数控机床技术(第一章绪论).ppt

数控技术,1.1数控机床的产生与发展1.2数控机床的组成及工作过程1.3数控机床的特点1.4数控机床的分类1.5数控机床坐标系1.6数控机床的主要性能指标,第一章绪论,第一章绪论,1.1数控机床的产生与发展现代制造业的水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度。21世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产。马克思,第一章绪论,一、数控设备的产生,第一章绪论,1948年，美国帕森公司（ParsonsCompany)受美空军委托，研制直升机螺旋桨叶片轮廓样板加工设备，提出计算机控制机床设想。1949年，其与美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所合作，开始数控机床研究。1952年试制成功世界上第一台由大型立式仿形铣床改装而成、用专用计算机控制的三坐标立式数控铣床。1955年实现产业化投放市场，由于技术和价格原因，局限在航空工业中应用。,1959年，克耐杜列克公司（Keaney&TreckerCompany）开发出了装有自动换刀装置、能够一次装夹、多工序加工的加工中心；1967年，英国首先出现柔性制造系统FMS；20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC；20世纪80年代末90年代初，计算机集成制造系统CIMS已经逐渐投入使用。,第一章绪论,二、各国数控机床的现状据德国机械设备制造商协会（VDMA）消息，2004年德机械设备出口1：3世界第一，占世界机械设备市场份额的19.3%，日本机械设备出口1：3所占市场份额从12.6%上升至13.3%，居世界第二。美国、意大利、法国和英国分列第三至第六位，所占市场份额分别为12.4%、9.8%、5.2%和4.8%。中国机械设备出口所占市场份额从3.5%上升到4.3%居世界第七位。,第一章绪论,1美国的数控发展史美国政府重视机床工业，并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。高性能数控机床技术在世界一直领先。当今美国不仅生产宇航等使用的高性能数控机床，也为中小企业生产廉价实用的数控机床（如Haas、Fadal公司等）。其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。,第一章绪论,第一章绪论,2德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和Heidenhain公司之精密光栅均为世界闻名。,第一章绪论,3日本的数控发展史日本和美、德相似，充分发展大量大批生产自动化，继而全力发展中小批柔性生产自动化的数控机床。日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国。1978年产量超过美国，至今产量、出口量一直居世界首位。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本在发展数控机床的过程中，狠抓关键，突出发展数控系统。如日本FANUC系统。,第一章绪论,4我国数控机床的现状我国从1958年开始研究数控机床，于1966年研制成功晶体管数控系统，并生产出了数控线切割机、数控铣床等产品。数控机床的发展处于初级阶段。20世纪80年代初期，我国先后从德、日、美等国家引进一些数控系统和伺服技术，一定程度上促进了数控机床的发展，数控机床性能逐步提高，品种和数量不断增加。到1985年，我国已经拥有加工中心、数控铣床、数控磨床等80多个品种的数控机床，数控机床的发展进入了实用阶段。,第一章绪论,20世纪90年代以后，数控机床的发展速度加快，多轴、全功能中高档数控系统及交、直流伺服系统相继研制成功，FMS和CIMS也先后投入使用，数控机床的发展进入了快速阶段。随着“九五”数控车床和加工中心（包括数控铣床）的产业化生产基地的形成，我国生产的中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距。相比之下，我国大部分数控机床产品在技术上还处于跟踪阶段。,第一章绪论,三、数控设备的发展电子管（1952年）晶体管和印刷电路板（1960年）小规模集成电路（1965年）小型计算机（1970年）微处理器或微型计算机（1974年）基于PC-NC的智能数控系统（90年代后）。软线数控，计算机数控系统（CNC）前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬逻辑（硬线）数控系统，简称NC，已淘汰。,第一章绪论,基于PC-NC的第六代数控系统，它充分利用现有PC机的软硬件资源，规范设计新一代数控。第六代数控的优势在于：（1）元器件集成度高、可靠性好；（2）技术进步快、升级换代容易；（3）提供了开放式的基础，可供利用的软、硬件资源极为丰实。