1、第第1章数控机床概述章数控机床概述2022-10-19第1章数控机床概述1、了解数控技术发展的历史沿革、了解数控技术发展的历史沿革 2、理解数控机床的基本组成及工作原理、理解数控机床的基本组成及工作原理 4、熟悉数控机床安全操作规程与日常维护知识、熟悉数控机床安全操作规程与日常维护知识 3、掌握数控机床的分类和加工特点、掌握数控机床的分类和加工特点 第1章 数控机床基础 第1章数控机床概述1.1.1 数控机床的产生及历史沿革数控机床的产生及历史沿革 1.1.2 数控机床的分类数控机床的分类1.1.3 数控机床的应用及发展数控机床的应用及发展 1.1 数控机床概述第1章数控机床概述1.1.1 数
2、控机床的产生及历史沿革数控（Numerical Control）指用数字指令来控制一台或一台以上机械的动作。数控机床（Numerical Control Machine Tools）是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。CNC：采用小型计算机控制的计算机数控系统。1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。第1章数控机床概述1.1.1 数控机床的产生及历史沿革 1949年，该公司与美国
3、麻省理工学院（MIT）开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（MC Machining Center），使数控装置进入了第二代，1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。第1章数控机床概述1.1.1 数控机床的产生及历史沿革 60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称 DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称 CNC
4、），使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称 MNC），这是第五代数控系统。20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。第1章数控机床概述1.1.1 数控机床的产生及历史沿革 20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。第1章数控机床概述1.
5、1.2 数控机床的分类 1、按运动的轨迹分类 （1）点位控制数控机床 （2）直线控制数控机床 （3）轮廓控制数控机床 第1章数控机床概述1.1.2 数控机床的分类（1）点位控制数控机床 这类控制系统的特点是只控制刀具相对于工件定位点的位置精度，不控制点与点之间的运动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削。具有这种运动控制系统的机床如数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机及数控测量机等。第1章数控机床概述1.1.2 数控机床的分类（2）直线控制数控机床 一些数控机床不仅要求具有准确的定位功能，而且要求从一点到另一点之间按直线移动，并能控制移动的速度，因为刀具在移动过程中要进行切削加工。具有这种运
6、动轨迹控制的数控机床称为直线控制数控机床，如数控车床、数控镗铣床等。第1章数控机床概述1.1.2 数控机床的分类（3）轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床（或称连续控制机床），它的特点是能够对两个或两个以上的坐标轴方向同时进行连续控制，并能对位移和速度进行严格的不间断的控制。这类数控机床需要控制刀尖整个运动轨迹，使它严格地按加工表面的轮廓形状连续地运动，并在移动时进行切削加工，可以加工任意斜率的直线、圆弧和其他函数关系曲线。采用这类控制系统的机床有数控铣床、数控磨床、加工中心等。第1章数控机床概述1.1.2 数控机床的分类 2、按伺服控制系统分类 （1）开环伺服系统数控机床 （2）闭环伺服系统数
