数控机床的组成和分类
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• 第一节 机床数控技术的基本概念 • 第二节 数控机床的组成和分类 • 第三节 数控机床的特点及适用范围
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数 控 车 床
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数 空 机 床 的 组 成
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数 控 铣 床
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•
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按工艺方法分类
按功能水平分类
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点位控制数控钻床加工示意图
二维轮廓控制数控机床加工示意图
三维轮廓控制数控机床加工示意图
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开环控制系统示意图
半闭环控制系统示意图
闭环控制系统示意图
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•二、数控机床的分类 二
分类的目的是掌握群体特征 按运动控制的特点分类 点位控制数控机床 直线控制数控机床 轮廓控制的数控机床 开环控制的数控机床 闭环控制的数控机床 半闭环控制的数控机床 金属切削类数控机床 金属成型类及特种加工类数控机床 高档 中档 低档 26
按伺服系统的类型分类
29
第三节 数控机床的特点及适用范围
自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度 加工的零件一致性好，质量稳定 生产效率较高 便于产品研制 便于实现计算机辅助制造
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• 一、与其它加工设备相比，数控机床具有如下特点： • 1.加工零件的适应强，灵活性好 • 数控机床能完成很多普通机床难以胜任，或者根本不可能加工出来 的复杂型面的零件。这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按 零件加工的要求变换加工程序。因此，数控机床首先在航空航天等领域 获得应用，在复杂曲面的模具加工、螺旋桨及涡轮叶片的加工中，也得 到了广泛的应用。
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数控加工与传统加工比较
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• 二、数控机床的工作流程 • 数控机床根据所输入的数控加工程序(NC程序)，控制机床 部件的运动形成零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。 • 机床的数字控制是由数控系统完成的。 • 工作流程： • 1.数控加工程序的编制 • 零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、 尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、 几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的 代码和程序格式编写零件加工程序单。 • 早期的数控机床还需将零件加工程序清单由穿孔机制成穿 孔带以备加工零件用。 • 较简单的零件，采用手工编程； • 形状复杂的零件，用自动编程。 • 2.输入
Байду номын сангаас
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加 工 中 心
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加 工 中 心
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车 床 的 内 部 结 构
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操 作 面 板
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• 刀具补偿的作用：把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动， 加工出所要求的零件轮廓。 • 刀具补偿：刀具半径补偿和刀具长度补偿。 • 5.插补 • 插补是判断位置或选择进给增量的计算方法。 • 插补的目的是控制加工运动的大小和方向，使刀具运动轨迹近 似于工件零件轮廓轨迹。 • 插补的作用是根据曲线方程和当前坐标，计算下一点坐标，在 起、终点之间进行“数据点的密化”，计算出一系列刀具轨迹 坐标点。一次插补计算，形成一个个微小的进给直线数据段。 • 数控装置根据输入零件轮廓数据，通过插补计算刀具运动 轨迹数据，一边计算一边根据计算结果向各坐标轴发出运动指 令，使机床在相应的坐标方向上移动一个单位位移量，将工件 加工成所需的轮廓形状。 •
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• 数控加工适用于： • （1）生产批量——中、小 • （2）加工复杂程度——复杂 • （3）精度要求——高 • （4）经济实力——强 • 当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床； • 当生产批量较大时，宜采用专用机床； • 当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床
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第二节
数控机床的组成和分类
• 一、数控机床的组成 • 数控机床是以计算机数值控制技术控制的机床。 • 一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机 床本体组成。 • 数控机床的组成框图
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• 数控机床是 电动机、丝 杆螺母和控 制器的组合
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输入的任务：把零件程序、控制参数和补偿数据输入到数控装置中 去。 输入的方法：因输入设备而异，有纸带阅读机输入、键盘输入、磁 带和磁盘输入以及通信方式输入。 输人工作方式： (1)边输入边加工，即在前一个程序段加工时，输入后一个程序段的 内容； (2)一次性地将整个零件加工程序输人到数控装置的内部存储器中， 加工时再把一个个程序段从存储器中调用进行处理。 3.译码 数控程序包含零件轮廓信息(如直线、圆弧、线段的起点和终点等)、 加工进给速度(F代码)等，加工工艺信息和其它输助信息(M、S、T代码 等)。数控程序是一种简化的代码程序，不是计算机通用语言，即不是C、 VB等。译码就是按照一定的对应规则将上述信息转化成计算机能够识 别的通用数据形式，并按一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。 在译码过程中对程序段还要进行语法检查，有错则立即报警。 4.刀具补偿 零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。
