数控加工概述ppt课件.ppt

1.1 数控加工概述,第1节 数控机床的组成及工作原理第2节 数控机床的种类与常见数控机床 第3节 数控加工技术的应用与发展 第4节 数控机床认知,第一节 数控机床的组成及工作原理,一、数控、数控机床与数控加工数字控制：是以数字化信号对机构的运动 过程进行控制的一种方法。简称为数控（NC）。数控机床：指应用数控技术对加工过程进行控 制的机床。数控加工：泛指在数控机床上进行零件加工的 工艺过程。,数控机床与普通机床比较： 数控机床在普通机床基础上增加了对机床运动和动作自动控制 的功能部件，使数控机床能够自动完成 对零件加工的全过程。,其控制的媒介：数字程序（学习重点）,不同加工方式示例,成型零件,成形车刀,仿 型 加 工,靠模板,数 控 加 工,采用数控机床加工零件时,只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，数控机床便按照事先编好的加工程序,自动地对被加工零件进行加工.,二、 数控机床组成,数控机床的组成,三、数控机床各部分的作用,1. 输入装置作用：输入程序（人机）、控制参数、补偿量等方式：键盘输入 纸带输入（穿孔纸带） 磁盘输入（硬盘、软盘、U盘） 网络通讯(RS232、DNC、TCP/IP）,2. 数控装置（NC)_数控机床大脑 作用：数控机床核心部件（战略物资、东芝事件） 接受输入信息 运算与处理(译码、运算、逻辑处理) 产生输出脉冲（动作、运动指令） 计算机的功能 CNC：计算机数字控制装置,CNC系统构成,CNC装置控制软件(软件功能)硬件电路(硬件功能),主轴伺服单元,主轴驱动装置,可编程控制器,进给伺服单元,进给驱动装置,测量装置(位置速度),程 序,操作面板,输入输出设备,机 床,M.S.T辅助指令信号,主轴电机,主轴动作,完成进给动作,PLC,完成开关动作,伺服驱动系统,进给电机电机,信号转换放大,经插补运算,输出各坐标轴进给速度、进给方向和位移量指令,经逻辑运算,输出主轴变速、换向和起停信号,选择和交换刀具的刀具指令信号,辅助指令信号:冷却、润滑、夹经紧、松开、分度等.,控制信号,3. 伺服系统：数控机床的动力装置 作用：接受数控装置的输出 驱动与放大 实现电机转换,4）. 机床的机械部件：受控设备 与传统的普通机床比较，具有如下特点： (1) 机械传动结构得到简化，传动链较短。 (2) 机械结构具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼刚度、耐磨性以及抗热变形性能。 (3) 较多地采用高效传动件。 (4) 还有一些配套部件和辅属设备。,四、 数控加工原理,1.数控加工过程,零 件 图 纸,工艺分析,数值计算,编制并输入程序,安装工件,对刀试切,加工检验,2.数控加工原理概述,数控加工原理就是将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动完成零件的加工。,3.插补1) 插补的概念数控系统必须在运动过程中实时计算出满足线形和进给速度要求的若干中间点(在起点和终点之间)，这就是插补。 插补就是根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求，在轮廓的已知点之间计算中间点的方法。,直线插补,圆弧插补,直线插补：数控系统对直线进行的插补计算； 圆弧插补：对圆弧进行的插补计算； 曲线插补：对其他曲线进行的插补计算。,2) 插补方法的分类目前常用的插补方法大致分为两类：脉冲增量插补和数字增量插补。 插补运算可有硬件插补(插补器)和软件插补两种实现方式。 按插补计算方法又可细分为逐点比较法、数字积分法、时间分割法和样条插补法等多种。,逐点比较法,逐点比较法插补运算是以区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与相应给定的图形上的点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步的走向。这样就能得到一个接近给定图形的轨迹，其最大偏差不超过一个脉冲当量,五、数控加工的特点（优点）,1. 加工精度高，加工质量稳定 数控机床的机械精度高 数控机床的控制精度高（0.001mm/P） 无人为误差，加工的一致性好,2. 数控加工的生产效率高 极大地缩短加工的辅助时间（快速行程、自 动换刀） 免划线工序 粗、精加工一次装夹完成 无需中途停车检测,3. 