數(shù)控機(jī)床第一章_概論1

1、1.1 1.1 數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床的基本概念數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床的基本概念1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床主要由CNC數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床主體組成，此外數(shù)控機(jī)床還有許多輔助裝置：自動(dòng)換刀裝置（Automatic Tool Changer ATC）自動(dòng)工作臺(tái)交換裝置（Automatic Pallet Changer APC）自動(dòng)對(duì)刀裝置自動(dòng)排屑裝置電、液、氣、冷卻、潤(rùn)滑、防護(hù)等裝置。數(shù)控機(jī)床組成示意圖1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成操作面板：它是操作人員與數(shù)控裝置進(jìn)行信息交流的工具組成：主要分為三大區(qū)域。下圖為西門子的一款數(shù)控系統(tǒng)的操作面板。操作面板實(shí)物圖1-2 1-

2、2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成控制介質(zhì)：人與數(shù)控機(jī)床之間建立某種聯(lián)系的中間媒介物就是控制介質(zhì)，又稱為信息載體。常用的控制價(jià)質(zhì)有穿孔帶、穿孔卡、磁盤和磁帶。操作面板實(shí)物圖1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成人機(jī)交互設(shè)備：數(shù)控機(jī)床在加工運(yùn)行時(shí)，通常都需要操作人員對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)干預(yù)，對(duì)輸入的加工程序進(jìn)行編輯、修改和調(diào)試，對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示等，也就是數(shù)控機(jī)床要具有人機(jī)聯(lián)系的功能。具有人機(jī)聯(lián)系功能的設(shè)備統(tǒng)稱人機(jī)交互設(shè)備。 常用的人機(jī)交互設(shè)備有鍵盤、顯示器、光電閱讀機(jī)等。操作面板實(shí)物圖1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成通訊：通訊： 現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)備進(jìn)行信息交

3、換外，一般都具有用通訊方式進(jìn)行信息交換的能力。它們是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。采用的方式有：串行通訊（RS-232等串口）自動(dòng)控制專用接口和規(guī)范（DNC方式，MAP協(xié)議等）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（internet，LAN等）。計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）裝置1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中樞。又稱CNC裝置(CNC單元)計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）裝置1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成作用：作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進(jìn)行相應(yīng)的處理（如運(yùn)動(dòng)軌跡處理、機(jī)床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和PLC等)，所有這些工作是由

4、CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個(gè)系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心 硬件 計(jì)算機(jī) 管理軟件 軟件 控制軟件計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）裝置1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和測(cè)量裝置1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成 進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服控制電路、功率放大電路和伺服電動(dòng)機(jī)組成。伺服驅(qū)動(dòng)的作用，是把來(lái)自數(shù)控裝置的位置控制移動(dòng)指令轉(zhuǎn)變成機(jī)床工作部件的運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)按規(guī)定軌跡移動(dòng)或精確定位，加工出符合圖樣要求的工件，即把數(shù)控裝置送來(lái)的微弱指令信號(hào)，放大成能驅(qū)動(dòng)伺動(dòng)電動(dòng)機(jī)的大功率信號(hào)。伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)

5、控機(jī)床的組成常用的伺服電動(dòng)機(jī)有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)。根據(jù)接收指令的不同，伺服驅(qū)動(dòng)有脈沖式和模擬式，而模擬式伺服驅(qū)動(dòng)方式按驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源種類，可分為直流伺服驅(qū)動(dòng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用脈沖驅(qū)動(dòng)方式，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)采用模擬式驅(qū)動(dòng)方式。1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成機(jī)床電氣控制包括兩個(gè)方面，可如圖所示箭頭所指的內(nèi)容。PLC（可編程的邏輯控制器）用于完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)順序動(dòng)作的I/O控制，而機(jī)床I/O電路和裝置則是用來(lái) 實(shí)現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件，由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路；測(cè)量裝置1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成分為位

6、置和速度測(cè)量裝置。以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。作用是保證靈敏、準(zhǔn)確地跟蹤C(jī)NC裝置指令：進(jìn)給運(yùn)動(dòng)指令：實(shí)現(xiàn)零件加工的成形成形運(yùn)動(dòng)（速度和位置控制）。主軸運(yùn)動(dòng)指令：實(shí)現(xiàn)零件加工的切削切削運(yùn)動(dòng)（速度控制）測(cè)量裝置1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成1-2 1-2 數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動(dòng)化加工機(jī)床，與普通機(jī)床相比，應(yīng)具有更好的抗振性和剛度，要求相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的摩擦因數(shù)要小，進(jìn)給傳動(dòng)部分之間的間隙要小。所以其設(shè)計(jì)要求比通用機(jī)床更嚴(yán)格，加工制造要求精密，并采用加強(qiáng)剛性、減小熱變形、提高精度的設(shè)計(jì)措施。1-3 1-3

