数控机床结构原理与应用电子教案整本书课件全套教学教程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,数控机床结构原理与应用,前言,数控技术在我国机械制造业的应用已比较成熟，它与传统的机床设备相结合形成了一种全新的机械加工装备数控机床:它根据机械加工工艺的要求，将加工过程所需的各种操作(如主轴启停、进退刀、刀具选择、冷却液开关等)以及刀具与工件之间的相对位移量用数字化的代码表示，并将代码送入数控系统来控制执行元件，使机床实现加工过程的自动化。目前，数控机床以其精度高、效率高、操作方便等独特优点在机械加工类企业中被广泛应用，正改变着传统的加工方法。,下一页,返回,前言,为了适应数控技术和国民经济发展的需要，以及中高等职业院校的教学要求，按照国家提出的培养高级技能型人才的战略目标，鉴于目前数控技术专业教学的特点，编者根据多年的教学经验和生产实践，在借鉴企业中从事数控加工类岗位人员的经验基础上，开发了满足高职教育要求的教材数控机床结构原理与应用。在编写中，编者力求反映数控技术和数控机床的基本知识、核心内容与新知识，并兼顾到理论与实际的联系;取材和叙述上要求层次分明，叙述简练，图文并茂，便于教学。,下一页,返回,上一页,前言,数控机床结构原理与应用是高等职业教育数控技术专业的核心课程之一。通过本课程学习可以使学习者掌握数控机床的基本组成、工作原理及其结构特点，熟悉数控机床各主要组成部分的工作过程，了解数控技术的发展趋势，为后续的项目训练课程和实际应用进行必要的理论准备，使学习者基本掌握本专业就业岗位所需要的相关专业知识,本书以数控机床的五大组成部分为主线，全面细致地介绍了各组成部分的基本知识，知识的介绍以了解、知道、熟悉、掌握为度，能结合读者学习要求进行有目的的学习。本书共有7章:第1章介绍了数控机床的相关基础知识;第2章介绍了数控系统相关知识和插补原理;第3章介绍了数控机床的检测与反馈装置;第4章介绍了数控机床的伺服系统;第5章介绍了数控机床机械传动结构;第6章介绍了数控机床的辅助装置;第7章介绍了常用数控机床基本知识,下一页,返回,上一页,前言,本书由徐州机电工程高等职业学校陈子银编著，并负责全书的统稿工作。参编人员有:徐州机电工程高等职业学校黄美英、张南洋、李聪、崔广军、工东斌镇江技师学院蔡卫民、泰州技师学院高斌、无锡科技职业学院崔业军。在本书编写过程中，参阅了有关院校、工厂、企业和科研院所的一些教材、资料和文献，并得到了许多同行专家的支持和帮助，在此一并表示感谢。,限于编者的水平和经验，书中不妥和错误之处在所难免，敬请读者批评指正。,返回,上一页,目录,第1章数控机床的基础知识,1.1数控机床的发展与基本概念,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,1.3数控机床坐标系,1.4数控机床的主要指标,1.5数控机床发展的趋势,下一页,返回,目录,第2章数控机床的数控系统,2.1典型数控系统介绍,2.2数控系统的组成与基本原理,2.3数控系统的硬件结构,2.4数控系统的软件结构,2.5数据处理,2.6数控系统的插补原理,2.7逐点比较法,上一页,下一页,返回,目录,第3章数控机床的检测与反馈装置,3.1检测与反馈装置概述,3.2编码器的应用与安装维护,3.3光栅的应用与维护,3.4磁栅的应用与安装维护,3.5感应同步器的应用与安装,3.6旋转变压器的应用与安装维护,上一页,下一页,返回,目录,第4章数控机床的伺服系统,4.1伺服系统组成与分类,4.2主轴通用变频器,4.3执行元件步进电动机,4.4执行元件直流伺服电动机,4.5执行元件交流伺服电动机,上一页,下一页,返回,目录,第5章数控机床的机械传动结构,5.1数控机床机械结构的主要特点,5.2数控机床的主传动系统,5.3数控机床的进给传动系统,5.4数控机床的导轨,上一页,下一页,返回,目录,第6章数控机床的辅助装置,6.1刀具系统与选择方式,6.2刀库,6.3数控车床的刀架,6.4加工中心自动换刀装置,6.5数控回转工作台,6.6分度工作台,上一页,下一页,返回,目录,第7章常用数控机床简介,7.1数控车床概述,7.2数控铣床概述,7.3数控加工中心概述,上一页,返回,第1章数控机床的基础知识,1.1数控机床的发展与基本概念,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,1.3数控机床坐标系,1.4数控机床的主要指标,1.5数控机床发展的趋势,1.1数控机床的发展与基本概念,1.1.1数控机床的发展回顾,1.数控(NC)阶段(1952-1970年),20世纪五六十年代的通用计算机在处理速度和结构上满足不了机床加工的要求，不得不用电子元件来构成专门的逻辑部件，组成专用计算机来实现机床加工的要求，故称之为硬件连接数控(H and-Wired NC)，一般简称为NC。