《機(jī)床數(shù)控技術(shù) 第2版》課件 第1章緒論

第1章

緒

論

數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床各移動(dòng)部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的機(jī)床，它是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。計(jì)算機(jī)、微電子、信息、自動(dòng)控制、精密檢測(cè)及機(jī)械制造技術(shù)的高速發(fā)展，加速了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床正朝著高速度、高精度、高復(fù)合化、高智能化和高可靠性等方向發(fā)展，同時(shí)其應(yīng)用范圍也越來越廣泛。1.1概

述

1.1.1

數(shù)控機(jī)床的定義

數(shù)控機(jī)床就是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床。即將機(jī)床的各種動(dòng)作、工件的形狀、尺寸以及機(jī)床的其他功能用一些數(shù)字代碼表示，把這些數(shù)字代碼通過信息載體輸入給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過譯碼、運(yùn)算以及處理，發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令，自動(dòng)地控制機(jī)床的刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而加工出所需要的工件。1.1.2

數(shù)控機(jī)床的組成及加工零件的工作過程1.

數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控機(jī)床主要由程序介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機(jī)床主體四部分組成，如圖所示。1）程序介質(zhì)

程序介質(zhì)用于記載機(jī)床加工零件的全部信息。如零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)、位移數(shù)據(jù)、切削速度等。常用的程序介質(zhì)有穿孔帶（如圖所示）、磁帶、磁盤和U盤等。2）數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的中樞系統(tǒng)，它的基本任務(wù)是接收程序介質(zhì)帶來的信息，按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，把它們轉(zhuǎn)換為伺服系統(tǒng)能夠接受的指令信號(hào)，然后將結(jié)果由輸出裝置送到各坐標(biāo)控制的伺服系統(tǒng)。3）伺服系統(tǒng)

由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部件。它的基本作用是接收數(shù)控裝置發(fā)來的指令脈沖信號(hào)，控制機(jī)床執(zhí)行部件的進(jìn)給速度、方向和位移量，以完成零件的自動(dòng)加工。如圖為西門子802D數(shù)控系統(tǒng)。4）機(jī)床主體

機(jī)床主體也稱主機(jī)，包括機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件、執(zhí)行部件和基礎(chǔ)部件，如底座、立柱、滑鞍、工作臺(tái)(刀架)、導(dǎo)軌等。圖為數(shù)控車床主體結(jié)構(gòu)。2.數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過程

在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，要事先根據(jù)零件加工圖紙的要求確定零件加工路線、工藝參數(shù)和刀具數(shù)據(jù)，再按數(shù)控機(jī)床編程手冊(cè)的有關(guān)規(guī)定編寫零件數(shù)控加工程序，然后通過輸入裝置將數(shù)控加工程序輸入到數(shù)控裝置，數(shù)控裝置經(jīng)過處理與計(jì)算后，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，通過伺服系統(tǒng)使機(jī)床按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行零件的切削加工。數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過程如圖所示。1）程序編制

首先根據(jù)圖紙，對(duì)工件的形狀、尺寸、位置關(guān)系、技術(shù)要求等進(jìn)行工藝分析，然后確定合理的加工方案、加工路線、裝夾方式、刀具及切削參數(shù)和圖形輪廓的坐標(biāo)值計(jì)算（數(shù)學(xué)處理）等。2）程序輸入

數(shù)控加工程序通過輸入裝置輸入到數(shù)控裝置。3）數(shù)據(jù)處理

數(shù)控裝置首先對(duì)輸入的程序進(jìn)行譯碼，同時(shí)還完成對(duì)程序段的語法檢查，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。4）插補(bǔ)運(yùn)算

數(shù)控加工程序提供了刀具運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)、終點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡，而刀具從起點(diǎn)沿直線或圓弧運(yùn)動(dòng)軌跡走向終點(diǎn)的過程則要通過數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)軟件來控制。5）伺服控制與零件加工

伺服系統(tǒng)接受插補(bǔ)運(yùn)算后的脈沖指令信號(hào)或插補(bǔ)周期內(nèi)的位置增量信號(hào)，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)床的執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)，從而將毛坯加工出零件。1.1.3

數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床是一種高效的自動(dòng)化機(jī)床，具有廣泛的應(yīng)用前景。它與普通機(jī)床相比具有以下特點(diǎn)：

1）精度高、質(zhì)量穩(wěn)定2）適應(yīng)性強(qiáng)3）生產(chǎn)率高4）勞動(dòng)條件好5）便于現(xiàn)代化生產(chǎn)與管理6）使用與維護(hù)要求高1.1.4

數(shù)控機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)1.

