数控机床的组成及基本原理.ppt

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1、第1章 绪 论,1.1概述1.2数控机床的基本组成和工作原理1.3数控机床的分类1.4数控机床的特点本章要点,图库,下页,返回,1.1 概述,下页,上页,返回,数控技术的基本概念 数控技术、数控系统与数控机床 数控技术，简称数控（Numerical ControlNC）是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（Computerized Numerical ControlCNC）。为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统（Numerica

2、l Control System），数控系统的核心是数控装置（Numerical Controller）。,图库,1.1 概述,由于数控系统、数控装置的英文缩写亦采用NC（或CNC），因此，在实际应用中，在不同场合NC（或CNC）具有三种不同含义，即：既可以在广义上代表一种控制技术，又可以在狭义上代表一种控制系统的实体，此外还可以代表一种具体的控制装置数控装置。数控系统和计算机技术的发展始终保持同步，至今已经历了从电子管、晶体管、集成电路、计算机到微处理机的演变，系统功能的日益增强，应用领域的日益扩大，发展异常迅速，更新换代十分频繁。,下页,上页,返回,图库,附：机床发展的历史回顾,1.1 概

3、述,采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，数控机床的水平代表了当前的数控技术的性能、水平和发展方向，因此，本书将以数控机床为主线，介绍数控技术的有关内容。,下页,上页,返回,图库,1.1 概述,NC机床、加工中心、FMC、FMS与CIMS 数控机床种类繁多，有钻铣镗类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称NC机床。,下页,上页,返回,图库,

4、1.1 概述,NC机床与程控机床 NC机床与程控机床是两种不同含义的机床，它们的控制要求和控制对象有本质的不同。一般来说，机床自动控制主要包括三方面内容：1)机床动作顺序的程序控制，典型的有组合机床、自动生产线等的流程与工步控制。其主要控制要求是根据机床的动作顺序表（如电磁阀等执行元件的动作表）。按规定的顺序通过执行原件依次动作，完成机床的动作流程。,下页,上页,返回,图库,1.1 概述,NC机床与程控机床 2)主电机与辅助电机的启动、停止、变速、冷却、润滑、排屑、自动换刀等辅助机能的控制。这些控制有的是实现机械加工必须的，有的是机床特殊动作和功能方面的需要。它可以通过继电器、接触器、变频器、

5、调速器等进行控制。对于只需要上述1）、2）两方面控制的加工设备，称为程序控制机床，简称程控机床。如：组合机床、自动生产线等。可编程控制器（Programmable Controller），是实现以上控制的最佳选择。,下页,上页,返回,图库,1.1 概述,NC机床与程控机床 3)刀具（或坐标轴）移动轨迹控制。对刀具运动轨迹进行控制，使加工轮廓的必要条件，它包括移动速度控制、移动位置控制、移动轨迹控制等几个方面的基本要求，必须通过采用数控技术才能实现。在数控机床上，对于运动部件的位移量控制，一般需要通过档铁、行程开关等检测元件的发信和对执行元件的通断控制实现。即便采用了侍服驱动装置的程控机床，一般

6、也只能对各运动部件的移动速度、移动位置进行单独的控制和调整，因此，程控机床能够实现点位控制，但不能实现各部件间的“联动”，任意改变坐标轴（或刀具）在平面或空间的移动轨迹，故不能成为数控机床。,下页,上页,返回,图库,1.1 概述,NC机床与程控机床 在数控机床上，通过数控系统的“插补”运算，实现了坐标轴的联动功能。它不仅可以控制移动部件的起点与终点坐标，而且还能同时控制各运动部件每一时刻的速度和位移，以及各运动部件间的相互关系，从而可以将工件加工要求的轮廓形状。这是数控机床与其他机床的本质区别，也是机床采取数控技术的根本原因。,下页,上页,返回,图库,1.1 概述,下页,上页,返回,数控系统及

7、其组成 机床数控系统的基本组成 数控系统是所有数控设备的核心。数控系统的主要控制对象是坐标轴的位移（包括移动速度、方向、和位置等），其控制信息主要来源于数控加工或运动控制程序。因此，作为数控系统最基本的组成应该包括：程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三部分。,图库,1.1 概述,下页,上页,返回,数控系统及其组成 机床数控系统的基本组成（1）输入/输出装置 输入/输出装置的主要作用是进行数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据的输入、输出。键盘和显示器是任何数控设备必须的最基本的输入输出装置。此外，根据数控系统的不同，还可以配光电阅读机、磁带