7、控机床 （3）半闭环伺服系统数控机床 第1章数控机床概述1.1.2 数控机床的分类（1）开环伺服系统数控机床开环控制数控机床运动部件的位移没有检测反馈装置，数控装置发出信号是单向的，通常采用功率步进电机作位移的伺服机构。数控装置发出的指令脉冲信号，通过环形分配器和驱动电路控制步进电机转过相应的角度，再经过减速器带动丝杠转动，从而使工作台移动。位移的精度主要决定于该系统各有关零部件的制造精度。开环数控系统具有工作稳定、调试方便、维修简单、成本较低等特点，但伺服机构的误差没有补偿和校正，所以精度较低，适用于精度要求不高、驱动力矩不大的场合。经济型数控机床一般都采用开环控制系统。第1章数控机床概述1
8、.1.2 数控机床的分类（2）闭环伺服系统数控机床闭环控制数控机床的特点是在机床的运动部件上安装有直线位移测量装置，将测量出的实际位移值反馈到数控装置中与输入的指令位移值相比较，用差值进行控制，直至差值为零。所以，能实现运动部件的精确定位。该系统加工精度高，但系统的设计、调试、维修困难，且系统复杂，成本高，主要是一些精度要求很高的镗铣床、超精车床和大型数控机床等。第1章数控机床概述1.1.2 数控机床的分类（3）半闭环伺服系统数控机床半闭环控制数控机床如图1-6所示，其位置反馈采用转角检测装置，如圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等，直接安装在伺服电机或丝杠端部。该系统不是直接测量工作台位移
9、量，而是通过检测丝杠转角，间接地测量工作台位移量，然后再反馈给数控装置。由于工作台位移没有完全包括在控制回路中，故称半闭环控制系统。目前已将角位移检测器与伺服电机设计成一个部件，使系统结构简单，安装、调试都比较方便。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。这种控制系统的精度没有闭环系统高，目前大多数中、小型数控机床都采用这种控制方式。第1章数控机床概述1.1.2 数控机床的分类第1章数控机床概述1.1.2 数控机床的分类 3、按功能水平分类 通常把数控系统分为低、中、高三类 第1章数控机床概述1.1.2 数控机床的分类 数控系统不同档次分类 第1章数控机床概述
10、1.1.2 数控机床的分类 4、按工艺方法分类 一般数控机床：金属切削类（数控的车床、铣床、磨床与齿轮加工机床等）；金属成型类（数控的冲压机、弯管机、裁剪机等）特种加工机床：数控的电火花切割机、火焰切割机、点焊机、激光加工机等。加工中心：是一种带有自动换刀装置的数控机床。常见的有以加工箱体类零件为主的镗铣类加工中心和几乎能够完成各种回转体类零件所有工序加工的车削中心。非加工类：数控测量机、自动绘图机、装配机、工业机器人等。第1章数控机床概述1.1.3 数控机床的应用及发展 1、高速度、高精度化 2、更高的可靠性 3、更完善的自动编程技术 4、更高的通信功能 5、智能化 6、数控系统的开放化 第
11、1章数控机床概述1.1.3 数控机床的应用及发展 1、高速度、高精度化现代机床CNC系统多采用32位CPU，并向64位CPU发展，并且采用多微处理器并行技术，使运算速度和数据处理能力得到很大提高。现代数控机床采用了交流数字伺服驱动系统。伺服驱动系统的位置、速度和电流环都实现了数字化，并采用现代控制理论，实现了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服驱动。由于新型CNC系统和伺服驱动系统的采用，使数控机床的进给速度和分辨力得到很大提高。在100240mmin的进给速度下其位移分辨力可达1um，在24mmin的进给速度下其位移分辨力可达01 um，在24mmin的进给速度下其位移分辨力可达001 um。
