西北工业大学机电学院第二章数控机床的基本概念现代设计与集成制造技术教育部重点实验室22.1、数控机床的定义现代设计与集成制造技术教育部重点实验室3定义:数控机床(NumericalControlMachineTools)是采用数字技术形式控制的机床。即凡是用数字化的代码将加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具与工件之间的相对位移等信息用数字化的指令表示出来,(通过程序介质)并送入计算机或数控系统经过译码、运算及处理,控制机床的刀具与工件的相对运动,加工出所需工件的一类机床即为数控(NC)机床。1、数控机床的定义和由来现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4传输介质:穿孔纸带现代设计与集成制造技术教育部重点实验室5数控机床的由来现代设计与集成制造技术教育部重点实验室6数控机床的由来现代设计与集成制造技术教育部重点实验室7数控机床的由来现代设计与集成制造技术教育部重点实验室8数控机床的由来普通机床数字控制数控机床现代设计与集成制造技术教育部重点实验室92、数控机床产生的历史背景①原理:40年代后期,美JohnT.Parsons提出了数控机床构想----微小增量设想通过控制机床的微小增量运动来加工机翼曲面,即用记录有坐标位置的数据穿孔卡来控制机床的动作,以实现曲线、曲面的加工。随后美国空军投入大量军费给MIT伺服机构实验室。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室10微小增量现代设计与集成制造技术教育部重点实验室11微小增量现代设计与集成制造技术教育部重点实验室12微小增量现代设计与集成制造技术教育部重点实验室132、数控机床产生的历史背景①原理:40年代后期,美JohnT.Parsons提出了数控机床构想----微小增量设想通过控制机床的微小增量运动来加工机翼曲面,即用记录有坐标位置的数据穿孔卡来控制机床的动作,以实现曲线、曲面的加工。随后美国空军投入大量军费给MIT伺服机构实验室。②形成:MIT的数控机床1952年MIT第一台数控机床样机研制成功1953年开始初步应用MIT开发了APT编程系统现代设计与集成制造技术教育部重点实验室142、数控机床产生的历史背景①原理:40年代后期,美JohnT.Parsons提出了数控机床构想----微小增量②形成:MIT的数控机床③发展:飞机制造企业对数控机床的需求对机床发展起了推动作用飞机结构复杂、精度要求高、大量复杂曲面形状零件、产量小、转型快,其生产特点决定了其急需NC设备,从而为数控机床的发展应用提供了机遇。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室153、数控技术(NUMERICALCONTROL)①概念:以数字化信息实现控制的应用技术现代设计与集成制造技术教育部重点实验室163、数控技术(NUMERICALCONTROL)①概念:以数字化信息实现控制的应用技术②分类:a)硬件数控技术:以硬件作为控制器靠硬件完成运算;功能简单;存储量小b)计算机控制(CNC):以计算机作为控制器靠软件完成运算;功能强大;存储量大现代设计与集成制造技术教育部重点实验室173、数控技术(NUMERICALCONTROL)①概念:以数字化信息实现控制的应用技术②分类:a)硬件数控技术:以硬件作为控制器靠硬件完成运算;功能简单;存储量小b)计算机控制(CNC):以计算机作为控制器靠软件完成运算;功能强大;存储量大③数控系统对机床控制的类别:a)顺序控制:换刀、主轴调速、冷却液关启、工作台限位等开关量的控制b)数字控制:进给传动控制,即对刀具、工作台的运行的顺序、位移量以至速度实现控制。