第1章数控加工工PPT推荐.ppt

1、在CAD/CAM集成系统中，其加工程序可不需任何载体直接输入到数控系统。数控装置:控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接收程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标控制伺服系统。伺服系统是由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成，是数控系统的执行部件。它的基本作用是接收数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行机构的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。通常数控系统由数控装置和伺服系统两部分组成，各公司的数控产品也是将两者作为一体的。机床主体也称主机:包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、

2、立柱、滑鞍、工作台（刀架）、导轨等。,1.1 概 述,1.1 概 述,2.数控机床的特点 数控机床与普通机床加工零件的区别，在于数控机床是按照程序自动加工零件，而普通机床要求由工人手工操作来加工零件。在数控机床上加工零件只要改变控制机床动作的程序，就可以达到加工不同零件的目的。因此数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂、精度高的零件。数控加工是一种程序控制过程，其相应形成了以下特点：（1）采用数控机床可以提高零件的加工精度、稳定产品的质量。（2）数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工。（3）采用数控机床比普通机床可以提高生产效率23倍，尤其对某些复杂零件的加工，生产

3、效率可以提高十几倍甚至几十倍。（4）可以实现一机多用。（5）采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。,1.1 概 述,1.1.3 数控机床的主要技术参数,1.主要规格尺寸 对数控车床主要规格尺寸有床身上最大工件回转直径、刀架上最大工件回转直径、加工最大工件长度、最大车削直径等；对数控铣床、加工中心主要规格尺寸有工作台面尺寸（长、宽）、工作台T形槽、工作行程等。2.主轴系统 数控机床主轴驱动方式、转速、调速范围、主轴回转精度等。数控机床主轴采用直流或交流电动机驱动，具有较宽调速范围和较高回转精度，主轴本身刚度与抗振性比较好。现在数控机床主轴普遍达到500

4、010000rmin，甚至更高的转速，主轴可以通过操作面板上的转速倍率开关直接改变转速。,1.1 概 述,3.进给系统 进给系统有进给速度范围、快速（空行程）速度范围、运动分辨率（最小移动增量）、定位精度和螺距范围等主要技术参数。（1）进给速度 是影响加工质量、生产效率和刀具寿命的主要因素，直接受到数控装置运算速度、机床动特性和工艺系统刚度的限制。进给速度可通过操作面板上的进给倍率开关调整。（2）脉冲当量（分辨率）是指两个相邻分散细节之间可以分辨的最小间隔，是重要的精度指标。有其两个方面的内容，一是机床坐标轴可达到的控制精度（可以控制的最小位移增量），表示数控装置每发出一个脉冲时坐标轴移动的距

5、离，称为实际脉冲当量或外部脉冲当量；二是内部运算的最小单位，称之为内部脉冲当量，一般内部脉冲当量比实际脉冲当量设置的要小，目的是在运算过程中不损失精度。目前数控机床的脉冲当量一般为0.001mm，精密或超精密数控机床的脉冲当量采用0.1m。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。,1.1 概 述,（3）定位精度和重复定位精度 定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度。移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。重复定位精度是指在同

6、一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位精度是成正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性。对于中小型数控机床，定位精度普遍可达0.01mm，重复定位精度为 0.005mm。,1.1 概 述,4.刀具系统 数控车床包括刀架工位数、工具孔直径、刀杆尺寸、换刀时间、重复定位精度等各项内容。加工中心包括刀库容量与换刀时间等。刀库容量与换刀时间直接影响其生产率，通常中小型加工中心的刀库容量为1660把，大型加工中心可达100把以上。换刀时间是指自动换刀系统，将主轴上

7、的刀具与刀库刀具进行交换所需要的时间。5.数控机床的可控轴数与联动轴数 数控机床的可控轴数：指机床数控装置能够控制的坐标数目。可控轴数和数控装置的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。世界上最高级数控装置的可控轴数已达到24轴。数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。,1.2 数控机床的分类,1.2.1 按机械运动轨迹分类 数控机床按其刀具与工件相对运动的方式，可以分为点位控制、直线控制和轮廓控制。1.点位控制数控机床,特点：要求保证点与点之间的准确定位。它只能控制行程的终点坐标值，而不管从一个孔到另一个孔是按照什么轨迹运动，在刀具运动过程中，不进行切削加