,随着元器件的发展，NC阶段经历了三代:1952年第一代电子管电路专用NC;1959年第二代晶体管数字电路专用NC;1965年第三代中小规模集成电路专用NC。,2.计算机数控(CNC)阶段(1970一至今),到60年代后期，小型计算机走向成熟并被引入机床中，从此NC进化为CNC,NC部分功能开始改由软件来实现，从此进入了计算机数控(CNC)阶段。,下一页,返回,1.1数控机床的发展与基本概念,1.1.2数控机床的相关概念,1.数字控制,数字控制简称数控(NC,Numerical Control)，它是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控技术都采用了计算机进行控制，因此也可以称为计算机数控(CNC，Computerized Numerical Control)。,2.数控系统,用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统(Numerical Control System，而数控系统的核心是数控装置(Numerical Controller)。,上一页,下一页,返回,1.1数控机床的发展与基本概念,3.伺服驱动,伺服驱动简称伺服(SD,Servo Drive)。在数控机床上，伺服驱动的控制对象通常是机床坐标轴的位移(包括速度、方向和位置)，其执行机构是伺服电动机，对输入指令信号进行控制和功率放大的是伺服放大器(亦称驱动器、放大器、伺服单元等)，实际位移量的检测通过检测装置进行。伺服驱动的作用主要有两个方面:一是按照数控装置给定的速度运行;二是按照数控装置给定的位置定位。,上一页,下一页,返回,1.1数控机床的发展与基本概念,4.数控机床,采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床。它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品。,5.柔性制造单元,在加工中心的基础上，通过增加多工作台(托盘)自动交换装置(APC,Auto Pallet Changer)以及其他相关装置组成的加工单元称为柔性制造单元(FMC,Flexible Manufacturing Cell)，如,图1-3,所示为自动交换工作台机床。FMC不仅实现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台(托盘)的自动交换和较完善的自动检测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。,上一页,下一页,返回,1.1数控机床的发展与基本概念,6.柔性制造系统,在FMC的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统(FMS,Flexible Manufacturing System)。,7.计算机集成制造系统,将生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化进行综合，构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统(CIMS,Computer Integrated Manufacturing System)。,上一页,下一页,返回,1.1数控机床的发展与基本概念,1.1.3数控机床的发展趋势,1.高速、高效、高精度、高可靠性,2.模块化、智能化、柔性化和集成化,3.开放性,上一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,1.2.1数控机床的基本组成,为了了解数控机床的基本组成，首先需要分析数控机床加工零件的工作过程。通过分析,图1一5,所示的数控机床加工过程可知，在数控机床上完成零件的加工步骤如下:,(1)根据被加工零件的图样和工艺方案，用规定的代码和程序格式，将刀具的运动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够识别的指令代码，即编写加工程序。,(2)将所编写的加工程序通过程序载体输入到数控装置。,(3)数控装置对输入的程序(代码)进行译码、运算处理，并向各坐标轴的伺服驱动装置和辅助装置发出相应的控制信号，以控制机床的各部件的运动。,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,(4)在运动过程中，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，以决定下一步动作，直到加工出合格的零件,(5)操作者可以随时对机床的加工情况、工作状态进行观察、检查，必要时还需要对机床动作和加工程序进行调整，以保证机床安全、可靠的运行。