数控机床概述2

1、数控机床数控机床 本章提要： 本章主要介绍数控技术、数控机床的基本概本章主要介绍数控技术、数控机床的基本概念、体系结构、工作原理及分类；数控技术及数念、体系结构、工作原理及分类；数控技术及数控装备（机床）的发展动向；数控技术对国民经控装备（机床）的发展动向；数控技术对国民经济的意义济的意义以及数控机床的坐标系统以及数控机床的坐标系统。数控技术数控技术是什么？是什么？1、定义、定义：数控机床：数控机床（Numerical Control Machine Tools） 是采用数字技术形式控是采用数字技术形式控 制的机床。制的机床。第一节第一节 数控机床的定义数控机床的定义即凡是用数字化的代码将加工

2、过程中所需的各种即凡是用数字化的代码将加工过程中所需的各种操作操作和和步骤步骤以及刀具与工件之间的以及刀具与工件之间的相对位移相对位移等信息用数字化的等信息用数字化的指令指令(记录在程序介质上记录在程序介质上)表示出来表示出来， 并并送入计算机或数送入计算机或数控系统经过译码、运算及处理，控制机床的刀具与工件控系统经过译码、运算及处理，控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控数控(NC)机床机床。1) 40年代后期，美年代后期，美 John T. Parsons 提出了数控机床构想设想提出了数控机床构想设想通过控制机床的微小增量运

3、动来加工机翼曲面通过控制机床的微小增量运动来加工机翼曲面 即用记录有坐即用记录有坐标位置的数据的穿孔卡来控制机床的动作，以实现曲线、曲面标位置的数据的穿孔卡来控制机床的动作，以实现曲线、曲面的加工。随后美国空军投入大量军费给的加工。随后美国空军投入大量军费给MIT伺服机构实验室。伺服机构实验室。2) 1952年年 MIT 第一台数控机床样机研制成功第一台数控机床样机研制成功 1953年年 开始应用初步应用开始应用初步应用 MIT 开发了开发了APT编程系统编程系统3) 飞机制造企业对数控机床需求的发展起了推动作用。飞机制造企业对数控机床需求的发展起了推动作用。 飞机结构复杂飞机结构复杂 、精度

4、要求高精度要求高、大量复杂曲面形状零件复杂曲面形状零件、 产量小、转型快，产量小、转型快，其生产特点决定了其急需其生产特点决定了其急需NC设备，设备， 从而为数控机床的发展应用提供了机遇。从而为数控机床的发展应用提供了机遇。2 、数控机床产生的历史背景、数控机床产生的历史背景3. 数控技术数控技术(NUMERICAL CONTROL）：1) 概念概念:以数字化信息实现控制的应用技术以数字化信息实现控制的应用技术3) 数控系统对机床控制的类别数控系统对机床控制的类别:2) 分类分类:硬件数控技术：以硬件作为控制器硬件数控技术：以硬件作为控制器计算机控制计算机控制(CNC): 以计算机作为控制器以

5、计算机作为控制器靠硬件完成运算靠硬件完成运算;功能简单功能简单;存储量小存储量小靠软件完成运算靠软件完成运算;功能强功能强;存储量大存储量大数字控制数字控制: 进给传动控制，即对刀具、工作台的运行的进给传动控制，即对刀具、工作台的运行的 顺序、位移量度以至速度实现控制。顺序、位移量度以至速度实现控制。顺序控制顺序控制: 换刀、主轴调速、冷却液关启、工作台限位等换刀、主轴调速、冷却液关启、工作台限位等4. 数控机床的优点数控机床的优点：n 传统机械式自动机床、仿形机床的缺点：传统机械式自动机床、仿形机床的缺点：1）需要辅助工装）需要辅助工装自动机床自动机床需要制作凸轮、挡块等辅助装置需要制作凸轮

6、、挡块等辅助装置仿形机床仿形机床需要制作标准零件需要制作标准零件2）加工过程是模拟量传递）加工过程是模拟量传递3）加工精度低）加工精度低当加工对象变化时，只需重新编制程序当加工对象变化时，只需重新编制程序n 数控机床与仿形机床相比显著优点：数控机床与仿形机床相比显著优点：4）加工零件变更需重新准备辅助装置）加工零件变更需重新准备辅助装置4) .有利于实现管理和机械加工的自动化。有利于实现管理和机械加工的自动化。2) . 可以提高生产效率，一般可提高加工效率可以提高生产效率，一般可提高加工效率35倍；倍；3) .适合于复杂形状零件加工；适合于复杂形状零件加工；（只提高了编程难度，而无须各种工装）

7、5. 数控机床的缺点数控机床的缺点:1) .设备造价昂贵，机时费用高设备造价昂贵，机时费用高 2) .工作环境要求苛刻（温度、湿度、灰尘等）工作环境要求苛刻（温度、湿度、灰尘等） 3) .操作、编程、维修保养人员素质要求高操作、编程、维修保养人员素质要求高 1) .有利于提高加工精度，保证同批零有利于提高加工精度，保证同批零 件的一致性；件的一致性；概括起来数控机床优点如下：概括起来数控机床优点如下：第二节第二节 数控机床的组成数控机床的组成1. 数控机床的主要组成部分数控机床的主要组成部分 几何信息：确定加工零件的几何形状，几何信息：确定加工零件的几何形状， 如位移、圆如位移、圆心、曲面法矢

8、量等心、曲面法矢量等 . 辅助功能信息：说明加工条件，如刀具几何参数、辅助功能信息：说明加工条件，如刀具几何参数、进给速度和主轴转速、开关冷却液、进给速度和主轴转速、开关冷却液、 程序结束等程序结束等. 准备功能信息：说明插补类型、加工坐准备功能信息：说明插补类型、加工坐 标平面、实标平面、实现刀具半径补偿等现刀具半径补偿等.1) NC程序程序(控制介质）：控制介质）：包含加工过程中的所包含加工过程中的所有信息有信息，主要有：主要有： NC程序传入程序传入NC机床的途径机床的途径:键盘键盘手工敲入手工敲入 、 穿孔穿孔纸带纸带 、拷贝、拷贝、I/O通讯接口通讯接口输入装置：接收外部的输入程序并

9、存储控制器：控制和协调数控装置各部分协调工作运算器：接收控制信息，对集合信息进行插补运算并向输出装置发出进给脉冲输出装置：将脉冲输出给伺服系统2) 数控装置数控装置：由输入装置、控制器、运算器和由输入装置、控制器、运算器和输出装置组成。输出装置组成。数控系统数控系统 数控装置工作流程示图数控装置工作流程示图3) 伺服系统伺服系统 (数控机床运动的动力装置) 构成构成: 驱动装置、伺服电动机、传动丝杠等驱动装置、伺服电动机、传动丝杠等 工作过程工作过程： （弱电（弱电 强电）强电） 脉冲信号脉冲信号 伺服单元放大器伺服单元放大器 电动机运转电动机运转 工作台、主轴移动工作台、主轴移动 丝杠转动丝

10、杠转动 伺服系统是数控装置与机床本体间的传动联系环节，可伺服系统是数控装置与机床本体间的传动联系环节，可以将来自数控装置的以将来自数控装置的脉冲信号脉冲信号转换为机床移动部件的转换为机床移动部件的 运动，使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相运动，使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相 对对运动运动，最后加工出符合图纸的零件。，最后加工出符合图纸的零件。 机床本体主要由床身、导轨、各运动部件、工作台、机床本体主要由床身、导轨、各运动部件、工作台、 刀库、排屑器等组成。刀库、排屑器等组成。5) 检测装置 在机床的坐标轴中安装有在机床的坐标轴中安装有光栅尺光栅尺 等来实时监测运动等来实时监测运

11、动部分的位移量部分的位移量,并与理论值比较并与理论值比较,以确定需补充的运动脉冲以确定需补充的运动脉冲量。量。4) 机床本体机床本体 机床本体指的是数控机床的机械构造实体。它与普通机床本体指的是数控机床的机械构造实体。它与普通机床的差别，主要是机械传动的结构和功能部件要求更高机床的差别，主要是机械传动的结构和功能部件要求更高数控机床工作流程数控机床工作流程第三第三 节节 数控机床的分类数控机床的分类 1. 按工艺用途划分按工艺用途划分一般数控机床一般数控机床数控铣床数控铣床工作特点：工作特点：切削时刀具运动方向不受方向限制切削时刀具运动方向不受方向限制类类 别别: 立铣、卧铣、龙门铣等立铣、卧

12、铣、龙门铣等用用 途途 : 二维轮廓、复杂结构、复杂型面二维轮廓、复杂结构、复杂型面等等 ，可用于孔加工，可用于孔加工数控车床数控车床数控镗床数控镗床工作特点：刀具不旋转，零件旋转工作特点：刀具不旋转，零件旋转 刀具只做轴向与径向运动刀具只做轴向与径向运动用用 途：用于加工回转类零件途：用于加工回转类零件 用用 途：用于精度较高的孔加工途：用于精度较高的孔加工 工作特点：工作时镗刀只能沿机床主工作特点：工作时镗刀只能沿机床主 轴方向运动轴方向运动精度等级：精度等级：0.01mm以内以内数控钻床数控钻床数控冲床数控冲床用用 途：传统机械孔及电子线路版孔加工途：传统机械孔及电子线路版孔加工 工作特

13、点：刀具旋转工作特点：刀具旋转,钻孔时钻头只做轴向进给钻孔时钻头只做轴向进给效率极高，效率极高，300-400孔分，孔径：孔分，孔径：Min可达可达0.1mm用用 途：用于钣金件的孔与形状加工途：用于钣金件的孔与形状加工工作特点：工作时，冲头不旋转，只做轴向进给工作特点：工作时，冲头不旋转，只做轴向进给效率高，效率高，300-00孔分孔分数控磨床数控磨床用用 途：用于配合面的加工，表面质量精度高途：用于配合面的加工，表面质量精度高工作特点：磨头高速旋转工作特点：磨头高速旋转,可做三个方向的运动可做三个方向的运动精度等级：精度等级：0.005-0.001mm以内以内思考：孔有那些加工方法？并按精

14、度等级排序。思考：孔有那些加工方法？并按精度等级排序。数控加工中心数控加工中心： 带有带有刀库及自动换刀装置刀库及自动换刀装置的数控机床，习惯上称为的数控机床，习惯上称为加加工中心工中心Machining Center,可使多道工序在一次装可使多道工序在一次装夹中完成，使加工精度和效率大大提高。夹中完成，使加工精度和效率大大提高。 加工中心的优点：加工中心的优点：a. 可以减少机床数量，便于管理，对于多工序的零件只要一台机床可以减少机床数量，便于管理，对于多工序的零件只要一台机床就能完成全部工序加工，并可以减少半成品的库存率；就能完成全部工序加工，并可以减少半成品的库存率；b. 可以减少多次装

15、夹的定位误差，提高零件加工精度；可以减少多次装夹的定位误差，提高零件加工精度；c. 由于工序集中，减少了辅助时间，提高了生产率；由于工序集中，减少了辅助时间，提高了生产率；d. 大大减少了专用工夹量具的数量，进一步缩短了生产准备时间，大大减少了专用工夹量具的数量，进一步缩短了生产准备时间， 降低了成本降低了成本 。2. 按运动轨迹划分按运动轨迹划分始 点终 点123451) 点位控制（点位控制（Positioning Control）数控机床）数控机床：特点：只控制起点和终点的精确位置，与中间过程无关特点：只控制起点和终点的精确位置，与中间过程无关包括：包括： 数控钻、数控镗、数控冲床和数控测

16、量机数控钻、数控镗、数控冲床和数控测量机共性：中间过程属共性：中间过程属“非切削段非切削段”加工零件类型：带台阶的圆柱零件、方形零件加工零件类型：带台阶的圆柱零件、方形零件线。它是点位控制和单坐标控制的结合，可有多个线。它是点位控制和单坐标控制的结合，可有多个坐标但不能联动，起终点之间属坐标但不能联动，起终点之间属“切削段切削段”。这类机床不仅能保证刀具在相关点的定位，还要控这类机床不仅能保证刀具在相关点的定位，还要控制刀具沿某一个坐标轴方向作制刀具沿某一个坐标轴方向作直线直线运动的速度和路运动的速度和路该类设备有：简易数控车床、数控铣床等该类设备有：简易数控车床、数控铣床等2) 点位直线控制

17、数控机床：点位直线控制数控机床：实现两个或两个以上坐标做关联运动，即联动实现两个或两个以上坐标做关联运动，即联动21XYO移动轨迹始点最终点3) 轮廓控制数控机床：轮廓控制数控机床：控制内容：程序规定的轨迹、速度控制内容：程序规定的轨迹、速度该类设备有：数控车床、数控铣床、数控磨床和电加该类设备有：数控车床、数控铣床、数控磨床和电加工机床等。工机床等。加工零件类型：可加工曲线、曲面类零件加工零件类型：可加工曲线、曲面类零件3. 按伺服系统控制方式划分按伺服系统控制方式划分 按照对机床所走的实际位置有无反馈划分：按照对机床所走的实际位置有无反馈划分： 开环系统开环系统 ： 半闭环系统半闭环系统

18、：闭环系统闭环系统 ：补偿没跟上机床怎么处理？补偿没跟上机床怎么处理？无反馈无反馈,精度低精度低,中小型设备中小型设备,成本低成本低有反馈有反馈 ,精度高精度高,精密、大型设备精密、大型设备,成本高成本高有部分反馈有部分反馈,精度较高精度较高,中小型设备中小型设备,成本适中成本适中那种机床稳定性好？那种机床稳定性好？ 三种机床的作用？三种机床的作用？(1)开环系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。决于伺服驱动系统和机

19、械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。（2）闭环控制数控机床 全闭环数控系统的位全闭环数控系统的位置采样点如图的虚置采样点如图的虚线所示，直接对运线所示，直接对运动部件的实际位置动部件的实际位置进行检测。进行检测。从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环

20、节的误差、间隙和从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。床以及较大型的数控机床等。（3）半闭环控制数控机床该系统的位置采样点该系

21、统的位置采样点如图所示，是从驱如图所示，是从驱动装置动装置(常用伺服电常用伺服电机机)或丝杠引出，采或丝杠引出，采样旋转角度进行检样旋转角度进行检测，不是直接检测测，不是直接检测运动部件的实际位运动部件的实际位置。置。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进。因

22、此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代在现代CNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。4. 按同时控制的坐标轴划分：按同时控制的坐标轴划分：两坐标、三坐标、四坐标、五坐标两坐标、三坐标、四坐标、五坐标NC机床机床）两坐标）两坐标NC机床：机床：类型：线切割、二坐标铣（二轴半）类型：线切割、二坐标铣（二轴半）用途：可加工二维轮廓零件。用途：可加工二维轮廓零件。三轴联动的三轴联动的NC机床机床: 可实现可实现X 、

23、Y 、Z三个坐标联动三个坐标联动用途：可用于加工曲面类零件用途：可用于加工曲面类零件坐标轴及转角是如何规定的坐标轴及转角是如何规定的?四坐标联动四坐标联动:除、外还可和另一旋转轴实现联动除、外还可和另一旋转轴实现联动用途：可加工各种曲面、四轴直纹面叶轮、螺旋类零用途：可加工各种曲面、四轴直纹面叶轮、螺旋类零件和平面内斜孔的壳体类零件。件和平面内斜孔的壳体类零件。类别：类别：按旋转轴划分：、按旋转轴划分：、与三坐标机床相比它的加工范围、精度都得到了提高。与三坐标机床相比它的加工范围、精度都得到了提高。用途：理论上可实现空间在不干涉情况下任何复杂结构零用途：理论上可实现空间在不干涉情况下任何复杂结

24、构零件的加工，如加工曲面变斜角、各种叶轮、闭式叶件的加工，如加工曲面变斜角、各种叶轮、闭式叶 盘、带有空间斜孔的复杂壳体类零件盘、带有空间斜孔的复杂壳体类零件4) 五坐标联动：五坐标联动： 除、外还可和两个旋转轴实现联动除、外还可和两个旋转轴实现联动（、）（、）多坐标多坐标NC机床演示机床演示结构：两个旋转坐标都在主轴上；结构：两个旋转坐标都在主轴上；两个旋转坐标都在工作台上；两个旋转坐标都在工作台上；一个旋转坐标在主轴上，另一个在工作台上一个旋转坐标在主轴上，另一个在工作台上5) 所谓的所谓的“超五坐标超五坐标”NC机床及实质机床及实质评价数控机床的性能的评价数控机床的性能的综合指标综合指标

25、: :机床精度机床精度- - 定位精度定位精度 重复定位精度重复定位精度机床的主轴转速机床的主轴转速转转/ /分钟分钟, rpm, rpm机床的快速进给机床的快速进给毫米毫米/ /分钟分钟, mm/min., mm/min.机床坐标轴数机床坐标轴数-X Y Z A B C-X Y Z A B C机床行程及工作台大小机床行程及工作台大小-圆形、方、长方圆形、方、长方 XYZ ABC XYZ ABC数控系统类别型号数控系统类别型号- FANUC - FANUC 、SIEMENSSIEMENS、HEIDENHAIN 等等机床的脉冲当量机床的脉冲当量-0.001-0.001、0.005 0.005 、

26、0.01 0.01 开、闭环系统开、闭环系统- - 开、闭、半闭开、闭、半闭是否为加工中心及刀库数量是否为加工中心及刀库数量注注: :数控实验室现场参观题数控实验室现场参观题 . .第四节第四节 数控加工中的几个基本概念数控加工中的几个基本概念1. 机床的切削运动机床的切削运动 概念：概念： 刀具相对工件运动，并进行切削的过程。刀具相对工件运动，并进行切削的过程。切削运动是相对运动，一般视工件为静止，而刀具运动切削运动是相对运动，一般视工件为静止，而刀具运动切削运动的构成：切削运动的构成：刀具的整体移动：平移摆动刀具的整体移动：平移摆动刀具自身的旋转运动刀具自身的旋转运动2. 数控编程方法数控

