第一次 数控机床组成及工作过程、数控机床分类、特点及应用

1、知识目标:1.掌握数控机床的组成及工作过程;2.掌握数控机床的分类方法,理解开环、闭环及半闭环系统特点。第一节 数控机床组成及工作过程第二节 数控机床的分类、特点及应用 第1章 数控机床概述能力目标:1.能正确讲述数控机床的主要组成部分;2.能区别机床是属于开环、闭环还是半闭环控制。素质目标:1.遵守课堂纪律，服从教师安排;2.团队合作精神，课堂和教师主动互动;数控机床：Computer numerical control machine tool半闭环控制：half-closed-loopcontrol 开环：open-loopcontrol 第一节第一节 数控机床组成及工作过程数控机床组成

2、及工作过程第1章 数控机床概述第一台计算机出现的时间第一台数控机床出现的时间1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法美国宾夕法尼亚大学尼亚大学诞生。 美国麻省理工学院美国麻省理工学院于1952年成功研制了世界上第一台数控铣床数控铣床。 一、一、 数控机床组成数控机床组成华华 中中 数数 控控 系系 统统模拟量主轴放大器（变频器）模拟量主轴放大器（变频器）主主 轴轴 放放 大大 器器串串 行行 主主 轴轴 放放 大大 器器主主 轴轴 电电 动动 机机普通型和变频专用电动机普通型和变频专用电动机串行数字主轴电动机串行数字主轴电动机带传动（经过一级降速）带传动（经过一级降速）经过

3、一级齿轮的带传动经过一级齿轮的带传动主主 轴轴 传传 动动 机机 构构几级降速齿轮传动几级降速齿轮传动主主 轴轴 传传 动动 机机 构构内装式电机主轴单元内装式电机主轴单元 （电主轴）（电主轴）电动机内装位置和速度传感器电动机内装位置和速度传感器主轴位置与速度编码器主轴位置与速度编码器主轴位置和速度检测装置主轴位置和速度检测装置进给伺服电动机进给伺服电动机/i 系列系列/i系列系列直线电动机直线电动机进给伺服电动机进给伺服电动机联轴器联轴器滚珠丝杠滚珠丝杠进给伺服电动机及传动机构进给伺服电动机及传动机构伺服电动机内装编码器伺服电动机内装编码器独立型旋转编码器独立型旋转编码器光栅尺光栅尺伺服进给

4、系统的速度伺服进给系统的速度/位置检测装置位置检测装置二、二、 数控机床工作过程数控机床工作过程 数控编程是指从零件图纸到获得数控加工数控编程是指从零件图纸到获得数控加工程序的全部工作过程。程序的全部工作过程。编程工作主要包括编程工作主要包括： （1）分析零件图样和制定工艺方案）分析零件图样和制定工艺方案 （2）数学处理）数学处理 （3）编写零件加工程序）编写零件加工程序 （4）输入程序）输入程序 （5）程序检验）程序检验 （6）数控机床加工工件）数控机床加工工件（一）按工艺用途分类（一）按工艺用途分类1.金属切削机床金属切削机床 一般数控机床和传统的普通机床品种一样，有一般数控机床和传统的普

5、通机床品种一样，有数控的车、铣、镗、钻、磨床等数控的车、铣、镗、钻、磨床等，而且每一种又，而且每一种又有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、有很多品种，例如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等。加工中心这类机床是在一般工具铣、龙门铣等。加工中心这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的，它是在一般数控数控机床的基础上发展起来的，它是在一般数控机床上加装一个刀库机床上加装一个刀库(可容纳可容纳16100把刀具把刀具)和自和自动换刀装置，使数控机床更进一步地向自动化和动换刀装置，使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展。高效化方向发展。第二节第二节 数控机床的分类、特点及应用数控机床

6、的分类、特点及应用 一、一、 数控机床的分类数控机床的分类 2.数控金属成型类数控金属成型类 常用的有数控弯管机常用的有数控弯管机、数控压力机、数控压力机、 数控拆弯机、数控冲剪机、数控旋压机数控拆弯机、数控冲剪机、数控旋压机等等. 3.特种加工类特种加工类 主要有数控线切割机床、数控电火加工主要有数控线切割机床、数控电火加工机床、数控激光加工机床等机床、数控激光加工机床等. 4.测量绘图类测量绘图类 主要有数控绘图仪、数控坐标测量仪、主要有数控绘图仪、数控坐标测量仪、数控对刀仪等数控对刀仪等. （二（二）按控制系统按控制系统功能分类功能分类 1. 点位控制数控机床点位控制数控机床2. 直线控

