数控机床概论.ppt

数字控制机床,中国地质大学机电学院张伟民,第一章概述,1-1数控系统及数控机床的基本概念1-2数控机床的组成1-3数控机床的工作原理及分类1-4数控机床的特点和应用范围1-5数控机床的产生与发展,数字控制技术（NumericalControlTechnology，NC）是一种借助数字化信息（数字、字符）对某一工作过程（如加工、测量、装配等）发出指令并实现自动控制的技术。数控系统（NumericalControlSystem）采用数字控制技术的自动控制系统。数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。是数控技术典型应用的例子。计算机数控（CNC）采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能，则称为计算机数控。,1.1数控系统及数控机床的基本概念,1-2数控机床的组成,现代数控机床主要由CNC数控系统和机床主体组成，此外数控机床还有许多辅助装置：自动换刀装置（AutomaticToolChangerATC）自动工作台交换装置（AutomaticPalletChangerAPC）自动对刀装置自动排屑装置电、液、气、冷却、润滑、防护等装置。,数控机床组成示意图,1.2.1输入输出装置,1-2数控机床的组成,操作面板：它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具组成：主要分为三大区域。下图为西门子的一款数控系统的操作面板。,操作面板实物图,1.2.1输入输出装置,1-2数控机床的组成,控制介质：人与数控机床之间建立某种联系的中间媒介物就是控制介质，又称为信息载体。常用的控制价质有穿孔带、穿孔卡、磁盘和磁带。,操作面板实物图,1.2.1输入输出装置,1-2数控机床的组成,人机交互设备：数控机床在加工运行时，通常都需要操作人员对数控系统进行状态干预，对输入的加工程序进行编辑、修改和调试，对数控机床运行状态进行显示等，也就是数控机床要具有人机联系的功能。具有人机联系功能的设备统称人机交互设备。常用的人机交互设备有键盘、显示器、光电阅读机等。,操作面板实物图,1.2.1输入输出装置,1-2数控机床的组成,通讯：现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、柔性制造系统简称FMS(FlexibleManufactureSystem)和计算机/现代集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystems）的基本技术。采用的方式有：串行通讯（RS-232等串口）自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）网络技术（internet，LAN等）。,1.2.2计算机数控（CNC）装置,1-2数控机床的组成,数控装置是数控机床的中枢。又称CNC装置(CNC单元),1.2.2计算机数控（CNC）装置,1-2数控机床的组成,作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心,硬件计算机管理软件软件控制软件,1.2.2计算机数控（CNC）装置,1-2数控机床的组成,1.2.3伺服单元、驱动装置,1-2数控机床的组成,进给伺服驱动系统由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电动机组成。伺服驱动的作用，是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，加工出符合图样要求的工件，即把数控装置送来的微弱指令信号，放大成能驱动伺动电动机的大功率信号。,1.2.3伺服单元、驱动装置,1-2数控机床的组成,常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。根据接收指令的不同，伺服驱动有脉冲式和模拟式，而模拟式伺服驱动方式按驱动电动机的电源种类，可分为直流伺服驱动和交流伺服驱动。步进电动机采用脉冲驱动方式。,1.2.4机床电气控制,1-2数控机床的组成,机床电气控制包括两个方面，可如图所示箭头所指的内容。PLC（可编程的逻辑控制器）用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，而机床I/O电路和装置则是用来实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；,1.2.5测量装置,1-2数控机床的组成,分为位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用是保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。主轴运动指令：实现零件加工的切削运动（速度控制）,1.2.5测量装置,1-2数控机床的组成,机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统、工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置、冷却泵等等）。