,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,1.程序载体,程序载体是用于存取零件加工程序的装置。可将加工程序以特殊的格式和代码(包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数和辅助运动等)存储在载体上，常用的有穿孔纸带、软磁盘、盒式磁带、硬盘和闪存卡等,2.数控系统,数控系统主要由输入装置、信息处理和输出装置三个基本部分构成，如,图1一6,所示,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,3.伺服系统,伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分，如,图1-7,所示。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。,4.检测与反馈装置,检测与反馈装置有利于提高数控机床加工精度。它是闭环(半闭环)数控机床的检测环节，其作用是通过现代化的测量元件，如脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅和磁栅等，将执行元件(如刀架或工作台等)的实际位移速度和位移量检测出来，反馈回伺服驱动装置或数控装置，并补偿进给的速度或执行机构的运动误差，以达到提高运动机构精度的目的。如,图1-8,所示为检测装置的应用。,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,5.辅助装置,辅助装置是把计算机送来的辅助控制指令经机床接口转换成强电信号，用来控制主轴电动机起停、冷却液的开关及工作台的转位和换刀等动作。辅助装置主要包括自动刀具交换装置、工作台自动交换装置、工件夹紧放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、过载和保护装置等,6.机床本体,数控机床的本体指其机械结构实体。它包括主传动系统、进给传动系统、床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、刀架及自动换刀装置等机械部件,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,1.2.2数控机床的特点,1.高精度,2.高效率和良好的经济效益,3.高可靠性,4.对加工对象的适应性强,5.减轻了操作者的劳动强度,6.有利于生产管理的现代化,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,1.2.3数控机床的类塑,1.按机床用途分类,(1)金属切削类数控机床。金属切削类数控机床主要有数控车床(如,图1一11(a,)所示)、数控铣床(如,图1一11(b),所示)、数控钻床(如,图1一11(c,)所示)、数控锁床(如,图1一11(d),所示)、加工中心(如,图1一11(e),所示)和数控磨床(如,图1一11(f),所示)等,(2)金属成型类数控机床。金属成型类数控机床主要有数控弯管机(如,图1一12(a),所示)、数控折弯机(如,图1一12(b),所示)、数控剪板机(如,图1一12(c),所示)和数控高效卧式滚齿机(如,图1一12(d),所示)等,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,(3)数控特种加工机床。数控特种加工机床主要有数控电火花成型机床(如,图1一13(a),所示)、数控电火花线切割机床(如,图1一13(b),所示)、数控冲床(如,图1一13(c),所示)和数控激光切割机床(如,图1一13(d,)所示)等,(4)其他类型数控机床,其他类型数控机床主要有数控三坐标测量机等，如,图1一14,所示,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,2.按加工工艺方法分类,(1)普通数控机床。普通数控机床是指加工用途、加工工艺相对单一的数控机床。按加工用途可分为数控车床、数控铣床、数控锁床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。,(2)加工中心。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。它将数控铣床、数控锁床、数控钻床的功能组合在一起，工件在一次装夹后，可对其进行钻、扩、铰、锁、铣及攻螺纹等多工序加工，主要用来加工箱体类零件。,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,3.按伺服控制方式分类,(1)开环控制数控机床,(2)半闭环控制数控机床,(3)全闭环控制数控机床,(4)混合闭环控制数控机床,4.