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1机床数控技术教师：刘敏机械工程学院2课程概况考核及成绩本课程机械专业为考试科目总评成绩＝平时成绩x30%+考试x70％3第一章绪论1.1数控机床的基本组成及加工原理数控机床的产生计算机数控的概念与发展数控机床的基本结构及工作原理数控机床的分类按加工工艺方法分类按控制运动的方式分类按驱动装置的特点分类数控机床的特点及应用范围数控机床的加工特点数控机床的使用特点数控机床的应用范围41.1.1数控机床的产生数控机床产生的背景在传统机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约占机械加工总量的70％—80％。科学技术的进步和机械产品市场竞争的日趋激烈，致使机械产品不断改型、更新换代，批量相对减少。质量要求越来越高。采用专用的自动机床加工这类零件就显得很不合理，而且调整或改装专用的“刚性”自动生产线投资大、周期长，有时从技术上甚至是不可能实现的。采用各类仿型机床，虽然可以部分地解决小批量复杂零件的加工，但在更换零件时需制造靠模和调整机床．生产准备周期长，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。20世纪40年代，世界上首台电子计算机的诞生使得数控机床的出现成为可能。51.1.1数控机床的产生数控加工技术是20世纪40年代后期为了适应加工复杂外形零件而发展起来的一种自动化加工技术，它的研究起源于飞机制造业。首先提出数控加工这一概念的是美国的帕森斯公司（Parsons),它是美国密执安州的一个小型飞机承包商，该公司在1948年首先提出用电子计算机控制机床加工复杂曲线样板的新理念。并且在精确制作出直升飞机的机翼、叶片和飞机框架的样板时，他们利用计算机对加工路径进行了处理，并考虑到了刀具路径对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0015英寸（约0.0381mm），这在当时来看是很高的水平了。同期，美国空军也需要一种机床能够在短时间内加工出经常变更设计的火箭零件。61.1.1数控机床的产生1952年，美国帕森斯公司(Parsons)和麻省理工学院(MIT)合作，研制成功了世界上第一台数控机床——三坐标立式铣床，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，从此解开了数控加工的序幕。经过了三年的试用、改进和提高于1955年进入实用阶段。数控机床的诞生，对复杂曲线、型面的加工起到了非常重要的作用，并广泛应用于军事、航天、汽车等各个方面，成为一个国家制造业水平的标志。71.1.2计算机数控的慨念与发展数字控制(数控)的概念GB8129—1997中对NC(NumericalControl，简称NC)的定义为：用数值数据的控制装置，在运行过程中不断地引入数值数据，从而对某一生产过程实现自动控制。数控：通俗的说就是利用数字化信息对机械运动和加工过程进行控制，由于现代的数控都采用计算机进行控制，因此也可以称为计算机数控(ComputerizedNumericalControl,即CNC)。数控系统数控系统在数控机床行业中是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。数控系统在有些场合则仅指其中的计算机数字控制装置。为区别起见将其中的计算机数字控制装置称为数控装置。数控装置是数控系统的核心部件81.1.2计算机数控的慨念与发展数控机床(NCmachinetools)数控作为一种控制方法，不仅可以用在加工设备上，而且非加工设备也大量地采用数控技术，其中最常见的有“自动绘图机”、“自动装配机”、“多坐标测量机”和“工业机器人”。但数控技术用于机场控制是应用最早的，最广泛的领域，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向，也是学习我们这个专业所要掌握的。数控机床：若机床的操作命令以数值数据的形式描述，工作过程按照规定的程序自动地进行，则这种机床称为数控机床。简单的说，数控机床就是用数控技术对加工过程进行控制的一种机床。91.1.2计算机数控的慨念与发展计算机数控的发展自1953年美国研制出第一台三坐标升降台数控铣床算起，数控机床发展至今已有70年历史了，经历了两个阶段，六代的发展历程。第一个是NC阶段，它是采用数字逻辑电路搭成的机床专用数控系统，所以又称为硬件数控阶段，随着元器件的发展，这个阶段历经了电子管（1952年）、晶体管（1959年）和小规模集成电路（1965年）三代。自1970年小型计算机开始作为数控系统的核心部件，数控系统就进入到第二个阶段，叫做CNC阶段，成为第四代数控系统；从1974年微处理器开始用于数控系统即发展到第五代。经过多年的发展，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。101.1.2计算机数控的概念与发展数控系统发展的第一个阶段：第一代：50年代初，那时数控系统是由电子管、继电器和模拟电路组成；第二代：50年代末，电子行业于1959年研制出了晶体管元器件，因而数控系统中广泛地采用了晶体管和印刷电路板技术，使得可靠性提高，体积减小；第三代：出现于60年代的中期（1960年出现了小规模集成电路），小规模集成电路在数控系统中的应用。由于小规模集成电路体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高。第一个阶段：硬件式数控，其特点是：数控装置属于采用专用控制计算机的硬接线(硬件)数控装置，零件程序的输入、运算、插补及控制功能均由硬件电路完成，功能简单，设计周期长。