第1章 數控機床組成及數字控制原理 2

1、1 2019/3/21 數控機床原理數控機床原理與結構與結構 2 2019/3/21 上 篇 數控機床控制技術 3 2019/3/21 第第 1 章章 數控機床組成 及 數字控制原理 4 2019/3/21 1.1數控裝置的概念數控裝置的概念 ?1.1 數控機床的組成及分類 ? 1.1.1 數控機床的控制技術 ? 1.1.2 數控機床組成 ? 1.1.3 數控機床的分類 ?1.2 國內外數控機床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ? 1.2.1 國外數控機床的發(fā)展與現(xiàn)狀國外數控機床的發(fā)展與現(xiàn)狀 ? 1.2.2 我國數控機床的現(xiàn)狀 ? 1.2.3 數控機床的發(fā)展趨勢 5 2019/3/21 1.1.1數控機床的控

2、制技術數控機床的控制技術 數控裝置是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上預先給定的數字值，并對其譯碼、運算，并據此而控制刀具與工件相對運動，加工出所需要的零件。 6 2019/3/21 圖10 數控加工原理 1逼近處理 Li = Ft （i1,2,） 則當t 0 時，折線段之和接近曲線 L，即： 且有：Fx = xit Fy = yit 2插補運算 7 2019/3/21 ? 數控機床種類繁多，有鉆銑鏜床類、車削類、磨削類、電加工類、鍛壓類、激光加工類和其他特殊用途的專用數控機床等等，凡是采用了數控技術進行控制的機床統(tǒng)稱 NC 機床。 ? 帶有自動刀具交換裝置（ Automatic Tool c

3、hangeATC ）的數控機床（帶有回轉刀架的數控車床除外）稱為加工中心（ Machine CenterMC ）。它通過刀具的自動交換，可以一次裝夾完成多工序的加工，實現(xiàn)了工序的集中和工藝的復合，從而縮短了輔助加工時間，提高了機床的效率；減少了零件安裝、定位次數，提高了加工精度。 ? 在加工中心的基礎上，通過增加多工作臺（托盤）自動交換裝置（ Auto Pallet changerAPC ）以及其他相關裝置，組成的加工單元稱為柔性加工單元（ Flexible Manufacturing CellFMC ）。 8 2019/3/21 ? 在 FMC 和加工中心的基礎上，通過增加物流系統(tǒng)、工業(yè)機器

4、人以及相關設備，并由中央控制系統(tǒng)進行集中、統(tǒng)一控制和管理，這樣的制造系統(tǒng)稱為柔性制造系統(tǒng)（ Flexible Manufacturing SystemFMS ）。 ? 為了適應市場需求多變的形勢，對現(xiàn)代制造業(yè)來說，不僅需要發(fā)展車間制造過程的自動化，而且要實現(xiàn)從市場預測、生產決策、產品設計、產品制造直到產品銷售的全面自動化。將這些要求綜合，構成的完整的生產制造系統(tǒng)，稱為計算機集成制造系統(tǒng)（ computer Integrated Manufacturing systemCIMS ）,CIMS將一個工廠的生產、經營活動進行了有機的集成，實現(xiàn)了更高效益、更高柔性的智能化生產，是當今自動化制造技術發(fā)展

5、的最高階段。 9 2019/3/21 1.1.21.1.2數控機床組成數控機床組成 圖11 數控加工過程示意圖 1數控機床加工零件的過程 10 2019/3/21 2數控機床的組成 圖圖1 11 2019/3/21 1.1.31.1.3數控機床的分類數控機床的分類 ? 1按工藝用途分類按工藝用途分類 ? （1）金屬切削類數控機床 ? （2）金屬成型類數控機床 ? （3）特種加工及其它類型數控機床）特種加工及其它類型數控機床 12 2019/3/21 圖圖1 圖圖1 13 2019/3/21 圖13c 全功能數控銑床 圖13d 高速數控銑床 14 2019/3/21 圖13e 立式數控銑床 圖1

6、3f 立式加工中心 15 2019/3/21 圖14a 數控液壓板料折彎機 16 2019/3/21 圖14b 數控彎管機 17 2019/3/21 圖14c 數控沖模回轉頭壓力機 18 2019/3/21 圖15a 數控線切割機床 圖圖15b 數控電火花線切割機床數控電火花線切割機床 19 2019/3/21 圖15c 數控激光切割機 20 2019/3/21 圖15d 數控等離子切割機 21 2019/3/21 圖15e 數控三坐標測量機 圖圖15f 柔性三坐標測量臂柔性三坐標測量臂 22 2019/3/21 ? 2 2如果以數控系統(tǒng)的特征進行分類時，可將數控機床分成三大類：分成三大類：

