计算机控制技术-第五章-数控机床.ppt

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1、第五第五章章 数控机床数控机床一、数控机床的产生 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。导读：数控机床的产生与发展数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。定义数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂

2、型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。特点数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。类型第一台数控机床是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

3、面的技术成果，可用于加工复杂曲面零件。发展简史1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。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

4、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。第一代，数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统

5、（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。1 高速化 采用高速的32位以上的微处理器，可提高

6、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 多功能化二、数控机床的发展趋势3 智能化：引进了自适应控制技术智能化：引进了自适应控制技术.自适应控制自适应控制（Adaptive Control，简称，简称AC）技术是能调节在）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。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高精度化：通过减少数控系统误差和采用补偿技术可提

7、高数控机床的加工精度。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。模块化、标准化和通用化来提高其可靠性。一、数控机床的分类数控机床的分类 金属切削类 指采用车、铣、撞、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可被分为以下两类。普通型数控机床 如数控车床、数控铣床、数控磨床等。加工中心 其主要特点是具有自动换刀机构的刀具库，工件经一次。装夹后，通过自动更换各种刀具，在同一台机床上对工件各加工面连续进行铣（车）键、铰、钻、攻螺纹等多种工序的加工，如（幢铣类）加工中心、车削中心、钻削中

8、心等 金属成型类 指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床，常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。特种加工类 主要有数控电火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。测量、绘图类 主要有三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。2 按运动方式分类（1）点位控制系统（Positioning Control）只控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削加工。刀具的三种路径 （1）（2）（3）（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

9、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。3、按控制方式分类（1）开环控制（Open Loop Control）即不带位置测量元件，数控装置根据控制介质上的指令信号，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构（如工作台）移动或转动。特点是没有来自位置测量元件的反馈信号，对执行机构的动作情况不进行检查，指令流向

10、为单向，控制精度较低。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。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

11、（工作台）的实际位置或位移。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4、按控制联动的坐标轴数分类 二轴联动：主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。如图1-4 所示。二轴半联动主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期性进给。图 1-5 所示为采用这种方式用行切法加工三维空间曲面。三轴联动：一般分为两类，一类就是 X、y、Z 三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等，如图 16 所示用球头铣刀铣切三维空间曲面另一类是除了同时控制 X、Y、Z 中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中

12、心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕 Z 轴旋转的主轴（C轴）联动。四轴联动：同时控制 X、Y、Z 三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，图 17 所示为同时控制 x、Y、Z 三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。五轴联动：除同时控制 X、Y、Z 三个育线坐标轴联动外还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的 A、B、C 坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动这时刀具可以被定在空间的任意方向如图 18 所示比如控制刀具同时绕 x 轴和 Y 轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工

13、精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度针对车削、铣削、磨削、钻削和刨削等金属切削加工工艺及电加工、激光加工等特种加工工艺的需求，开发了各种门类的数控加工机床。数控机床种类繁多，一般将数控机床分为16大类：按加工工艺分数控车床(含有铣削功能的车削中心)数控铣床(含铣削中心)数控铿床 以铣程削为主的加工中心 数控磨床(含磨削中心)数控钻床(含钻削中心)数控拉床 数控刨床 数控切断机床 数控齿轮加工机床 数控激光加工机床 数控电火花线切割机床 数控电火花成型机床(含电加工中心)数控板村成型加工机床 数控管料成型加工机床 其他数控机床 数控机床由数控装置、伺服驱动装置、数控机床由数控装置、伺服驱动装置

14、、检测反馈装置和机床本体四大部分组成，检测反馈装置和机床本体四大部分组成，再加上程序的输入再加上程序的输入/输出设备、可编程控制输出设备、可编程控制器、电源等辅助部分。器、电源等辅助部分。1.数控装置数控装置(数控系统的核心数控系统的核心)由硬件由硬件和软件部分组成，接受输入代码经缓存、和软件部分组成，接受输入代码经缓存、译码、运算插补）等转变成控制指令，实译码、运算插补）等转变成控制指令，实现直接或通过现直接或通过PLC对伺服驱动装置的控制。对伺服驱动装置的控制。二、数控机床的组成二、数控机床的组成 2.伺服驱动装置是数控装置和机床主机之伺服驱动装置是数控装置和机床主机之间的联接环节，接受数

