数控机床与编程——课题1.ppt

数控技术,数控技术,主讲: 李军（大） 电话： 办公室:材料实验楼313数控教研室,数控技术,课堂要求：,1.不旷课、不迟到、不早退 旷课一次平时分扣5分，5次旷课取消考试资格；迟到2次算一次旷课（打铃后未进教室算一次迟到）。 2.上课不做小动作，积极思考 发现课堂做小动作一次扣平时分0.5分。 3.课堂提问 一次回答不上平时分扣1分；回答完全正确加1分，拒绝回答问题扣5分。 4.作业 一次不交扣5分。 5.课堂练习 完成加2分，不认真做扣2分。,数控技术,数控技术,行业介绍 数控领域包含： 1、数控机床与数控系统的开发 2、数控软件的开发 pro/e mastercam cimatron ug catia solidworks 3、数控软件的应用和数控加工 1）数控加工工艺 2）数控编程：手工编程和自动编程（数控编程软件的应用） 3）数控操作 4、数控设备维修,数控技术,数控专业的就业前景,一、数控人才市场需求 在发达国家中，数控机床已经大量普遍使用。我国制造业与国际先进工业国家相比存在着很大的差距，机床数控化率还不到20对于目前我国现有的有限数量的数控机床(大部分为进口产品)也未能充分利用。原因是多方面的，数控人才的匾乏无疑是主要原因之一。 由于数控技术是最典型的、应用最广泛的机电光一体化综合技术，我国迫切需要大量的从研究开发到使用维修的各个层次的技术人才。 数控人才的需求主要集中在以下的企业和地区： 1、国有大中型企业，特别是目前经济效益较好的军工企业和国家重大装备制造企业军工制造业是我国数控技术的主要应用对象 杭州发电设备厂用6000元月薪招不到数控操作工。 2、随着民营经济的飞速发展，我国沿海经济发达地区(如广东，浙江、江苏、山东)，数控人才更是供不应求，主要集中在模具制造企业和汽车零部件制造企业。 具有数控知识的模具技工的年薪已开到了30万元，超过了“博士”。,数控技术,二、数控人才的主要有二个来源,现在处于生产一线的各种数控人才： 一、大学、高职和中职的机电一体化或数控技术应用等专业的毕业生，他们都很年轻，具有不同程度的英语、计算机应用、机械和电气基础理论知识和一定的动手能力，容易接受新工作岗位的挑战。他们最大的缺陷就是学校难以提供的工艺经验，同时，由于学校教育的专业课程分工过窄，仍然难以满足某些企业对加工和维修一体化的复合型人才的要求。 二、从企业现有员工中挑选人员参加不同层次的数控技术中、短期培训，以适应企业对数控人才的急需。这些人员一般具有企业所需的工艺背景、比较丰富的实践经验，但是他们大部分是传统的机类或电类专业的各级毕业生，知识面较窄，特别是对计算机应用技术和计算机数控系统不太了解。,数控技术,三、数控人才三个需求层次,1、蓝领层： 数控操作技工：精通机械加工和数控加工工艺知识，熟练掌握数控机床的操作和手工编程，了解自动编程和数控机床的简单维护维修。适合中职学校组织培养。此类人员市场需求量大，适合作为车间的数控机床操作技工。但由于其知识较单一，其工资待遇不会大高。 2、灰领层 1)数控编程员：掌握数控加工工艺知识和数控机床的操作，掌握复杂模具的设计和制造专业知识，熟练掌握三维cadcam软件，如ug、proe等；熟练掌握数控手工和自动编程技术；适合高职、本科学校组织培养。适合作为工厂设计处和工艺处的数控编程员。此类人员需求量大，尤其在模具行业非常受欢迎；待遇也较高。 2)数控机床维护、维修人员：掌握数控机床的机械结构和机电联调，掌握数控机床的操作与编程，熟悉各种数控系统的特点、软硬件结构、plc和参数设置。精通数控机床的机械和电气的调试和维修。适合作为工厂设备处工程技术人员。此类人员需求量相对少一些，但培养此类人员非常不易，知识结构要求很广，适应与数控相关的工作能力强，需要大量实际经验的积累，目前非常缺乏，其待遇也较高。,数控技术,3、金领层 数控通才：具备并精通数控操作技工、数控编程员和数控维护、维修人员所需掌握的综合知识，并在实际工作中积累了大量实际经验，知识面很广。精通数控机床的机械结构设计和数控系统的电气设计，掌握数控机床的机电联调。能自行完成数控系统的选型、数控机床电气系统的设计、安装、调试和维修。能独立完成机床的数控化改造是企业(特别是民营企业)的抢手人才，其待遇很高。适合本科、高职学校组织培养。但必须在提供特殊的实训措施和名师指导等手段，促其成才。适合于担任企业的技术负责人或机床厂数控机床产品开发的机电设计主管。 ,数控技术,第1章 数控机床概述,本章介绍数控加工的概念、特点、加工对象和加工步骤，数控机床的组成，数控车、铣和加工中心的应用，数控技术的现状及发展方向和先进制造技术等。,数控技术,1.1 数控加工的概念,1.