数控机床结构

、课程教学大纲说明,一、课程性质、目的和任务1、课程性质数控机床作为数控技术专业的专业必修课，对于培养该专业学生掌握数控技术的核心技术有极其重要的作用。,、课程教学大纲说明,以数控机床的机械结构为基础，以数控车床、数控铣床、加工中心、电加工机床为典型数控机床，对其结构、使用方法等进行学习，同时对数控机床的电气部分、日常维护、调试验收等内容也进行学习，为全面掌握数控机床打下良好的基础。,、课程教学大纲说明,2、目的和任务培养学生五种基本能力和多种分析、思维能力和工程文化素质。,五种基本能力：对数控机床进行结构分析的能力、对各种典型数控机床进行性能评价的能力、合理选择数控机床的能力、进行数控机床操作的基本能力、对数控机床进行安装调试和日常维护的能力。,、课程教学大纲说明,多种分析思维能力:对数控机床进行分类和评价的能力、对数控机床各种结构布局进行分析和评价的能力、对机床进行选择和与工件加工进行匹配的能力等。,、课程教学大纲说明,、课程教学大纲说明,工程文化素质：认真负责、严谨细致的工作态度和工作作风。,、课程教学大纲说明,使学生达到既具有工程基础又有较高的工程文化素质，既有丰富的数控机床基础知识、基本理论，又有较强的分析思维能力，能够合理地选择、评价数控机床。为今后在工作中进行数控机床的选用、调试、操作、日常维护和一般故障的检修打下坚实基础。,、课程教学大纲说明,二、与相关课程的衔接、配合、分工本课程是数控技术专业的必修专业课，学生在学习本课程前必须掌握机械制图、机械制造基础、机械设计基础等知识。与本科课程紧密相关的课程是数控编程技术、数控加工工艺2门核心课程。,、课程教学大纲说明,三、课程教学要求的层次1.了解：要求对有关教学内容有一般的了解。2.掌握：要求掌握有关内容的基本概念、基本理论、基本方法，并能在掌握的基础上对相关问题进行分析和判断，得出正确结论。,、课程教学大纲说明,3.熟练掌握：对于今后实际工作中需要应用的重要内容，要求熟练掌握。这些内容，不仅要深入理解，还能够应用所学的知识解决实际工程问题。,、课程教学大纲说明,四、各章学时分配,、各章讲述要点,第一章数控机床简介,一、目的与要求使学生掌握数控机床的基本概念、组成、分类、发展历程和方向。初步了解数控机床的基本工作原理和数控机床的适用范围。,二、教学内容1数控机床的基本概念2数控机床的基本工作原理3数控机床的基本组成4数控机床的分类5数控加工的特点6数控机床的适用范围7.数控机床的发展历程和方向,三、重点与难点重点是数控机床的基本概念、组成、分类。,1、基本概念数字控制（NumericalControl，NC）简称数控，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种技术方法。数控机床（NumericalControlMachine）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。,四、考核点,2、数控机床的基本组成,3、数控机床的分类,（1）按数控机床伺服系统分类开环数控系统,全闭环数控系统,半闭环数控系统,（2）按数控机床运动轨迹分类点位控制数控机床直线控制数控机床轮廓控制数控机床知识点：可控轴数和联动轴数,通常一台数控机床的联动轴数一般会小于或等于可控轴数。,4、数控机床特点及应用范围,特点：高精度、高效率、高速度、高刚性、高柔性、高自动化数控机床是为了解决单件、小批量、精度高、形状复杂的零件加工的自动化要求而产生的。,5、数控机床的发展历程和发展方向,突破传统机床结构的最新一代的数控机床：并联机床（虚轴机床）。发展方向：（1）高速度与高精度化（2）多功能化（3）智能化（4）高的可靠性,第一讲数控机床简介,数字控制（NumericalControl，NC）简称数控，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种技术方法。数控机床（NumericalControlMachine）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。,1、数控机床的基本概念,数控系统（NumericalControlSystem）一种自动输入载体上事先给定的数字量（零件加工程序），并将其译码，再进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件的控制系统。最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统。