数控技术及应用项目1数控机床基础知识

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1、数控系统机床结构编码器数控技术及应用主讲人：目 录1数控机床基础知识2数控机床机械结构3数控机床插补原理4计算机数控系统5数控机床加工工艺与编程6位置检测技术7数控机床伺服系统01数控机床基础知识项目导读通过对本项目的学习，可以使初学者从数 控技术的应用以及数控机床的产生、发展 和应用等领域建立起整体概念。帮助初学 者掌握数控技术和数控机床的结构、分 类、应用场合和特点。激发初学者掌握数 控技术应用的兴趣，引导初学者走进数控 技术应用。知识目 标能力目标 数控机床的结构组成、分类和应用特点 数控技术的发展趋势和未来的现金技术形态 对照数控机床实物说出其结构组成、各部件 的基本作用 按照数控机床

2、的长用分类方法区分数控机床 的种类 说出数控技术未来的发展趋势任务1.1 认识数控机床任务1.2 数控机床的分类任务1.3 认识数控机床的使用范围和特点任务1.4 数控系统性能指标解读任务浏览任务1.1 认识数控机床 1.1.1 数控技术的基本概念 1.数控 数控（NC）是数字控制（Numerical Control）的简称。它是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实 现一台或多台机械设备动作控制的技术。其技术涉及多个领域：机械制造技术；信息处理、加工、传输技 术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。 2.计算机数控 计算机数控（Computer Numerical Contr

3、ol,CNC）是采用计算机(硬件+软件)实现数字程序控制的技术。 这种技术用计算机按事先存储的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。 3.直接数控 直接数控（Direct Numerical Control，DNC）是用电子计算机对具有数控装置的机床群直接进行联机控 制和管理。直接数控又称群控，控制的机床由几台至几十台。直接数控是在数控和计算机数控的基础上发展起 来的。 4.微机数控 微机数控是微型计算机数控(Micro-computer Numerical Control，MNC)的简称。它是指运用微处理器和半 导体存储器进行操作的微型计算机数控装置。 5.数控机床 用

4、数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床， 简称为数控机床（Numerical Controlled Machine Tool）。任务1.1 认识数控机床1.1.2 数控机床的产生1.数控机床的概念数控机床是机、电、液、气、光技术高度一体化的产品，是精密机械和自动化技术的综合体。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的字母、数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动加工零件。数控机床的工作流程：首先根据数控车床零件加工图样进行工 艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数

5、据。 用规定的数控车床程序代码和格式规则 编写零件加工程序单，或用自动编程软件进行 CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。 将数控车床加工程序的内容以代码形式 完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。 通过阅读机把信息介质上的代码转变为 电信号，并输送给数控装置。数控装置将所接受的信号进行一系列处 理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统发 出执行的命令。 数控机床伺服系统接到执行的信息指令 后，立即驱动机床进给机构严格按照指令的要求进 行位移，使机床自动完成相应零件的加工。 计算机数控阶段也经历了三代，即1970年 的第四代小型计算机；1974年的第五代微处理 器和1990年的第

6、六代基于PC（国外称PC-BASED ）。 另外，虽然国外早已改称为计算机数控（CNC ），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”。2.数控机床的产生和发展3.数控未来发展的趋势（1）向开放式、基于PC的第六代方向发展。（2）向高速化和高精度化发展。（3）向智能化方向发展。（4）向集成化方向发展。任务1.1 认识数控机床 1.1.3 数控机床的结构及工作原理（4）机床主体机床主体是数控机床的支撑、机械主 体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、 工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀 装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完 成各种切削加工的机械部

7、分。（1）加工程序载体数控机床工作时，不需要直接去操 作机床，要对数控机床进行控制，必须编制加 工程序。零件加工程序中，包括机床上刀具和 工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量、主 轴转速等）和辅助运动等。将零件加工程序用 一定的格式和代码，存储在一种程序载体上， 如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘、U盘等存储 介质，通过数控机床的输入装置，将程序信息 输入到CNC单元。（2）数控装置数控装置是数控机床的核心。现代数 控装置均采用CNC形式，这种CNC装置一般使用 多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控 功能，因此又称软件数控（Software NC）。 CNC系统是一种位置控制系统，它是根据输入数

8、 据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部 件加工出所需要的零件。因此，数控装置主要 由输入、处理和输出三个基本部分构成。而所 有这些工作都由计算机的系统程序进行合理组 织，使整个系统协调地进行运作。 输入装置。 信息处理。 输出装置。（3）伺服系统和测量反馈系统伺服系统是数控机床的重要组成部分 ，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺 服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装 置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转 换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。 由于伺服系统是数控机床的最后环节，其性能 将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标 ，因此，对数控机床的伺服驱动装置，要求具 有良好的

