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1、数控机床的产生与发展 数控机床的组成及基本工作原理 数控机床的分类及应用范围,数控机床简介,1,数控机床的产生与发展,一、数控机床的诞生是内因、外因共同作用的结果。 内在动力：零件加工的复杂程度迫切需要一种精度高、柔性好的加工设备； 外在的技术基础：电子技术、计算机技术、控制技术的发展。 1952年，合作研制成功世界上第一台数控机（铣）床，用它来加工直升飞机叶片轮廓检查用样板，可做直线插补。研制成功后立即生产100台交付军工使用。在成果上显示了它是社会需求、科技水平、人员素质三者的结晶；在技术上则显示出机电一体化机床在控制方面的巨大创新。 数控机床为单件、小批生产的精密、复杂零件提供了自动化加
2、工手段。,2,二、数控机床的基本概念 需要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的“数控”，实质上已是指“计算机数控”了。 数字控制技术：简称数控（Numerical Control ,NC）采用数字化信息实现加工自动化的控制技术。 NC机床：用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床。 CNC机床：采用微处理器或专用微机作为数控系统，由系统程序来实现对机床的运动及其加工过程进行控制的机床。即用数字化信号对机床的运动及加工过程进行控制的机床。,3,三、数控机床的特点 1、适应性强，具有高柔性。 2、加工精度高，产品质量稳定 3、
3、自动化程度高，劳动强度低（改善劳动条件） 4、生产效率高，减少辅助时间和机动时间 5、良好的经济效率 6、有利于生产管理的现代化 四、数控机床的使用特点 1、数控机床对操作维修人员的要求 2、数控机床对夹具和刀具的要求,4,五、数控机床的发展趋势 1、继续向开放式、基于PC的第六代发展 2、向高速化和高精度化发展 3、向智能化方向发展 4、提高数控系统的可靠性,5,6,数控机床组成,程序、输人/输出装置、CNC单元、伺服系统、位置反馈系统、机床本体组成。 1、程序的存储介质，又称程序载体 穿孔纸带（过时、淘汰）； 盒式磁带（过时、淘汰）； 软盘、磁盘、U盘； 2、输人/输出装置 对于穿孔纸带，
4、配用光电阅读机；（过时、淘汰）； 对于盒式磁带，配用录放机；（过时、淘汰）； 对于软磁盘，配用软盘驱动器和驱动卡； 现代数控机床，还可以通过手动方式(MDI方式)； 串口通讯,包括RS232，RS485 。 DNC网络通讯,7,3、数控装置（又称CNC单元） CNC单元是数控机床的核心，CNC单元由信息的输入、处理和输出三个部分组成。 CNC单元接受数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补、逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件做进给运动。其它的还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号，冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹
5、紧、分度台转位等辅助指令信号等。 准备功能：G00,G01,G02,G03, 辅助功能：M03，M04 刀具、进给速度、主轴：T，F，S,数控机床组成,8,数控机床组成,4、伺服系统 由驱动器、驱动电机及检测元件组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。对于步进电机来说，每一个脉冲信号使电机转过一个角度，进而带动机床移动部件移动一个微小距离。每个进给运动的执行部件都有相应的伺服驱动系统，整个机床的性能主要取决于伺服系统。 脉冲当量：每一个脉冲信号使机床移动部件移动的位移量。常用的脉冲当量为0.001mm/脉冲。,
6、9,数控机床组成,5、位置反馈系统（检测反馈系统） 伺服电动机的转角位移的反馈、数控机床执行机构(工作台)的位移反馈。包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等。 反馈装置把检测结果转化为电信号反馈给数控装置，通过比较，计算实际位置与指令位置之间的偏差，并发出偏差指令控制执行部件的进给运动。 反馈系统包括半闭环、闭环两种系统。,10,数控机床组成,6、机床的机械部件 主运动部件 进给部件（工作台、刀架） 基础支承件（床身、立柱等） 辅助装置：液压、气动、冷却、润滑等 对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件，数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单
7、，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统更便于实现自动化扩展。,11,在数控机床上加工零件要经过以下的步骤： （1）准备阶段 根据加工零件的图纸，确定有关加工数据（刀具轨迹坐标点、加工的切削用量、刀具尺寸信息等）。根据工艺方案、选用的夹具、刀具的类型等选择有关其他辅助信息。 （2）编程阶段 根据加工工艺信息，用机床数控系统能识别的语言编写数控加工程序（对加工工艺过程的描述），并填写程序单。 （3）准备信息载体 根据已编好的程序单，将程序存放在信息载体（穿孔带、磁带、磁盘等）上，通过信息载体将全部加工信息传给数控系统。若数控加工机床与计算机联网时，可直接将信息载入数控系统。 （
8、4）加工阶段 当执行程序时，机床数控系统（CNC）将加工程序语句译码、运算，转换成驱动各运动部件的动作指令，在系统的统一协调下驱动各运动部件的适时运动，自动完成对工件的加工。,数控机床工作步骤,12,数控机床的品种很多，根据其控制原理、功能和组成，可以从几个不同的角度进行分类： 一、按工艺用途分类： 数控机床是从普通机床的基础上发展起来的，各种类型的数控机床基本上起源于同类型的普通机床，按工艺用途分为： 1)数控车床（NC Lathe） 2)数控铣床（NC Milling Machine） 3)加工中心（Machine Center） 4)数控钻床（NC Drilling Machine） 5