7、制机床直线控制机床3. 轮廓控制机床轮廓控制机床（三）按可控制坐标轴数分（三）按可控制坐标轴数分 数控机床的数控机床的可控轴数可控轴数是指机床数控装置能是指机床数控装置能够控制的坐标数目，即数控机床有几个运动够控制的坐标数目，即数控机床有几个运动方向采用了数字控制。数控机床的方向采用了数字控制。数控机床的联动轴数联动轴数，是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。间某一点的坐标数目。目前有两轴联动、三目前有两轴联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等轴联动、四轴联动、五轴联动等。三轴联动。三轴联动数控机床可以加工空间复杂曲面，实现三坐数控机床可

8、以加工空间复杂曲面，实现三坐标联动加工。四轴联动、五轴联动数控机床标联动加工。四轴联动、五轴联动数控机床可以加工飞行器叶轮、螺旋桨等零件。可以加工飞行器叶轮、螺旋桨等零件。图1-5二轴联动加工示意图图1-6 二轴半联动加工示意图图1-7 三轴联动加工示意图图1-8四轴联动加工示意图 图图1-9为螺旋桨叶片形状的五坐标联动加工为螺旋桨叶片形状的五坐标联动加工原理示意图。原理示意图。四四、按伺服系统控制分类按伺服系统控制分类 1.1.开环控制系统开环控制系统2.2.闭环控制系统闭环控制系统3.3.半闭环控制系统半闭环控制系统（五（五）按数控系统的功能水平分类按数控系统的功能水平分类 1.经济型数控

9、机床经济型数控机床 经济性数控机床的系统比较简单经济性数控机床的系统比较简单,通常通常以步进电机为伺服驱动元件的开环控以步进电机为伺服驱动元件的开环控制系统制系统. 分辩率为分辩率为10um,进给速度在进给速度在815m/min之间之间.最多能实现三轴联动最多能实现三轴联动,一般无通信功能一般无通信功能. 2.普及型数控机床普及型数控机床 普及性数控机床采用全功能数控系普及性数控机床采用全功能数控系统统,控制功能齐全控制功能齐全,属于中型数控系统属于中型数控系统.采用半闭环的交流伺服或直流伺服驱采用半闭环的交流伺服或直流伺服驱动动,能实现四轴联动控制能实现四轴联动控制,分辩率为分辩率为1um,

10、进进 进给速进给速1524m/min之间之间.能实现四能实现四轴联动轴联动,具有通信功能和齐全的具有通信功能和齐全的LED显显示功能示功能. 3.高级型数控机床高级型数控机床 高级型数控机床采用全功能数控系高级型数控机床采用全功能数控系统统,控制功能齐全控制功能齐全,属于高挡的数控系统属于高挡的数控系统.采用全闭环的交流伺服采用全闭环的交流伺服或直流伺服驱或直流伺服驱动动,能实现五轴联动控制能实现五轴联动控制,分辩率为分辩率为0.1um,进进 进给速进给速15100m/min之间之间.能实现五轴联动能实现五轴联动,具有通信功能和齐全具有通信功能和齐全的的LED三维显示功能三维显示功能. 性能性

11、能类别类别CPUCPU位位数数联动轴数联动轴数分辨率分辨率( (m)m)进给速度进给速度(m/min)(m/min)其它其它高级型高级型32325 5= = = 24,(124,(1m)m)；=10,(0.1=10,(0.1m)m)三维动态，三维动态，MAP,MAP,数字交流伺数字交流伺服服普及型普及型16165, 30.1,0.1,10 24,(1 24,(1m)m)； 10,(0.110,(0.1m)m)字符字符/ /图形图形交流伺服交流伺服经济型经济型8/168/1633101088字符字符, ,步进电步进电机机二、数控机床的特点及应用二、数控机床的特点及应用 （一）数控机床的特点（一）

