数控机床课件

1、第一章第一章 数控机床概述数控机床概述第一节第一节 数控机床的基本概念数控机床的基本概念第二节第二节 数控机床的坐标系数控机床的坐标系第一节第一节 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 一、数控技术的发展史一、数控技术的发展史二、数控技术的发展趋势二、数控技术的发展趋势三、数控机床在机械制造业中的优势三、数控机床在机械制造业中的优势四、数控机床的组成四、数控机床的组成五、数控机床的加工原理五、数控机床的加工原理 一、数控技术的发展史一、数控技术的发展史 1 1、19461946年世界上诞生了第一台电子计算机。年世界上诞生了第一台电子计算机。 2 2、第一台计算机诞生、第一台计算机诞生6 6年年

2、后，即在后，即在19521952年，计算机技年，计算机技术应用到了机床上。术应用到了机床上。 19521952年美国空军当局委托美国麻省理工大学与帕年美国空军当局委托美国麻省理工大学与帕森斯公司合作研制了第一台三坐标数控铣床森斯公司合作研制了第一台三坐标数控铣床. . 此后此后, ,英国和日本在英国和日本在19581958年、德国在年、德国在19591959年相继年相继制造出数控机床制造出数控机床 从此，传统的机床产生了质的变化。从此，传统的机床产生了质的变化。 第一台数控机床诞生至今五十年以来，数控机床的核心数控系统的发展经历了二个阶段和六代的发展。 1.数控（NC）阶段 2. 计算机数控（

3、CNC）阶段 数控（NC）阶段（19521970） 早期的计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据早期的计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响不大，但它不能适应机床实时控制的要求。处理影响不大，但它不能适应机床实时控制的要求。 人们不得不采用数字逻辑电路，搭成机床专用计算机人们不得不采用数字逻辑电路，搭成机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARDHARDWIRED NCWIRED NC）, ,简称为数控（简称为数控（NCNC）。）。 随着电子元器件的发展，这个阶段又历经三代随着电子元器件的发展，这个阶段又历经三代: : 1952 1

4、952年的第一代电子管计算机组成的数控系统；电子管计算机组成的数控系统； 1959 1959年的第二代晶体管计算机组成的数控系统；晶体管计算机组成的数控系统； 1965 1965年的第三代小规模的集成电路计算机组成的数控系统。小规模的集成电路计算机组成的数控系统。计算机数控（计算机数控（CNCCNC）阶段）阶段 这一阶段从这一阶段从19701970年开始至今。年开始至今。19701970年研制成功大规模年研制成功大规模 集成电路，并将其用于通用小型计算机。此时的小型计算集成电路，并将其用于通用小型计算机。此时的小型计算 机，其运算速度比五、六十年代的计算机有了大幅度的提机，其运算速度比五、六十

5、年代的计算机有了大幅度的提 高。比专门搭成的专用计算机成本低，可靠性高。于是，高。比专门搭成的专用计算机成本低，可靠性高。于是， 小型计算机被用作数控系统的核心部件，从此进入了计算小型计算机被用作数控系统的核心部件，从此进入了计算 机数控（机数控（CNCCNC）阶段。）阶段。 计算机数控阶段也经历了三代计算机数控阶段也经历了三代: : 19701970年第四代年第四代小型计算机数控系统；小型计算机数控系统； 1974 1974年第五代年第五代微处理器组成的数控系统微处理器组成的数控系统 19901990年第六代年第六代基于基于PCPC的数控系统的数控系统 。v19481956年 数控机床处于研

6、究试制阶段v19561960年 数控机床处于工业应用阶段v1960年以后 数控机床处于高速发展阶段v20世纪70年代末、80年代初数控机床得到广泛的普及和应用国内数控技术的发展情况国内数控技术的发展情况 我国数控技术是从我国数控技术是从19581958年开始研制的：年开始研制的：19581958年年19651965年年我国数控机床处于研制、开发时期，比国外我国数控机床处于研制、开发时期，比国外相比起步晚了十年；相比起步晚了十年；19681968年年清华大学研制成功我国第一台小型数控立铣；清华大学研制成功我国第一台小型数控立铣；19801980年前年前我国数控机床我国数控机床8080为线切割机床

