机械类-数控机床的产生和发展课件.ppt

第一章 概论一、数控机床的产生和发展 (一)产生:随着科学技术的发展,机械产品结构越来越合理,其性能、精度和效率日趋提高更新换代频繁,生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此,对机械产品的加工相应得提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。数字控制机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。第一台数控机床是1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院(MIT)合作研制的三坐标数控铣床,它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果,可用于加工复杂曲面零件。数控机床的发展先后经历了电子管(1952年)、晶体管(1959年)、小规摸集成电路(1965年)、大规模集成电路及小型计算机(1970年)和微处理机或微型机算机(1974年)等五代数控系统。(二)数控机床的发展趋势1 高速化:采用高速的32位以上的微处理器,可提高数控系统的分辨率及实现连续小程序段的高速、高精加工。日本产的FANUC15系统开发出64位CPU系统,能达到最小移动单位0.1um时,最大进给速度为100m/min。2 多功能化3 智能化:引进了自适应控制技术.自适应控制(Adaptive Control,简称AC)技术是能调节在加工过程中所测得的工作状态特性,且能使切削过程达到并维持最佳状态的技术。4 高精度化:通过减少数控系统误差和采用补偿技术可提高数控机床的加工精度。5 高可靠性:通过提高数控系统的硬件质量,采用模块化、标准化和通用化来提高其可靠性。三、数控机床的组成及工作原理 1 工作原理图纸存储介质数控装置输入输出CNC装置伺服驱动装置伺服系统执行机构切削驱动装置机床主体检测装置2 组成(1)程序的存储介质(纸带、磁带或磁盘等)(2)输入输出装置(3)数控装置(是数控机床的核心,接受脉冲信号经过译码、运算和逻辑处理将指令信息输出给伺服系统,使设备按轨定的动作执行)(4)伺服装置(是数控机床执行机构的驱动部件,作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床执行部件的运动)(5)检测反馈装置(作用是对机床的实际运动速度、方向、位移量以及加工状态加以检测并将结果反馈给数控装置,计算出与指令位移之间的偏差并发出纠正误差指令)(6)机床主体(是加工运动的实际机械部件,主要包括主运动部件、进给运动执行部件如工作台、拖板、刀架,和支承部件如床身、立柱等,还有冷却、润滑、转位部件、夹紧、换刀机械手等辅助装置。(7)指定主轴转速(8)辅助功能:指定主轴的起、停、反向,冷却系统的开、关等。(9)刀具选择功能(10)各种补偿功能:如刀具半径、刀具长度补偿等。(11)字符图形在显示器(CRT)上的显示(12)故障的诊断及显示、与外部设备的连网及通信。(13)存储加工程序,人机对话、程序的输入、编辑及修改。4 数控机床的特点数控机床与普通机床相比,具有以下特点:)适应性强适应性是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。)精度高工作过程不需要人工干预,而是自动工作的,且通过实时检测装置来修正或补偿以获得更高的精度。)效率高数控机床可以采用较大的切削用量,而且具有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化的功能。)减轻劳动强度、改善劳动条件。)有利于生产管理的现代化。(9)数控工具磨床(NC Tool Grinding Machine)(10)数控坐标磨床(NC Jig Grinding Machine)(11)数控电火花加工机床(NC Dieseling Electric Discharge Machine)(12)数控线切割机床(NC Wire Discharge Machine)(13)数控激光加工机床(NC Laser Beam Machine)(14)数控冲床(NC Punching Press)(15)加工中心(Machine Center)(16)数控超声波加工机床NC Ultrasonic Machine)(17)其他(如三坐标测量机等)(2)直线控制系统(Straight-line Control)是控制刀具或机床工作台以给定的速度,沿平行于某一坐标轴方向,由一个位置到另一个位置的精确移动,并且在移动过程中进行直线切削加工。