2022年数控机床简介 2.pdf

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1、1 数控机床基本知识参考书目：全国数控培训网络天津分中心组编.数控机床（第2 版）.机械工业出版社，2006 第一章数控机床概述美国 PARSONS 公司与麻省理工学院伺服机构研究所合作，在1952 年第一台由专用电子计算机控制的三坐标立式数控铣床研制成功。之后经过不断的改善，于1955 年进入实用阶段（可用于背景的论述）随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。（对机床的要求越来越高）制造业的全球化竞争日趋激烈。统计资料表明，在机械制造工业中单件小批量生产占据机械加工总量的80%左右。数控机床特别适用于加工批量小、加工零件的形状比较复杂、加工的精度要求的产品的加工

2、。1 数控机床的工作过程（1）编制加工程序根据被加工零件的图样进行工艺方案的分析与设计，进而进行数控编程（需要技术与经验，最重要的一部）（2）加工程序的输入可以用计算机和数控机床的接口直接进行通信，将编写零件的加工程序输入到数控系统。（3）预调刀具和夹具根据零件的工艺设计方案中所确定的刀具方案和夹具方案，在加工之前，进行安装与调整刀具和夹具。（4）数控装置对加工程序进行译码和运算处理处理后变成脉冲信号脉冲信号有的送至机床的伺服系统，经传动机构驱动机床的相关部件，完成对零件的切削加工。有的送到可编程控制器，按顺序控制机床的其他辅助部件，完成工件夹紧、松开、冷却液的开闭、刀具的自动更换等动作。（5

3、）加工过程的在线检测数控系统需要随时检测机床的坐标位置、行程开关的状态等，并与程序的要求相比较，以决定下一步工作。2 数控机床的组成数控机床是典型的机电一体化产品，主要由程序载体、输入/输出装置、数控装置、伺服系统和机床本体等五部分组成。（1）程序载体人与数控机床建立某种联系，联系的中间媒介就是程序载体，如穿孔带、磁带、磁盘 等。数控编程的一般过程，首先对零件图上的几何形状、尺寸和技术条件进行工艺分析，在此基础上确定加工顺序和进给路线（应该是工艺师在进行这部分工作？）确定主运动和进给运动的工艺参数；确定加工供过程中的各种辅助操作；用标准格式的代码编制出加工程序，再将加工程序存入程序载体。（2）

4、人机交互装置名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -2 要通过人机交互装置对数控系统进行操作和控制。键盘和显示器是数控系统不可缺少的人机交互设备。显示器显示机床的运行状态、机床参数以及坐标位置等，高档的显示器还具备显示加工轨迹图形的功能。（4）数控装置（数控系统的硬件）数控机床最重要的组成部分，主要由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存储器等组成。功能是通过运算，将加工程序转换成控制数控机床运动的信号和指令，以控制机床的各部件完成加工程序中规定的动作。（5）伺服系统伺服系统是由伺服控制电路、功率放大器和伺服电动机组成的数控机床执行机构。其作用是接受数控装置发出

5、的指令信息并经功率放大后，带动机床移动部件作精确定位或按规定轨迹和速度运动。伺服系统的控制精度和动态响应特性，对机床的工作性能、加工精度和加工效率有直接的影响。（6）机床本体用于完成各种切削加工的执行部件。与传统机床相比，数控机床具有传动结构简单、运动部件的运动精度高、结构刚性好、可靠性高、传动效率高等特点。3 数控机床的特点数控机床是一种高自动化、高柔性、高精度、高效率的机械加工设备。具有以下的优点：（1）适用范围广编制不同的加工程序对不同的工件进行加工。（2）生产准备周期短在数控机床上加工工件，大部分准备工作是针对零件的工艺分析和编制数控加工程序，而不是去准备专用的工具、夹具等工艺装备，这

6、样大大缩短了生产准备时间。（3）工序高度集中既保证了粗加工是有足够的刚度，又保证精加工时有可靠的精度。工件一次装卡，可完成尽可能多的加工内容（自动换到装置），避免重复装卡定位造成的误差。（4）生产效率和加工精度高数控机床加工时，可以采用较大的切削用量。硬件上滚珠丝杠和机械传动消隙结构，使机械传动的误差尽可能的小。（5）能完成复杂型面的加工数控系统不仅可以控制机床多个轴的运动，而且能够驱动多个轴的联动，使刀具在三维空间中能实现人意的轨迹运动。（6）有利于生产管理的现代化简化了中间检验程序、减少了半成品的管理环节。4 数控机床的分类（1）按工艺用途分1）切削类（车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工等）在数

7、控机床上加装刀库和自动换刀装置，构成一种带自动换刀系统的数控机床，称为加工中心。以镗铣加工中心为例，它将数控铣床、数控钻床和数控镗床的功能组合在一起，工件在一次装卡后，可以对零件的大部分加工表面进行铣削、镗削、钻孔、扩孔、铰孔和攻螺纹等多种加工。2）成形类名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -3 成形类数控机床是指采用挤、冲、压、拉等成形工艺方法加工零件的数控机床，常见的有数控液压机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。3）电加工类指采用电加工技术加工零件的机床，常见的有数控电火花成形机、数控电火花线切割机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。4）测量、绘图类