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• 5．生产管理水平提高。 • 在数控机床上加工，能准确计算出零件的加工时间，加强 了零件的计时性，便于实现生产计划调度，简化和减少了检验、 工具夹准备、半成品调度等管理工作。 • 数控机床具有的通信接口，可实现计算机之间的联接，组 成工业局部网络(LAN)，采用制造自动化协(MAP)规范，实现 生产过程的计算机管理与控制。 • 二、数控机床的适用范围 • 1.形状复杂：加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽 1. 然能加工但很难保证产品质量的零件； • 2.用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件； • 3.具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的 壳体或盒型零件； • 4.必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多 工序的零件。
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数控装置的主要功能： (1)多坐标控制(多轴联动)。 (2)插补功能(直线、圆弧和其它插补)。 (3)程序输入、编辑和修改(人机对话、手动数据输入、上位机通信输 入)。 (4)故障自诊断功能。 (5)补偿功能：刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补偿、 螺距 误差补偿等。 (6)信息转换功能：EIA／ISO代码转换、英制／米制转换、坐标转换、 绝对值／增量值转化等。 (7)多种加工方式：可实现多种加工方式循环、重复加工、凹凸模加工 和镜像加工等。 (8)辅助功能：也称M功能，用来规定主轴的起停和转向，切削液的接 通和断开，刀具的更换等 (9)显示功能：用CRT或液晶屏显示程序、参数、各种补偿量、坐标位 置、故 障源以及图形等。 (10)通信和联网功能 3．伺服系统 24
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• 2．加工精度高，产品质量稳定 • 由于数控机床按照预定的程序自动加工，不受人为因素的影响，其 加工精度由机床来保证，还可利用软件来校正和补偿误差。因此，能获 得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。 • 3．生产率高 • 数控机床的生产率比普通机床高2～3倍。尤其是某些复杂零件的加 工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。这是因为数控机床加工能合理选 用切削用量，机加工时间短。又由于其定位精度高，停机检测次数减少， 加工准备时间也因采用通用工夹具而大大缩短。 • 4．减少工人劳动强度 • 数控机床主要是自动加工，自动换刀、开／关切削液、自动变速等， 其大部分操作不需要人工完成，因而改善了劳动条件。由于操作失误减 少，也降低废品率和次品率。
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• 6.位置控制和机床加工 • 位置控制是以位置为控制对象的控制。插补是一种位置控制方法， 以位置为唯一的控制目标，不能同时控制速度、加速度，运动是位 置误差的反射，缺乏统一规划，容易产生冲击。 • 位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与 实际反馈位置相比较，用其差值去驱动伺服电动机，电动机使机床 的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。 •
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• 控制器组 合
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• 1．输入输出设备 • 输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存 储和打印。硬件配置视需要而定：功能简单的机床可能只配键盘和发光 二极管(LED)显示器；功能普通的机床则可能加上纸带阅读机和纸带穿 孔机、磁带和磁盘读入器、人机对话编程操作键盘和视频信号显示器 (CRT)； • 功能较高的可能还包含有一套自动编程机或计算机辅助设计/计算机 辅助制造系统。 • 2．数控装置 • 数控装置是数控机床的核心。将输入程序转换为输出口线上的电压。 • 它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值 计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。 • 数控装置通常是指一台专用计算机或通用计算机与输人输出接口板 所组成的控制装置。 • 机床控制器的主要作用是实现对机床辅助功能M、主轴转速功能S 和刀具功能T的控制。
• • • • • • • • • • •
伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动 的驱动部件(如主轴驱动、进给驱动)。 组成：伺服控制电路、功率放大线路和伺服电动机等。 常用的伺服电动机：步进电动机、电液马达、直流伺服电动机 和交流伺服电动机。 4．测量反馈装置 组成:测量部件和响应的测量电路。 作用：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：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、 光栅和磁尺等。 5．机床本体 机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的 机械部分，包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。 机床是被控制的对象，其运动的位移和速度以及各种开关 量是被控制的。数控机床采用高性能的主轴及进给伺服驱动装 置，其机械传动结构得到了简化。 为保证功能充分发挥，还有配套部件（如冷却、排屑、防 护、润滑、照明等）和辅助装置（编程机和对刀仪等）。 25
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伺 服 驱 动 器
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第一节 机床数控技术的基本概念
• 一 概述 数控技术是解决机械加工问题的计算机控制技术。 解决机械加工问题的计算机控制技术 • 数控技术是解决机械加工问题的计算机控制技术
• 数字控制(简称数控Numerical Control)：以数字指令方式控制 机床各部件的相对运动和动作。 • 数控机床：采用计算机控制加工运动的机床。 数控系统组成：数控装置、可编程序控制器主轴驱动及进 给装置等部分。 • 数控机床是机、电、液、气、光高度一体化的产品。 • 数控加工过程如下图：