(3)轮廓控制系统(Contour Control)是对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制,并能对机床移动部件的位移和速度进行严格的控制,即要控制加工的轨迹,加工出要求的轮廓。其运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。l开环控制驱动装置工作台数控装置控制介质指令脉冲伺服电机齿轮箱(2)闭环控制(Closed Loop Control)是将位置检测装置安装于机床运动部件上,加工中将测量到的实际位置值反馈。另外通过与伺服电机刚性连接的测速元件,随时实测驱动电动机的转速,得到速度反馈信号,并与速度指令信号相比较,其比较的差值对伺服电动机的转速随时进行校正,直至实现移动部件工作台的最终精确定位。l闭环控制测速元器件位移指令位移反馈速度反馈位置检测装置工作台(3)半闭环控制(Semi-Closed Loop Control)是将位置检测装置安装于驱动电动机轴端或安装于传动丝杠端部,间接地测量移动部件(工作台)的实际位置或位移。l半闭环控制测速元器件位移指令位移反馈速度反馈位置检测装置工作台5 数控磨床:主要用在高精度、高硬度加工表面。6 数控电火花成形机床:是利用两个不同极性的电极在绝缘液体中产生放电现象,去除材料进而完成加工。7 数控线切割机床:工作原理与电火花成形机床一样,其电极是电极丝,加工液一般采用去离子水。六、先进制造系统简介(其核心是生产加工设备的数控化、柔性化和精密化)1 柔性制造系统(FMS)根据自动化程度及功能可分为三类:(1)单机数控加工:是用一台数控机床或加工中心加工机械零件。(2)柔性加工单元(Flexible Machining Cell)是一种人的参与减到最小时,能连续地对同一零件族内不同的零件进行自动化加工(包括工件、刀具、废屑等在单元内部的运输和交换)的最小加工单元。(3)柔性制造系统(Flexible Manufacturing System)是由加工系统(由一组数控机床和其他自动化工艺设备,如清洗机、成品实验机、喷漆机等组成)、物料自动储运系统和信息控制系统三者相结合,由中央计算机管理使之自动运转的制造系统。2 计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System)CIMS的构成可以分以下几个部分:(1)设计过程 (2)加工制造过程(3)计算机辅助生产管理 (4)集成方法及技术答案机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按被加工的工件处于的温度状态分为冷加工和热加工。一般在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化称冷加工。一般在高于或低于常温状态的加工会引起工件的化学或物相变化称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热处理煅造铸造和焊接。机械加工另外装配时常常要用到冷热处理。例如：轴承在装配时往往将内圈放入液氮里冷却使其尺寸收缩，将外圈适当加热使其尺寸放大，然后再将其装配在一起。火车的车轮外圈也是用加热的方法将其套在基体上，冷却时即可保证其结合的牢固性（此种方法现在依旧应用于某些零部件的转配过程中）。机械加工包括：灯丝电源绕组、激光切割、重型加工、金属粘结、金属拉拔、等离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割、精密焊接等。机械加工：广意的机械加工就是指能用机械手段制造产品的过程；狭意的是用车床（Lathe Machine）、铣床(Milling Machine)、钻床(Driling Machine)、磨床(Grinding Machine)、冲压机、压铸机机等专用机械设备制作零件的过程。编辑本段微型机械加工技术的国外发展现状 机械产品1959 年，Richard P Feynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想。1962 年第一个硅微型压力传感器问世，其后开发出尺寸为50500m的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965 年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987 年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为6012m的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、StanfordAT&T 的15名科学家在上世纪八十年代末提出小机器、大机遇：关于新兴领域-微动力学的报告的国家建议书，声称由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面，建议中央财政预支费用为五年5000 万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制发现号微型卫星，美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998 年开始，资助MIT，加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993 年的500万美元。