对加工对象的适应性强. 单件、小批生产易于获得好效益4.易于实现CAD/CAM一体化及构成计算机集中控制系统.,六 几个数控加工常用术语,1、坐标联动加工 数控机床加工时的横向、纵向等进给量都是以轴坐标数据控制的。如：两坐标车床、三坐标铣床、五轴加工中心等。 坐标联动：坐标轴的非独立运动。即：一个轴的运动要受到其它轴运动的制约。,2坐标联动,2,2,坐标联动,3坐标联动,1,2、脉冲当量： CNC装置每发出一个脉冲，机床执行部件的最小位移量称为。 常用机床的脉冲当量为0.010.001 mm/脉冲，脉冲当量越小，数控机床精度越高。 各种斜线、圆弧、曲线均可由以脉冲当量为单位的微小直线段拟合而成。,脉冲当量脉冲当量:单位脉冲作用下进给轴移动的距离。单位：mm/脉冲 如0.001mm/P 脉冲当量的大小与数控系统的水平有关。 0.050.001 脉冲产生：运动控制指令（自动）、按键触 发或手摇脉冲发生器（手动操作）,3、进给速度与速度修调 进给速度：单位时间内坐标轴移动的距离。（加工时刀具相对于工件的移动速度） 单位：mm/min mm/r 速度修调：通过修调倍率对速度进行适量 修调。数控机床在加工过程中能通过速度修调实时调整进给速度和主轴转速，便于加工。,第二节 数控机床的种类与常见数控机床,一、数控机床的种类 1按工艺方式分类1) 金属切削类数控机床这类数控机床如数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床、数控齿轮加工机床、加工中心等。,2) 金属成型类数控机床这类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床等。3) 数控特种加工及其他类型机床这类数控机床如数控线切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控电火花加工机床等。,2按控制系统运动方式分类1) 开环数控机床特点：指令信号是单向的， 没有检测反馈装置， 不能进行运动误差的校正。,图1-1 开环控制的系统框图,开环伺服系统,2) 闭环数控机床特点：位置检测装置安装在执行部件上，可实测 进给系统的位移量或位置。 控制运动，使运动部件严格按照实际需要 的位移量运动。 对驱动电机的转速随时进行修正。 这类机床的运动精度主要取决于检测装置的 精度，与机械传动链的误差无关。,图1-2 闭环控制的系统框图,闭环伺服系统,3) 半闭环数控机床特点：检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端 部，可间接测量执行部件的实际位置或位 移。 控制系统的调试十分方便，可获得稳定的 控制特性。 可获得比较满意的精度与速度。 大多数数控机床采用半闭环控制系统。,图1-3 半闭环控制的系统框图,半闭环伺服系统,3.按控制系统功能水平分类可分为低、中、高三个档次 1）控制系统CPU的档次：8位低 16、32位中 64位高 2）分辨率和进给速度 ： 分辨率 进给速度 10m 8-10m/min 低 1m 1020m/min 中 0.1m 1520m/min 高 3）坐标联动功能： 2轴联动、3轴联动、3轴2联动、4轴联动、5轴联动,4）通信功能低档数控系统一般无通信功能；中档有RS232C或可供DNC（直接数控）的通信接口；高档系统有RS422A或支持MAP(自动化协议）的高性能 通信接口，具有联网功能。 5) 显示功能低： 发光二极管LED显示器，单色液晶LCD显示 仅有字符显示功能的CRT（阴极射线管）显示器中高档： CRT或LCD显示器具有彩色图形或图形动态显示功能。,4.按加工控制路线分类 点位控制机床 直线控制机床 轮廓控制机床。,(a) 点位控制；(b) 直线控制；(c) 轮廓控制,(a),(b),(c),1) 点位控制机床：它如图 (a)所示。 只控制刀具从一点向另一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。在从点到点的移动过程中，只作快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。,2) 点位直线控制机床：它如图 (b)所示。 可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。