15、控装置的生成的进给信号，间的联接环节，接受数控装置的生成的进给信号，经放大驱动主机的执行机构，实现机床运动。经放大驱动主机的执行机构，实现机床运动。3.检测反馈装置是通过检测元件将执行元检测反馈装置是通过检测元件将执行元件（电机、刀架）或工作台的速度和位移检测出件（电机、刀架）或工作台的速度和位移检测出来，反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统。来，反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统。4.机床本体是数控机床的机械结构件（床身机床本体是数控机床的机械结构件（床身箱体、立柱、导轨、工作台、主轴和进给机构等。箱体、立柱、导轨、工作台、主轴和进给机构等。1、数控机床机械机构的维护 （1）数控机床机械结构的

16、维护和保养 对数控机床进行日常维护与保养，可以延长电气元件的使用寿命，防止机械部件的非正常磨损，避免发生意外的恶性事故，使机床始终保持良好的状态，尽可能地保持长时间的稳定工作，延长无故障时间。做好数控机床日常维护保养如：数控机床长期不用时最重要的日常维护工作 是通电三、数控机床机械机构维护及维 修的基本知识（2）机械部件检查调试 1）机床各运动轴传动链的检查调整。2）各运动轴精度的检查调整。3）减速庄块的检查调整 4）液压系统的检查调整。5）气动系统的检查调整。6）润滑部分的检查调整。四、数控车床技能目标：1、掌握数控车床的组成、布局及分类特点2、理解数控车床的主运动的传递3、理解数控车床的进

17、给传动系统及装置的组成及工作原理4、熟悉刀盘运动及传动装置的组成及工作原理5、了解尾座的结构及工作原理一、概述 数控卧式车床主要是加工轴类零件和直径不太大的盘类零件。其应用量最大。全功能数控车床大都采用机、电、液、气一体化设计和布局。1、数控车床的组成 主轴箱 机械式转塔刀架 刀架滑板 尾座 床身 底座 防护罩 机床的液压传动系统 机床润滑系统 机床切削液系统 机床的电气控制系统2 数控车床的特点与普通车床相比，它的传动链短，传动平稳，传动效率高及机床刚度大。数控机床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点。加工零件的尺寸精度可达IT5IT6，表面粗糙度可达1.6um。3

18、数控机床分类主轴的配置：卧式数控车床，主轴轴线水平立式数控车床，主轴轴线垂直刀加数量：单刀架，一个刀架（4工位，8工位等）多刀架。数控系统：经济型、普通型、车削中心、FMC4 数控车床的布局 数控车床的四种不同布局方案，（a）为水平床身-水平滑板，床身工艺性好，便于导轨面的加工，下部空间小，故排屑困难，刀架水平放置加大了机床宽度方向的结构尺寸；（b）为）为倾斜床身倾斜床身-倾斜滑板倾斜滑板，排屑亦较方便，中小规格的数控，排屑亦较方便，中小规格的数控车床其床身的倾斜度以车床其床身的倾斜度以60为宜；（为宜；（c）水平床身水平床身-倾斜滑板倾斜滑板，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方

19、便，具有水平床身工艺性好，宽度方向的尺寸小，且排屑方便，是卧式数控车床的最佳布局形式。是卧式数控车床的最佳布局形式。5 液压回转刀架工作过程 由数控指令控制，全部由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀完成以下4个动作：刀架抬起刀架转位刀架压紧转位液压缸复位 1.故障的基本概念故障的基本概念 故障故障数控机床全部或部分丧失原有的功能。数控机床全部或部分丧失原有的功能。故障诊断故障诊断在数控机床运行中，根据设备的在数控机床运行中，根据设备的故障现象，在掌握数控系统各部分工作原理的前故障现象，在掌握数控系统各部分工作原理的前提下，对现行的状态进行分析，并辅以必要检测提下，对现行的状态进行分析，并辅以必要检

20、测手段，查明故障的部位和原因。提出有效的维修手段，查明故障的部位和原因。提出有效的维修对策。对策。五、数控机床故障维修基本知识五、数控机床故障维修基本知识 2.故障的分类故障的分类 1）从故障的起因分类）从故障的起因分类 关联性故障关联性故障和系统的设计、结构或性能等和系统的设计、结构或性能等缺陷有关而造成（分固有性和随机性）。缺陷有关而造成（分固有性和随机性）。非关联性故障非关联性故障和系统本身结构与制造无关和系统本身结构与制造无关的故障。的故障。2）从故障发生的状态分类）从故障发生的状态分类 突然故障突然故障发生前无故障征兆，使用不当。发生前无故障征兆，使用不当。渐变故障渐变故障发生前有故

21、障征兆，逐渐严重。发生前有故障征兆，逐渐严重。3）按故障发生的性质分类）按故障发生的性质分类 软件故障软件故障程序编制错误、参数设置程序编制错误、参数设置不正确、机床操作失误等引起。不正确、机床操作失误等引起。硬件故障硬件故障电子元器件、润滑系统、电子元器件、润滑系统、限位机构、换刀系统、机床本体等硬件损限位机构、换刀系统、机床本体等硬件损坏造成。坏造成。干扰故障干扰故障由于系统工艺、线路设计、由于系统工艺、线路设计、电源地线配置不当等以及工作环境的恶劣电源地线配置不当等以及工作环境的恶劣变化而产生。变化而产生。4）按故障的严重程度分类）按故障的严重程度分类 危险性故障危险性故障数控系统发生故

22、障数控系统发生故障时，机床安全保护系统在需要动作时，时，机床安全保护系统在需要动作时，因故障失去保护动作，造成人身或设因故障失去保护动作，造成人身或设备事故。备事故。安全性故障安全性故障机床安全保护系统机床安全保护系统在不需要动作时发生动作，引起机床在不需要动作时发生动作，引起机床不能起动。不能起动。3.数控系统的可靠性数控系统的可靠性 数控机床除了具有高精度、高效率和数控机床除了具有高精度、高效率和高技术的要求外，还应该具有高可靠性。高技术的要求外，还应该具有高可靠性。衡量的指标有：衡量的指标有：MTBF平均无故障时间平均无故障时间 MTTR排除故障的修复时间排除故障的修复时间 平均有效度平

23、均有效度A：A=MTBF/（MTBF+MTTR）数控设备使用寿命数控设备使用寿命故障频率曲线故障频率曲线 4.数控机床维修的特点数控机床维修的特点 1）数控机床是高投入、高精度、高效）数控机床是高投入、高精度、高效率的自动化设备；率的自动化设备；2）一些重要设备处于关键的岗位和工）一些重要设备处于关键的岗位和工序，因故障停机时，影响产量和质量；序，因故障停机时，影响产量和质量；3）数控机床在电气控制系统和机械结）数控机床在电气控制系统和机械结构比普通机床复杂，故障检测和诊断有一构比普通机床复杂，故障检测和诊断有一定的难度。定的难度。1.通讯诊断通讯诊断(远程、海外诊断）远程、海外诊断）用户机床

24、的通讯口通过电话线和维修用户机床的通讯口通过电话线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连。中心的专用通讯诊断计算机相连。计算机发诊断程序计算机发诊断程序 用户测试数据用户测试数据 计算机诊断结果和处理方法计算机诊断结果和处理方法 用户用户 特点：实用简便；特点：实用简便；有一定的局限性有一定的局限性六、数控诊断技术的发展六、数控诊断技术的发展 2.自修复系统自修复系统 当诊断软件发现数控机床在运行中某当诊断软件发现数控机床在运行中某一模块有故障时，系统在一模块有故障时，系统在CRT上显示的同上显示的同时，自动寻找备用模块并接上。时，自动寻找备用模块并接上。特点：实用但成本比较高，而且只适特点：实用

25、但成本比较高，而且只适合总线结构的合总线结构的CNC系统。系统。3.人工智能专家故障诊断系统人工智能专家故障诊断系统 4.人工神经元网络人工神经元网络(ANN)诊断诊断 ANN具有联想、容错、记忆、自适应、具有联想、容错、记忆、自适应、自学习和处理复杂多模式故障等特点。这自学习和处理复杂多模式故障等特点。这种方法将被诊断的系统的症状作为网络的种方法将被诊断的系统的症状作为网络的输入，将按一定数学模型所求得的故障原输入，将按一定数学模型所求得的故障原因作为网络的输出，并且神经网络将经过因作为网络的输出，并且神经网络将经过学习所得到的知识以分布的方式隐存在网学习所得到的知识以分布的方式隐存在网络上，每个输出神经元对应着一个故障原络上，每个输出神经元对应着一个故障原因。因。熟悉数控机床各组成部分的工作原理与结构熟悉数控机床各组成部分的工作原理与结构确立数控机床故障诊断的基本思路与实施诊断的步骤及注确立数控机床故障诊断的基本思路与实施诊断的步骤及注意事项意事项掌握常用测试仪器的使用方法掌握常用测试仪器的使用方法通过理论和实训环节的教学，能实施对数控机床的故障分通过理论和实训环节的教学，能实施对数控机床的故障分析和诊断。析和诊断。课程涉及内容广，故障检测、分析难度高课程涉及内容广，故障检测、分析难度高五、课程的基本要求与特点五、课程的基本要求与特点