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第1章数控机床概述 1 1数控机床的产生与发展1 2机床中有关数控的基本概念1 3数控机床的组成与工作原理1 4数控机床的分类1 5数控机床的特点1 6数控机床的主要性能指标与功能1 7数控机床的应用范围1 8数控机床主要技术参数 1 1数控机床的产生与发展 1 1 1数控机床的产生与发展过程1946年诞生了世界上第一台电子计算机 它为人类进入信息社会奠定了基础 六年后 即1952年 计算机技术应用到了机床上 在美国诞生了第一台数控机床 从此 传统机床产生了质的变化 近半个世纪以来 数控机床经历了两个阶段和六代的发展 1 数控 NC 阶段 1952年 1970年 2 计算机数控 CNC 阶段 1970年 现在 1 1 2数控机床的发展趋势1 高速 高效和高精度2 高可靠性3 模块化 智能化 柔性化和集成化 下一页 返回 1 1数控机床的产生与发展 4 开放性5 出现新一代数控加工工艺与装备1 1 3我国数控机床的发展状态我国数控机床及数控技术起步于1958年 一直到20世纪60年代中期还处在研制 开发时期 1965年 国内开始研制晶体管数控系统 20世纪60年代末至70年代初研制成功X53K 1G立式数控铣床 CJK 18数控系统和数控非圆齿轮插齿机 从20世纪70年代开始 由于打破国外的技术封锁和我国的基础条件不断改善 数控技术在车 铣 钻 镗 磨 齿轮加工 电加工等领域全面展开 数控加工中心在上海 北京研制成功 下一页 返回 上一页 1 1数控机床的产生与发展 20世纪80年代我国从日本FANUC公司引进了部分数控系统和直流伺服电动机 直流主轴电机技术 以及从美国 欧洲等发达国家引进一些新的技术 并进行了国产商品化生产 1995年以后 我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步 现在 我国已经建立了以中 低档数控机床为主的产业体系 20世纪90年代开始了高档数控机床的研发和生产 返回 上一页 1 2机床中有关数控的基本概念 1 数字控制 NumericalControl 简称数控 是一种自动控制技术 是用数字化信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法 2 数控系统 NumericalControlSystem 它是一种程序控制系统 即采用数字控制的系统 3 计算机数控系统 ComputerNumericalControlsystem CNC 它由装有数控系统程序的专用计算机 输入输出设备 可编程控制器 存储器 主轴驱动及进给驱动装置等组成 用计算机控制实现数控功能的系统 4 数控机床 NumericalControlMachineTools 它是用数字指令进行控制的机床 机床的所有运动 包括主运动 进给运动与各种辅助运动都是用输入数控装置的数字信号来控制的 其加工过程可用如图1 1所示的框图来描述 下一页 返回 1 2机床中有关数控的基本概念 5 数控技术它是用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术 目前 计算机辅助设计与制造 CAD CAM 柔性制造单元 FAM 柔性制造系统 FMS 计算机集成制造系统 CIMS 敏捷制造 AM 和智能制造 IM 等先进制造技术都建立在数控技术基础上 6 数控加工技术数控加工技术是指高效 优质地实现产品零件特别是复杂零件加工的技术 它是自动化 柔性化 敏捷化和数字化制造加工的基础与关键技术 7 计算机辅助设计和制造简称CAD CAM 是以计算机作为主要技术手段 处理各种数字信息与图形信息 辅助完成从产品设计到加工制造整个过程中的各项活动 返回 上一页 1 3数控机床的组成与工作原理 1 3 1数控机床的组成数控机床通常是由程序载体 CNC装置 伺服系统 检测与反馈装置 辅助装置 机床本体组成 如图1 2所示 1 程序载体数控机床是按照输入的零件加工程序运行的 零件加工程序中包括机床上刀具和零件的相对运动轨迹 工艺参数和辅助运动等 将零件加工程序以一定的格式和代码存储在一种载体上 这种载体称为程序载体 程序载体可以是磁盘 磁带 硬盘和闪存卡等 2 CNC装置CNC装置是CNC系统的核心 主要包括微处理器 CPU 存储器 局部总线 外围逻辑电路和输入 输出控制等 下一页 返回 1 3数控机床的组成与工作原理 3 伺服系统伺服系统是CNC装置和机床本体的联系环节 它的作用是把来自CNC装置的微弱指令信号解调 转换 放大后驱动伺服电机 通过执行部件驱动机床移动部件的运动 使工作台精确定位或使刀具和工件及主轴按规定的轨迹运动 最后加工出符合图样要求的零件 它的伺服精度和动态响应是影响数控机床加工精度 表面质量和生产率的重要因素 4 检测与反馈装置检测与反馈装置有利于提高数控机床加工精度 5 辅助装置辅助装置是把计算机送来的辅助控制指令经机床接口转换成强电信号 用来控制主轴电动机启停和变速 冷却液的开关及分度工作台的转位和自动换刀等动作 下一页 返回 上一页 1 