8、工。包括数控钻床，数控镗床，数控冲床，三坐标测量机，印刷电路板钻床等。,图1.2 点位控制钻孔加工示意图,1.2 数控机床的分类,2.直线控制数控机床特点：不仅要控制行程的终点坐标值，还要保证在两点之间机床的刀具走的是一条直线，而且在走直线的过程中往往要进行切削。包括数控车床、数控铣床、数控磨床、数控镗床等。现代组合机床采用数控技术，驱动各种动力头、多轴箱轴向进给钻、镗、铣等加工，也算是一种直线控制数控机床。直线控制也称为单轴数控。,图1.3 直线控制切削加工示意图,1.2 数控机床的分类,3.轮廓控制数控机床特点：不仅要控制行程的终点坐标值，还要保证两点之间的轨迹要按一定的曲线进行。即这种系

9、统必须能够对两个或两个以上的坐标方向的同时运动进行严格的连续控制。在加工过程中，每时每刻都对各坐标的位移和速度进行严格的不间断的控制。包括数控车床、数控铣床、加工中心等。,图1.4 轮廓控制铣削加工示意图,1.2 数控机床的分类,1.2.2 按伺服系统的类型分类,1.开环伺服系统数控机床 这类数控机床没有位置检测反馈装置，数控装置发出的指令信号是单向的，其精度主要决定于驱动元器件和电动机（步进电动机）的性能。例如采用步进电动机的伺服系统就是一个开环伺服系统。特点：结构简单、较为经济、维护维修方便，速度及精度低。适用精度要求不高的中小型机床，多用于对旧机床的数控化改造。,1.2 数控机床的分类,

10、2.闭环伺服系统数控机床 这类机床上装有位置检测装置，直接对工作台的位移量进行测量。数控装置发出进给信号后，经伺服驱动使工作台移动，位置检测装置检测出工作台的实际位移，并反馈到输入端，与指令信号进行比较，驱使工作台向其差值减小的方向运动，直到差值等于零为止。闭环控制可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响，从而得到很高的精度。但是由于很多机械传动环节包括在闭环控制的环路内，直接影响到伺服系统的稳定性。因此，闭环伺服系统的设计和调整都非常困难。定位精度高。但其系统设计和调整困难、稳定性差、结构复杂、成本高。适用于精度要求很高的数控镗铣床、超精密车床、超精密铣床、加工中心等。,

11、1.2 数控机床的分类,3.半闭环伺服系统数控机床 这类数控机床采用安装在进给丝杠或电动机端头上的转角测量元件测量丝杠旋转角度，来间接获得位置反馈信息。这种系统的闭环内不包括丝杠、螺母副及工作台，因此可以获得稳定的控制特性。而且由于采用了高分辨率的测量元件，可以获得比较满意的精度及速度。大多数数控机床采用半闭环伺服系统，如数控车床、数控铣床、加工中心等。,1.2 数控机床的分类,1.2.3 按功能水平分类 数控机床按功能水平分为高、中、低档三类。数控机床功能水平的高低主要由它们的主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平等决定，主要包括以下内容。1.中央处理单元（CPU）低档数控机床一般采用8

12、位CPU；而中、高档数控机床已经由16位CPU，发展到32位或64位CPU，并用具有精简指令集（RISC）的CPU。2.分辨率和进给速度 低档数控机床的分辨率为10m，进给速度为6m/min15m/min；中档数控机床的分辨率为1m，进给速度为12m/min24m/min；高档数控机床的分辨率为0.1m或更小，进给速度为24m/min100m/min，或更高。3.多轴联动功能 低档数控机床多为23轴联动；中、高档数控机床则都是35轴联动，或更多。,1.2 数控机床的分类,4.显示功能 低档数控机床一般只有简单的数码显示或简单的阴极射线管CRT字符显示功能；中档数控机床有较齐全的CRT显示功能，

