数控教育讲习一.ppt

第一节数控机床的基本概念 第二节数控机床的分类与应用 第三节数控机床的发展 第一章概论 将机床数字控制向机电一体化方向发展 高等院校机制工艺的学生必须学好这门课 本讲课主要介绍 数控机床的概论部分 希望同学们认真学习 一 数控机床的产生二 数控机床的组成和工作原理三 数控机床涉及的基本技术 第一章第一节数控机床的基本概念 发展 机械加工工艺过程的自动化 质量对产品生产率 要求 越来越高 解决的重要措施之一 一 数控机床的产生 科学技术社会生产 大批量生产采用 刚性 自动化设备 小批量生产采用 柔性 自动化设备 数字控制机床等灵活通用的 能适应产品频繁变化的柔性自动化机床 设备 自动机床 组合机床 专用自动线等刚性自动化机床 设备 将加工过程所需的各种操作 如主轴变速 松夹工件 进刀与退刀 开车与停车 选择刀具 供给冷却液等 和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码表示 通过控制介质 如穿孔纸带或磁带 将数字信息送入专用的或通用的计算机 计算机对输入的信息进行处理与运算 发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件 使机床自动加工出所需要的工件 数控机床 世界上第一台数控机床是数控镗铣加工中心机床 产生于20世纪40年代 1948年由美国帕森斯 ParsonsCo 公司提出利用电子计算机控制机床加工复杂曲线样板 1952年由美国军方和麻省理工学院 MIT 研制出了第一台三坐标立式数控铣床 答 四个步骤 二 数控机床的组成和工作原理 首先了解一下在数控机床上加工零件通常需要几个步骤 根据程序单 制作穿孔带 通过阅读装置将穿孔带的代码逐段输入到数控装置 数控装置将代码进行译码 寄存和运算之后 向机床伺服机构发出讯号 以驱动机床的各个运动部件 并控制其它必要的辅助操作 如变速 开关冷却液 松夹工件及刀具转位等 最后加工出合格的零件 1 根据加工零件的图纸与工艺方案 用规定的代码和程序格式编写程序单 图示的机床组成方式为 开环系统 程序载体 数控装置 伺服系统 机床部分 测量装置 检测反馈 机床上加虚线部分的测量装置后机床组成方式为 闭环系统 可以将机床所得到的检测结果再反馈到数控装置中去 由此 可知数控机床通常由四部分组成 程序载体 输入装置 数控装置 伺服驱动系统 强电控制装置 检测装置 机床 主运动 进给运动 辅助操作 具体而言 数控机床的基本组成如下图所示 常用的控制介质有 穿孔带 穿孔卡 磁带 使用最多的是八位标准穿孔带 如图所示 1 程序载体 人要对数控机床进行控制必须在人与机床之间建立某种联系 这种联系的中间媒介物即 程序载体 又称控制介质 输入装置的作用就是程序载体上的数控代码信息转换为相应的电脉冲信号传送至数控装置的内存储器 输入装置最早使用光电阅读机阅读穿孔带 以后大量使用磁记录原理的磁带机和软盘驱动器 还有通过数控装置控制面板上的输入键 按工作的程序清单用手工方式直接输入内存储器 也可以用通信方式由计算机直接传送给数控装置 2 输入装置 阅读装置分为机械式和光电式两种 如图 光电穿孔带阅读机的原理是 用红外光敏元件识别穿孔带上每排孔的代码 将孔的排列图案转换为电信号送数控装置 输入装置 接受由穿孔带阅读机输出的代码 经过识别与译码之后分别输送到个相应的寄存器 这些指令与数据将作为控制器与运算器的原始数据 3 数控装置 是数控机床的中心环节 控制器 接受输入装置的指令 根据指令控制运算器与输出装置 以实现对机床的各种操作 如主轴的变速或冷却液的开关 以及控制整机的工作循环 运算器 接受控制器的指令 将输入装置送来的数据进行某种运算 并不断地向输出装置送出运算结果 使伺服系统执行所要求的运动 输出装置 根据控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统 经过功率的放大 驱动相应的坐标轴 使机床完成刀具相对工件的运动 4 强电控制装置 主要功能是接受数控装置所控制的内置式可编程控制器 PLC 输出的主轴变速 换向 启动或停止 刀具的选择和更换 分度工作台的转位和锁紧 工件的夹紧或松开 切削液的开或关等辅助操作的信号 经功率放大直接驱动相应的执行元件 诸如接触器 电磁阀等 从而事先数控机床在加工过程中的全部自动操作 伺服系统包括 驱动装置 执行部件两大系统 常用伺服系统有 功率步进电动机 直流伺服电动机 交流伺服电动机等伺服系统与脉冲编码器的组合构成了较理想的半闭环伺服系统 