数控机床的起源和历史

数控机床概述内容提要本PPT主要介绍数控技术、数控机床的基本概念、体系结构、工作原理及分类数控机床的应用范围及发展历史。

数控技术与数控机床自从20世纪中叶数控技术创立以来它给机械制造业带来了革命性的变化。

现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术现代的CAD/CAMFMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等都是建立在数控技术之上数控技术与数控机床数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段是国家的战略技术东芝事件、考克斯报告基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争其实质是数控技术的竞争。

数控机床的产生及发展数字控制机床是用数字代码形式的信息程序指令控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行数控机床具有广泛的适应性加工对象改变时只需要改变输入的程序指令加工性能比一般自动机床高可以精确加工复杂型面因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件并能获得良好的经济效果。

随着数控技术的发展采用数控系统的机床品种日益增多有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。

此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。

自动加工的机床简称数控机床。

第一节数控技术与数控机床数控机床Numerical Control Machine Tools是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。

它数控技术典型应用的例子。

数控系统Numerical Control System实现数字控制的装置。

计算机数控系统Computer Numerical Control CNC 以计算机为核心的数控系统。

数字控制机床是用数字代码形式的信息程序指令控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床简称数控机床。

第一节数控技术与数控机床数字控制与数控技术数字控制Numerical Control 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。

数控技术Numerical Control Technology采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。

机床I/O电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数控装置操作面板PLC计算机数控系统机床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备第一节数控技术与数控机床数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成第一节数控技术与数控机床操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。

组成按钮站、状态灯、按键阵列功能与计算机键盘一样和显示器。

它是数控机床特有部件。

第一节数控技术与数控机床控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。

交互的信息通常是零件加工程序。

即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。

数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1表1 控制介质和输入输出设备表控制介质输入设备输入设备穿孔纸带纸带阅读机纸带穿孔机磁带磁带机或录音机磁盘磁盘驱动器第一节数控技术与数控机床第一节数控技术与数控机床通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。

它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。

采用的方式有串行通讯RS-232等串口、自动控制专用接口和规范DNC方式MAP协议等网络技术internetLAN等。

第一节数控技术与数控机床CNC装置CNC单元组成计算机系统、位置控制板、PLC接口板通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。

作用根据输入的零件加工程序进行相
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等所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合合理组织使整个系统有条不紊地进行工作的。

CNC装置是CNC系统的核心第一节数控技术与数控机床伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机测量装置位置和速度测量装置。

以实现进给伺服系统的闭环控制。

作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令进给运动指令实现零件加工的成形运动速度和位置控制。

主轴运动指令实现零件加工的切削运动速度控制第一节数控技术与数控机床PLC、机床I/O电路和装置PLC Programmable Logic Controller用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制它由硬
件和软件组成机床I/O电路和装置实现I/O控制的执行部件由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路功能接受CNC的M、S、T指令对其进行译码并转换成对应的控制信号控制辅助装置完成机床相应的开关动作接受操作面板和机床侧的I/O信号送给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。

第一节数控技术与数控机床机床机床数控机床的主体是实现制造加工的执行部件。

组成由主运动部件、进给运动部件工作台、拖板以及相应的传动机构、支承件立柱、床身等以及特殊装置刀具自动交换系统工件自动交换系统和辅助装置如排屑装置等。

第二节数控机床的分类按工艺用途分类切削加工类数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。

成型加工类数控折弯机、数控弯管机等。

特种加工类数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。

其它类型数控装配机、数控测量机、机器人等。

第二节数控机床的分类按控制功能分类点位控制数控系统仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动对轨迹不作控制要求运动过程中不进行任何加工。

适用范围数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。

第二节数控机床的分类轮廓控制数控系统轮廓控制连续控制系统具有控制几个进给轴同时谐调运动坐标联动使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。

适用范围数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。

现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。

第二节数控机床的分类按联动轴数分2轴联动平面曲线3轴联动空间曲面球头刀4轴联动空间曲面5轴联动及6轴联动空间曲面。

联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。

第二节数控机床的分类按进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。

第二节数控机床的分类开环数控系统没有位置测量装置信号流是单向的数控装置→进给系统故系统稳定性好。

电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大第二节数控机床的分类无位置反馈精度相对闭环系统来讲不高其精度主要取决于伺服驱? 低澈突 荡 沟男阅芎途 取Ｒ话阋怨β什浇 缁 魑 欧 Ｕ饫嘞低尘哂薪峁辜虻ァ⒐ぷ魑榷ā⒌魇苑奖恪⑽ 藜虻ァ⒓鄹竦土 扔诺阍诰 群退俣纫 蟛桓摺⑶ 夭淮蟮某『系玫焦惴河τ谩Ｒ话阌糜诰 眯褪 鼗 病５诙 谑 鼗 驳姆掷喟氡栈肥 叵低嘲氡栈肥 叵低车奈恢貌裳 闳缤妓 臼谴忧 爸贸Ｓ盟欧 缁 蛩扛芤 霾裳 嵌冉 屑觳獠皇侵苯蛹觳庠硕 考 氖导饰恢谩Ｎ恢每刂频鹘谄魉俣瓤刂频鹘谟肭 觳庥敕蠢〉ピ 恢每刂频ピ 俣瓤刂频ピ?-电机机械执行部件CNC插补指令实际位置
反馈实际速度反馈第二节数控机床的分类半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节因此可获得稳定的控制性能其系统的稳定性虽不如开环系统但比闭环要好。

由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。

因此其精度较闭环差较开环好。

但可对这类误差进行补偿因而仍可获得满意的精度。

半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。

第二节数控机床的分类全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示直接对运动部件的实际位置进行检测。