3数控机床的组成与工作原理 6 机床本体数控机床的本体是指其机械结构实体 它是实现加工零件的执行部件 主要由主运动部件 进给运动部件 支承件以及辅助装置等组成 1 3 2数控机床的工作原理数控机床其工作原理如下 根据零件加工图样进行工艺分析 拟定加工工艺方案 确定加工工艺过程 工艺参数和刀具位移数据 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 把零件加工程序输入或传输到数控系统 数控系统对加工程序进行译码与运算 发出相应的命令 通过伺服系统驱动机床的各个运动部件 并控制刀具与工件的相对运动 最后加工出形状 尺寸与精度符合要求的零件 下一页 返回 上一页 1 4数控机床的分类 1 4 1按工艺用途分类数控机床按工艺用途可分为以下4类 1 切削加工类数控机床 主要有数控车床 数控铣床 数控钻床 数控镗床 数控平面磨床和加工中心等 如图1 3所示 2 成型加工类数控机床主要有数控折弯机 数控弯管机 数控冲床 数控转头压力机等 如图1 4所示 3 特种加工类数控机床主要有数控电火花线切割机床 数控电火花成型机床 数控激光切割机床 数控激光热处理机床等 如图1 5所示 4 其他类数控机床主要有数控三坐标测量机 数控装配机 机器人等 如图1 6所示 下一页 返回 1 4数控机床的分类 1 4 2按机床运动轨迹分类 1 点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是只控制运动部件从一个位置到另一个位置的准确定位 不管中间的移动轨迹如何 在移动的过程中不进行切削加工 对两点之间的移动速度及运动轨迹没有严格要求 2 直线控制数控机床直线控制数控机床除了具有控制点与点之间的准确定位功能 还要保证两点之间按直线运动进行切削加工 刀具相对于工件移动的轨迹是平行机床各坐标轴或两轴同时移动构成450的斜线 下一页 返回 上一页 1 4数控机床的分类 3 轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上的坐标轴进行连续相关的控制 不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标 而且还要控制整个加工过程中每一点的速度和位移 也即控制刀具移动的轨迹 以加工出任意斜线 圆弧 抛物线及其他函数关系的曲线或曲面 1 4 3按伺服系统控制方式分类 1 开环控制数控机床开环控制数控机床的特点是不带测量反馈装置 数控装置发出的指令信号单方向传递 指令发出后不再反馈回来 因为无位置反馈 所以精度不高 其精度主要取决于伺服驱动系统的性能 开环控制数控机床的工作原理如图1 15所示 下一页 返回 上一页 1 4数控机床的分类 2 半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床工作原理如图1 16所示 它是从伺服电机或丝杠的端部引出 通过检测电机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的实际位置或位移 3 全闭环控制数控机床全闭环控制数控机床工作原理如图1 17所示 它是采用点从机床的运动部件上直接引出 通过采样工作台运动部件的实际位置 即对实际位置进行检测 可以消除整个传动环节的误差和间隙 因而具有很高的位置控制精度 1 4 4按数控系统功能水平分类数控机床按数控系统功能水平可分为低 中 高三档 如表1 1所示 返回 上一页 1 5数控机床的特点 1 5 1数控机床的设计特点 采用了高性能的主轴及伺服传动系统 机械结构得到简化 传动链较短 为了使连续性自动化加高 机械结构具有较高的动态刚度及耐磨性 热变形小 更多地采用了高效率 高精度的传动部件 如滚珠丝杠 直线滚动导轨等 加工中心带有刀库 自动换刀装置 采用辅助装置 冷却 排屑 防护 润滑 储运等装置 下一页 返回 1 5数控机床的特点 1 5 2数控机床的加工特点数控机床的加工特点 主要有以下几个方面 1 加工精度高 质量稳定2 生产效率高 经济效益好3 对加工对象的适应性强4 自动化程度高 劳动强度低5 有利于现代化管理6 具有很强的通信功能当然 数控机床在应用中也有其不足之处 初期投资大 维护费用高 对操作者的技能水平及管理人员的素质要求较高 下一页 返回 上一页 1 5数控机床的特点 1 5 3数控机床的结构特点为了保证高精度 高效率的加工 数控机床的结构应具有以下特点 1 高刚度和高抗振性2 高灵敏度3 热变形小4 高精度保持性5 高可靠性6 工艺复合化和功能集成化 返回 上一页 1 6数控机床的主要性能指标与功能 1 6 1数控机床的规格指标规格指标是指数控机床的基本功能 主要有以下几方面 1 行程范围行程范围是指坐标轴可控的运动区间 它是直接体现机床加工能力的指标参数 一般指数控机床坐标轴X Y Z的行程大小构成的空间加工范围 2 摆角范围摆角范围是指坐标轴可控的摆角区间 数控机床摆角的大小也直接影响加工零件空间部位的能力 3 主轴功率和进给轴扭矩主轴功率和进给轴扭矩反映数控机床的加工能力 