,3) 轮廓控制机床：它又称连续控制机床，如图 (c)所示。 可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。,二、 常见数控机床1数控车床,图1-4 CJK6146型经济型数控车床,图1-5 CKH6116型数控车床,1) 按主轴配置形式分卧式:水平导轨和斜置导轨; 立式。2) 按刀架数量分单刀架:水平导轨，两坐标控制； 双刀架:斜置导轨，四坐标控制。,3) 按数控车床控制系统和机械结构的档次分经济型数控车床 全功能数控车床 车削中心。,2数控铣床与加工中心,图1-6 XK5025型经济型数控铣床,图1-7 XH714A型立式加工中心,1) 三坐标数控铣床与加工中心除具有普通铣床的功能外，还具有加工形状复杂的二维和三维轮廓的能力，相应称为二轴(或2.5轴)加工与三轴加工。对于三坐标加工中心，由于具有自动换刀功能，适于需要铣、钻、铰及攻螺纹等多工序加工的零件，如箱体等。,坐标联动加工 数控机床加工时的横向、纵向等进给量都是以轴坐标数据控制的。如：两坐标车床、三坐标铣床、五轴加工中心等。 坐标联动：坐标轴的非独立运动。即：一个轴的运动要受到其它轴运动的制约。,2坐标联动,2,2,坐标联动,3坐标联动,1,2) 四坐标数控铣床与加工中心四坐标是指在X、Y、Z三个平动坐标轴基础上增加一个转动坐标轴，且四个轴一般可以联动。,3) 五坐标数控铣床与加工中心五坐标数控铣床与加工中心具有两个回转坐标，相对于静止的工件来说，其合成运动可使刀具轴线的方向在一定的空间内任意控制，可获得比四坐标加工更好的工艺范围和加工效果，特别适宜于三维曲面零件的高质量加工以及异型复杂零件的加工。,3复合机床 1) 车削为主型以车削加工为主的复合加工机是车削复合中心(车铣中心)。 2) 铣削为主型铣削为主型主要指加工中心的复合化和加工中心的多轴化。,3) 磨削为主型磨床的多轴化，原来只在无心磨床上可见，多数是以装卸作业自动化为目的，现在，开发了在一台机床上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工机。,4) 不同工种加工的复合化使用复合机床加工，可以大大缩短工件的生产周期及提高工件加工精度。预示着一个完全加工时代即将到来。,第三节 数控加工技术的应用与发展,一、 数控机床的产生,数控机床最大的特点： 当改变加工零件时，只需要向数控系统输入 新的加工程序； 而且生产效率和加工精度高、加工质量稳 定，能高效优质地完成复杂型面零件的加工。,二、 数控技术现状1数控装置数控装置的当前水平主要体现在以下几方面：(1) 数控装置的微处理器CPU升级；大规模和超大规模集成电路和多微处理器的采用。 (2) 数控装置配有多种遥控和智能接口。 (3) 数控装置具有很好的可操作性能。,(4) 数控装置的可靠性大大提高，平均无故障时间达到10 00036 000小时。(5) 在20世纪90年代产生了开放结构的数控系统。,典型数控系统：1.日本FANUC系列数控系统2.德国的SIEMENS公司的 SINUMERIK系列数控系统3.华中数控系统HNC,2软件伺服驱动技术,伺服技术的发展水平主要体现在以下几个方面：(1) 永磁同步交流电机逐渐取代直流伺服电机。(2) 组成伺服驱动电路的位置、速度、电流控制环节部分实现了数字化，甚至进行了全数字化控制；伺服系统的位置环和速度环均采用软件控制。,(3) 采用高速、高分辨率的位置检测装置组成半闭环和闭环位置控制系统。 (4) 对于一些具有较大静止摩擦的数控机床，新型的数字伺服系统具有补偿机床驱动系统静摩擦的非线性控制功能。,3编程技术 在线编程又称为图形人机对话编程。 对于三坐标加工，编程系统一般能较好的完成，达到较高的稳定性； 对于多轴加工，编程较复杂，因此，目前编程系统中对多坐标加工的处理一般采用面向专用零件方式。,4数控机床的工况检测、监控及故障诊断现代数控机床上装有各种类型的监控、检测装置: 装有工件尺寸检测装置； 还有红外、超声发射等监控装置； 具有很好的故障自诊断功能和保护功能； 软件限位和自动返回功能。,5机床的主机 1) 采用自动换刀装置、自动更换工件机构、数控夹盘、数控夹具等; 2) 主运动部件不断实现电气化和高速化，提高了主运动的速度和调速范围;,3) 采用机电一体化和全封闭式结构，结构紧凑；改善了加工环境和条件； 4) 采用电机无级调速驱动； 5) 高结构刚度和抗振性，改善了动态特性。 