数控机床结构与维护第一章课件

数控机床结构与维护数控机床结构与维护第一章概述数控机床是现代机械工业的重要技术装备，也是先进制造技术的基础装备。下图是在数控机床上加工零件。第一章概述数控机床是现代机械工业的重要技术装备，也是先进制第一节数控机床概述【学习目标】了解数控机床产生的年代与国家掌握数控机床的定义了解数控的特点掌握数控机床的分类掌握闭环、开环、半闭环数控机床的工作原理掌握点位控制数控机床的定位特点第一节数控机床概述【学习目标】【学习内容】一、数控机床的产生1958年，北京机床厂与清华大学合作试制了第一台数控铣床。1970年，北京机床厂的XK5040升降台数控铣床作为商品，小批量生产。1985年，我国数控机床进入了实用阶段。1986到1990年，是我国数控机床的大发展时期。【学习内容】一、数控机床的产生1958年，北京机床厂与清华大二、数控机床的定义数控机床（NumericalControlMachineTools）是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会对数控机床定义如下：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。定义中所说的程序控制系统即数控系统。二、数控机床的定义数控机床（NumericalContro三、数控机床的特点1、适用性强数控机床加工形状复杂的零件或新产品时，仅需要少量工夹具。2、适合加工复杂型面的零件由于计算机具有高超的运算能力，可以瞬间准确地计算出每个坐标轴瞬间应该运动的运动量，因此数控机床能完成普通机床难以加工或根本不能加工的复杂型面的零件，如图1-2所示。图1-2复杂型面的零件三、数控机床的特点1、适用性强数控机床加工形状复杂的零件或新3、加工精度高、加工质量稳定4、自动化程度高数控机床所需的加工条件，如进给速度、主轴转速、刀具选择等，都是由指令代码事先规定好的，整个加工过程是自动进行的，人为造成的加工误差很小，而且传动中的间隙及误差还可以由数控系统进行补偿。数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘，装卸工件，进行关键工序的中间检测以及观察机床运行外，不需要进行繁杂的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻。3、加工精度高、加工质量稳定4、自动化程度高数控5、加工生产率高6、一机多用数控机床能够减少零件加工所需的机动时间和辅助时间。某些数控机床，一次装夹几乎能完成零件的全部工序的加工。图1-3车削中心上完成了车、铣、钻等加工5、加工生产率高6、一机多用数控机床能够减少零件加工所需的机7、减轻操作者的劳动强度8、有利于生产管理的现代化9、价格较贵10、调试和维修较复杂，需专门的技术人员数控系统采用数字信息与标准化代码输入，并具有通信接口，易实现数控机床之间的数据通信，最适宜计算机之间的联接，组成工业控制网络。7、减轻操作者的劳动强度8、有利于生产管理的现代化9、价格较四、数控机床的分类1、按工艺用途分类（1）一般数控机床最普通的数控机床有钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床。图1-4常见数控机床图a）立式数控车床b）卧式数控车床c）立式数控铣床d）卧式数控铣床四、数控机床的分类1、按工艺用途分类（1）一般数控机床最普通（2）数控加工中心1）按加工范围分类车削加工中心、钻削加工中心、镗铣加工中心、磨削加工中心、电火花加工中心等。

表1—1常见的加工中心（2）数控加工中心1）按加工范围分类表1—1常见的加工中数控机床结构与维护第一章课件数控机床结构与维护第一章课件数控机床结构与维护第一章课件2）按机床结构分类立式加工中心、卧式加工中心、五面加工中心和并联加工中心(虚拟加工中心)。图1-5常见加工中心图a）立式加工中心b）卧式加工中心2）按机床结构分类立式加工中心、卧式加工中心、五面加工中心和3）按数控系统联动轴数分类有2坐标加工中心、3坐标加工中心和多坐标加工中心。4）按精度分类可分为普通加工中心和精密加工中心。3）按数控系统联动轴数分类有2坐标加工中心、3坐标加工中心和图1—6数控机床分类a）点动控制b）直线控制c）轮廓控制2、按加工路线分类（1）点动控制（2）直线控制（3）轮廓控制点位控制方式就是刀具与工件相对运动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向。直线控制方式就是刀具与工件相对运动时，除控制从起点到终点的准确定位外，还要保证平行坐标轴的直线切削运动。轮廓控制就是刀具与工作相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。图1—6数控机床分类a）点动控制3、按可控制联动的坐标轴分类（1）两坐标联动（2）三坐标联动（3）两轴半坐标联动（4）多坐标联动图1—7空间平面和曲面的数控加工c）两坐标联动加工曲面d)五轴联动铣床加工曲面a）零件沟槽面加工b）三坐标联动曲面加工3、按可控制联动的坐标轴分类（1）两坐标联动（2）三坐标联动表1—2五轴联动加工中心表1—2五轴联动加工中心数控机床结构与维护第一章课件数控机床结构与维护第一章课件