位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第二节数控机床的分类从理论上讲可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。

具有很高的位置控制精度。

由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的故很容易造成系统的不稳定使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。

该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。

第三节数控加工原理数控加工中数据转换过程图3 数控加工中数据转换过程译码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服系统切削运动、机床I/O装置成形运动加工程序第三节数控加工原理译码解释译码程序的主要功能是将用文本格式通常用ASCII码表达的零件加工程序以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构格式。

该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。

它主要包括X、Y、Z等坐标值进给速度主轴转速G代码M代码刀具号子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。

第三节数控加工原理刀补处理计算刀具中心轨迹用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。

刀补处理就是完成这种转换的程序。

第三节数控加工原理插补计算本模块以系统规定的插补周期△t定时运行它将由各种线形直线园弧等组成的零件轮廓按程序给定的进
给速度F实时计算出各个进给轴在△t内位移指令△X1、△Y1、…并送给进给伺服系统实现成形运动。

第三节数控加工原理PLC控制PLC控制是对机床动作的“顺序控制”。

即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向刀具的更换工件的夹紧、松开冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。

数控加工轨迹控制原理逼近处理图为欲加工的圆弧轨迹L起点为P0终点为Pe。

CNC装置首先对圆弧进行逼近处理。

XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图系统按插补时间⊿t和进给速度F的要求将L分割成若干短直线⊿L1⊿L2…⊿Li…这里⊿Li F⊿t i12…F用户给定的进给速度⊿t数控系统插补周期XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图用直线⊿Li逼近圆弧存在着逼近误差δ但只要δ足够小⊿Li足够短总能满足零件的加工要求。

当F为常数时而⊿t对数控系统而言恒为常数则⊿Li的长度也为常数⊿L只是其斜率与其在L上的
位置有关。

XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图第三节数控加工原理指令输出将计算出△ti在时间内的和作为指令输出给Y轴以控制它们联动。

即XiX轴YiY轴只要能连续自动地控制XY两个进给轴在△ti时间内移动量就可以实现曲线轮廓零件的加工。

第二讲数控编程数控加工程序编制与传统加工的区别从零件图纸到制成控制介质的全过程。

将零件的加工信息加工顺序、零件轮廓轨迹、尺寸、工艺参数F、S、T及辅助动作变速、换刀、冷却液启停、工件夹紧松开等等用规定的文字、数字、符号组成的代码按一定的格式编写加工程序单并将程序单的信息变成控制介质的整
个过程。

第二讲数控编程程序编制分为手工编程和自动编程两种。

手动编程整个编程过程由人工完成。

对编程人员的要求高不仅要熟悉数控代码和编程规则而且还必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力自动编程编程人员只要根据零件图纸的要求按照某个自动编程系统的规定将零件的加工信息用较简便的方式送入计算机由计算机自动进行程序的编制编程系统能自动打印出程序单和制备控制介质。

第一节数控机床坐标系为了编程中确定刀具与工件的相对位置必须在数控机床上建立坐标系。

1. 机床坐标系机床坐标系是指用于确定机床的运动方向和移动距离的坐标系。

标准的数控机床坐标系是一个右手笛卡尔直角坐标系其基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标相对于每个坐标轴的旋转运动坐标为A、B、C。

第一节数控机床坐标系右手笛卡尔直角坐标系第三讲数控机床主传动系统设计主传动系统一般由动力源如电动机变速装置及执行件如主轴、刀架工作台以及开停、换向和制动机构等部分组成动力源给执行件提供动力变速装置传递动力以及变换运动速度执行件执行机床所需的运动完成旋转或直线运动。

第三讲数控机床主传动系统设计一、主传动系统的特点1. 电机采用交流异步调速变频电机或者直流调速电机。

2. 传速高功率大。

能进行强力切削和高速切削实现高效率加工。

3. 变速范围大。

4. 主轴速度的变换迅速可靠。

第三讲数控机床主传动系统设计二、常见方案1. 采用交流异步电机无级调速第三讲数控机床主传动系统设计调速电机恒功率范围小于机床主轴恒功率范围恒转矩范围又大于机床主轴恒扭矩范围当两者机械特性不相匹配时直接驱动主轴使低速段最大切削扭矩降低需在调速电机和机床主轴之间串接一个机械分级变速装置扩大调速电机的恒功率范围使两者机械特性相匹配。

在设计分级变速箱时考虑机床结构复杂程度、运转平稳性要求等因素变速箱公比的选取有以下三种情况第三讲数控机床主传动系统设计1 取变速箱公比等于电机恒功率调速范围此时主轴恒功率调速范围为Z为变速箱级数此时功率特性曲线连续无重合无缺口但是变速箱结构比较复杂。

fdpRZfdp1ZfnpRRfnplgRlgZ第三讲数控机床主传动系统设计2 要简化变速箱结构变速箱公比可取大于电机恒功率变速范围主轴恒功率调速范围为变速箱级数可由下式计算该方案会使得功率曲线出现缺口在缺口处电机没有输出全部功率造成功率浪费。

dpfRdp1ZfnpRRfdpnplg/RlgRlg1Z第三讲数控机床主传动系统设计3 取变速箱的公比小于电机恒功率调速范围即变速级数由下式计算此时功率曲线将有部分重合级数增多dpfRfnplgRlgZ第三讲数控机床主传动系统设计某加工中心的主传动系统图
和主轴箱展开图如下所示第三讲数控机床主传动系统设计其转速图和功率曲线图如图所示功率出现较大的缺口。