7、數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比較，其工作原理的不同之處就在于數(shù)控機(jī)床是按數(shù)字形式給出的指令進(jìn)行加工的。數(shù)控機(jī)床加工零件，首先要將被加工零件的圖樣及工藝信息數(shù)字化，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序，然后將所編寫的指令輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置再將程序進(jìn)行翻譯、運(yùn)算后，向機(jī)床的各個(gè)坐標(biāo)的伺服機(jī)構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件完成所需的輔助運(yùn)動(dòng)，最后加工出合格零件。數(shù)控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是完成了手工加工中操作者的部分工作。準(zhǔn)備階段編程階段準(zhǔn)備信息載體加工階段數(shù)控機(jī)床工作步驟圖1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類特點(diǎn)

8、:n僅能實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)于工件從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的精確定位運(yùn)動(dòng)；n對(duì)軌跡不作控制要求；n運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行任何加工n適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測(cè)量機(jī)。1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類 1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類半閉環(huán)控制系統(tǒng)全閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)開環(huán)控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)閉環(huán)閉環(huán)控制系控制系統(tǒng)統(tǒng)1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類 開環(huán)控制框圖開環(huán)控制框圖工作臺(tái)工作臺(tái)步進(jìn)電

9、機(jī)步進(jìn)電機(jī)數(shù)控裝置數(shù)控裝置1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類工作臺(tái)工作臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)控裝置數(shù)控裝置伺服伺服放大器放大器位置檢測(cè)（編碼器）位置檢測(cè)（編碼器）半閉環(huán)控制框圖半閉環(huán)控制框圖1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類工作臺(tái)工作臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)數(shù)控裝置數(shù)控裝置伺服伺服放大器放大器 檢測(cè)裝置（光柵）檢測(cè)裝置（光柵） 閉環(huán)控制框圖閉環(huán)控制框圖1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理

10、及分類1-3 1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類1-4 1-4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍1-4 1-4 數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類數(shù)控機(jī)床的工作原理及分類在多品種、中小批量生產(chǎn)情況下，使用數(shù)控機(jī)床可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益1-4 1-4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 數(shù)控加工的確具有普通機(jī)床加工所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)。而且它的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，但是在目前還不能完全取代普通機(jī)床，也就是說(shuō)，它不能以最經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)解決加工制造中所有問(wèn)題。通常適合數(shù)控機(jī)床加工的零件有： 形狀復(fù)雜，用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線或曲面輪廓零件，且加工精度要求高； 具有

11、難測(cè)量、難控制進(jìn)給、難控制尺寸的不開敞內(nèi)腔的殼體或盒型零件； 必須在一次裝夾中合并完成銑、鏜、锪、鉸或攻絲等多工序的零件。 在普通機(jī)床上加工需要作長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整的零件； 用普通機(jī)床加工時(shí)，生產(chǎn)率很低或體力勞動(dòng)強(qiáng)度很大的零件。1-5 1-5 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展1.5.2 中國(guó)的數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床 1958年起步。“六五”、“七五”引進(jìn)技術(shù)、消化吸收；“八五”國(guó)產(chǎn)化；“九五”產(chǎn)業(yè)化；“十五”高精尖、重大數(shù)控裝備關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件開發(fā)；“十一五”高檔數(shù)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化。 現(xiàn)達(dá)到1500多個(gè)品種，年生產(chǎn)能力40000 1). 2000年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 數(shù)控機(jī)床廠家：100 數(shù)控系

12、統(tǒng)廠家：50 數(shù)控機(jī)床配套廠家：300 年產(chǎn)量：14053臺(tái) 數(shù)控機(jī)床品種：1300 產(chǎn)量數(shù)控化率：8%（95年 3.6%） 2). 2003年產(chǎn)量36000臺(tái)，產(chǎn)值295億元。 3). 2003年19月，海關(guān)統(tǒng)計(jì)機(jī)床進(jìn)口297482.6萬(wàn)美元，出口26630.8萬(wàn)美元 4). 2004年9月，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量5.2萬(wàn)臺(tái)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)占有率27。 5). 2005年，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量接近6萬(wàn)臺(tái)大關(guān)，是九五末期的424倍。 6） 2011年1-12月，全國(guó)數(shù)控金屬切削機(jī)床的產(chǎn)量達(dá)25.7萬(wàn)臺(tái) 7）2012數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量為20.57萬(wàn)臺(tái)1.4.2 中國(guó)的數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床 6). 重要數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家：

13、 北京一機(jī)床 五坐標(biāo)數(shù)控螺旋槳銑床，加工直徑達(dá)6米，可加工10萬(wàn)噸級(jí) 遠(yuǎn)洋海輪用螺旋槳葉輪面； 武漢重型機(jī)床廠 數(shù)控立車，可加工30萬(wàn)KW水輪機(jī)，直徑達(dá)16米，精 度0.02mm。 常州機(jī)床廠 五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床；秦川機(jī)床廠 六軸五聯(lián)動(dòng)全數(shù)控螺旋齒錐 齒輪切齒機(jī)。 北京機(jī)電院 定位精度+-3um 立式加工中心；寧江機(jī)床廠+-8um臥式加工 中心。 7).國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)有： 中國(guó)東方數(shù)控公司，航天數(shù)控，華中等開發(fā)的華中、中華、航天和藍(lán)天；上海開通數(shù)控技術(shù)有限公司KT；北京凱恩帝的KND系列數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控設(shè)備廠的GSK系列數(shù)控系統(tǒng)。8) 存在問(wèn)題：（中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技部，2005/3）缺少關(guān)鍵功能