已经被广泛采用 5 伺服系统 是数控机床的最后环节 伺服系统接受来自数控装置的指令信息 严格按照指令信息的要求带动机床的移动部件 以加工出符合图纸要求的零件 通常对数控机床设计在机床的精度 静刚度 动刚度和热刚度等方面提出了更高的要求 而传动链则要求尽可能简单 目的是为了满足数控技术的要求和从分发挥数控机床的特点 6 机床 与传统的机床相比 数控机床的外部造型 整体布局 传动系统 支撑系统 排屑系统与刀具系统的部件结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化 第一节数控机床的基本概念 第二节数控机床的分类与应用 第三节数控机床的发展 第一章概论 将机床数字控制向机电一体化方向发展 高等院校机制工艺的学生必须学好这门课 本次课主要介绍 数控机床的概论的第二部分 希望同学们认真学习 一 按工艺用途分类 二 按运动方式分类 三 按控制方式分类 四 数控机床的精度与应用范围 第一章第二节数控机床的分类与应用 通常可以按三种不同的角度分类 2 属于非金属切削机床的数控冲床 压力机 弯管机 折弯机 线切割机床 焊接机 火焰切割机 等离子切割机 激光切割机和高压水切割机等 一 按工艺用途分类 3 在非加工设备中大量采用的有自动装配机 多坐标测量机 自动绘图机和工业机器人等 1 最普通的数控机床使钻床 车床 镗床 磨床与齿轮加工机等金属切削类机床 它们都适用于单件 小批量和多品种的零件加工 具有很好的加工尺寸和一致性 很高的生产率和自动化程度 4 加工中心机床是带有刀库和自动换刀装置的数控镗铣床 它的出现打破了一台机床只能进行一种加工的传统概念 由于有效地避免了多次装夹造成的定位误差 且减少了机床的台数和占地面积 极大地提高了生产率和加工自动化程度 五面体加工中心机床可以在一次装夹中完成除安装面以外箱体类所有表面的加工 车削加工中心可以在一次装夹中完成回转体零件的所有加工工序 包括车削内外表面 铣平面 铣槽 钻孔和攻螺纹等工序 二 按运动方式分类 最典型的点位控制数控机床有数控钻床 数控坐标镗床 数控点焊机和数控弯管机 a 点位控制 特点是机床移动部件只能实现一个位置到另一个位置的精确移动 在移动和定位过程中不进行任何加工 机床移动部件的运动路线并不影响加工的孔距精度 特点是能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制 它不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标 而且要控制整个加工过程每一点的速度与位移量 由于智能作简单的直线运动 因此不能实现任意的轮廓轨迹加工 b 点位直线控制系统 特点是能够对两个或两个以上的坐标同时进行控制 它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标 而且要控制整个加工过程每一点的速度和位移量 即要控制移动轨迹 将工件加工成一定的轮廓形状 轮廓控制需要在加工过程中不断进行多坐标轴之间的插补运算 实现相应的速度和位移控制 轮廓控制包含了点位和点位直线控制 c 轮廓控制 又称连续控制 三 按控制方式分类 a 开环控制系统 不带反馈装置 丝杠上装有角位移检测装置 b 半闭环控制系统 机床移动部件位置上直接装有直线检测装置 c 闭环控制系统 第一节数控机床的基本概念 第二节数控机床的分类与应用 第三节数控机床的发展 第一章概论 将机床数字控制向机电一体化方向发展 高等院校机制工艺的学生必须学好这门课 本次课主要介绍 数控机床的概论的第二部分 希望同学们认真学习 数控机床是综合应用了微电子 计算机 自动检测及精密机械等多学科的最新技术成果而发展起来的完全新型的机床 标志着机械制造业进入了数字化的时代 数控系统经历了从硬件数控到计算机数控两个阶段 从电子管到基于个人计算机平台的数控六代的发展 控制轴数已由单轴的点位控制 两轴联动发展到五轴以上联动 数控机床正向高速化 高精度化和高智能化方向发展 数控系统必须能够高速计算和处理伺服系统的位移量并做出快速相应 第一章第三节数控机床的发展 一 机床结构的发展 二 数控系统的发展 三 伺服系统执行机构的发展 四 自适应控制的应用 五 以数控机床为基础的自动化生产系统 本节内容安排如下 60年代初 在一般机床的基础上又开发了数控机床加工中心机床 如图 一 机床结构的发展 60年代之前 普遍采用一般机床 如图所示为带两个交换工作台的卧式镗铣加工中心机床 