第1章数控机床的基础知识

第1章数控机床的基础知识1.1数控机床的发展与基本概念1.2数控机床的基本组成、特点与类型1.3数控机床坐标系1.4数控机床的主要指标1.5数控机床发展的趋势1.1数控机床的发展与基本概念1.1.1数控机床的发展回顾1.数控(NC)阶段(1952-1970年)20世纪五六十年代的通用计算机在处理速度和结构上满足不了机床加工的要求，不得不用电子元件来构成专门的逻辑部件，组成专用计算机来实现机床加工的要求，故称之为硬件连接数控(Hand-WiredNC)，一般简称为NC。随着元器件的发展，NC阶段经历了三代:1952年第一代—电子管电路专用NC;1959年第二代—晶体管数字电路专用NC;1965年第三代—中小规模集成电路专用NC。2.计算机数控(CNC)阶段(1970一至今)到60年代后期，小型计算机走向成熟并被引入机床中，从此NC进化为CNC,NC部分功能开始改由软件来实现，从此进入了计算机数控(CNC)阶段。下一页返回1.1数控机床的发展与基本概念1.1.2数控机床的相关概念1.数字控制数字控制简称数控(NC,NumericalControl)，它是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控技术都采用了计算机进行控制，因此也可以称为计算机数控(CNC，ComputerizedNumericalControl)。2.数控系统用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统(NumericalControlSystem，而数控系统的核心是数控装置(NumericalController)。上一页下一页返回1.1数控机床的发展与基本概念3.伺服驱动伺服驱动简称伺服(SD,ServoDrive)。在数控机床上，伺服驱动的控制对象通常是机床坐标轴的位移(包括速度、方向和位置)，其执行机构是伺服电动机，对输入指令信号进行控制和功率放大的是伺服放大器(亦称驱动器、放大器、伺服单元等)，实际位移量的检测通过检测装置进行。伺服驱动的作用主要有两个方面:一是按照数控装置给定的速度运行;二是按照数控装置给定的位置定位。上一页下一页返回1.1数控机床的发展与基本概念4.数控机床采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床。它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品。5.柔性制造单元在加工中心的基础上，通过增加多工作台(托盘)自动交换装置(APC,AutoPalletChanger)以及其他相关装置组成的加工单元称为柔性制造单元(FMC,FlexibleManufacturingCell)，如图1-3所示为自动交换工作台机床。FMC不仅实现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台(托盘)的自动交换和较完善的自动检测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。上一页下一页返回1.1数控机床的发展与基本概念6.柔性制造系统在FMC的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统(FMS,FlexibleManufacturingSystem)。7.计算机集成制造系统将生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化进行综合，构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统(CIMS,ComputerIntegratedManufacturingSystem)。上一页下一页返回1.1数控机床的发展与基本概念1.1.3数控机床的发展趋势1.高速、高效、高精度、高可靠性2.模块化、智能化、柔性化和集成化3.开放性上一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型1.2.1数控机床的基本组成为了了解数控机床的基本组成，首先需要分析数控机床加工零件的工作过程。通过分析图1一5所示的数控机床加工过程可知，在数控机床上完成零件的加工步骤如下:(1)根据被加工零件的图样和工艺方案，用规定的代码和程序格式，将刀具的运动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够识别的指令代码，即编写加工程序。(2)将所编写的加工程序通过程序载体输入到数控装置。(3)数控装置对输入的程序(代码)进行译码、运算处理，并向各坐标轴的伺服驱动装置和辅助装置发出相应的控制信号，以控制机床的各部件的运动。下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型(4)在运动过程中，数控系统需要随时检测机床的坐标位置、行程开关的状态等，并与程序的要求相比较，以决定下一步动作，直到加工出合格的零件(5)操作者可以随时对机床的加工情况、工作状态进行观察、检查，必要时还需要对机床动作和加工程序进行调整，以保证机床安全、可靠的运行。上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型1.程序载体程序载体是用于存取零件加工程序的装置。可将加工程序以特殊的格式和代码(包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数和辅助运动等)存储在载体上，常用的有穿孔纸带、软磁盘、盒式磁带、硬盘和闪存卡等2.数控系统数控系统主要由输入装置、信息处理和输出装置三个基本部分构成，如图1一6所示上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型3.伺服系统伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分，如图1-7所示。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。4.检测与反馈装置检测与反馈装置有利于提高数控机床加工精度。它是闭环(半闭环)数控机床的检测环节，其作用是通过现代化的测量元件，如脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅和磁栅等，将执行元件(如刀架或工作台等)的实际位移速度和位移量检测出来，反馈回伺服驱动装置或数控装置，并补偿进给的速度或执行机构的运动误差，以达到提高运动机构精度的目的。如图1-8所示为检测装置的应用。上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型5.辅助装置辅助装置是把计算机送来的辅助控制指令经机床接口转换成强电信号，用来控制主轴电动机起停、冷却液的开关及工作台的转位和换刀等动作。