-数控机床概述PPT课件

1 第4章数控机床概述 4 1数控机床的产生与发展4 1 1数控机床产生的背景随着科学技术和社会生产的不断发展 人们对机械产品的质量和生产效率提出了越来越高的要求 2 大批量生产对于定型产品的大批量生产 许多生产企业 例如汽车 拖拉机 家电行业等生产厂家 都已采用了自动机床 组合机床和专用自动生产线 实行自动流水作业 尽管初期投资大 生产准备时间长 但在大批量生产条件下 产品质量容易保证 生产效率高 平均单件成本低 经济效益非常显著 3 单件 小批量 精密复杂零件的生产问题在机械制造业中 多品种 单件 小批量生产 批量在10 100件 约占机械加工总量的80 以上 尤其是在造船 航天 航空 机床 重型机械以及国防等部门 其生产特点是品种多 加工批量小 改型频繁 零件的形状复杂且精度要求高 普通机床自动化程度低 生产效率和加工精度都难以提高 尤其是一些复杂曲面 甚至无法加工 而采用专用自动化加工设备 则投资大 时间长 转型难 显然不能满足竞争日益激烈的市场需要 4 数控机床的产生为了解决上述问题 满足多品种 单件 小批量 高精度 高效率的自动化生产 迫切需要一种灵活的 通用的 能适应产品频繁变化 结构复杂 加工精度要求较高的柔性自动化机床 正是在这种需求下 在二十世纪中期 随着计算机技术 微电子技术和自动化技术的高速发展 数字控制机床 NumericalControl 简称NC或数控 便诞生并迅速发展起来 为单件 小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段 5 4 1 2数控机床诞生的时间及其发展过程世界上第一台数控机床于1952年诞生于美国麻省理工学院 MIT 是由美国帕森斯公司 ParsonsCo 和MIT合作研制的三坐标数控铣床 用于加工直升飞机变截面螺旋桨叶片轮廓的检测样板 机床占地面积约60m2 其数控系统是一台专用计算机 大约由2000多个电子管组成 插补装置采用 数字脉冲乘法器 是一种直线插补器 伺服机构采用一台小型液压马达 通过改变液压马达的斜盘倾角而进行变速 实质上仍属于一台试验性的数控加工设备 6 1954年 在帕森斯 Parsons 专利的基础上 由美国本迪克斯公司 BendixCo 所生产出来的数控机床是世界上第一台工业实用性数控机床 1959年 开始采用晶体管元件和印刷电路板 美国克耐 杜列克公司 Keaney Trecker 首次成功地开发了加工中心 MachiningCenter 简称MC 这是一种具有自动换刀装置和回转工作台的数控机床 可以在一次装夹中对工件的多个平面进行多道工序的加工 从1960年开始 其它一些国家如德国 日本等也陆续开发生产出数控机床 7 1965年数控装置开始采用小规模集成电路 体积大大减小 功耗降低 可靠性提高 1967年 在英国出现了由多台数控机床连接而成的柔性加工系统 这便是最初的柔性制造系统 FlexibleManufacturingSystem 简称FMS 1970年 开始采用大规模集成电路和微型计算机 在美国芝加哥国际机床展览会上 首次展出了用微型计算机控制的数控机床 CNC 1974年 微处理器直接用于数控系统 促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展 8 数控系统历经的四个发展时代 随着电子技术和计算机技术的不断发展 数控系统经历了电子管 1952年 晶体管 1958年 小规模集成电路 1965年 大规模集成电路和微型计算机 1970年 四个时代 直到微型计算机引入数控系统 才使它在质的方面完成了一次飞跃 利用控制软件实现多种控制功能 显著提高了系统的功能特性和可靠性 这种由微型计算机控制的数控系统简称为CNC系统 