,利用数控机床完成零件数控加工的过程：,根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据；,用规定的程序代码和格式编写零件加工程序单；或用自动编程软件进CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件；,程序的输入或输出：手工编写的程序通过数控机床的操作面板输入：软件生成的程序通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元；,将输入到数控单元的加工程序，进行试运行、刀具路径模拟等；,通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工；,2、数控机床的基本组成,1、控制介质又称信息载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，反映了数控加工中的全部信息。穿孔纸带、磁盘、磁带等。,2、数控系统是机床实现自动加工的核心，是整个数控机床的灵魂所在。主要由输入装置、监视器、主控制系统、可编程控制器、各种输入/输出接口等组成。,3、伺服系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节。主要由伺服电动机、伺服驱动控制器组成。,4、反馈装置主要包括光电脉冲编码器、光栅位移传感器、直线感应同步器等装置。,5、辅助装置主要包括自动换刀装置、自动交换工作台机构、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、过载和保护装置等。,6、机床本体机械结构实体。整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大变化。,（1）按工艺用途分类金属切削类数控机床,3、数控机床的分类,数控车床,数控铣床,加工中心,数控磨床,（1）按工艺用途分类金属切削类数控机床金属成型类数控机床,3、数控机床的分类,数控弯管机数控旋压机,数控折弯机数控压力机,（1）按工艺用途分类金属切削类数控机床金属成型类数控机床数控特种加工机床,3、数控机床的分类,数控激光切割机床,数控电火花成型机床,数控线切割机床,数控等离子-火焰切割机床,（1）按工艺用途分类金属切削类数控机床金属成型类数控机床数控特种加工机床其它类型的数控机床,3、数控机床的分类,三坐标测量仪,数控绘图仪,数控对刀仪,（2）按数控机床伺服系统分类开环控制数控机床全闭环控制数控机床半闭环控制数控机床混合控制数控机床,3、数控机床的分类,（3）按数控机床运动轨迹分类点位控制数控机床应用：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。直线控制数控机床应用：简易的数控车床、数控铣床等。轮廓控制数控机床应用：两轴以上联动的数控机床、加工中心均采用轮廓控制。,3、数控机床的分类,可控轴数：是指机床数控装置能够控制的坐标数目，即数控机床有几个运动方向采用了数字控制。联动轴数：是指机床数控装置控制各坐标轴协调动作的坐标轴数目。,3、数控机床的分类,通常一台数控机床的联动轴数一般会小于或等于可控轴数。根据它所控制的联动坐标轴数不同，又可以分为下面几种形式：二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。,3、数控机床的分类,两轴联动加工,两轴半联动的曲面加工,三轴联动的曲面加工,四轴联动的数控机床,五轴联动的加工中心,（4）按数控机床功能水平分类分为高级型、普通型和经济型数控机床。,3、数控机床的分类,4、数控机床的特点及应用范围,数控机床的特点：高精度、高效率、高速度、高刚性、高柔性、高自动化。对零件的适应性强、灵活性好；加工精度高、质量稳定；生产效率高，经济效益明显；有利于生产管理的现代化；改善工人的劳动条件，减轻工人劳动强度。,数控机床是为了解决单件、小批量、精度高、形状复杂的零件加工的自动化要求而产生的。数控机床的应用范围：,4、数控机床的特点及应用范围,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新产品的试制零件需要最少生产周期的急需件,4、数控机床的特点及应用范围,5、数控机床的发展历程,第一台数控机床（1952年）,第一台数控机床是由美国麻省理工学院和Parsons公司合作于1952年研制成功的。,我国从1958年由北京机床研究所和清华等单位首先研制数控机床。