9、快速反应性能，准确而灵敏地跟踪数 控装置发出的数字指令信号，并能按照来自数 控装置的指令进行旋转或者直线运动，提高系 统的动态跟随特性和静态跟踪精度。 点击返回点击返回点击返回点击返回实训任务根据学校（院）数控机床的数量和学生的数量，把学生分成若干小组互相讲解数控机床的结构组成和各部分的功用。任务1.2 数控机床的分类1.2.1 按加工工艺方法分类2.数控铣床3.加工中心1.数控车床与传统车床相比，数控车床比较适合于车 削具有以下要求和特点的回转体零件： 精度要求高的零件。 表面粗糙度小的回转体零件。 轮廓形状复杂的零件。 带一些特殊类型螺纹的零件。（1）立式数控铣床立式数控铣床的主轴轴线垂直

10、于水平面。 立式数控铣床在数量上一直占据数控铣床的大多数 ，应用范围也最广。（2）卧式数控铣床卧式数控铣床的主轴轴线平行于水平面。 为了扩大加工范围和扩充功能，卧式数控铣床通常 采用增加数控转盘或万能数控转盘来实现4、5坐标 加工。（3）立卧两用数控铣床由于这类铣床的主轴方向可以更换，因此 能达到在一台机床上既可以进行立式加工又可以进 行卧式加工。数控铣床可进行钻孔、镗孔、攻螺纹、轮 廓铣削、平面铣削、平面型腔铣削及空间三维复杂 型面的铣削，加工中心、柔性加工单元是在数控铣 床的基础上产生和发展起来的,其主要加工方式也是 铣加工方式。加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀 具，对工件进行多工序加

11、工的数控机床。加工中心 按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式 加工中心。在加工中心上加工零件的特点是：被加工 零件经过一次装夹后，数控系统能控制机床按不同 的工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转 速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助 功能，连续地对工件各加工面自动进行钻孔、锪 孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。任务1.2 数控机床的分类1.2.2 按运动控制方式分类2.点位直线控制数控机床3.轮廓控制数控机床1.点位控制数控机床点位控制是指数控系统只控制刀具或工作 台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加 工，而点与点之间的路径不需控制。点位直线控制是指数控系

12、统除控制直线轨 迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点 之间以指定的进给速度进行直线切削。轮廓控制又称连续轨迹控制，能够连续控 制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀 具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具 有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误 差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动 速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速 度。任务1.2 数控机床的分类1.2.3 按控制方式分类2.半闭环控制系统3.闭环控制系统1.开环控制系统开环控制系统是指不带反馈装置的控制系 统，由步进电动机驱动线路和步进电动机组成。其 控制指令的作用原理如图。数控装置经过控制运算 发

13、出脉冲信号即CNC插补指令，经脉冲环形分配器变 换成A、B、C三相环形脉冲，每一脉冲信号使步进电 动机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移 动一定的距离。半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服 机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的 滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈 到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行 比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充 位移，直到差值消除为止的控制系统。闭环控制系统是在机床移动部件位置上直 接装有直线位置检测装置，将检测到的实际位移反 馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值 进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位 移，直到差

14、值消除时才停止移动，达到精确定位的 控制系统。闭环控制系统的定位精度高于半闭环控 制，但结构复杂，调试维修难度较大，常用于高精 度和大型数控机床。任务1.2 数控机床的分类1.2.4 按联动轴数分类（2）两轴半联动（3）三轴联动（1）两轴联动数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适 于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮 廓。（4）多坐标联动在两轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床 坐标系的X、Y轴固定时，Z轴可以作周期性进给。两 轴半联动加工可以实现分层加工。数控机床能同时控制三个坐标轴的联动， 用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三 轴加工完成。数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联 动

15、。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高、程 序编制复杂，适于加工形状复杂的零件，如叶轮叶 片类零件。通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三 轴加工；五轴机床也可以只用到三轴联动加工，而 其他两轴不联动。任务1.2 数控机床的分类1.2.5 按数控系统的功能水平分类2.普及型数控系统3.高档型数控系统1.经济型数控系统经济型数控系统，又称简易数控系统。通 常仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简 单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的 微机系统为单板机或单片机系统。普及型数控系统通常称之为全功能数控系 统。这类数控系统功能较为齐全，但不追求高精和 高速，以实用为准。高档型数控系统指加工复

16、杂形状工件的多 轴控制数控系统。且其工序集中、自动化程度高、 功能强、具有高度柔性。用于具有5轴以上的数控铣 床、大中型数控机床、五面加工中心、车削中心和 柔性加工单元等。实训任务实训任务1：由教师带领学生到数控实训车间认识数控机床的种类。实训任务2：根据数控机床数量和学生数量，按照学习过的数控机床的分类方法，把学生分成若干小组,互相讲解数控机床的类别归属。任务1.3 认识数控机床的适用范围和特点1.3.1数控机床的适用范围数控加工适用范围可用图粗略表示。 如图（a）所示为零件复杂及生产批量的不同，三种机床应用范围的变化图，当零件不太复杂，生产批量又 较小时，宜采用通用机床；当生产批量很大，宜采用专用机床；而随着零件复杂程度的提高，数控机床显得越 适用。 如图（b）所示通用机床、专用机床和数控机床零件加工批量与生产成本的关系。在多品种、中小批量生 产情况下，采用数控机床总费用更为合理。 任务1.3 认识数控机床的适用范围和特点1.3.1数控机床的适用范围根据数控加