1994 年发布的美国国防部技术计划报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心(BSAC)得到国防部和十几家公司资助1500 万元后，建立了1115m2研究开发MEMS的超净实验室。日本通产省1991 年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国自1988 年开始微加工十年计划项目，其科技部于1990 1993 年拨款4万马克支持微系统计划研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺。法国1993 年启动的7000 万法郎的微系统与技术项目。欧共体组成多功能微系统研究网络NEXUS，联合协调46个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作，1992 年投资为1000 万美元。英国政府也制订了纳米科学计划。在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5m的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm7mm2mm的微型泵流量可达250l/min能开动汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合(MIMU)。德国创造了LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器(机械部分)和集成电路(电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等)一起集成在硅片上3mm3mm的范围内。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5m的微细轴。工艺基础的基本概念编辑本段生产过程和工艺过程生产过程是指从原材料（或半成品）制成产品的全部过程。对机器生产而言包括原材料的运输和保存，生产的准备，毛坯的制造，零件的加工和热处理，产品的装配、及调试，油漆和包装等内容。生产过程的内容十分广泛，现代企业用系统工程学的原理和方法组织生产和指导生产，将生产过程看成是一个具有输入和输出的生产系统。能使企业的管理科学化，使企业更具应变力和竞争力。在生产过程中，直接改变原材料（或毛坯）形状、尺寸和性能，使之变为成品的过程，称为工艺过程。它是生产过程的主要部分。例如毛坯的铸造、锻造和焊接；改变材料性能的热处理1；零件的机械加工等，都属于工艺过程。工艺过程又是由一个或若干个顺序排列的工序组成的。工序是工艺过程的基本组成单位。所谓工序是指在一个工作地点，对一个或一组工件所连续完成的那部分工艺过程。构成一个工序的主要特点是不改变加工对象、设备和操作者，而且工序的内容是连续完成的。例如图32-1中cc1的零件，其工艺过程可以分为以下两个工序：工序1：在车床上车外圆、车端面、镗孔和内孔倒角；工序2：在钻床上钻6个小孔。在同一道工序中，工件可能要经过几次安装。工件在一次装夹中所完成的那部分工序，称为安装。在工序1中，有两次安装。第一次安装：用三爪卡盘夹住 外圆，车端面C，镗内孔，内孔倒角，车外圆。第二次安装：调头用三爪盘夹住外圆，车端面A和B，内孔倒角。编辑本段生产类型生产类型通常分为三类。1单件生产 单个地生产某个零件，很少重复地生产。2成批生产 成批地制造相同的零件的生产。3大量生产 当产品的制造数量很大，大多数工作地点经常是重复进行一种零件的某一工序的生产。拟定零件的工艺过程时，由于零件的生产类型不同，所采用的加方法、机床设备、工夹量具、毛坯及对工人的技术要求等，都有很大的不同。编辑本段加工余量为了加工出合格的零件，必须从毛坯上切去的那层金属的厚度，称为加工余量。加工余量又可分为工序余量和总余量。某工序中需要切除的那层金属厚度，称为该工序的加工余量。从毛坯到成品总共需要切除的余量，称为总余量，等于相应表面各工序余量之和。