按运动轨迹分类,(1)点位控制数控机床,(2)直线控制数控机床,(3)轮廓控制数控机床,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,5.按控制的联动坐标轴数不同分类,(1)两轴联动数控机床。主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线轮廓曲等，如,图1一22,所示,(2)两轴半联动数控机床。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，如,图1-23,所示,(3)三轴联动数控机床,(4)四轴联动数控机床。同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，如,图1一25,所示,(5)五轴联动数控机床,上一页,下一页,返回,1.2数控机床的基本组成、特点与类型,6.按功能水平分类,(1)经济型数控机床,(2)全功能型数控机床,(3)精密型数控机床,上一页,返回,1.3数控机床坐标系,1.3.1数控机床坐标轴命名,1.坐标轴命名规定,数控机床坐标系按照我国机械工业部于1982年颁布的JB 3051-1982数控机床坐标和运动方向的命名标准，它与国际上统一的IS0841等效。其中规定的命名原则如下。,(1)刀具相对于静止工件而运动的原则。,(2)数控机床坐标系的规定,下一页,返回,1.3数控机床坐标系,2.坐标轴运动方向的确定,数控机床的某一坐标运动的正方向，是增大工件和刀具之间距离的方向。一般先确定Z轴，然后确定X轴，最后再确定Y轴,(1)Z轴。Z轴一般是传递切削力的主轴轴线。,(2)X轴。X轴位于与工件装夹面相平行的水平面内且与z轴垂直。对于数控车床、外圆磨床等工件旋转的机床，X轴的方向在工件的径向上且平行于横滑座，其X轴的正方向取为远离工件的方向。,(3)Y轴。确定了X,Z轴的正方向后，Y坐标轴正方向可以根据右手定则来确定，如,图1一29(a)、(b)、(c,)所示,(4)旋转坐标A,B,C。旋转坐标A,B,C相应的表示其轴线平行于X,Y,Z坐标的旋转运动，+A,+B,+C可根据右手螺旋定则来确定，如图,1一28,所示,上一页,下一页,返回,1.3数控机床坐标系,1.3.2数控机床原点、参考点与数控机床坐标系,数控机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系。机床坐标系的原点也称机床原点或零点。这个原点在机床一经设计和制造调整后，便被确定下来，它是一个固定点。,为了正确地在机床工作时建立机床坐标系，通常在每个坐标轴的移动范围内设置一个机床参考点。机床参考点是机床坐标系中一个固定不变的极限点，其固定位置由各轴向的机械挡块来确定。机床参考点可以与机床原点重合也可以不重合，通过机床参数指定该参考点到机床原点的距离，如,图1-30(a),所示数控车床的机床原点和参考点不重合，如,图1一30(b,)所示数控铣床/加工中心的机床原点与参考点重合。数控机床工作时，先进行回机床参考点的操作，就可建立机床坐标系。,上一页,下一页,返回,1.3数控机床坐标系,1.3.3工件原点与工件坐标系,编程时一般选择工件上的某一点作为工件原点(或称为程序原点)，并以这个原点建立的坐标系称为工件坐标系。工件坐标系一旦建立便一直有效，直到被新的工件坐标系所取代。如,图1一30,所示,工件原点的选择要尽量满足编程简单、尺寸换算少、引起的加工误差小等条件。一般情况下，以坐标式尺寸标注的零件，工件原点应选在尺寸标注的基准点;对称零件或以同心圆为主的零件，工件原点应选在对称中心线或圆心上。Z轴的工件原点通常选在工件的上表面。工件原点与坐标系的建立通常是通过对刀操作来实现的。,上一页,下一页,返回,1.3数控机床坐标系,1.3.4绝对坐标与增量坐标,数控机床编程中，工件或刀具移动量的指令主要有绝对坐标(G90)和增量坐标(G91)两种方式。运动轨迹的终点坐标是相对于起点计量的坐标，称为增量坐标(或称为相对坐标);所有坐标点坐标值均从工件原点计量的坐标，称为绝对坐标。如,图1一31,所示的绝对坐标与增量坐标。,上一页,返回,1.4数控机床的主要指标,1.4.1数控机床的精度指标,1.定位精度和重复定位精度,定位精度是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度。而移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差，它直接影响零件加工的位置精度。,2.分度精度,分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值。分度精度既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等。,3.