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1、数控机床,第四节,数控机床是数字控制(Computer numerical control,CNC)机床的简称,是一种装有程序控制系统的自动化机床。特点：柔性高加工精度高加工质量一致性好生产效率高改善劳动条件,数控机床,第四节,一、数控车床数控车床是将编好的加工程序输入到数控系统中,由数控系统通过控制车床X、Z坐标轴的伺服电动机去控制车床运动部件的动作顺序、移动量和进给速度,再配以主轴的转速和转向,便能加工出各种不同形状的轴类和盘类回转体零件,具有高精度、高效率等特点。,图3-33数控车床a)卧式刀架式数控机床b)立式刀架式数控机床1主轴2刀塔3尾架4电动机5丝杠6床身,数控机床,第四节,从结
2、构和性能上看,数控车床:采用了全封闭或半封闭式防护装置采用自动排屑装置主轴转速高,工件装夹安全可靠可自动换刀主、进给传动分离,数控机床,第四节,二、加工中心加工中心是带有刀库,可在一次装夹中通过换刀装置改变主轴上的加工刀具,能够在一定范围内对工件进行多工序加工的数字控制机床。加工中心的综合加工能力较强(主要体现在它把铣削、镗削、钻削等功能集中在一台设备上),工件在一次装夹后,按照不同的工序自动选择和更换刀具,自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能完成较多的加工内容,加工效率和加工精度均较高。,图3-34典型的加工中心,数控机床,第四节,加工中心,主机部分,数控部分,
3、床身、主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给结构、刀库、换刀机构和辅助系统(气液、润滑和冷却)等,硬件部分,软件部分,CNC、PLC、输出输入设备、主轴驱动装置、显示装置,控制程序,系统程序,数控机床,第四节,按照主轴与工作台的相对位置分类：卧式加工中心立式加工中心复合加工中心万能加工中心卧式加工中心是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心,主要适用于加工箱体类零件,如图a所示。,图3-35加工中心a)卧式加工中心b)立式加工中心c) 复合加工中心(立卧两用加工中心)d)万能加工中心(五轴加工中心)1、6主轴2转台3、8进给系统4、7控制系统5刀库9转摆台,数控机床,第四节,立式加工中心是指主轴
4、轴线与工作台垂直设置的加工中心,主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件,如图b所示。,图3-35加工中心a)卧式加工中心b)立式加工中心c) 复合加工中心(立卧两用加工中心)d)万能加工中心(五轴加工中心)1、6主轴2转台3、8进给系统4、7控制系统5刀库9转摆台,数控机床,第四节,复合加工中心是指主轴能调整成立轴或卧轴以形成立卧可调式加工中心,它能对工件进行五个面的加工,如图c所示。,图3-35加工中心a)卧式加工中心b)立式加工中心c) 复合加工中心(立卧两用加工中心)d)万能加工中心(五轴加工中心)1、6主轴2转台3、8进给系统4、7控制系统5刀库9转摆台,数控机床,第四节,
5、万能加工中心是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化,完成复杂空间曲面加工的加工中心,又称多轴联动型加工中心,适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具等工件的加工。,图3-35加工中心a)卧式加工中心b)立式加工中心c) 复合加工中心(立卧两用加工中心)d)万能加工中心(五轴加工中心)1、6主轴2转台3、8进给系统4、7控制系统5刀库9转摆台,数控机床,第四节,按照立柱的数量分类：单柱式加工中心双柱式加工中心按照工作台的数量和功能分类：单工作台加工中心双工作台加工中心多工作台加工中心按照加工精度分类：普通加工中心高精度加工中心,数控机床,第四节,加工中心具有如下特点:1)零