12、现代数控机床还充分利用CNC系统的补偿功能(如反向间隙补偿功能、螺距误差补偿功能及热补偿功能等)来提高其加工精度和动态性能。第1章数控机床概述1.1.3 数控机床的应用及发展 2、更高的可靠性 由于现代机床CNC系统的模块化、标准化、通用化和系列化，便于组织批量生产，有利于保证产品质量。现代CNC系统大量采用大规模或超大规模集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，降低了功耗，从而提高了可靠性。通过完善的故障诊断功能，实现对系统内硬、软件及外部设备的故障诊断和报警。利用报警提示及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计来实现故障自恢复；利用监控检测技术
13、，对发生超程、刀具损坏、过热、干扰、断电等各种意外自动进行相应保护，从而保证了数控机床可靠的工作。第1章数控机床概述1.1.3 数控机床的应用及发展 3、更完善的自动编程技术 由于多微处理器并行技术的采用，使数控编程从离线编程发展到在线编程，即所谓的“前台加工，后台编程”。通过会话自动编程系统，不仅实现了在线零件加工程序的编制，还可以根据机床性能、工件材料及零件加工要求自动选择刀具及最佳切削用量，生成工艺路线，并实现切削仿真，大大提高了对复杂型面编程的效率。第1章数控机床概述1.1.3 数控机床的应用及发展 4、更高的通信功能为了适应自动化技术的不断发展，适应工厂自动化规模越来越大的要求，为了
14、使数控机床更易于进入柔性制造系统和计算机集成制造系统的控制网络中，机床数控系统的接口数据交换能力和通信能力在不断加强。目前，已通过配置的RS232、RS422串行接口实现了对伺服、计算机的数据交换。通过网络接口可以方便地实现网络连接。如SIEMENS公司的Sinumeric850880系统设置有SINECHl网络接口和MAP网络接口(SINECH2接口)，通过网络接口可将数据系统连接到SIEMENS的SINECHl网络和MAP工业局域网络中。FANUC公司的FANUC 15系统也配置了类似的网络接口，为了便于接人工业局域网，还可配置MAP30接口板。第1章数控机床概述1.1.3 数控机床的应用
15、及发展 5、智能化 计算机软、硬件技术的发展，人工智能技术的发展促进了机床数控系统智能化的进程。机床数控系统的智能化主要体现在：(1)将自适应控制应用于数控系统中，构成自适应数控系统(ACNC System)。(2)故障诊断的智能化，即数控系统内置实时诊断软件，在数控机床整个工作过程中进行故障诊断并指导故障的排除。一旦发生故障，除采用停机措施，利用CRT进行故障报警，提示故障发生的部位和原因外，还可以利用“冗余”技术，自动使故障模块脱机，接通备用模块，以满足无人化工作环境的要求。(3)刀具寿命自动监控检测技术的应用。即利用红外、声发射(AE)、激光等检测手段，对刀具和工件进行监控。发现工件超差
16、，刀具损坏，及时报警、自动进行补偿或更换备用刀具，以确保产品质量。第1章数控机床概述1.1.3 数控机床的应用及发展 6、数控系统的开放化 随着技术、市场、生产组织结构诸方面的快速变化，对数控机床，特别是数控系统提出许多更新、更高的要求：(1)为了适应不断出现的新加工需求，数控系统应具有更强的软、硬件重构能力，而且重构成本要低，重构周期要短；(2)为了适应未来车间面向任务和订单的生产组织模式，使底层生产控制系统的集成更为简便、有效，必须改变数控系统封闭型的设计模式；(3)为了适应机床制造厂家的不同需要，数控系统应该具有高度的模块化，可重新配置、修改、扩充和改装，机床制造厂家和用户可以方便地将自
17、己的成熟技术集成到数控系统中；(4)加强数控系统设计的规范化和标准化，大幅度降低数控系统开发、维护、培训的成本和周期。为了适应新需要，寻求一种新的数控系统开放化发展模式已成必然。第1章数控机床概述1.2.1 数控机床结构组成数控机床结构组成 1.2.2 数控机床工作原理数控机床工作原理 1.2.3 数控加工特点数控加工特点 1.2数控机床组成及工作原理 第1章数控机床概述1.2.1数控机床结构组成 数控机床由信息输入、数控装置、伺服驱动及检测装置、机床本体、机电接口等五大部分组成。第1章数控机床概述1.2.1数控机床结构组成 1、信息输入信息输入是将加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送