13、如字符、图形、人机对话、自诊断等功能显示；高档数控机床还有三维动态图形显示功能。5.通信功能 低档数控机床无通信功能；中档数控机床有RS232C或直接数控（DNC，也称群控）等接口。高档数控机床有制造自动化协议（MAP）等高性能通信接口，且具有联网功能。数控机床按功能水平的另一种分类是将数控机床分为经济（简易）型、普及（全功能）型和高档型。全功能型机床并不追求过多功能，以实用为准，也称为标准型。经济型数控机床是根据实际机床的使用要求制造的，并合理地简化了系统，降低了价格。,1.2 数控机床的分类,1.2.4 按加工方式分类 1.金属切削类数控机床 如数控车床、数控钻床、数控磨床、数控铣床、数控

14、齿轮加工机床、加工中心、虚拟轴加工机床等。2.金属成型类数控机床 如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床、数控回转头压力机等。3.数控特种加工机床 如数控线切割机床、数控电火花成型机、数控激光切割机、数控火焰切割机等。,1.3 数控机床的发展与作用,1.3.1 数控机床的产生与发展,1948年美国北密支安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司（Parsons Co）与美国麻省理工学院（MIT）合作，于1952年研制出第一台三坐标数控铣床。1954年底，美国本迪克斯公司（Bendix Co）在帕森斯专利的基础上生产出了第一台工业用的数控机床。这时数控机床的控制系统（专用电子计算机）采用的是电子管，其体积

15、庞大，功耗高，仅在一些军事部门中承担普通机床难以加工的形状复杂的零件。这是第一代数控系统。,2.1959年晶体管出现，电子计算机应用晶体管元件和印刷电路板，从而使机床数控系统跨入了第二代。1959年克耐杜列克公司（Keaney&Trecker Co简称K&T公司）在数控机床上设置刀库，并在刀库中装有丝锥、钻头、铰刀等刀具，根据指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上，以缩短刀具的装卸时间和减少零件的定位装卡时间。人们把这种带自动交换刀具的数控机床称为加工中心（Machining Center，MC）。3.1965年出现了集成电路，数控系统发展到第三代。以上三代都属于硬件逻辑数控系统（称为

16、NC）。因点位控制的数控系统简单，在该阶段，点位控制的数控机床得到大发展。据统计，到1966年，世界上实际使用的6000台数控机床中，85%是点位控制的数控机床。,1.3 数控机床的发展与作用,4.1970年，美国芝加哥国际机床展览会首次展出用小型计算机控制的数控机床，这是世界上第一台计算机数字控制（CNC）的数控机床。数控系统进入第四代。5.20世纪70年代初、微处理机出现，美、日、德等国都迅速推出了以微处理机为核心的数控系统，这样组成的数控系统，称为第五代数控系统（MNC，通称为CNC）。6.20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，个人计算机（PC）的发展尤为突出，无论

17、是其软、硬件还是外围器件，都得到了迅速的发展，计算机采用的芯片集成化程度越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大、中型机上才能实现的功能现在微型机上就可以实现。美国首先推出了基于个人计算机的数控系统，即PCNC系统，它被划入所谓的第六代数控系统。,1.3 数控机床的发展与作用,7.1974年美国约瑟夫哈林顿（Joseph Harrington）博士在Computer Integrated Manufacturing一书中首先提出了计算机集成制造（CIM）的概念，由此组成的系统称为计算机集成制造系统（CIMS）。8.进入20世纪80年代，微处理机升档更加迅速，故极大地促进了数控机床向柔

18、性制造单元（Flexible Manufacturing Cell即FMC）、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System即FMS）方向发展。并奠定了向规模更大、层次更高的生产自动化系统，如：计算机集成制造系统（CIMS）、自动化工厂（FA）方向发展的坚实基础。9.20世纪80年代末期，又出现了以提高综合效益为目的，以人为主体，以计算机技术为支柱，综合应用信息、材料、能源、环境等高新技术以及现代系统管理技术，研究并改造传统制造过程作用于产品整个生命周期的所有适用技术通称为先进制造技术。,1.3 数控机床的发展与作用,我国1958年试制成功第一台电子管数控机床。从19

