数控技术(基本知识)

1、1 第第1章章 绪绪 论论 数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；数控技术的应用是提高制造业成化生产的基础；数控技术的应用是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段。的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段。我国制造业数控化率年增长率达我国制造业数控化率年增长率达6%，据预测到，据预测到2020年，制造业数控化率将达到年，制造业数控化率将达到60%。 1-1 数控系统及数控机床的基本概念数控系统及数控机床的基本概念 一、定义一、定义 1. 数字控制数字控制 (数控数控NC) (Numerical Control ) 它是指用数字化

2、信号对机床运动及其加工过它是指用数字化信号对机床运动及其加工过程中进行控制的一种方法。程中进行控制的一种方法。3 2. 数控系统（数控系统（NC Control System） 数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等统称构等统称数控控制系统数控控制系统。它由程序输入、输出设。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。进给及驱动装置等组成。 数控机床数控机床是一种装有程序控制系统（数控系是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。它综合了综合了计算机统）的高效自动

3、化机床。它综合了综合了计算机、自动控制、精密测量、机床的机构设计与制造、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。等方面的最新成果。3. 数控机床（数控机床（NC Machine Tools）4二、数控加工的原理二、数控加工的原理数数控控装装置置伺伺服服系系统统加工程序加工程序零件图零件图数控系统数控系统 机床机床数控机床的工作原理图 1.2 数控车床组成：数控车床组成：一、数控车床是集机、电、液、气为一体一、数控车床是集机、电、液、气为一体,按照人机工程学宜人化进按照人机工程学宜人化进行布局设计行布局设计,全封闭防护。主要由如下几部分组成全封闭防护。主要由如下几部分组成:（1

4、）主机）主机: 它是数控车床的机械部分它是数控车床的机械部分,包括床身底座、主轴箱、包括床身底座、主轴箱、刀架、尾座、进给机构。刀架、尾座、进给机构。（2）数控装置）数控装置: 它是数控车床的控制核心部分它是数控车床的控制核心部分,包括包括CPU、存储、存储器、器、CTR等。等。 数控装置数控装置 （3）伺服驱动系统）伺服驱动系统: 它是数控车床的切削动力部分它是数控车床的切削动力部分,主要实现主运动主要实现主运动和进给运动和进给运动,由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成。伺服驱动装置主由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成。伺服驱动装置主要由主轴电机和进给伺服驱动装置。要由主轴电机和进给伺服驱动装置。

5、v（4）辅助装置）辅助装置: 辅助装置包括数控车床的一些配件辅助装置包括数控车床的一些配件,包括液压装置、包括液压装置、气压装置、排屑装置冷、却润滑装置等。气压装置、排屑装置冷、却润滑装置等。二、数控车床加工的特点如下二、数控车床加工的特点如下: （1）自动化程度高自动化程度高,减轻操作者的劳动强度减轻操作者的劳动强度。 （2） 加工质量稳定加工质量稳定,尺寸统一性好尺寸统一性好 。 （3）生产效率高）生产效率高 。 （4）便于产品研制）便于产品研制 。 （5）便于实现计算机辅助制造。）便于实现计算机辅助制造。 （6） 加工成本一般较高。加工成本一般较高。 （7） 适宜多品种中小批量生产。适宜

6、多品种中小批量生产。 （8） 设备维修困难。设备维修困难。2022-6-2911 1.3数控机床总体结构设计一、对数控机床总体设计的要求1、对机床性能的要求 （1）机床工艺范围：要适应不同生产要求的能力 （2）加工精度高：抵挡数控系统的分辨率为10um 中档为1um ，高档为0.1um.2、满足机床刚度和抗震性的要求3、减少热变形的要求 4、对机床可靠性的要求 5、对速度的要求6、经济效益7、人机关系的要求 二、数控机床的总体布局 机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床的总体布局直接影响到机床的结构和性能。合理选择机床布局，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提机床布局

7、，不但可以使机械结构更简单、合理、经济，而且能提高机床刚度、改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使高机床刚度、改善机床受力情况，提高热稳定性和操作性能，使机床满足数控化的要求机床满足数控化的要求。（1）卧式数控车床：）卧式数控车床：刀架刀架后置的数控车床后置的数控车床（2）立式数控车床：）立式数控车床：主轴轴线处于垂直位的数控车床。主轴轴线处于垂直位的数控车床。立式立式数控车床数控车床16（3）双刀架四轴控制的数控车床：）双刀架四轴控制的数控车床：机床上有两个独立的回转机床上有两个独立的回转 刀架，可实现四轴控制。刀架，可实现四轴控制。 17（4）三轴控制的车削中心：）三轴控制的车削中心