7、为线切割机床( (低端数控机床低端数控机床) )；19801980年后年后引进日、美等国的数控装置及伺服系统的技术，开引进日、美等国的数控装置及伺服系统的技术，开始合资批量生产一些数控机床，数控装置的稳定性、可靠性始合资批量生产一些数控机床，数控装置的稳定性、可靠性有了明显的改善，开始为用户所接受；有了明显的改善，开始为用户所接受；19851985年后年后我国已经能生产我国已经能生产4545种各类数控机床来满足工业发展种各类数控机床来满足工业发展的需要，同时数控机床功能部件的专业厂也逐渐形成规模；的需要，同时数控机床功能部件的专业厂也逐渐形成规模；19901990年中期年中期 国产数控装置也开

8、始崭露头角，进入国产数控装置也开始崭露头角，进入2121世纪，国产世纪，国产的数控系统才开始形成生产规模，拥有自主版权的五轴联动的数控系统才开始形成生产规模，拥有自主版权的五轴联动数控系统，打破了西方对高端数控系统的垄断。数控系统，打破了西方对高端数控系统的垄断。二、数控技术的发展趋势二、数控技术的发展趋势 1 1、高速、高精度加工、高速、高精度加工 2 2、数控系统具有多轴控制、多轴联动和、数控系统具有多轴控制、多轴联动和 复合加工的控制功能复合加工的控制功能 3 3、数控系统开放化、智能化和网络化数控系统开放化、智能化和网络化 1 1、 高速、高精度加工高速、高精度加工 目前加工中心主轴转

9、速最高可达目前加工中心主轴转速最高可达101000000000转转/ /分分、进给速度可达进给速度可达2424米米/ /分分- -6 60 0米米/ /分分，定位精度都在几微，定位精度都在几微米。这就要求数控系统应采用高速高精度的数控系米。这就要求数控系统应采用高速高精度的数控系统、驱动系统应采用直线电动机作为进给伺服系统、统、驱动系统应采用直线电动机作为进给伺服系统、采用高速永磁同步电动机。采用高速永磁同步电动机。2、数控系统具有多轴控制、多轴联动数控系统具有多轴控制、多轴联动 和复合加工的控制功能和复合加工的控制功能 理论上数控机床只需要理论上数控机床只需要3 3轴联动，但在实轴联动，但在

10、实际加工中际加工中3 3轴联动对于三维曲面加工很难用上轴联动对于三维曲面加工很难用上刀具的最佳几何形状进行切削，不仅加工效刀具的最佳几何形状进行切削，不仅加工效率低而且表面粗糙度高，往往采用手动进行率低而且表面粗糙度高，往往采用手动进行修补，但在修补过程中，已加工的表面也可修补，但在修补过程中，已加工的表面也可能丧失精度。能丧失精度。5 5轴联动除了轴联动除了X X、Y Y、Z Z这这3 3轴外，轴外，主要还有刀具轴旋转、工作台旋转这两种方主要还有刀具轴旋转、工作台旋转这两种方式的复合运动，采用式的复合运动，采用5 5轴联动可以使用刀具的轴联动可以使用刀具的最佳几何形状对工件进行加工。那么最佳

11、几何形状对工件进行加工。那么5 5轴联动轴联动数控机床是数控技术的制高点标志之一。数控机床是数控技术的制高点标志之一。3、数控系统的开放化、智能化、数控系统的开放化、智能化 和网络化和网络化 将来的数控机床中的将来的数控机床中的NCNC系统能部分系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能嵌入验和操作技能嵌入NCNC系统，同时也具有图系统，同时也具有图形交互、诊断等功能，也就是说要求形交互、诊断等功能，也就是说要求CNCCNC控制器透明以使机床制造商和最终用户可控制器透明以

12、使机床制造商和最终用户可以自由地实现自己的思想。以自由地实现自己的思想。三、数控机床在机械制造业中的优势三、数控机床在机械制造业中的优势 数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用, ,是因为是因为它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的需要，经济效益显著，具适应各种机械产品迅速更新换代的需要，经济效益显著，具体表现在以下几个方面：体表现在以下几个方面：生产效益一般比普通机床提高生产效益一般比普通机床提高3-53-5倍，多的可达倍，多的可达8-108-10倍；倍；