14、部件生產(chǎn)廠家和社會(huì)配套體系；中高檔數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展緩慢；中高檔數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平與國(guó)外有較大差距。無(wú)法阻止進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)的壟斷局面。落后國(guó)外5-10年1.4.3 數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)和發(fā)展1959年，由美國(guó)的克耐杜列克(Keaney & Trecker)首次研制開發(fā)了具有自動(dòng)換刀裝置和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的加工中心(Machining Center，MC)。20世紀(jì)60年代末，出現(xiàn)了直接數(shù)控系統(tǒng)(Direct NC,DNC)，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接管理和控制一群數(shù)控機(jī)床。1967年，英國(guó)出現(xiàn)了由多臺(tái)數(shù)控機(jī)床連接而成的柔性加工系統(tǒng)，即現(xiàn)在的柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System，F(xiàn)

15、MS)的前身。20世紀(jì)末，出現(xiàn)了以數(shù)控機(jī)床為基本加工單元的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System，CIMS)。20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)了以加工中心或車削中心為主體，配備工件自動(dòng)裝卸和監(jiān)控檢驗(yàn)裝置的柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell，F(xiàn)MC) 。高精度控制高度柔性化資源網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)智能化 高速切削可通過(guò)高速運(yùn)算、快速差補(bǔ)運(yùn)算、超高速通信和高速主軸等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 高主軸轉(zhuǎn)速可減少切削力，有利于克服機(jī)床振動(dòng)，傳入零件中的熱量大大降低，排屑加快，熱變形減小，加工精度和表面質(zhì)量可得到顯著改善。 21世紀(jì)的CNC

16、系統(tǒng)將是一個(gè)高度智能化的系統(tǒng)，可在局部或全局實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自適應(yīng)、自診斷和自調(diào)節(jié)；智能編程、智能監(jiān)控；專家系統(tǒng)可降低對(duì)操作者的要求。1.4.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 提高切削速度，不但可以提高加工效率、而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。90年代以來(lái)，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)/min）、高速且高加/減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（快移速度60120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m/min）、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，

17、達(dá)到了新的技術(shù)水平。依靠快速、準(zhǔn)確的數(shù)字量傳遞技術(shù)對(duì)高性能的機(jī)床執(zhí)行部件進(jìn)行高精密度、高響應(yīng)速度的實(shí)時(shí)處理，由于采用了新型刀具，車削和銑削的切削速度已達(dá)到5000米8000米/分以上；主軸轉(zhuǎn)數(shù)在30000轉(zhuǎn)/分(有的高達(dá)10萬(wàn)轉(zhuǎn)/分)以上；工作臺(tái)的移動(dòng)速度：（進(jìn)給速度），在分辨率為1微米時(shí)，在100米/分（有的到200米/分）以上，在分辨率為0.1微米時(shí)，在24米/分以上；自動(dòng)換刀速度在1秒以內(nèi)；小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到12米/分。根據(jù)高效率、大批量生產(chǎn)需求和電子驅(qū)動(dòng)技術(shù)的飛速發(fā)展，高速直線電機(jī)的推廣應(yīng)用，開發(fā)出一批高速、高效的高速響應(yīng)的數(shù)控機(jī)床以滿足汽車、農(nóng)機(jī)等行業(yè)的需求。1.4.4 數(shù)控機(jī)床

18、的發(fā)展趨勢(shì) 1)高速高精度 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求。新材料及新零件的出現(xiàn)，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝，發(fā)展新型超精密加工機(jī)床，完善現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，以適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展。當(dāng)前，機(jī)械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，達(dá)到5微米；精密加工精度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，超精密加工精度進(jìn)入納米級(jí)（0.001微米），主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到0.010.05微米，加工圓度為0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。精密化是為了適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，也是為了提高普通機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性，減少其裝配時(shí)的工作量從而提高裝配效率的需要。隨著高新技術(shù)的發(fā)展和對(duì)機(jī)電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機(jī)床用戶對(duì)機(jī)床加工精度的要求也越來(lái)越高。為了滿足用戶的需要， 近10多年來(lái)，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10m提高到5m，精密級(jí)加工中心的加工精度則從35m，提高到11.5m Ra Vf Vc 25 0.10 10000 2500 Ra 20 0.08 8000 200015 0.06 6000 1500 Vf Vc10 0.04 4000 1000 5 0.02 2000 5000 1993 1994 1995 1996