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数 控 车 床
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数 空 机 床 的 组 成
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数 控 铣 床
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按工艺方法分类
按功能水平分类
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点位控制数控钻床加工示意图
二维轮廓控制数控机床加工示意图
三维轮廓控制数控机床加工示意图
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开环控制系统示意图
半闭环控制系统示意图
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•二、数控机床的分类 二
分类的目的是掌握群体特征 按运动控制的特点分类 点位控制数控机床 直线控制数控机床 轮廓控制的数控机床 开环控制的数控机床 闭环控制的数控机床 半闭环控制的数控机床 金属切削类数控机床 金属成型类及特种加工类数控机床 高档 中档 低档 26
按伺服系统的类型分类
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第三节 数控机床的特点及适用范围
自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度 加工的零件一致性好，质量稳定 生产效率较高 便于产品研制 便于实现计算机辅助制造
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• 一、与其它加工设备相比，数控机床具有如下特点： • 1.加工零件的适应强，灵活性好 • 数控机床能完成很多普通机床难以胜任，或者根本不可能加工出来 的复杂型面的零件。这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可按 零件加工的要求变换加工程序。因此，数控机床首先在航空航天等领域 获得应用，在复杂曲面的模具加工、螺旋桨及涡轮叶片的加工中，也得 到了广泛的应用。
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数控加工与传统加工比较
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• 二、数控机床的工作流程 • 数控机床根据所输入的数控加工程序(NC程序)，控制机床 部件的运动形成零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。 • 机床的数字控制是由数控系统完成的。 • 工作流程： • 1.数控加工程序的编制 • 零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、 尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、 几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的 代码和程序格式编写零件加工程序单。 • 早期的数控机床还需将零件加工程序清单由穿孔机制成穿 孔带以备加工零件用。 • 较简单的零件，采用手工编程； • 形状复杂的零件，用自动编程。 • 2.输入
Байду номын сангаас
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加 工 中 心
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加 工 中 心
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车 床 的 内 部 结 构
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操 作 面 板
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• 刀具补偿的作用：把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动， 加工出所要求的零件轮廓。 • 刀具补偿：刀具半径补偿和刀具长度补偿。 • 5.插补 • 插补是判断位置或选择进给增量的计算方法。 • 插补的目的是控制加工运动的大小和方向，使刀具运动轨迹近 似于工件零件轮廓轨迹。 • 插补的作用是根据曲线方程和当前坐标，计算下一点坐标，在 起、终点之间进行“数据点的密化”，计算出一系列刀具轨迹 坐标点。一次插补计算，形成一个个微小的进给直线数据段。 • 数控装置根据输入零件轮廓数据，通过插补计算刀具运动 轨迹数据，一边计算一边根据计算结果向各坐标轴发出运动指 令，使机床在相应的坐标方向上移动一个单位位移量，将工件 加工成所需的轮廓形状。 •
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• 数控加工适用于： • （1）生产批量——中、小 • （2）加工复杂程度——复杂 • （3）精度要求——高 • （4）经济实力——强 • 当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床； • 当生产批量较大时，宜采用专用机床； • 当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床
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第二节
数控机床的组成和分类
• 一、数控机床的组成 • 数控机床是以计算机数值控制技术控制的机床。 • 一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机 床本体组成。 • 数控机床的组成框图
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• 数控机床是 电动机、丝 杆螺母和控 制器的组合
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输入的任务：把零件程序、控制参数和补偿数据输入到数控装置中 去。 输入的方法：因输入设备而异，有纸带阅读机输入、键盘输入、磁 带和磁盘输入以及通信方式输入。 输人工作方式： (1)边输入边加工，即在前一个程序段加工时，输入后一个程序段的 内容； (2)一次性地将整个零件加工程序输人到数控装置的内部存储器中， 加工时再把一个个程序段从存储器中调用进行处理。 3.译码 数控程序包含零件轮廓信息(如直线、圆弧、线段的起点和终点等)、 加工进给速度(F代码)等，加工工艺信息和其它输助信息(M、S、T代码 等)。数控程序是一种简化的代码程序，不是计算机通用语言，即不是C、 VB等。译码就是按照一定的对应规则将上述信息转化成计算机能够识 别的通用数据形式，并按一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。 在译码过程中对程序段还要进行语法检查，有错则立即报警。 4.刀具补偿 零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。
