数控机床的种类及其特点

金属切削机床：对金属材料的坯料或工件，用切削、特种加工等方法进行加工，使之获得要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。1952年，试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。它是由大型立式仿型铣床改装而成的三坐标数控铣床，其数控装置采用电子管元件，体积庞大，可作直线插补。1957年投入使用。1959年，美国克耐•杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功开发了加工中心（MachiningCenter—MC）O数控机床主要由以下七个基本部分组成：介质：数控机床加工零件所需的控制信息和数据的载体（1） 控制，即用来存放加工程序的载体，也称程序载体；早期用穿孔带、穿孔卡、磁带或磁盘制成。（2） 输入装置：将程序载体上的控制代码转换成电平信号，送数控装置的内部存储器。如光电阅读机、磁带机、软驱、MDI、计算机输入（3） 数控装置：NC机床的核心部件，它将输入的电信号译码和寄存，进行数据的运算和处理，实现刀具运动轨迹的插补运算，输出机床动作的控制指令。主要包括运算器、控制器、存储器等，早期由逻辑元件的固定硬接线电路组成。（4） 强电控制装置：接受NC内部PLC输出的M、S、T信号，经功率放大驱动执行部件。是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的辅助控制系统。（5） 伺服系统：接受数控装置输出的进给指令脉冲，经转换和功率放大，带动机床的移动部件或执行部件产生指令规定的运动，是一个位置控制系统，要求准确的控制机床刀具或工作台的位置。由伺服驱动装置（位置和速度控制单元）、伺服电机和检测反馈装置组成。它是整个数控系统的执行部分。（6） 检测反馈装置：测量运动部件的实际位移和速度，并转换成数字反馈信号后送回NC装置，从而构成机床伺服控制的闭合路径。通常安装在机床的工作台或丝杠上。（7） 机床：主轴、床身、立柱、导轨、滚珠丝杠、工作台、刀架（库）等机床的机械构件。1.2.1按工艺用途分类1、普通数控机床 NC：包括：切削类.成型类.特种加工类.测量绘图类等2、数控加工中心机床 MachiningCenter—MC：结构：普通NC机床+刀库和自动换刀装置（ATC）特点：一次装夹后能完成多个工序，又称多工序数控机床3、 多坐标数控机床：结构特点：可以进行多坐标轴的联动控制，常用4〜6轴，多则可达24轴4、计算机群控：DirectNumericalControl—DNC即直接数控1.2.2按运动方式分类点位控制数控机床点位控制NC机床能控制工件相对于刀具运动，从一个位置精确地移动到另一个位置，在移动过程中不进行任何切削加工。特点：1）只要求点与点之间的精确定位；2） 对移动速度和移动轨迹不作要求；3） 为保证精确定位，加工是时先快速接近定位点，再降速定位。常见如：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。点位直线控制数控机床特点：除对定位点控制外，还要控制两相关点之间的移动速度和移动轨迹，移动轨迹一般都由与各坐标轴线平行的直线段组成。与点位控制的区别：刀具可以沿一个坐标轴的方向进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制的数控机床多。例如要增加主轴转速控制，循环切削加工，刀具选择等功能。轮廓控制数控机床又称连续控制（连续轨迹），指数控系统能同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度同时协调运动（坐标联动），在联动过程中进行连续切削加工。特点：1）刀具可沿任意斜线、曲线、曲面连续切削；2） 加工时能对两轴或两轴以上的坐标轴进行联动控制；3） 能对整个加工过程中每一点的速度、位置进行控制。属于这类机床的有：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。结构相对复杂，功能齐全。1.2.3按控制方式分类开环控制数控机床控制特点：1） 机床没有运动部件的位置检测，数控装置发出信号流是单向的，没有反馈，控制回路为开环；2） 机床加工精度取决于伺服系统的性能，驱动元件为功率步进电机。优缺点：1） 结构简单，成本低；2）机床工作比较稳定，但控制精度低； 3）适用于经济型数控机床闭环控制数控机床1） 闭环控制原理：闭环控制机床带有直线位置检测元件，实时检测工作台的实际位移，并反馈给数控装置，与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。2） 控制特点：（1） 从输入到输出的每个环节通过位检装置（一般采用光栅尺）联系，信号流是封闭的，控制回路为闭环；（2） 机床加工精度取决于检测装置的精度，驱动元件为直流、交流伺服电机。4）优缺点：（1）将机械传动链全部包括在闭环之内，控制精度高；（2） 系统调试复杂，对机床机械要求高；（3） 适用于高精度数控机床半闭环控制数控机床1） 半闭环控制原理：半闭环控制是将位置检测元件安装在伺服电机轴上或滚珠丝杠的端部，不直接检测工作台的直线位移，而是检测伺服电机转角。反馈给数控装置并与指令值比较，再用差值来控制伺服电机。