第一章 概述.pptx

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1、n数控机床数控机床n数控机床的分类数控机床的分类n数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展n经济型数控机床经济型数控机床第一章概述第一章概述最早的机床最早的机床n公元前二千多年出现公元前二千多年出现的树木车床是机床最的树木车床是机床最早的雏形。中世纪的早的雏形。中世纪的弹性杆棒车床运用的弹性杆棒车床运用的仍是这一原理。仍是这一原理。n天工开物天工开物中中记载的中国古代记载的中国古代磨床：磨床：用用脚踏的脚踏的方法使铁盘旋转，方法使铁盘旋转，加上沙子和水剖加上沙子和水剖切玉石。切玉石。现代的机床现代的机床数数控控铣铣床床加加工工中中心心加工中心加工中心数控钻床数控钻床 数控车床的主要内部结构数控

2、车床的主要内部结构nFANUCFANUC数控系统（显示器及操作面板）数控系统（显示器及操作面板）FANUCFANUC数控系统（显示器及操作面数控系统（显示器及操作面板）板）西门子系统的显示操作部件、驱动器、可编程控制器西门子系统的显示操作部件、驱动器、可编程控制器数控机床数控机床n基本概念：基本概念：n数字控制数字控制（Numerical Control）,简称简称NC，是指用，是指用数数 字化字化信息（数字量）进行控制。信息（数字量）进行控制。n数字控制技术数字控制技术：用数字化信息进行控制的自动控制技术。：用数字化信息进行控制的自动控制技术。n数控机床数控机床：采用数字控制技术控制的机床，

3、或装备了数控：采用数字控制技术控制的机床，或装备了数控系统的机床。系统的机床。n数控机床的数控机床的组成组成：数控系统数控系统+机床本体（主机机床本体（主机+辅助装置）辅助装置）数控机床的数控机床的组成：组成：机床本体机床本体数控系统数控系统机床本体（主机）机床本体（主机）机床本体机床本体(辅助装置辅助装置)数控机床的工作过程数控机床的工作过程数控系统数控系统n组成组成:硬件硬件+软件。软件。n基本功能基本功能:输入，插补，伺服控制是数控系统的基输入，插补，伺服控制是数控系统的基本功能。本功能。输入输入设备设备数数 控控 装装 置置输出输出设备设备机机 床床 本本 体体可编可编程控程控制器制器

4、主轴主轴驱动驱动装置装置进给进给驱动驱动装置装置位置检测装置位置检测装置程序清单程序清单控制介质控制介质通讯通讯接口接口编程器编程器CAD/CAM系统系统上位机上位机工作过程：工作过程：数控系统工作过程数控系统工作过程译译 码码刀刀 补补 处处 理理插插 补补 处处 理理PLC控制控制进给伺服系统进给伺服系统切削运动、机床切削运动、机床I/O装置装置成成 形形 运运 动动加加 工工程程序序n进行零件加工时，总是先将编写好的零件进行零件加工时，总是先将编写好的零件程序程序输入输入到系统的内存中，而后系统根据输到系统的内存中，而后系统根据输入的程序段入的程序段插补插补出理想的轨迹，并出理想的轨迹，

5、并控制控制执行执行部件加工出合格的零件。部件加工出合格的零件。数控系统数控系统机床本体机床本体数控加工程序数控加工程序数控机床的数控机床的工作过程：工作过程：n按刀具与工件间相对运动轨迹分类：按刀具与工件间相对运动轨迹分类：n1 1、点位控制点位控制n2 2、轮廓（连续轨迹）控制轮廓（连续轨迹）控制 n按伺服系统控制环路分类：按伺服系统控制环路分类：n1 1、开环开环2 2、闭环闭环3 3、半闭环半闭环 n按功能水平分类：高，中，低（经济性）按功能水平分类：高，中，低（经济性）n按加工方式分类：按加工方式分类：n金属切削类：车、铣、钻、镗、磨、加工中心等金属切削类：车、铣、钻、镗、磨、加工中心