12、数控机床的特点 1.数控机床的结构特点数控机床的结构特点 数控机床主要由床身、箱体、导轨、数控机床主要由床身、箱体、导轨、主轴、进给机构、及辅助机构等组成。主轴、进给机构、及辅助机构等组成。 （1）采用高性能的主轴伺服机构装置和进给伺）采用高性能的主轴伺服机构装置和进给伺服的装置服的装置,使数控机床的传动链缩短使数控机床的传动链缩短,简化了数控简化了数控机床传动系统的结构机床传动系统的结构. （2）采用了具有高刚度、高抗震性及较小的热）采用了具有高刚度、高抗震性及较小的热变形的特殊结构变形的特殊结构,使机床的精度、刚度大大提高使机床的精度、刚度大大提高,从而满足大余量的切削加工和精密加工需要从

13、而满足大余量的切削加工和精密加工需要. （3）采用高传动效率、高精度、无间隙的传动）采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和传动件装置和传动件,如滚珠丝杠传动副、滚珠导轨、如滚珠丝杠传动副、滚珠导轨、塑料导轨和静压导轨等塑料导轨和静压导轨等. （4）加工中心具有完全的自动交换刀具装置）加工中心具有完全的自动交换刀具装置. （5）采用移动门的全封闭外罩壳、保证了操作）采用移动门的全封闭外罩壳、保证了操作的安全性的安全性.2.2.数控机床的加工特点数控机床的加工特点 数控机床的精度高、效率高，能适应小批量数控机床的精度高、效率高，能适应小批量多品种复杂零件的加工，在机械加工中得到了日多品种复杂零

14、件的加工，在机械加工中得到了日益广泛的应用益广泛的应用。同常规加工相比，数控加工具有。同常规加工相比，数控加工具有如下的特点：如下的特点： 1.1. 适应性强适应性强, ,适合加工单件小批量适合加工单件小批量、复杂零件复杂零件 当加工对象改变时，当加工对象改变时，除了相应更换刀具和解除了相应更换刀具和解决工件装夹方式外，只要重新编写并输入该零件决工件装夹方式外，只要重新编写并输入该零件的加工程序，便可自动加工出新的零件，不必对的加工程序，便可自动加工出新的零件，不必对机床做任何复杂的调整，这样缩短了生产准备周机床做任何复杂的调整，这样缩短了生产准备周期，给新产品的研制开发以及产品的改进、改型期

15、，给新产品的研制开发以及产品的改进、改型提供了捷径。提供了捷径。 2.2.加工精度高加工精度高, ,产品质量稳定产品质量稳定加工质量稳定加工质量稳定,数控加工的尺寸精度通常在数控加工的尺寸精度通常在0.0050.1 mm，目前最高的尺寸精度可达，目前最高的尺寸精度可达0.0015 mm，不受零件形状复杂程度的影响，不受零件形状复杂程度的影响，加工中消除了操作者的人为误差，提高了同批加工中消除了操作者的人为误差，提高了同批零件尺寸的一致性，使产品质量保持稳定。零件尺寸的一致性，使产品质量保持稳定。 3.3.自动化程度高自动化程度高, ,劳动强度低劳动强度低4.4.生产效率高生产效率高、 减少辅助

16、时间和机动时间减少辅助时间和机动时间5.5.良好的经济效率良好的经济效率6.6.有利于生产管理的现代化有利于生产管理的现代化（二）数控机床的应用（二）数控机床的应用 数控机床的应用范围数控机床的应用范围 多品种、小批量生产的零件；多品种、小批量生产的零件； 形状结构比较复杂的零件；形状结构比较复杂的零件； 需要频繁改型的零件；需要频繁改型的零件； 价值昂贵，不允许报废的关键零件；价值昂贵，不允许报废的关键零件； 需要最短周期的急需零件；需要最短周期的急需零件； 批量较大、精度要求高的零件。批量较大、精度要求高的零件。14数控机床的主要性能指标 一、数控机床的规格及运动性能指标 1工作台面尺寸