主要規(guī)格尺寸

數(shù)控車床的主要規(guī)格尺寸有床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑、刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑、加工最大工件長度、最大車削直徑等。2.

主軸系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床主軸采用直流或交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有較寬的調(diào)速范圍和較高的回轉(zhuǎn)精度，主軸本身的剛度與抗振性比較好。3.進(jìn)給系統(tǒng)

進(jìn)給系統(tǒng)有進(jìn)給速度范圍、脈沖當(dāng)量、定位精度和重復(fù)定位精度等主要技術(shù)參數(shù)。4.刀具系統(tǒng)

數(shù)控車床刀具系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)有刀架工位數(shù)、換刀時(shí)間、重復(fù)定位精度等。

1.2數(shù)控機(jī)床的分類

1.2.1按機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌跡分類1.點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是要求保證點(diǎn)與點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位。它只能控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，對(duì)于兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡不作嚴(yán)格要求。對(duì)于點(diǎn)位控制的孔加工機(jī)床只要求獲得精確的孔系坐標(biāo)，在刀具運(yùn)動(dòng)過程中，不進(jìn)行切削加工,如圖所示。2.直線控制數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是不僅要控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，還要保證在兩點(diǎn)之間機(jī)床的刀具走的是沿平行于坐標(biāo)軸方向或與坐標(biāo)軸成45°角方向的一條直線，而且在走直線的過程中往往要進(jìn)行切削,如圖所示。3.輪廓控制數(shù)控機(jī)床

這類數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是不僅要控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，還要保證兩點(diǎn)之間的軌跡要按一定的曲線進(jìn)行。這種系統(tǒng)必須控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸能夠同時(shí)運(yùn)動(dòng),如圖所示。1.2.2按伺服系統(tǒng)類型分類1.

開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床沒有位移檢測(cè)反饋裝置的數(shù)控機(jī)床稱為開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床。數(shù)控裝置發(fā)出的控制指令直接通過驅(qū)動(dòng)裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成刀架或工作臺(tái)的位移,如圖所示。2.

閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床帶有位置檢測(cè)裝置，而且檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床刀架或工作臺(tái)等執(zhí)行件上，用以隨時(shí)檢測(cè)這些執(zhí)行部件的實(shí)際位置。指令位置值與反饋的實(shí)際位置值相比較，根據(jù)差值控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行誤差修正，直到位置誤差消除為止,如圖所示。3.

半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床也帶有位置檢測(cè)裝置，它的檢測(cè)裝置安裝在伺服電機(jī)上或絲杠的端部，通過檢測(cè)伺服電機(jī)或絲杠的角位移間接計(jì)算出機(jī)床工作臺(tái)等執(zhí)行部件的實(shí)際位置值，然后與指令位置值進(jìn)行比較，進(jìn)行差值控制。如圖所示。1.2.3

按系統(tǒng)功能水平分類

按照數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分，數(shù)控機(jī)床可以分為經(jīng)濟(jì)型、中擋型和高檔型三種類型。1.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床

這類機(jī)床的伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)一般是由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的開環(huán)驅(qū)動(dòng)，功能比較簡單、價(jià)格比較低廉、精度中等，能滿足加工形狀比較簡單的直線、圓弧及螺紋加工。2.

中檔型數(shù)控機(jī)床

中檔型數(shù)控機(jī)床也稱標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控機(jī)床，采用交流或直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)4軸或4軸以下聯(lián)動(dòng)控制，脈沖當(dāng)量為1

m，進(jìn)給速度為15~24m／min，一般采用16位或32位處理器，具有RS232C通信接口、DNC接口和內(nèi)裝PLC，具有圖形顯示功能及面向用戶的宏程序功能。3.高檔型數(shù)控機(jī)床

高檔型數(shù)控機(jī)床指加工復(fù)雜形狀的多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，其功能強(qiáng)、工序集中、自動(dòng)化程度高。1.2.4

按加工工藝方法分類1.