在工件上留加工余量的目的是为了切除上一道工序所留下来的加工误差和表面缺陷，如铸件表面冷硬层、气孔、夹砂层，锻件表面的氧化皮、脱碳层、表面裂纹，切削加工后的内应力层和表面粗糙度等。从而提高工件的精度和表面粗糙度。加工余量的大小对加工质量和生产效率均有较大影响。加工余量过大，不仅增加了机械加工的劳动量，降低了生产率，而且增加了材料、工具和电力消耗，提高了加工成本。若加工余量过小，则既不能消除上道工序的各种缺陷和误差，又不能补偿本工序加工时的装夹误差，造成废品。其选取原则是在保证质量的前提下，使余量尽可能小。一般说来，越是精加工，工序余量越小。编辑本段基准机械零件是由若干个表面组成的，研究零件表面的相对关系，必须确定一个基准，基准是零件上用来确定其它点、线、面的位置所依据的点、线、面。根据基准的不同功能，基准可分为设计基准和工艺基准两类。1设计基准在零件图上用以确定其它点、线、面位置的基准，称为设计基准。如图32-2所cc2示的轴套零件，各外圆和内孔的设计基准是零件的轴心线，端面A是端面B、C的设计基准，内孔的轴线是外圆径向跳动的基准。2工艺基准零件在加工和装配过程中所使用的基准，称为工艺基准。工艺基准按用途不同又分为装配基准、测量基准及定位基准。（1）装配基准 装配时用以确定零件在部件或产品中的位置的基准，称为装配基准。（2）测量基准 用以检验已加工表面的尺寸及位置的基准，称为测量基准。如图32-2中的零件，内孔轴线是检验外圆径向跳动的测量基准；表面A是检验长度L尺寸l和的测量基准。（3）定位基准 加工时工件定位所用的基准，称为定位基准。作为定位基准的表面（或线、点），在第一道工序中只能选择未加工的毛坯表面，这种定位表面称粗基准.在以后的各个工序中就可采用已加工表面作为定位基准，这种定位表面称精基准。编辑本段拟定工艺路线的一般原则机械加工工艺规程的制定，大体可分为两个步骤。首先是拟定零件加工的工艺路线，然后再确定每一道工序的工序尺寸、所用设备和工艺装备以及切削规范、工时定额等。这两个步骤是互相联系的，应进行综合分析。工艺路线的拟定是制定工艺过程的总体布局，主要任务是选择各个表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序，以及整个工艺过程中工序数目的多少等。拟定工艺路线的一般原则1、先加工基准面零件在加工过程中，作为定位基准的表面应首先加工出来，以便尽快为后续工序的加工提供精基准。称为“基准先行”。2、划分加工阶段加工质量要求高的表面，都划分加工阶段，一般可分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。主要是为了保证加工质量；有利于合理使用设备；便于安排热处理工序；以及便于时发现毛坯缺陷等。3、先面后孔1对于箱体、支架和连杆等零件应先加工平面后加工孔。这样就可以以平面定位加工孔，保证平面和孔的位置精度，而且对平面上的孔的加工带来方便。4、光整加工 光整加工后的工件主要表面的光整加工（如研磨、珩磨、精磨滚压加工等），应放在工艺路线最后阶段进行，加工后的表面光洁度在Ra0.8um以上，轻微的碰撞都会损坏表面，在日本、德国等国家，在光整加工后，都要用绒布进行保护，绝对不准用手或其它物件直接接触工件，以免光整加工的表面，由于工序间的转运和安装而受到损伤。编辑本段具体处理原则上述为工序安排的一般情况。有些具体情况可按下列原则处理。(1)、为了保证加工精度，粗、精加工最好分开进行。因为粗加工时，切削量大，工件所受切削力、夹紧力大，发热量多，以及加工表面有较显著的加工硬化现象，工件内部存在着较大的内应力，如果粗、粗加工连续进行，则精加工后的零件精度会因为应力的重新分布而很快丧失。对于某些加工精度要求高的零件。在粗加工之后和精加工之前，还应安排低温退火或时效处理工序来消除内应力。(2)、合理地选用设备。粗加工主要是切掉大部分加工余量，并不要求有较高的加工精度，所以粗加工应在功率较大、精度不太高的机床上进行，精加工工序则要求用较高精度的机床加工。粗、精加工分别在不同的机床上加工，既能充分发挥设备能力，又能延长精密机床的使用寿命。(3)、在机械加工工艺路线中，常安排有热处理工序。热处理工序位置的安排如下：为改善金属的切削加工性能，如退火、正火、调质等，一般安排在机械加工前进行。为消除内应力，如时效处理、调质处理等，一般安排在粗加工之后，精加工之前进行。为了提高零件的机械性能，如渗碳、淬火、回火等，一般安排在机械加工之后进行。如热处理后有较大的变形，还须安排最终加工工序编辑本段机械加工常用器械加工需要的机械由数显铣床、数显成型磨床、数显车床、电火花机、万能磨床、加工中心、激光焊接、中走丝等，可进行精密零件的车、铣、刨、磨等加工，此类机械擅长精密零件的车、铣、刨、磨等加工，可以加工各种不规则形状零件，加工精度可达2m。本文档下载后可以修改编辑，欢迎下载收藏。