6、件加工的适应性强、灵活性好,能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的零件,如模具类零件、壳体类零件等。2)加工质量稳定可靠,加工精度高,重复精度高。3)能加工其他机床无法加工或很难加工的零件,如用数学模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件。4)能加工一次装夹定位后,需进行多道工序加工的零件。5)多品种、小批量生产情况下生产效率较高,能减少生产准备、机床调整和工序检验的时间,而且由于使用最佳切削量而减少了切削时间。6)生产自动化程度高,可以减轻操作者的劳动强度,有利于生产管理自动化。,数控机床,第四节,三、高速加工机床1.简介(1)高速加工机床的性能优点1)高速度2)小切深3)干式切削4)切
7、削力小,切削温度低,有利于延长机床和刀具的寿命5)直接加工硬化材料,可省去电极制造,简化工艺流程6)加工薄壁零件,可减少零件变形,优化了零件性能7)工艺集中,数控机床,第四节,(2)高速机床的关键技术硬件技术主要是指数控机床和刀具软件技术主要指数控编程技术,也就是CAM系统高速加工对机床的要求包括以下几个方面:1)主轴转速高、功率大2)进给量和快速行程速度高3)主轴和工作台(拖板)运动的加(减)速度高4)机床要有优良的静、动特性以及热特性5)与主要部件的高速度匹配的辅件6)数控系统功能优良,数控机床,第四节,高速加工对CAM软件的要求：,基本要求：安全性验证机构多种加工策略轨迹编辑功能丰富的数
8、据接口,特殊要求：自动生成高速加工的工艺参数生成平滑的刀具轨迹进给量优化减少加工数据量毛坯余量知识,数控机床,第四节,(3)高速机床的主要部件：1)高速主轴部件(电主轴)2)高速进给驱动和传动系统3)具有高速进给控制功能的数控装置4)高速刀具系统5)适用于高速切削的工件装夹设备6)动、静、热特性优良的床身、立柱及工作台等支承部件7)其他辅件,如冷却、排屑装置,防护和监测装置等,数控机床,第四节,2.高速主轴技术(1)简介借助于电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的现代成果,高速机床主传动的机械结构已得到极大的简化,基本上取消了带传动和齿轮传动,机床主轴由内装式电动机直接驱动,从而
9、把机床主传动链的长度缩短为零。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式,称为“电主轴” 或“直接传动主轴” 。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机,故也称为“高频主轴” 。,图3-36电主轴典型的结构和系统组成,数控机床,第四节,图中的冷却装置是油-水冷却系统,主要用于解决无外壳主轴电动机的发热问题。,图3-37主轴电动机的油-水冷却系统示意图,数控机床,第四节,(2)电主轴的技术参数指标套筒直径（电主轴的主要参数）最高转速输出功率转矩刀具接口,高速电主轴重要参数:精度和静刚度临界转速值残余动不平衡值噪声套筒温升阈值拉紧和松开刀具所需的力的最小值电主轴的额定寿命值主轴与刀具的接口
10、规格,数控机床,第四节,(3)电主轴的轴承电主轴所用轴承的性能对电主轴的使用功能和使用寿命有重要的影响特点:高速回转精度高径向和轴向刚度高温升较小使用寿命长电主轴的轴承一般采用滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。,数控机床,第四节,(4)电主轴的电动机及其驱动方式1)普通变频器标量驱动和控制。以IBAG公司的HFK90S型电主轴用的普通变频器为例说明。这类驱动控制特性为恒转矩驱动,输出功率和转速成正比,其转矩和功率特性如图所示。这类驱动方式在低速时的输出功率不够稳定,不能满足低速大转矩的要求,也不具备主轴的准停和C轴控制功能,但价格较为便宜。主要用于在高速范围工作的电主轴,如磨削、小孔钻削及普