金屬切削類數(shù)控機(jī)床

金屬切削數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床品種一樣，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、帶有刀庫和能實(shí)現(xiàn)多工序加工的鏜銑加工中心和車削中心等。2.金屬成形類數(shù)控機(jī)床

金屬成形數(shù)控機(jī)床指使用擠、沖、壓、拉等成形工藝的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控壓力機(jī)、折彎機(jī)、旋壓機(jī)、彎管機(jī)等。3.

特種加工類數(shù)控機(jī)床

特種加工數(shù)控機(jī)床主要指數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成形機(jī)、數(shù)控激光切割機(jī)、數(shù)控水刀切割機(jī)等。1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程與趨勢(shì)

1.3.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展歷程

1948年美國帕森斯公司（ParsonsCo）在研制加工直升機(jī)葉片輪廓檢查用樣板的機(jī)床時(shí)，提出了數(shù)控機(jī)床的設(shè)想，后來得到美國空軍的支持，并與美國麻省理工學(xué)院（MIT）合作，于1952年研制出第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床，如圖所示。1954年底，美國本迪克斯公司（BendixCo）在帕森斯專利的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出了第一臺(tái)工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床。1959年晶體管出現(xiàn)，電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用晶體管元件和印刷電路板，從而使數(shù)控系統(tǒng)跨入了第二代。20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了集成電路，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。以上三代，都屬于硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)（稱為NC）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中，由此組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC），數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入第四代。20世紀(jì)70年代初，微處理機(jī)出現(xiàn)，以微處理機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)稱為第五代數(shù)控系統(tǒng)（MNC，通稱為CNC）。自此，開始了數(shù)控機(jī)床大發(fā)展的時(shí)代。進(jìn)入80年代，微處理機(jī)升檔更加迅速，極大地促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床向柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell，F(xiàn)MC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）方向發(fā)展。并奠定了向規(guī)模更大、層次更高的生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代末期，又出現(xiàn)了以提高綜合效益為目的，以人為主體，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支柱，綜合應(yīng)用信息、材料、能源、環(huán)境等高新技術(shù)以及現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術(shù)，研究并改造傳統(tǒng)制造過程作用于產(chǎn)品整個(gè)生命周期的所有適用技術(shù)—通稱為先進(jìn)制造技術(shù)(AdvancedManufactuingTechnology，AMT)。我國從1958年開始研制數(shù)控機(jī)床，從采用電子管著手，到20世紀(jì)60年代曾研究出部分樣機(jī)，1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，并在1968年由北京第一機(jī)床廠研制出第一臺(tái)數(shù)控銑床，如圖所示。到20世紀(jì)70年代初又研究出數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控車床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床和加工中心等。20世紀(jì)80年代初隨著改革開放政策的實(shí)施，我國從國外引進(jìn)技術(shù)，開始了批量生產(chǎn)微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，推動(dòng)了我國數(shù)控機(jī)床新的發(fā)展高潮，我國開發(fā)了加工中心、數(shù)控車床，數(shù)控銑床、數(shù)控鉆鏜床、數(shù)控磨床等。20世紀(jì)80年代末期，我國還在一定范圍內(nèi)探索實(shí)施CIMS，且取得了一些有益的經(jīng)驗(yàn)和教益。20世紀(jì)90年代我國還加強(qiáng)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)控系統(tǒng)的研制工作，而且取得一定的成效。1.3.2

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息、自動(dòng)控制、精密檢測(cè)及機(jī)械制造技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)也得到了長足進(jìn)步。目前數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1．高速化

2．高精度化3．多功能化

4．加工功能復(fù)合化5．結(jié)構(gòu)新型化

6．編程技術(shù)自動(dòng)化7．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的智能化

8．?dāng)?shù)控系統(tǒng)