数控技术 数控(numerical control,nc)是采用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的方法 ,简称nc或cnc 2.数控机床 数控机床是采用数控技术对加工过程进行控制的机床。 1）nc机床 数控车床、数控铣床、数控镗床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等等 2）加工中心 具有atc自动换刀装置得数控机床（automatic tool changer） 广义：所有具有atc的数控机床 狭义：进行钻铣、镗加工的加工中心,数控技术,3）fmc 柔性制造单元（flexible manufacturing cell） 具有apc工作台自动交换装置（auto pallet changer）的一台或几台加工中心组成的生产设备。能连续地自动加工一组不同工序与加工节拍的工件。可以作为组成柔性制造系统的模块单元。可实现一定时间无人化操作 4）fms 柔性制造系统（ flexible manufacturing system） 增加了物流系统、工业机器人以及相关设备，由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，可实现常时间无人化。 5）cims （computer integrated manufacturing system） 计算机集成制造系统 从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售全面自动化。,数控技术,通常fmc有两种组成形式：托盘交换式和工业机器人搬运式。,数控技术,数控技术,3.数控系统 实现控制得硬件和软件，其核心是数控装置 常用数控系统： 国内：广州数控gsk218m 、gsk980td 华中数控hnc21m hnc21t 国内： 法拉克 fanuc-0i fanuc-21m 西门子 sinumerik 840c 840d 4.数控加工 数控加工，即采用数控机床加工零件的方法。 数控加工是随着数控机床的产生、发展而逐步完善的一种应用技术，它是人们长期从事数控加工实践的经验总结。,数控技术,1. 数控机床的基本工作原理,1.2.1数控机床的组成 数控机床由输入/输出设备、数控装置、伺服系统和机床本体、辅助装置等部分组成。,输入输出设备,数控装置,伺服系统,机床本体,反馈装置,图 数控机床的组成,数控技术,1.输入输出设备 输入输出设备的作用是实现数控加工程序及相关数据的输入、显示、存储以及打印等。 2.数控装置 数控装置是数控机床的核心，它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等变成信号去控制机床和辅助装置的运动。,数控技术,3.伺服驱动系统 伺服系统是数控机床的执行部分，作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床的运动。 一般系统：采用交流伺服电动机 高速加工中心：直线电动机 简易数控机床：步进电动机 4.机床本体 机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。 5.辅助装置 数控机床的一些配套部件，包括刀库、液压装置、气动装置、冷却系统、排屑装置、夹具、换刀机械手等。,数控技术,数控机床按控制方式分类： 分为开环、半闭环，闭环控制三类。 开环数控机床 开环控制数控机床的特点是其控制系统不带反馈装置，通常使用步进电机作为伺服执行机构。开环控制系统结构简单，制造成本低，系统对移动部件的实际位移量不进行测量，也不进行误差校正。开环系统仅适用与加工精度要求不是很高的中小型数控机床。,数控技术,开环控制机床图例,特点：结构简单，步进驱动、步进电机，无 位置速度反馈,数控技术,半闭环数控机床 这类数控机床是在进给电动机的轴端安装角位移测量元件，通过测量电动机轴的旋转角位移并经过一定的换算来代替测量工作台的直线位移。这类系统未将丝杆螺母副、齿轮传动副等传动误差包含在控制系统中，其精度介于开环和闭环之间，但调试却比较方便，得到广泛的应用。,数控技术,半闭环数控机床图例：,特点：精度较高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电 机，有角位移、角速度检测装置，结构紧凑。,数控技术,闭环数控机床 这类机床带有检测装置，直接对工作台的位移量进行测量。该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差，定位精度高，调节速度快。但调试工作比较困难，制造成本高。适用于精度要求很高的数控机床。