图1—8六轴加工中心图1—8六轴加工中心4、按控制方式分类数控机床按照对被控量有无检测反馈装置可分为开环控制和闭环控制两种。(1)金属切削类数控机床(2)金属成型类数控机床(3)数控特种加工机床(4)其他类型的数控机床5、按加工方式分类4、按控制方式分类数控机床按照对被控量有无检测反馈表1—4各种机床的实物图表1—4各种机床的实物图数控机床结构与维护第一章课件第二节数控机床的组成与工作原理【学习目标】掌握数控机床的组成了解数控的工作原理第二节数控机床的组成与工作原理【学习目标】【学习内容】一、数控机床的组成图1—9数控机床的组成【学习内容】一、数控机床的组成图1—9数控机床的组1、输入/输出装置数控机床中必须具备必要的交互装置，即输入/输出装置来完成零件程序的输入/输出过程。现代数控机床常用移动硬盘、Flash（U盘）、CF卡(图1—10)及其他半导体存储器等控制介质。此外，现代数控机床可以不用控制介质，直接由操作人员通过手动数据输入（ManualDataInput，简称MDI）键盘输入零件程序；或采用通信方式进行零件程序的输入/输出。图1—10CF卡1、输入/输出装置数控机床中必须具备必要的交互装置2、操作装置操作装置主要由显示装置、NC键盘（功能类似于计算机键盘的按键阵列）、机床控制面板（MachineControlPanel，简称MCP）、状态灯、手持单元等部分组成，如图1—11为FANUC系统的操作装置。图1—11FANUC系统操作装置2、操作装置操作装置主要由显示装置、NC键盘（功能3、计算机数控装置（CNC装置或CNC单元）计算机数控（CNC）装置是计算机数控系统的核心（如图1—13所示）。其主要作用是根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），控制其动作，加工出需要的零件。图1—13计算机数控装置3、计算机数控装置（CNC装置或CNC单元）计算4、伺服机构a)b)伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动和执行两大部分组成。如图1—14所示。它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给速度、方向和位移。目前数控机床的伺服机构中，常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机。图1—14伺服机构a)伺服电动机b）驱动装置4、伺服机构a)b)伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动和执5、检测装置检测装置（也称反馈装置）对数控机床运动部件的位置及速度进行检测，它把机床工作台的实际位移或速度转变成电信号反馈给CNC装置或伺服驱动系统，与指令信号进行比较，以实现位置或速度的闭环控制。数控机床上常用的检测装置有光栅、编码器等（如图1—15所示）。

a)b)a)光栅b)光电编码器图1—15检测装置5、检测装置检测装置（也称反馈装置）对数控机床运动6、可编程控制器可编程控制器（简称PC）主要完成与逻辑运算有关的一些顺序动作的I/O控制，它和实现I/O控制的执行部件一起，共同完成以下任务：1)接受CNC装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴功能）、T（刀具功能）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，2)接受机床控制面板和机床侧的I/O信号，一部分信号直接控制机床的动作，另一部分信号送往CNC装置，经其处理后输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。图1—16可编程控制器6、可编程控制器可编程控制器（简称PC）主要完成与7、可编程控制器机床是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主运动部件、进给运动部件、支承件以及特殊装置和辅助装置组成。图1—17数控车床的组成7、可编程控制器机床是数控机床的主体，是数控系统的图1—18加工中心组成图1—18加工中心组成二、数控机床的工作原理数控机床的主要任务就是根据输入的零件程序和操作指令，进行相应的处理，控制机床各运动部件协调动作，加工出合格的零件，如图1—20所示。图1—20数控机床的工作原理二、数控机床的工作原理数控机床的主要任务就是根据输入的零件程自动托盘更换系统自动托盘更换系统图1—21数控系统对零件程序的处理流程图1—21数控系统对零件程序的处理流程第三节数控技术的发展【学习目标】了解数控系统与数控机床制造材料的发展掌握数控机床结构的发展知道加工方法与制造系统的发展第三节数控技术的发展【学习目标】【学习内容】一、数控系统的发展开放式数控系统逐步得到发展和应用小型化以满足机电一体化的要求改善人机接口，方便用户使用提高数控系统产品的成套性研究开发智能型数控系统【学习内容】一、数控系统的发展开放式数控系统逐步得到发展和应b)二、制造材料的发展聚合物混凝土的配方很多，通常是将花岗岩和其他矿物质粉碎成细小的颗粒，以环氧树脂为粘结剂，以一定比例充分混合后浇注到模具中，借助振动排除气泡，固化约12h后出模。图1—22a所示为用聚合物混凝土制造的机床底座，图1—22b所示为在铸铁中填充混凝土或聚合物混凝土，都能提高振动阻尼性能，其减振性能是铸铁件的8—10倍。图1—22聚合物混凝土的应用a)b)二、制造材料的发展聚合物混凝土的配方很多，通常是将三、结构的发展1、新结构（1）箱中箱结构为了提高刚度和减轻重量，采用框架式箱形结构，将一个框架式箱形移动部件嵌入另一个框架箱中。图1—23箱中箱结构（2）台上台结构如立式加工中心，为了扩充其工艺功能，常使用双重回转工作台，即在一个回转工作台上加装另一个(或多个)回转工作台。f)可倾转台

h)多轴转台图1—24台上台结构三、结构的发展1、新结构（1）箱中箱结构为了提高刚度

（3）主轴摆头卧式加工中心中，为了扩充其工艺功能，常使用双重主轴摆头，如图1—25(主轴及其回转均为零链传动)所示，两个回转轴为C和B。（4）重心驱动图1—26重心驱动图1—25主轴摆头对于龙门式机床，横梁和龙门架用两根滚珠丝杠驱动，形成虚拟重心驱动。如图1-26a所示，Z1和Z2：形成横梁的垂直运动重心驱动，X1和X2形成龙门架的重心驱动。