19、65年开始研制晶体管数控系统，到20世纪70年代初曾研究出数控劈锥铣床、非圆插齿机、数控立铣床、数控车床、数控镗床、数控磨床和加工中心等。这一时期国产数控系统的稳定性、可靠性问题尚未得到很好地解决，因而也限制了国产数控机床的发展。而数控线切割机床由于其结构简单、价格低廉、使用方便，得到了较快的发展，据统计，19731979年间，我国共生产数控机床4108台，而其中数控线切割机床就占了86%左右。,1.3 数控机床的发展与作用,图1.8 我国第一台电子管数控机床,20世纪80年代初随着改革开放政策的实施，我国从国外引进技术，开始了批量生产微处理机数控系统，推动了我国数控机床新的发展高潮，我国开发

20、了立式、卧式加工中心，立式、卧式数控车床，数控铣床，数控钻镗床，数控磨床等。20世纪80年代末期，我国还在一定范围内探索实施CIMS，且取得了一些有益的经验和教益。20世纪90年代我国还加强了自主知识产权数控系统的研制工作，而且取得一定的成效，如在五轴联动数控系统（分辨率为0.02m）、高精度车床数控系统、数控仿形系统、中低档数控系统等方面都取得了较好的成果。,1.3 数控机床的发展与作用,1.3.2 数控机床的发展趋势,1.高速化,二十多年前，德国切削物理学家萨洛蒙（Salomon）提出高速加工的概念并对高速加工进行了深入的研究。其研究成果表明：随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加

21、，当切削线速度达到超过某临界值时，切削温度及切削力会减小，然后又随着切削速度的增加而急剧增加。,1.3 数控机床的发展与作用,加工中心的主轴转速现已达到800012000r/min，最高的可达100000r/min以上，磨床的砂轮线速度提高到100200m/s。正在开发的采用64位CPU的新型数控系统（目前数控系统多采用32位以上的高速微处理器），可实现快速进给、高速加工、多轴控制功能，控制轴数最多可达到24个，同时联动轴数可达36轴，进给速度为2024m/min，最快可达60m/min。自动换刀和自动交换工作台时间也大大缩短，现在数控车床刀架的转位时间可达0.40.6s，加工中心自动交换刀具

22、时间可达3s，最快能达到1s以内，自动交换工作台时间也可达到610s，个别可达到2.5s。,1.3 数控机床的发展与作用,2.高精度化,数控机床的精度主要体现在定位精度和重复定位精度。数控机床配置了新型、高速、多功能的数控系统，其分辨率可达到0.1m，有的可达到0.01m，实现了高精度加工。伺服系统采用前馈控制技术、高分辨率的位置检测元件、计算机数控的补偿功能等，保证了数控机床的高加工精度。目前数控机床的定位精度可达0.001 mm，重复定位精度可达0.0005mm。用户对产品精度要求的日益提高，促使数控机床的精度不断提高，下面简单介绍精密制造技术。,1.3 数控机床的发展与作用,精密制造技术

23、包括精密加工和超精密加工技术、微细加工和超微细加工技术、微型机械等。精密加工和超精密加工的主要方法是精密切削和精密磨削技术等。其加工精度已由微米（）向纳米（.001）级发展。超精密加工技术是指被加工零件的尺寸精度高于01m，表面粗糙度Ra小于0025m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于001m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，纳米技术的基本概念是美国物理学家查特范曼于1959年提出的。现在，梦想正在变成现实，科学家们预言，10-15年内纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业。目前，已研制成功纳米管、极小的微电机系统、微型机器人等。在精密制造技术中，纳米技术是目前最先进

24、的技术。它对于21世纪科学的发展提供了一个新的技术基础。微细加工和超微细加工是一种特殊的精密加工，不仅精度高，而且尺寸十分微小。其主要工艺方法是光刻（蚀）、沉淀、扩散、离子注入等。,1.3 数控机床的发展与作用,我国超精密加工技术获新突破,2003年5月的一天，一块亮如镜面的铝材凸球面车削样件被小心翼翼地从非球面曲面超精密加工机床上卸下，送入国家级光学计量检验中心检验。现场的人们焦急地等待着检验结果。一个多小时以后，检验结果出来了：车削加工样件的面形精度PV=0.228m，表面粗糙度Ra=0.0078m，这意味着表面粗糙度仅有不到8纳米。现场沸腾了，紧张工作了一个多月的人们击掌相庆，有人甚至流