6) 采用低摩擦阻力的滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨、贴塑导轨等传动元件和导向导轨。,三、数控技术的发展1数控技术的发展史 1952年美国研制出第一代数控机床。 1959年数控系统中开始广泛采用晶体管和印刷电路板，数控系统跨入第二代。 1965年出现了小规模集成电路，数控系统发展到第三代。,以上这三代数控系统主要由电路的硬件和连线组成，称为硬线数控系统，具有很多硬件和连线特点，电路复杂，可靠性不高。 装有这类数控系统的机床称为普通数控机床(NC)。, 1970年出现小型计算机化为特征的第四代，数控的许多功能由软件程序来实现。 1974年，以微处理器为核心的数控系统问世，标志着数控系统进入第五代。,第四、五代数控系统主要由计算机硬件和软件组成，通常称为计算机数控系统(CNC) ； 又由于其利用存储在存储器里的软件控制系统工作，因此也称为软件数控系统。 这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。,2数控机床和数控系统的发展趋势1) 高速化 2) 高精度化 3) 多功能化 4) 智能化 5) 高柔性化 6) 可靠性最大化,四、 先进制造系统简介,1数字控制系统数字控制系统(DNC系统)：是用一台计算机直接控制多台机床进行零件加工或装备的系统，又称群控系统。,DNC系统具有如下特点： 具有计算机集中处理和分时控制的能力； 具有现场自动编程和对零件程序进行编辑和修改的能力，使编程与控制相结合，而且零件程序存储容量大； 具有生产管理、作业调度、工况显示监控和刀具寿命管理的能力。,图1-8 间接型DNC系统,1) 间接型DNC系统,图1-9 直接型DNC系统,2) 直接型DNC系统,2柔性制造系统柔性制造系统(FMS)：是一个以网络为基础、面向车间的开放式集成制造系统，它具有多台制造设备，由一个物料运输系统将所有设备连接起来，由计算机进行高度自动的多级管理与控制，对一定范围内的多品种、中小批量的零件进行制造。,一般认为FMS应由加工、物流、信息流三个子系统组成。1) 加工系统加工系统可以由FMC(柔性制造单元)组成，但大多数由CNC机床按DNC控制方式构成，可以实现自动更换刀具和工件并自动进行加工。,2) 物流系统物流系统包括工件和刀具两个物流系统，还包括工件和夹具的输送、装卸以及仓储等装置。,3) 信息流系统信息流系统包括加工系统及其物流系统的自动控制、在线状态监控及其信号处理以及在线检测和处理等。由于FMS的加工对象、生产规模以及系统物流与功能的不同，其总体结构形式的差异很大。,3柔性制造单元 1) 托盘交换式 2) 工业机器人搬运式,图1-10 托盘交换式FMC示意图,第四节、数控机床认知,1 实验仪器及设备 (1) 980TD 数控车床 1 台 (2) HNC-21M数控铣床 1 台 (3) XK712数控铣床1台(4) JM650 立式加工中心 1 台(5) 120 x100 x20 加工毛坯料 2 块(6) 40 x200 圆形棒料 2 根(7)压板螺钉等基本装夹工具、刀具 1 套,2实验内容及步骤 （1）数控车削加工过程的认识 （2）数控铣削加工过程的认识 （3）加工中心加工过程的认识 （4）加工中心换刀过程的认识,步骤：（以下内容由老师操作，学生观察）(1) 针对一个简单的阶梯轴零件，先进行编程、程序输入，然后利用数控车床将其加工出来。了解数控车床的控制轴数、手动操作和自动运行的过程。 (2) 针对一个简单的矩形轮廓零件，先进行编程、程序输入，然后利用数控铣床将其加工出来。了解数控铣床的控制轴数，联动轴数，走直线、圆弧的指令，主轴启停等的控制代码。,(3) 针对一个简单的矩形带孔零件，先进行编程、程序输入，然后利用加工中心机床将其加工出来。了解加工中心的控制轴数、联动轴数、自动换刀方法、切削液的指令控制代码等。,学生完成下表的填写：,3注意事项： （1）严格遵守实训场所的规章制度，按照机床的操作规程进行操作。 （2）机床自动加工时要注意安全，最好把防护门关上。 （3）注意操作规程和先后操作顺序。,4实验报告要求： （1） 对观察到的机床型号作记录，说明它们所代表的意义。 （2） 对了解到的数控机床的传动及工作台拖板的运动控制和普通机床进行比较。 （3） 写出所了解到的直线、圆弧控制，主轴启停和切削液启停，自动换刀的基本指令代码。 （4） 根据所了解知识，认真填写上表。 （5）简要说明用数控机床加工一个零件的大致过程。,