（3）主轴摆头卧式加工中心中，为了扩充（5）螺母旋转的滚珠丝杠副a）螺母旋转的滚珠丝杠副b）重型机床的工作台驱动方式图1—27螺母旋转的滚珠丝杠副驱动重型机床的工作台行程通常有几米到十几米，过去使用齿轮齿条传动。为消除间隙使用双齿轮驱动，但这种驱动结构复杂，且高精度齿条制造困难。目前使用大直径(直径已达200～250mm，长度通过接长可达20m的滚珠丝杠副，通过丝杠固定、螺母旋转来实现工作台的移动，如图1—27所示。（5）螺母旋转的滚珠丝杠副a）螺母旋转的滚珠丝杠副图1—28电磁伸缩杆（6）电磁伸缩杆近年来，将交流同步直线电动机的原理应用到伸缩杆上，开发出一种新型位移部件，称之为电磁伸缩杆。它的基本原理是在功能部件壳体内安放环状双向电动机绕组，中间是作为次级的伸缩杆，伸缩杆外部有环状的永久磁铁层。如图1—28所示。图1—28电磁伸缩杆（6）电磁伸缩杆近年来，将交流同步直（7）球电动机球电动机是德国阿亨工业大学正在研制的一种具有创意的新型电动机，是在多棱体的表面上间隔分布着不同极性的永久磁铁，构成一个磁性球面体。它是具有3个回转自由度的转动球(相当于传统电动机的转子)，球体的顶端有可以连接杆件或其他构件的工作端面，底部有静压支承，承受载荷。当供给定子绕组一定频率的交流电源后，转动球就偏转一个角度。事实上，转动球就相当于传统电动机的转子，不过不是实现绕固定轴线的回转运动，而是实现绕球心的角度偏转。（7）球电动机球电动机是德国阿亨工业大学正在研制的一种具有创（8）八角形滑枕如图1—30所示，八角形滑枕形成双V字形导向面，导向性能好，各向热变形均等，刚性好。a)结构图b)示意图c)实物图图1—30八角形滑枕c)（8）八角形滑枕如图1—30所示，八角形滑枕形成双V字形导向（1）并联数控机床2、新结构的应用图1—32六杆加工中心的示意图之一图1—31六杆数控机床的结构示意图之一（1）并联数控机床2、新结构的应用图1—32六杆加工中心的图1—33六杆数控机床的结构示意图之二图1—34六杆加工中心的示意图之二图1—33六杆数控机床的结构示意图之二图1—34六图1—35三杆机床传动副图1—36加装平行运动机构的三杆机床两端带万向联轴器的传动杆床座床座回转工作台主轴平行运动机构图1—35三杆机床传动副图1—36加装平行运动机构的（2）并联数控机床图1—37EMAG公司的倒立加工中心图1—38倒置式立式加工中心各坐标轴的分布（2）并联数控机床图1—37EMAG公司的倒立加工中心图（3）没有X轴的加工中心a）加工图b）示意图图1—39德国ALFING公司的AS系列（没有X轴的加工中心）（3）没有X轴的加工中心a）加工图（4）立柱倾斜或主轴倾斜a）瑞士Liechti公司的立柱倾斜型加工中心b）瑞士Liechti公司的斜立柱模型图1—40立柱倾斜型加工中心（4）立柱倾斜或主轴倾斜a）瑞士Liechti公司的立柱倾斜

图1—41铣头倾斜式叶片加工中心(瑞士Starrag公司的铣头倾斜式叶片加工中心)图1—41铣头倾斜式叶片加工中心(瑞士Starrag公（5）四立柱龙门加工中心图1—42日本新日本工机开发四立柱龙门加工中心（5）四立柱龙门加工中心图1—42日本新日本工机开发四立（6）特殊机床图1—43为轨道铣磨机床（车辆）（6）特殊机床图1—43为轨道铣磨机床（车辆）（7）未来机床图1—44未来数控机床（7）未来机床图1—44未来数控机床四、加工方式的发展1、激光加工a)DMG公司的DML40激光加工机床b)DMG公司的激光LTShape

c)激光成形加工

图1—45激光加工激光加工的主要方式分为去除加工、改性加工和连接加工。四、加工方式的发展1、激光加工a)DMG公司的DML40激光2、超声波振动加工图1—46DMG公司DMS35超声振动加工机床图1—46是由工业金刚石颗粒制成的铣刀、钻头或砂轮，通过20000次/S的超声波振动高频敲击，对超硬材料进行精密加工。2、超声波振动加工图1—46DMG公司DMS35超声振动加图1—47水射流切割原理图1-带有过滤器的水箱2-水泵3-贮液蓄能器4-控制器5-阀6-蓝宝石喷嘴7-射流8-工件9-排水口10-压射距离11—液压机构12-增压器3、超声波振动加工水射流切割(WJC)又称液体喷射加工，是利用高压高速液流对工件的冲击作用来去除材料的，如图1—47所示。图1—47水射流切割原理图3、超声波振动加工水射a)加砂水刀b)纯水水刀图1—48水刀水刀就是将普通水经过一个超高压加压器，加压至380Mpa（55,000psi)甚至更高压力，然后通过一个细小的喷嘴（其直径为0.010mm至0.040mm），可产生一道速度为每秒915米（约音速的三倍）的水箭，来进行切割。如图1—48所示水刀分为两种类型：纯水水刀及加砂水刀。