8、： 车削中心是在数控车床的基础上发展起来的，车削中心是在数控车床的基础上发展起来的，主要特征主要特征是在数是在数控车床的转塔刀架上控车床的转塔刀架上增设了多种自驱动刀具，并对主轴（增设了多种自驱动刀具，并对主轴（C 轴）轴）进行伺服控制，自驱动刀具有钻削头、铣削头等。进行伺服控制，自驱动刀具有钻削头、铣削头等。 （5）五轴联动车铣复合中心五轴联动车铣复合中心：机床配置双车主轴、一个机床配置双车主轴、一个铣轴、一个回转刀架和一个盘式刀库。铣轴、一个回转刀架和一个盘式刀库。车铣复合中心主要车铣复合中心主要用于航空、军工、汽车、船舶等行业中复杂零件的加工。用于航空、军工、汽车、船舶等行业中复杂零件的

9、加工。主主 轴轴 銑銑 轴轴前置回转刀架前置回转刀架三、数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴组件1、对主传动系统的要求（1）调速范围（2）热变形（3）主轴的旋转精度和运动精度（4）主轴的静刚度和抗震性（5）主轴组件的耐磨性 2、数控机床主轴的调速方法数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产效率、加工精度和表面质量。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。数控机床主传动系统主要有四种配置方式带有变速齿轮的主传动带有变速齿轮的主传动通过带传动的主传动通过带传动的主传动用两个电动机分

10、别驱动主轴用两个电动机分别驱动主轴内装电动机主轴传动结构内装电动机主轴传动结构3、主轴部件主轴部件是机床重要的部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动，因此数控机床主轴的精度，抗震性，和热变形对加工质量有直接影响主轴部件包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。锥孔双列圆柱滚子轴承锥孔双列圆柱滚子轴承 双列推力角接触球轴承双列推力角接触球轴承 双列圆锥滚子轴承双列圆锥滚子轴承带凸肩的双列圆锥滚子轴承带凸肩的双列圆锥滚子轴承 | 常用主轴轴承常用主轴轴承|轴承的配置轴承的配置 合理配置轴承合理配置轴承,可以提高主轴精度可以提高主轴精度,降低温

11、升降低温升,简化支承结构。简化支承结构。在数控机床上配制轴承时在数控机床上配制轴承时,前后轴承都应能承受径向载荷前后轴承都应能承受径向载荷,支支承间的距离要选择合理承间的距离要选择合理,并根据机床的实际情况配制轴向力的并根据机床的实际情况配制轴向力的轴承。轴承。 （1）采用）采用后端定位后端定位,推力轴承布置在后支承的两侧推力轴承布置在后支承的两侧,轴向载轴向载荷由后支承承受。荷由后支承承受。（2）采用）采用前、后两端定位前、后两端定位,推力轴承布置在前、后支承的推力轴承布置在前、后支承的两外侧两外侧,轴向载荷由前支承承受轴向载荷由前支承承受,轴向间隙由后端调整。轴向间隙由后端调整。（3）采用

12、）采用前端定位前端定位,推力轴承布置在前支承推力轴承布置在前支承,轴向载荷由前轴向载荷由前支承承受。支承承受。四、数控机床的进给传动系统数控机床对进给系统的基本要求数控机床对进给系统的基本要求 1)提高传动部件的刚度。提高传动部件的刚度。 2)减小传动部件的惯量。减小传动部件的惯量。 3)减小传动部件的间隙减小传动部件的间隙4)减小系统的摩擦阻力减小系统的摩擦阻力数控机床进给系统的基本形式数控机床进给系统的基本形式滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 静压丝杠螺母副静压丝杠螺母副 静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副 直线电动机直接驱动直线电动机直接驱动|滚珠丝杠螺母副的结构原理滚珠丝

13、杠螺母副的结构原理滚珠丝杠的支撑方法1、机床支承件及其功用机床支承件及其功用 机床机床支承件是机床的基础构件支承件是机床的基础构件。 包括包括床身、立往、横梁、底座、刀架、工作台、箱体和床身、立往、横梁、底座、刀架、工作台、箱体和升升降台等降台等。这些件一般称为。这些件一般称为“大件大件”。 机床机床的各种支承件有的互相固定连接、有的在导轨上运动。的各种支承件有的互相固定连接、有的在导轨上运动。切削时它们受切削时它们受力并变形。机床变动力并变形。机床变动的切削力、运动件的惯的切削力、运动件的惯性、旋转件的不平衡等动态力会引发支承件和整机振动性、旋转件的不平衡等动态力会引发支承件和整机振动。 支

14、承件支承件的热变形会改变执行机构的正确位置或运动轨迹，的热变形会改变执行机构的正确位置或运动轨迹，影响加工精度和表面质量影响加工精度和表面质量e因此必须因此必须重视重视支承件的设计。支承件的设计。五、机床支承件2、对机床支承件的基本对机床支承件的基本要求要求 （1）、）、应应具有足够的静刚废和较高的刚度一重量比具有足够的静刚废和较高的刚度一重量比。 （2）、）、应有应有较好的较好的动态特性动态特性 （3）、）、应应具有较好的热变形具有较好的热变形特性特性 （4）、）、 应应考虑到便于排屑、清砂，吊运安全；合理地布考虑到便于排屑、清砂，吊运安全；合理地布置置液液 压压，电气等器件，并具有良好的，

