第一章 数控机床概述

1、第一章第一章 数控机床概述数控机床概述1.1 数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展 随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备， 普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。 一种新型的生产设备数控机床就应运而生了 。数控机床的定义数控机床的定义 数控：（数控：（Numerical Cont

2、rolNumerical Control， NC NC） 是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。 数控机床：数控机床： 用数控技术控制的机床称为数控机床。数控机床的一般工作形式为： 1.1.1 数控机床的产生数控机床的产生 帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室合作，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。 1959年，美国克耐杜列克公司首次成功开发了加工中心（Machining Center） 。1.1.2 数控机床的发展简况 第1代数控机床：1952年1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。 第

3、2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。 第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。 第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。 第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（MNC）。 1计算机直接数控系统计算机直接数控系统 所谓计算机直接数控（Direct Numerical Control，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。 2柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统（Flexible Manufacturing S

4、ystem，FMS）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。 3计算机集成制造系统计算机集成制造系统 计算机集成制造系统（Computer-Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。 1.1.3 我国数控机床发展概况我国数控机床发展概况 1958年开始并试制成功第一台电子管数控机床。1965年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末至70年代初成功。从20世

5、纪80年代开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。 1.1.4数控机床的发展趋势 随着计算机技术的发展，数控技术不断采随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展。使其朝着下述方向发展。 1. 高速、高效、高精度 2. 控制智能化 3. 网络化 4. 数控系统开放化 5. 并联机床 6. STEP-NC1.加工高速化、高精度

6、化加工高速化、高精度化1）加工高速化）加工高速化 高速CPU芯片 主轴高速化，采用电主轴 采用全数字交流伺服 机床动、静态性能的改善1.1.4数控机床的发展趋势在分辨率为1m时，快进速度达240m/min.主轴转速已达200,000rpm换刀速度少于1 s1.1.4数控机床的发展趋势2）加工高精度化）加工高精度化 提高机械的制造和装配精度；提高机械的制造和装配精度； 采用高速插补技术，以微小程序段实现连采用高速插补技术，以微小程序段实现连续续 进给，使进给，使CNC控制单位精细化控制单位精细化 采用高分辨率位置检测装置，提高位置检采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有

7、装上测精度（日本交流伺服电机已有装上1000000 脉冲脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到能达到0.01m/脉冲）脉冲） 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法等方法1.1.4数控机床的发展趋势采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术 设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080。 1.1.4数控机床的发展趋势2. 控制智能化随着人工智能技术的不断发展，为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，体现在：加工过

8、程自适应控制技术：加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及保证设备运行的安全性1.1.4数控机床的发展趋势加工参数的智能优化：加工参数的智能优化：将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择”，获得优化的加工参数，提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。 智能化交流伺服驱动装置：智能

9、化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整控制参数，包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。 1.1.4数控机床的发展趋势智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断与自修复技术 智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法，实现故障快速准确定位。 智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全生命周期。 智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。1.1.4数控机床的发展趋势3. 加工网络化加工网络化数控系统网络化是先进制造模式的要求，数控机床作为网络中的一个

10、节点，有助于解决自动化孤岛问题。支持网络通讯协议，既满足单机DNC需要，又能满足FMC、FMS、CIMS、敏捷制造对基层设备集成要求。网络资源共享。数控机床的远程（网络）控制。数控机床故障的远程（网络）诊断。 数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控 ）1.1.4数控机床的发展趋势4. 数控系统的开放化数控系统的开放化1 1）传统数控系统的特点）传统数控系统的特点 由生产厂家支配价格和结构，各种接口不能通用。 功能集成停止在微电子技术的应用上，而不是针对开放式的生产环境和功能。对于不同的产品，操作、维护方法都必须进行相应的培训。 对于使用者，控制器成为黑盒子无法自行修改更新。 1.1.4数控

11、机床的发展趋势由于传统数控系统的局限性，为满足现代化生产的要求，数控系统需要具有：开放性：开放性：可重构性、可维护性、允许用户进行二次开发模块化：模块化：具有平台无关性 接口协议：接口协议：可传递性、可移植性 可进化性：可进化性：智能化 语言统一化：语言统一化：中性语言NML： FADL、OSEL 1.1.4数控机床的发展趋势2）开放化数控系统的概念）开放化数控系统的概念数控系统可以在统一的运行平台上开发，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁数控功能，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明特色的名牌产品

12、。1.1.4数控机床的发展趋势1.2 数控机床数控机床概述概述一一. 数控机床的数控机床的概念概念1.数控数控:NC 是利用数字化信息对机床的运动及其加工过是利用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的方法程进行控制的方法.2.数控机床数控机床: :采用数字控制的机床采用数字控制的机床. . 1)NC 1)NC机床机床; 2)CNC; 2)CNC机床机床. .二二. .数控机床数控机床 一般由输入装置、输出装置、数控装置、伺一般由输入装置、输出装置、数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置、检测反馈装置服驱动装置、辅助控制装置、检测反馈装置和机床本体等部分组成和机床本体等部分组成. .数控机床

