第3讲数控机床分类、指标、发展趋势课件.ppt

1、第第3讲讲数控机床分类、指标、发展趋势数控机床分类、指标、发展趋势3.1 数控机床的种类数控机床的种类 1按工艺方式分类按工艺方式分类1)1)金属切削类数控机床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。尽管这些机床在加工工艺方面存在很大差异，具体的控制方法也各不相同，但它们都适合于单件、小批量和多品种的零件加工，具有很高的生产率和自动化程度。2)金属成型类数控机床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

2、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按控制系统运动方式分类按控制方式分，最常用的数控机床可分为以下三类：1)开环数控机床开环数控机床这类数控机床采用开环进给伺服系统。其数控装置发出的指令信号是单向的，没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测，不能进行运动误差的校正，因此步进电机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。这类机床通常为经济型、中小型机床，具有结构简单、价格低廉、调试方便等优点，但通常输出的扭矩值大小受到限制，而且当输入的频率较高时，容易产生失步，难以实现运动部件的控制，因此已不能充分满足数控机床日益提高功率、运动速

3、度和加工精度的控制要求。图1-1是开环控制的系统框图。图1-1 开环控制的系统框图 2)闭环数控机床闭环数控机床这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上，该位置检测装置可实测进给系统的位移量或位置。数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，使运动部件严格按照实际需要的位移量运动；还可利用测速元器件随时测得驱动电机的转速，将速度反馈信号与速度指令信号相比较，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，因此可以消除由于传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响。图1-2是闭环控制

4、的系统框图。图1-2 闭环控制的系统框图 相比于开环数控机床，闭环数控机床精度更高，速度更快，驱动功率更大，但是，这类机床价格昂贵，对机床结构及传动链依然提出了严格的要求。传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性，机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试困难。闭环系统设计和调整得不好，很容易造成系统的不稳定。所以，闭环控制数控机床主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床等。3)半闭环数控机床半闭环数控机床这类机床的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。这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，控制系统的调试十分方便，因此可以获得稳定的控制特性。由于采用

5、高分辨率的测量元件，如脉冲编码器，因此可以获得比较满意的精度与速度。半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度，但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正，因此它的位移精度比闭环系统的要低。大多数数控机床采用半闭环控制系统。图1-3是半闭环控制的系统框图。图1-3 半闭环控制的系统框图 3按控制系统功能水平分按控制系统的功能水平，可以把数控机床分为经济型、普及型、高级型三类，主要由技术参数、功能指标、关键部件的功能水平来决定。这些指标具体包括CPU性能、分辨率、进给速度、伺服性能、通信功能、联动轴数等。1)经济型数控机床经济型数控机床这类数控机床通常为低档数控机床，一般采用8位CPU或单片机控制

6、，分辨率为10 m，进给速度为615 m/min，采用步进电机驱动，具有RS232接口。低档数控机床最多联动轴数为二轴或三轴，具有简单CRT字符显示或数码管显示功能，无通信功能。2)普及型数控机床普及型数控机床这类数控机床通常为中档数控机床，一般采用16位或更高性能的CPU，分辨率在1 m以内，进给速度为1524 m/min，采用交流或直流伺服电机驱动；联动轴数为35轴；有较齐全的CRT显示及很好的人机界面，大量采用菜单操作，不仅有字符，还有平面线性图形显示功能、人机对话、自诊断等功能；具有RS232或DNC接口，通过DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行

7、控制。3)高级型数控机床高级型数控机床这类数控机床通常为高档数控机床，一般采用32位或64位CPU，并采用精简指令集RISC作为中央处理单元，分辨率可达0.1 m，进给速度为15100 m/min，采用数字化交流伺服电机驱动，联动轴数在五轴以上，有三维动态图形显示功能。高档数控机床具有高性能通信接口，具备联网功能，通过采用MAP(制造自动化协议)等高级工业控制网络或Ethernet(以太网)，可实现远程故障诊断和维修，为解决不同类型不同厂家生产的数控机床的联网和数控机床进入FMS(柔性制造系统)和CIMS(计算机集成制造系统)等制造系统创造了条件。上述这种分类方式没有严格的界限，经济型数控是相