,数控技术,闭环数控机床图例：,特点：精度高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机， 有直线位移、速度检测装置，价格贵，调试困难,数控技术,一、 按控制刀具与零件相对运动轨迹分类 1点位控制或位置控制数控机床 点位控制或位置控制数控机床只能控制工作台或刀具从一个位置精确地移动到另一位置，在移动过程中不进行加工，各个运动轴可以同时移动，也可以依次移动，如图 1.3(a)所示。如数控镗、钻、冲，数控点焊机及数控折弯机等均属此类机床。,常见数控机床的分类,数控技术,数控技术,2轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床能够同时对两个或两个以上坐标轴进行连续控制，具有插补功能，工作台或刀具边移动边加工，如图 1.3(b)、(c)所示，如数控铣、车、磨及加工中心等是典型的轮廓控制数控机床，数控火焰切割机、数控线切割及数控绘图机等也都采用轮廓控制系统。 二、 按加工方式分类 (1) 金属切削类：如数控车、钻、镗、铣、磨、加工中心等。 (2) 金属成形类：如数控折弯机、弯管机、四转头压力机等。 (3) 特殊加工类：如数控线切割、电火花、激光切割机等。 (4) 其他类：如数控火焰切割机、三坐标测量机等。 三、 按控制坐标轴数分类 (1) 两坐标数控机床：两轴联动，用于加工各种曲线轮廓的回转体，如数控车床。 (2) 三坐标数控机床：三轴联动，多用于加工曲面零件，如数控铣床、数控磨床。 (3) 多坐标数控机床：四轴或五轴联动，多用于加工形状复杂的零件。图 1.4 所示为两种不同类的四轴联动数控机床。,数控技术,1.数控车床 数控车床分为立式数控车床和卧式数控车床。 2.数控铣床 数控铣床按结构形式可以分为立式、卧式和龙门式数控铣床。按控制轴数可以分为三轴、四轴和多轴数控铣床。 3.数控磨 4.数控磨齿机 5.加工中心 加工中心可分为车削加工中心和铣削加工中心。 (1).车削加工中心 车削加工中心是在普通卧式数控车床的基础上，增加了c轴(刀具的旋转)和动力头，更高级的车削加工中心还带有刀库。,二、按加工方式分类,数控技术,(2)铣削加工中心 铣削加工中心是在数控铣床的基础上增加了刀库和自动换刀装置，刀库通常可容纳16100把左右的刀具。 铣削加工中心按结构形式可分立式加工中心和卧式加工中心。 立式加工中心的主轴处于垂直位置，它能完成铣削、镗削、钻削、攻丝和切削螺纹等工序。 卧式加工中心的主轴处于水平位置。,数控技术,数控技术,6.金属成形类 如数控折弯机、弯管机、四转头压力机等。 7. 特殊加工类 如数控线切割、电火花、激光切割机等。 8. 其他类：如数控火焰切割机、三坐标测量机等。,数控技术,数控加工的特点及应用,1.数控加工的特点 (1).可以加工具有复杂型面的工件 (2).加工精度高，质量稳定 1）数控机床脉冲当量小，一般可达到0.001,定位精度可达0.01，重复定位精度0.005 2）数控系统具备误差自动补偿功能 3）数控机床的传动系统与机床结构设计，都具有比普通机床更高的刚度和稳定性 4）自动加工避免了认为干扰，质量稳定,数控技术,（3）机床柔性强 （4）生产率高 1）数控机床转速和切削量可任意选择，因此可选择最合适的切削量。 2）空行程运动速度远远大于普通机床 3）一次加工可完成成多工序 4）尺寸一致性好，只需首件检验。 5）可实现精确、快速定位，不需划线。,数控技术,(4).自动化程度高，改善劳动条件 (5).有利于生产管理现代化 因为相同工件所用时间基本一致，所以数控加工可预先估算加工工件所需时间，因此工时和工时费用可以精确估计。此外，对数控加工所使用的刀具、夹具可进行规范化管理。因此有利于生产管理的现代化。 (6).数控加工是cad/cam技术和先进制造技术的基础,数控技术,2.数控加工的主要对象 由数控加工的特点可以看出，适于数控加工的零件包括： (1).多品种、单件小批量生产的零件或新产品试制中的零件。 (2).几何形状复杂的零件。 (3).精度及表面粗糙度要求高的零件。 (4).加工过程中需要进行多工序加工的零件。 (5).用普通机床加工时，需要昂贵工装设备(工具、夹具和模具)的零件。,数控技术,数控加工的步骤,数控加工的步骤如下： (1).选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。 (2).分析零件图及其结构工艺，明确加工内容及技术要求。 (3).根据零件图进行数控加工的工艺分析，确定加工方案、工艺参数和工艺装备等。 (4).用规定的程序代码和格式编写零件加工程序，或用cad/cam软件直接生成零件的加工程序文件。 (5).输入加工程序，对加工程序进行校验和修改。 (6).