15、电气等器件，并具有良好的工艺工艺性，便于制造性，便于制造和装配。和装配。3、数控机床支承件结构的一些数控机床支承件结构的一些特点特点(一一)支承件的形状选择支承件的形状选择原则原则1) 在同等面积下，设计支承件时总是使壁厚在工艺可能的在同等面积下，设计支承件时总是使壁厚在工艺可能的 前提下尽量薄前提下尽量薄2)方形截面的抗弯刚度比圆形的大，而抗扭刚度则较低因此，方形截面的抗弯刚度比圆形的大，而抗扭刚度则较低因此，如果支承件所承受的主要是弯短，则截面形状以方形和矩形如果支承件所承受的主要是弯短，则截面形状以方形和矩形为佳。为佳。3)不封闭的截面比封闭的截面，刚度显著下降，特别是抗扭刚不封闭的截面

16、比封闭的截面，刚度显著下降，特别是抗扭刚度，下降更多因此，在可能条件下，应尽量把支承件的截面做度，下降更多因此，在可能条件下，应尽量把支承件的截面做成封闭的框形。成封闭的框形。 (二二)结构特点结构特点 为提高静刚度和抗振性，应合理的设计横截面的为提高静刚度和抗振性，应合理的设计横截面的形状尺寸，合理的布置筋板形状尺寸，合理的布置筋板结构结构五 、 数控机床导轨1、机床导轨的功用机床导轨的功用机床导轨的功用是起导向及支承作用，即机床导轨的功用是起导向及支承作用，即保证运动部件在外力的作用下保证运动部件在外力的作用下(运动部件运动部件本身的重量、工件重量、切削力及牵引力本身的重量、工件重量、切削

17、力及牵引力等等)能准确地沿着一定方向的运动。能准确地沿着一定方向的运动。 2、导轨应满足的基本要求导轨应满足的基本要求 （1）导向精度导向精度（2）刚度刚度（3）耐磨性耐磨性（4）低速平稳性低速平稳性 （5）结构工艺性结构工艺性3、导轨基本类型及特点导轨基本类型及特点1)导轨按工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨。导轨按工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨。2)校运动轨迹可分为直线运动和圆周运动导轨。校运动轨迹可分为直线运动和圆周运动导轨。 3)按受力情况可分为开式导轨和闭式导轨。按受力情况可分为开式导轨和闭式导轨。4)按摩掠性质可分为滑动导轨和滚动导轨。按摩掠性质可分为滑动导轨和滚动导轨

18、。直线滑动导轨滚动导轨6、刀库和机械手选刀方式是将所需刀具从刀库中准确调出的方法，常用的有顺序选刀和任意选刀二、刀具的选择方式顺序选刀：按照工艺顺序的要求依次将所用刀具插入 刀库刀座中，需要时按规定的顺序取刀。 更换不同的工件时必须重新排列刀库中刀 具的顺序，因而操作繁琐。 任意选刀：可分为刀座编码、刀具编码、和跟踪记忆等方式顺序选刀刀座编码任选刀具七、回转工作台数控机床的回转工作台主要有：数控进给回转工作台和 分度回转工作台两种定位销式分度工作台开环数控回转工作台61 1.4 数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势 1高精度化高精度化 从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业从精密加工发展到超

19、精密加工，是世界各工业强国的发展方向。其加工精度已从微米级发展到强国的发展方向。其加工精度已从微米级发展到亚微米级，乃至纳米级。亚微米级，乃至纳米级。 2高速化高速化 机床向高速化发展，可以充分发挥现代刀具材机床向高速化发展，可以充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅提高加工效率、降低加工成料的性能，不但可大幅提高加工效率、降低加工成本，而且还可以提高零件的表面加工质量和精度。本，而且还可以提高零件的表面加工质量和精度。62 3高柔性化高柔性化 柔性自动化技术是制造业适应市场动态需求柔性自动化技术是制造业适应市场动态需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展及产品迅速更新的主要手段，是各国

20、制造业发展的主流趋势。的主流趋势。 4高自动化高自动化 高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人高自动化是指在全部加工过程中尽量减少人的介入而自动完成任务，它包括物料流和信息流的介入而自动完成任务，它包括物料流和信息流的自动化。的自动化。 5智能化智能化 数控系统的智能化主要体现在以下几个方面：数控系统的智能化主要体现在以下几个方面： （1） 应用自适应控制技术应用自适应控制技术63（2） 自动编程技术自动编程技术（3） 具有故障自动诊断功能具有故障自动诊断功能（4） 应用模式识别技术应用模式识别技术6开放式体系结构开放式体系结构 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的是体系结构的开放性，如设计生产开放最重要的是体系结构的开放性，如设计生产开放式的数控系统。式的数控系统。 7基于网络的数控系统基于网络的数控系统 网络的任务主要是进行通讯，共享信息。数网络的任务主要是进行通讯，共享信息。数控机床作为车间的基本设备。控机床作为车间的基本设备。64 8 提高数控系统的可靠性提高数控系统的可靠性 可靠性是数控机床用户最为关注的问题，提可靠性是数控机床用户最为