a)加砂水刀b)纯水水刀水刀就是将普通水经图1—49水射流喷嘴角度1—工件2—喷嘴运动方向3—正前角4—喷嘴切割过程中，“切屑”混入液体中，故不存在灰尘，不会有爆炸或火灾的危险。对某些材料，射流束中夹杂有空气将增加噪声，噪声随喷射距离的增加而增加。在液体中加入添加剂或调整到合适的前角，可以降低噪声。图1—49水射流喷嘴角度切割过程中，“切屑”混入液体中，4、微纳制造微纳制造主要应用于超硬脆性、超硬合金、模具钢、无电解镀层镍等材料的微小机电光学零部件的纳米级精度磨削加工。图1—50为纳米磨床。图1—50上海机床厂有限公司的纳米磨床4、微纳制造微纳制造主要应用于超硬脆性、超硬合金、模具钢、无5、智能制造(1)集成的自适应进给控制功能：数控系统可按照主轴功率负载大小，自动调节进给速率。(2)自动校准和优化机床精度功能：该功能是自动校准多轴机床精度的有效工具。(3)智能颤纹控制功能:图1—51GF的智能加工中心5、智能制造(1)集成的自适应进给控制功能：数控系统可按照主6、液氮冷冻加工图1—52超低温液氮冷却切削刀具超低温液氮冷却切削技术可以实现通过主轴中心和刀柄中心在刀片切削刃部的微孔中打出液氮，刀具切削产生的热量被液氮气化（液氮的沸点为摄氏零下320度）的瞬间带走，尤其是在超硬材料加工和复合材料加工上会有更好的效果，切削速度可以大大提高，刀具寿命也可以大大延长。6、液氮冷冻加工图1—52超低温液氮冷却切削刀具超低五、制造系统的发展1、计算机直接数控系统(DNC)图1—53

单机对单机模式图1—54

单机对多机模式计算机直接数控系统(DNC)就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统，也称计算机群控系统。五、制造系统的发展1、计算机直接数控系统(DNC)图1—532、柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)FMC可由一台或少数几台设备组成。具有独立自动加工的功能；部分具有自动传送和监控管理功能，可实现某些种类的多品种小批量的加工。它有两大类，一类是数控机床配上机器人，另一类是加工中心配上托盘交换系统。

图1—55带有机器人的FMC图1—56带有托盘交换系统的FMC环行交换工作台托盘交换装置加工中心托盘托盘座车削中心物料传送装置机器人2、柔性制造单元FMC(FlexibleManufactu3、柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingsystem)图1—57FMS的构成3、柔性制造系统FMS(FlexibleManufactu4、计算机集成制造系统CIMS(ComputerIntegratedManufacturingsystem)

图1—59是CIMS技术集成关系图，它表明了CIMS主要是通过计算机信息技术模块，把工程设计、经营管理和加工制造三大自动化子系统集成起来。图1—59CIMS技术集成关系图4、计算机集成制造系统CIMS(ComputerInteg第四节数控机床维护保养【学习目标】了解数控机床操作维护规程制定的原则结合后继课程掌握数控机床的保养技巧了解TPM管理模式第四节数控机床维护保养【学习目标】【学习内容】一、数控机床操作维护规程制定原则1)一般应按数控机床操作顺序及班前、中、后的注意事项分列，力求内容精炼、简明、适用，属于“三好”、“四会”的项目，不再列入。2)按照数控机床类别将结构特点、加工范围、操作注意事项、维护要求等分别列出，便于操作工掌握要点，贯彻执行。3)各类数控机床具有共性的内容，可编制统一标准通用规程。4)重点设备、高精度、大重型及稀有关键数控机床，必须单独编制操作维护规程，并用醒目的标志牌、板张贴显示在机床附近，要求操作工特别注意，严格遵守。【学习内容】一、数控机床操作维护规程制定原则1)一般应按数控二、一级保养的内容和要求1、加工中心一级保养的内容和要求一级保养就是每天的日常保养。日常保养包括为班前、班中和班后所做的保养工作。2、数控车床(车削中心)一级保养的内容和要求二、一级保养的内容和要求1、加工中心一级保养的内容和要求三、数控机床二级保养的内容和要求1、加工中心二级保养的内容和要求二级保养就是每月一次的保养，一般在月底或月初进行。作二级保养前首先要完成一级保养的内容。二级保养一般按照数控机床部位划分来进行。2、数控车床(车削中心)二级保养的内容和要求三、数控机床二级保养的内容和要求1、加工中心二级保养的内容和五、TPM管理模式1、加工中心三级保养的内容和要求2、数控车床三级保养的内容和要求四、数控机床三级保养的内容和要求1、TPM推广应用的条件2、推行TPM活动的步骤五、TPM管理模式1、加工中心三级保养的内容和要求2、数控【习题练习】一、填空题1.

年诞生的世界上第一台数控机床是数控铣床。2.

是一种借助

、

或其他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。3.数控系统是由

、计算机数控装置、可编程控制器、

和进给伺服驱动系统等组成。4.伺服机构是数控机床的执行机构，由

和

两大部分组成。5.数控机床的伺服机构中，常用的位移执行机构有

、直流伺服电动机、

和直线电动机。【习题练习】6.PLC接受CNC装置的控制代码

、

、

等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号。7.数控机床按其进刀与工件相对运动的方式，可以分为

控制、

控制和轮廓控制。8.

的内容主要有清洗、除尘、防腐及调整等工作，配备必要的测量仪表与工具。9.

就是每天的日常保养。10.