11、通高速铣削的电主轴。,图3-38HFK90S型电主轴的转矩-转速特性,图3-39HFK90S型电主轴的功率-转速特性,数控机床,第四节,2)矢量控制驱动器的驱动和控制以IBAG公司的HF250型电主轴的矢量控制驱动器为例说明。这种矢量控制驱动控制特性为低速端的恒转矩驱动以及中、高速端的恒功率驱动。其转矩和功率特性如图所示。这种驱动方式又有开环和闭环控制两种方式。在闭环工作方式下,可通过主轴上的位置传感器,来实现位置和速度反馈,获得更好的动态性能,并可实现主轴准停和C轴控制功能。,图3-40HF250型电主轴转矩特性,图3-41HF250型电主轴功率与转速的关系,数控机床,第四节,3.高速机床的
12、进给系统要求：1) 高速度2) 高加速度3) 高静态、动态精度4) 高可靠安全性5) 成本较低,数控机床,第四节,高速机床用的进给系统高速滚珠丝杠副传动系统 直线电动机进给驱动系统传统的滚珠丝杠副在数控机床中应用比较广泛,但其在高速场合下,具有以下缺点:1)系统刚度低2)动态特性差3)高速下热变形严重4)噪声大,寿命低,数控机床,第四节,改进：1)提高系统刚度2)增大丝杠螺母的导程和螺纹线数,可以提高滚珠丝杠副的运动速度3)强制冷却,减小热变形4)采用新型的螺母结构5)采用陶瓷等新材料制造滚珠6)对螺母预紧力进行控制7)采用螺母旋转,丝杠不动的运动方案8)采用双电动机驱动结构,数控机床,第四节
13、,滚珠丝杠副传动系统在一定程度上可以满足进给系统的高速要求,但是,这类系统仍然存在以下问题:1)高速滚珠丝杠螺母副制造困难,成本增加2)速度和加速度的提高有较大的限制3)进给行程有限(46m)4)因矢动量等非线性特性的存在,全闭环时系统稳定性较差,数控机床,第四节,4.高速加工机床的数控系统(1)高速加工机床数控系统的要求1)能够高速度处理程序段2)能够迅速、准确地处理和控制信息流,把其加工误差控制为最小3)能够尽量减少机械的冲击,使机床平滑移动4)要有足够的容量,可以让大容量加工程序高速运转,或者具有通过网络传输大量数据的能力5)具有高速度工作的主轴电动机、进给伺服电动机和传感器等6)具有高
14、可靠性和安全性,数控机床,第四节,(2)高速加工的控制技术高速加工的控制技术包括减小位置伺服滞后产生的加工误差的控制、减小加减速滞后产生的误差的控制、前瞻(Look Ahead)控制、NURBS插补技术等。,数控机床,第四节,四、复合机床1.以车削为主的复合机床主要指的是车铣复合加工中心,也有车磨加工中心等类型。车铣复合加工中心是以车床为基础的加工机床,除车削用工具外,在刀架上还装有能铣削加工的回转刀具,可以在圆形工件和棒状工件上加工沟槽和平面。这类复合加工机床常把夹持工件的主轴做成两个,既可同时对两个工件进行相同的加工,也可通过在两个主轴上交替夹持,完成对夹持部位的加工。,图3-42以车削为
15、主的复合数控机床,数控机床,第四节,2.以铣削为主的复合机床主要指的是铣车加工中心,也有铣磨复合加工中心等。除铣削加工外,还装载有一个能进行车削的动力回转工作台。针对五轴复合加工机床,除X、Y、Z三直线轴外,为适应使用刀具姿势的变化,可以使各进给轴回转到特定的角度位置并进行定位,模拟复杂形状工件进行加工。,图3-43以铣削为主的复合机床,数控机床,第四节,3.以磨削为主的复合机床在一台磨削复合加工中心上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工。另外,珩磨机也属于此类,它适用于圆柱形(包括带有台阶的圆柱孔等)深孔工件的珩磨和抛光加工。,图3-44以磨削为主的复合机床1主轴2砂轮3零件,数控机床,第四节,4.增、减材复合加工机床（混合机床）主要指将数控加工机床(减材)和3D打印(增材)二者结合在一起。该复合加工机床能灵活地切换各类数控加工(如铣削加工)和激光加工,能大大减小工艺复杂性。,图3-45增减材复合加工中心a)整体图b)局部示意图1主轴2激光加工中心3转摆台,图3-46加工零件示意图,谢谢,