13、的组成控制介质人机交互设备PLC计算机数控装置辅助控制装置主轴驱动系统进给驱动系统反馈系统适应控制机床速度检测位置检测过程检测数控机床的组成框图数控机床的组成框图三三.数控机床的特点数控机床的特点: 1.提高加工精度; 2.提高生产效率:一般35倍加工中心可达510倍. 3.可加工形状复杂的零件; 4.减轻劳动强度,改善了劳动条件; 4.利于管理和综合自动化的发展.四四.数控机床工作过程数控机床工作过程 分析工艺参数 编程 程序输入 试运行 运行程序五五.应用范围应用范围: 1.多品种小批量; 2.形状结构比较复杂 的; 3.频繁改型的; 4.价贵、不许报废的; 5.生产周期短的; 6.批量较

14、大、精度要求较高的. 1.3 数控机床的分类数控机床的分类 一一. 按运动轨迹分类按运动轨迹分类1点位控制数控机床点位控制数控机床点点位置精确控制，保证的是定位精度，以慢快慢的运动方式。 这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。2直线控制数控机床直线控制数控机床 位置控制+速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方向（平行或45）切削加工。 这类机床主要有数控车床、数控磨床和数控镗铣床等，相应的数控装置称为直线控制装置。3 3轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床 每点的位置+速度+路线控制，可对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制。 属于这类机床的

15、有数控车床、数控铣床、加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓数控装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，功能齐全得多。按运动轨迹分类按运动轨迹分类AB按运动轨迹分类按运动轨迹分类按运动轨迹分类按运动轨迹分类二、二、按进给伺服系统的类型分类按进给伺服系统的类型分类1开环进给伺服系统数控机床开环进给伺服系统数控机床开环进给伺服系统通常不带有位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。 开环控制数控机床开环控制数控机床2闭环进给伺服系统数控机床闭环进给伺服系统数控机床闭环进给控制系统带有位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移，并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较，利用其差值控制

16、伺服电动机，直至差值为零为止。 闭环控制数控机床闭环控制数控机床3半闭环进给伺服系统数控机床半闭环进给伺服系统数控机床半闭环进给伺服系统是将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服机构的转角，将此信号反馈给数控装置进行指令值比较，用差值控制伺服电动机。 半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床三三. 按工艺用途分类按工艺用途分类 1金属切削类数控机床金属切削类数控机床 金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。 2金属成型类数控机床金属成型类数控机床 金属成型类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头

17、压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。 3数控特种加工机床数控特种加工机床 数控特种加工机床如数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光切割机床等。 4其他类型的数控机床其他类型的数控机床 其他类型的数控机床如数控三坐标测量机等。 四四. 按按联动轴数联动轴数分类分类 1两轴联动两轴联动 2两轴半联动两轴半联动 3. 三轴联动三轴联动 4. 多座标轴联动多座标轴联动五五.按按CNC装置功能水平分类装置功能水平分类 高、中、低三档高、中、低三档数控机床的坐标系数控机床的坐标系一一 一.作用:确定位置关系获得所需的数据. 二.依据:ISO841标准. 三.确定方法:右手笛

18、卡儿直角坐标系. 1.假设:工件固定,刀具相对运动. 2.标准:右手笛卡儿直角坐标系. 拇指指向为X轴向,绕X轴转+A 食指指向为Y轴向,绕Y轴转+B 右手法则 中指指向为Z轴向,绕Z轴转+C 数控机床的坐标系数控机床的坐标系 基本坐标系基本坐标系：直线进给运动的坐标系（X.Y.Z）。坐标轴相互关系：由右手定则决定。 回转座标回转座标：绕X.Y.Z 轴转动的圆进给坐标 轴分别用A.B.C表示， 坐标轴相互关系由右 手螺旋法则而定。 3.顺序:先Z轴,再X轴,最后Y轴. Z:机床主轴 X:装夹平面内的水平方向. Y:由右手笛卡儿直角坐标系确定. 4.方向:刀具远离工件方向为正方向. 四.机床的机

19、床原点、机床参考点、工件原 点和对刀点. 1.机床原点：固定不变的. 1)数车:卡盘端面与主轴中心线交点. 2)数铣:一般取XYZ轴正向极限位置. 2.机床参考点:出厂时设定. 1)数车:离原点最远的极限点. 2)数铣:与原点重合. 3.工件原点:程序原点 1)满足编程简单、尺寸换算少、加工误差小 等条件 . 2)一般工件原点应选择尺寸标注基准或定位 基准. 4.对刀点:零件程序的起始点. 1)对刀点是零件程序的起始点. 2)目的:确定程序原点在机床坐标系中的位置. 3)可以与程序原点重合,也可以在方便对刀的任意处,但必须有确定的坐标联系. 4)铣床用G92指令,车床用G50指令可建立工件坐标系.数数控控车车床床数数控控铣铣床床数控钻床