ComputerNumericalControl 9 目前 绝大部分的数控机床都采用微机控制 所以也称为CNC机床 10 4 1 3目前国内外数控机床的现状数控机床从1952年诞生至今 已有半个世纪 随着科学技术的飞速发展 数控机床无论从数量 品种 功能 性能 可靠性及应用等方面都有了极大的提高和发展 目前已拥有数控车床 数控铣床 数控镗床 数控钻床 数控磨床 数控线切割机床 数控冲床 数控齿轮加工机床 数控电加工机床 数控加工中心等上百种数控加工设备 11 国外先进工业国家数控机床的现状特点 拥有数量较多 通常占主要生产设备的20 以上 大型数控机床较多 如落地式镗铣床 大型龙门镗铣床 以及三坐标测量机等 更新换代较快 许多新开发的设备 能很快地装备到生产线上 投入生产应用 12 我国数控机床的生产和应用 在高档数控机床方面 除少量国产的高档数控系统外 主要是以从世界上17个国家 地区进口的全功能高档数控装备为主体 在中档层次上 国外引进与国产两方面并举 在低档数控机床方面 绝大多数是国产的 以国内单板机 单片机或STD总线机加步进电机构成的普及型数控系统为主体 加上少量的由本单位或少量协作单位研制 开发的一些简易数控系统来改造普通机床 或将其配置在线切割等机床上 13 4 1 4数控机床的发展趋势1 向高速 高精度化方向发展 机械方面进一步提高机械结构的刚度 耐磨性 提高热稳定性和可靠性 使主轴转速达到1000 2000r min 进给速度达到20 40m min 加速度大于等于9 81m s2 实现高速切削 数控系统数控系统的CPU从16位 32位向64位发展 主频由5MHz提高到20 33MHz 进一步提高数控系统的运算速度 14 伺服系统及电机 采用数字伺服系统和伺服电机 提高对电动机的高速 高精度控制 采用现代控制理论提高跟随精度 采用高分辨的位置编码器提高位移精度 实现多种补偿功能 补偿机械系统误差 15 2 充分利用PC机的资源将PC机的功能集成到CNC中 使系统智能化 简化应用软件的开发 提高和加强数控系统的通讯能力 使之容易联网 进行网络测控 并实现自动化编程 3 开发小型具有专门高功能的CNC及其配套装置 扩大数控设备的品种 满足一些专门需要 16 4 提高数控机床的可靠性和可维修性采用大规模 超大规模集成电路 专用芯片 提高集成度 减少故障率 提高可靠性 采用在线检测 人工智能故障诊断系统指导排除故障 17 5 向自动化生产系统发展在现代生产中 单功能机床已不能满足多品种 小批量 产品更新换代周期快的要求 因而具有多功能和一定柔性的设备和生产系统相继出现 促使数控技术向更高层次发展 所谓的柔性是指能够较容易地适应多品种 小批量的生产功能 通过编程或稍加调整就可加工几种不同的工件 18 柔性制造单元 FMC 柔性制造单元 FlexibleManufacturingCell 简称FMC 是在制造单元的基础上发展起来的 又具有一定的柔性 它可由一台或几台设备组成 具有独立自动加工的功能 同时又部分具有自动传递和监控管理功能 可实现某些种类的多品种 小批量生产 它的投资较少 容易实现 深受用户欢迎 19 柔性制造系统 FMS 柔性制造系统 FlexibleManufacturingsystem 简称FMS 是由两台以上 通常由5 10台 数控机床和加工中心 及其它加工设备和一套能自动装卸物料的系统等组成 在一台中央计算机的控制下进行自动化生产的系统 20 它是一种把自动加工设备 物流自动化处理和信息流自动化处理融为一体的智能化加工系统 它能根据任务和生产环境的变化迅速进行调整 适用于多品种 中小批量的生产 其特点是高效率 高柔性和高度自动化等 21 计算机集成制造系统 CIMS 计算机集成制造系统 