7、? （1）點位控制的數控機床 ? （2）直線控制數控機床 ? （3）輪廓控制的數控機床 ? 平面輪廓加工的數控機床 ? 空間輪廓加工的數控機床 23 2019/3/21 ? 3按伺服系統(tǒng)的類型分類 ? 根據有無檢測反饋元件及其檢測裝置，機床的伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)伺服、閉環(huán)伺服和半閉環(huán)伺服。 ? （1）開環(huán)控制數控機床 ? （2）閉環(huán)控制數控機床 ? （3）半閉環(huán)控制數控機床 24 2019/3/21 圖1 圖1 圖1 25 2019/3/21 ? 4按照功能水平分類 ? 對于按數控功能的水平分類方法，目前尚無明確定義，因此，涵義也不十分清楚。這種分類方法沒有一個確切定義，但可以給人們一個清晰的一

8、般水平概念，可將數控機床分為高、中、低檔三類。 ? 數控機床水平高低由主要技術參數、功能指標和關鍵部件的功能水平決定。下列幾個方面可作為評價數控機床檔次的參考條件。 26 2019/3/21 27 2019/3/21 1.2.1 1.2.1 國外數控機床的發(fā)展與現(xiàn)狀國外數控機床的發(fā)展與現(xiàn)狀 ?采用數字控制技術進行機械加工的思想，最早是在20世紀40年代初提出的。當時，美國密執(zhí)安北部的一個小型飛機工業(yè)承包商帕爾森斯公司在制造飛機框架及直升機葉片輪廓用樣板時，利用全數字電子計算機對輪廓路徑進行數據處理，并考慮了刀具直徑對加工路徑的影響，提高了加工精度。 ?1949年作為這一方案的主要承包者的帕爾森

9、斯公司，正式接受美空軍委托，在麻省理工學院伺服機構試驗室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）的協(xié)助下，開始從事數控機床的研制工作。經過三年時間的研究，于1952年試制成功世界第一臺數控機床試驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床（Cincinnati Hydromel），這便是數控的第一代。 28 2019/3/21 ? 1953年，美國空軍與麻省理工學院協(xié)作，開始從事計算機自動編程的研究，這就是創(chuàng)制APT（Automatically Programmed T

10、ools）自動編程系統(tǒng)的開始。 ? 1955年，美國空軍花費巨額經費訂購了大約100臺數控機床，此后兩年，數控機床在美國進入迅速發(fā)展階段，市場上出現(xiàn)了商品化數控機床。1958年，美國克耐杜列克公司在世界上首先研制成功帶自動換刀裝置的數控機床，稱為“加工中心”。 ? 1959年，計算機行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數控裝置中廣泛采用晶體管和印刷電路板，從而跨入第二代數控。同時美國航空工業(yè)協(xié)會（AIA）和麻省理工學院發(fā)展APT程序語言。 29 2019/3/21 ? 1960年以后，點位控制機床在美國得到迅速發(fā)展，數控技術不僅在機床上得到了實際應用，而且逐步推廣到沖壓機、繞線機、焊接機、火焰切割機、

11、包裝機和坐標測量機等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計算機自動編程。除了APT數控語言外，又發(fā)展了許多自動編程語言。 ? 從1960年開始，德國、日本等先進工業(yè)國家都陸續(xù)開發(fā)、生產及使用了數控機床。 ? 1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，使數控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，數控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。 ? 以上3代，都是采用專用控制計算機的硬邏輯數字控制系統(tǒng)。裝有這類數控系統(tǒng)的機床為普通數控機床（簡稱NC機床）。 30 2019/3/21 ? 1967年，英國首先把幾臺數控機床聯(lián)接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（Flexible Manufacturing

12、System，柔性制造系統(tǒng)）。之后，美、歐、日也相繼進行開發(fā)與應用。隨著計算機技術的發(fā)展，小型計算機的價格急劇下降。小型計算機開始取代專用數控計算機，數控的許多功能由軟件程序實現(xiàn)。這樣組成的數控系統(tǒng)稱為計算機數控系統(tǒng)（CNC）。 ? 1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了這種系統(tǒng)，稱為第四代數控。而由計算機直接對許多機床進行控制的控制系統(tǒng)，稱為直接數控系統(tǒng)（DNC）。 31 2019/3/21 ? 1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數控系統(tǒng)。近20年來，微處理機數控系統(tǒng)的數控機床得到了飛速發(fā)展和廣泛應用，這就是第五

