《数控机床设计》PPT课件.ppt

数控机床的认识,什么是数控机床,用专业术语来说，数控机床即“数字程序控制机床”(Numerically Controlled Machine Tool)，是用数字和字母形式来表达工件的形状和尺寸等技术要求及加工工艺要求，经过数控装置运算，用数字代码信息(程序指令)控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床。,数控机床的认识,NC是Numerical Control（数值控制装置）的缩写。是自动地控制机床的工作台，刀架 号等位置和速度的装置。NC以前是由晶体管、IC等电子元件构成的。 随着微型计算机的出现，由它组成了NC并进一步商品化，把这种NC称为CNC（Computerized Numerical Control）。CNC的第一个C是内装计算机的意思。,数控机床的认识,数控机床特指那些只能完成车、铣、镗、磨、钻等单一工序的数控机床。 在类型上可分为： 数控车床（CNC车床） 数控铣床（CNC加工中心） 数控镗床 数控磨床 数控钻床等等。,CNC加工中心,NC加工中心其实就是内装计算机、备有自动换刀装置的数控机床，其控制系统能控制机床自动换刀，连续地按一定程序对各个加工面自动地完成铣削、镗削、钻孔、攻丝等多工序加工的数控机床。,CNC车床,CNC车床也是内装计算机、备有自动换刀装置的数控机床，其控制系统能控制机床自动换刀，连续地按一定程序对各个加工面自动地完成车削加工的数控机床。,数控机床的主要性能指标,定位精度：定位精度是机床工作台等移动部件在确定的终点所能达到的实际位置的精度。其误差是机床的定位误差。 重复定位精度：指在同一台数控机床上，应用相同的程序相同的代码加工一批零件所能达到的连续结果的一致程度。其误差为重复定位误差。 分度精度：分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际的角度的差值。其误差为分度误差。 分辨率与脉冲当量：是指数控机床所能反映到的机床移动部件上的最小移动量。即最小脉冲当量。,数控装置逻辑图,光电阅读机,译码器,输出装置,伺服系统,MT,存储器,主控制器,显示器,检测装置,NC程序,运算器,数控机床的构成,数控机床的组成,输入/输出设备 CNC装置 可编程控制器(PLC) 伺服单元 驱动装置(执行机构) 电气控制装置 辅助装置 机床本体 测量装置,键盘、磁盘机等。 可用串行通信的方式输入。 配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，可显示较丰富的信息，并能显示图形。,数控机床的组成,输入/输出设备 CNC装置 可编程控制器(PLC) 伺服单元 驱动装置(执行机构) 电气控制装置 辅助装置 机床本体 测量装置,CNC系统的核心。 主要包括微处理器CPU、储存器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统的其它组成部分联系的接口等。 CNC系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性化，可处理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。,数控机床的组成,输入/输出设备 CNC装置 可编程控制器(PLC) 伺服单元 驱动装置(执行机构) 电气控制装置 辅助装置 机床本体 测量装置,一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计。 分内装型(集成型)和外装型(独立型)。,数控机床的组成,输入/输出设备 CNC装置 可编程控制器(PLC) 伺服单元 驱动装置(执行机构) 电气控制装置 辅助装置 机床本体 测量装置,是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。 根据接收指令不同，可分脉冲式和模拟式。 模拟式按电源种类可分直流伺服单元和交流伺服单元。,数控机床的组成,输入/输出设备 CNC装置 可编程控制器(PLC) 伺服单元 驱动装置(执行机构) 电气控制装置 辅助装置 机床本体 测量装置,把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。 和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。,数控机床的组成,输入/输出设备 CNC装置 可编程控制器(PLC) 伺服单元 驱动装置(执行机构) 电气控制装置 辅助装置 机床本体 测量装置,合称伺服驱动系统 机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施。 从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。,数控机床的组成,输入/输出设备 CNC装置 可编程控制器(PLC) 伺服单元 驱动装置(执行机构) 电气控制装置 辅助装置 机床本体 测量装置,CNC机床由于切削用量大、连续加工发热量大等因素对加工精度有一定影响，加之在加工中是自动控制，不能像在普通机床上那样由人工进行调整、补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。,数控机床的组成,输入/输出设备 CNC装置 可编程控制器(PLC) 伺服单元 驱动装置(执行机构) 电气控制装置 辅助装置 机床本体 测量装置,又称反馈元件。 