25、出了激动的泪水。这是三三所研制的非球面曲面超精密加工机床在用户西安应用光学研究所进行交付验收时的一个场景。-来源：中国机床商业网,1.3 数控机床的发展与作用,3.多功能化,CNC装置功能的不断扩大，促进了数控机床的高度自动化及多功能化。数控机床的数控系统大多采用CRT（Cathode Ray Tube）显示，可实现二维图形的轨迹显示，有的还可以实现三维彩色动态图形显示；有的数控系统装有小型数据库，可以自动选择最佳刀具和切削用量；有的数控系统具有各种监控、检测等功能，如刀具寿命管理、刀具尺寸自动测量和补偿、工件尺寸自动测量及补偿、切削参数自动调整、刀具磨损或破损检测等功能，有的甚至可以实现无人

26、化运行。,1.3 数控机床的发展与作用,4加工功能复合化 在一台机床上实现多工序、多方法加工是数控机床发展的又一趋势。已经出现了集钻、镗、铣功能于一身的数控机床，可完成钻、镗、铣、扩孔、铰孔、攻螺丝等工序的数控加工中心，以及车削加工中心，钻削、磨削加工中心，电火花加工中心等。近年来又出现了高复合化数控机床，如增加了车削和磨削功能的镗铣类加工中心等，不但有更高的加工精度，而且可以提高工作效率，节约占地面积和投资。,1.3 数控机床的发展与作用,多主轴正面铣床 铣头回转MC,1.3 数控机床的发展与作用,车铣复合中心 高速铣-激光堆焊MC,1.3 数控机床的发展与作用,铣床-激光雕刻MC,1.3

27、数控机床的发展与作用,五轴MC 数字化仿形MC,1.3 数控机床的发展与作用,5结构新型化 一种完全不同于原来数控机床结构的新型数控机床，上世纪90年代被开发成功。这种被称为“6条腿”的加工中心或虚拟轴机床（有的称并联机床），在没有任何导轨和滑台，采用能够伸缩的“6条腿”（伺服轴）支撑并联，并与安装主轴头的上平台和安装工件的下平台相连。它可实现6坐标联动加工，其控制系统结构复杂，加工精度、加工效率较普通加工中心高210倍。这种数控机床的出现将给数控机床技术带来重大变革和创新。,1.3 数控机床的发展与作用,并联机床,1.3 数控机床的发展与作用,快速原型机RPM及其产品,1.3 数控机床的发展

28、与作用,未来机床,1.3 数控机床的发展与作用,6编程技术自动化 自动编程系统，如图形交互式编程系统、数字化自动编程系统、会话式自动编程系统、语音数控编程系统等，其中图形交互式编程系统的应用越来越广泛。图形交互式编程系统是以计算机辅助设计（CAD）软件为基础，首先形成零件的图形文件，然后再调用数控编程模块，自动编制加工程序，同时可动态显示刀具的加工轨迹。其特点是速度快、精度高、直观性好、使用简便，已成为国内外先进的CAD/CAM软件所采用的数控编程方法。目前常用的图形交互式软件有Master CAM、Cimatron、Pro/E、UG、CAXA等。,1.3 数控机床的发展与作用,模拟车削,模拟

29、铣削,1.3 数控机床的发展与作用,7实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能，则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学发展到今天，实时系统与人工智能已实现相互结合，人工智能正向着具有实时响应的更加复杂的应用领域发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如，在数控系统中配置编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统；在高速加工时的综合运动控制中引

30、入提前预测和预算功能、动态前馈功能；在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。,1.3 数控机床的发展与作用,8数控系统的开放性 数控系统的开放性可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术、实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。数控系统还可向高集成度方向发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统更加小型化、微型化，可靠性大大提高。利用多CPU的优势，实现故障自动排除，增强通讯功能，提高进线和联网能力。开放式新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的。充足的软、硬件资源，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大的方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次