ComputerIntergatedManufacturingSystem 简称CIMS 通常由管理信息系统 产品设计与工艺设计的工程设计自动化系统 制造自动化系统 质量保证系统4个功能分系统和计算机网络系统 数据库系统2个支撑分系统等组成 通过计算机 网络 数据库等硬 软件将企业的生产决策 产品设计 加工制造 经营管理等方面的所有活动集成起来 实现现代化的集成管理 使企业求得最大的总体效益 22 4 2数控机床的组成和工作原理 4 2 1数控机床的组成数控机床是一种利用数控技术 按照事先编好的程序实现加工动作的自动化金属切削机床 它由控制介质 计算机数控装置 伺服驱动系统 辅助控制装置 机床机械部件等部分组成 如图4 1所示 23 图4 1数控机床的组成框图 24 1 控制介质控制介质就是人们控制数控机床的中间媒介 即程序载体 在使用数控机床之前先要根据零件图和技术要求 将加工时刀具相对于工件的位置 相对运动轨迹 工艺参数 辅助运动等全部动作及顺序 按规定的格式和代码编写出工件的加工程序 并存储在一种载体上 如穿孔纸带 磁带 软磁盘等 25 加工时通过输入装置如光电阅读机 录放机 软盘驱动器等将存储在控制介质上的加工程序输入到数控机床的数控装置中去 有些数控机床不用任何程序载体而采用手动方式 ManualDataInput简称为MDI方式 用数控系统操作面板上的按键直接键入程序 或采用通讯接口 由编程计算机以通讯方式输入 26 2 数控装置 CNC 数控装置 CNC 是数控机床的中枢 它由输入装置 输出装置 运算器 控制器 存储器等组成 它接受由控制介质输入的加工信息代码 加工程序 经识别 译码后送到相应的存储区 作为控制和运算的原始数据 再经过数据运算处理 由输出装置以脉冲的形式向辅助控制装置和伺服系统发出控制指令和运动指令 27 3 伺服驱动系统伺服系统是数控系统的一个重要组成部分 它将CNC装置送来的脉冲运动指令信息进行放大 驱动机床的移动部件 刀架或工作台 按规定的轨迹和速度移动或精确定位 加工出符合图样要求的工件 每个脉冲信号使机床移动部件产生的位移量称为脉冲当量 用 表示 常用的脉冲当量有0 01mm 脉冲 0 005mm 脉冲 0 001mm 脉冲 28 伺服系统由伺服驱动电路 功率放大电路 伺服驱动装置 电机 等组成 并与机床上执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统 每个作进给运动的执行部件 都配有一套伺服驱动系统 29 伺服系统有开环 半闭环和闭环之分 半闭环和闭环控制的数控机床带有位置检测反馈系统 它将机床移动的实际位置 速度参数检测出来 转换成电信号 反馈到CNC装置与指令位移进行比较 并由CNC装置发出相应的指令 控制进给运动 修正偏差 提高加工精度 30 4 辅助控制装置辅助控制装置即强电控制装置 是介于数控装置和机床机械 液压部件之间的控制系统 它是把CNC送来的辅助控制指令信号经必要的编译 逻辑判断 功率放大后直接控制主电机的启动 停止和调速 冷却泵的启动和停止以及工作台的转位和换刀等动作 此外 还有行程开关的监控检测等开关信号也要经过强电控制装置送到CNC装置进行处理 31 5 机床本体数控机床是高精度 高效率的自动化加工机床 其机械部件的组成与普通机床相似 但传动结构要求更为简单 在精度 刚度 抗振性 抗热变形 减小磨擦系数 消除传动间隙等方面要求更高 而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制 32 4 2 2数控机床的工作原理如图4 1所示 在数控机床上加工零件 通常要经过以下几个步骤 根据零件图上的图样和技术条件 编写出工件的加工程序 并记录在控制介质即载体上 