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《数控加工技术》基础篇模块一数控概念及数控机床的产生主讲：冯正木一、概念数控（NC）机床：采用数字化信号对机床的运动及加工过程进行控制的机床，称为数控机床。计算机数控（CNC）：采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能，则称为计算机数控。加工中心（MC）：具有刀库、自动换刀装置并能对工件进行多工序加工的数控机床。模块一数控概念及数控机床的产生模块一数控概念及数控机床的产生二、数控机床的产生和发展1、产生机械产品的自身要求模块一数控概念及数控机床的产生1、产生单件、多品种小批量零件约占80%以上变斜角零件叶轮（曲面类零件）箱体类零件a）组合机床主轴箱b）分离式减速箱c）车床进给箱d）泵壳模块一数控概念及数控机床的产生1952年美国Parsons公司和MIT三坐标数控立铣床1955年数控机床进入实用化阶段-复杂曲面加工数控系统采用电子管元件-电子管时代1959年采用晶体管和印制电路板-第二代数控系统1965年出现小规模集成电路-第三代数控系统1970年出现小型计算机代替专用硬接线装置-第四代数控系统（CNC系统）1974年以微处理器为核心的数控系统-第五代数控系统（MNC系统）1990年以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统-第六代数控系统2、发展印制电路板集成电路微处理器PC机3、我国1958年起步20世纪60年代末70年代初—研制出一些晶体管式数控系统20世纪80年代初1985年进入实用阶段1986—1990年数控机床大发展时期1991年300多种模块一数控概念及数控机床的产生原中捷友谊厂生产中国第一台数控机床三、数控机床的组成模块一数控概念及数控机床的产生1、（控制介质）加工程序载体控制介质—人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物称为控制介质。程序—包括加工零件所需的全部信息和刀具相对工件的位移信息。载体—穿孔纸带、磁带、磁盘（软盘、硬盘、内存RAM）模块一数控概念及数控机床的产生模块一数控概念及数控机床的产生穿孔纸带示例模块一数控概念及数控机床的产生2、数控（CNC）装置作用：接受输入装置传来的加工信息，根据输入的零件加工程序进行相应的处理，然后输出控制命令到伺服驱动装置和PLC。CNC装置是CNC系统的核心。组成：输入装置信息处理输出装置模块一数控概念及数控机床的产生（1）输入装置作用：将程序载体内有关加工的信息读入CNC装置穿孔纸带—光电阅读机磁带—录放机磁盘—驱动器和驱动卡MDI—手动输入USB接口RS232C接口DNC接口模块一数控概念及数控机床的产生（2）信息处理作用：将程序载体内有关加工的信息编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。模块一数控概念及数控机床的产生（3）输出装置作用：根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲，并把它送到各坐标的伺服控制系统，经过功率放大，驱动伺服系统，从而控制机床按规定要求运动。模块一数控概念及数控机床的产生3、伺服系统（伺服控制装置）作用：将数控装置发来的各种动作指令，转化成机床移动部件的运动。电动机（伺服驱动器件）：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机模块一数控概念及数控机床的产生4、检测反馈系统位置和速度测量系统。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用：保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：模块一数控概念及数控机床的产生5、机床本体主运动系统进给运动系统辅助部分模块一数控概念及数控机床的产生模块二数控机床的分类一、按加工工艺方法分类1、普通数控机床与普通机床的区别：加工复杂形状的零件2、数控加工中心数控加工中心：带有刀库和自动换刀装置的数控机床。与一般数控机床的区别：减少机床台数，便于管理。减少定位误差工序集中，减少辅助时间，提高生产率减少专用工夹具数量模块二数控机床的分类二、按工艺用途分类1、金属切削类数控机床1）数控车床（NCLathe）。2）数控铣床（NCMillingMachine）。3）加工中心（MachineCenter）。4）数控钻床（NCDrillingMachine）。5）数控镗床（NCBoringMachine）。6）数控齿轮加工机床（NCGearHollingMachine）。7）数控平面磨床（NCSurfaceGrindingMachine）。模块二数控机床的分类4、其它类型数控机床2、金属成型类数控机床1）数控电火花加工机床（NCDiesinkingElectricDischargeMachine）。2）数控线切割机床（NCWireElectricDischargeMachine）。3）数控激光加工机床（NCLaserBeamMachine）。3、数控特种加工机床模块二数控机床的分类数控剪板机数控折弯机数控电火花线切割机录像三坐标测量机三、按运动方式分类特点：数控装置只能控制点与点的精确定位两相关位置之间的移动是先快后慢点与点之间运动轨迹不需要严格控制刀具在移动过程中不进行切削1、点位控制数控机床模块二数控机床的分类采用这种控制方式的机床有数控钻床、数控冲床、数控镗床等模块二数控机床的分类2、直线控制数控机床定义：是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削的系统。三、按运动方式分类模块二数控机床的分类特点：控制两相关点的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45°角的方向进行直线移动和切削加工。刀具在移动过程中进行切削2、直线控制数控机床三、按运动方式分类模块二数控机床的分类采用这种控制方式的机床有数控铣床、数控车床、数控磨床等模块二数控机床的分类3、轮廓控制数控机床定义：是指数控系统能够连续控制两个或两个以上坐标方向联合运动的系统。