机床上。,（2）闭环伺服系统 图1-9所示为采用宽调速直流电动机驱动的闭环伺服系统原理图。它主要是由比较环节（直线位移传感器C和放大元件、速度传感器A和放大元件）、驱动元件、机械传动装置和测量装置等组成。其中驱动元件可采用宽调速直流电动机或宽调速交流电动机，测量元
12、件可采用感应同步器或光栅等直线测量元件。,图1-9 闭环伺服系统原理图,闭环伺服系统的工作原理是当数控装置发出位移指令脉冲，经电动机和机械传动装置使机床工作台移动时，安装在工作台上的直线位移传感器把机械位移变成电学量，反馈到输入端与输入信号相比较，得到的差值经过放大和变换，最后驱动工作台向减少误差的方向移动。如果输入信号不断地产生，则工作台就不断地跟随输入信号运动。只有在差值为零时，工作台才静止，即工作台的实际位移量与指令位移量相等时，电动机停止转动，工作台停止移动。由于闭环伺服系统有位置反馈系统，可以补偿机械传动装置中的各种误差、间隙和干扰的影响，因而可以达到很高的定位精度，同时还能达到较高
13、的速度，因此，在数控机床上得到广泛应用，特别是在精度要求高的大型和精密机床上应用十分广泛。,（3）半闭环伺服系统 若在闭环伺服系统中，用安装在进给丝杠轴端或电动机轴端的角位移测量元件B（如旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等）来代替安装在机床工作台上的直线测量元件，用测量丝杠或电动机轴旋转角位移来代替测量工作台直线位移的伺服系统称为半闭环伺服系统，如图1-10所示。因这种系统未将丝杠螺母副、齿轮传动副等传动装置包含在闭环反馈系统中，不能补偿该部分装置的传动误差，所以半闭环伺服系统的加工精度低于闭环伺服系统的加工精度。但半闭环伺服系统将惯性大的工作台安装在闭环之外，使这种系统调试较容易，稳定性也较好
14、。,图1-10 半闭环伺服系统,4按控制坐标数（轴数）分类 （1）两坐标数控机床 （2）三坐标数控机床 （3）两轴半坐标数控机床 （4）多坐标数控机床,1.3 数控加工技术的发展,1.3.1 数控加工技术的产生 50多年来，随着计算机技术、微电子技术、自动控制技术、精密测量技术及机械制造技术的发展，数控机床及加工技术取得了飞速的发展。,1.3.2 数控机床的发展历程 表1-2所示为数控机床及加工技术的发展进程概况。,1.3.3 数控机床的发展方向 1高精度 数控机床的精度已达微米级，如普通级中等规格的加工中心的定位精度为（0.15）m/1000mm，重复定位精度为0.5m。 2高速化 如加工时
15、主轴转速超过每分钟万转，工作台快速移动速度达4060/min。 3智能化 数控加工智能化趋势有两个方面：一方面是采用自适应控制技术，以提高加工质量和效率；另一方面是在现代数控机床上装备有各种监控和检测装置，对工件、刀具等进行监测，实时监视加工的全部过程，发现工件尺寸超差、刀具磨损或崩刃破损，便立即报警，并给予补偿或调换刀具。 4复合化 复合化加工是通过增加机床的功能，减少工件加工过程中的定位装夹次数及对刀等辅助工艺时间，从而提高机床生产率。 复合化加工还可减少辅助工序，减少夹具和加工机床数量，对降低整体加工和机床维护费用有利。,1.3.4 以数控为基础的现代制造技术 1柔性制造单元（FMC）
16、FMC是在制造单元的基础上发展起来的，又具有一定的柔性。所谓柔性是指能够较容易地适应多品种、小批量的生产功能。FMC可由一台或少数几台设备组成。FMC具有独立自动加工的功能，又部分具有自动传送和监控管理功能，可实现某些产品的多品种小批量的加工。,图1-14 带有机器人的FMS 图1-15 带有托盘交换系统的FMS,2柔性制造系统（FMS） FMS是一个由中央计算机控制的自动化制造系统。它是由一个传输系统联系起来的一些设备（通常是具有换刀装置的数控机床或加工中心）。传输装置把工件放在托盘或其他连接装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速和自动。 采用FMS后，可显著提高劳动生产率，大大缩短制造周期，提高机床利用率，减少操作人员数量，压缩在制品数量和库存量，因而使成本大为降低，缩小了生产场地，提高了经济效益。 FMS由加工系统、物料输送系统和信息系统组成。,3计算机集成制造系统（CIMS） CIMS就是用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，以求得企业的总体效益。采用CIMS有以下好处。 工程设