13、减少刀具和夹具的存储和花费，减少零件的库存和搬运数；减少刀具和夹具的存储和花费，减少零件的库存和搬运数；减少工装，减少人为误差，提高加工精度，零件重复精度高，减少工装，减少人为误差，提高加工精度，零件重复精度高，互换性好；互换性好；缩短新产品的试制和生产周期（当零件设计改变时，只需要缩短新产品的试制和生产周期（当零件设计改变时，只需要改变零件程序即可），易于组织多品种生产，使企业能对市改变零件程序即可），易于组织多品种生产，使企业能对市场需要迅速做出响应；场需要迅速做出响应；能加工传统方法不能加工的大型复杂零件；能加工传统方法不能加工的大型复杂零件；有利于产品质量的控制，生产便于管理；有利于产

14、品质量的控制，生产便于管理；减轻了劳动强度，改善了劳动条件，节省人力，降低了劳动减轻了劳动强度，改善了劳动条件，节省人力，降低了劳动花费。花费。四、数控机床的组成四、数控机床的组成 CNCCNC（computer Numerical Controlcomputer Numerical Control）计）计算机数控机床一般由算机数控机床一般由输入输出设备输入输出设备、CNCCNC装装置置( (或称或称CNCCNC单元单元) )、伺服单元伺服单元、驱动单元驱动单元( (或称执行机构或称执行机构) ) 、可编程控制器可编程控制器及及机床机床本体本体等组成。除了机床本体之外，其他系统等组成。除了机床

15、本体之外，其他系统都称为计算机数控都称为计算机数控(CNC)(CNC)系统。系统。 1、输入、输入/输出设备（操作面板）输出设备（操作面板） 操作面板操作面板是操作人员与机床数控装置进行信息交流的工具，如操作命令的输入、加工程序的编辑、修改和调试；同时也以信号灯或数码管的方式，为操作人员显示数控系统和数控机床的状态信息，如坐标值、机床的工作状态、报警信号等，它是数控机床特有的部件。 输入设备有键盘、显示器、穿孔纸带、磁带和磁盘，输入设备有键盘、显示器、穿孔纸带、磁带和磁盘，其中键盘和显示器是比不可少的人机交互设备，操作人其中键盘和显示器是比不可少的人机交互设备，操作人员可通过键盘和显示器输入程

16、序、编辑修改程序和发送员可通过键盘和显示器输入程序、编辑修改程序和发送操作命令，既进行手动数据输入。操作命令，既进行手动数据输入。 2、CNC装置装置 CNCCNC装置装置是CNC系统的核心，这一部分主要包括微处理CPU、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口等。其本质是根据输入的数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件(伺服单元、驱动装置和机床)，加工出需要的零件。3、伺服单元、伺服单元 伺服单元伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度，因此伺服单元是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令

17、信号放大成控制驱动装置的大功率信号。4、驱动装置、驱动装置 驱动装置驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接到驱动机床工作台，使工件台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。 和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机，直流伺服电机和交流伺服电机等几种。 伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。5、PLC,机床机床I/0电路和装置电路和装置 PLCPLC是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)的缩写，主要用

18、于控制机床顺序动作，完成与逻辑运算有关的一些控制，他接受CNC的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制机床辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作；他接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，一方面将一部分指令送往CNC用于加工过程的控制。机床I/O电路和装置是指继电器、行程开关、电磁阀的电器以及由他们组成的逻辑电路。6 6、机床、机床 机床机床是数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。它包括：主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承体（立柱、

19、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统、工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。最初的数控机床使用的是普通机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面做些改变。CNC机床由于切削用量大、连续加工时间长、发热量大等原因，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密。因而采用了许多新的加强刚性、减少热变形、提高精度等方面的措施。五、数控机床的加工原理五、数控机床的加工原理 在传统的金属切削机床上，操作者在加工零件时，根据图纸的要求，需要不断改变刀具的运动轨迹和运动速度等参数 ，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格零件。 在数控机床上，加工过程中人工操作均被数控系统所取代,其工