是TotalProductiveMaintenance第一个字母的缩写，本意是“

”。数控机床结构与维护第一章课件二、选择题1.第一台数控机床诞生于（

）年。A.1950B.1952C.19552..开环控制系统用于（

）数控机床上。A.经济型B.中、高档C.精密3.数控铣床多为三坐标、两坐标联动的机床，也称两轴半控制，即在（

）三个坐标轴，任意两轴都可以联动。A.U、V、WB.X、O、YC.X、Z、CD.X、Y、Z4.全闭环伺服系统与半闭环伺服系统的区别取决于运动部件上的（

）。A.执行机构B.反馈信号C.检测元件5.数控车床通常采用的是（

）。A.点位控制系统B.直线控制系统C.轮廓控制系统D.其他系统数控机床结构与维护第一章课件6.正确合理地（

）数控机床，是数控机床管理工作的重要环节。A.维修B.使用C.管理D.保养7.（

）就是每月一次的保养，一般在月底或月初进行。A.一级保养B.二级保养C.三级保养8.数控系统的（

）是其发展的趋势。A.专业化B.大型化C.开放化9.在数控机床中，（

）主要完成与逻辑运算有关的一些顺序动作的I/O控制。A.PMCB.PLCC.PVC10.（

）功能用于控制数控机床的主轴正反转和停止、准停、自动更换、切削液的开关等动作。A.TB.SC.MD.F数控机床结构与维护第一章课件三、判断题1.（

）数控铣床可以进行自动换刀。2.（

）随机故障是由于数控机床自身的原因引起的，与外部使用环境条件无关。3.（

）“预防为主、养修结合”是数控机床检修工作的正确方针。4.（

）有安全门的加工中心在安全门打开的情况下也能进行加工。5.（

）计算机数控系统的核心是计算机。6.（

）开环数控机床的控制精度取决于检测装置的精度。7.（

）闭环数控机床的精度取决于步进电动机和丝杠的精度。8.（

）正确使用数控机床能防止设备非正常磨损、延缓劣化进程，及时发现和消除隐患于未然。9.（

）加强设备的维护保养、修理，能够延长设备的技术寿命。10.（

）全闭环的数控机床的定位精度主要取决于检测装置的精度。

数控机床结构与维护第一章课件数控机床结构与维护数控机床结构与维护第一章概述数控机床是现代机械工业的重要技术装备，也是先进制造技术的基础装备。下图是在数控机床上加工零件。第一章概述数控机床是现代机械工业的重要技术装备，也是先进制第一节数控机床概述【学习目标】了解数控机床产生的年代与国家掌握数控机床的定义了解数控的特点掌握数控机床的分类掌握闭环、开环、半闭环数控机床的工作原理掌握点位控制数控机床的定位特点第一节数控机床概述【学习目标】【学习内容】一、数控机床的产生1958年，北京机床厂与清华大学合作试制了第一台数控铣床。1970年，北京机床厂的XK5040升降台数控铣床作为商品，小批量生产。1985年，我国数控机床进入了实用阶段。1986到1990年，是我国数控机床的大发展时期。【学习内容】一、数控机床的产生1958年，北京机床厂与清华大二、数控机床的定义数控机床（NumericalControlMachineTools）是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会对数控机床定义如下：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。定义中所说的程序控制系统即数控系统。二、数控机床的定义数控机床（NumericalContro三、数控机床的特点1、适用性强数控机床加工形状复杂的零件或新产品时，仅需要少量工夹具。2、适合加工复杂型面的零件由于计算机具有高超的运算能力，可以瞬间准确地计算出每个坐标轴瞬间应该运动的运动量，因此数控机床能完成普通机床难以加工或根本不能加工的复杂型面的零件，如图1-2所示。图1-2复杂型面的零件三、数控机床的特点1、适用性强数控机床加工形状复杂的零件或新3、加工精度高、加工质量稳定4、自动化程度高数控机床所需的加工条件，如进给速度、主轴转速、刀具选择等，都是由指令代码事先规定好的，整个加工过程是自动进行的，人为造成的加工误差很小，而且传动中的间隙及误差还可以由数控系统进行补偿。数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘，装卸工件，进行关键工序的中间检测以及观察机床运行外，不需要进行繁杂的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻。3、加工精度高、加工质量稳定4、自动化程度高数控5、加工生产率高6、一机多用数控机床能够减少零件加工所需的机动时间和辅助时间。某些数控机床，一次装夹几乎能完成零件的全部工序的加工。图1-3车削中心上完成了车、铣、钻等加工5、加工生产率高6、一机多用数控机床能够减少零件加工所需的机7、减轻操作者的劳动强度8、有利于生产管理的现代化9、价格较贵10、调试和维修较复杂，需专门的技术人员数控系统采用数字信息与标准化代码输入，并具有通信接口，易实现数控机床之间的数据通信，最适宜计算机之间的联接，组成工业控制网络。7、减轻操作者的劳动强度8、有利于生产管理的现代化9、价格较四、数控机床的分类1、按工艺用途分类（1）一般数控机床最普通的数控机床有钻床、车床、铣床、镗床、磨床和齿轮加工机床。图1-4常见数控机床图a）立式数控车床b）卧式数控车床c）立式数控铣床d）卧式数控铣床四、数控机床的分类1、按工艺用途分类（1）一般数控机床最普通（2）数控加工中心1）按加工范围分类车削加工中心、钻削加工中心、镗铣加工中心、磨削加工中心、电火花加工中心等。