,1.2.6数控机床本体,1-2数控机床的组成,1.2.6数控机床本体,1-2数控机床的组成,数控机床是高精度和高生产率的自动化加工机床，与普通机床相比，应具有更好的抗振性和刚度，要求相对运动面的摩擦因数要小，进给传动部分之间的间隙要小。所以其设计要求比通用机床更严格，加工制造要求精密，并采用加强刚性、减小热变形、提高精度的设计措施。,1.3.1数控机床的工作原理,1-3数控机床的工作原理及分类,数控机床与普通机床相比较，其工作原理的不同之处就在于数控机床是按数字形式给出的指令进行加工的。数控机床加工零件，首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化，用规定的代码和程序格式编写加工程序，然后将所编写的指令输入到机床的数控装置中，数控装置再将程序进行翻译、运算后，向机床的各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各个运动部件完成所需的辅助运动，最后加工出合格零件。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。,按数控机床的工艺用途分类普通数控机床：数控车床、数控铣床、加工中心、车削中心等（用切削刀具对零件进行切削加工）。特种加工数控机床：线切割数控机床、电火花成型加工数控机床（采用电火花原理对高硬度零件进行切割及形腔进行加工）。成型加工类具有通过物理方法改变工件形状功能的数控机床。如数控折弯机、数控弯管机等。其它类型一些广义上的数控装备。如数控装配机、数控测量机、机器人等。,1.3.2数控机床的分类,1-3数控机床的工作原理及分类,按数控机床的控制功能分类a、点位控制运动：刀具相对于工件的点定位,特点:仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。,1.3.2数控机床的分类,1-3数控机床的工作原理及分类,按数控机床的控制功能分类b、直线控制运动：刀具或工作台以给定的速度按直线运动,特点：除了控制点与点之间的准确定位外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条与机床坐标轴平行的直线。对移动的速度也要进行控制，因为这类数控机床在两点之间移动时要进行切削加工。,1.3.2数控机床的分类,1-3数控机床的工作原理及分类,按数控机床的控制功能分类c、连续控制运动（轮廓控制运动）：刀具或工作台按工件的轮廓轨迹运动，运动轨迹为任意方向的直线、圆弧、抛物线或其他函数关系的曲线,特点：能够对两个或两个以上的运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的加工。使用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。,1.3.2数控机床的分类,1-3数控机床的工作原理及分类,半闭环控制系统,全闭环控制系统,开环控制系统,闭环控制系统（检测装置安装位置）,按照伺服驱动系统的控制方式分类,1.3.2数控机床的分类,1-3数控机床的工作原理及分类,有无检测装置,按照伺服驱动系统的控制方式分类a、开环控制系统开环控制系统是指没有检测装置，不带反馈的控制系统.其特点:开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低。一般适用于经济型数控机床和旧机床数控化改造。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件，部件的移动速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的。,1.3.2数控机床的分类,1-3数控机床的工作原理及分类,按照伺服驱动系统的控制方式分类b、半闭环控制系统1）半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上或电机上装有角位移测量装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的位移，反馈到数控系统中，由于惯性较大的机床移动部件不包括在检测范围之内，因而称作半闭环控制系统。2）系统闭环环路内不包括机械传动环节，可获得稳定的控制特性。机械传动环节的误差，可用补偿的办法消除，可获得满意的精度。中档数控机床广泛采用半闭环数控系统。,1.3.2数控机床的分类,1-3数控机床的工作原理及分类,按照伺服驱动系统的控制方式分类c、闭环控制系统1）在机床移动部件上直接装有位置检测装置，将测量的结果直接反馈到数控装置中，与输入指令进行比较控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位，原理如下图所示，因为把机床工作台纳入了位置控制环，故称为闭环控制系统。2）该系统定位精度高、调节速度快。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。系统复杂并且成本高，故适用于精度要求很高的数控机床，如精密数控镗铣床、超精密数控车床、超精密磨床及大型数控机床等。