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1、1,2020/6/11,數(shù)控機床原理與結構,,2,2020/6/11,上篇,數(shù)控機床控制技術,3,2020/6/11,第1章,數(shù)控機床組成及數(shù)字控制原理,4,2020/6/11,1.1．數(shù)控裝置的概念,1.1數(shù)控機床的組成及分類1.1.1數(shù)控機床的控制技術1.1.2數(shù)控機床組成1.1.3數(shù)控機床的分類1.2國內外數(shù)控機床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1國外數(shù)控機床的發(fā)展與現(xiàn)狀1.2.2我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀1.2.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢,5,2020/6/11,1.1.1．數(shù)控機床的控制技術,數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上預先給定的數(shù)字值，并對其譯碼、運算，并據(jù)此而控制刀具與工件相對運動，加
2、工出所需要的零件。,6,2020/6/11,,圖1－0數(shù)控加工原理,1．逼近處理ΔLi=FΔt（i＝1,2,…）則當Δt→0時，折線段之和接近曲線L，即：,,且有：Fx=Δxi／ΔtFy=Δyi／Δt,2．插補運算,7,2020/6/11,數(shù)控機床種類繁多，有鉆銑鏜床類、車削類、磨削類、電加工類、鍛壓類、激光加工類和其他特殊用途的專用數(shù)控機床等等，凡是采用了數(shù)控技術進行控制的機床統(tǒng)稱NC機床。帶有自動刀具交換裝置（AutomaticToolchange－ATC）的數(shù)控機床（帶有回轉刀架的數(shù)控車床除外）稱為加工中心（MachineCenter－MC）。它通過刀具的自動交換，可以一次裝夾完成多工序
3、的加工，實現(xiàn)了工序的集中和工藝的復合，從而縮短了輔助加工時間，提高了機床的效率；減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。在加工中心的基礎上，通過增加多工作臺（托盤）自動交換裝置（AutoPalletchanger－APC）以及其他相關裝置，組成的加工單元稱為柔性加工單元（FlexibleManufacturingCell－FMC）。,8,2020/6/11,在FMC和加工中心的基礎上，通過增加物流系統(tǒng)、工業(yè)機器人以及相關設備，并由中央控制系統(tǒng)進行集中、統(tǒng)一控制和管理，這樣的制造系統(tǒng)稱為柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem－FMS）。為了適應市場需求多變的形勢，
4、對現(xiàn)代制造業(yè)來說，不僅需要發(fā)展車間制造過程的自動化，而且要實現(xiàn)從市場預測、生產決策、產品設計、產品制造直到產品銷售的全面自動化。將這些要求綜合，構成的完整的生產制造系統(tǒng)，稱為計算機集成制造系統(tǒng)（computerIntegratedManufacturingsystem－CIMS）,CIMS將一個工廠的生產、經營活動進行了有機的集成，實現(xiàn)了更高效益、更高柔性的智能化生產，是當今自動化制造技術發(fā)展的最高階段。,9,2020/6/11,1.1.2．數(shù)控機床組成,,圖1－1數(shù)控加工過程示意圖,1．數(shù)控機床加工零件的過程,10,2020/6/11,2．數(shù)控機床的組成,圖1,11,2020/6/11,1.
5、1.3．數(shù)控機床的分類,1．按工藝用途分類（1）金屬切削類數(shù)控機床（2）金屬成型類數(shù)控機床（3）特種加工及其它類型數(shù)控機床,12,2020/6/11,圖1,圖1,13,2020/6/11,,,圖1－3c全功能數(shù)控銑床,圖1－3d高速數(shù)控銑床,14,2020/6/11,,,圖1－3e立式數(shù)控銑床,圖1－3f立式加工中心,15,2020/6/11,,圖1－4a數(shù)控液壓板料折彎機,16,2020/6/11,圖1－4b數(shù)控彎管機,17,2020/6/11,,圖1－4c數(shù)控沖?；剞D頭壓力機,18,2020/6/11,,,圖1－5a數(shù)控線切割機床,圖1－5b數(shù)控電火花線切割機床,19,2020/6/11,
6、,圖1－5c數(shù)控激光切割機,20,2020/6/11,,圖1－5d數(shù)控等離子切割機,21,2020/6/11,,,圖1－5e數(shù)控三坐標測量機,圖1－5f柔性三坐標測量臂,22,2020/6/11,2．如果以數(shù)控系統(tǒng)的特征進行分類時，可將數(shù)控機床分成三大類：（1）點位控制的數(shù)控機床（2）直線控制數(shù)控機床（3）輪廓控制的數(shù)控機床①平面輪廓加工的數(shù)控機床②空間輪廓加工的數(shù)控機床,23,2020/6/11,3．按伺服系統(tǒng)的類型分類根據(jù)有無檢測反饋元件及其檢測裝置，機床的伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)伺服、閉環(huán)伺服和半閉環(huán)伺服。（1）開環(huán)控制數(shù)控機床（2）閉環(huán)控制數(shù)控機床（3）半閉環(huán)控制數(shù)控機床,24,2020/6