17、它指机床安装工件的最大范围，间接反映机床的外形尺寸。为预留夹具所需空间，选择的工作台面尺寸通常要比最大加工工件稍大一些。 2行程范围和摆角范围 行程范围是指坐标轴X、y、z的行程大小的可控制运动区间，它反映机床允许的加工空间，一般情况下工件轮廓尺寸应在加工空间的范围内。摆角范围是指摆角坐标轴可控的摆角区间，也反映机床的加工空间。摆角大的加工空间部件的能力强。但摆角太大又造成机床的刚度下降，给设计制造带来困难。 3承载能力 它反映机床能加工工件的最大重量。 4主轴功率和进给轴扭矩 它反映机床的加工能力，间接反映机床的强度和刚度。 5主轴转速 主轴转速指最高转速，它是影响零件表面加工质量、生产效率

18、以及刀具寿命的主要因素之一。目前数控机床主轴转速已普遍达到5 00010000 rmin，甚至更高。 6进给速度 进给速度是指进给轴在加工状态下的最高移动速度，是影响零件加工质量、生产效率以 及刀具寿命的主要因素。它受数控系统运算速度、机床特性及工艺系统刚度等因素的限制。目前国内数控机床的进给速度一股可达1015 mmin，国外数控机床的进给速度一可达530 mmin。 7控制轴数和联动轴数 数控机床的控制轴数通常指机床数控系统能够控制的进给轴数。数控机床的控制轴数与数控系统的运算处理能力、运算速度及内存容量等有关。联动轴数是指数控机 床同时控制多个进给轴，使它们按规定的轨迹和进给速度协调运动

19、，它反映机床加工曲面的能力。 8刀库的容量和换刀时间 刀库容量是指带有自动交换刀具系统的数控机床的刀库能存放加工所需刀具的数量。它反映加工中心能加工工序内容的多少。 换刀时间指带有自动交换刀具系统的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下工序需用的刀具进行交换所需的时间。 9机床重量和外形尺寸 机床重量和外形尺寸间接反映机床的刚度和加工尺寸范围，是运输、安装的重要参考指标。 二、数控机床的精度指标 1、定位精度 是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度。即实际位置与指令位置的一致程度，不一致量表现为误差。 2、重复定位精度 是指数控机床在同条件下，用相同的方法，重复进

20、行同一动作时同，控制对象位置的一致程度。 3、分度精度 是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。 4、分辨率与脉冲当量 分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。数控系统发出一个脉冲信号，使数控机床移动部件产生的位移量叫脉冲当量。 三、可靠性指标 1、 平均无故障时间MTBF MTBF=总工作时间/总故障次数 显然MTBF越大越好。 2、 平均修复时间 MTTR=总故障停机时间/总故障次数 希望出现故障后修复时间越短越好。 3、平均有效时间 A=平均无故障时间/（平均无故障时间+故障平均修复时间）是衡量设备可靠性的一个重要指标.。 1.5 数控机床坐标系

21、数控机床坐标系 一、一、标准的坐标系和运动方向标准的坐标系和运动方向 标准的坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系标准的坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系，如图如图1-13所示。它规定直角坐标所示。它规定直角坐标x、y、z三三者的关系及其正方向用右手定则判定，围者的关系及其正方向用右手定则判定，围绕绕x，y，z各轴的回转运动及其正方向各轴的回转运动及其正方向+A、+B、+C分别用右螺旋法则判定。与分别用右螺旋法则判定。与+x，+y，+c相反的方向应用带相反的方向应用带“ ” 的的+x，+y，+C表示。表示。 (1)由于机床的运动可以是刀具相对于工件的由于机床的运动可以是刀具相对于工件的运动，也可以是工件相

22、对于刀具的运动，所以统运动，也可以是工件相对于刀具的运动，所以统一规定在图一规定在图1-13中字母不带中字母不带“ ” 的坐标表示的坐标表示工件固定，刀具运动的坐标，即图工件固定，刀具运动的坐标，即图1-14、图、图1-15和图和图1-16旁边所示的坐标系；带旁边所示的坐标系；带“”“” 的则表的则表示刀具固定，工示刀具固定，工 件运动的坐标。件运动的坐标。规定增大工件规定增大工件与刀具之间的距离与刀具之间的距离(即增大工件尺寸即增大工件尺寸)的方向为正的方向为正方向。方向。(2)机床机床x、y、z坐标的确定坐标的确定z坐标的确定坐标的确定 规定平行于机床主轴规定平行于机床主轴(传递切削动力传