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室184、数控机床的优点传统机械式自动机床、仿形机床的缺点:①需要辅助工装a)自动机床—需要制作凸轮、挡块等辅助装置现代设计与集成制造技术教育部重点实验室19自动铣床现代设计与集成制造技术教育部重点实验室20自动铣床现代设计与集成制造技术教育部重点实验室214、数控机床的优点传统机械式自动机床、仿形机床的缺点:①需要辅助工装a)自动机床—需要制作凸轮、挡块等辅助装置b)仿形机床—需要制作标准零件现代设计与集成制造技术教育部重点实验室22仿形铣床工作原理现代设计与集成制造技术教育部重点实验室234、数控机床的优点传统机械式自动机床、仿形机床的缺点:①需要辅助工装a)自动机床—需要制作凸轮、挡块等辅助装置b)仿形机床—需要制作标准零件②加工过程是模拟量传递③加工精度低④加工零件变更需重新准备辅助装置数控机床与仿形机床相比显著优点:当加工对象变化时,只需重新编制程序现代设计与集成制造技术教育部重点实验室244、数控机床的优点概括起来数控机床优点如下:1)有利于提高加工精度,保证同批零件的一致性;现代设计与集成制造技术教育部重点实验室251)提高精度(1)加工过程中不受主观影响;(2)机床的定位精度较高;早期机床的精度为0.01~0.05mm,现在可达到0.001~0.005mm(3)一致性较高;机床的重复定位精度保证在0.005mm以内对于不同的机床其加工精度也不相同,例如:坐标磨床,加工精度为0.001-0.005mm高速铣床,加工精度在0.005mm内,并且有很高的表面质量,经常用于加工薄壁零件和类似模具等较硬的零件金刚石车床,可用来车镜面,用于光学反射表现为:现代设计与集成制造技术教育部重点实验室264、数控机床的优点概括起来数控机床优点如下:1)有利于提高加工精度,保证同批零件的一致性;2)可以提高生产效率,一般可提高加工效率3~5倍;现代设计与集成制造技术教育部重点实验室272)提高效率可表现为:(1)无须划线,无须多次装夹定位.(2)切削效率高.(3)生产准备周期短.现代设计与集成制造技术教育部重点实验室284、数控机床的优点概括起来数控机床优点如下:1)有利于提高加工精度,保证同批零件的一致性;2)可以提高生产效率,一般可提高加工效率3~5倍;3)适合于复杂形状零件加工;(只提高了编程难度,而无须各种工装)4)有利于实现管理和机械加工的自动化。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室294)管理和机械加工的自动化可表现为:(1)有刀库的存在,能实现自动换刀,多工序一次完成,自动化程度高;(2)加工程序包含所有过程的控制,加工自动完成,操作人员中间无须干预,工艺人员无须现场跟产,便于管理;现代设计与集成制造技术教育部重点实验室305、数控机床的不足之处概括起来数控机床不足之处如下:1)设备造价昂贵,机时费用高;现代设计与集成制造技术教育部重点实验室31设备投资大:三坐标机床为几十万至二三百万人民币;四坐标为150万到四五百万;五坐标机床为三百万到上千万人民币。1)设备造价昂贵,机时费用高具体表现在:运行费用高:对环境温度要求较高,车间必须配备空调,单台设备液压油、导轨油每年消耗约为一万元;冷却液消耗每年2~3万.机时费用高:2坐标:10—50元/小时3坐标:60—120元/小时4坐标:150—200元/小时5坐标:200—400元/小时高速铣:200—500元/小时现代设计与集成制造技术教育部重点实验室325、数控机床的不足之处概括起来数控机床不足之处如下:1)设备造价昂贵,机时费用高;2)工作环境要求苛刻(温度、湿度、灰尘等);3)工艺、编程、操作、维修保养人员素质要求高现代设计与集成制造技术教育部重点实验室332.2、数控机床的组成现代设计与集成制造技术教育部重点实验室341.数控机床的主要组成部分构成数控机床的四大部分数控编程动力传动部分NC程序控制介质伺服系统机床本体检测装置数控装置现代设计与集成制造技术教育部重点实验室351)NC程序(控制介质)包含加工过程中的所有信息,主要有3种:①几何信息:确定加工零件的几何形状,如位移、圆心、曲面法矢量等.②辅助功能信息:说明加工条件,如刀具几何参数、进给速度和主轴转速、开关冷却液、程序结束等.③准备功能信息:说明插补类型、加工坐标平面、实现刀具半径补偿等.