,1.3.2数控机床的分类,1-3数控机床的工作原理及分类,按照CNC装置的功能水平分类,1.3.2数控机床的分类,1-3数控机床的工作原理及分类,1.4.1与普通机床相比数控机床的明显特点,1-4数控机床的特点及应用范围,（1）适应性强,适合加工单件小批量复杂曲面零件（2）加工精度高,产品质量稳定（3）自动化程度高,劳动强度低（4）生产效率高（减少辅助时间和机动时间）（5）良好的经济效率(见下页图）（6）有利于生产管理的现代化（工时计算准确）（7）高柔性（改变程序就可加工不同工件）（7）有故障诊断和监控能力；（8）对操作者技术水平要求低。,问题：1造价较高；2调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；3对编程人员的技术水平要求较高。,1.4.1数控机床的特点,1-4数控机床的工作原理及分类,在多品种、中小批量生产情况下，使用数控机床可获得较好的经济效益,思考题：1、数控机床会不会完全取代普通机床？简述你的理由。2、什么是数控机床？它的工作原理是什么？3、如果按数控机床的控制功能来分类的话，数控机床分为哪几类？它们各自的特点是什么？,1.5.1机床的发展概况：（1）最原始的机床：木质，用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯（人力或畜力驱动）。（2）18世纪中叶，发展起来了用于加工金属零件的机床。（3）18世纪末到19世纪，蒸汽机的出现，出现了各种类型的机床（车、钻、镗、刨、拉、铣、磨以及齿轮加工机床等）。（4）20世纪，齿轮变速箱的出现，使得机床的结构和性能发生了根本性的变化，电气控制、液压控制等科技的应用，出现了通用机床和专用机床。（5）近年来，电子技术、计算机技术、信息技术、激光技术的发展，并在机床领域得到广泛应用，出现了数控机床。这个阶段又历经三代:1952年的第一代电子管计算机组成的数控系统；1959年的第二代晶体管计算机组成的数控系统；1965年的第三代小规模的集成电路计算机组成的数控系统。计算机数控阶段也经历了三代:1970年第四代小型计算机数控系统；1974年第五代微处理器组成的数控系统1990年第六代基于PC的数控系统。,1-5数控机床的产生与发展,1.5.2中国的数控技术与数控机床1958年起步。“六五”、“七五”引进技术、消化吸收；“八五”国产化；“九五”产业化；“十五”高精尖、重大数控装备关键技术、数控系统和关键零部件开发；“十一五”高档数控系统国产化。现达到1500多个品种，年生产能力400001).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).2003年产量36000台，产值295亿元。3).2003年19月，海关统计机床进口297482.6万美元，出口26630.8万美元4).2004年9月，数控机床产量5.2万台，国产数控机床国内占有率27。5).2005年，数控机床产量接近6万台大关，是九五末期的424倍。6）2011年1-12月，全国数控金属切削机床的产量达25.7万台7）2012数控机床产量为20.57万台,1.4.2中国的数控技术与数控机床6).重要数控机床生产厂家：北京一机床五坐标数控螺旋桨铣床，加工直径达6米，可加工10万吨级远洋海轮用螺旋桨叶轮面；武汉重型机床厂数控立车，可加工30万KW水轮机，直径达16米，精度0.02mm。常州机床厂五轴联动机床；秦川机床厂六轴五联动全数控螺旋齿锥齿轮切齿机。北京机电院定位精度+-3um立式加工中心；宁江机床厂+-8um卧式加工中心。7).国产数控系统有：中国东方数控公司，航天数控，华中等开发的华中、中华、航天和蓝天；上海开通数控技术有限公司KT；北京凯恩帝的KND系列数控系统、广州数控设备厂的GSK系列数控系统。,8)存在问题：（中国机械工业联合会科技部，2005/3）缺少关键功能部件生产厂家和社会配套体系；中高档数控系统发展缓慢；中高档数控机床的技术水平与国外有较大差距。无法阻止进口数控系统的垄断局面。落后国外5-10年,1.4.3数控机床的出现和发展,1952年3月，世界上第一台三坐标数控铣床试制成功，可作直线插补，由美国的巴森兹(Parsons)公司和麻省理工学院(MIT)合作研发。,日本FANUC德国SIEMENS西班牙FAGOR,1959年，由美国的克耐杜列克(Keaney&Trecker)首次研制开发了具有自动换刀装置和回转工作台的加工中心(MachiningCenter，MC)。,20世纪60年代末，出现了直接数控系统(DirectNC,DNC)，由一台计算机直接管理和控制一群数控机床。,1967年，英国出现了由多台数控机床连接而成的柔性加工系统，即现在的柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem，FMS)的前身。,20世纪末，出现了以数控机床为基本加工单元的计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS)。,20世纪80年代初，出现了以加工中心或车削中心为主体，配备工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造单元(FlexibleManufacturingCell，FMC)。