,第一章绪论,第一章绪论,第一章绪论,1.2数控机床的组成及工作过程一、基本概念数字控制（NumericalControlNC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行编程控制的自动化方法。数控技术（NumericalControlTechnology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。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。数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。,计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）以计算机为控制核心的数字控制系统。加工中心MC（MachiningCenter）,第一章绪论,计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）计算机辅助制造CAM（ComputerAidedManufacturing）计算机辅助检验CAT（ComputerAidedTesting）计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）,柔性制造单元FMC：（FlexibleManufacturingCell）在加工中心基础上通过增加多工作台（托盘）自动交换装置APC(AutoPalletChanger)以及其他相关装置，组成的加工单元。FMC不仅实现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。,第一章绪论,FMC构成分两大类：1、加工中心配上自动托盘系统（APC）；2、数控机床配机器人。FMC既是柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展速度较快。,第一章绪论,柔性制造系统FMS：在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统FMS。FMS不仅可以进行长时间无人化加工，而且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。,第一章绪论,计算机集成制造系统CIMS：将市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全过程均由计算机集成管理和控制，由此构成的完整的自动生产制造系统。CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的最高阶段。在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。,第一章绪论,二、数控设备的工作原理、组成1数控设备的工作原理,第一章绪论,根据零件要求编制数控程序，将数控程序记录在程序介质（如穿孔纸带、磁盘等）上，输入输出接口输入到数控设备中，控制系统按数控程序控制该设备执行机构的各种动作或运动轨迹，达到规定的工作结果。其主要步骤：1）数控加工程序编制根据零件图所规定零件形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件加工工艺过程、工艺参数，按编程手册和程序格式编写零件加工程序。2）数控机床执行数控加工程序,第一章绪论,第一章绪论,（1）输入设备数控机床的信息输入通道，加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送进数控装置。早期的输入方式为穿孔纸带、磁带，目前较多采用磁盘；在生产现场，特别是一些简单的零件程序都采用按键、配合显示器（CRT）的手动数据输入（MDI）方式；手摇脉冲发生器输入多用于调整机床和对刀时使用；通过通信接口，可由上位机输入。,第一章绪论,第一章绪论,1）纸带输入方式。可用纸带光电阅读机读入零件程序，直接控制机床运动，也可将纸带内容读入存储器，用储存的程序控制机床运动。2）MDI手动数据输入方式。可利用操作面板上的键盘输入程序指令，适于比较短的程序。编辑状态下输入加工程序，存入存储器中，可重复使用程序。3）DNC直接数控输入方式。把程序保存在上级计算机中，CNC系统一边加工一边接收来自计算机的后续程序段。,（2）数控装置数控装置是由中央处理单元(CPU)、存储器、总线、输入输出接口和相应的软件构成的专用计算机，它接收输入信息，经过译码、轨迹计算(速度计算)、插补运算和补偿计算，再给各个坐标的伺服驱动系统分配速度、位移指令。主要功能如下：多坐标控制(多轴联动)。插补功能（如直线、圆弧和其它曲线插补)。程序输入、编辑和修改功能(人机对话、手动数据输入、上位机通信输入)。,第一章绪论,故障自诊断功能插补偿功能：补偿主要包括刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补偿、螺距误差补偿等。