现代设计与集成制造技术教育部重点实验室361)NC程序(控制介质)NC程序传入NC机床的途径:①穿孔纸带现代设计与集成制造技术教育部重点实验室371)NC程序(控制介质)NC程序传入NC机床的途径:①穿孔纸带②键盘手工敲入现代设计与集成制造技术教育部重点实验室381)NC程序(控制介质)NC程序传入NC机床的途径:①穿孔纸带②键盘手工敲入③拷贝:CF卡现代设计与集成制造技术教育部重点实验室391)NC程序(控制介质)NC程序传入NC机床的途径:①穿孔纸带②键盘手工敲入③拷贝:CF卡④I/O通讯接口:RS232(com),网卡现代设计与集成制造技术教育部重点实验室402)数控装置由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成:①输入装置:接收外部的输入程序②存储器:对输入程序进行存储③控制器:控制和协调数控装置各部分协调工作④运算器:接收控制信息,对几何信息进行插补运算并向输出装置发出进给脉冲⑤输出装置:将脉冲输出给伺服系统现代设计与集成制造技术教育部重点实验室41脉冲插补脉冲当量:概念:相对于每个脉冲信号,机床移动部件的位移量(包括移动量和转动量)叫做脉冲当量(用δ来表示)。单位:mm/脉冲、度/脉冲脉冲当量决定了NC机床的精度及程序小数点的位数和最小值。机床坐标轴运动量Δ=NδN为整数常用的脉冲当量:0.01mm/脉冲、0.005mm/脉冲、0.001mm/脉冲0.01度/脉冲、0.005度/脉冲、0.001度/脉冲现代设计与集成制造技术教育部重点实验室42数控机床的插补插补概念:在数控加工时,数控装置需要在规定加工轮廓的起点和终点之间进行中间点的坐标计算,然后按计算结果向各坐标轴直线插补圆弧插补分配适量的脉冲数,从而得到相应轴方向上的数控运动。这种坐标点的“密化计算”称作插补。完成插补运算的装置称为插补器。插补类型:直线(一次);圆弧(二次);空间样条曲线(三次)YXOF0P(xi,yj)A(xe,ye)F0YF0P(xi,yj)A(x0,y0)F0XORRPE现在高档的数控系统,可以实现三维空间的圆弧插补现代设计与集成制造技术教育部重点实验室43数控系统控制器输入装置运算器输出装置指指指指指指指指指指指指指指输输输输指指指指数控装置工作流程示图2)数控装置工作流程现代设计与集成制造技术教育部重点实验室442)数控装置工作流程(新)输入装置输出装置存储器运算器控制器数控装置工作流程示图现代设计与集成制造技术教育部重点实验室45不同的数控机床研制机构,生产了不同的数控系统,即机床的同一运动,由于其数控系统的不同,其程序控制代码不同。世界上比较著名的数控系统有:现数控系统发展的趋势:统一、简捷、可读性强日本---FANUC系列数控系统德国---SIEMENS系列数控系统HEIDENHAIN系列数控系统荷兰---PHILPISCNC-532数控系统等2)数控装置—数控系统现代设计与集成制造技术教育部重点实验室463)伺服系统(数控机床运动的动力装置)构成:驱动装置、伺服电动机、传动丝杠等工作过程:(弱电强电)脉冲信号伺服单元放大器电动机运转工作台、主轴移动丝杠转动伺服系统是数控装置与机床本体间的传动联系环节,可以将来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动,使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动,最后加工出符合图纸的零件。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室47伺服系统和伺服电机现代设计与集成制造技术教育部重点实验室484)机床本体特点:指的是数控机床的机械构造实体。它与普通机床的差别,主要是机械传动的结构和功能部件要求更高组成:主要由床身、导轨、各运动部件、工作台、刀库、排屑器等组成现代设计与集成制造技术教育部重点实验室495)检测装置在机床的坐标轴中安装有光栅尺等来实时监测运动部分的位移量,并与理论值比较,以确定需补充的运动脉冲量。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室50光栅尺光栅尺原理图海德汉封闭式光栅尺现代设计与集成制造技术教育部重点实验室51图纸及工艺尺寸数控程