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• 5．生产管理水平提高。 • 在数控机床上加工，能准确计算出零件的加工时间，加强 了零件的计时性，便于实现生产计划调度，简化和减少了检验、 工具夹准备、半成品调度等管理工作。 • 数控机床具有的通信接口，可实现计算机之间的联接，组 成工业局部网络(LAN)，采用制造自动化协(MAP)规范，实现 生产过程的计算机管理与控制。 • 二、数控机床的适用范围 • 1.形状复杂：加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽 1. 然能加工但很难保证产品质量的零件； • 2.用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件； • 3.具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的 壳体或盒型零件； • 4.必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多 工序的零件。
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数控装置的主要功能： (1)多坐标控制(多轴联动)。 (2)插补功能(直线、圆弧和其它插补)。 (3)程序输入、编辑和修改(人机对话、手动数据输入、上位机通信输 入)。 (4)故障自诊断功能。 (5)补偿功能：刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补偿、 螺距 误差补偿等。 (6)信息转换功能：EIA／ISO代码转换、英制／米制转换、坐标转换、 绝对值／增量值转化等。 (7)多种加工方式：可实现多种加工方式循环、重复加工、凹凸模加工 和镜像加工等。 (8)辅助功能：也称M功能，用来规定主轴的起停和转向，切削液的接 通和断开，刀具的更换等 (9)显示功能：用CRT或液晶屏显示程序、参数、各种补偿量、坐标位 置、故 障源以及图形等。 (10)通信和联网功能 3．伺服系统 24
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• 2．加工精度高，产品质量稳定 • 由于数控机床按照预定的程序自动加工，不受人为因素的影响，其 加工精度由机床来保证，还可利用软件来校正和补偿误差。因此，能获 得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。 • 3．生产率高 • 数控机床的生产率比普通机床高2～3倍。尤其是某些复杂零件的加 工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。这是因为数控机床加工能合理选 用切削用量，机加工时间短。又由于其定位精度高，停机检测次数减少， 加工准备时间也因采用通用工夹具而大大缩短。 • 4．减少工人劳动强度 • 数控机床主要是自动加工，自动换刀、开／关切削液、自动变速等， 其大部分操作不需要人工完成，因而改善了劳动条件。由于操作失误减 少，也降低废品率和次品率。
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• 6.位置控制和机床加工 • 位置控制是以位置为控制对象的控制。插补是一种位置控制方法， 以位置为唯一的控制目标，不能同时控制速度、加速度，运动是位 置误差的反射，缺乏统一规划，容易产生冲击。 • 位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与 实际反馈位置相比较，用其差值去驱动伺服电动机，电动机使机床 的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。 •
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• 控制器组 合
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• 1．输入输出设备 • 输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存 储和打印。硬件配置视需要而定：功能简单的机床可能只配键盘和发光 二极管(LED)显示器；功能普通的机床则可能加上纸带阅读机和纸带穿 孔机、磁带和磁盘读入器、人机对话编程操作键盘和视频信号显示器 (CRT)； • 功能较高的可能还包含有一套自动编程机或计算机辅助设计/计算机 辅助制造系统。 • 2．数控装置 • 数控装置是数控机床的核心。将输入程序转换为输出口线上的电压。 • 它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值 计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。 • 数控装置通常是指一台专用计算机或通用计算机与输人输出接口板 所组成的控制装置。 • 机床控制器的主要作用是实现对机床辅助功能M、主轴转速功能S 和刀具功能T的控制。
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伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动 的驱动部件(如主轴驱动、进给驱动)。 组成：伺服控制电路、功率放大线路和伺服电动机等。 常用的伺服电动机：步进电动机、电液马达、直流伺服电动机 和交流伺服电动机。 4．测量反馈装置 组成:测量部件和响应的测量电路。 作用：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：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、 光栅和磁尺等。 5．机床本体 机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的 机械部分，包括床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。 机床是被控制的对象，其运动的位移和速度以及各种开关 量是被控制的。数控机床采用高性能的主轴及进给伺服驱动装 置，其机械传动结构得到了简化。 为保证功能充分发挥，还有配套部件（如冷却、排屑、防 护、润滑、照明等）和辅助装置（编程机和对刀仪等）。 25
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伺 服 驱 动 器
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第一节 机床数控技术的基本概念
• 一 概述 数控技术是解决机械加工问题的计算机控制技术。 解决机械加工问题的计算机控制技术 • 数控技术是解决机械加工问题的计算机控制技术
• 数字控制(简称数控Numerical Control)：以数字指令方式控制 机床各部件的相对运动和动作。 • 数控机床：采用计算机控制加工运动的机床。 数控系统组成：数控装置、可编程序控制器主轴驱动及进 给装置等部分。 • 数控机床是机、电、液、气、光高度一体化的产品。 • 数控加工过程如下图：