表1—1常见的加工中心（2）数控加工中心1）按加工范围分类表1—1常见的加工中数控机床结构与维护第一章课件数控机床结构与维护第一章课件数控机床结构与维护第一章课件2）按机床结构分类立式加工中心、卧式加工中心、五面加工中心和并联加工中心(虚拟加工中心)。图1-5常见加工中心图a）立式加工中心b）卧式加工中心2）按机床结构分类立式加工中心、卧式加工中心、五面加工中心和3）按数控系统联动轴数分类有2坐标加工中心、3坐标加工中心和多坐标加工中心。4）按精度分类可分为普通加工中心和精密加工中心。3）按数控系统联动轴数分类有2坐标加工中心、3坐标加工中心和图1—6数控机床分类a）点动控制b）直线控制c）轮廓控制2、按加工路线分类（1）点动控制（2）直线控制（3）轮廓控制点位控制方式就是刀具与工件相对运动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向。直线控制方式就是刀具与工件相对运动时，除控制从起点到终点的准确定位外，还要保证平行坐标轴的直线切削运动。轮廓控制就是刀具与工作相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制。图1—6数控机床分类a）点动控制3、按可控制联动的坐标轴分类（1）两坐标联动（2）三坐标联动（3）两轴半坐标联动（4）多坐标联动图1—7空间平面和曲面的数控加工c）两坐标联动加工曲面d)五轴联动铣床加工曲面a）零件沟槽面加工b）三坐标联动曲面加工3、按可控制联动的坐标轴分类（1）两坐标联动（2）三坐标联动表1—2五轴联动加工中心表1—2五轴联动加工中心数控机床结构与维护第一章课件数控机床结构与维护第一章课件

图1—8六轴加工中心图1—8六轴加工中心4、按控制方式分类数控机床按照对被控量有无检测反馈装置可分为开环控制和闭环控制两种。(1)金属切削类数控机床(2)金属成型类数控机床(3)数控特种加工机床(4)其他类型的数控机床5、按加工方式分类4、按控制方式分类数控机床按照对被控量有无检测反馈表1—4各种机床的实物图表1—4各种机床的实物图数控机床结构与维护第一章课件第二节数控机床的组成与工作原理【学习目标】掌握数控机床的组成了解数控的工作原理第二节数控机床的组成与工作原理【学习目标】【学习内容】一、数控机床的组成图1—9数控机床的组成【学习内容】一、数控机床的组成图1—9数控机床的组1、输入/输出装置数控机床中必须具备必要的交互装置，即输入/输出装置来完成零件程序的输入/输出过程。现代数控机床常用移动硬盘、Flash（U盘）、CF卡(图1—10)及其他半导体存储器等控制介质。此外，现代数控机床可以不用控制介质，直接由操作人员通过手动数据输入（ManualDataInput，简称MDI）键盘输入零件程序；或采用通信方式进行零件程序的输入/输出。图1—10CF卡1、输入/输出装置数控机床中必须具备必要的交互装置2、操作装置操作装置主要由显示装置、NC键盘（功能类似于计算机键盘的按键阵列）、机床控制面板（MachineControlPanel，简称MCP）、状态灯、手持单元等部分组成，如图1—11为FANUC系统的操作装置。图1—11FANUC系统操作装置2、操作装置操作装置主要由显示装置、NC键盘（功能3、计算机数控装置（CNC装置或CNC单元）计算机数控（CNC）装置是计算机数控系统的核心（如图1—13所示）。其主要作用是根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），控制其动作，加工出需要的零件。图1—13计算机数控装置3、计算机数控装置（CNC装置或CNC单元）计算4、伺服机构a)b)伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动和执行两大部分组成。如图1—14所示。它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给速度、方向和位移。目前数控机床的伺服机构中，常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机。图1—14伺服机构a)伺服电动机b）驱动装置4、伺服机构a)b)伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动和执5、检测装置检测装置（也称反馈装置）对数控机床运动部件的位置及速度进行检测，它把机床工作台的实际位移或速度转变成电信号反馈给CNC装置或伺服驱动系统，与指令信号进行比较，以实现位置或速度的闭环控制。数控机床上常用的检测装置有光栅、编码器等（如图1—15所示）。