33 把程序载体上的程序通过输入装置输入到计算机数控装置中去 计算机数控装置将输入的程序经过运算处理后 由输出装置向各个坐标的伺服系统 辅助控制装置发出指令信号 伺服系统把接收的指令信号放大 驱动机床的移动部件运动 辅助控制装置根据指令信号控制主轴电机等运转 34 通过机床的机械部件带动刀具及工件作相对运动 加工出符合图样要求的工件 位置检测反馈系统检测机床的运动 并将信号反馈给数控装置 以减少加工误差 当然 对于开环机床来说 没有检测 反馈系统 35 4 3 1数控机床的特点数控机床之所以在机械制造业中得到迅速发展和日益广泛的应用 这归因于它有以下特点 1 适应性强 2 加工精度高 加工质量稳定 3 生产效率高 4 操作者劳动强度低 但技术水平要求高 5 有利于生产 经营管理的现代化 市场响应快 可获得良好的经济效益 36 5 3 2数控机床的分类数控机床的品种很多 根据其控制方式 组成特点 应用范围 功能水平等可从不同的角度进行分类 1 按数控系统的控制方式分类按数控系统的控制方式分点位控制 直线控制和轮廓控制数控机床 37 点位控制数控机床点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系 只要求获得精确的孔系坐标定位精度 在定位过程中不进行切削加工 对运动轨迹不需严格控制 其数控系统可采用点位检测系统 结构简单 价格低廉 38 点位控制机床的特点是其数控系统可采用点位检测系统 结构简单 价格低廉 主要有数控钻床 数控镗床 数控冲床 三坐标测量机等 为了提高生产效率 定位移动以高速运行 在接近定位点前一般采用3级减速 以便低速趋近终点 减少惯性引起的定位误差 确保准确定位 39 直线控制数控机床这类机床不仅要求具有准确的定位功能 而且要求从某一坐标点到另一坐标点之间沿平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工 移动过程属于工作进给 要选用合适的刀具 进给速度与切削用量 40 这类机床包括数控铣镗床 数控车床 数控加工中心等 一般情况下这类机床有2 3个可控轴 但可同时控制的轴只有一个 为了能在磨损或换刀后仍可获得合格的零件 此类机床的数控系统常备有刀具半径补偿和刀具长度补偿功能以及主轴转速控制功能 41 轮廓控制数控机床这类数控机床占有较大的比重 具有轮廓控制功能 即可以加工曲线 曲面等复杂零件 这类机床有两坐标及两坐标以上的数控铣床 加工中心等 这类数控机床绝大多数具有两坐标或两坐标以上的联动功能 能同时控制两个或两个以上的轴进行插补运算 对位移和速度进行严格的不间断控制 它不仅具有刀具半径补偿及刀具长度补偿 还有机床轴向运动误差补偿 丝杠 齿轮的间隙误差补偿等一系列功能 42 2 按同时控制的轴数分类数控机床按照同时控制的轴数分 有2轴控制 2 5轴控制 3轴 4轴及5轴联动等 2 5轴控制是指2个轴联动而另一个轴是点位控制或直线控制 4轴 5轴控制指除X Y Z三轴联动外 增加了与工作台回转 刀具摆动的同时联动 43 如图4 2所示 这类机床的数控系统将加工程序处理后 向伺服系统输出一定频率和数量的进给指令脉冲 经驱动电路放大后 驱动步进电机传动工作台实现进给运动 3 按执行机构的伺服系统类型分类 开环伺服系统数控机床 图4 2开环伺服系统 44 闭环伺服系统数控机床该系统具有检测装置 如图4 3所示 图4 3闭环伺服系统 45 位置检测装置 能将工作台的实际位移反馈到数控装置中与所要求的位置指令进行比较 用比较的差值进行控制 直到差值消除为止 从而使加工精度大大提高 速度检测装置能随时实测驱动电机的转速 得到速度反馈信号 将它与速度指令信号相比较 用比较的差值 对驱动电动机的转速随时进