13、代數控系統(tǒng)（MNC）。 ? 20世紀80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell，F(xiàn)MC）。 ? FMC和FMS被認為是實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）的必經階段和基礎。 32 2019/3/21 ? 國外數控機床的現(xiàn)狀有三個特點：第一是擁有數量較多，通常占主要生產設備的20%以上；第二是大型數控機床，如落地式鏜銑床、大型龍門鏜銑床以及三坐標測量機等較多；第三是更新?lián)Q代較快。許多新開發(fā)的數控機床已陸續(xù)裝備在生產線上。 33 2019/3/21 1.2.2 我國數

14、控機床的現(xiàn)狀我國數控機床的現(xiàn)狀 ?我國從1958年開始研究數控機床，一直到20世紀60年代中期處于研制、開發(fā)時期。當時，一些高等院校、科研單位研制出試驗性樣機，開始也是從電子管著手的。 ?1965年，國內開始研制晶體管數控系統(tǒng)。20世紀60年代末至20世紀70年代初研制成了三維數控銑床、數控非圓齒輪插齒機、CIL-18晶體管數控系統(tǒng)及Z53K-1G立式數控銑床。 ?從20世紀70年代開始，數控技術在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域全面展開，數控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質量和制造工藝水平差，致使數控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，因此未能廣泛推廣。在這一時期，數控線

15、切割機由于結構簡單，使用方便，價格低廉，在模具加工中得到了推廣。數控車削加工、點位加工和加工中心及三坐標數控加工的自動編程系統(tǒng)和語言也研制成功，有的也在生產中應用。 34 2019/3/21 ?20世紀世紀80年代，我國從日本發(fā)那科公司引進了3、5、6、7等系列等系列的數控系統(tǒng)和直流伺服電動機、直流主軸電動機等制造技術，以及引進美國GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，德國西門子VS系列可控硅調速裝置，并進行了商品化生產。這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。與此同時，還自行開發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動的數控系統(tǒng)以及雙電動機驅動的同步數控系統(tǒng)（用于火焰切割機）和新品種的伺服電動機，推動了我國數控機床穩(wěn)定發(fā)展，使

16、我國數控機床在性能和質量上產生了一個質的飛躍。 ?“十一五十一五”期間，隨著一系列關鍵技術的突破和自主生產能力的期間，隨著一系列關鍵技術的突破和自主生產能力的形成，我國開始沖出“外國制造”的“重圍”，進入世界高速數控機床和高精度數控機床生產國的行列?？貦C床和高精度數控機床生產國的行列。 ?從產量來看，從產量來看，2010年我國機床工具行業(yè)實現(xiàn)工業(yè)總產值 5 536.8億元，同比增長40.6%；數控機床產量達到；數控機床產量達到23.6萬臺，同比增長62.2%；2010年我國機床產值和數控機床產量均列世界第一位。年我國機床產值和數控機床產量均列世界第一位。整個整個“十一五十一五”期間，在需求的拉

17、動下，我國數控機床產量保持期間，在需求的拉動下，我國數控機床產量保持高速增長，年均復合增長率達到高速增長，年均復合增長率達到37.4%。2010年的增長數據意味著數控機床的發(fā)展已經步入新階段。 35 2019/3/21 1.2.3 數控機床的發(fā)展趨勢數控機床的發(fā)展趨勢 ? 隨著科學技術的發(fā)展，制造技術的進步，以及社會對產品質量和品種多樣化的要求愈來愈強烈，中、小批量生產的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數控機床成為一種具有柔性、精密、高效、復合、集成功能和低成本的自動化加工設備。同時，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS），以及計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）提供基

18、礎設備，也要求數控機床向更高水平發(fā)展。當前數控機床技術呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢。 36 2019/3/21 ? 1高速、高效、高精度與高可靠性 ?（1）高速、高效 ?（2）高精度 ?（3）高可靠性 ? 2復合化、多軸化、柔性化、網絡化、智能化與綠色化 ?（1）復合化 ?（2）多軸化 ?（3）柔性化 ?（4）網絡化 ?（5）智能化 ?（6）綠色化 37 2019/3/21 ? 3新型功能部件 ? 為了提高數控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括： ? （1）高頻電主軸 ? （2）直線電動機 ? （3）電滾珠絲桿 ? 4重視新技術標準、規(guī)范的建立 ? 隨著數控機床成為機械自動化加工的重要設備，在管理和操作之間，都需要有統(tǒng)一的術語、技術要求、符號和圖形，統(tǒng)一的標準，以便于世界性的技術交流和貿易。數控技術的發(fā)展，形成了多個國際通用的標準，即ISO（國際標準化組織）標準、IEC（國際電工委員會）標準和EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）標準等。 38 2019/3/21 復習與思考題復習與思考題