信息转换功能：包括EIA/ISO代码转换、英制/米制转换、坐标转换、绝对值/增量值转化等。多种加工方式选择可以实现多种加工方式循坏、重复加工、凹凸模加工和镜像加工等。辅助功能辅助功能也称M功能。显示功能用CRT或液晶屏显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障源以及图形等。通信和联网功能。,第一章绪论,第一章绪论,（3）伺服驱动装置及检测反馈装置伺服驱动装置又称伺服系统，它接受计算机运算处理后分配来的信号，经过调节、转换、放大以后去驱动伺服电机，带动机床的执行部件运动，并且随时检测伺服电机或工作台的实际运动情况，进行严格的速度和位置反馈控制。伺服系统包括:驱动装置执行机构,第一章绪论,驱动装置：分为主轴驱动单元（主要是速度控制）、进给驱动单元（包括速度控制和位置控制）和主轴伺服电动机、进给伺服电动机、回转工作台和刀库伺服控制装置等。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。伺服系统分为直流伺服系统和交流伺服系统。检测装置：有测速发电机、旋转变压器、脉冲编码器、感应同步器、光栅、磁电转速传感器、霍尔传感器等。,（4）机床本体包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。数控机床主体具有如下结构特点：1)高刚度、高抗震性及较小热变形的机床结构。2)高性能主轴伺服驱动和进给伺服驱动装置。3)高传动效率、高精度、无间隙传动装置和运动部件，如滚珠丝杠螺母副、塑料滑动导轨、贴塑导轨副、直线滚动导轨、静压导轨等。,第一章绪论,（5）机电接口主轴的启停，自动换刀，冷却液的开关，各种辅助交流电动机的启停等逻辑开关量的动力来源是由电源变压器、控制变压器、各种断路器等组成的强电线路提供的。强电线路不能与低压工作的电路或弱电线路直接连接，只能通过断路器、热动开关、中间继电器等转换成直流低压工作的触点开关工作，成为继电器逻辑电路或可编程序控制器（PLC）可接收的信号。以上这些都是属于数控装置和机床之间的接口问题，统称为机电接口。,第一章绪论,第一章绪论,1.3数控机床的特点1.适应性广2.生产准备周期短3.工序高度集中4.生产效率和加工精高、质量稳定5.能完成复杂型面的加工6.技术含量高7.减轻劳动强度、改善劳动条件8.有利于生产管理现代化,1.4数控机床的分类数控设备种类很多，各行业都有自己的数控设备和分类方法。在机床行业，数控机床通常从以下不同角度进行分类。1按工艺用途分类按其工艺用途可以划分为以下四大类：（1）金属切削类指采用车、铣、镗、钻、铰、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可分为两类：普通数控机床数控加工中心,第一章绪论,（2）金属成形类指采用挤、压、冲、拉等成形工艺的数控机床，常用的有数控弯管机、数控压力机、数控冲剪机、数控折弯机、数控旋压机等。（3）特种加工类主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控激光与火焰切割机等。（4）测量、绘图类主要有数控绘图机、数控坐标测量机、数控对刀仪等。,第一章绪论,2按控制运动的方式分类（1）定位控制数控机床对于一些加工孔用的数控机床，它们只要求获得精确的孔系坐标定位精度，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。数控系统只需控制行程的起点和终点坐标值，而不控制运动部件的运动轨迹。具有这种运动控制的机床称为定位控制数控机床。这类数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。,第一章绪论,第一章绪论,点位控制加工原理图,（2）直线控制数控机床直线运动控制数控机床是指控制机床工作台或刀具（刀架）以要求的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工或控制两个坐标轴实现斜线移动和切削加工的机床。这一类数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且还要控制位移的速度。一般情况下，这些数控机床有两个到三个可控制的轴，但只能同时控制一个轴。直线运动控制也称为单轴数控。这类机床有数控车床和数控铣床等。,第一章绪论,第一章绪论,（3）轮廓控制数控机床可以加工斜线、曲线、曲面的数控机床，它们都是具有同时控制两个或两个以上坐标进行联动（即进行插补）的数控机床。该类机床在加工过程中，每时每刻都对各坐标的位移和速度进行严格的不间断的控制，故称具有这种控制功能的机床为轮廓控制数控机床。按照可联动（同时控制）轴数，可以分为两轴联动控制、两轴半联动控制、三轴联动控制、四轴联动控制、五轴联动控制等。这类机床有数控车床、铣床、磨床和加工中心等。,第一章绪论,第一章绪论,2.5坐标联动,二坐标联动,三坐标联动,四坐标联动,五坐标联动,第一章绪论,3按伺服系统的控制方式分类（1）开环控制系统,第一章绪论,开环伺服系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机和电液脉冲马达等。