脉冲当量,脉冲当量是指数控系统每发出一个进给脉冲，机床运动机构就产生一个相应的位移量，一个脉冲对应的这个位移量即为脉冲当量。,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,1.4.2数控机床的运动性能指标,1.主轴转速,数控机床的主轴一般均采用直流或交流主轴电机驱动，选用高速精密轴承支承，保证主轴具有较宽的调速范围和足够高的回转精度、刚度及抗震性。目前，数控机床主轴转速已普遍达到5 00010 000 r/min，甚至更高。特别是电主轴的出现，适应了高速和高精度加工的要求。,2.进给速度,数控机床的进给速度是影响零件加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素。目前，国内数控机床的进给速度可达1015 m/min,国外为1530 m/min,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,3.坐标行程,数控机床坐标轴X,Y,Z的行程大小，构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。行程是直接体现机床加工能力的指标参数,4.摆角范围,数控机床摆角的大小也直接影响加工零件空间部位的能力。但摆角太大又造成机床的刚度下降，因此给机床设计带来许多困难。,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,5.刀库容量及换刀时间,刀库容量及换刀时间对数控机床的生产率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工所需要的刀具数量。目前，常见的中小型加工中心多为1660把，大型加工中心达100把以上。换刀时间是指带有自动换刀装置的数控机床，将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需要的时间。目前，国内换刀时间均在10 20s内完成换刀;而国外仅为45s,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,1.4.3数控系统的主要技术指标,1.可控轴数和联动轴数,可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标轴数目。可控轴数说明了数控系统最多可以控制多少个坐标轴，其中包括移动轴和回转轴。,2.脉冲当量,脉冲当量是数控系统重要的精度指标。它有两方面的内容:一是机床坐标轴轴可达到的控制精度，表示数控系统每发出一个脉冲，坐标轴所移动的距离，称为实际脉冲当量或外部脉冲当量;二是内部运算的最小单位，称为内部脉冲当量，内部脉冲当量一般比实际脉冲当量设置得要小，目的是在运算过程中不损失精度。数控系统在输出位移量之前，自动将内部脉冲当量转换成外部脉冲当量。,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,实际脉冲当量的大小取决于丝杠螺距、电机每转脉冲数及机械传动链的传动比，其计算公式为,3.定位精度和重复定位精度,4.进给速度和调节范围,刀具切削进给速度的指定有mm/min和mm/r两种形式。进给速度可通过操作面板上的进给倍率开关调整，调整范围一般可为10%200%，每档间隔10%。,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,5.主轴转速和调节范围,主轴转速的指定用r/min。机床操作面板设有主轴倍率开关，可在不修改程序的情况下改变主轴转速，典型的调节范围为50%120%，每档间隔5%。另外在车床的端面切削的J陋定切削中，可用m/min为单位的主轴恒线速表示方法。,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,6.插补功能,插补功能越强，说明数控系统能够加工的轮廓越多。目前数控系统不仅可以插补直线、圆弧，还可以插补抛物线、椭圆、正弦曲线、螺旋曲线和样条函数等,7.准备功能(G功能),准备功能用来指令机床动作的方式，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、参考点返回、固定循环和公/英制转换等。,8.辅助功能(M功能),辅助功能用来规定主轴的起、停、转向，冷却液的接通和断开，刀库的起、停等。辅助功能的使用有前作用M功能(在指令的程序段开始动作时立即执行)和后作用M功能(在指令的程序段完成时才起作用)两种。,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,9.刀具管理和刀具补偿,用来选择刀具的功能用T指令。数控系统应能根据T指令从一定容量的刀库中选择加工时所需的刀具。目前数控系统还可进行刀具半径补偿、刀具长度补偿以及刀具寿命管理和自动刀具测量等。