安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。 高性能数控机床的重要组成部分。 由测量装置和显示环节构成的数显装置，可以在线显示机床移动部件的坐标值，大大提高工作效率和工件的加工精度。,数控机床的分类,数控系统控制特点可分为:,点位控制 直线控制 轮廓控制（连 续轨迹控制）,只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。 如：数控钻床、数控镗床、数控坐标镗床,数控系统控制特点,点位控制 直线控制 轮廓控制（连 续轨迹控制）,除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削 如：平面铣削用的数控铣床、阶梯轴车削和磨削用的数控车床、数控磨床等,数控系统控制特点,点位控制 直线控制 轮廓控制（连 续轨迹控制）,能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。 为使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。 如：能加工曲面用的数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心等,按照伺服系统的类型可分为,开环伺服机构 半闭环伺服机构 全闭环伺服机构,由步进电机驱动线路和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。 没有检测反馈装置。 控制精度取决于步进电机和丝杠的精度。 比较简单，工作稳定，易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。,伺服系统的类型,开环伺服机构 半闭环伺服机构 全闭环伺服机构,由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测器组成。 位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台的位置。 所能达到的精度、速度、和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。 因信号易检测、闭环中要素少、系统单纯，使其控制稳定，而易设计成反应快的伺服系统。,伺服系统的类型,开环伺服机构,半闭环伺服机构 全闭环伺服机构,工作原理和组成同半闭环。 位置检测器安装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置。 反馈精度高于半闭环控制。 掌握调试的难度较大。 常用于高精度和大型数控机床。,不同伺服系统的比较,CNC输出,位置控 制单元,速度控制,执行电动机,工作台,测量反馈单元,半闭环,编码器,闭环,光栅尺,数控程序,编码器和光栅尺是一种位置检测元件是数控机床的一种重要的 组成部分它的主要作用是检测位移量并发出反馈信号与数控装 置与数控装置发出的指令信号相比较若有偏差，经放大后控制 执行部件使其向着消除偏差的方向运动直到偏差为零位止。,数控机床的特点,适应性强 加工质量稳定 生产效率高 加工精度高 减轻劳动强度 成本高 要求管理和操作人员素质高,数控机床的优点,适应性强 加工质量稳定 生产效率高 加工精度高 减轻劳动强度,由于能实现多个坐标的联动，所以能完成复杂型面的加工。 对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。 当改变加工零件时，只需要更换零件加工的NC程序，不必用凸轮、靠模、样板或其它模具等专用工艺装备，且可采用成组技术的成套夹具。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代。,数控机床的优点,适应性强 加工质量稳定 生产效率高 加工精度高 减轻劳动强度,对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同，且数控机床是根据数控程序自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性好且质量稳定。,数控机床的优点,适应性强 加工质量稳定 生产效率高 加工精度高 减轻劳动强度,可采用较大的切削量，有效地节省了机动工时。 有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量 比普通机床的生产率高34倍甚至更高 时间利用率90 普通机床3050,数控机床的优点,适应性强 加工质量稳定 生产效率高 加工精度高 减轻劳动强度,一般在0.0050.1MM之间。 加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，其定位精度比较高，同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。 友佳机床0.005MM以内。,数控机床的优点,适应性强 加工质量稳定 生产效率高 加工精度高 减轻劳动强度,在输入程序并启动后，就自动地连续加工，直至零件加工完毕。简化了工人地操作，使劳动强度大大降低。,数控机床的缺点,初期投资比较大，成本高。 要求管理和操作人员素质高。