8、机或软盘驱动器等。作为外围设备，计算机是目前常用的输入/输出装置之一。,图库,1.1 概述,下页,上页,返回,数控系统及其组成 机床数控系统的基本组成（2）数控装置 数控装置是数控系统的核心。它由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存储器等部分组成。数控装置的作用是将输入装置输入的数据，通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理，并输出各种信息和指令，以控制机床的各部分进行规定的动作。在这些控制信息和指令中，最基本的是坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量指令；它经插补运算后生成，提供给伺服驱动，经驱动器放大，最终控制坐标轴的位移。它直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。,图库,1.1 概述

9、,下页,上页,返回,数控系统及其组成 机床数控系统的基本组成 此外，根据系统和设备的不同，如：在数控机床上，还可能有主轴的转速、转向和起、停指令；刀具的选择和交换指令；冷却、润滑装置的起、停指令；工件的松开、夹紧指令；工作台的分度等辅助指令。在基本的数控系统中，它们是通过接口，以信号的形式提供外部辅助控制装置，由外部辅助控制装置对以上信号进行必要的编译和逻辑运算，放大后驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。,图库,1.1 概述,下页,上页,返回,数控系统及其组成 机床数控系统的基本组成（3）伺服驱动 伺服驱动通常由伺服放大器（亦称：驱动器、伺服单元）和执行

10、机构等部分组成。在数控机床上，目前一般采用交流伺服电动机作为执行机构；在先进的高速加工机床上，已经开始使用直线电动机。,图库,1.1 概述,数控系统及组成：NC(CNC)、SV与PC(PLC、PMC)NC(CNC)：数控（Numerical Control）的常用英文缩写。由于现代数控都采用了计算机控制，因此，可以认为NC 和CNC 的含义完全等同。如前所述，NC(CNC)在广义上代表一种控制技术-数控技术；在狭义上代表一种控制系统的实体-数控系统；此外，还可以代表 一种具体的控制装置-数控装置。,下页,上页,返回,图库,1.1 概述,数控系统及组成：NC(CNC)、SV与PC(PLC、PMC

11、)SV：伺服驱动（Servo Drive,简称伺服）的常用英文缩写。按日本JIS标准规定的术语，它是“以物体的位置、方向、状态等作为空置量，追踪目标值的任意变化的控制机构”。简言之，它是一种能够自动跟随目标位置等物理量的控制装置。在数控机床上，伺服驱动的作用主要有两个方面：一是按照数控装置给定的速度运行；二是按照数控装置给定的位置定位。因此，伺服驱动的精度和动态响应性能是影响数控机床的加工进度、表面质量和生产率的重要因素之一。,下页,上页,返回,图库,1.2数控机床的基本组成和工作原理,数控机床的基本组成 在数控机床上，为了进行零件的加工，可以通过如下步骤进行：1）根据被加工零件的图样与工艺方

12、案，用规定的代码和程序格式，将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够识别的指令形式。2）将所编写的加工程序输入数控装置。3）数控装置对输入的程序（代码）进行译码、运算处理，并向各坐标轴的伺服驱动装置和辅助机能控制装置发出响应的控制信号，以控制机床的各部件的运动。,下页,上页,图库,返回,1.2数控机床的基本组成和工作原理,数控机床的基本组成 4）在运动过程中，数控系统需要随时检测机床的坐标轴位置、行程开关的状态等，并与程序的要求相比较，以决定下一步动作，直到加工出合格的零件。5）操作者可以随时对机床的加工情况、工作状态进行观察、检查，必要时还需要对机床动作和加工程

13、序进行调整，以保证机床安全、可靠地运行。由此可知，作为数控机床的基本组成，它应包括：输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置、辅助控制装置以及机床本体等部分。（见图1-1）数控机床的基本组成,下页,上页,图库,返回,1.2数控机床的基本组成和工作原理,数控机床的基本组成 图1-1中的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置构成了机床数控系统，其作用见前述。测量装置的作用是检测数控机床坐标轴的实际位置和移动速度，检测信号被反馈输入到机床的数控装置或伺服驱动中，数控装置或伺服驱动对反馈的实际位置和速度与给定值进行比较，并向机床输出新的位移、速度指令。检测装置的安装、检测信号反馈的位置，决定

