模具设计与数控加工《数控机床与应用》教案

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1、数控机床及应用,玉溪工业财贸学校,主讲:卢云学,数控车床加工产品,数控车床加工产品,数控铣床加工产品,数控铣床加工产品,数控雕刻机加工产品,数控雕刻机加工产品,课程性质： 课程任务：,1.掌握数控机床的基本原理和基础知识 ； 2.熟悉数控机床的基本结构和工作机理； 3.具备数控加工手工编程能力和正确使用数控设备的能力 ； 4.培养选用或设计组成数控机床的计算机数控 系统的能力。,机械设计制造与自动化专业的一门主干专业技术课，是一门实践性、综合性很强的课程。,目 录,第一章：数控机床概述 第二章：数控加工工艺分析及编程基础 第三章：插补原理与计算 第四章：数控车床编程 第五章：数控铣床及加工中心

2、编程 第六章：计算机数控系统 第七章：数控机床的机械结构,数控机床及应用目录,第一章 数 控 机 床 概 述,本章要点： 1.1 了解数控机床的产生及发展 1.2 掌握数控机床的组成、工作原理和特点 1.3 掌握数控机床的分类 1.4 了解数控机床的发展趋势,1.1 数控机床的产生及发展 1.1.1产生： 随着科学技术的发展，机械产品结构越来越合理， 其性能、精度和效率日趋提高更新换代频繁，生产类型 由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机 械产品的加工相应得提出了高精度、高柔性与高度自动 化的要求。数字控制机床就是为了解决单件、小批量、 特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而

3、产 生的。,第一章 数 控 机 床 概 述,1.1 数控机床的产生及发展 第一台数控机床是1952年美国PARSONS公司 与麻省理工学院（MIT）合作研制的三坐标数控 铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺 服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技 术成果，可用于加工复杂曲。数控机床的 发展先后经历了电子管（1952年）、晶体管（1959年）、小规摸集成电路（1965年）、面零件大规 模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机 或微型机算机（1974年）等五代数控系统。,第一章 数 控 机 床 概 述,1.1 数控机床的产生及发展 (1)、数字控制 数字控制（Numerical C

4、ontrol)，简称NC， 它是采用数字化信息实现加工自动化的控制技术 ，用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行 控制的机床称作数控机床。 (2)、NC机床 早期的数控机床的NC装置是由各种逻辑元件 、记忆元件组成随机逻辑电路由硬件来实现数控 功能，称作硬件数控，用这种技术实现的数控机 床称作NC机床。,第一章 数 控 机 床 概 述,1.1 数控机床的产生及发展 (3)、CNC 机床 现代数控系统采用微处理器或专用微机的数 控系统（Computer Numerical Control）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

5、行联接，这样的机床称作CNC机床。,第一章 数 控 机 床 概 述,1.1 数控机床的产生及发展,第一章 数 控 机 床 概 述,图纸、MDI等,存储介质,数控装置,输入,输出,CNC装置,伺服驱动装置,伺服系统,执行机构,切削驱动装置,机床主体,检测装置,1.2 数控机床的工作原理,1.2 数控机床的组成,数控机床一般由程序载体、输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成。 1. 程序载体 2. 输入输出设备 3. 数控装置 4. 伺服系统 5. 测量反馈装置 6. 机床本体,程序载体,(1)、程序载体 纸带、磁带或磁盘等。 (2)、输入输出装置 (3)、数控装置 是数控机

6、床的核心，接受脉冲信号经过译码 、运算和逻辑处理将指令信息输出给伺服系统， 使设备按轨定的动作执行。,1.2 掌握数控机床的组成,(4)、伺服装置 是数控机床执行机构的驱动部件，作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床执行部件的运动。 (5)、检测反馈装置 作用是对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态加以检测并将结果反馈给数控装置，计算出与指令位移之间的偏差并发出纠正误差指令。,1.2 数控机床的组成,(6)、机床主体 是加工运动的实际机械部件，主要包括主运 动部件、进给运动执行部件如工作台、拖板、刀 架，和支承部件如床身、立柱等，还有冷却、润 滑、转位部件、夹紧、换刀机械手等辅助装置

7、。,1.2 数控机床的组成,三、数控机床的特点,1.2 数控机床的特点:(优点) )、适应性强 适应性是指数控机床随生产对象变化而变化 的适应能力。 )、精度高 工作过程不需要人工干预，而是自动工作的 ，且通过实时检测装置来修正或补偿以获得更高 的精度。,1.2 数控机床的特点：(优点) )、效率高 数控机床可以采用较大的切削用量，而且具有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化的功能。 )、减轻劳动强度、改善劳动条件 )、有利于生产管理的现代化 6 )、能加工复杂型面 7 )、可向更高级的制造系统发展,1.2 数控机床的特点：(缺点) 1)、增加成本 2)、增加电子设备维护 3)、对操作人员的

8、素质要求较高,适合数控机床加工的零件: 1)、批量零部件 2)、复杂零部件 3)、频繁改型零部件 4)、贵重关键零部件 5)、公差等级要求高的零部件,1.3、数控机床的分类,1、按工艺用途分类 （1）普通数控机床 （2）加工中心机床 （3）多坐标数控机床 (4)数控特种加工机床,1.3、数控机床的分类,1、按工艺用途分类（1）普通数控机床,数控铣,1.3、数控机床的分类,1、按工艺用途分类（2）加工中心机床,铣削加工中心,车削加工中心,采用直线电机的立式加工中心,1.3、数控机床的分类,1、按工艺用途分类（3）多坐标数控机床,五轴联动加工中心,1.3、数控机床的分类,1、按工艺用途分类 (4)

9、数控特种加工机床,数控线切割机床,三维五轴联动激光切割机,数控电火花机床,2、按运动方式分类 （1）点位控制数控机车 它只控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削加工。刀具的三种路径： 1） 2） 3）,X,Y,Z,2、按运动方式分类（1）点位控制数控机床,数控钻床,数控镗床,（2）直线控制数控机床 它是控制刀具或机床工作台以给定的速度，沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一个位置的精确移动，并且在移动过程中进行直线切削加工。,（3）轮廓控制数控机床 它是对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，并能对机床移动部件的位移和速度进行严格的控制，即要控制加工的轨

10、迹，加工出要求的轮廓。其运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。,3、按伺服系统的控制方式分类 （1）开环控制系统 即不带位置测量元件，数控装置根据控制介质上的指令信号，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构（如工作台）移动或转动。 特点：没有来自位置测量元件的反馈信号，对执行机构的动作情况不进行检查，指令流向为单向，控制精度较低。,3、按控制方式分类（1）开环控制系统,a）开环伺服系统（无检测装置）,数控装置,驱动电路,步进电机,机床工作台,指令脉冲,特点：无检测装置，信号流程单向，精度取决于驱动元件，步进电机，机械传动的综合精度，

11、该结构简单，调试方便，但精度低。,步进电动机每接受一个脉冲，旋转一个角度，从而通过齿轮与丝杠螺母副带动工作台移动。,一个脉冲所产生的进给轴移动量称为脉冲当量。,（）闭环控制系统 这类机床带有检测反馈装置，它可将测量出的实际位移值反馈到数控装置中与输入的指令位移值相比较，用差值进行控制，直至差值为零，以实现运动部件的精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的运动精度主要决定于检测装置精度，而与传动链中误差无关。但闭环控制系统对机床结构的刚性、传动部件的间隙及导轨移动的灵敏性等都有严格的要求。,（）闭环控制系统 特点：是位移精度高，但调试、维修都较复杂，成本较高，一般适用于精度很高的数控机床。,（）闭环

12、控制系统 。,加工中，时刻将指令位置值与检测反馈末端工作台实际位置值进行比较，产生比较跟随误差，并以该误差为控制信息，使工作台不断向误差减小的方向运动，直到误差为零为止，精度最高。,（）半闭环控制系统 这类机床不是直接测量工作台位移量，而是通过检测丝杠转角，间接地测量工作台位移量，然后再反馈给数控装置， 特点：系统结构简单，安装、调试较方便， 控制特性比较稳定，但系统的精度没有闭环系统高。 目前，大多数中小型数控机床广泛采用半闭环控制制系统。,（）半闭环控制系统,按功能水平分类,高级型数控系统 普及型数控系统 经济型数控系统,按功能水平分类,表1.1 数控系统的功能分类,1.4 数控机床的发展

13、,1、数控系统的发展趋势 1）高速化、高精度化和高可靠性 速度和精度是数控机床的两个重要指标。要提高加工效率，首先必须提高切削速度和进给速度。随着工业技术不断深化发展，产品的加工精度已提出了相当高的要求。目前，相应数控系统可在0.1单元进行设定。,1）高速化、高精度化和高可靠性 高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，而是适度可靠。 提高数控系统可靠性的措施有：采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量来提高系统的可靠性。,2）复合化、智能化 为了保证加工精度,降低生产成本,将原来分散在多种数控机床

14、上的加工集中在一台控机床进行,完成全部加工工序,以实现复合加工。,2）复合化、智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透发展，数控系统的智能化程度不断提高。,3）开放式 随着开放式计算机的发展，数控系统也逐渐具有了开放式。 硬件、软件开放式 二次开发性 系统升级性 远程故障排除,2、先进制造技术 1）柔性制造单元（FMC） FMC既可作为独立运行的生产设备进行自动加工，也可作为柔性制造系统的加工模块，具有占地面积小、便于扩充、成本低、功能完善和加工适应范围广等特点，非常适用于中小企业。 它由加工中心（MC）与自动交换工件(AWC)装置组成，同时数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。,2

15、)柔性制造系统（FMS） 它具有多台制造设备，大多在10台以下。一个典型的FMS由加工系统、物流系统、中央管理系 统和监控系统四部分组成。其全部生产过程由一台中央计算机进行生产调度。因此，该系统可以提高50%的生产效率，缩短50%的生产周期。,3）计算机集成制造系统（CIMS） 它是一种先进的生产模式，它是将企业的全部生产、经营活动所需的各种分布的自动化子系统，通过新的生产管理模式、工艺理论和计算机网络有机地集成起来，以获得适应于多品种、中小批量生产的高效益、高柔性和高质量的智能制造系统。 一个典型的CIMS系统由信息管理、工程设计自动化、制造自动化、质量保证、计算机网络和数据库等6个子系统组

16、成。 4）敏捷制造,作业,P10(1,2,4,5),第二章 数控机床的机械结构,一、数控机床的机构要求与特点 （一）数控机床的结构要求 数控机床具有加工范围宽，工艺能力强等特点。因此，它的主传动运动系统具有更大、连续的调速范围和更高的转速以达到高加工精度和效率的要求。现代所采用的电机多为交流和直流调速电机，实现了主轴的无级变速，从而减少传动部件。另外，对主轴的部件来说，要具有更高的精度和刚度。,对主轴系统的要求： （1）为了能达到最佳的切削效果，一般都应在最佳的切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能实现无级变速。 （2）要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需求。 （3）为了