,数控机床主要部份介绍,底 座：整台机床的主体，支撑着机台的所有重量,数控机床主要部份介绍,鞍 座：下面连接着底座，上面连接工作台，用于实现Y轴移动等功能,数控机床主要部份介绍,工作台：下面连接着鞍座，表面摆放工件、夹具及第四轴等，用于实现X轴的移动等功能,数控机床主要部份介绍,立 柱：下面连接底座，硬轨或线轨连接主轴头，上面固定配重担架、导链条及配重块，侧面还连接刀库,数控机床主要部份介绍,主轴头：下面与立柱的硬轨或线轨，内部装有主轴，上面还固定主轴马达、主轴松刀装置，用于实现Z轴移动、主轴旋转等功能,数控机床主要部份介绍,电气箱：机台电路的控制中心,由NC控制器、电源供应器、主轴放大器、伺服放大器、强电板、转接板、小变压器等等元气件组成,数控机床主要部份介绍,操作箱： 用于控制、执行、监视机床的状态动作的装置，由显示器、操作面板、电源开关等等组成,数控机床主要部份介绍,风压电磁阀组 ： 利用风压来控制、实现机床部分功能的装置，如刀套上下、主轴夹松刀、主轴旋转吹气等等功能,数控机床主要部份介绍,主轴马达 ：受主轴放大器控制,来实现主轴正反转的功能,数控机床主要部份介绍,伺服马达 ：受伺服放大器控制，来实现伺服轴X、Y、Z、B轴移动的功能,数控机床主要部份介绍,润滑油马 达 ：用于给丝杆、线轨、硬轨提供润滑油的装置,数控机床主要部份介绍,切削液马 达 ：用于实现喷切削液的功能的装置，以便提高刀具寿命、工件表面光洁度,数控机床主要部份介绍,液压站马 达 ：实现油压控制机械动作的装置，如第四轴夹松、刀塔正反转，尾座进出等等,数控机床主要部份介绍,刀 库 ：实现自动换刀的装置，根据不同的需要，刀具数量分为18、20、24等等,数控机床主要部份介绍,排屑机 ：自动清理铁屑的装置,常用元器件的介绍,NC控制器：类似于电脑的主机，可进行处理、计算、转换、输入输出各种信号，以及存储系统资料、用户资料等等,左:FANUC右:三菱,常用元器件的介绍,电源模块 ：先将3相220V的交流电源，整流为2相300V直流电源，然后再将300V直流电源通过短接铜片传输给下一个伺服单元 。（提供伺服驱动电源及工作电源）,FANUC系统,常用元器件的介绍,伺服放大 器 ：通过伺服马达编码的脉冲信号经伺服放大器放大转变为数值信号，再经由NC控制器处理，然后再由放大器又转为脉冲信号，以达到控制伺服轴运动的装置,左:FANUC右:三菱,常用元器件的介绍,I/O卡 ：控制信号输入输出的装置，也是指INPUT、OUPUT的含义,三菱,常用元器件的介绍,积热电驿 :又称热继电器 ，防止马达在运转过程中，出现因电流过大而造成马达烧毁的保护装置,常用元器件的介绍,中间继电器 ：一般用于控制小于110V电源的通断，通过的电流较小,常用元器件的介绍,电磁接接 器 ： 一般用于控制交流220V电源的通断，有时也会用在主轴高低档的配线中，其通过的电流较大,常用元器件的介绍,刹车 器 ：斗笠式换刀时所用，用于控制刀库正反转,常用元器件的介绍,小变压器 ：将220V的交流电源转换成交流110V、100V、22V、19V电源的装置,常用元器件的介绍,24V电源供应器 ：将交流220V电源转换成为直流24V电源的装置，为系统提供控制电源,常用元器件的介绍,转接板 ：与NC输入输出、外围线路连接时，信号线PIN口与接点的转换装置，以集成形式制定的电路板，以简化线路,常用元器件的介绍,继电器模组 ：将12个小继电器集成于一块电路板上，以提高效率，简化线路,常用元器件的介绍,手 轮 ： 用于慢速控制轴向移动的装置,最小移动单位是0.001mm。,一、数控机床设计包括的内容： 1.拟定机床方案：调查分析、工艺分析、机床总体 布局等。 2.确定机床主要技术参数：计算选择尺寸参数、运动参 数、动力参数等。 3.对具有某些特殊功能的机床，还应针对具体要求做有 关的工作： 某些精密机床、高速机床，须进行机床性能计算 或试验分析； 自动化机床，须拟定机床的控制方案； 对没有把握的工艺方案和结构方案，须做相应的试 验，以论证方案的可行性。,二、数控机床的基本要求,1、满足功能要求 实现功能是设计的目的。数控机床的用途不同，则表现出的功能不同。 功能由数控机床的加工对象来确定。 即： 零件要求加工方法机床功能,二、数控机床的基本要求,2、满足精度要求 被加工零件在尺寸、形状、位置等方面所能达到的准确程度，间接反映机床的精度。主要包括：几何精度，定位精度，运动精度，动态精度。 机床精度同采用的进给伺服系统密切相关。,二、数控机床的基本要求,3、满足刚度和抗振性要求，热变形要小。 刚度：抵抗外载变形的能力，以保证在受力条件下，各主要部件之间正确的相互位置关系。 抗振性：抵抗振动的能力（受迫；自激）。 减少热变形：减小热源，强化散热，均热。 抵抗变形：采用对称结构如双主柱加工中心等。,二、数控机床的基本要求,4、可靠性要求 可靠度，指工作条件下，规定时间内，完成规定功能，不发生故障的概率。 数控机床是机电一体化设备，其可靠性依赖于组成部件如计算机，电子器件，液压、气压元件，机械传动部件等等。,二、数控机床的基本要求,5、经济效益 要求：设计制造成本低，使用及维护费用低。 6、人机关系要求 操纵方便、省力、不易误操作。 噪音小。 不渗漏污染环境，无三废，环保。 色彩和谐，造型美观,第二节 数控机床的设计方法和步骤,一、设计方法 早期：经验公式类比法 理论分析计算试验研究 模型试验模拟试验 CAD、优化设计、可靠性设计、计算机仿真。 二、设计准则 可靠性设计 人机工程学设计 造型设计 绿色产品设计,三、设计过程 数控机床典型的设计过程可分为：产品规划、方案设计、技术设计、施工设计四个阶段。 1、产品规划阶段 主要工作：明