第1章：数控机床概述

数控编程课程说明本课程是一门专业核心技能课，以掌握数控编程的基本指令、典型零件编程为重点，通过一定的实践环节，具有数控机床操作与加工的基本技能，同时为后续专业课程的学习打下一定基础。本课程教学内容：1.数控机床概述2.数控编程基础3.数控车削编程4.数控铣削编程5.宏程序及应用1.1数控机床的组成及工作原理1.2数控机床的特点及分类1.3数控技术发展第1章数控机床概述1.1数控机床的组成及工作原理1.1.1数字控制技术数控技术用数字、字符和其他符号对设备的工作过程进行编程控制的一种自动化控制技术。数控系统（CNC）对设备进行数字控制技术控制的装置。数控机床用数控系统对其工作过程进行编程控制的自动化机床，它是数控技术最典型的应用。1.1数控机床的组成及工作原理11.2数控机床的组成及工作原理1.数控机床的组成机床I/O电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数控装置操作面板PLC计算机数控系统机床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备各组成部分作用①操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器。它是数控机床特有部件。②控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通讯、网络通讯（internet，LAN）等各组成部分作用③CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的，CNC装置是CNC系统的核心。各组成部分作用④伺服单元、驱动装置和测量装置1）伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机、进给伺服驱动装置和进给电机2）测量装置位置和速度测量装置，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。各组成部分作用⑤PLC、机床I/O电路和装置PLC：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路功能：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。各组成部分作用⑥机床机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统、工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。各组成部分作用1.1数控机床的组成及工作原理11.2数控机床的组成及工作原理2.数控机床的工作原理1.1数控机床的组成及工作原理11.2数控机床的组成及工作原理2.数控机床的工作原理数控机床在加工零件时,首先应编制零件的数控程序(数控机床的工作指令),然后将数控程序输入到数控装置,再由数控装置控制机床主运动的变速、启停、进给运动方向、速度和位移的大小,以及其他诸如刀具选择交换、工件夹紧松开、路程和参数进行工作,从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。1.2数控机床的特点及分类1.2.1数控机床的特点1.数控机床的加工特点2.数控机床的使用特点3.数控机床的应用范围1.2数控机床的特点及分类1.2.1数控机床的特点1.数控机床的加工特点1）加工零件的适应性强,灵活性好2）加工精度高,产品质量稳定3）生产率高4）减少工人劳动强度5）生产管理水平提高1.2数控机床的特点及分类1.2.1数控机床的特点2.数控机床的使用特点1）数控机床对操作、维修人员的要求较高2）数控机床对夹具和刀具的要求1.2数控机床的特点及分类1.2.1数控机床的特点3.数控机床的应用范围1）多品种小批量生产的工件2）形状结构比较复杂的工件3）需要频繁改型的工件4）价值昂贵，不允许报废的关键工件5）需要最少周期的急需工件6）批量较大精度要求高的工件1.2数控机床的特点及分类1.2.2数控机床的分类1.按工艺用途分类普通数控机床、加工中心机床、多坐标数控机床、数控特种加工机床2.按运动方式分类点位直线控制数控机床、轮廓控制数控机床1.2数控机床的特点及分类1.2.2数控机床的分类3.按伺服系统的控制方式分类开环控制系统数控机床、闭环控制系统数控机床、半闭环控制系统的数控机床4.按数控装置功能水平分类低档数控机床、中档数控机床、高档型数控机床1.2数控机床的特点及分类1.2.2数控机床的分类普通数控车床示意图立式铣削加工中心示意1.2数控机床的特点及分类1.2.2数控机床的分类五坐标的数控机床示意图数控线切割机床示意图数控车床数控车床加工零件车削中心车削中心加工零件数控铣床及加工零件加工中心及加工零件1.2数控机床的特点及分类1.2.2数控机床的分类CNC装置速度控制位置控制电动机功率放大机床工作台测量反馈单元半闭环闭环伺服系统的组成框图1.2数控机床的特点及分类1.2.2数控机床的分类低档、中档、、高档、数控机床主轴功能、分辨率和进给速度、伺服进给类型、联动轴数、通信功能、主CPU、显示功能、内装PLC。1.2.3数控机床的应用范围1）多品种小批量生产的工件2）形状结构比较复杂的工件3）需要频繁改型的工件4）价值昂贵，不允许报废的关键工件5）需要最少周期的急需工件6）批量较大精度要求高的工件1.3数控技术的发展1.3.1数控技术的产生和发展1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。第一代：1955年NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。