2） 控制特点：（1） 对工作台的实际位置不进行测量，检测（一般采用编码器）反馈信号取自丝杠转角，工作台不完全包括在控制回路内；（2） 控制精度受传动件影响，驱动元件也为直流、交流伺服电机。4）优缺点：（1）调试方便，移动部件不含在闭环内，稳定性高；（2） 控制精度介于开环与闭环之间，存在机械传动链误差;（3） 性价比高，适用大多数数控机床用户。APC:自动工件交换系统 ATC：自动换刀系统柔性制造系统（FMS） 若干个FMC可组成一个FMS。计算机集成制造系统（CIMS）双螺母预紧常用有以下三种方法：垫片调隙式；1)CNC系统软件的多任务性:「零件程序输入输出管理软件J人机界面( ］诊断L通信cnc系统软件j r译码刀具补偿控制软件｛速度控制插补运算3.2CNC的轨迹控制原理 I位置控制插补定义：插补是一种运算程序，经过运算，判断出每一步应进哪一个坐标，进多少，以此来完成数据点的密化工作。插补方法的分类“一次插补法”，即脉冲增量插补，基特点：常用的有逐点比较法和数字积分法。这类算法，每插补运算一次，最多给每一轴进给一个脉冲，进给速度受到限制，过去的硬件数控系统常采用。“二次插补法”逐点比较插补法逐点比较法控制机床作出一个坐标进给包含四个节拍：第一步：偏差判别第二步：坐标进给，第三步：偏差计算，第四步：终点判别1)逐点比较直线插补①偏差判别第一象限直线OA的方程为：xx—=—eyye即:yx -yx=0令：F(x,y)=yx-xy,i,/je 了e则：插补动点P位于直线上方，下方和直线上:对于直线上方的点，有：F(xi,yj)>0对于直线上的点， 有：F(xi，y.=0对于直线下方的点，有：F(xi,yj)<0=r...=v.x—xvtTfllLy|巽枷坛＞0,则作十鬟方向进给一步 H/坛＜0』作十y方向进给一步环=0,则作+x方向进给一步/ 6（ofe x③督差计算：沿+X走一步 沿+Y走一步尹+1二尹+1FJup+b叫-汕=%+花④终点判别：有二种方法：一是：取终点坐标大者作为结束标志此每在该坐标上走一步N—L等于零时.插补结束］；；二是：刑终点坐标和作为结束标志N,fi|lN=Xe+Yel每走一步N-L直到N=0时为止°直线插补归纳：当『订，0时，沿+X方向走一步，计算：F^^FrYe；N=N-1当『订＜0时，沿+Y方向走一步，计算：Fu+1=F^Xe；N=N-1 与-T - 卢 （练习中计算题）1、刀具补偿：是补偿实际加工时所用的刀具与编程时使用的理想刀具或对刀时使用的基准刀具之间的偏差值，保证加工零件符合图纸要求的一种处理方法。刀具补偿的种类「几何位置补偿刀具的几何补偿'刀具补偿（g实现）'一磨队偿刀具补偿刀具（尖）圆菱半径补偿4、刀具半径补偿分类：B刀补：在两轮廓转接尖角过渡处人工插入圆弧的刀补方法；4、刀具半径补偿分类：B刀补：在两轮廓转接尖角过渡处人工插入圆弧的刀补方法；C刀补：在两轮廓转接尖角过渡处通过伸长、缩短、插入刀具中心轨迹，实现刀具中心轨迹直线过渡的刀补方法。轨迹过渡时矢量夹角a:指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角a，如图：和刀补方向的不同，又有以下几种转接过渡方式：刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式。刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式。在两段刀具中心轨迹之间插入一段直线的过渡方式。根据两段程序轨迹的矢量夹角a缩短型：矢量夹角aN180°伸长型：矢量夹角90°Wa<180插入型：矢量夹角a<90°二、伺服系统的分类按控制方式分为：1）开环伺服系统；2）闭环伺服系统；按功能分为：1）进给驱动系统2）主轴驱动系统；按驱动电机分为：1）步进电机伺服系统；2）直流电机伺服系统；3）交流电机伺服系统;4）直接驱动电机伺服系统；（如：直线电机）步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：式中=360KmZ 一步进电机的步距角；—电机相数； Z一转子齿数；K一系数，相邻两次通电相数相同，K=1；相邻两次通电相数不同，K=2。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。（练习中计算题）金属切削机床：对金属材料的坯料或工件，用切削、特种加工等方法进行加工，使之获得要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。1952年，试制成功世界上第一台数控机床试验性样机数控机床的组成：P18、18数控机床主要由以下七个基本部分组成1）控制介质数控机床加工零件所需的控制信息和数据的载体，即用来存放加工程序的载体，也称程序载体；早期用穿孔带、穿孔卡、磁带或磁盘制成（2）输入装置：将程序载体上的控制代码转换成电平信号，送数控装置的内部存储器。如光电阅读机、磁带机、软驱、MDI、计算机输入3） 数控装置：NC机床的核心部件，它将输入的电信号译码和寄存，进行数据的运算和处理，实现刀具运动轨迹的插补运算，输出机床动作的控制指令。主要包括运算器、控制器、存储器等，早期由逻辑元件的固定硬接线电路组成。4） 强电控制装置：接受NC内部PLC输出的M、S、T信号，经功率放大驱动执行部件。是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的辅助控制系统。5） 伺服系统：接受数控装置输出的进给指令脉冲，经转换和功率放大，带动机床的移动部件或执行部件产生指令规定的运动，是一个位置控制系统，要求准确的控制机床刀具或工作台的位置。由伺服驱动装置（位置和速度控制单元）、伺服电机和检测反馈装置组成。它是整个数控系统的执行部分。（6） 检测反馈装置：测量运动部件的实际位移和速度，并转换成数字反馈信号后送回NC装置，从而构成机床伺服控制的闭合路径。通常安装在机床的工作台或丝杠上。（7） 机床：主轴、床身、立柱、导轨、滚珠丝杠、工作台、刀架（库）等机床的机械构件。CNC系统CNC系统3.CNC控制器的工作过程CNC的工作过程，实际上就是一台工业控制计算机执行数控软件的全过程。包括零件程序的输入、译码、刀具补偿、插补运算、进给速度处理、位置控制、I/O开关量处理、加工信息显示及故障诊断等。

