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1、第1章数控机床概述,1.1 数控机床的基本概念,1.2数控机床的分类,本章小结,1.3 数控机床的产生与发展,本章学习目标：本章主要讲述数控机床的基本概念、数控机床的加工特点、数控机床的基本组成、数控机床的工作过程和原理、数控机床的各种技术性能指标、数控机床的分类方法、数控机床的产生、发展及趋势。,本章教学学时：4学时,本章教学要求重点数控机床的基本概念和分类；数控机床的组成。难点 数控机床的组成和分类,1.1 数控机床的基本概念,数控（Numerical Control，NC）数字控制，用数字、字母和符号构成的数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控机床（Numericall
2、y Controlled Machine Tool）采用了数控技术的机床。,1.1.1 数控机床及其特点,数控机床的特点（1）适应性、灵活性好。适用于多品种、中小批量生产或加工形状复杂、精度要求高的零件。（2）加工精度高、质量稳定。（3）生产效率高,一般为普通机床的35倍。（4）劳动强度低、劳动条件好。（5）有利现代化生产和管理。（6）初始投资较大，使用、维修技术要求高。对操作人员和维修人员的专业素质要求较高。,辅助控制装置,伺服系统,1.1.2 数控机床的组成,（1）控制介质 将零件加工信息（数控程序）传送到控制装置中去的程序载体。输入、输出装置将控制介质上的信息传入数控系统。,手动,通过控
3、制面板，在MDI或编辑操作状态下从键盘输入。,利用通信的方式，可实现与计算机或其他数控机床间的信息交互,自动,RS232C接口,（2）数控系统数控机床的核心,（3）伺服系统数控系统的执行部分，接受CNC装置的指令信号，转换和放大后驱动机床运动部件。进给伺服系统实现零件加工所需的成型运动，控制机床移动部件的位置和速度；主轴伺服系统实现零件加工的切削运动，控制机床主轴的转速。测量反馈装置减少误差，提高加工精度。包括位置和速度测量装置。,（4）机床主体包括机床的主运动部件、执行部件和基础部件。如主轴、滚动导轨、滚珠丝杠、工作台（或刀架）、底座、立柱等。,请思考：数控机床主体结构与普通机床大体一致。那
4、么与普通机床相比，数控机床的结构有什么特点？,数控机床进给传动系统示意图,（5）辅助装置辅助装置接收CNC装置输出的M、S、T等辅助指令信号，驱动相应电器带动机床机械部件、液压启动等辅助装置完成指令动作。如工件的夹紧、松开、冷却液开关、刀具更换、主轴启停等。目前广泛采用可编程控制器（Programmable Logic Control，PLC）作数控机床的辅助控制装置。PLC是一种强化了逻辑运算功能的数字运算系统，适用于控制动作复杂或逻辑多变的场合。,形（零件图纸）,编写数控程序,程序输入,CNC系统发出脉冲信号,驱动机床各部件完成零件的加工,零件图纸的工艺处理,数(数控程序）,形（成型零件）
5、,数学处理,1.1.3 数控机床的工作过程,将加工程序翻译成便于计算机处理的格式,包括刀具补偿（长度、半径、磨损补偿）、速度计算和辅助指令的处理,经插补运算可确定各坐标轴的进给速度、方向和位移量，并以脉冲信号的方式传输给伺服系统。,传输主轴的变速、换向、启停；刀具的选择和交换；工件夹紧和松开、冷却液启停等辅助指令,插补在被加工轨迹的起点和终点之间，进行“数据密化”，并求取中间点坐标，然后利用已知线性逼近的过程。,1.数控机床的精度指标（1）定位精度和重复定位精度定位精度：数控机床工作台等移动部件所达到的实际位置的精度。重复定位精度：相同条件下，相同的操作方法，重复进行同一动作时得到的一致性程度
6、。重复定位精度越高，一批工件的尺寸一致性越好，加工质量越稳定。中小型数控机床的定位精度普遍可达0.015mm，重复定位精度为0.003mm。,1.1.4 数控机床的技术性能指标,（2）分度精度（3）分辨率与脉冲当量脉冲当量（单位位移精度）：CNC装置每发出一个脉冲信号，机床移动部件上的移动量。数值大小决定数控机床的加工精度和表面质量。脉冲当量越小，机床加工精度越高，表面质量越好。普通数控机床的脉冲当量为0.001mm，精密数控机床的脉冲当量一般为0.0001mm。,2.可控轴数与联动轴数可控轴数机床CNC装置能够控制的坐标数目。联动轴数机床CNC装置控制的坐标轴同时到达空间某一点的坐标轴数。普