6、等n金属成型类：折弯机、弯管机金属成型类：折弯机、弯管机n特种加工类：线切割、电火花、激光切割等特种加工类：线切割、电火花、激光切割等n其它类：三坐标测量机等其它类：三坐标测量机等数控机床的分类数控机床的分类n1 1、点位控制系统、点位控制系统n点点位位数数控控系系统统仅仅控控制制刀刀具具相相对对于于工工件件的的定定位位，由由一一个个定定位位点点向向下下一一个个定定位位点点移移动动的的途途径径原原则则上上没没有规定。有规定。n定位方式：定位方式：n增增量量坐坐标标控控制制方方式式：参参考考坐坐标标系系是是相相对对于于前前一位置的。一位置的。n绝对坐标控制方式：有一绝对坐标控制方式：有一固定的坐

7、标系，各点的坐标固定的坐标系，各点的坐标都相对于固定坐标系计算。都相对于固定坐标系计算。计算方法如图所示。计算方法如图所示。按刀具与工件间相对运动轨迹分类按刀具与工件间相对运动轨迹分类点位控制系统点位控制系统0132+X2-X1+X3相对坐标表示方法0132-X1+X2+X3绝对坐标表示方法按刀具与工件间相对运动轨迹分类按刀具与工件间相对运动轨迹分类按刀具与工件间相对运动轨迹分类按刀具与工件间相对运动轨迹分类n2 2、连续控制系统连续控制系统n连续控制系统的主要特征是沿各坐标轴连续控制系统的主要特征是沿各坐标轴的运动之间有着确定的函数关系。连续的运动之间有着确定的函数关系。连续控制系统又称为轮

8、廓控制系统。控制系统又称为轮廓控制系统。按伺服系统控制环路分类按伺服系统控制环路分类n1 1、开环数控系统开环数控系统 n由下图可以看出，开环系统无反馈装置，所以不由下图可以看出，开环系统无反馈装置，所以不能纠正伺服系统的误差。故在开环伺服系统中，能纠正伺服系统的误差。故在开环伺服系统中，多采用功率步进电机作为伺服电机。多采用功率步进电机作为伺服电机。驱动器步进电机机床工作台指令脉冲按伺服系统控制环路分类按伺服系统控制环路分类n2 2、闭环控制闭环控制系统系统n闭环控制系统是从系统的最末端件进行检测反馈，闭环控制系统是从系统的最末端件进行检测反馈，从而消除了进给传动系统的全部误差。从而消除了进

9、给传动系统的全部误差。按伺服系统控制环路分类按伺服系统控制环路分类n3 3、半闭环控制系统半闭环控制系统n半闭环伺服系统是从系统中间的适当部位（伺服半闭环伺服系统是从系统中间的适当部位（伺服电机轴或丝杠轴端）取反馈信号，所以称为半闭电机轴或丝杠轴端）取反馈信号，所以称为半闭环系统。环系统。数控机床的产生与发展数控机床的产生与发展n数控机床的发展数控机床的发展n第一台数控机床是适应航空工业制造复杂零件的需要第一台数控机床是适应航空工业制造复杂零件的需要,由美国空军与麻省理工学院合作于由美国空军与麻省理工学院合作于1952年研制成功世年研制成功世界上第一台数控机床样机。界上第一台数控机床样机。n第

10、二代：晶体管和印刷板电路第二代：晶体管和印刷板电路n第三代：小规模集成电路第三代：小规模集成电路n第四代：第四代：CNCCNC代替代替NCNC（硬件数控）（硬件数控）n第五代：第五代：MNCMNC系统系统n发展趋势发展趋势n高速高精度：最小设定单位减小到高速高精度：最小设定单位减小到0.0001mm 0.0001mm n可靠性提高可靠性提高n实现长时间连续自动加工实现长时间连续自动加工n采用自动编程技术：采用自动编程技术：APT自动编程系统自动编程系统 n具有更高的通信功能具有更高的通信功能高速高速n目前我国立式加工中心目前我国立式加工中心主轴最高转速主轴最高转速由由60008000r/min

11、 提高到提高到1000015000r/min，最高可最高可达达24000r/min;快速进给从快速进给从 16m/min 提高到提高到 2440m/min，最高可达，最高可达 60m/min。采用直线电机驱采用直线电机驱动时可达到最高动时可达到最高300m/min.加速度达到加速度达到3G至至10G的水的水平。平。n数控车床主轴最高转速从数控车床主轴最高转速从 3000r/min 提高到提高到4500r/min，车削中心最高达到，车削中心最高达到 7000r/min；快速；快速进给从进给从 8m/min 提高到提高到 15m/min，最高达，最高达 40m/min，n目前，国际上工业发达国家生

12、产的高速加工中心主轴最目前，国际上工业发达国家生产的高速加工中心主轴最高转速高达高转速高达20000 100000r/min 高精度高精度n精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要装配时的工作量从而提高装配效率的需要:n进给轴的分辨率也由原来的进给轴的分辨率也由原来的0.01mm提高到提高到0.0001mm.纳米加工的精度达到了纳米加工的精度达到了0.01um的水平。的水平。n当前，机械加工高精度的要求如下：当前，机械加工高

13、精度的要求如下：普通普通的加工精的加工精度提高了一倍，达到度提高了一倍，达到5um；精密精密加工精度提高了两加工精度提高了两个数量级，个数量级，超精密超精密加工精度进入纳米级加工精度进入纳米级（0.001um），主轴回转精度要求达到），主轴回转精度要求达到0.010.05um，加工圆度为，加工圆度为0.1um，加工表面粗，加工表面粗糙度糙度Ra=0.003um等。等。可靠性提高可靠性提高n是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为

14、是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率小时内连续正常工作，无故障率P(t)99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于就必须大于3000小时。小时。MTBF大于大于3000小时，对于小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为为1

15、0：1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的控系统的MTBF就要大于就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的主轴及驱动等的MTBF就必须大于就必须大于10万小时。万小时。当前国外数控装置的当前国外数控装置的MTBF值已达值已达6000小时以上，驱小时以上，驱动装置达动装置达30000小时以上。小时以上。微型化微型化n用用SPM（扫描探针微显微镜）进行纳米精加工和原（扫描探针微显微镜）进行纳米精加工和原子操纵子操纵0.8毫米绣花针孔中住毫米绣花针孔中住60只大熊猫只大熊猫微型机械与微机电系统微型

16、机械与微机电系统微型机器人是一个非微型机器人是一个非常复杂的微机电系统。现常复杂的微机电系统。现在很多单位在研制微型机在很多单位在研制微型机器人器人,国外已制成侦察用国外已制成侦察用微型车微型车(图图26)。轮式微型。轮式微型车只能在较平坦的地面行车只能在较平坦的地面行走走,现在发展的履带式微现在发展的履带式微型车能在不平地面行走。型车能在不平地面行走。现在还发展现在还发展4足和足和6足昆虫型微型机器人足昆虫型微型机器人(图图27)。这些微型机器人能。这些微型机器人能自己找路前进自己找路前进,能自动搜能自动搜索目标索目标,收集和窃听情报。收集和窃听情报。微型机械与微机电系统微型机械与微机电系统

17、n日本日本Fanuc公司生产的加工微型零件的公司生产的加工微型零件的ROBOnanoUi五轴联动加工中心以及在这台加工中心上用微型单五轴联动加工中心以及在这台加工中心上用微型单晶金刚石立铣刀加工出的人像浮雕晶金刚石立铣刀加工出的人像浮雕微型机械与微机电系统微型机械与微机电系统n精微塑性成型加工技术已成功地制造多种微型器件精微塑性成型加工技术已成功地制造多种微型器件左图是用塑性成型法加工的微小螺丝左图是用塑性成型法加工的微小螺丝,螺纹部分直螺纹部分直径径2050um，图，图42b是是Gunm大学研制的微型超大学研制的微型超塑挤压机塑挤压机,可以用于加工制造微型齿轮轴等多种微可以用于加工制造微型齿轮轴等多种微型零件型零件微型机械与微机电系统微型机械与微机电系统n微型机械的装微型机械的装配因微型零件配因微型零件太小太小,人工装人工装配困难配困难,因此因此为装配微型机为装配微型机械已制造了微械已制造了微型夹持器、机型夹持器、机械手和自动化械手和自动化装配装置装配装置微型机械与微机电系统微型机械与微机电系统n微型机械制微型机械制造厂：内有造厂：内有加工中心，加工中心，车床，冲床车床，冲床和装配机等和装配机等