第章数控加工技术概述

第1章数控加工技术概述1.1数控机床概述1.2数控机床的分类与数控加工的特点1.3数控加工技术的发展方向第一章数控加工技术概述第1章数控加工技术概述1.1数控机床概述本节主要讲解数控机床的概念、产生与发展历程、构成、工作原理，数控技术在数控机床中的应用等。在学习新知识前，我们先通过图片和视频了解一下数控机床和数控加工。1.数控机床类型与加工范围图片链接2.数控加工视频车削加工铣削加工1箱体加工车铣加工铣削加工2自动换刀第1章数控加工技术概述1.1.1数控机床的产生与发展科学技术的不断发展对机械产品的品种、结构、精度、加工效率的要求越来越高，单件、中小批量机械产品的比例越来越大（70%-80%），传统的通用、专用机床和工艺设备已不能适应高质量、高效率、多样化加工的要求，一种新型的数字控制机床由此诞生。1.数控技术的基本概念数字控制（NumericalControlNC）: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。第1章数控加工技术概述数控技术（NumericalControlTechnology）:采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。数控技术就是利用数字化信号进行控制的技术。数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。2.数控机床的产生与发展1948年：美国Pasons公司在研制加工直升机叶片时提出数控机床设想1949年：美国帕森斯公司&麻省理工学院研制1952年：世界第一台三坐标数控铣床诞生1955年：投入实用阶段第1章数控加工技术概述发展历程：1959---加工中心MC；1960---直接数字控制系统DNC（计算机群控系统）；1967---柔性制造系统FMS；1978---柔性制造单元FMC；1990---计算机集成制造系统CIMS；相关概念及术语：CNC：计算机数字控制CAD：计算机辅助设计CAM：计算机辅助制造CAT：计算机辅助检验第1章数控加工技术概述1.1.2数控机床的构成与工作原理1.数控机床的工作原理数控机床与普通机床相比较，其工作原理的不同之处就在于数控机床是按控制指令进行加工的。两者加工零件的区别如下图:第1章数控加工技术概述数控机床加工零件的原理(过程)如下:首先要将被加工零件的样图及工艺信息用规定的代码和程序格式编写成加工程序；然后将所编程序指令输入到机床的数控装置中；数控装置再将程序进行翻译、运算后，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，伺服机构和辅助控制装置驱动机床各个运动部件完成所需的运动，最后加工出合格零件。第1章数控加工技术概述2.数控机床的构成数控机床一般由输入/输出设备、数控系统、伺服系统、测量与反馈系统、机床本体等组成。现代数控机床的数控系统都采用模块化结构，伺服系统中的伺服单元和驱动装置往往被看作数控系统中的一个子系统，输入/输出装置也被视为数控系统中的一个功能模块，所以现在的观点认为数控机床主要由计算机数控系统和机床本体组成，数控机床的组成框图如图所示。第1章数控加工技术概述机床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输入输出设备数控机床组成:(数控程序\操作面板)、输入/输出设备、数控系统、伺服系统、测量与反馈系统、机床本体第1章数控加工技术概述操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。是数控机床特有部件。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。CRT显示器MDI键盘第1章数控加工技术概述润滑正转反转刀库1201101009080706050XYZⅣ1501401301201101009080706050403020100示教DNC回零快速手轮手动MDI自动编辑电源关电源开方式选择进给速度修调%手动轴选择主轴转速修调%电源准备好机床电源控制器控制器主轴润滑气压换刀报警XYZⅣ回零＋－手动停止启动主轴手动润滑停止启动冷却跳步单步空运行Z轴锁定机床锁定选择停程序再启动快速倍率F02550100工作灯进给保持循环启动程序保护机床复位急停机床控制面板第1章数控加工技术概述程序载体程序载体是记录零件加工程序的媒介，如：纸带（八单位标准穿孔纸带）、磁带或磁盘。图片输入输出设备输入输出设备是CNC系统与外部设备进行零件加工程序交互的装置。即将编制好的记录在程序载体上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的程序载体上。数控机床常用的程序载体和输入输出设备见表1：第1章数控加工技术概述表1：程序载体和输入输出设备表程序载体输入设备输出设备穿孔纸带纸带阅读机纸带穿孔机磁带磁带机或录音机磁盘磁盘驱动器第1章数控加工技术概述第1章数控加工技术概述数控装置(CNC单元)——数控机床的核心组成：计算机系统、位置控制板、PLC，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)，使整个系统有条不紊地进行工作。第1章数控加工技术概述伺服系统伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机：接受主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）进给伺服驱动装置和进给电机：接受进给运动指令，实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）第1章数控加工技术概述位置反馈系统（测量装置）用于数控机床移动部件位置和速度测量装置。并输送给数控装置，使之与指令信号进行比较，并由数控装置发出指令，纠正所产生的误差，使数控机床按工件加工程序要求的进给位置和速度完成加工。以实现进给伺服系统的闭环控制。