27、编程方法 数控编程可以分为手工编程手工编程和自动编程自动编程两种 手工编程手工编程 是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即从零件图纸分析、工艺处理、确定加工路线和工艺参数、自动编程自动编程 即用计算机来实现零件的数控编程工作，即把零件的几何尺寸和数据输入计算机，根据计算机建立的零件数学模型来计算刀具加工轨迹，生成数控加工程序的过程， 主要有APT语言编程语言编程和图像编程图像编程 。计算数控机床所需输入的数据、编写零件的数控加工程序单直至程序的检验，均由人工来完成。，第五节第五节 数控机床的特点与发展趋势数控机床的特点与发展趋势1. 现代数控机床的特点现代数控机床的特点1) 具有较大柔性2)

28、能获得较高的加工精度3) 便于加工复杂形状的零件4) 机床的使用、维护技术要求高2. 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 普通机床的加工是靠人为的摇动手柄控制的，那么数控机床是如何让刀架自动走到我们想要的位置呢？用什么方法来表示刀架的移动及其具体位置呢？补充知识补充知识 数控机床的坐标系数控机床的坐标系知识要点：一、数控机床坐标系的作用二、数控机床坐标系的组成三、数控机床坐标系的基本原则 四、坐标轴运动方向的确定 数控机床坐标系是为了确定工件数控机床坐标系是为了确定工件在机床中的位置，机床运动部件特殊在机床中的位置，机床运动部件特殊位置及运动范围，即描述机床运动，位置及运动范围，即描述机床运

29、动，产生数据信息而建立的几何坐标系。产生数据信息而建立的几何坐标系。知识点一：数控坐标系的作用知识点一：数控坐标系的作用工件坐工件坐标系标系原点原点机床坐机床坐标系标系原点原点知识点二：数控坐标系的组成知识点二：数控坐标系的组成X轴Z轴Y轴原点知识点三：数控机床坐标系确定 右手笛卡尔坐标系 伸出右手的大拇指、食指和中指，并互为90。则大拇指代表X坐标，食指代表Y坐标，中指代表Z坐标。方法方法ZXZZZX“趁热打铁”利用右手直角笛卡尔坐标系判定下列第三轴的方向（1）（2）OO原则原则知识点三：数控机床坐标系确定工件工件相对相对静止静止而刀而刀具运具运动的动的原则原则刀具刀具远离远离工件工件的方的

30、方向为向为坐标坐标轴正轴正方向方向机床的坐机床的坐标轴标轴X、Y、Z的判的判定顺须是：定顺须是：先先Z轴，再轴，再X轴，最后轴，最后右手直角右手直角笛卡尔坐笛卡尔坐表系判定表系判定Y轴轴132工件工件相对相对静止静止而刀而刀具运具运动的动的原则原则1刀具刀具远离远离工件工件的方的方向为向为坐标坐标轴正轴正方向方向2机床的坐机床的坐标轴标轴X X、Y Y、Z Z的判的判定顺序是：定顺序是：先先Z Z轴，再轴，再X X轴，最后轴，最后右手直角右手直角笛卡尔坐笛卡尔坐表系判定表系判定Y Y轴轴3工件工件相对相对静止静止而刀而刀具运具运动的动的原则原则1工件工件相对相对静止静止而刀而刀具运具运动的动的

31、原则原则1工件工件相对相对静止静止而刀而刀具运具运动的动的原则原则1知识点四：坐标轴运动方向的确定知识点四：坐标轴运动方向的确定Z Z坐标轴的运动由传递切削力的主轴决定，其正方向为增加刀具和工件之间距离的方向。X X坐标轴的运动是水平的，它平行于工件装夹面。 Y Y坐标轴根据X、Z坐标轴，按照右手直角笛卡儿坐标系确定。2、旋转运动 旋转运动A、B、C相应地表示其轴线平行于X、Y、Z的旋转运动，其正方向按照右旋螺纹旋转的方向。 4 4轴联动的数控机床的坐标系轴联动的数控机床的坐标系四 机床坐标系与工件坐标系1机床坐标系与机床原点、机床参考点(1)机床坐标系 机床坐标系是机床上固有的坐标系，是用来确定工件坐标系的基本坐标系，是确定刀具(刀架)或工件(工作台)位置的参考系，并建立在机床原点上。(2)机床原点 现代数控机床都有一个基准位置，称为机床原点