数控机床简介辅导材料

第一章数控机床简介辅导材料（一）目的与要求使学生掌握数控机床的基本概念、组成、分类、发展历程和方向。初步了解数控机床的工作原理和数控加工的特点。（二）重点与难点重点是数控机床的基本概念、组成、分类等。（三）教学内容1．数控机床的基本概念2．数控机床的基本工作原理3．数控机床的基本组成4．数控机床的分类5．数控加工的特点6．数控机床的适用范围7.数控机床的发展历程和方向（四）教学要求1．掌握数控机床的基本概念和基本组成。2．了解数控机床的基本工作原理。3．掌握数控机床的各种分类形式。4.了解数控机床的加工特点及适用范围。5．掌握数控机床的发展历程和发展方向。（五）内容提要和学习指导1.1数控机床概述1.1.1数控机床的基本概念（掌握）（增加内容）数字控制（NumericalControl，NC）简称数控，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种技术方法。数控机床（NumericalControlMachine）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。或者说是装备了数控系统的机床。数控系统（NumericalControlSystem）一种自动输入载体上事先给定的数字量（零件加工程序），并将其译码，再进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件的控制系统。最初的数控系统是由数字逻辑电路构成的专用硬件数控系统。随着微型计算机的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统。计算机数控系统（ComputerNumericalControl，CNC）CNC系统是由计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控系统。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。数控编程（CNCProgramming）从零件图样到将加工信息用规定代码，按一定的格式编写成零件加工程序单和制作控制介质的全部过程，称为数控加工的程序编制，简称数控编程。

1.1.2数控机床的基本工作原理（了解）1.利用数控机床完成零件数控加工的过程。2.数控加工中的数据转换过程，如图1.2所示。（增加内容）

图1.2数控加工中的数据转换过程

⑴译码译码程序以一个程序段为单位，按一定规则将加工程序中的信息翻译成计算机内部能识别的数据形式，并以约定的格式存放在指定的内存区间。⑵数据处理数据处理程序一般包括刀具补偿、进给方向判断、进给速度计算以及辅助功能处理等。刀具补偿是把零件轮廓轨迹转化成刀具中心运动轨迹，编程员只需按零件轮廓轨迹编程。进给方向判断是根据零件轮廓的形状和机床刀具的位置，决定刀具运动方向的指令。速度计算是根据编程所给的进给速度来计算各坐标运动方向的分速度。另外对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判断并处理。⑶插补计算数据密化的过程。插补计算就是对数控系统输入基本数据，运用一定的算法进行计算，并根据计算结果向相应的坐标发出进给指令。⑷PLC控制（ProgrammableLogicController）用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制。数控机床的工作原理就是将预先编好的加工程序以数据的形式输入数控系统，数控系统通过译码、数据处理、插补计算和PLC协调控制等，最终实现零件的自动化加工。

1.1.3数控机床的基本组成（掌握）数控机床的基本组成：控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各类辅助装置等。

（调整内容）数控机床一般由控制介质、数控系统、伺服系统、机床本体、反馈装置和各类辅助装置组成。1、控制介质2、数控系统3、伺服系统4、反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。没有测量反馈装置的系统称为开环控制系统。常用的测量部件有脉冲编码器、光栅、旋转变压器、感应同步器和磁尺等。5、辅助装置辅助装置主要包括液压和气动装置、自动排屑装置、自动换刀装置、工件自动交换装置、工件夹紧放松机构、润滑装置、切削液装置、过载和保护装置等。6、机床本体