,我国第一台数控机床（1958）,5、数控机床的发展历程,5、数控机床的发展历程,突破传统机床结构的最新一代的数控机床：并联机床（虚轴机床）。,并联机床,5、数控机床的发展历程,（1）高速度与高精度化,6、数控机床的发展方向,（1）高速度与高精度化数控系统采用位数、频率更高的微处理器，或者多个CPU，以提高系统的基本运算速度；,6、数控机床的发展方向,（1）高速度与高精度化全数字交流伺服系统,直线电机,6、数控机床的发展方向,（1）高速度与高精度化机床静、动摩擦的非线性补偿控制技术；高速大功率电主轴的应用；,电主轴,6、数控机床的发展方向,（1）高速度与高精度化采用高性能和可靠的新型功能部件电滚珠丝杆；,电滚珠丝杆,6、数控机床的发展方向,（2）多功能化一机多能,6、数控机床的发展方向,（2）多功能化前后台功能通讯功能,6、数控机床的发展方向,（2）多功能化前后台功能通讯功能,6、数控机床的发展方向,（3）智能化引进自适应控制技术采用故障自诊断、自修复功能刀具寿命自动检测和自动换刀功能引进模式识别技术,6、数控机床的发展方向,（4）高的可靠性提高系统硬件质量。采用硬件结构模块化、标准化、通用化方式。增强故障自诊断、自恢复和保护功能。,6、数控机床的发展方向,第二章数控机床的机械结构,一、目的与要求对数控机床的主要部件及其功能加以阐述，使学习者进一步了解数控机床的机械结构，为后续学习各种典型数控机床打好基础。使学生掌握数控机床机械结构的组成和,特点。对数控机床的主传动系统、进给传动系统、导轨、工作台、位置检测装置、自动换刀装置、辅助装置等重要组成部分有一定的认识。,二、教学内容1数控机床机械结构组成及特点2数控机床的主传动系统3数控机床进给传动系统4数控机床的导轨5数控机床的工作台6数控机床的位置检测装置7数控机床的自动换刀装置8数控机床的辅助装置,三、重点与难点重点是数控机床机械结构组成及特点，主传动系统、进给传动系统的组成、特点、作用。难点是主要部件的工作原理。,四、考核点,1、数控机床机械结构的主要组成和特点组要组成：1）主传动系统2）进给传动系统3）基础支承件4）辅助装置,主要特点1）高的静、动刚度2）良好的抗振性能3）良好的热稳定性4）高的灵敏度5）高效化装置、高人性化操作,2、数控机床的主传动系统,作用：产生不同的主轴切削速度以满足不同的加工条件要求。组成：主要包括电动机、传动系统和主轴部件。,特点：（1）转速高、功率大（2）变速范围宽（3）主轴变换迅速可靠（4）主轴组件的耐磨性高,变速方式：(1)带有变速齿轮的主传动(2)通过带传动的主传动(3)用两个电动机分别驱动主轴(4)由调速电动机直接驱动的主传动(5)内装式电主轴,主轴部件：（1）主轴轴承配置形式（2）主轴的润滑与冷却作用：是控制主轴发热，保证主轴正常工作的必要手段。（3）主轴准停装置作用：又称主轴定位功能。即当主轴停止时，控制其停于固定的位置，这是自动换刀所必须的功能。,高速主轴单元,高速主轴单元的类型主要有电主轴和气动主轴。,3、数控机床进给传动系统,作用：负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。,图示进给传动系统示意图1-滚珠丝杠2-滚珠螺母3-滚动直线导轨4-工作台5-支承轴承6-连轴器7-伺服电动机8-床身,数控机床对进给系统的要求：1）运动件间的摩擦阻力小2）消除传动系统中的间隙3）传动系统的精度和刚度高4）减少运动惯性，具有适当的阻尼,传动齿轮副,消除齿轮传动间隙的措施：（1）刚性调整法1）偏心轴套调整法；2）锥度齿轮调整法。（2）柔性调整法1）轴向压簧调整法；2）周向弹簧调整法。,滚珠丝杠螺母副作用：是将旋转运动转换为直线运动。特点：传动效率高、摩擦损失小；通过预紧可消除间隙，提高传动刚度；但制造成本高，不能自锁。,轴向间隙的调整：为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杠螺母副的传动间隙。滚珠丝杠的支承与制动：滚珠丝杠螺母副运动具有可逆性，不能自锁，立式使用时应增加制动装置。,4、数控机床导轨,作用：对运动部件起支承和导向作用。数控机床对导轨的基本要求：1）导向精度高2）耐磨性能好3）足够的刚度4）良好的摩擦特性5）工艺性好类型与特点：滑动导轨；滚动导轨；静压导轨。,5、数控机床的工作台,类型直线工作台回转工作台摆动工作台,6、数控机床的位置检测装置,作用：构成闭环系统。精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。分类：根据运动型式分为回转型和直线型检测装置。直线型位置检测装置用来检测运动部件的直线位移量。