14、于数控系统的结构形式。,下页,上页,图库,返回,1.2数控机床的基本组成和工作原理,数控机床的基本组成 数控装置发出的一个进给脉冲所对应的机床坐标轴的位移量，称为数控机床的最小移动单位，亦称脉冲当量。根据机床精度的不同，常用的脉冲当量有0.01mm、0.005mm、0.001mm等，在高精度数控机床上，可以达到0.0005mm、0.0001mm甚至更小。,下页,上页,图库,返回,1.2数控机床的基本组成和工作原理,数控机床的基本组成 辅助控制装置的主要作用是根据数控装置输出的主轴转速、转向和启停指令；刀具的选择和交换指令；冷却、润滑装置的启停指令；工件和机床部件的松开、夹紧与工作台转位等辅助指

15、令所提供的信号，以及机床上检测开关的状态等信号，经过必要的编译和逻辑运算，经放大后驱动相应执行的元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成规定的动作。辅助控制装置通常由PLC和强电控制回路构成。,下页,上页,图库,返回,1.2数控机床的基本组成和工作原理,数控机床的基本组成 机床本体与传统的机床基本相同，它也是由主传动系统、进给传动系统、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等部分组成。但为了满足数控的要求，充分发挥机床性能，它在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能方面都已发生了很大的变化。,下页,上页,图库,返回,1.2数控机床的基本组成和工作原

16、理,数控机床的工作原理 在传统的金属切削机床上，零件加工是由操作者根据图样的要求，通过不断改变刀具的运动轨迹和运动速度等参数，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格零件。,下页,上页,图库,返回,1.2数控机床的基本组成和工作原理,数控机床的工作原理 数控机床的加工，其实质是应用了“微分”原理。其工作原理与过程如下（如图1-2所示）：1）数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按机床对应的坐标轴，以最小移动量（脉冲当量）进行微分（图1-2中的X、Y），并计算出各轴需要移动的脉冲数。2）通过数控装置的插补软件或插补运算器，把要求的轨迹用以“最小移动单位”为单位的等效折线进行拟合，并找出最接近

17、理论轨迹的拟合折线。3）数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使机床坐标轴按分配的脉冲运动。,下页,上页,图库,返回,1.2数控机床的基本组成和工作原理,数控机床的工作原理 由上可见：第一、只要数控机床的最小移动量（脉冲当量）足够小，所用的拟合折线就安全可以等效代替理论曲线；第二、只要改变坐标轴的脉冲分配方式，既可以改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的；第三、只要改变分配脉冲的频率，既可以改变坐标轴（刀具）的运动速度。这样就实现了数控机床控制刀具移动轨迹的根本目的。以上根据给定的数学函数，在理想轨迹（轮廓）的已知点之间，通过数据点的变化，确定

18、一些中间点的方法，称为插补。显然，当数控机床的联动轴数越多，机床加工轮廓的性能就越强。因此，联动轴的数量是衡量数控机床性能的重要技术指标之一。,下页,上页,图库,返回,1.3 数控机床的分类,数控机床品种规格繁多，对数控机床的分类方法较多，但定义明确、分类较为确切的一般有下面几种分类方法。,下页,上页,图库,返回,按加工工艺方法分类 按伺服驱动的特点分类其他分类,1.3 数控机床的分类,下页,上页,图库,返回,1.3 数控机床的分类,下页,上页,图库,返回,锥度电火花线切割机床,1.3 数控机床的分类,下页,上页,图库,返回,数控车床,1.3数控机床的分类,按加工工艺方法分类：,普通数控机床:

19、普通数控机床是指加工用途、加工工艺相对单一的数控机床。加工中心:在普通数控机床增加自动换刀装置（ATC）可以成为加工中心,下页,上页,图库,返回,1.3数控机床的分类,按伺服驱动的特点分类：,开环控制数控机床 半闭环控制数控机床 闭环控制数控机床,下页,上页,图库,返回,1.3数控机床的分类,按伺服驱动的特点分类：开环控制数控机床,下页,上页,图库,返回,无位置反馈装置的数控机床称为开环控制数控机床。使用步进电动机（包括电液脉冲马达）作为伺服执行元件，是其最明显的特点。在开环控制数控机床中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，并通过驱动电路进行功率放大，最终控制

20、了步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置（或直接联接）带动了丝杆旋转，通过丝杆将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。,1.3数控机床的分类,按伺服驱动的特点分类：半闭环控制数控机床,下页,上页,图库,返回,特点是：机床的转动丝杆或伺服电动机上装有角位移检测装置（如光电编码器等），通过它检测丝杆的转角，从而间接地检测了移动部件的位移。角位移信号被反馈到数控装置或伺服驱动中，实现了从数控装置到电动机输出转角间的闭环自动调节。同样，由于伺服电动机和丝杆相连，通过丝杆将旋转活动转换为移动部件的直线位移，因此，间接控制了移动部

21、件的移动速度与位移量。这种结构，只对电动机或丝杆的角位移进行了闭环控制，没有实现对最终输出的直线位移的闭环控制，故称为“半闭环控制”。,1.3数控机床的分类,按伺服驱动的特点分类：闭环控制数控机床,下页,上页,图库,返回,特点是：机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，检测装着检测最终位移输出量。实际位移值被反馈到数控装置或伺服驱动中，它可以直接与输入的指令位移值进行比较，用误差进行控制，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上说，对于这样的闭环系统，其运动精度仅取决于检测装置的检测精度，它与机械传动的误差无关，显然，其精度将高于半闭环系统。而且，它可以对传动系统的间隙、磨损能自动补偿，其精

22、度保持性要比半闭环系统好得多。,1.3 数控机床的分类,下页,上页,图库,返回,除以上两种分类方法以外，数控机床还可以按照功能水平、功能特点等不同的分类方法分类，但这些分类方法的定义均不够确切，概念比较模糊，不同种类机床之间很难规定出明确的界限，在此从略。,1.4 数控机床的特点,加工精度高 数控机床的脉冲当量小，位置分辨率高;数控系统具备误差自动补偿功能;数控机床的传动系统与机床结构设计，都具有比普通机床更高的刚度和稳定性，部件的制造、装配精度均比较高，提高了机床本身的精度与稳定性;数控机床采用了自动加工方式，避免了加工过程中的人为干扰机床的柔性高 改变加工零件只需要新编制（更换）程序，就能

23、实现对不同零件的加工 自动化程度高，劳动强度低 数控机床对零件的加工是根据事先编好的程序自动完成的。在正常加工过程中，操作者只要进行极为简单的操作，即可完成零件的自动加工，不需要进行繁杂的重复性手工操作，操作者的劳动强度可大为减少。此外，数控机床一般都具有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑装置，使操作者的劳动条件也得到了很大改善。,下页,上页,图库,返回,1.4 数控机床的特点,生产率高 在数控机床上，由于主轴的转速和进给量都可以任意选择，由于数控机床的结构刚性好，一般都允许进行较大切削用量的强力切削，提高了数控机床的切削效率，节省了实际加工时间;数控机床的移动部件的空行程运动速度大

24、大高于普通机床，;数控机床更换被加工零件时一般都不需要重新调整;数控机床加工零件的尺寸一致性好，质量稳定，一般只需要做首件检验;数控机床可以实现精确、快速定位，节省了“划线”时间。良好的经济效益 数控机床虽然设备价格较高，分摊到每个零件的加工费用较普通机床高，但使用数控机床加工，可以通过上述优点体现出整体效益。特别是数控机床的加工精度稳定，减少了废品，降低了生产成本；此外，数控机床还可一机多用，节省厂房面积和投资。有利于现代化管理 采用数控机床加工，能准确地计算零件加工工时和费用，简化了检验工、夹具，减少了半成品的管理环节，有利于生产管理的现代化。,下页,上页,图库,返回,第1章 本章要点,数控技术的基本概念数控系统及其组成 数控机床的基本组成和工作原理数控机床的分类数控机床的特点,结束,上页,图库,返回,