1.2数控机床的分类（掌握）1.按伺服控制的方式进行分类（1）开环控制的数控机床：特点：只有控制信息的前向通道，没有检测装置，不具有反馈环节。应用：一般在经济型数控机床和旧设备的简易数控改造中采用。（2）闭环控制的数控机床：特点：具有反馈环节，全闭环控制的数控机床的反馈装置安装在数控机床终端移动部件上。应用：主要是高精密的数控机床、加工中心等；半闭环控制的数控机床：特点：反馈装置安装在伺服电动机或丝杠端部。应用：大部分数控机床中采用。（3）混合控制数控系统：常用形式：开环补偿型和半闭环补偿型。2.按数控机床运动轨迹分类（1）点位控制的数控机床应用：主要有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。（2）直线控制的数控机床应用：主要有简易的数控车床、数控铣床等。（3）轮廓控制的数控机床：数控系统应具有插补运算功能。应用：两轴以上联动的数控机床、加工中心均采用轮廓控制。可控轴数：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方向采用了数字控制。联动轴数：是指机床数控装置控制各坐标轴协调动作的坐标轴数目。通常一台数控机床的联动轴数一般会小于或等于可控轴数。（增加内容）（3）轮廓控制的数控机床数控机床的可控轴数，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方向采用了数字控制。五轴控制的数控机床包含了三个移动坐标轴和两个转动坐标轴。数控机床完成的运动越多，控制轴数就越多，对应的功能就越强，同时机床结构的复杂程度与技术含量也就越高。数控机床实现了对多个坐标轴的控制，并不等于就可以加工出任何形状的零件。我们所说的两轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动等，即数控机床的联动轴数，是指机床数控装置控制各坐标轴协调动作的坐标轴数目。联动轴数越多，控制系统就越复杂，加工能力就越强。通常一台数控机床的联动轴数一般会小于或等于可控轴数。

1.3数控机床的适用范围（了解）1.3.1数控机床的加工特点1.3.2数控机床的适用范围

1.4数控机床的发展历程和发展方向（掌握）1.4.1数控机床的发展历程突破传统机床结构的最新一代的数控机床：并联机床（虚轴机床）。（增加内容）数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司(ParsonsCo.)在研制加工直升飞机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，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(ServoMechanismlaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology)合作，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其数控系统全部采用电子管元件，数控装置体积比机床本体还要大。后又经过三年的改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到50年代末，由于价格和技术上的原因，数控机床局限在航空工业中应用，品种也多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻冲、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断地扩展应用范围。20世纪80年代中后期，随着加工中心功能和结构的完善，显示了这种工序集中数控机床的优越性，开始出现车削中心、磨削中心等，使复合加工得到扩展而不再局限于镗、铣等工序。90年代后期又进一步发展了车铣中心、铣车中心、车磨中心等，近年来又出现由激光、电火花和超声波等特种加工方法与切削、磨削加工方法组合的复合机床，使复合加工技术成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点。自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速的发展和不断的更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952～1959年采用电子管元件构成的专用数控装置(NC)。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：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(ComputerNumericalControl，简称CNC)。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统(MicrocomputerNumericalControl，简称MNC)。第五代微机数控系统已取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序（即存储在系统内的管理程序）来实现的。这种数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善，数控装置的故障已从数控机床总的故障次数中占主导地位降到了很次要的地位。进入90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统(也称之为第六代数控)。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。开发研究成果已得到应用，如Cincinnati-Milacron公司从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的A2100系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。数控系统继续向高集成度方向发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统体积更小，更加小型化、微型化。可靠性大大提高。利用多CPU的优势，实现故障自动排除；增强通信功能，提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。最新一代的数控机床：并联机床（又称6条腿数控机床、并联运动学机器人、虚轴机床）是数控机床在结构上取得的重大突破。1994年，在美国芝加哥国际机床展览会(IMTS’94)上，美国Giddings＆Lewis公司首次展出了Variax型并联运动机床，引起各国机床研究单位和生产厂家的重视。它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑。并联运动机床是以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件取代部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。并联运动机床与传统机床的比较如图1.24所示。图l.24并联运动机床与传统机床的比较从图中可见，并联运动机床与传统机床的区别主要表现在：传统机床布局的基本特点是以床身、立柱、横梁等作为支承部件，主轴部件和工作台的滑板沿支承部件上的直线导轨移动，按照X、Y、Z坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀头点的加工表向轨迹。并联运动机床布局的基本特点是，以机床框架为固定平台的若十杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，改变杆件的长度或移动杆件的支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。出于并联运动机床结构以绗架杆系取代传统机床结构的悬臂梁和两支点梁来承载切削力和部件重力，加上运动部件的质量明显减小以及主要由电主轴、滚珠丝杠、直线电动机等机电一体化部件组