通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。,数控技术,数控机床的产生 社会需求是推动生产力发展最有力的因素。二十世纪四十年代以来，由于航空航天技术的飞速发展，对于各种飞行器的加工提出了更高的要求，这些零件大多形状非常复杂，材料多为难加工的合金。用传统的机床和工艺方法进行加工，不能保证精度，也很难提高生产效率。为了解决零件复杂形状表面的加工问题，1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。,数控技术的现状与发展方向,数控技术,数控机床的产生的前提：计算机产生 概念提出：1948年，美 parsons公司 研制：受美空军委托 parsons与mit合作 1952年 第一台三坐标立式数控铣床 产业化：1955年 数控机床的分代标志 第一代 电子管 第二代 晶体管和印制板电路 第三代 小规模集成电路 第四代 小型计算机开始取代专用硬接线装置， 数控的许多功能用软件实现 第五代 微机数控(mnc)系统 第六代 基于pc （pcbased）数控系统,数控技术,中国的数控技术与数控机床 2000年的统计数据 数控机床厂家：100 数控系统厂家：50 数控机床配套厂家：300 年产量：14053台 数控机床品种：1300 产量数控化率：8%（95年 3.6%） 2.数控机床年增长率:18% 到2005年 产量: 2500030000台 品种: 2000种 数控化率: 20%,数控技术,数控技术的发展动向 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。 第四代：1970年 nc系统采用小型计算机取代专用计算机，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：,数控技术,1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。 1979年：系统采用crt显示，vlic，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。 20世纪末21世纪初：开放式系统规范（ngc、omac、osaca、osec)和数控系统新标准（step-nc等）相继开展研究和开发。它是数控技术发展的又一个里程碑。,数控技术,三、发展趋势 进入20世纪90年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，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,运行高速化 加工高精化 功能复合化 控制智能化 体系开放化 驱动并联化 交互网络化,数控技术,运行高速化：使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加（减）速率。 进给率高速化： 在分辨率为1m时，fmax=240m/min；在fmax下可获得复杂型面的精确加工；在程序段长度为1mm时，fmax=60m/min，并且具有1.5g的加减速率； 主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。 主轴最高转速达200000r/min。主轴转速的最高加（减）速为1.0g ，即仅需1.8秒即可从0提速到15000r/min。 换刀速度 0.6秒（刀到刀）；2.8秒（切削到切削） 工作台（托盘）交换速度 4.3秒。,数控技术,加工高精化：提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。 提高cnc系统控制精度： 采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使cnc控制单位精细化； 采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106 脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）； 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。 采用误差补偿技术： 采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术; 设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080。三井精机的jidich5d型超精密卧式加工中心的定位精度为0.1m。,数控技术,功能复合化 复