8、主要有三坐标测量机、数控对刀仪、数控绘图机等。（2）按运动方式分类1）点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是数控系统只控制机床的运动部件运动的起点和终点的坐标值而不控制运动部件的运动路径。为了减少运动部件的运动和定位时间，一般运动部件先以快速运动至终点坐标附件，然后以低速准确运动到终点位置，以保证稳定的定位精度。由于点位控制数控机床是刀具或工件到达指定位置后才开始加工，因此在运动过程中刀具不进行切削。数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控弯管机和数控测量机等均采用点位控制方式。2）点位直线控制数控机床点位直线控制数控机床的特点是除了要控制机床的运动部件运动起点和终点的坐标值外，还

9、能实现在两点之间沿直线或斜线的切削进给运动。典型的机床有数控车床、数控铣床、数控镗床。3）轮廓控制数控机床又称为连续轨迹控制。轮廓控制数控机床的特点是能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，不仅要控制机床运动部件的起点与终点坐标值，而且要控制整个加工过程美一点的速度和位移量。（需进行多坐标轴之间的插补运算，坐标轴联动）例如：数控车床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床和各类数控切割机床(3)按伺服驱动的控制方式分类按对伺服驱动被控制有无检测反馈装置可分为开环控制和鼻环控制。在闭环系统中，根据测量装置安装部位不同又分为全闭环控制和半闭环控制两种。1）开环控制数控机床开环控制数控机床是指不带位

10、置反馈装置的控制系统。擦用步进电机作为伺服驱动执行元件。一般应用在精度要求不高的经济型数控机床。2）闭环控制数控机床闭环控制是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，将直接测量到的位移量反馈到数控装置的比较器中，与输入的指令进行比较，用差值对运动部件进行控制，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。一般用于要求高速、高精度的数控机床，如镗铣床、超精车床、超精磨床及大型数控机床等。3）半闭环控制大多数数控机床采用半闭环控制系统，其位置反馈采用角位移检测装置（如光电脉冲编码器等），安装在电动机或滚珠丝杠的端头，通过检测伺服电动机或丝杠的转角，间接的检测出运动部件的位移，并反馈给数控装置的比较器，与

11、输入指令进行比较，用差值对运动部件进行控制。因为该空制方式只对伺服电动机或滚珠丝杠的角位移进行闭环控制，而没有实现对运动部件直线位移的闭环控制，故称为半闭环控制。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -4 一般情况下，半闭环控制作为数控机床的首选控制方式。5 数控机床的主要性能指标（1）数控机床的精度数控机床的精度主要是指加工精度、定位精度和重复定位精度。定位精度 是指实际位置于数控指令位置的一致程度。不一致量表现为误差。定位误差包括了伺服系统、进给系统和检测系统的误差，还包括移动部件导轨的几何误差。重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同的程序、相同代码加

12、工一批零件。所得到的连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统间隙、刚度以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位误差是成正态分布的偶然误差，它影响了一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。分度精度：分度精度是指分度工作台在分度时，指令要求回转角度值和实际回转角度值的差值。分度精度影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度。(分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隙。对测量系统而言，分辨度是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量或角位移增量，即数控机床每发出一个脉冲信号，反映到数控机床各运动部件的位移量或角位移量，一

13、般又称为脉冲当量。)脉冲当量：是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。目前经济型数控机床的脉冲当量一般采用0.01mm；普通型数控机床的脉冲当量一般采用 0.001mm；精密型数控机床的脉冲当量一般小于0.0001mm；最精密型数控机床的数控系统的分辨率已达到0.001 微米。一般情况下，脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。（2）数控机床可控轴数与联动轴数主轴的旋转是工件表面成形运动中的主运动，其他运动都是成形运动的进给运动都有各自的伺服驱动控制单元，数控装置发出的控制信息，通过伺服控制单元转换成坐标轴的运动。可见数控机床的可控轴数（或称坐标

14、数）是指机床数控装置能够控制的坐标数目。数控机床完成的运动越多，控制轴数就越多，对应的功能就越强，同时机床结构的复杂程度与技术含量也就越高。点位直线控制机床和轮廓控制数控机床，需要对两个或两个以上的运动同时、协调地进行控制，才能满足零件的加工要求。将机床数控装置控制各坐标轴协调动作的坐标轴数目称为联动轴数。目前有两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四周联动、五轴联动等。数控机床联动轴数越多，控制系统就越复杂，加工能力就越强。（3）数控机床的运动性能指标数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、回转轴的转角范围、到库容量及换刀时间等。1）主轴转速加工中心的转速一般在10000r/m