零件程序输入输出管理软件J人机界面■ I诊断通信译码CNC系统软件CNC系统软件控制软彳刀具补偿控制软彳速度控制插补运算位置控制位置控制并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上的工作。常用有资源重复、时间重叠、资源分时共享等方法。插补是一种运算程序，经过运算，判断出每一步应进哪一个坐标，进多少，以此来完成数据点的密化工作。插补算法归纳为两类：“一次插补法”，即脉冲增量插补，基特点：常用的有逐点比较法和数字积分法。这类算法，每插补运算一次，最多给每一轴进给一个脉冲，进给速度受到限制，过去的硬件数控系统常采用。“二次插补法”，即数据采样插补，基特点：插补分粗插补和精插补两部分。常用的有时间分割法和扩展数字积分器法，这类算法在每个插补运算周期里输出的不是单个脉冲，而是线段。因而能显著提高进给速度，应用广泛。1)逐点比较直线插补①偏差判别例1设终点坐标为A(5,3),脉冲当量为5x=6y=1,试给出加工直线OA的逐点比较插补运算表，并画出插补轨迹图。解：N=Xe+Ye=8+x进给时：Fi+1=Fi-Ye+y进给时：Fi+1=Fi+Xe序号工作节拍偏差判别坐标进给偏差计算终点判别起点F0=0N=81F0=0+XF1=0-3=-3N=72F1<0+YF2=-3+5=2N=63F2>0+XF3=2-3=-1N=54F3<0+YF4=-1+5=4N=45F4>0+XF5=4-3=1N=36F5>0+XF6=1-3=-2N=27F6<0+YF7=-2+5=3N=18F7>0+XF8=3-3=0N=01、刀具补偿：是补偿实际加工时所用的刀具与编程时使用的理想刀具或对刀时使用的基准刀具之间的偏差值，保证加工零件符合图纸要求的一种处理方法。几何位置补偿磨损补偿几何位置补偿磨损补偿广刀具的几何补偿刀具补偿」（膈实现）刀具补偿」:刀具（尖）圆弧半径补偿（G41、G42实现）C刀补：在两轮廓转接尖角过渡处通过伸长、缩短、插入刀具中心轨迹，实现刀具中心轨迹直线过渡的刀补方法。P93P94轨迹过渡时矢量夹角a:指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角a根据两段程序轨迹的矢量夹角a和刀补方向的不同，又有以下几种转接过渡方式：缩短型：矢量夹角aN180°刀具中心轨迹短于编程轨迹的过渡方式。伸长型：矢量夹角90°Wa<180°刀具中心轨迹长于编程轨迹的过渡方式。插入型：矢量夹角a<90°在两段刀具中心轨迹之间插入一段直线的过渡方式。1） 含义数控机床的伺服系统是以机械位置和角度作为控制对象的自动控制系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统2） 作用伺服系统接受CNC插补器生成的进给脉冲或进给位移量指令，经变换和功率放大驱动机械运动。CNC机床伺服系统包括：进给伺服系统和主轴伺服系统两部分进给伺服系统是以机床坐标移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量。通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。1.按控制方式分为：1） 开环伺服系统；2） 闭环伺服系统；

脉冲频率f脉冲个数n脉冲环形分配变换A脉冲频率f脉冲个数n脉冲环形分配变换A相、B相C相、...1）三相单三拍运行假设转子有四齿，三相单三拍是指定子按：正转：A—B—C—A顺序通电；或： 反转：A—C—B—A顺序通电；每切换一次，转子就顺（逆）时针转过30°（步距角）。步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：=360—KmZ式中 一步进电机的步距角；m—电机相数； z-转子齿数；K-系数，相邻两次通电相数相同，K=1；相邻两次通电相数不同，K=2。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.初・6、1.50.75、1・80・9、3/1.5度等。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式。其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬环分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的逻辑时序电路。P64作业PLC数控机床的控制除了对坐标轴的进给进行位置伺服控制外，还需要对机床的主轴、刀具和各种开关信号进行控制。如主轴的正、反转，起动和停止，

刀具交换，工件夹紧、松开，工作台交换以及切削液的开、关和润滑系统的启动等进