,10.零件程序管理和编辑,零件程序管理功能反映在数控系统中可同时存储的零件程序个数，还有一个重要指标是容量，它表示可存储程序的长度。有两种表示方法:一种是直接给出容量，如64 K等;另一种是给出可存储的纸带长度，如120 m等。这两种方法可以换算，1 K容量大约可存储2.6 m的纸带,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,11.误差补偿功能,加工过程中，机械传动链中存在的反向间隙(齿隙)和螺距误差(由滚珠丝杠的螺距不均等引起)，导致实际加工出的零件尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。因此数控系统采用反向间隙补偿和螺距误差补偿功能，把误差的补偿量输入数控系统的存储器，按补偿量重新计算刀具的坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。,12.自动加减速控制,为保证伺服电机在启动、停止或速度突变时不产生冲击、丢步、超程或振荡，必须对送到伺服电机的进给频率或电压进行控制。在电机启动及进给速度大幅度上升时，控制加在伺服电机上的进给频率或电压逐渐增大;而当电机停止及进给大幅度下降时，控制加在伺服电机上的进给频率或电压逐渐减小。,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,13.开关量接口,M,S,T功能不仅在数控系统内部要处理，而且要以BCD码的形式输出，M,S,T码的输出位数是一个重要指标。另外，数控系统还有其他一些开关量接口，如外部的急停信号、循环启动信号和进给保持信号等。,14.机床顺序控制接口,目前数控系统一般装有内装型PLC(可编程序控制器)。PLC的性能包括输入/输出点数、编程语言、指令条数、程序容量等。无内装型PLC的数控系统，复杂的顺序控制要借助外部的PLC。,上一页,下一页,返回,1.4数控机床的主要指标,15.通信与通信协议,数控系统一般都有RS232接口，有的还配有DNC接口，并设有缓冲区，进行高速传输高级型数控系统还可以与MAP相连，接入工厂的通信网络，以适应FMS,CIMS的要求,16.自诊断功能,数控系统中设置有各种诊断程序，在故障发生后可迅速查明故障类型和部位，及时排除以减少故障停机时间和防止故障的扩大。,上一页,返回,1.5数控机床发展的趋势,1.5.1柔性制造单元,柔性制造单元FMC (FMC,Flexible Manufacturing Cell)由单台带有多托盘系统的加工中心或三台以下的数控机床组成，它可以自动地加工一族工件，适用于小批量多品种加工。其外部系统包括:工件与刀具运输系统、测量系统、过程监控系统等。如,图1-32,所示为柔性加工单元，可实现无人看管自动加工。,如,图1一33,所示是一个包含两台机床(一台加工中心和一台数控车床)，并由一个物料运输系统连接起来的FMC,下一页,返回,1.5数控机床发展的趋势,目前，常用的FMC有两种类型。第一类是加工中心配上自动托盘交换系统(APC)。这类FMC以托盘交换系统为特征，一般具备5个以上的托盘，组成环形回转式托盘库。,第二类是数控机床配置机器人(Robot。这种FMC的最一般形式是由两台数控车床配上机器人(或机械手)，加上工件传输系统组成。,上一页,下一页,返回,1.5数控机床发展的趋势,1.5.2柔性制造生产线,柔性制造生产线(FML,Flexible Manufacturing Line)又称为柔性自动线(FTL)或可变自动线，它与传统的刚性自动线的区别在于它能同时或依次加工少量不同的工件。,FML是以少数几个品种的工件为加工对象形成的一种生产线。用于加工具有高度相似性的工件，加工时具有固定的时间周期。FML采用的大多为多轴主轴箱的换箱式或转塔式组合加工中心，如,图1一37,所示,上一页,下一页,返回,1.5数控机床发展的趋势,1.5.3柔性制造系统,柔性制造系统(FMS,Flexible Manufacturing System)的首创者是美国的MAALROSE公司，它于1963年制造了世界上第一条加工多种柴油机工件的数控自动线。FMS的工作过程可描述如下:在装卸站将毛坯安装在早已固定在托盘上的夹具中;然后物料传送系统把毛坯连同夹具和托盘输送到进行第一道加工工序的加工中心旁边排队等候，一旦加工中心空闲，零件就立即送到加工中心加工;每道工序加工完毕后，物料传输系统还要将该加工中心完成的半成品取出并送至执行下一工序的加工中心旁边排队等候;如此不停地进行至最后一道加工工序。在完成零件的整个加工过程中，除进行加工工序外，若有必要还要进行清洗、检验以及压套组装等工序。如,图1一38,所示是一个典型的柔性制造系统示意图。,上一页,下一页,返回,1.5数控机床发展的趋势,1.5.4直接数字控制或分布数字控制,DNC是Direct Numerical Control或Distributed Numerical Control的简称，意为直接数字控制或分布数字控制，如,图1-40,所示。DNC最早的含义是直接数字控制，其研究开始于20世纪六十年代。它指的是将若干台数控设备直接连接在一台中央计算机上，由中央计算机负责NC程序的管理和传送。随着技术的发展，现代DNC还具有制造数据传送(NC程序上传、NC程序校正文件下传、刀具指令下传、托盘零点值下传、机器人程序下传、工作站操作指令下传等)、状态数据采集(机床状态、刀具信息和托盘信息等)、刀具管理、生产调度、生产监控、单元控制和CAD/LAPP/CAM接口等功能。,上一页,下一页,返回,1.5数控机床发展的趋势,1.5.5计算机集成制造系统,1.CIMS的概念,计算机集成制造系统是在信息技术、自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工厂的全部生产活动设计、制造及经营管理(包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营)等与整个生产过程有关的物料流与信息流实现计算机高度统一的综合化管理，把各种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整的生产系统，从而获得更高的整体效益，缩短产品开发制造周期，提高产品质量，提高生产率，提高企业的应变能力，以赢得竟争。如,图1一41,所示为CIMS的概念模型,上一页,下一页,返回,1.5数控机床发展的趋势,2.CIMS的构成,CIMS包括制造工厂的生产、经营的全部活动，应具有经营管理、工程设计和加工制造等主要功能。,图1-42,为CIMS的构成。它是在CIMS数据库的支持下，由信息管理模块、设计和工艺模块和制造模块组成。,3.CIMS的控制结构,CIMS是一个复杂庞大的工程系统，通常采用递阶控制体系结构。所谓递阶控制，即将一个复杂的控制系统按照其功能分解成若干层次，各层次进行独立地控制处理，完成各自的功能;层与层之间保持信息交换，上层对下层发出命令，下层向上层回送命令执行结果，通过通信联系构成一个完整的控制系统。这种控制模式减小了系统的开发和维护难度，已成为当今复杂系统的主流控制模式。,上一页,返回,图1一3自动交换工作台机床,返回,图1一5数控机床的加工过程,返回,图1一6数控系统部分,返回,图1一7伺服系统部分,返回,图1一8检测装置的应用,返回,图1一11金属切削类数控机床,返回,图1一12金属成型类数控机床,返回,图1一13数控特种加工机床,返回,图1一14数控三坐标测量机,返回,图1-22两轴联动的轮廓加工,返回,图1-23两轴半联动的曲面加工,返回,图1-25四轴联动的数控机床,返回,图1一28右手笛卡儿坐标系,返回,图1一29数控机床坐标轴,返回,图1一30数控机床原点与参考点,返回,图1一30数控机床原点与参考点,返回,图1一31绝对坐标与增量坐标,返回,图1一32柔性加工单兀,返回,图1一33一个FMC的结构,返回,图1一37多轴主轴箱的换箱式和转塔式组合加工中心组成的FML,返回,图1一38典型的柔性制造系统示意图,返回,图1一40分布式DNC,返回,图1一41 CIMS的概念模型,返回,图1一42 CIMS的构成,返回,第2章数控机床的数控系统,2.1典型数控系统介绍,2.2数控系统的组成与基本原理,2.3数控系统的硬件结构,2.4数控系统的软件结构,2.5数据处理,2.6数控系统的插补原理,2.7逐点比较法,2.1典型数控系统介绍,2.1.1FANUC数控系统介绍,日本FANUC 公司生产的CNC产品主要有FSO,FS3,FS6,FS10/11/12、FS15、FS16、FS18、FS21/210等系列。目前，我国用户使用的系列主要有FSO、FS15、FS16、FS18、FS21/210等，,如图2一1,所示,2.1.2 SIEMENS数控系统介绍,1.SINUMERIK 3系列,SINUMERIK 3系列数控系统适用于各种机床控制，有M型、T型、TT型、O型和N型等。另外，3T系统借助于转换(Transmit)功能，可使一般的数控车床变成一个柔性车削中心，在一台机床上一次完成车削、锁削、铣削和钻削加工,下一页,返回,2.1典型数控系统介绍,2.SINUMERIK 8系列,SINUMERIK 8系列数控系统主要由主控制模块、电源模块、存储模板、各种位置控制模板、测量接口模板、操作目板、电源模板和译码电路模板、PLC与CNC接口模板、PLC和CNC信号传递模板及系统软件模板等组成。,3.SINUMERIK 810/820系列,SINUMERIK 810/820系列数控系统由CPU模块、位置控制模块、系统程序存储器模块、文字图形处理模块、接口模块、I/O模块、C RT显示器及操作目板组成，如,图2-2,所示为SINUMERIK 810数控系统结构。