7、通数控车床可控制2轴，2轴联动；普通数控铣床可控制3轴，2.5轴或3轴联动；加工中心一般为多轴控制，3轴联动。控制轴数越多，CNC功能越强，程序编制越困难。,3.数控机床的运动性能指标(1)主轴转速采用直流或交流调速主轴电机驱动，高速精密轴承支承。目前，普遍可达到500010000r/min。（2）进给速度进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素之一。国内机床的进给速度可达到1530m/min。,（3）坐标行程X、Y、Z的行程大小决定了加工零件的大小。坐标行程可直接体现机床的加工能力。（4）摆角范围主轴摆角大小直接影响加工零件空间部位的能力。（5）刀库容量和换刀时间刀库容量和
8、换刀时间直接影响数控机床的生产效率。目前常见的中小型加工中心刀库容量多为24把，大型加工中心可达100把以上。目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。,4.数控系统的技术性能指标（1）数控系统的CPU（2）数控系统的分辨率（3）控制功能（4）伺服驱动系统的性能（5）数控系统内置PLC功能（6）数控系统的通信接口功能（7）数控系统的开放性（8）可靠性和故障自诊断,1.点位控制数控机床实现从一点到另一点的精确、快速定位。在两点间移动时没有切削加工。不要求轨迹和速度。代表机床：数控钻床、数控镗床、数控冲床等，主要用于平面内孔系的加工。,1.2 数控机床的分类,1.2.1
9、 按照运动控制的特点分类,2.直线控制数控机床控制刀具或工作台以一定的速度沿直线从一个点移动到另一个点。移动过程中进行切削加工。可控轴数一般为23个，但联动轴数只有1个。代表机床：简易数控车、数控铣。,3.轮廓控制数控机床可以同时控制两个或两个以上的坐标轴进行加工连续控制加工过程中每个点的坐标和速度，以形成所需的曲线或曲面。根据联动轴数可细分为2轴联动、2.5轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动。除了少数专用数控机床，如数控钻床、冲床等以外，现代数控机床都具有轮廓控制功能。,1.开环数控机床特点：无测量反馈装置；伺服驱动原件为步进电机优点：结构简单、工作稳定、调试维修方便、价格低缺点：控制精度
10、不高应用：用于经济型数控机床或旧机床数控化改造。,1.2.2 按照伺服系统的类型分类,2.闭环控制数控机床特点：位置检测装置安装在移动部件上，直接测量实际位置；伺服驱动元件为直流、交流伺服电机优点：可以消除机械传动部分的各种误差，控制精度高、加工精度高缺点：价格昂贵，调试维修复杂、成本高应用：主要用于精度要求高的镗铣床、超精车床、超精磨床和大型的数控机床。,3.半闭环控制数控机床有测量反馈装置；间接测量工作台的位移，伺服驱动元件为直流、交流伺服电机。优点：控制精度高于开环控制系统，稳定性较好，成本低，调试维修比较方便。缺点：部分误差无法消除。应用：兼顾开环与闭环的优点，应用广泛。,1.金属切削
11、类数控机床如数控车、铣、钻、磨、镗床和加工中心。2.金属成形类机床如数控弯管机、数控压力机、数控折弯机、数控冲床等。3.特种加工类数控机床如数控线切割、数控电火花机床等。,1.2.3 按照加工工艺方法分类,1.2.4 按照功能水平分类,数控机床跟随计算机技术的发展而发展，经历了两个阶段，共六代系统。第一代：采用电子管元件的专用NC系统1948年，美国帕森斯公司首先提出了采用数字控制技术进行机械加工的方案。1952年，诞生了世界上第一台数控机床，是一台立式数控铣床，成功实现了三轴联动1954年底，第一台工业用数控机床生产出来。,1.3 数控机床的产生与发展及技术水平,1.3.1 数控机床的产生与