a)b)a)光栅b)光电编码器图1—15检测装置5、检测装置检测装置（也称反馈装置）对数控机床运动6、可编程控制器可编程控制器（简称PC）主要完成与逻辑运算有关的一些顺序动作的I/O控制，它和实现I/O控制的执行部件一起，共同完成以下任务：1)接受CNC装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴功能）、T（刀具功能）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，2)接受机床控制面板和机床侧的I/O信号，一部分信号直接控制机床的动作，另一部分信号送往CNC装置，经其处理后输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。图1—16可编程控制器6、可编程控制器可编程控制器（简称PC）主要完成与7、可编程控制器机床是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主运动部件、进给运动部件、支承件以及特殊装置和辅助装置组成。图1—17数控车床的组成7、可编程控制器机床是数控机床的主体，是数控系统的图1—18加工中心组成图1—18加工中心组成二、数控机床的工作原理数控机床的主要任务就是根据输入的零件程序和操作指令，进行相应的处理，控制机床各运动部件协调动作，加工出合格的零件，如图1—20所示。图1—20数控机床的工作原理二、数控机床的工作原理数控机床的主要任务就是根据输入的零件程自动托盘更换系统自动托盘更换系统图1—21数控系统对零件程序的处理流程图1—21数控系统对零件程序的处理流程第三节数控技术的发展【学习目标】了解数控系统与数控机床制造材料的发展掌握数控机床结构的发展知道加工方法与制造系统的发展第三节数控技术的发展【学习目标】【学习内容】一、数控系统的发展开放式数控系统逐步得到发展和应用小型化以满足机电一体化的要求改善人机接口，方便用户使用提高数控系统产品的成套性研究开发智能型数控系统【学习内容】一、数控系统的发展开放式数控系统逐步得到发展和应b)二、制造材料的发展聚合物混凝土的配方很多，通常是将花岗岩和其他矿物质粉碎成细小的颗粒，以环氧树脂为粘结剂，以一定比例充分混合后浇注到模具中，借助振动排除气泡，固化约12h后出模。图1—22a所示为用聚合物混凝土制造的机床底座，图1—22b所示为在铸铁中填充混凝土或聚合物混凝土，都能提高振动阻尼性能，其减振性能是铸铁件的8—10倍。图1—22聚合物混凝土的应用a)b)二、制造材料的发展聚合物混凝土的配方很多，通常是将三、结构的发展1、新结构（1）箱中箱结构为了提高刚度和减轻重量，采用框架式箱形结构，将一个框架式箱形移动部件嵌入另一个框架箱中。图1—23箱中箱结构（2）台上台结构如立式加工中心，为了扩充其工艺功能，常使用双重回转工作台，即在一个回转工作台上加装另一个(或多个)回转工作台。f)可倾转台

h)多轴转台图1—24台上台结构三、结构的发展1、新结构（1）箱中箱结构为了提高刚度

（3）主轴摆头卧式加工中心中，为了扩充其工艺功能，常使用双重主轴摆头，如图1—25(主轴及其回转均为零链传动)所示，两个回转轴为C和B。（4）重心驱动图1—26重心驱动图1—25主轴摆头对于龙门式机床，横梁和龙门架用两根滚珠丝杠驱动，形成虚拟重心驱动。如图1-26a所示，Z1和Z2：形成横梁的垂直运动重心驱动，X1和X2形成龙门架的重心驱动。

（3）主轴摆头卧式加工中心中，为了扩充（5）螺母旋转的滚珠丝杠副a）螺母旋转的滚珠丝杠副b）重型机床的工作台驱动方式图1—27螺母旋转的滚珠丝杠副驱动重型机床的工作台行程通常有几米到十几米，过去使用齿轮齿条传动。为消除间隙使用双齿轮驱动，但这种驱动结构复杂，且高精度齿条制造困难。目前使用大直径(直径已达200～250mm，长度通过接长可达20m的滚珠丝杠副，通过丝杠固定、螺母旋转来实现工作台的移动，如图1—27所示。（5）螺母旋转的滚珠丝杠副a）螺母旋转的滚珠丝杠副图1—28电磁伸缩杆（6）电磁伸缩杆近年来，将交流同步直线电动机的原理应用到伸缩杆上，开发出一种新型位移部件，称之为电磁伸缩杆。它的基本原理是在功能部件壳体内安放环状双向电动机绕组，中间是作为次级的伸缩杆，伸缩杆外部有环状的永久磁铁层。如图1—28所示。图1—28电磁伸缩杆（6）电磁伸缩杆近年来，将交流同步直（7）球电动机球电动机是德国阿亨工业大学正在研制的一种具有创意的新型电动机，是在多棱体的表面上间隔分布着不同极性的永久磁铁，构成一个磁性球面体。它是具有3个回转自由度的转动球(相当于传统电动机的转子)，球体的顶端有可以连接杆件或其他构件的工作端面，底部有静压支承，承受载荷。当供给定子绕组一定频率的交流电源后，转动球就偏转一个角度。事实上，转动球就相当于传统电动机的转子，不过不是实现绕固定轴线的回转运动，而是实现绕球心的角度偏转。（7）球电动机球电动机是德国阿亨工业大学正在研制的一种具有创（8）八角形滑枕如图1—30所示，八角形滑枕形成双V字形导向面，导向性能好，各向热变形均等，刚性好。a)结构图b)示意图c)实物图图1—30八角形滑枕c)（8）八角形滑枕如图1—30所示，八角形滑枕形成双V字形导向（1）并联数控机床2、新结构的应用图1—32六杆加工中心的示意图之一图1—31六杆数控机床的结构示意图之一（1）并联数控机床2、新结构的应用图1—32六杆加工中心的图1—33六杆数控机床的结构示意图之二图1—34六杆加工中心的示意图之二图1—33六杆数控机床的结构示意图之二图1—34六图1—35三杆机床传动副图1—36加装平行运动机构的三杆机床两端带万向联轴器的传动杆床座床座回转工作台主轴平行运动机构图1—35三杆机床传动副图1—36加装平行运动机构的（2）并联数控机床图1—37EMAG公司的倒立加工中心图1—38倒置式立式加工中心各坐标轴的分布（2）并联数控机床图1—37EMAG公司的倒立加工中心图（3）没有X轴的加工中心a）加工图b）示意图图1—39德国ALFING公司的AS系列（没有X轴的加工中心）（3）没有X轴的加工中心a）加工图（4）立柱倾斜或主轴倾斜a）瑞士Liechti公司的立柱倾斜型加工中心b）瑞士Liechti公司的斜立柱模型图1—40立柱倾斜型加工中心（4）立柱倾斜或主轴倾斜a）瑞士Liechti公司的立柱倾斜