23、递切削动力)的刀的刀具运动坐标为具运动坐标为z轴，取刀具远离工件的方向轴，取刀具远离工件的方向为正方向为正方向(+z)。当机床有几个主轴时，则选当机床有几个主轴时，则选一个垂直于工件装夹面的主轴为一个垂直于工件装夹面的主轴为z轴轴(如龙门如龙门铣床铣床)。x 坐标的确定坐标的确定 x轴为水平方向，且垂直于轴为水平方向，且垂直于z轴并平行于轴并平行于工件的装夹面。工件的装夹面。对于工件旋转运动的机床对于工件旋转运动的机床(车床、磨床车床、磨床)，取平行于横向滑座的方向，取平行于横向滑座的方向(工件径向工件径向)为刀具运动的为刀具运动的x坐标，同样取刀坐标，同样取刀具远离工件的方向为具远离工件的方

24、向为x的正方向；对于刀具的正方向；对于刀具旋转运动的机床旋转运动的机床(如铣床、镗床如铣床、镗床)，当，当z轴为轴为水平主轴时，沿刀具主轴后端向工件方向水平主轴时，沿刀具主轴后端向工件方向看，向右方向为看，向右方向为x的正方向，如图的正方向，如图1一一17所所示；当示；当z轴为立式主轴时，对单立柱机床，轴为立式主轴时，对单立柱机床，面对刀具主轴向立柱方向看，向右方向为面对刀具主轴向立柱方向看，向右方向为x轴的正方向轴的正方向(图图1一一15)。 y 坐标的确定坐标的确定 y坐标轴垂直于坐标轴垂直于x及及z坐标。当坐标。当+x、+z确定确定以后，按右手定则即可确定以后，按右手定则即可确定+y方向

25、。方向。 为使编制程序方便，为使编制程序方便，一律假定工件固定不一律假定工件固定不动，全部用刀具运动的坐标系编制程序，动，全部用刀具运动的坐标系编制程序，即用标准坐标系即用标准坐标系x、y、z、在图样上进行编、在图样上进行编程程 (4)附加运动坐标的规定附加运动坐标的规定 对于直线运动：对于直线运动：x、y、z为主坐标系或第为主坐标系或第一坐标系。如有第二组坐标和第三组坐标一坐标系。如有第二组坐标和第三组坐标平行于平行于x、y、z，则分别指定为，则分别指定为U、V、W和和P、Q、R。所谓第一坐标系是指靠近主。所谓第一坐标系是指靠近主轴的直线运动轴的直线运动. 对于旋转运动，可用对于旋转运动，可

26、用A、B和和C 指定指定 .1.6 数控机床的发展过程与发展趋势数控机床的发展过程与发展趋势 数控机床的发展数控机床的发展1952年美国帕森斯公司年美国帕森斯公司(和和麻省理工学院伺服机构实验室合作研制成功世麻省理工学院伺服机构实验室合作研制成功世界上第一台三坐标数控立式铣床，用它来加工界上第一台三坐标数控立式铣床，用它来加工直升机叶片轮廓检查用样板。直升机叶片轮廓检查用样板。 第一代第一代: 1952年年 ,电子管控制的第一台三坐标联动的电子管控制的第一台三坐标联动的铣床；铣床； 第二代第二代:1959年年,出现了晶体管控制的出现了晶体管控制的“加工中心加工中心”； 第三代第三代:1965年

27、年,出现了小规模集成电路出现了小规模集成电路.使数控系统的使数控系统的可靠性得到了进一步的提高；可靠性得到了进一步的提高； 以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统数控系统,称为普通数控系统称为普通数控系统,即即NC系统系统. 第四代第四代:1967:1967年以计算机作为控制单元的数年以计算机作为控制单元的数控制系统控制系统.FMS(Flexible Manufacturing .FMS(Flexible Manufacturing System) ,System) ,柔性制造系统。柔性制造系统。 第五代第五代:1970:1970年年, ,美国英特尔开发使用了微美国英特尔开发使用了微处理器处理器.CNC.CNC。 20世纪世纪90年代后，基于年代后，基于PcNc的智能数控系统的智能数控系统的发展和应用，充分利用现有的发展和应用，充分利用现有PC机的软硬件资源，机的软硬件资源，规范设计了新一代数控系统，因而使数控机床的规范设计了新一代数控系