,上一页,下一页,返回,2.1典型数控系统介绍,4.SINUMERIK 850/880系列,20世纪80年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK 850/880系列数控系统。该系列产品适用于高度自动化水平的机床及柔性制造系统，有850M,850T,880M和880T等规格。SINUMERIK 850/880最多可控制30个主、辅坐标轴和6个主轴，可实现16个工位联动控制。,上一页,下一页,返回,2.1典型数控系统介绍,5.SINUMERIK 802系列,20世纪90年代后期，SIEMENS公司推出了SINUMERIK 802系列数控系统。其中802S和802 C是经济型数控系统，可带3个进给轴。802S采用带有脉冲及方向信号的步进驱动接口，可配接STEPDRIVE C/C+步动驱动器和五相步进电动机或FMSTEPDRIVE步进驱动器和1 FL3系列三相步进电动机，如,图2一3,所示为SINUMERIK 802S数控系统结构;802 C则包含有传统的一10 V+10 V接口，可配接SIMODRIVE 611驱动装置。802S/C除了3个进给轴外，都有一个一10 V+10 V接口，用于连接主轴驱动。SINUMERIK 802S/C包括操作目板、机床控制目板、CNC单元及PLC模块可安装在通用的安装导轨上。,上一页,下一页,返回,2.1典型数控系统介绍,2.1.3 HNC一21华中数控系统介绍,国产华中“世纪星”数控系统采用基于工业计算机作为硬件平台的开放式体系结构的创新技术路线，充分利用PC软、硬件的丰富资源，通过软件技术的创新，实现数控技术的突破。如,图2一5,所示为华中“世纪星”系列产品,上一页,返回,2.2数控系统的组成与基本原理,2.2.1数控系统的组成,数控系统是由各种逻辑元件、记忆元件组成的逻辑电路，是固定接线的硬件结构，由元件实现全部数控功能。从外部特征来看，数控系统是由硬件(通用硬件和专用硬件)和软件(专用)两大部分组成，如,图2一6,所示。,如,图2一7,所示，数控系统由操作目板、输入/输出装置、计算机数控装置、伺服单元、驱动装置、可编程逻辑控制器(PLC)等组成。,下一页,返回,2.2数控系统的组成与基本原理,2.2.2数控系统的特点,1.灵活性,2.通用性,3.可靠性,4.易于实现许多复杂的功能,5.使用维修方便,上一页,下一页,返回,2.2数控系统的组成与基本原理,2.2.3数控系统的基本原理,数控系统的生产厂家编制好数控系统控制软件(也称为系统程序)后，都要把它固化在ROM(EPROM)中，系统接上电源后即自动由CPU按照此固化的程序运行。数控系统的主要任务是控制零件程序的执行，其他任务是为了更好地完成这一任务而进行的辅助和配合。一个零件程序的执行首先要输入数控系统，经过译码、数据处理、插补和位置控制，由伺服系统执行数控系统输出的指令驱动机床完成加工。如,图2一11,所示为数控系统的工作过程。,上一页,返回,2.3数控系统的硬件结构,2.3.1数控系统的硬件类型,1.单机系统,单机系统是指整个数控系统只有一个CPU，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。其特点是投资小，结构简单，易于实现，但系统功能受到CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。现在这种结构已被多机系统的主从结构所取代。,2.多机系统,多机系统是指整个数控系统中有两个或两个以上的CPU，也就是系统中的某些功能模块自身也带有CPU。根据这些CPU间的相互管理的不同又可将其分为:,下一页,返回,2.3数控系统的硬件结构,(1)主从结树杀统。,(2)多主结构系统。,(3)分布式结构系统。,2.3.2单机或主从结构模块的硬件介绍,单机系统按组成数控装置的电路板的结构特点可分为大板式结构和模块化结构两类。,大板式结构的特点是:数控装置内一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等，其他相关子板，如ROM板、RA M板和PLC板都插在主板上目。大板式结构的CNC装置结构紧凑、体积小、可靠性高、价格低、有很高的性能价格比。A-B公司的8601就是大板式结构的CNC。,上一页,下一页,返回,2.3数控系统的硬件结构,模块化结构的特点是:将CPU、存储器、输入/输出控制、位置检测、显示部件等分别做成插件板，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此间可进行信息交换。模块化结构的典型应用有FANUC公司的15系统、A一B公司的8 600 CNC,FAGOR的8050等。,上一页,下一页,返回,2.3数控系统的硬件结构,如,图2一12,所示是单机或主从结构的数控系统硬件结构框图。这类数控系统的硬件由于有若干功能不同的模块组成，这些模块既是系统的组