8、对于标准数控而言的，在不同时期、不同国家的含义是不一样的。区别于经济型数控，把功能比较齐全的数控系统称为全功能数控，也称为标准型数控。4 4按数控系统的联动轴数分按数控系统的联动轴数分 2坐标数控机床 3坐标数控机床 多坐标数控机床5.按数控系统控制的刀具轨迹分按数控系统控制的刀具轨迹分 点位控制数控机床 点位/直线控制数控机床 轮廓控制数控机床 （1）点位控制数控机床）点位控制数控机床 1)点位控制只要求控制机床的移动部件从某一位置移动到另一位置的准确定位，对于两位置之间的运动轨迹不作严格要求，在移动过程中刀具不进行切削加工，如图1.2所示。2)为了实现既快又准的定位，常 采用先快速移动，然

9、后慢速趋近 定位点位的方法来保证定位精度。3)主要有数控钻床、数控冲床、数控镗床、数控点焊机等。图1.2点位数控机床加工示意图（2）直线控制数控机床 1）直线控制数控机床的特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条与机床坐标轴平行的直线。2）对移动的速度也要进行控制，因为这类数控机床在两点之间移动时要进行切削加工，如图1.3所示。图1.3直线数控机床加工示意图（3）轮廓控制数控机床 1）轮廓控制能够对两个或两个以上的运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的加工，如图1.4所示。2）具有轮廓控制功能的数控机床有数控车床、数控铣床、加工中心等。图

10、1.4轮廓数控机床加工示意图轮廓控制数控机床：轮廓控制数控机床：插补1)1)插补的概念插补的概念如何控制刀具或工件的运动是数控机床的核心问题。数控机床的信息数字化就是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量，即最小位移量。数控系统按照程序的要求，经过信息处理、分配，使坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。在数控机床中，刀具的运动轨迹是折线，因此刀具不能严格地沿着所加工的曲线运动，只能用折线以一定的精度要求逼近被加工曲线，当逼近误差相当小时，这些折线之和就接近曲线了。数控机床是以脉冲当量为单位，计算轮廓起点与终点之间的坐标值，进行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直

11、代曲，分段逼近，相连成轨迹的。CNC装置每发出一个脉冲，机床执行部件的最小位移量称为脉冲当量。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。零件的轮廓形状是由各种线形如直线、螺旋线、抛物线、自由曲线等构成的，用户在加工程序中，一般仅提供描述该线形所必需的相关参数。例如，对直线，仅提供起点和终点的坐标值；对圆弧，除必须提供起点和终点的坐标值外，还必须提供圆心相对于起点的位置数值以及圆弧的旋转方向。因此，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

12、是插补。它实质上是根据有限的信息完成“数据密化”的工作。可将插补定义为：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。数控系统对直线进行的插补计算即为直线插补，对圆弧进行的插补计算为圆弧插补，对其他由线进行的插补计算为其他的曲线插补。数控系统能进行哪几种线形的插补计算，即具有哪几种插补功能。目前，绝大多数数控系统只有直线插补功能和圆弧插补功能。因此，数控机床只能作直线进给和圆弧进给，其指令为G01和G02/G03。2)2)插补方法的分类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。(1)脉冲增量插补。主要用于采用步进电机驱动的开环

13、系统。每次插补计算结束，CNC装置向各坐标轴驱动装置发出一个脉冲，驱动步进电机带动机床移动部件运动。其基本思想是：用折线来逼近曲线(包括直线)。脉冲增量插补每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量(一个脉冲当量)。以一个个脉冲的方式输出给步进电机。脉冲增量插补的插补速度与进给速度密切相关，还受到步进电机最高运行频率的限制。脉冲增量插补的实现方法较为简单，比较容易用硬件来实现，也有用软件来完成这类算法的。这类插补算法有逐点比较法、最小偏差法、数字积分法等。逐点比较法的基本原理是：数控系统在控制加工过程中，逐点计算和判别加工误差，与规定的运动轨迹进行比较，由比较结果决定下一步的移动方向。这种算法的特

