认识数控机床

1、任务一 认识数控机床认识数控机床能力目标能力目标知识目标知识目标相关知识相关知识学习情境一数控加工工艺与编程基础学习情境一数控加工工艺与编程基础能力目标q通过本任务的教学，目的是使学生掌握数控机床的发展过程及现状、数控机床的组成、工作原理与特点、数控机床的分类、数控机床的典型结构、计算机数控系统（CNC）原理等。知识目标q掌握数控机床的组成及种类，熟悉数控机床的加工特点和加工对象，了解数控机床的产生背景、发展趋势及先进的制造技术。相关知识q数控机床的基本组成及工作原理 q数控机床的种类与应用q数控机床的发展趋势q数控加工过程与数控加工工艺概述q数控机床加工的特点及应用1. 数控机床的产生与发展

2、 n第一阶段：数控（NC）阶段 1952年的第一代电子管数控机床 1959年的第二代晶体管数控机床 1965年的第三代集成电路数控机床 n第二阶段：计算机数控(CNC)阶段 1970年的第四代小型计算机数控机床 1974年的第五代微型计算机数控系统 1990年的第六代基于PC的数控机床。（一）数控机床的基本组成及工作原理 2 数控机床的基本概念n（1）数字控制（Numerical Control，简称NC）是指用数字信息控制机械运动。n（2）数控机床（Numerically Controlled Machine tool）简称CNC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。它综

3、合了计算机、自动控制、精密测量、机床的机构设计与制造等方面的最新成果。n（3）数控系统 数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称数控系统。它由程序输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴进给及驱动装置等组成。3数控机床的基本结构及工作原理（1）输入输出装置 在数控机床上加工零件时，首先根据零件图纸上在数控机床上加工零件时，首先根据零件图纸上的零件形状、尺寸和技术条件，确定加工工艺，的零件形状、尺寸和技术条件，确定加工工艺，然后编制出加工程序，程序通过输入装置，输送然后编制出加工程序，程序通过输入装置，输送给机床数控系统，机床内存中的零件加工程序可给机床数控系统，机床内存中的零

4、件加工程序可以通过输出装置传出。输入输出装置是机床与外以通过输出装置传出。输入输出装置是机床与外部设备的接口，常用输入装置有软盘驱动器、部设备的接口，常用输入装置有软盘驱动器、RS232C串行通信口、串行通信口、MDI方式等。方式等。 （2）CNC装置 CNC装置是数控机床的核心，它接受输入装置装置是数控机床的核心，它接受输入装置送来的数字信息，经过控制软件和逻辑电路进送来的数字信息，经过控制软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，将各种指令信息行译码、运算和逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，使设备按规定的动作执行。输出给伺服系统，使设备按规定的动作执行。现在的现在的CNC装置通常由

5、一台通用或专用微型计装置通常由一台通用或专用微型计算机构成。算机构成。（3）伺服系统 伺服系统是数控机床的执行部分，其作用是把来伺服系统是数控机床的执行部分，其作用是把来自自CNC装置的脉冲信号转换成机床的运动，使机装置的脉冲信号转换成机床的运动，使机床工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对床工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。伺服系运动，最后加工出符合图纸要求的零件。伺服系统一般包括驱动装置和执行机构两大部分，常用统一般包括驱动装置和执行机构两大部分，常用执行机构有步进电机、直流伺服电机、交流伺服执行机构有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。电机

6、等。 （4）机床本体 机床本体是数控机床的机械结构实体，主要包括机床本体是数控机床的机械结构实体，主要包括主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）、主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）、支承部件（如床身、立柱等），还有冷却、润滑、支承部件（如床身、立柱等），还有冷却、润滑、转位部件，如夹紧、换刀机械手等辅助装置。与转位部件，如夹紧、换刀机械手等辅助装置。与普通机床相比，数控机床的整体布局、外观造型、普通机床相比，数控机床的整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。很大的变化。 （二） 数控机床的种类与应用 n按工

7、艺用途可分为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 。 1按加工工艺用途分类 （1）金属切削类数控机床 指采用车、铣、镗、铰、钻、磨、刨等各种切指采用车、铣、镗、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。包括数控车床、数控钻床、削工艺的数控机床。包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。加工中心，也称为可自动换刀的数控机床。这加工中心，也称为可自动换刀的数控机床。这类数控机床都带有一个刀库和自动换刀系统，类数控机床都带有一个刀库和自动换刀系统，刀库可容纳刀库可容纳16100多把刀具。多把刀

8、具。 （2）金属成型类数控机床 指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床。包括数控折弯机、数控组合冲控机床。包括数控折弯机、数控组合冲床、数控弯管机、数控压力机等。床、数控弯管机、数控压力机等。（3）数控特种加工机床 如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机床、数控激光切割机床等。控火焰切割机床、数控激光切割机床等。（4）其它类型的数控机床 如数控三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图如数控三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。仪等。2按控制运动轨迹分类 n 点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位

9、置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。n 这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。（1）点位控制数控机床）点位控制数控机床n直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。（2）直线控制数控机床）直线控制数控机床n 轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使合成的平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位

10、移，将工件加工成要求的轮廓形状。n 常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。 （3）轮廓控制数控机床）轮廓控制数控机床3按驱动装置的特点（按伺服控制的方式）分类n控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来。（1）开环控制系统）开环控制系统指令脉冲步进电