如图 它的设计思想是为了在一次装夹中完成除了安装底面以外的所有表面和精密孔系加工 20世纪70年代后期在数控加工中心机床的基础上又发展了五面体加工中心 如图所示即为可调整轴线位置的万能主轴部件 上图中 其主轴部件可以自动更换为立式或卧式布局 以满足工件不同表面的加工需要 带有工业机器人和工件交换系统的车削加工中心和带有工件交换系统的数控齿轮加工机床已被广泛采用 如图所示 在数控加工中心出现以后 加工工序的进一步集中 仍然是数控机床发展的趋势 六杆数控机床 又称虚拟轴机床 是20世纪最具革命性的机床运动结构的突破 如图所示 在计算机数控多轴联动技术和复杂坐标快速变换运算方法发展的基础上 20世纪60年代出现的Stewart平台概念 到20世纪90年代初应用在数控机床上成为可能 六杆数控机床既有采用滚珠丝杠驱动 又有采用滚珠螺母驱动 六杆数控机床的关键技术之一是六对球面支承的设计与制造 球面支承将对运动平台的运动精度和定位精度产生直接影响 六杆数控机床采用运动聚合原理 改变传统的机床结构和布局 六杆数控机床还避免了传统机床的几何结构误差 六杆结构使误差平均化 因而能够达到很高的重复定位精度 六杆数控机床的结构较简单 而且由六套完全相同的功能部件构成 使成本下降 70年代出现由一台计算机直接控制几台数控机床的加工过程的控制方式 形成所谓计算机直接控制系统 DNC 在此基础上发展成为由几台数控机床组成的 有工件自动运输系统和其它管理功能的柔性制造系统 FMC 二 数控系统的发展 数控装置采用的元器件 最初为电子管后来为半导体晶体管今天为超大规模集成电路 目前 数控系统大都采用多个 CPU 组成的计算机作为数控装置 CNC 的核心 70年代 美国盖梯茨公司首先研制成功了大惯量直流伺服电机即通常指的宽调速直流伺服电机 80年代初期由美国通用电气公司研制成功了采用鼠笼式异步交流伺服电机的交流伺服系统 86年之后推出并采用了数字伺服系统的数控机床 数字伺服系统的出现初进了高进度数控机床的发展 三 伺服系统执行机构的发展 60年代初期与中期 欧美一些国家采用液压伺服系统 这种液压系统与传统的伺服电机相比 响应时间短 驱动部件的外形尺寸小 四 自适应控制的应用 自适应控制技术是自控技术的一个分支 数控机床采用自适应控制之后 在提高生产效率 延长刀具使用寿命和改善表面质量等方面均有明显效果 五 以数控机床为基础的自动化生产系统 1 计算机直接数控 DNC 即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程 编程结果直接送给各台数控机床的数控箱 也称为计算机群控系统 FMS是一种在批量加工条件下高柔性和高自动化程度的制造系统 其特点 采用DNC控制方式 采用交换工作台或工业机器人 各台机床间有工件自动输送系统 配有管理信息系统 具有动态平衡的功能 能进行最佳化调度 2 柔性制造系统 FMS CIMS的核心是一个公用的数据库 对信息进行存储与管理 并与各计算机系统进行通讯 同时它需要 CAD CAM系统CAP CAC系统加工自动化系统 3 计算机集成制造系统 CIMS 五轴联动数控机床图例Mazak柔性制造系统图例Mazak板材加工柔性生产系统图例自动加工生产线图例 第二节数控机床主传动系统及主轴部件 第三节数控机床的进给系统 第四节数控机床回转工作台 第五节数控加工使用的刀具及自动换刀系统 第六节数控加工用辅助装置 第二章数控机床的结构 第一节数控机床的结构要求 一 模块化和机电一体化二 提高机床的静 动刚度三 减少机床的热变形四 减少运动件的摩擦和消除传动间隙五 提高机床的寿命和精度保持性六 减少辅助时间 改善操作性 第二章第一节数控机床的结构要求 而专用型数控机床对某具体的零件虽然具有良好的经济性 但它限制了加工对象的品种变化 使生产柔性下降 模块化设计思想正是为解决上述矛盾而提出的 它具有灵活的机床配置 通用型数控机床虽然能够很好地满足各类用户的需求 但由于机床的功能过于齐全 使售价提高 用户不得不为多余的功能承担额外的费用 成本的上升必然会削弱产品在市场上的竞争力 一 模块化和机电一体化 如果把各个部件的基本单元作为基础 按不同功能 规格和价格设计成多种模块 用户可以按需要选择最合理的功能模块配置成整机 这不仅能降低数控机床的设计和制造成本 而且能缩短设计和制造周期 最终赢得市场 数控机床的机电一体化是对总体设计和结构设计提出的重要要求 它是指在整个数控机床功能的实现以及总体布局方面必须综合考虑机械和电气两方面的有机结合 