14、点是：运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便。因此，逐点比较法在两坐标联动的数控机床中应用较为广泛。(2)数字增量插补。主要用于采用交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环、半闭环数控系统，也可以用于以步进电机为伺服驱动系统的开环数控系统。目前所使用的CNC系统中，大多采用这类插补方法。CNC装置产生的不是单个脉冲，而是标准的二进制数。其基本思想是，用直线段来逼近曲线(包括直线)。采用数字增量插补时，插补程序以一定的时间间隔定时进行。根据编程的速度将轮廓曲线分割为插补采样周期的进给段即轮廓步长，用弦线和割线逼近轮廓轨迹。在每一插补周期内，插补程序被调用

15、一次，计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量(数字量而不是单个脉冲)X、Y等，然后再计算出相应插补点位置的坐标值。插补运算速度与进给速度无严格的关系，因此可以达到较高的进给速度。数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂，对计算机的运算速度有一定要求。这类插补算法有数字积分法、二阶近似插补法、时间分割法等。3.2 常见数控机床常见数控机床1数控车床数控车床数控车床主要用于加工轴类和回转体零件，能自动完成内外圆柱面、圆弧面、端面、螺纹等工序的切削加工，适合于加工形状复杂、精度要求高的轴类或盘类零件。数控车床具有加工灵活、通用性强、能适应产品的品种和规格频繁变化的特点，能满足新产品的开发和多品种、

16、小批量、生产自动化的要求。图1-4为广州机床厂生产的CJK6146型经济型数控车床。该机床主轴转速为141600 r/min，刀架工位数为4，主电机功率为7.5 kW；切削进给速度：X方向为3 m/min，Z方向为6 m/min。图1-5为沈阳机床股份有限公司生产的CKH6116型数控车床。该机床主轴转速为5004000 r/min，加工精度为IT7IT6。图1-4 CJK6146型经济型数控车床 图1-5 CKH6116型数控车床 对数控车床可以采用不同的分类方法进行分类。1)按主轴配置形式分按主轴配置形式分按主轴配置形式分，可将数控车床分为卧式和立式两大类，其中数控卧式车床有水平导轨和斜置

17、导轨两种形式。2)按刀架数量分按刀架数量分按刀架数量分，可将数控车床分为单刀架和双刀架两类。单刀架数控车床多采用水平导轨，两坐标控制；双刀架数控车床多采用斜置导轨，四坐标控制。3)按数控车床控制系统和机械结构的档次分按数控车床控制系统和机械结构的档次分按数控车床控制系统和机械结构的档次分，可分为经济型数控车床、全功能数控车床和车削中心。车削中心是在数控车床基础上发展起来的一种复合加工机床，可以在一次装夹中完成回转体零件的所有加工工序，包括车削内外表面、铣平面、铣槽、钻孔和攻螺纹等工序。车削中心除具有一般二轴联动数控车床的所有功能之外，其转塔刀架上装有能使刀具旋转的动力刀座，主轴具有按轮廓成形要

18、求连续回转运动和进行精确分度的C轴功能，该轴能与X轴或Z轴联动。有的车削中心还具有Y轴，X、Y、Z轴交叉构成三维空间，可进行端面和圆周上任意部位的钻削、铣削和螺纹加工等。2数控铣床与加工中心数控铣床和加工中心都能够进行铣削、钻削、镗削及攻螺纹等加工，它们在结构、工艺和编程等方面有许多相似之处。全功能数控铣床与加工中心比较，区别主要在于数控铣床没有自动换刀装置，只能手动换刀，而加工中心具有刀具库和自动换刀装置，可将使用的刀具预先安排存放于刀具库内，需要时通过换刀指令，由ATC(自动换刀装置)自动换刀。图1-6为上海第五机床厂生产的XK5025型经济型数控铣床。图1-7为南通机床股份有限公司生产的

19、XH714A型立式加工中心。图1-6 XK5025型经济型数控铣床 图1-7 XH714A型立式加工中心 加工中心具有一般数控机床的所有功能，它采用工艺集中原则，把车、镗、铣等工序集中到一台机床上来完成，打破了在一台数控机床上只能完成一两种工艺的传统观念。以铣削加工中心为例，工件在一次装夹后，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工艺；又如五面体加工中心机床，在一次装夹中可以完成除安装面以外的箱体类所有表面的加工。由于工序的集中和自动换刀，加工中心可以有效地避免由于多次装夹造成的定位误差，减少机床的台数和占地面积，提高生产率和加工自动化程度。加工中心适宜于

