数控机床绪论

机床数控原理及应用主讲：王润孝教授课程内容绪论插补与刀补计算原理CNC系统结构及控制方法检测装置数控机床的伺服驱动系统数控机床的故障诊断1.理论部分课程内容插补算法实验步进式伺服系统检测元件原理CAD-CAMNC加工简易数控系统数控编程加工2.实验部分课程实验综合实验教材及参考书•选用教材：机床数控原理与系统西工大出版社王润孝秦现生主编•参考书目：计算机数控(CNC)系统西工大出版社彭炎午主编现代数控机床机械工业出版社毕承恩丁乃建编著§1-1绪论一、示例普通车床数控车床加工圆柱普通车床加工普通车床的操作数控车床加工QT200全功能数控车床8位转塔刀台/8位并联机床并联运动机构二、数控机床的定义•数控：（NumericalControl，NC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。•数控机床：用数控技术控制的机床称为数控机床。二、数控机床的定义•数控机床的一般工作形式为：三、数控机床的组成•数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量装置和机床本体组成。三、数控机床的组成1、控制介质人和数控机床联系的媒介物。(也称程序介质、输入介质、信息载体)控制介质可以是穿孔带，也可以是穿孔卡、磁带、磁盘或其他可以储存代码的载体，有些直接集成在CAD/CAM中。三、数控机床的组成2、数控装置数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。三、数控机床的组成3、伺服系统其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，包括信号放大和驱动元件。其性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。脉冲当量δ——相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移，常见的有：0.01mm，0.005mm，0.001mm三、数控机床的组成步进电机交流伺服电机直流伺服电机常用的伺服元件常用的检测元件编码盘磁珊光栅三、数控机床的组成4、机床早期采用通用车床，现在采用了新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的技术使其发生了很大的变化。目前已模块化生产，分为六大块数控系统数控刀架和转台刀库和机械手高速防护罩滚动部件主轴单元四、数控机床的工作原理数控机床加工零件,首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化,用规定的代码和程序格式编写加工程序,然后将所编写的程序指令输入到机床的数控装置中.数控装置再将程序(代码)进行译码、运算，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的运动，最后加工出合格零件。四、数控机床的工作原理从自动控制的角度来看，计算机数控(CNC)系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。四、数控机床的工作原理从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。五、数控机床的分类数控机床规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面4种方法来分类的。1.按工艺用途分类2.按运动轨迹分类3.按伺服系统的控制方式分类4.按数控装置分类1.按工艺用途分类•一般数控机床：车铣镗钻磨等，功能与通用机床相似；但是可以加工复杂形状的零件。•数控加工中心：在数控铣、镗、钻床的基础上增加了自动换刀装置。带刀库，一次装夹后可完成多工序加工。•多坐标数控机床：坐标轴大于3，能加工复杂形状零件。2.按运动轨迹分类•点位控制数控机床：点——点位置精确控制，保证的是定位精度，以慢~快~慢的运动方式如：钻床、冲床、测量机等如图•点位直线控制数控机床：位置控制+速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方向（平行或45°）切削加工•轮廓控制数控机床：每点的位置+速度+路线控制，可对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制按运动轨迹分类点位控制钻孔加工工件刀具AB按运动轨迹分类点位直线控制切削加工按运动轨迹分类工件刀具轮廓控制加工3.按伺服系统的控制方式分类（1）开环控制数控机床（2）闭环控制数控机床（3）半闭环控制数控机床（1）开环控制数控机床减速器数控装置控制电路工作台输入开环控制系统框图步进电机（2）闭环控制数控机床数控装置控制电路伺服电机工作台输入闭环控制系统框图位置检测元件速度检测元件速度反馈位置反馈（3）半闭环控制数控机床数控装置控制电路伺服电机工作台输入半闭环控制系统框图速度检测元件速度反馈位置反馈转角检测元件4.按数控装置分类•硬件数控机床（NC）速度快，但功能扩展性和灵活性差•软件控制数控机床（CNC）主要功能由软件实现，软件模块化，便于扩展六、数控机床的特点及优势（1）采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械结构得到简化，传动链较短；（2）为了使连续性自动化加工，机械结构具有较高的动态刚度及耐磨性，热变形小；（3）更多的采用高效率、高精度的传动部件，如滚珠丝杠、直线滚动导轨等；（4）加工中心带有刀库、自动换刀装置（5）采用辅助装置：冷却、排屑、防护、润滑、储运等装置1.设计特点七、数控机床的特点及优势•适应性强，适合加工单件小批量、复杂零件•加工零件一致性好、重复精度高•高自动化、高效率•只要改变程序就可改变加工件，不需要大量复杂工装夹具•可以采用复合工艺•有利于生产管理的现代化2.优势七、数控机床的应用经过多年的发展，已形成种类繁多的CNC系统，应用范围也日益广泛。主要包括：金属切削金属成型特种加工其它类型数控车床数控铣床数控钻床加工中心数控雕刻机床三座标测量机数控电火花成型机快速成型设备数控多工位冲床数控弯管机数控卷簧机§1-2数控机床的产生和发展一、数控机床的产生•在汽车、拖拉机等大量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合机床和自动线。但这种设备的第一次投资费用大，生产准备时间长，这与改型频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇航，以及其他国防工业的要求不相适应。如果采用仿形机床，则要制造靠模，不仅生产周期长，精度亦受限制。§1-2数控机床的产生和发展•第二次世界大战以后，美国为了加速飞机工业的发展，要求革新一种样板加工的设备。1948年，美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。§1-2数控机床的产生和发展•1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代。3.创新人才是新技术诞生的关键•具有创新思维的人才•具有创新能力，勇于探索实践•锲而不舍，勇攀高峰的勇气思考与启迪怎样学好本门课程？•深入学习，掌握基本概念•联系实际，掌握基本技能•勤于思考，培养系统思维结束语我国已将装备制造业列为支柱产业，而数控机床是实现装备制造业现代化的基础装备。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。我们要顺应数控技术的发展潮流，实现数控装备的跨越式发展，为加快我国成为世界制造业中心做出贡献！§1-3数控机床的有关功能规定使用数控机床的目的是要有效地高质量地加工出合格的零件来，所谓合格的零件必须是符合图纸要求的产品。而机床怎么会知道图纸的要求呢?这必须由人来告诉它。人又是以何种方式、以什么规则和约定告诉给机床的呢?这就必须制定出数控机床程序编制的规则来。一、程序段格式•程序段：是指为了完成某一动作要求所需的功能“字”的组合。“字”是表示某一功能的一组代码符号，如X2500为一个字，表示X向尺寸为2500；F20为一个字，表示进给速度为20。一、程序段格式1）常用功能字一个程序段中，除了由地址符N为首的三位数组成的序号字(N×××)外，常用的功能字有：准备功能字G；坐标功能字X，Y，Z；辅助功能字M；进给功能字F；主轴转速功能字S和刀具功能字T等。1）常用功能字（1）准备功能字准备功能字以地址符G为首，后跟二位数字(G00~G99)。1）常用功能字（2）坐标功能字坐标功能字。坐标功能字(又称为尺寸字)用来设定机床各坐标之位移量。它一般使用X，Y，Z，U，V，W，P，Q，R，A，B，C，D，E等地址符为首，在地址符后紧跟着“+”(正)或“—”(负)及一串数字，该数字一般以系统脉冲当量为单位，不使用小数点。一个程序段中有多个尺寸字时，一般按上述地址符顺序排列。1）常用功能字(3)进给功能字进给功能字用来指定刀具相对工件运动的速度。其单位一般为mm/min。当进给速度与主轴转速有关时，如车螺纹、攻丝等，使用的单位为mm/r。进给功能字以地址符“F”为首，其后跟一串数字代码。具体指定方法有：三位数代码法、二位数代码法、一位数代码法、直接指定法1）常用功能字(4)主轴速度功能字主轴速度功能字用来指定主轴速度，单位为r/min，它以地址符S为首，后跟一串数字。它与F为首的进给功能字一样可采用三位、二位、一位数字代码法或直接指定法。1）常用功能字(5)刀具功能字当系统具有换刀功能时，刀具功能字用以选择替换的刀具。刀具功能字以地址符T为首，其后一般跟二位数字，代表刀具的编号。1）常用功能字(6)辅助功能字辅助功能字以地址符M为首，其后跟二位数字(M00~M99)。ISO1056标准对辅助功能M的规定见课本表1—5。此表等效于我国标准JB3208—83中关于M功能的规定。一、程序段格式2)程序段格式不同的数控机床根据功能的多少、数控装置的复杂程度、编程是否简便直观等不同要求而规定了不同的程序段格式。如果输入程序的格式不符合规定，数控装置就会报警出错。常见的程序段格式有固定顺序式、带分隔符TAB的固定顺序式和字地址格式三种。2)程序段格式•目前使用最多的则是字地址程序段格式。常见的格式如下：若将式(1—1)写成一般形式，则为：式中二、程序编制从零件图到制成输入介质的过程叫做数控机床的程序编制。数控机床的程序编制分为手工编程和自动编程两种。手工编程的一般步骤包括工艺处理、运动轨迹的坐标计算、填写程序单、制备输入介质和程序校核等。自动编程过程也是按上述步骤进行的，只不过其中的大部分工作是由计算机或自动编程器来完成的。根据输入方式的不同，自动编程分为语言输入、图形输入和语音输入三种方式。