数控机床通常由床身 立柱 主轴箱 工作台 刀架系统及电气总成等部件组成 由于数控机床是由程序控制加工的 由机床床身 导轨 工作台 刀架和主轴箱的几何精度与变形所产生的定位误差取决于它们的结构刚度 为了提高数控机床主轴的刚度 除了经常采用三支承结构以外 还可选用刚性很好的双列短圆柱滚子轴承和角接触向心推力轴承 以减小主轴的径向和轴向变形 加强肋板的结构对机床大件的刚度有明显的影响 二 提高机床的静 动刚度 如图为方形截面立柱加强肋板类型示意图 下表给出了立柱在加肋前后的静刚度的比值 如图 在大型数控机床中 利用重块平衡结构减少移动载荷给机床的变形带来的对横梁变形的影响 也可以把横梁的导轨加工成中凸形抵消变形 刀架是数控车床的薄弱环节 为了能够进行稳定的重切削 需提高刀架刚度 除了注意转台大小和刀具数的合理设计外 还应尽可能减小a b的数值 在刀具外伸量一定的情况下 增大刀架底座的尺寸是提高刚度的有效途径 提高机床各部件的接触刚度能够增加机床的承载能力 采用刮研的方法可以增加单位面积上的接触点 在结合面之间施加足够大的预加载荷也能够增加接触面积 提高接触刚度 数控机床的主运动功率比同类型普通机床的主运动功率大得多 在保证静刚度的前提下 还必须提高其动刚度 切削中的振动不仅直接影响工件的加工精度和表面质量 还会降低刀具寿命 甚至使加工无法继续 改善动态特性的方法主要是 提高系统的静刚度 增加阻尼以及调整构件的质量和自身频率 钢板的焊接结构既可以增加静刚度 减小结构质量 又可以增加构件本身的阻尼 封砂铸件有利于振动的衰减 提高抗振性 设计机床构件时 还可以通过调整质量来改变系统的自振频率 数控机床中的旋转零部件应尽可能进行良好的动平衡 以减少强迫振动源 或用弹性材料将振源隔离 以减少振源对机床的影响 数控机床在内外热源的影响下 各部件将发生不同程度的热变形 使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破坏 也使机床精度下降 机床热变形产生的主要原因是热源及机床各部分的温差 热源通常包括加工中的切屑 运转的电动机 液压系统 传动件的摩擦以及机床外部的热辐射等 机床零件的材料 结构 形状和尺寸的不一致也是产生热变形的重要因素 三 减少机床的热变形 如图a 主轴箱内的传动件所产生的热量使立柱向上变形 产生偏差 Y1 如图b 在液压油泵及其它传动元件发热的影响下 床身沿纵向产生中间凸起的变形 如图c 床身纵向的伸长使支承丝杠的轴承向左移动 产生偏差 X 如图d 由于电动机所产生热量 使立柱倾斜 造成偏差 Y2 1 减少发热 机床内部发热是产生热变形的主要热源 应当尽可能地将热源从主机中分离出去 主轴部件上采用精密滚动轴承 进行油污润滑 还可采用静压轴承 避免适用摩擦离合器 加工时的切屑是一个热源 可以在工作台或导轨上装设隔热板 适用切屑液时控制切屑液的温度 润滑油在传动件之间流过 带走摩擦热 所以需要将油池移出机床 或对油池进行温度控制 液压油泵及其油池也是机床上的又一热源 需选择合理的供油量 供油量变化的系统采用变量泵 减少机床热变形的措施有 2 控制温升 在减少热源之后 还必须通过良好的散热和冷却来控制温升 以减少热源影响 一种方法是在机床的发热部位进行强制冷却 但制冷系统的冷却能力必须适当 方法二是 在机床低温部分通过加热的方法 使机床各点的温度趋于一致 3 改善机床结构 机床结构对热变形也有很大影响 数控机床过去采用的单立柱结构有可能被双立柱结构所代替 对于数控车床的主轴箱 应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上 如图 减小主轴中心与主轴箱底面的距离 尺寸H 可以减少热变形的总量 对于数控机床中的滚珠丝杠 可以用预拉的方法减少丝杠的热变形 该方法是在加工滚珠丝杠时 使螺距略小于名义值 装配时对丝杠进行预拉伸 使其螺距达到名义值 当丝杠工作而受热时 丝杠中的拉应力补偿了热应力 既减少了热伸长的影响 又提高了丝杠的刚度 另外 还可以根据测量结果 由数控系统发出补偿脉冲加以修正 也可以采用特殊的调节元件消除热位移 如图 第二节数控机床主传动系统及主轴部件 第三节数控机床的进给系统 第四节数控机床回转工作台 第五节数控加工使用的刀具及自动换刀系统 第六节数控加工用辅助装置 第二章数控机床的结构 第一节数控机床的结构要求 一 数控机床主运动的特点二 数控机床主轴的变速方式三 主轴部件 第二章第二节数控机床主传动系统及主轴部件 数控机床与普通机床比较具有以下特点 1