7、/11,圖1,圖1,圖1,25,2020/6/11,4．按照功能水平分類對于按數(shù)控功能的水平分類方法，目前尚無明確定義，因此，涵義也不十分清楚。這種分類方法沒有一個確切定義，但可以給人們一個清晰的一般水平概念，可將數(shù)控機床分為高、中、低檔三類。數(shù)控機床水平高低由主要技術參數(shù)、功能指標和關鍵部件的功能水平決定。下列幾個方面可作為評價數(shù)控機床檔次的參考條件。,26,2020/6/11,27,2020/6/11,1.2.1國外數(shù)控機床的發(fā)展與現(xiàn)狀,采用數(shù)字控制技術進行機械加工的思想，最早是在20世紀40年代初提出的。當時，美國密執(zhí)安北部的一個小型飛機工業(yè)承包商帕爾森斯公司在制造飛機框架及直升機葉片輪
8、廓用樣板時，利用全數(shù)字電子計算機對輪廓路徑進行數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具直徑對加工路徑的影響，提高了加工精度。1949年作為這一方案的主要承包者的帕爾森斯公司，正式接受美空軍委托，在麻省理工學院伺服機構試驗室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）的協(xié)助下，開始從事數(shù)控機床的研制工作。經過三年時間的研究，于1952年試制成功世界第一臺數(shù)控機床試驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床（CincinnatiHydromel），這便是數(shù)控的第一代。,28,2020/6/11,1953年，美
9、國空軍與麻省理工學院協(xié)作，開始從事計算機自動編程的研究，這就是創(chuàng)制APT（AutomaticallyProgrammedTools）自動編程系統(tǒng)的開始。1955年，美國空軍花費巨額經費訂購了大約100臺數(shù)控機床，此后兩年，數(shù)控機床在美國進入迅速發(fā)展階段，市場上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機床。1958年，美國克耐杜列克公司在世界上首先研制成功帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為“加工中心”。1959年，計算機行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控裝置中廣泛采用晶體管和印刷電路板，從而跨入第二代數(shù)控。同時美國航空工業(yè)協(xié)會（AIA）和麻省理工學院發(fā)展APT程序語言。,29,2020/6/11,1960年以后，點位控制機床
10、在美國得到迅速發(fā)展，數(shù)控技術不僅在機床上得到了實際應用，而且逐步推廣到沖壓機、繞線機、焊接機、火焰切割機、包裝機和坐標測量機等，在程序編制方面，已由手工編程逐步發(fā)展到采用計算機自動編程。除了APT數(shù)控語言外，又發(fā)展了許多自動編程語言。從1960年開始，德國、日本等先進工業(yè)國家都陸續(xù)開發(fā)、生產及使用了數(shù)控機床。1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。以上3代，都是采用專用控制計算機的硬邏輯數(shù)字控制系統(tǒng)。裝有這類數(shù)控系統(tǒng)的機床為普通數(shù)控機床（簡稱NC機床）。,30,2020/6/11,1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機床聯(lián)接成具
11、有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（FlexibleManufacturingSystem，柔性制造系統(tǒng)）。之后，美、歐、日也相繼進行開發(fā)與應用。隨著計算機技術的發(fā)展，小型計算機的價格急劇下降。小型計算機開始取代專用數(shù)控計算機，數(shù)控的許多功能由軟件程序實現(xiàn)。這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了這種系統(tǒng)，稱為第四代數(shù)控。而由計算機直接對許多機床進行控制的控制系統(tǒng)，稱為直接數(shù)控系統(tǒng)（DNC）。,31,2020/6/11,1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近2
12、0年來，微處理機數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床得到了飛速發(fā)展和廣泛應用，這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)（MNC）。20世紀80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell，F(xiàn)MC）。FMC和FMS被認為是實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）的必經階段和基礎。,32,2020/6/11,國外數(shù)控機床的現(xiàn)狀有三個特點：第一是擁有數(shù)量較多，通常占主要生產設備的20%以上；第二是大型數(shù)控機床，如落地式鏜銑床、大型龍門鏜銑床以及三坐標測量機等較多；第三是更新?lián)Q代較快。許多新開發(fā)的數(shù)控機床已陸續(xù)裝備在生產線上。,