,高速切削,高精度控制,高度柔性化,资源网络化,系统智能化,高速切削可通过高速运算、快速差补运算、超高速通信和高速主轴等技术来实现。,高主轴转速可减少切削力，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大降低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量可得到显著改善。,21世纪的CNC系统将是一个高度智能化的系统，可在局部或全局实现加工过程的自适应、自诊断和自调节；智能编程、智能监控；专家系统可降低对操作者的要求。,1.4.4数控机床的发展趋势,提高切削速度，不但可以提高加工效率、而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已达到5000米8000米/分以上；主轴转数在30000转/分(有的高达10万转/分)以上；工作台的移动速度：（进给速度），在分辨率为1微米时，在100米/分（有的到200米/分）以上，在分辨率为0.1微米时，在24米/分以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12米/分。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。,1.4.4数控机床的发展趋势1)高速高精度,随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.010.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心的加工精度则从35m，提高到11.5m,加工精度的变化,RaVfVc250.10100002500Ra200.0880002000150.0660001500VfVc100.044000100050.022000500019931994199519961997年度Ra表面粗糙度（um），加工误差（um），Vf进给速度（mm/min），Vc切削速度（m/min）图1-8数控机床的高速化对加工质量的影响,机床精度的提高过程,1.4.4数控机床的发展趋势2）智能化数控系统的智能化主要体现在以下几个方面：a、应用自适应控制技术,b自动编程技术,c、具有故障自动诊断功能,d、应用模式识别技术实现系统自动建模,3）开放式数控系统随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，暴露出许多自身固有的缺陷。最大的问题是，这些数控系统都是专门设计的，它们具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。这个概念最早见于1987年美国的NGC(NextGenerationController)计划，NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。由于这样一个富有哲理的概念作为NGC计划的奠基石，NGC代表了下一代控制技术。,4）基于网络的数控系统网络的任务主要是进行通讯，共享信息。数控机床作为车间的基本设备，它的通讯范围是：（1）数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的通信，主要通过SERCOS链式网络传送数字伺服控制信息；（2）数控系统与上级主计算机间的通信；（3）与车间现场设备及I/O装置的通信，主要通过现场总线，如PROFIBUS等进行通讯；（4）通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据；（5）通过因特网与另一个工厂交换制造数据。,5）提高数控系统的可靠性可靠性是数控机床用户最为关注的问题，提高可靠性通常可采取下列一些措施：a、提高线路的集成度。采用大规模集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件数量，精简外部连线和降低功耗。b、建立由设计、试制到生产的完整质量保证体系。例如采取防电源干扰，输入输出隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便组织批量生产和维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面检查考核等。c、增强故障自诊断功能和保护功能。由于元器件失效、编程及人为操作失误等原因，数控系统完全可能出现故障。数控系统一般具有故障预报和自恢复功能。此外，应注意增强监控和保护功能，例如有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床或报废工件。由于采用了各种有效的增强可靠性的措施，现代数控系统的平均无故障时间可达到MTBF=1000036000小时。,6）数字制造1995年12月，美国SME主席G.Olling提出，“数字制造”（“digitalmanufacturing”）将会是我们的主要工作。什么是“数字制造”呢？简单地说，就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程