同时也可以间接反映该数控机床的刚度和强度 下一页 返回 1 6数控机床的主要性能指标与功能 4 控制轴数和联动轴数控制轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目 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 它反映数控机床的曲面加工能力 5 刀具系统刀具系统主要指刀库容量及换刀时间 它对数控机床的生产率有直接影响 1 6 2数控机床的精度指标1 分辨率和脉冲当量分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔 脉冲当量是指数控控制系统每发出一个脉冲信号 机床机械运动就产生一个相应的位移量 通常称其为脉冲当量 下一页 返回 上一页 1 6数控机床的主要性能指标与功能 2 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所达到的实际位置的精度 重复定位精度是指在相同的条件下 采用相同的操作方法 重复进行同一动作时 所得到结果的一致程度 3 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回转的角度值的差值 下一页 返回 上一页 1 6数控机床的主要性能指标与功能 1 6 3数控机床的运动指标1 主轴转速数控机床的主轴一般均采用直流或交流主轴电动机驱动 选用高速精密轴承支承 保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度 刚度和抗振性 目前 数控机床主轴转速已普遍达到 5000 10000 r min 甚至更高 2 进给速度数控机床的进给速度是影响零件加工质量 生产效率以及刀具寿命的主要因素 目前国内数控机床的进给速度可达 10 15 m min 国外为 15 30 m min 下一页 返回 上一页 1 6数控机床的主要性能指标与功能 1 平均无故障时间 MeanTimeBetweenFailures MTBF MTBF是指一台数控机床在使用中平均两次故障间隔的时间 即数控机床在寿命范围内总工作时间和总故障次数之比2 平均修复时间 MeanTimeToRepair MTTR MTTR是指一台数控机床从开始出现故障直到能正常工作所用的平均修复时间 即3 平均有效度A如果把MTBF视作设备正常工作的时间 把MTTR视作设备不能工作的时间 那么正常工作时间与总时间之比称为设备的平均有效度A 即 下一页 返回 上一页 1 6数控机床的主要性能指标与功能 1 6 5数控机床的主要功能数控机床的主要功能概括起来主要有以下几种 1 控制轴数和联动轴数2 准备功能3 插补功能4 进给功能5 主轴功能6 辅助功能7 操作功能8 刀具功能9 刀具补偿 下一页 返回 上一页 1 6数控机床的主要性能指标与功能 10 程序管理功能11 零件程序结构12 误差补偿功能13 自动加减速控制14 开关量接口15 机床顺序控制接口16 字符图形显示17 通信与通信协议18 自诊断功能 返回 上一页 1 7数控机床的应用范围 数控机床具有普通机床不具备的许多优点 数控机床的应用范围正在不断扩大 但目前它并不能完全替代普通机床 也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题 数控机床最适合加工具有以下特点的工件 单件 多品种 小批量的生产零件 形状复杂 加工精度较高的零件 需进行多种工序集中加工的零件 价格昂贵 不允许报废的零件 需要频繁改型的零件 需要最少生产周期的急需件 批量 高精度 高要求的工件 返回 1 8数控机床主要技术参数 1 CK6140数控车床的主要技术参数如图1 18所示的CK6140数控车床 它采用主轴变频调速 三挡无级变速 使用HNC 21T车床数控系统实现机床的两轴联动 由图1 18知 该数控车床主要由底座 床身 主轴箱 大拖板 中拖板 电动刀架 尾座 防护罩 电气部分 CNC系统 冷却 润滑等部分组成 表1 2所示为CK6140数控车床的主要技术参数 2 XK714A数控铣床的主要技术参数如图1 19所示为XK714A数控铣床 它采用变频主轴 X Y Z三向进给均由伺服电动机驱动滚珠丝杠 机床采用HNC 21M数控系统 实现三坐标联动 由图1 19知 该数控铣床主要由底座 立柱 工作台 主轴箱 电气 CNC系统及冷却 润滑等部分组成 表1 3所示为XK714A数控铣床的主要技术参数 下一页 返回 1 8数控机床主要技术参数 3 VMC750E立式加工中心的主要技术参数如图1 20所示为VMC750E立式加工中心 它具有自动换刀装置及CNC三轴联动控制系统的现代化加工机床 机床采用HNC 21M数控系统 由图1 20知 该加工中心主要由底座 立柱 刀库及自动换刀装 工作台 主轴箱 电气 CNC系统及冷却 润滑等部分组成 表1 4所示为VMC750E立式加工中心的主要技术参数 4 数控电火花线切割机床的主要技术参数如图1 21所示为DK系列数控电火花线切割机床 目前 DK系列数控电火花线切割机床有DK77