辅助装置主要包括自动刀具交换装置、工作台自动交换装置、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、过载和保护装置等6.机床本体数控机床的本体指其机械结构实体。它包括主传动系统、进给传动系统、床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、刀架及自动换刀装置等机械部件上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型1.2.2数控机床的特点1.高精度2.高效率和良好的经济效益3.高可靠性4.对加工对象的适应性强5.减轻了操作者的劳动强度6.有利于生产管理的现代化上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型1.2.3数控机床的类塑1.按机床用途分类(1)金属切削类数控机床。金属切削类数控机床主要有数控车床(如图1一11(a)所示)、数控铣床(如图1一11(b)所示)、数控钻床(如图1一11(c)所示)、数控锁床(如图1一11(d)所示)、加工中心(如图1一11(e)所示)和数控磨床(如图1一11(f)所示)等(2)金属成型类数控机床。金属成型类数控机床主要有数控弯管机(如图1一12(a)所示)、数控折弯机(如图1一12(b)所示)、数控剪板机(如图1一12(c)所示)和数控高效卧式滚齿机(如图1一12(d)所示)等上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型(3)数控特种加工机床。数控特种加工机床主要有数控电火花成型机床(如图1一13(a)所示)、数控电火花线切割机床(如图1一13(b)所示)、数控冲床(如图1一13(c)所示)和数控激光切割机床(如图1一13(d)所示)等(4)其他类型数控机床其他类型数控机床主要有数控三坐标测量机等，如图1一14所示上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型2.按加工工艺方法分类(1)普通数控机床。普通数控机床是指加工用途、加工工艺相对单一的数控机床。按加工用途可分为数控车床、数控铣床、数控锁床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。(2)加工中心。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。它将数控铣床、数控锁床、数控钻床的功能组合在一起，工件在一次装夹后，可对其进行钻、扩、铰、锁、铣及攻螺纹等多工序加工，主要用来加工箱体类零件。上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型3.按伺服控制方式分类(1)开环控制数控机床(2)半闭环控制数控机床(3)全闭环控制数控机床(4)混合闭环控制数控机床4.按运动轨迹分类(1)点位控制数控机床(2)直线控制数控机床(3)轮廓控制数控机床上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型5.按控制的联动坐标轴数不同分类(1)两轴联动数控机床。主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线轮廓曲等，如图1一22所示(2)两轴半联动数控机床。主要用于三轴以上机床的控制。其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给，如图1-23所示(3)三轴联动数控机床(4)四轴联动数控机床。同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，如图1一25所示(5)五轴联动数控机床上一页下一页返回1.2数控机床的基本组成、特点与类型6.按功能水平分类(1)经济型数控机床(2)全功能型数控机床(3)精密型数控机床上一页返回1.3数控机床坐标系1.3.1数控机床坐标轴命名1.坐标轴命名规定数控机床坐标系按照我国机械工业部于1982年颁布的JB3051-1982《数控机床坐标和运动方向的命名》标准，它与国际上统一的IS0841等效。其中规定的命名原则如下。(1)刀具相对于静止工件而运动的原则。(2)数控机床坐标系的规定下一页返回1.3数控机床坐标系2.坐标轴运动方向的确定数控机床的某一坐标运动的正方向，是增大工件和刀具之间距离的方向。一般先确定Z轴，然后确定X轴，最后再确定Y轴(1)Z轴。Z轴一般是传递切削力的主轴轴线。(2)X轴。X轴位于与工件装夹面相平行的水平面内且与z轴垂直。对于数控车床、外圆磨床等工件旋转的机床，X轴的方向在工件的径向上且平行于横滑座，其X轴的正方向取为远离工件的方向。(3)Y轴。确定了X,Z轴的正方向后，Y坐标轴正方向可以根据右手定则来确定，如图1一29(a)、(b)、(c)所示(4)旋转坐标A,B,C。旋转坐标A,B,C相应的表示其轴线平行于X,Y,Z坐标的旋转运动，+A,+B,+C可根据右手螺旋定则来确定，如图1一28所示上一页下一页返回1.3数控机床坐标系1.3.2数控机床原点、参考点与数控机床坐标系数控机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系。机床坐标系的原点也称机床原点或零点。这个原点在机床一经设计和制造调整后，便被确定下来，它是一个固定点。为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点。机床参考点是机床坐标系中一个固定不变的极限点，其固定位置由各轴向的机械挡块来确定。机床参考点可以与机床原点重合也可以不重合，通过机床参数指定该参考点到机床原点的距离，如图1-30(a)所示数控车床的机床原点和参考点不重合，如图1一30(b)所示数控铣床/加工中心的机床原点与参考点重合。数控机床工作时，先进行回机床参考点的操作，就可建立机床坐标系。上一页下一页返回1.3数控机床坐标系1.3.3工件原点与工件坐标系编程时一般选择工件上的某一点作为工件原点(或称为程序原点)，并以这个原点建立的坐标系称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。如图1一30所示工件原点的选择要尽量满足编程简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等条件。一般情况下，以坐标式尺寸标注的零件，工件原点应选在尺寸标注的基准点;对称零件或以同心圆为主的零件，工件原点应选在对称中心线或圆心上。Z轴的工件原点通常选在工件的上表面。工件原点与坐标系的建立通常是通过对刀操作来实现的。上一页下一页返回1.3数控机床坐标系1.3.4绝对坐标与增量坐标数控机床编程中，工件或刀具移动量的指令主要有绝对坐标(G90