11、动机驱动线路步 进电动机工作台图1-1-5 开环控制数控机床的系统框图n在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。 （2）闭环控制数控机床）闭环控制数控机床A伺 服电动机速度控制电路位置比较电路位置反馈速度反馈指令脉冲C图1-1-6 闭环控制数控机床的系统框图n在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去

12、，并对误差进行修正。 （3）半闭环控制数控机床）半闭环控制数控机床 指令脉冲速度反馈位置反馈位置比较电路速度控制电路AB伺服电动机+-工作台图1-1-7 半闭环控制数控机床的系统框图n将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床。n开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。 （4）混合控制数控机床）混合控制数控机床 步 进电动机驱动电路混合指令值比较单元C系统误差脉冲电源校正D/A图1-1-8 开环补偿型控制方式n半闭环补偿型 。它是用半闭环

13、控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。 指令值混合控制速度控制ABC伺服电动机图1-1-9 半闭环补偿型控制方式 4按数控系统功能水平分类 功能低档中档高档系统分辨率 10um 1um 0.1um G00速度 38 m/min 1024 m/min 24100m/min 伺服类型 开环半闭环闭环联动轴数 23 24 5轴或5轴以上 通信功能 无 RS-232或DNC DND、MAP 显示功能 数码管显示 图形、人机对话 三维图形、自诊断 内装PLC 无 有 功能强大的内装PLC 主CPU 8位、16位 16位、32位 32位、64

14、位 结构 单片机或单板机 单微处理器或多微处理器 分布式多微处理器 一种是把数控机床分为高、中、低档 经济型（简易）、普及型（全功能）和高档型数控机床。 5按控制坐标轴的数量分类 按计算机数控装置能同时联动控制的坐标轴的数量分按计算机数控装置能同时联动控制的坐标轴的数量分类，有两坐标联动数控机床、三坐标联动数控机床和多坐类，有两坐标联动数控机床、三坐标联动数控机床和多坐标联动数控机床，如图标联动数控机床，如图1.11、1.12、1.13所示。所示。图1.11 两坐标联动示意图图1.12 三坐标联动示意图图1.13 五坐标联动示意图有一些早期的数控机床尽管具有三个坐标轴，但能够同时有一些早期的数

15、控机床尽管具有三个坐标轴，但能够同时进行联动控制的可能只是其中两个坐标轴，那就属于两坐进行联动控制的可能只是其中两个坐标轴，那就属于两坐标联动的三坐标机床。像这类机床就不能获得空间直线、标联动的三坐标机床。像这类机床就不能获得空间直线、空间螺旋线等复杂加工轨迹。要想加工复杂的曲面，只能空间螺旋线等复杂加工轨迹。要想加工复杂的曲面，只能采用在某平面内进行联动控制，第三轴作单独周期性进给采用在某平面内进行联动控制，第三轴作单独周期性进给的的“两维半两维半”加工方式。加工方式。图1.14 “两维半”坐标联动示意图 6按数控系统分类 （1）日本）日本FANUC系列数控系统系列数控系统 （2）德国）德国

16、SIEMENS公司的公司的 SINUMERIK系列数控系统系列数控系统（3）华中数控系统）华中数控系统HNC（三）数控机床的发展趋势n（1）高速度高精度化n（2）多功能化n（3）智能化n（4）小型化n（5）高可靠性（三）数控机床的发展趋势n1. 数控机床结构的发展n2. 计算机控制性能的发展n3. 伺服驱动系统的发展n4. 自适应控制n5. 计算机群控n6. 柔性制造系统(四) 数控机床加工过程和工艺概述 1.数控加工过程n根据零件加工图样进行工艺分析。n编写零件加工程序单。n输入或传输程序。n将加工程序进行刀具路径模拟、试运行等。n通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。 2.数控加

17、工工艺的主要内容n 数控加工工艺的实质，就是在分析零件精度和表面粗糙度的基础上，对数控加工的加工方法、装夹方式、刀具使用、切削进给路线及切削用量等工艺内容进行正确和合理的选择。n（1）选择适合在数控机床上加工的零件，确定工序内容。n（2）对零件图样进行数控加工工艺分析，明确加工内容及技术要求。n（3）确定零件的加工方案，制定数控加工工艺路线。如划分工序、安排加工顺序以及处理与非数控加工工序的衔接等。 n（4）加工工序的设计。如选取零件的定位基准、夹具方案的确定、划分工步、选取刀辅具和确定切削用量等。n（5）数控加工程序的调整。选取对刀点和换刀点，确定刀具补偿，确定加工路线。n（6）分配数控加工

18、中的容差。n（7）处理数控机床上的部分工艺指令。3. 数控加工工艺与编程的关系n （1）数控程序n 输入数控机床，执行一个确定的工作任务的一系列指令，称为数控程序或零件程序。n（2）数控编程n 即把零件的工艺过程、工艺参数及其他辅助动作，按动作顺序和数控机床规定指令、格式、编成加工程序，再记录于控制介质即程序载体（磁盘等），输入数控装置，从而指挥机床加工并根据加工结果加以修正的过程。n（3）数控加工工艺与编程的关系n 数控加工工艺分析与处理是数控编程的前提和依据，没有符合实际的、科学合理的数控加工工艺，就不可能有真正的数控加工程序。而数控编程就是将制订的数控加工工艺内容程序化。(五) 数控机床加工的特点及应用