第二代：1959年NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。第三代：1965年NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”第四代：1970年NC系统采用小型计算机取代专用硬件电路，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。第五代：1974年NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。这一代又可分为六个发展阶段：1974年：系统以8位微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。1979年：系统采用CRT显示，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑。1.3数控技术的发展1.3.2数控机床的发展水平和趋势1、数控机床的发展趋势1）工序集中2）高速、高效、高精度3）方便使用，提高可靠性2、数控系统的发展趋势1.3数控技术的发展1.3.2数控机床的发展水平和趋势3、伺服系统的发展趋势1）前馈控制技术2）机械静、动摩擦的非线性控制技术3）伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制4）采用高分辨率的位置测量装置5）补偿技术得到发展和广泛应用进入九十年代以来，随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展：1）运行高速化2）加工高精化3）功能复合化4）控制智能化5）体系开放化6）驱动并联化7）交互网络化数控技术发展的几个问题一、高速化二、开放式结构三、适应控制系统四、直接数字控制系统五、柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）六、计算机集成制造系统（CIMS）数控技术发展的几个问题一、高速化高速切削工艺意味着什麽?减少达30%的切削力进给速度提高5到10倍减少传递到工件上的热量特定的材料去除量可增加高达40%数控技术发展的几个问题一、高速化实现高速切削加工的要素1、高速主轴现在的机械加工，要求主轴转速越来越高，高速主轴是高速切削技术最重要的关键技术，是高速加工机床的核心部件。数控机床采用主轴电动机与机床主轴一体化的电主轴部件，高转速下主轴的刚性、动态特性、轴承及冷却系统等都对高速主轴的使用性能有着重要影响。已经有全套的电主轴系统，包括：电主轴、矢量变频驱动、油气润滑装置、冷却装置、管路、电缆、刀具等。当前，共有15类60几个型号的电主轴产品，最大转速可达140000r/min，直径范围33~300mm，功率范围125W~80kW，扭矩范围0.02~300Nm。数控技术发展的几个问题一、高速化2、数控系统1）数控系统采用多片32位或64位CPU的处理器和多微处理器结构，提高插补运算的速度和精度，以满足高速切削加工对系统快速数据处理能力的要求，并采用前馈和大量超前程序段处理功能，以保证高速加工时的插补精度。2）减少加减速滞后产生的误差：3）控制进给率：进给率过大的系统会在过渡过程中（如拐角）产生误差。数控技术发展的几个问题一、高速化2、高速进给系统1）旋转伺服电机＋滚珠丝杠系统：目前普通丝杠的最大进给速度为40mm/min，最大直线加速度为0.5g，高精密滚珠丝杠的最大速度已达60mm/min，最大加速度达1.0g；这种传动方式由于从电机轴到工作台之间存在一系列的中间环节，当进给部件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时，机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，造成进给运动的滞后和其它许多非线性误差；中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下，产生变形，影响加工精度。传统的进给系统结构复杂，难以集成和实现模块化，安装、调试困难，造成机床整体结构复杂化。滚珠丝杆的刚度、惯性、加速度等动态性能已远远不能满足要求。数控技术发展的几个问题一、高速化2）直线电机进给系统：取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就是所谓的“直接驱动”（directdrive）或“零传动”。直线电机驱动方式具有进给速度高、加速度大、启动推力大、刚度和定位精度高、行程长度不受限制等优点采用直线电动机驱动的高速加工中心已成为21世纪机床的发展方向之一，其中，永磁式直线电动机以其时间常数小、高频响应特性好、推力强度高、损耗低、控制比较容易等一系列特点在高速、高精密、高频响数控机床的进给驱动部件研究中具有明显的优势。直线电机高速进给单元主要由直线电动机、工作台、滚动导轨、反馈测量系统、防护系统等五部分组成。数控技术发展的几个问题一、高速化4、高速加工CAM软件用于高速加工的CAM编程系统必须具有很高的计算编程速度，全程自动过切处理能力及自动刀柄干涉检查功能，具有进给率优化处理功能、待加工轨迹监控功能、刀具轨迹编辑优化功能、较强的插补功能、“加工残余分析”功能。不是所有CAM软件都能用于高速加工数控编程。数控技术发展的几个问题一、高速化5、高速加工的刀具及其他高速切削刀具必须具有优良的机械性能和热稳定性，即良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。目前，陶瓷、立方氮化硼（CBN）、涂层硬质合金等刀具均可作为高速切削模具钢件的刀具材料。刀具的涂层技术是提高高速切削能力的关键技术之一。冷却系统：强力高压、高效的冷却系统以解决极热切屑问题。采用温控循环水（或其它介质）来冷却主轴电动机、主轴轴承、直线电动机、液压油箱、