旋转型位置检测装置用来检测回转部件的转动位移量。,光栅分类：长光栅（光栅尺）和圆光栅。特点：响应速度快，精度高。应用：高精度数控机床。旋转变压器作用：一种常用的转角检测元件。,7、数控机床的自动换刀装置,8、数控机床的辅助装置数控机床液压和气压装置自动排屑装置工件自动交换系统,第三章数控机床电气控制系统,一、目的与要求使学生掌握数控机床电气控制系统的组成及其各部分的作用、特点、选型。,二、教学内容1数控机床电气控制系统概述2数控系统的功能和特点3数控系统的插补原理4典型数控系统及其应用5数控机床上的可编程控制器6伺服系统,三、重点与难点重点是数控系统的基本组成，PLC在数控机床上的作用；难点是数控系统的插补原理和伺服驱动电动机的选型方法。,1、数控机床电气控制系统的概述组成：人机界面、数字控制以及机床逻辑控制（顺序控制）。数控系统是数控机床的核心。数控机床的控制可分为两大部分：一部分是坐标轴运动的位置控制，另一部分是数控机床加工过程的顺序控制。,四、考核点,2、数控系统的功能和特点,主要特点：1）具有灵活性2）具有通用性3）较强的环境适应性4）复杂、高效的数控功能5）高可靠性6）完善的输入/输出通道7）易于实现机电一体化,主要功能：1）控制功能2）准备功能和辅助功能3）点位与连续移动功能4）插补功能5）固定循环加工功能6）进给功能,7）主轴速度控制功能8）刀具管理功能9）补偿功能10）人机对话功能11）程序编制功能12）输入、输出和通信功能13）自诊断功能,数控系统的插补原理分类：基准脉冲插补和数据采样插补两大类。逐点比较插补法：是以折线来逼近直线或圆弧曲线，它与给定的直线或圆弧之间的最大误差不超过一个脉冲当量。,3、数控机床上的可编程控制器（PLC）,作用：代替数控机床上的继电器逻辑，完成逻辑控制。数控机床用PLC可分为两类：内装型和独立型。PLC处于CNC和MT之间，对NC侧和MT侧的输入、输出信号进行处理。,4、关于数控伺服系统,作用：伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。常用伺服电机：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。,伺服电机选型,伺服电机选型要根据机床的设计性能指标，以及机床实际应用条件，来选择合适的伺服电机。同时需要考虑该电机的过载能力和过载的条件，并且要考虑机床传动系统的丝杠与伺服电机转子的惯量匹配。,第四章典型数控机床,一、目的与要求掌握典型数控机床的特点、分类和工艺使用范围，掌握典型数控机床的基本构成及布局形式，了解典型数控机床的主要技术参数和精度指标。,二、教学内容1数控车床2数控铣床3数控加工中心4并联机床5数控电加工机床,三、重点与难点重点是数控车床、数控铣床、加工中心的特点、分类、工艺使用范围，基本构成及典型布局形式；难点是数控机床的结构布局原理，电加工机床主要部件的工作原理。,1、数控车床特点：发展趋势：数控车床的分类：（1）经济型数控车床（2）全功能型数控车床（3）车削中心,四、考核点,（1）经济型数控车床特点：它一般是在普通车床的基础上进行改进设计，并采用步进电动机驱动的开环伺服系统。其控制部分采用单板机、单片机或档次比较低的数控系统来实现。此类车床结构简单，价格低廉。但无刀尖圆弧半径自动补偿和恒线速度切削等功能。,（2）全功能型数控车床特点：全功能型数控车床就是通常所说的“数控车床”，又称标准型数控车床，即它的控制系统是标准型的，带有高分辨率的CRT显示器以及各种显示、图形仿零点、刀具补偿等功能，而且还有通信或网络接口。全功能型数控车床采用闭环或半闭环控制的伺服系统，可以进行多个坐标轴的控制，具有高刚度、高精度和高效率等特点。,（3）车削中心特点：车削中心是以全功能型数控车床为主体，并配置有刀库、换刀装置、分度装置、铣削动力头和机械手等，以实现多工序复合加工的机床。在工件一次装夹后，它可完成回转类零件的车、铣、钻、铰、攻螺纹等多种加工工序。其功能全面，但价格较高。,数控车床的组成及布局床身结构形式：水平床身、倾斜床身以及水平床身斜滑板、立式床身。,中小型数控车床多采用倾斜床身或水平床身斜滑板结构。优点：1）机床外形美观，占地面积小：2）易于排屑和冷却液的排流；3）便于操作者操作和观察；4）易于安装上下料机械手，实现全面自动化。5）可采用封闭截面整体结构，以提高床身的刚度。,数控铣床的分类（1）按机床主轴的布置形式及机床的布局特点分为：立式、卧式和立卧两用式三种。,2、数控铣床,1）立式数控铣床特点：主轴轴线垂直于水平面。