18、到数控装置，输人方式有穿孔纸带、磁盘、键盘(MDI)、手摇脉冲发生器等。目前较多采用磁盘输入，纸带是一种比较传统的输入方式。也可以通过上位机通信接口输入。2、数控装置数控装置是一种专用计算机，一般由中央处理单元(CPU)、存储器、总线和输入输出接口等构成。为了完成各种形状的零件加工，该部分必须具备多种主要功能，如多轴联动、多坐标控制功能、多种函数插补功能、刀具补偿功能、故障诊断功能、通信和联网功能等等。数控装置是整个数控机床数控系统的核心，决定了机床数控系统功能的强弱。第1章数控机床概述1.2.1数控机床结构组成 3、伺服驱动及检测装置伺服驱动及检测反馈是数控机床的关键部分，它影响数控机床的动
19、态特性和轮廓加工精度。伺服驱动部分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。在伺服系统中包括安装在伺服电机上的速度、位置检测元件及相应电路，该部分能及时将信息反馈回来，构成闭环控制。4、机床本体机床本体包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和其他相关的底座、立柱、刀架、工作台等基础部件。数控机床是一种高精度、高效率和高度自动化机床，要求机床的机械结构应具有较高的精度和刚度，精度保持性要好，主运动、进给运动部件运动精度要高。机床的进给传动系统一般均采用精密滚珠丝
20、杠、精密滚动导轨副、摩擦特性良好的滑动(贴塑)导轨副，以保证进给系统的灵敏和精确。可以说高精度、高刚度的机床本体结构是保证数控机床高效、高精度、高度自动化加工的基础。第1章数控机床概述1.2.1数控机床结构组成 5、机电接口（机床电气控制）数控机床除了实现加工零件轮廓轨迹的数字控制外，还有许多功能由可编程控制器(简称PLC)来完成的逻辑顺序控制。如自动换刀，冷却液开、关，离合器的开、合，电磁铁的通、断，电磁阀的开、闭等等。这些逻辑开关量的动力来源是由强电线路提供的，必须经过接口电路转换成PLC可接受的信号。第1章数控机床概述1.2.2 数控机床工作原理 在数控机床上加工零件时，要事先根据零件加
21、工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具参数，再按规定编写零件数控加工程序，然后通过手动数据输入(MDIManual Data Input)方式或与计算机通讯等方式将数控加工程序送到数控系统，在数控系统控制软件的支持下，经过分析处理与计算后发出相应的指令，通过伺服系统使机床按预定的轨迹运动，从而控制机床进行零件的自动加工。第1章数控机床概述1.3 数控加工特点 1、自动化程度高2、具有加工复杂形状零件的能力3、生产准备周期短4、加工精度高、质量稳定5、生产效率高6、易于建立计算机通信网络第1章数控机床概述1.4.1 数控机床安全操作规程数控机床安全操作规程 1.4.2 数控机床的日常
22、维护数控机床的日常维护 1.4 数控机床安全操作规程与日常维护 第1章数控机床概述1.4.1 数控机床安全操作规程 1、操作者必须熟悉机床的性能、结构、传动原理以及控制，严禁超性能使用。2、操作机床前必须紧束服装，戴好工作帽，检查机床有无异常情况，工作时严禁戴手套。3、工作台不得放置工具或其它无关物件，注意不要使刀具与工作台撞击。机床通电启动后，先进行机械回零操作，低速运行35min，查看各部分运转是否正常。4、加工工件前，必须进行加工模拟或试运行，严格检查调整加工原点、刀具参数、加工参数、运动轨迹。并且要将工件清理干净，特别注意工件是否装夹牢靠，调节工具是否已经移开。第1章数控机床概述1.4.1 数控机床安全操作规程 5、确认操作面板上进给轴的速度及其倍率开关状态，切削加工要在各轴与主轴的扭矩和功率范围内使用。6、装卸及测量工件时，把刀具移到安全位置，主轴停转。7、主轴旋转切削过程中不能用手去除铁屑或触摸工件，消除铁屑时应用刷子，不能用嘴去吹或用棉纱擦。8、工作中发生不正常现象或故障时，应立即停机排除，或通知维修人员检修。9、工作完毕后，应及时清扫机床，并将机床恢复到原始状态，各开关、手柄放于非工作位置上，切断电源，认真执行好交接班制度。第1章数控机床概述2022-10-19第1章数控机床概述