9、)数控镗床（NC Boring Machine）,数控机床的分类,13,6)数控磨床数控平面磨床（NC Surface Grinding Machine）、数控外圆磨床（NC External Grinding Machine）、数控轮廓磨床（NC Contour Grinding Machine）、数控坐标磨床（NC Jig Grinding Machine）、数控工具磨床（NC Tool Grinding Machine） 7)数控电火花加工机床（NC Diesinking Electric Discharge Machine）（NC EDM Machine） 8)数控线切割机床（NC W
10、ire Electric Discharge Machine） 9)数控激光加工机床（NC Laser Beam Machine） 10)数控冲床（NC Punching Machine or Punching Press） 11)数控超声波加工机床（NC Ultrasonic Machine） 12)数控齿轮加工机床 （NC Gear Holling Machine） 13)并联机床 还有数控等离子切割机，数控火焰切割机、数控折弯机、数控弯管机、数控 水切割机、三坐标测量机等等。,14,数控机床的分类,二、按运动方式分类： 1)点位控制系统 （Positioning Control） 只控制
11、刀具从一点移到另一点的位置，而在移动过程中不进行切削加工，如坐标镗床、钻床和冲床等。要求坐标位置有较高的定位精度，为提高生产效率，采用机床设定的最高进给速度进行定位运动，在接近定位点前要进行分级或连续降速，以便低速趋近终点，从而减少运动部件的惯性过冲和因此引起的定位误差。在定位移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有任何要求。 2)直线控制系统 （StraightLine Control） 直线控制系统是控制刀具或基础工作台以一定速度，沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一位置的精确移动。也称点位直线移动控制系统。,15,3)轮廓控制系统 （Contour Control）(又称连续控制
12、或多坐标联动控制) 是对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制(二轴、二轴半、三轴、四轴、五轴联动)，它不仅要控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且要控制整个加工过程的每一点的速度、方向和位移量，即要控制加工的轨迹，加工出要求的轮廓。运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。这类机床的数控装置的功能是最齐全的，能够进行两坐标甚至多坐标联动的控制，也能够进行点位和直线控制。 除了少数专用的数控机床，如数控钻床、冲床等以外，现代的数控机床都具有轮廓控制功能。,16,直线控制数控机床加工示意图,点位控制数控机床加工示意图,移动时不加工,轮廓控制数控机床加工示意图,17,三、按控制方式分类： 实际上是按有
13、无反馈及反馈的位置来分： 1）开环控制系统（Open Loop Control） 指不带反馈的控制系统，系统内没有位置反馈元件，通常采用步进电机作为执行机构。输入的数据经过数控系统的运算，发出指令脉冲，通过环形分配器和驱动电路，使步进电机转过一个步距角，再经过传动机构带动工作台移动一个脉冲当量的距离。移动部件的移动速度和位移由输入脉冲的频率和脉冲个数决定的。,图1.14 开环控制系统,18,2) 半闭环控制系统(Semi-closed Loop Control) 在驱动电机端部或在传动丝杠端部安装角位移检测装置（光电编码器或感应同步器），通过检测电机或丝杠的转角间接测量执行部件的实际位置或位移
14、，然后反馈到数控系统中。获得比开环系统更高的精度，但它的位移精度比闭环系统的要低，与闭环系统相比，易于实现系统的稳定性。 现在大多数数控机床都广泛采用这种半闭环进给伺服系统。惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围内。,图1.15 半闭环控制系统,19,3) 闭环控制系统(Closed Loop Control) 在机床移动部件上直接接有检测装置，将测得的结果直接反馈到数控系统中。实际上是将位移指令值与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，实时进行比较，根据其差值进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位。 具体的讲解见第四章伺服系统,图1.16 闭环控制系统,20,四、主要数控机床
15、介绍 数控车床： 包括主轴、溜板、刀架等。数控系统包括显示器、控制面板、强电控制系统等。数控车床一般具有两轴联动功能，Z轴是与主轴平行方向的运动轴，X轴是在水平面内与主轴垂直方向的运动轴。远离工件方向为轴的正向。另外在最新的车铣加工中心，还增加了一个C轴，可用于工件的分度功能，在刀架中安放铣刀，对工件进行铣加工。还可以增加Y轴。 刀具超过12把称为加工中心。 主要加工盘套类零件。 加工中心上，一次装夹，可以完成材料得车、铣、钻、镗加工。,21,22,23,数控铣床： 适于加工三维复杂曲面，在汽车、航空航天、模具等行业被广泛采用。可分为数控立式铣床、数控卧式铣床、数控仿形铣床等。,24,25,加
16、工中心： 一般认为带有自动刀具交换装置（ATC）的数控镗铣床，称为加工中心。 可以进行铣、镗、钻、扩、铰、攻丝等多种工序加工。不能包括磨削功能，因为微细的磨粒可能进入机床导轨，从而破坏机床的精度。而磨床上有特殊的保护措施。 加工中心可分为立式加工中心、卧式加工中心。立式的主轴是垂直方向的，卧式的主轴是水平方向的。,26,27,28,五轴数控龙门铣床,29,30,31,32,33,34,数控钻床： 分为立式钻床和卧式钻床。主要完成钻孔、攻丝功能，同时也可以完成简单的铣削功能。刀库可以存放多种刀具。 数控磨床： 用在高硬度、高精度加工表面。平面磨床、内圆磨床、轮廓磨床等。随着自动砂轮补偿技术、自动砂轮修整技术和磨削固定循环技术的发展，数控磨床的功能越来越强。 数控电火花成形机床：（EDM ）Electronic Discharge Machine 特种加工方法，利用两个不同极性的电极在绝缘体中产生放电现象，去除材料进而完成加工，适用