20、作过程如下:首先要将加工图纸上几何信息和工艺信息数字化,即将刀具与工件的相对运动轨迹按规定的规则、代码和格式编写成加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。 xyXY数控机床加工原理示意图1、逼近处理：、逼近处理： 先对曲线进行逼近处理，即按系统的插补时间t和加工所需要的进给速度F，将曲线分割成若干小线段，曲线即为所有小线段之和。2、插补运算：、插补运算： 在逼近处理后，将小线段分解为X轴和Y轴移动分量，他们的位置将不断变化。3、指令输出：、指令输出： 将算出的t时间内的x

21、 和y 作为指令输出给X轴和Y轴，控制它们运动。 由此可见，只要能由此可见，只要能连续地自动控制连续地自动控制X和和Y两两个进给轴在个进给轴在t时间内移时间内移动量，就可以实现曲线轮动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。廓零件的加工。 数控机床的加工原理数控机床的加工原理第二节第二节 数控机床的坐标系数控机床的坐标系 一、机床坐标轴一、机床坐标轴 二、机床坐标系、机床零点与机床二、机床坐标系、机床零点与机床 参考点参考点 三、工件坐标系和程序原点三、工件坐标系和程序原点 一、机床坐标轴一、机床坐标轴 ( (一一) ) 机床坐标轴的命名机床坐标轴的命名 所谓坐标轴,是指在机械装备中,具体位移(线位

22、移或角位移) 控制和速度控制功能的运动轴。为了简化编程的方法和保证程序的通用性，对数控机床的坐标和方向的命名制定了统一的标准，规定直线进给运动的坐标轴用X，Y，Z表示，常称基本坐标轴。而X，Y，Z坐标轴的相互关系用右手定则决定，如下图所示： 图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示，根据右手螺旋定则，以大拇指指向+X，+Y，+Z方向，则食指、中指等指向是圆周进给运动的+A，+B，+C方向。 数控机床的进给运动，有的由主轴带动刀具运数控机床的进给运动，有的由主轴带动刀具运动来实现，有的由工作台带着工件

23、运动来实现。动来实现，有的由工作台带着工件运动来实现。上述坐标轴正方向，是假定工件不动，刀具相对上述坐标轴正方向，是假定工件不动，刀具相对于工件作进给运动的方向。如果是工件移动则用于工件作进给运动的方向。如果是工件移动则用加加“”的字母表示，按相对运动的关系，工件运动的字母表示，按相对运动的关系，工件运动的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有：的正方向恰好与刀具运动的正方向相反，即有： 同样两者运动的负方向也彼此相反。同样两者运动的负方向也彼此相反。,B=B,XXYYZZAACC ，( (二二) )机床坐标轴的方向机床坐标轴的方向 机床坐标轴的方向取决于机床的类型和各组成机床坐标轴的方向取决

24、于机床的类型和各组成部分的布局，若只有一个主轴，且主轴无摆动运动部分的布局，若只有一个主轴，且主轴无摆动运动, ,则规定平行主轴轴线的坐标轴为则规定平行主轴轴线的坐标轴为Z Z轴。刀具远离工轴。刀具远离工件的方向为件的方向为Z Z坐标正方向。坐标正方向。 X X轴垂直于轴垂直于Z Z轴，对轴，对Z Z轴轴线水平的机床，规定轴轴线水平的机床，规定由刀具（主轴）向工件看时，由刀具（主轴）向工件看时，X X坐标的正方向指向坐标的正方向指向右边。右边。 利用已确定的利用已确定的X X、Z Z坐标的正方向，用右手定则坐标的正方向，用右手定则确定确定Y Y坐标的正方向。坐标的正方向。CJK6032坐标轴坐

25、标轴ZX+Y+X图2 华中I型ZJK7532铣床坐标系统 +ZZJK7532坐标轴坐标轴二、机床坐标系、机床零点二、机床坐标系、机床零点与机床参考点与机床参考点（一）机床坐标系和机床零点（一）机床坐标系和机床零点 机床坐标系机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系，机床坐标系的原点称为机床零点或机床原点。机床零点的位置一般由机床参数指定,但指定后这个零点便被确定下来，维持不变。其坐标和运动方向视机床的种类和结构而定，如数控车床和数控铣床都有自己的坐标系。（二）机床参考点与机床行程开关（二）机床参考点与机床行程开关 机床上电时并不知道机床零点。为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在机床的每个坐标轴的移动范围内设置一个机械