每给一脉冲信号，步进电机就转过一定的角度，工作台就走过一个脉冲当量的距离。数控装置按程序加工要求控制指令脉冲的数量、频率和通电顺序，达到控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向的目的。由于它没有检测和反馈系统，故称之为开环。其特点是结构简单，维护方便，成本较低。但加工精度不高，如果采取螺距误差补偿和传动间隙补偿等措施，定位精度可稍有提高。,第一章绪论,半闭环伺服系统具有检测和反馈系统。测量元件(脉冲编码器、旋转变压器和圆感应同步器等)装在丝杠或伺服电机的轴端部，通过测量元件检测丝杠或电机的回转角。间接测出机床运动部件的位移，经反馈回路送回控制系统和伺服系统，并与控制指令值相比较。由于只对中间环节进行反馈控制，丝杠和螺母副部分还在控制环节之外，故称半闭环。对丝杠螺母副的机械误差，需要在数控装置中用间隙补偿和螺距误差补偿来减小。,（2）半闭环控制系统,第一章绪论,第一章绪论,半闭环伺服系统,闭环伺服系统的工作原理和半闭环伺服系统相同，但测量元件(直线感应同步器、长光栅等)装在工作台上，可直接测出工作台的实际位置。该系统将所有部分都包含在控制环之内，可消除机械系统引起的误差，精度高于半闭环伺服系统，但系统结构较复杂，控制稳定性较难保证，成本高，调试维修困难。,（3）闭环控制系统,第一章绪论,第一章绪论,1.5数控机床坐标系,第一章绪论,一、机床坐标系（一）数控机床的坐标轴和运动方向我国标准JB/T3051-1999数控机床坐标和运动方向的命名，等效ISO8411、刀具相对静止的工件而运动的原则确定坐标系时，一律看作工件静止，刀具产生运动。2、标准坐标系的规定机床坐标系是右手笛卡尔坐标系。,第一章绪论,第一章绪论,数控机床某一部件运动的正方向是增大工件和刀具距离的方向。Z轴的确定：平行于主轴轴线方向为Z轴，取刀具远离工件的方向为正Z方向。X轴的确定：车床取横向滑座方向为X轴，取刀具远离工件的方向为正向。立式数控铣床：面对立柱，右手方向为+X方向；卧式数控铣床:从主轴后端往前看，取右手方向为+X方向。Y轴的确定：+Y的运动方向，根据X、Z坐标的运动方向，按照右手笛卡尔坐标系来确定。,第一章绪论,第一章绪论,3、数控机床坐标系的作用,数控机床坐标系是为了确定工件在机床中的位置，机床运动部件特殊位置及运动范围，即描述机床运动，产生数据信息而建立的几何坐标系。通过机床坐标系的建立，可确定机床位置关系，获得所需的相关数据。,第一章绪论,第一章绪论,4、机床原点,现代数控机床都有一个基准位置，称为机床原点，是机床制造商设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床与控制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。,机床坐标系原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床原点。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。一般取在机床运动方向的最远点。,机床坐标系是机床上固有的坐标系，是确定刀具(刀架)或工件(工作台)位置的参考系，并建立在机床原点上。,第一章绪论,通常数控车床的机床零点多在主轴法兰盘接触面的中心即主轴前端面的中心上。在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上。,第一章绪论,5、机床参考点,也是机床上的一个固定点，不同于机床原点。机床参考点对机床原点的坐标是已知值，可根据机床参考点在机床坐标系中的坐标值间接确定机床原点的位置。回零操作（回参考点）后表明机床坐标系建立。,第一章绪论,(二)绝对坐标系统与相对坐标系统1、绝对坐标系统绝对坐标系统是指工作台位移是从固定的基准点开始计算的。2、相对坐标系统相对坐标系统是指工作台的位移是从工作台现有位置开始计算的。,第一章绪论,二、工件坐标系1.工件坐标系编程人员在编程时设定的坐标系，也称为编程坐标系。工件坐标系是相对工件而言的。它是编程人员根据加工零件的形状特征和工艺要求，为了编程的方便在工件上确立的坐标系。当工件在机床上装夹后，通过对刀，确定工件坐标系在机床坐标系中的位置。工件坐标系坐标轴的确定与机床坐标系坐标轴方向一致。,第一章绪论,2.工件坐标系原点,也称为工件原点或编程原点，由编程人员根据编程计算方便性、机床调整方便性、对刀方便性、在毛坯上位置确定的方便性等具体情况定义在工件上的几何基准点，一般为零件图上最重要的设计基准点。,工件原点选择：1.与设计基准一致2.尽量选在尺寸精度高，粗糙度低的工件表面3.最好在工件的对称中心上4.要便于测量和检测,第一章绪论,1.6数控机床的主要性能指标,包括运动性能指标、精度指标、可控轴数与联动轴数等。一、运动性能指标1主轴转速数控机床主轴一般采用直流或交流电功机驱动，选用高速精密轴承支承，具有较宽的调速范围和较高的回转精度、刚度及抗振性。目前，主轴转速