15、in 高速加工的数控机床，通常采用电动机转子和主轴一体的电主轴，可使主轴达到每分钟数万转。2）进给速度和加速度数控机床的进给速度和切削速度一样，是影响零件加工质量、加工效率和刀具寿命的主要因素。进给速度的提高受数控装置的运算速度、机床的动特性及工艺系统刚度等因素的限制。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -5 统计资料表明，数控机床的进给速度从8-12m/min 提高到 20-30m/min，有的达到60 m/min。3）行程行程是指移动坐标轴可控制的运动区间。数控机床x,y,z 行程的大小，决定了数控机床允许的空间加工范围，因此说各坐标轴的行程是体现机床加工

16、能力的性能参数指标。在选择机床时，应注意工件的加工尺寸要在机床坐标轴形成允许的范围内。4）回转轴的转角范围转角范围是指回转坐标轴可控制的摆角区间。转角的大小将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换刀时间会影响数控机床的加工效率。一般小型加工中存放16-60 把，大型加工中心刀库容量达到100 把以上。换刀时间指刀具交换机构将主轴上的刀具与刀库中下一个工步需用的刀具进行交换所用的时间。目前加工中心的换刀时间由原来的10-20s，缩短为 1-5s。第二章数控机床的典型结构随着数控技术的发展，对数控机床的生产效率，加工精度和使用寿命提出了更高的要求。现代数控机床在机械结构

17、上许多地方与普通机床显著不同。可以分为以下几部分：1）主传动系统；2）进给运动部件；3）工件实现回转、定位的装置及附件；4）自动换刀装置；5）实现某些动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置。6）实现其他特殊功能壮置如监控系统，加工过程图形显示装置、精度检测桩置等。1 数控机床的主传动系统（1）数控机床主传动的特点：1）转速高、功率大，它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。2）主轴转速的变换迅速可靠，它能自动无级变输，使切削工作始终在最佳状态下进行。3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴还必须设计有刀具自动装卸、夹紧、主轴定向停止和主轴孔内切屑

18、清除装置。（2）数控机床主轴的变速方式数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求，故大多数数控机床采用无级变速系统。主要有三种配置方式：1）带有变速齿轮的主传动大中型数控机床采用的较多它通过少数几对齿轮实现降速，使之成为分段无级变速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移位大都采用液压拔叉或直接液压缸带动齿轮来实现。2）同步带传动的主传动主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。3）由调速电机直接驱动主传动（电主轴）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页

19、-6 这种传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但是主轴输出的扭矩小，电机发热对主轴精度的影响较大。主轴的控制功能可以很容易与数控系统相连接并可提高起动、停止的响应特性。2 主轴部件详细介绍（1）主轴部件的重要性及性能要求机床的主轴部件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具按照系统指令执行机床的切削运动，因此数控机床住轴部件的精度、抗振性和热变性对加工质量有直接的影响。对数控机床部件的性能有如下具体要求：1）回转精度主轴部件的回转精度，是指主轴的回转精度。当主轴作回转运动时，主轴回转中心线的空间位置在理想状况下应该是固定不变的。而实际上，由于受主轴组件中各种因素的影

20、响，回转中心线的空间位置在每一瞬时都是变化的，瞬时回转中心线相对于理论回转中心线在空间的位置距离，就是主轴的回转误差，回转误差的范围就是主轴的回转精度。主轴回转误差的基本形式为纯径向误差、角度误差和轴向误差，他们很少单独存在。当径向误差和角度误差同时存在时，构成径向跳动，而轴向误差和角度误差同时存在时构成端面跳动。2）刚度主轴部件的刚度，是指受到外力作用时，主轴部件抵抗变形的能力。主轴部件的刚度越大，主轴受力的变形越小。当主轴部件的刚性不足时，在切削力和其他力作用下，主轴将产生较大的变形，这样不仅会影响工件的加工质量，还会加速齿轮、轴承的磨损，降低运动的精度，破坏正常工作的条件。主轴部件的刚度

21、与主轴的结构尺寸、支撑跨距、所选用的轴承类型及配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。3）抗振性主轴部件的抗振性是指切削加工时，主轴保持平稳运转而不发生振动的能力。主轴的抗振性差，工作时就容易产生振动，这不仅会降低工件的加工质量，还会使刀具的耐用度下降。提高主轴的抗振性必须提高主轴部件的静刚度，可采用加大阻尼比的前轴承支承。4）耐磨性主轴部件必须有良好的耐磨性，以便长期保持精度。主轴上易磨损的部件是安装刀柄的的部位及移动式主轴的工作部位。为了提高主轴的耐磨性，上述易磨损部位应该淬硬，或者经过氮化处理，以提高硬度增加耐磨性。（2）主轴是主轴部件的重要组成部分，其结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理对主轴部件的工作性能都有很大的影响。主轴的直径越大，刚度就越高，但同时要求轴上的其他零件和轴承的尺寸相应增大，保证主轴的回转精度就会越困难，同时主轴的最高转速也会受到制约。主轴的内孔是用于通过棒料或刀具夹紧装置的，孔径越大，可通过的棒料直径越大，主轴的重量越轻，但是主轴的刚度就会越差。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -