1-1数控机床的产生与发展.ppt

福建省南平市工业技术学校教师：刘敏惠数控加工工艺学目目 录录第一章：数控机床概述第二章：数控机床的机械结构第三章：数控加工工艺基础第四章：数控加工用刀具与夹具系统第五章：数控机床切削加工工艺第六章：数控电加工工艺附录：数控基本术语第一章数控机床概述一、数控机床的产生数控机床产生原因1.满足多品种、小批量的自动化生产2.灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化数控机床的定义1.数控：用数字数据的装置（简称数控装置），在运行过程中，不断地引入数字数据，从而对某一生产过程实现自动控制。2.数控机床：采用了数字控制的机床二、数控系统的发展1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加纪以来，数控技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床至工精度和生产效率不断提高。数控机床至今已经历了两个阶段和六代的发展。今已经历了两个阶段和六代的发展。第第1代数控机床代数控机床：1952年年1959年采用电子管年采用电子管元件构成的专用数控装置（元件构成的专用数控装置（NC）。）。第第2代数控机床代数控机床：从：从1959年开始采用晶体管电路年开始采用晶体管电路的的NC系统。系统。第第3代数控机床代数控机床：从：从1965年开始采用小、中规模年开始采用小、中规模集成电路的集成电路的NC系统。系统。以上三代都是采用专用计算机的硬逻辑数控系统。装有这类数控系统的机床为硬件数控机床，简称NC机床。第第4代数控机床：从代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。）。第第5代数控机床：从代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控年开始采用微型计算机控制的系统（制的系统（MNC）。）。第六代数控机床：基于工控第六代数控机床：基于工控PC机机 后三代为第二阶段，称作计算机软件数控，简称后三代为第二阶段，称作计算机软件数控，简称CNC从1952年第一台数控机床，经历了两个阶段和六代的发展电子管晶体管集成电路小型计算机微处理器工控PC机的通用CNC系统电子管晶体管第一阶段：硬件连接数控（CN）集成电路小型计算机微处理器第二阶段：计算机软件数控（CNC）工控PC机的通用CNC系统第一章数控机床概述2、数控机床技术发展趋势、数控机床技术发展趋势高速、高效加工高速、高效加工高精密、超精密加工高精密、超精密加工高可靠性高可靠性工序复合化和复合加工工序复合化和复合加工智能化、网络化、柔性化和集成化智能化、网络化、柔性化和集成化并联机床技术并联机床技术1）高速、高效加工）高速、高效加工高速CPU芯片：主轴高速化，采用电主轴采用全数字交流伺服机床动、静态性能的改善现代数控系统已经逐步由16位CPU过渡到32位CPU。日本产的FANUCl5系统开发出64位CPU系统，能达到最小移动单位0.1m时，快进速度达240m/min，可获得复杂型面的精确加工加速度达2g主轴转速已达200,000r/min换刀速度少于1s2）高精密、超精密加工高精密、超精密加工 提高机械的制造和装配精度；采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上1000000脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080。数控机床和数控系统的发展随着先进生产技术的发展，要求现代数控机床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方向发展。1高速度、高精度化高速化指数控机床的高速切削和高速插补进给，目标是在保证加工精度的前提下，提高加工速度。这不仅要求数控系统的处理速度快，同时还要求数控机床具有大功率和大转矩的高速主轴、高速进给电动机、高性能的刀具、稳定的高频动态刚度。高精度包括高进给分辨率、高定位精度和重复定位精度、高动态刚度、高性能闭环交流数字伺服系统等。数控机床由于装备有新型的数控系统和伺服系统，使机床的分辨率和进给速度达到0.1m(24mmin)，lm(100240mmin)，现代数控系统已经逐步由16位CPU过渡到32位CPU。日本产的FANUCl5系统开发出64位CPU系统，能达到最小移动单位0.1m时，最大进给速度为100mmin。FANUCl6和FANUCl8采用简化与减少控制基本指令的RISC(ReducedInstructionSetComputer)精简指令计算机，能进行更高速度的数据处理，使一个程序段的处理时间缩短到0.5ms，连续lmm移动指令的最大进给速度可达到120mmin。日本交流伺服电动机已装上每转可产生100万个脉冲的内藏位置检测器，其位置检测精度可达到0.01mm脉冲及在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差补偿、刀具补偿等技术外，还开发了热补偿技术，减少由热变形引起的加工误差。2“开放式”要求新一代数控机床的控制系统是一种开放式、模块化的体系结构：系统的构成要素应是模块化的，同时各模块之间的接口必须是标准化的；系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”；系统应具有“连续升级”的能力。为满足现代机械加工的多样化需求，新一代数控机床机械结构更趋向于“开放式”：机床结构按模块化、系列化原则进行设计与制造，以便缩短供货周期，最大限度满足用户的工艺需求。数控机床的很多部件的质量指标不断提高，品种规格逐渐增加、机电一体化内容更加丰富，因此专门为数控机床配套的各种功能部件已完全商品化。3智能化所谓智能化数控系统，是指具有拟人智能特征，智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。（1）在数控系统中引进自适应控制技术。数控机床中因工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、润滑或冷却液等因素的变化将直接或间接影响加工效果。自适应控制是在加工过程中不断检查某些能代表加工状态的参数，如切削力、切削温度等，通过评价函数计算和最佳化处理，对主轴转速、刀具(或工作台)进给速度等切削用量参数进行校正，使数控机床能够始终在最佳的切削状态下工作。（2）设置故障自诊断功能。数控机床工作过程中出现故障时，控制系统能自动诊断，并立即采取措施排除故障，以适应长时间在无人环境下的正常运行要求。（3）具有人机对话自动编程功能。可以把自动编程机具有的功能，装入数控系统，使零件的程序编制工作可以在数控系统上在线进行，用人机对话方式，通过CRT彩色显示和手动操作键盘的配合，实现程序的输入、编辑和修改，并在数控系统中建立切削用量专家系统，从而达到提高编程效率和降低操作人员技术水平的要求。（4）应用图像识别和声控技术。由机床自己辨别图样，并自动地进行数控加工的智能化技术和根据人的语言声音对数控机床进行自动控制的智能化技术。4复合化复合化加工，即在一台机床上工件一次装夹便可以完成多工种、多工序的加工，通过减少装卸刀具、装卸工件、调整机床的辅助时间，实现机多能，最大限度提高机床的开机率和利用率。60年代初期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心（MC），即自备刀库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床的机械手可自动更换刀具，连续地对工件的各加工面进行多种工序加工。目前加工中心的刀库容量可多达120把左右，自动换刀装置的换刀时间为l2s。加工中心中除了镗铣类加工中心和车削类车削中心外，还出现了集成型车/铣加工中心、自动更换电极的电火花加工中心，带有自动更换砂轮装置的内圆磨削加工中心等。随着数控技术的不断发展，打破了原有机械分类的工艺性能界限，出现了相互兼容、扩大工艺范围的趋势。复合加工技术不仅是加工中心、车削中心等在同类技术领域内的复合，而且正向不同类技术领域内的复合发展。多轴同时联动移动，是衡量数控系统的重要指标，现代数控系统的控制轴数可多达16轴，同时联动轴数已达到6轴。高档次的数控系统，还增加了自动上下料的轴控制功能，有的在PLC里增加位置控制功能，以补充轴控制数的不足，这将会进一步扩大数控机床的工艺范围。5.高可靠性高可靠性的数控系统是提高数控机床可靠性的关键。选用高质量的印制电路和元器件，对元器件进行严格地筛选，建立稳定的制造工艺及产品性能测试等一整套质量保证体系。在新型的数控系统中采用大规模、超大规模集成电路实现三维高密度插装技术，进一步地把典型的硬件结构集成化，做成专用芯片，提高了系统的可靠性。现代数控机床均采用CNC系统，数控系统的硬件由多种功能模块制成，对于不同功能的模块可根据机床数控功能的需要选用，并可自行扩展，组成满意的数控系统。在CNC系统中，只要改变下软件或控制程序，就能制成适应各类机床不同要求的数控系统。现代数控机床都装备有各种类型的监控、检测装置，以及具有故障自动诊断与保护功能。能够对工件和刀具进行监测，发现工件超差，刀具磨损、破裂，能及时报警，给予补偿，或对刀具进行调换，具有故障预报和自恢复功能，保证数控机床长期可靠地工作。数控系统一般能够对软件、硬件进行故障自诊断，能自动显示故障部位及类型，以便快速排除故障。此外系统中注意增强保护功能，如行程范围保护功能、断电保护功能等，以避免损坏机床和工件的报废。6多种插补功能数控机床除具有直线插补、圆弧插补功能外，有的还具有样条插补、渐开线插补、螺旋插补、极坐标插补、指数曲线插补、圆柱插补、假想坐标插补等。7人机界面的友好现代数控机床具有丰富的显示功能，多数系统都具有实时图形显示、PLC梯形图显示和多窗口的其他显示功能；丰富的编程功能，像会话式自动编程功能、图形输入自动编程功能，有的还具有CADCAM功能；方便的操作，有引导对话方式帮助你很快熟悉操作，设有自动工作手动参与功能；根据加工的要求，各系统都设了多种方便于编程的固定循环；伺服系统数据和波形的显示，伺服系统参数的自动设定；系统具有多种管理功能，刀具及其寿命的管理、故障记录、工作记录等；PLC程序编制方法增加，目前有梯形图编程（LadderLanguageProgram）方法、步进顺序流程图编程（StepSequenceProgram）方法。现在越来越广泛地用C语言编写PLC程序；帮助功能，系统不但显示报警内容，而且能指出解决问题的方法。5 5）并联机床）并联机床1）机床结构技术上的突破性进展当属20世纪90年代中期问世的并联机床。并联机床是机器人技术、机床结构技术、现代伺服驱动技术和数控技术相结合的产物，被称为“21世纪的机床”传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制了加工精度和速度的提高。2）我国自主研发的并联机床样机）我国自主研发的并联机床样机3 3）并联机床的优、缺点及发展热点：）并联机床的优、缺点及发展热点：优点：进给速度快；精度高；刚性好；加速度高；安装、维修方便。局限：工作空间小；姿态能力差；运动特性和力特性非线性。目前研究热点：混联机床。数控机床的有关技术术语一、数控机床一、数控机床（一）DNC（计算机直接控制技术）由一台计算机控制一台或多台数控机床。（二）FMS（柔性制造系统）1.柔性制造单元FMC：由加工中心（MC）与自动交换工件（AW、APC）的装置所组成。2.核心：柔性，并不事先固定哪一台机床加工什么零件，而是根据需要，由系统调度由哪一台机床加工某一零件。数控系统（数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。计算机数控系统（计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC）以计算机为控制核心的数字控制系统，即软件数控。配有管理信息系统配有管理信息系统 MIS 可提供刀具或机床的使用情况，以及系统运行状态、生产控制、产品识别、分配能力等信息）计算机集成制造系统CIMS