三、按运动方式分类模块二数控机床的分类3、轮廓控制数控机床特点：数控装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续插补控制加工复杂形状零件刀具在移动过程中进行切削三、按运动方式分类模块二数控机床的分类采用这种控制方式的机床有数控铣床、数控车床、加工中心等模块二数控机床的分类四、按伺服系统的控制方式分类1、开环数控机床特点：没有位置检测反馈和校正控制装置数控装置发出信号的流程是单向的速度和加工精度低，其精度取决于伺服系统的性能成本低，适用于中、小型数控机床数控装置驱动电路步进电动机工作台指令脉冲齿轮箱模块二数控机床的分类2、闭环数控机床特点：e=0，工作台停止检测工作台直线位移（检测元件：感应同步器、光栅）驱动元件：宽调速直流或交流伺服电机加工精度高，但结构复杂，造价高，调试维修困难适用于精度要求高的大型和精密机床数控装置位置比较电路伺服电动机工作台指令脉冲齿轮箱速度控制电路测量装置检测元件测速元件模块二数控机床的分类3、半闭环数控机床特点：检测丝杠或电动机轴旋转角位移角位移检测元件：旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等精度低于闭环系统系统调试较容易，稳定性也较好数控装置位置比较电路伺服电动机工作台指令脉冲齿轮箱速度控制电路测量装置检测元件测速元件模块二数控机床的分类五、按可联动轴数分类模块二数控机床的分类模块二数控机床的分类经济型数控机床步进电机实现的开环驱动，功能简单、价格低廉、精度中等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧及螺纹加工。一般控制轴数在3轴以下，脉冲当量（分辨率）多为0.01mm，快速进给速度在8-15m／min。六、按数控系统功能水平分类模块二数控机床的分类六、按数控系统功能水平分类中档型数控机床采用交流或直流伺服电机实现半闭环驱动，能实现4轴或4轴以下联动控制，脉冲当量为1um，进给速度为15-24m／min，一般采用16位或32位处理器，具有RS232C通信接口、DNC接口和内装PLC，具有图形显示功能及面向用户的宏程序功能。模块二数控机床的分类六、按数控系统功能水平分类高档型数控机床采用交流伺服电机形成闭环驱动，开始采用直线伺服电机，能实现5轴以上联动，脉冲当量（分辨率）为0.1um，进给速度可达100m／min以上。一般采用32位以上微处理器，形成多CPU结构。编程功能强，具有智能诊断、联网和通信功能。模块二数控机床的分类模块三数控加工技术的发展趋势1、高速度化机械方面：提高切削速度和减少辅助时间数控系统：CPU64位主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。–主轴最高转速达200000r/min。–主轴转速的最高加（减）速为1.0g。换刀速度–0.9秒（刀到刀）–2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度6.3秒模块三数控加工技术的发展趋势高速加工示例模块三数控加工技术的发展趋势2、高精度化提高机械设备的制造和装配精度；提高CNC系统的控制精度；采用误差补偿技术。提高CNC系统的控制精度采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01mm/脉冲）；模块三数控加工技术的发展趋势采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。模块三数控加工技术的发展趋势3、多功能化：功能复合化功能复合化体现在：工件自动装卸，工件自动定位，刀具自动对刀，工件自动测量与补偿，集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工机床”等。模块三数控加工技术的发展趋势自动对刀激光对刀自动测量自动装夹模块三数控加工技术的发展趋势镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头）；铣镗钻车复合—复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；铣镗钻磨复合—复合加工中心（ATC，动力磨头）；可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；模块三数控加工技术的发展趋势4、智能化“不仅有体力，而且有头脑，自己管理自己”配置各种微型传感器，具有监控和误差自动补偿等功能。自主管理加工程序仿真、作业排序、数据采集、刀具寿命管理和网络通信模块三数控加工技术的发展趋势驱动并联化模块三数控加工技术的发展趋势虚拟轴机床1—工作台2—工件3—刀具4—主轴箱5—导杆6—立柱模块三数控加工技术的发展趋势设计巧妙的5杆并联机构电滚珠丝杠电主轴模块三数控加工技术的发展趋势5、高可靠性提高元器件和系统的可靠性采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力使数控系统模块化、通用化和标准化提高自诊断及保护功能90年代数控机床可靠性水平MTBF≥800～900h本世纪初数控机床可靠性水平MTBF≥1000h～1200h模块三数控加工技术的发展趋势RS232C串行接口、RS422等接口；DNC接口，实现多台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制；有的已配备与工业局域网（LAN）通信的功能以及MAP接口，促进系统集成化和信息综合化，使远程操作和监控、遥控及远程故障诊断成为可能。6、具有更高通信功能模块三数控加工技术的发展趋势7、制造系统自动化FMC：柔性制造单元FMS：柔性制造系统CIMS：计算机集成制造系统模块三数控加工技术的发展趋势模块三数控加工技术的发展趋势模块三数控加工技术的发展趋势CIMS：计算机集成制造系统模块三数控加工技术的发展趋势模块四数控机床坐标系在国际ISO标准中，数控机床坐标轴和运动方向的设定均已标准化，我国机械工业部1982年颁布的JB3051-82标准与国际ISO标准等效。一、数控机床坐标系的规定原则模块四数控机床坐标系规定：永远假定刀具相对于静止的工件而运动的原则。二、标准坐标系的规定1、右手笛卡尔直角坐标系（右手直角坐标系）模块四数控机床坐标系2、刀具运动坐标与工件运动坐标在坐标系中，字母不带“′”的坐标表示工件静止、刀具运动的坐标字母带“′”的坐标表示工件运动、刀具