12、发展,第二代：1959年 采用晶体管电路的NC系统同年，出现了带有刀库和自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。从1960年开始，德国、日本等工业国家都陆续开发、生产和使用数控机床。第三代：1965年 采用小规模集成电路,以上三代属于NC阶段（19521970年），即硬件逻辑数控系统。其特点是：由硬件数字逻辑电路“搭”成专用的计算机作为数控系统。,第四代：1970年 采用小型计算机的NC系统第五代：1974年 采用微处理器的数控系统（MNC）第六代：1990年后，基于PC机的开放式数控系统,1970年，通用小型计算机成为数控系统的核心部件，许多功能可通过软件实现，通用性强。数控机床从此进入计
13、算机数控阶段，即CNC（Computer Numerical Control）。,我国数控技术的发展1958年 开始研制，以高等院校为主（清华大学）1966年 生产第一台晶体管数控机床1970年 后进入第三代数控系统的研发，但发展缓慢，数控系统的稳定性、可靠性较差，主要生产数控线切割机床。1980年后 引进日、美等国的数控装置及伺服系统的技术，开始合资批量生产一些数控机床。1985年后 我国已经能生产45种各类数控机床，同时数控机床功能部件的专业厂也逐渐形成规模。1990年中期 国产数控系统开始崭露头角，进入21世纪，拥有自主版权的五轴联动数控系统，打破了西方对高端数控系统的垄断。,1.高速化
14、主轴转速：如果机床采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达200000r/min。进给速度：在分辨率为0.01m时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；运算速度：CPU已发展到32位以及64位。换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。,1.3.2 数控技术的发展趋势,2.高精度化数控系统分辨率可达到0.1m，有的可达0.01m，实现了高精度加工。目前数控机床的定位可达0.001mm，重复定位精度可达0.0005mm。普通数控机床的加工精度已达到5m，精密级加工中心的加工精度可达到（11.5）m,3
15、.多功能化CRT显示可实现二维图形轨迹模拟或三维动态图形显示。装有小型数据库，可自动选择最佳刀具和切削用量。具有刀具寿命管理、刀具尺寸自动测量和补偿、工件尺寸自动测量和补偿、切削参数自动调整等功能。,4.加工功能复合化复合化是指在一台机床上实现多工序、多种工艺方法加工。镗铣钻复合加工中心、五面加工中心（主轴立卧转换）车铣复合车削中心（动力刀头）；铣镗钻车复合复合加工中心（可自动装卸车刀架）；铣镗钻磨复合复合加工中心（动力磨头）；可更换主轴箱的数控机床组合加工中心；,数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的先进制造技术都是建立在数控技术之上的。,1.3.3 自动化生产系统
16、的发展,本 章 小 结 数控机床涉及的内容和知识比较多，本章仅对数控机床的基本知识和基本内容做了概述，包括数控机床的基本概念，数控机床的组成及特点，数控机床的精度指标、运动性能指标与技术性能指标；从运动控制的特点、伺服系统的类型、加工工艺方法、功能水平四方面对数控机床进行了分类；数控机床的产生与发展、数控技术的发展趋势以及数控技术在先进制造技术中的作用等。,思考题与习题1-1 什么是数控？数控机床与普通机床相比有哪些特点？1-2 数控机床有哪几部分组成？每一部分主要起什么作用？1-3 简述数控机床的工作过程1-4 开环、闭环、半闭环控制系统各有什么特点？它们一般适用于哪些数控机床？1-5 数控机床按照运动控制特点可以分为几类？它们的特点是什么？1-6 数控机床的精度指标主要包括哪些？其值大小各有什么影响？1-7 数控机床的运动性能指标主要包括哪些？对加工各有什么影响？1-8 数控系统的技术性能指标主要包括哪些？1-9 数控机床的可控轴数与联动轴数有什么区别？1-10 解释下列名词术语：定位精度、重复定位精度、脉冲当量、插补、MTBF、CNC、FMC、FMS、CIMS1-11 数控技术的主要发展趋势有哪些？1-12 请查阅相关资料，了解数控技术最近有哪些新发展？,