图1—41铣头倾斜式叶片加工中心(瑞士Starrag公司的铣头倾斜式叶片加工中心)图1—41铣头倾斜式叶片加工中心(瑞士Starrag公（5）四立柱龙门加工中心图1—42日本新日本工机开发四立柱龙门加工中心（5）四立柱龙门加工中心图1—42日本新日本工机开发四立（6）特殊机床图1—43为轨道铣磨机床（车辆）（6）特殊机床图1—43为轨道铣磨机床（车辆）（7）未来机床图1—44未来数控机床（7）未来机床图1—44未来数控机床四、加工方式的发展1、激光加工a)DMG公司的DML40激光加工机床b)DMG公司的激光LTShape

c)激光成形加工

图1—45激光加工激光加工的主要方式分为去除加工、改性加工和连接加工。四、加工方式的发展1、激光加工a)DMG公司的DML40激光2、超声波振动加工图1—46DMG公司DMS35超声振动加工机床图1—46是由工业金刚石颗粒制成的铣刀、钻头或砂轮，通过20000次/S的超声波振动高频敲击，对超硬材料进行精密加工。2、超声波振动加工图1—46DMG公司DMS35超声振动加图1—47水射流切割原理图1-带有过滤器的水箱2-水泵3-贮液蓄能器4-控制器5-阀6-蓝宝石喷嘴7-射流8-工件9-排水口10-压射距离11—液压机构12-增压器3、超声波振动加工水射流切割(WJC)又称液体喷射加工，是利用高压高速液流对工件的冲击作用来去除材料的，如图1—47所示。图1—47水射流切割原理图3、超声波振动加工水射a)加砂水刀b)纯水水刀图1—48水刀水刀就是将普通水经过一个超高压加压器，加压至380Mpa（55,000psi)甚至更高压力，然后通过一个细小的喷嘴（其直径为0.010mm至0.040mm），可产生一道速度为每秒915米（约音速的三倍）的水箭，来进行切割。如图1—48所示水刀分为两种类型：纯水水刀及加砂水刀。

a)加砂水刀b)纯水水刀水刀就是将普通水经图1—49水射流喷嘴角度1—工件2—喷嘴运动方向3—正前角4—喷嘴切割过程中，“切屑”混入液体中，故不存在灰尘，不会有爆炸或火灾的危险。对某些材料，射流束中夹杂有空气将增加噪声，噪声随喷射距离的增加而增加。在液体中加入添加剂或调整到合适的前角，可以降低噪声。图1—49水射流喷嘴角度切割过程中，“切屑”混入液体中，4、微纳制造微纳制造主要应用于超硬脆性、超硬合金、模具钢、无电解镀层镍等材料的微小机电光学零部件的纳米级精度磨削加工。图1—50为纳米磨床。图1—50上海机床厂有限公司的纳米磨床4、微纳制造微纳制造主要应用于超硬脆性、超硬合金、模具钢、无5、智能制造(1)集成的自适应进给控制功能：数控系统可按照主轴功率负载大小，自动调节进给速率。(2)自动校准和优化机床精度功能：该功能是自动校准多轴机床精度的有效工具。(3)智能颤纹控制功能:图1—51GF的智能加工中心5、智能制造(1)集成的自适应进给控制功能：数控系统可按照主6、液氮冷冻加工图1—52超低温液氮冷却切削刀具超低温液氮冷却切削技术可以实现通过主轴中心和刀柄中心在刀片切削刃部的微孔中打出液氮，刀具切削产生的热量被液氮气化（液氮的沸点为摄氏零下320度）的瞬间带走，尤其是在超硬材料加工和复合材料加工上会有更好的效果，切削速度可以大大提高，刀具寿命也可以大大延长。6、液氮冷冻加工图1—52超低温液氮冷却切削刀具超低五、制造系统的发展1、计算机直接数控系统(DNC)图1—53

单机对单机模式图1—54

单机对多机模式计算机直接数控系统(DNC)就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统，也称计算机群控系统。五、制造系统的发展1、计算机直接数控系统(DNC)图1—532、柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)FMC可由一台或少数几台设备组成。具有独立自动加工的功能；部分具有自动传送和监控管理功能，可实现某些种类的多品种小批量的加工。它有两大类，一类是数控机床配上机器人，另一类是加工中心配上托盘交换系统。

图1—55带有机器人的FMC图1—56带有托盘交换系统的FMC环行交换工作台托盘交换装置加工中心托盘托盘座车削中心物料传送装置机器人2、柔性制造单元FMC(FlexibleManufactu3、柔性制造系统FMS(FlexibleManufacturingsystem)图1—57FMS的构成3、柔性制造系统FMS(FlexibleManufactu4、计算机集成制造系统CIMS(ComputerIntegratedManufacturingsystem)

图1—59是CIMS技术集成关系图，它表明了CIMS主要是通过计算机信息技术模块，把工程设计、经营管理和加工制造三大自动化子系统集成起来。图1—59CIMS技术集成关系图4、计算机集成制造系统CIMS(ComputerInteg第四节数控机床维护保养【学习目标】了解数控机床操作维护规程制定的原则结合后继课程掌握数控机床的保养技巧了解TPM管理模式第四节数控机床维护保养【学习目标】【学习内容】一、数控机床操作维护规程制定原则1)一般应按数