13、33,2020/6/11,1.2.2我國數(shù)控機床的現(xiàn)狀,我國從1958年開始研究數(shù)控機床，一直到20世紀60年代中期處于研制、開發(fā)時期。當時，一些高等院校、科研單位研制出試驗性樣機，開始也是從電子管著手的。1965年，國內開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀60年代末至20世紀70年代初研制成了三維數(shù)控銑床、數(shù)控非圓齒輪插齒機、CIL-18晶體管數(shù)控系統(tǒng)及Z53K-1G立式數(shù)控銑床。從20世紀70年代開始，數(shù)控技術在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質量和制造工藝水平差，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，因此未能廣泛推廣。在這
14、一時期，數(shù)控線切割機由于結構簡單，使用方便，價格低廉，在模具加工中得到了推廣。數(shù)控車削加工、點位加工和加工中心及三坐標數(shù)控加工的自動編程系統(tǒng)和語言也研制成功，有的也在生產中應用。,34,2020/6/11,20世紀80年代，我國從日本發(fā)那科公司引進了3、5、6、7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電動機、直流主軸電動機等制造技術，以及引進美國GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)，德國西門子VS系列可控硅調速裝置，并進行了商品化生產。這些系統(tǒng)可靠性高，功能齊全。與此同時，還自行開發(fā)了3、4、5軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)以及雙電動機驅動的同步數(shù)控系統(tǒng)（用于火焰切割機）和新品種的伺服電動機，推動了我國數(shù)控機床穩(wěn)定發(fā)展，
15、使我國數(shù)控機床在性能和質量上產生了一個質的飛躍?！笆晃濉逼陂g，隨著一系列關鍵技術的突破和自主生產能力的形成，我國開始沖出“外國制造”的“重圍”，進入世界高速數(shù)控機床和高精度數(shù)控機床生產國的行列。從產量來看，2010年我國機床工具行業(yè)實現(xiàn)工業(yè)總產值5536.8億元，同比增長40.6%；數(shù)控機床產量達到23.6萬臺，同比增長62.2%；2010年我國機床產值和數(shù)控機床產量均列世界第一位。整個“十一五”期間，在需求的拉動下，我國數(shù)控機床產量保持高速增長，年均復合增長率達到37.4%。2010年的增長數(shù)據(jù)意味著數(shù)控機床的發(fā)展已經步入新階段。,35,2020/6/11,1.2.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢,隨
16、著科學技術的發(fā)展，制造技術的進步，以及社會對產品質量和品種多樣化的要求愈來愈強烈，中、小批量生產的比重明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機床成為一種具有柔性、精密、高效、復合、集成功能和低成本的自動化加工設備。同時，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS），以及計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）提供基礎設備，也要求數(shù)控機床向更高水平發(fā)展。當前數(shù)控機床技術呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢。,36,2020/6/11,1．高速、高效、高精度與高可靠性（1）高速、高效（2）高精度（3）高可靠性2．復合化、多軸化、柔性化、網絡化、智能化與綠色化（1）復合化（2）多軸化（3）柔性化（4）網絡化（5
17、）智能化（6）綠色化,37,2020/6/11,3．新型功能部件為了提高數(shù)控機床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的應用成為必然。具有代表性的新型功能部件包括：（1）高頻電主軸（2）直線電動機（3）電滾珠絲桿4．重視新技術標準、規(guī)范的建立隨著數(shù)控機床成為機械自動化加工的重要設備，在管理和操作之間，都需要有統(tǒng)一的術語、技術要求、符號和圖形，統(tǒng)一的標準，以便于世界性的技術交流和貿易。數(shù)控技術的發(fā)展，形成了多個國際通用的標準，即ISO（國際標準化組織）標準、IEC（國際電工委員會）標準和EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）標準等。,38,2020/6/11,復習與思考題,（1）試述數(shù)控機床的概念。（2）數(shù)控機床的加工原理是什么？（3）簡述數(shù)控機床的特點及適用范圍。（4）何為經濟型數(shù)控機床？（5）點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)各有何特點？適用什么場合？（6）何謂開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)？優(yōu)缺點何在？適用于什么場合？（7）數(shù)控機床是由哪幾部分組成的？各有何作用？（8）試分析數(shù)控機床與通用機床的區(qū)別何在？（9）數(shù)控機床的加工特點是什么？（10）數(shù)控機床有哪些類型？（11）簡述數(shù)控機床是怎樣產生的，其經歷有哪幾個階段？（12）簡述我國數(shù)控機床的發(fā)展史。（13）簡述數(shù)控機床的技術發(fā)展趨勢。,
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