第1章数控加工技术概述机床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第1章数控加工技术概述PLC、机床I/O电路和装置PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成与逻辑运算有关，顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；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，控制主轴电机的起停、速度；辅助装置完成机床相应的开关动作；机床I/O电路和装置：实现输入/输出(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，输出相应信号，控制CNC系统的工作状态和机床的动作。第1章数控加工技术概述机床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第1章数控加工技术概述PLCCNC第1章数控加工技术概述机床本体数控机床的主体，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）。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第1章数控加工技术概述1.1.3数控技术的应用数控技术不仅应用于机床的控制,还应用于科学技术的各个领域,如:数控绘图机、数控测量仪、机器人、航天航空领域等。此外，数控机床还包括：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\冷却装置\润滑装置等）第1章数控加工技术概述1.2数控加工的特点及数控机床的分类1.2.1数控加工的特点1）自动化程度高，劳动强度低在进行数控加工中，除了开始时要进行手工装夹毛坯并输入程序之外，其余的全部加工过程都是由数控机床自动完成，直至零件加工完毕。这样不仅提高了生产的自动化程度，还简化了工人的操作难度，改善了劳动条件，使劳动强度大大降低。2）对加工对象的柔性好，适应性强由于数控系统可实现多个坐标的联功控制，所以数控设备能加工普通机电设备很难加工或无法加工的复杂曲线、曲面。当改变加工零件时，除了要解决毛坯的装夹方式和更换刀具之外，数控设备只需更换零件加工的程序，不需要作其他任何复杂的调整。第1章数控加工技术概述3）加工精度高、质量稳定数控设备的加工精度一般在0.001—0.01mm之间，且不受零件复杂程度的影响。另外数控机床按所编程序自动加工，消除了生产者的人为操作误差，提高了同一批加工零件的尺寸一致性，使加工质量更稳定，产品合格率更高。4）加工工序相对集中，生产效率高数控设备通常可以在一次装夹中加工出许多表面，特别是带自动换刀的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序。减少了装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间。在数控设备上可以来用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。加上其他辅助操作的自动化，使辅助时间大为缩短，无需工序间的检验与测量，所以数控设备比普通的机电设备生产率高出3—4倍，甚至更高。第1章数控加工技术概述5）易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控由于数控机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。有利于生产管理。6）加工成本高这是由于数控机床价格高，首次加工准备周期较长，维修成本高等因素造成。7）维护与维修要求高数控机床是技术密集型的机电一体化的典型产品，技术复杂，增加了电子设备的维护，需要维修人员既懂机械，又要懂微电子维修方面的知识，同时还要配备较好的维修设备。8）对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，对操作人员的技术水平要求高。第1章数控加工技术概述1.2.2数控机床的分类1.按照加工原理分类1）普通数控机床车、铣、钻、磨、加工中心等。2）特种加工数控机床电火花、线切割等。2.按照数控机床运动轨迹分类1）点位控制数控机床2）直线控制数控机床3）连续（轮廓）控制数控机床第1章数控加工技术概述特点:数控装置只能控制点与点的精确定位在移动过程中不加工,对两点间的移动速度和轨迹也没有严格要求使用于钻床、冲床、数控测量机等ZYX1）点位控制数控机床第1章数控加工技术概述第1章数控加工技术概述2）直线控制数控机床特点:不但能控制点与点的精确定位，还要控制两相关点之间的移动速度和路线,路线由与各个轴线平行的直线段组成控制的坐标轴为一个使用于简易数控车、数控镗铣床等第1章数控加工技术概述第1章数控加工技术概述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控制（坐标轴联动），能准确控制移动的速度和位置加工复杂形状零件使用于数控车床、数控铣床、数控加工中心第1章数控加工技术概述第1章数控加工技术概述3.按进给伺服系统的类型分类1）开环控制系统特点：没有位置检测与反馈装置,采用步进电机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，系统稳定性好成本低，适用于中、小型数控机床=t360ºi数控装置驱动电路指令脉冲电机步进电动机工作台第1章数控加工技术概述2）闭环控制系统特点：采用直线位移传感器,直接检测工作台直线位移驱动元件：直流或交流伺服电机利用偏差信号工作,e=0，工作台停止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位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第1章数控加工技术概述3）半闭环控制系统特点：采用角位移检测传感器,通过检测丝杠或电动机轴旋转的角度间接检测工作台的直线位移驱动元件：直流或交流伺服电机精度低于闭环系统系统调试较容易，稳定性也较好位置