是数控铣床中最常见的一种布局形式，应用范围最广泛，其中以三轴联动铣床居多。应用：主要用于水平面内的型面加工，增加数控分度头后，可在圆柱表面上加工曲线沟槽。,2）卧式数控铣床特点：主轴线平行于水平面。应用：主要用于垂直平面内的各种上型面加工，配置万能数控转盘后，还可以对工件侧面上的连续回转轮廓进行加工，并能在一次安装后加工箱体零件的四个表面。通常采用增加数控转盘来实现四轴或五轴加工。,3）立卧两用式数控铣床特点：立卧两用式数控铣床的主轴轴线方向可以变换，既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，使用范围更大，功能更强。,（2）按控数系统的功能分类：简易型数控铣床普通数控铣床数控仿形铣床数控工具铣床,1）简易型数控铣床特点：简易型数控铣床是在普通铣床的基础上，对机床的机械传动结构进行简单的改造，并增加简易数控系统后形成的。这种数控铣床成本较低，自动化程度和功能都较差，一般只有X、Y两坐标联动功能，加工精度也不高。应用：可以加工平面曲线类和平面型腔类零件。,2）普通数控铣床特点：普通数控铣床可以三坐标联动。应用：用于各类复杂的平面、曲面和壳体类零件的加工，如各种模具、样板、凸轮和连杆等。3）数控仿形铣床应用：主要用于各种复杂型腔模具或工件的铣削加工，特别对不规则的三维曲面和复杂边界构成的工件更显示出其优越性。,数控铣床的组成及布局1）运动的分配与部件的布局一般需要对工件的顶面进加工，则铣床主轴应布局成立式的。一般需要对工件的多个侧面进行加工，则主轴应布局成卧式的。,2）铣床的布局与结构性能数控铣床的布局应能兼顾铣床有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定性等结构性能。T形床身布局的优点：刚性好。框式立柱布局的优点：热变形对加工精度的影响小。,T形床身,封闭整体箱形结构,组成：（1）基础部件（2）主轴部件（3）数控系统（4）自动换刀系统（ATC）（5）辅助系统（6）自动托盘交换系统（APC）,3、加工中心,最突出特点：加工中心设置有刀库并能换刀具。这是它与数控铣床、数控镗床等机床的主要区别。,（1）卧式加工中心应用：最适合加工箱体类工件。（2）立式加工中心应用：适合于加工盘类工件，配合各种附件后，可满足各种工件的加工。,（3）五面加工中心特点：五面加工中心具有立式和卧式加工中心的功能，通过回转工作台的旋转和主轴头的旋转，能在工件一次装夹后，完成除安装面以外的所有五个面的加工。,4、并联机床,传统机床：串联机构并联机床：并联机构是一种空间并联连杆机构。人们将这种机构称为Stewart平台。基本结构：是一个动平台、一个定平台和六根长度可变的连杆动。,基本原理：基于工具和工件(正、负电极)之间脉冲性火花放电时的电蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。,5、电加工机床,电火花加工的特点：（1）电火花加工属不接触加工；（2）加工过程中没有宏观切削力；（3）易于实现加工过程自动化。,电火花加工的适用范围：（1）适合于难切削材料的加工；（2）可以加工特殊的零件；（3）可以加工复杂形状的零件；（4）可以改进结构设计，改善结构的工艺性。,电火花加工的局限性（1）只能用于加工金属等导电材料；（2）加工速度一般较慢；（3）存在电极损耗；（4）最小角部半径有限制。,根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为两大类：（1）高速走丝电火花线切割机床（快走丝）（2）低速走丝电火花线切割机床（慢走丝）,第五章数控机床的性能测试与评价方法,一、目的与要求掌握数控机床的性能指标，测试数控机床性能指标常用的设备，评价的方法，以及检验的内容，了解相关测试设备的工作原理、性能和相关指标，掌握相关测试设备的使用方法。,二、教学内容1数控机床的主要性能指标与验收2数控机床的生产管理3常用检测装置激光干涉仪4三坐标测量机,三、重点与难点重点是数控机床的主要性能指标，常用测试设备的组成、工作原理及检测方法。难点是激光干涉仪和三坐标测量机的工作原理。,1、数控机床的主要性能指标与验收数控机床的精度检验一般包括几何精度、定位精度、切削精度检验。,四、考核点,数控机床的几何精度检验又称静态精度检验，是综合反映机床关键零部件经组装后的综合几何形状误差。常用的检测工具：有精密水平仪、精密方箱、直角尺、平尺、平行光管、千分表、测微仪及高精度主轴心棒等。,以卧式加工中心为例，要对下列几何精度进行检验：1）X、Y、Z坐标轴的相互垂直度；2）工作台面的平行度；3）X、