111.1.2计算机数控的概念与发展数控装置发展的第二个阶段：第四代：20世纪70年代初，随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机的第四代数控系统（CNC）；第五代：1974年（1970年前后美国英特尔公司开发和使用了微处理器）出现了以微处理器为核心的数控系统；20多年来微处理器数控系统的数控机床得到了飞速的发展；第六代：90年代以来，基于PC的开放式数控系统。第二个阶段：计算机数控系统。这种数控系统不仅在经济上更为合算，而且许多功能可用编制的专用程序实现，并可将专用程序存储在小型计算机的存储器中，构成控制软件。121.1.2计算机数控的概念与发展基于PC的开放式数控系统90年代以来受通用微机（PC)飞速发展的影响，数控系统正朝着以通用微机为基础，体系结构开放和智能化的方向发展，并于1994年基于PC的NC控制器在美国首次出现，这就是我们所说的第六代数控系统基于PC的开放式数控系统，它可充分利用通用微机丰富的软硬件资源和适用于通用微机的各种先进技术已成为数控系统发展的潮流和趋势。我国从1958年开始研制数控机床，20世纪60年代中期进入实用阶段。自20世纪80年代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统和伺服系统制造商的技术；使我国数控系统在性能、可靠性等方面得到了迅速发展。经过“六五’、“七五“；“八五”及“九五”科技攻关，我国已掌握了现代数控技术的核心内容。目前我国已有数控系统(含主轴与进给驱动单元)生产企业五十多家，数控机床生产企业百余家。131.1.3数控机床的基本结构及工作原理数控机床加工零件的工作过程1.根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序；2.将所编程序指令输入机床数控装置中；3.数控装置对程序(代码)进行翻译、运算之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助动作。4.在机床上加工出合格的零件（由数控系统自动完成）。普通机床加工零件的工作过程1.编写加工零件的工艺卡片；2.操作者阅读工艺卡片；（数控机床是一次性读入，普通机床是操作者是一边阅读一边操作。）3.操作者在阅读、分析、理解了工艺卡片后，转化为实际的加工操作；4.在操作者的人为干预和调整下，加工出合格的零件。数控机床加工零件的工作过程141.1.3数控机床的基本结构及工作原理数控加工过程的实质：形数形151.1.3数控机床的基本结构及工作原理数控机床的基本结构如图所示，下面对其各组成部分加以介绍。由上图可知数控机床的基本结构包括：控制介质（程序载体）、输入装置、数控装置、驱动（伺服驱动）和检测（测量反馈）装置、辅助控制装置（强电控制装置）和机床本体等部分组成。161.1.3数控机床的基本结构及工作原理控制介质（程序载体）数控机床工作时，不是像传统的机床那样由工人去操作数控机床。必须在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物称为程序载体。加工程序可存储在控制介质(也称信息载体)上，加工程序上存储着加工零件所需的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息等。常用的控制介质有穿孔带、磁带和磁盘等。信息是以代码的形式按规定的格式存储的。代码分别表示十进制的数字、字母或符号。目前国际上通常使用：EIA(ElectronicIndustriesAssiciation)代码美国电子工程师协会ISO(InternationalOrganizationforStandardization)代码。国际标准化组织我国规定以ISO代码作为标准代码。171.1.3数控机床的基本结构及工作原理输入装置输入装置：是将控制介质(信息载体)上的数控代码传递并存入数控系统内。是将控制介质上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号传送到数控装置的内存储器中。根据控制介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控加工程序也可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统。数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。181.1.3数控机床的基本结构及工作原理数控装置数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。数控装置根据坐标代码进行插补运算输出插补控制信号零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其它非圆弧曲线组成，刀具在加工过程必须按零件现状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴(即进给运动各执行部件)的进给速度、进给方向和进给位移量等。191.1.3数控机床的基本结构及工作原理驱动装置组成：控制器(含功率放大器)和执行机构两大部分。作用：接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加工出符合图样要求的零件。由于伺服控制装置是数控机床的最后控制环节，因此它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因案之一。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。201.1.3数控机床的基本结构及工作原理辅助控制装置通常由PLC和强电控制回路组成；主要作用：是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。211.1.3数控机床的基本结构及工作原理机床本体数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但与传统的数控机床加工过程相比，数控机床加工零件是一个全自