20、加工形状复杂，要求较高，需多种类型的普通机床和众多的工艺设备经多次装夹和调整才能完成加工的零件。数控铣床与加工中心除能进行铣削、钻削、镗削及攻螺纹等加工外，还能铣削25坐标联动的各种平面轮廓和立体轮廓。1)三坐标数控铣床与加工中心三坐标数控铣床与加工中心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。这些复杂轮廓的零件加工有的只需二轴联动，如二维曲线、二维轮廓、二维区域加工；有的则需三轴联动，如三维曲面加工。它们所对应的加工相应称为二轴(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，

21、如箱体等。2)四坐标数控铣床与加工中心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。其中，转动轴可以作用于刀具(刀具摆动型)，也可以作用于工件(工作台回转/摆动型)，实际中多以工作台摆动旋转居多。四坐标加工可以获得比三坐标加工更为广泛的工艺范围和加工效果。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。一般认为，一

22、台五轴联动机床的效率可以等于两台三轴联动机床。过去因为五轴联动机床的数控系统及主机结构复杂、价格高、编程技术难度大等原因，制约了五轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使实现五轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，制造难度和成本大幅度降低，数控系统价格差距缩小，因此促进了复合主轴头类型五轴联动机床和复合加工机床的发展。3复合机床复合机床 1)车削为主型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)。车削复合中心是以车床为基础的加工机，除车削用工具外，在刀架上还装有能铣削加工的回转刀具，可以在圆形工件和棒状工件上加工沟槽和平面。这类复合加工机常把夹持工件的主轴做成两个，既可同时对

23、两个工件进行相同的加工，也可通过在两个主轴上交替夹持，完成对夹持部位的加工。2)铣削为主型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。以铣削为基型的加工中心的复合化机床(铣车中心)除铣削加工外，还装载有一个能进行车削的动力回转工作台。五轴控制的加工机床，除X、Y、Z三轴控制外，为适应使刀具姿势的变化，可以使各进给轴回转到特定的角度位置并进行定位。六轴控制的复合加工机床可以模拟复杂形状工件进行加工。3)磨削为主型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。例如在欧洲，开发了综合螺纹

24、和花键磨削功能的复合加工机。4)不同工种加工的复合化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。为了提高生产率，数控复合加工机床的开发和制造已变成数控机床的一种发展趋势，复合加工技术的发展将会给今后的生产带来革命性的巨变，工厂的生产模式、生产组织、生产管理将发生变化，预示着一个完全加工时代即将到来，即在一台机床上从毛坯直接加工成工件成品，送入组装、总装进行装配，实现没有在制品、没有半成品、没有成品库的真正精益生产。3.3数控机床和数控系统的发展趋势1)高速化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速切削可以减小切削深度，有利

25、于克服机床振动、降低传入零件的热量及减小热变形，从而提高加工精度，改善加工表面质量。新一代高速数控机床的车削和铣削的切削速度已达到50008000 m/min以上，主轴转速在30 000 r/min以上(有的高达100 000 r/min)，数控机床能在极短时间内实现升速和降速，以保持很高的定位精度；工作台的移动速度，在分辨率为1 m时，可达100 m/min以上，在分辨率为0.1 m时，可达240m/min以上；自动换刀时间在1秒以内，工作台交换时间在2.5秒以内，并且高速化的趋势有增无减。目前，数控系统采用更高位数、频率的处理器，以提高系统的运算速度；采用超大规模的集成电路和多微处理器机构

26、，以提高系统的数据处理能力；采用直线电机直接驱动工作台的直线伺服进给方式，使其高速度和动态响应特性相当优越；为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴的一体化；主轴电机的轴承采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式；目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。2)高精度化数控系统带有高精度的位置检测装置，并通过在线自动补偿(实时补偿)技术来消除或减少热变形、力变形和刀具磨损的影响，使加工一致性的精度得到保证，进一步提高了定位精度。普通数控加工的尺寸精度通常可达5 m，精密级加工中心的加工精度通常可达1 m，最高的尺寸精度可达0.

27、01 m。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出新的要求。新材料、新零件的出现以及更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，是适应现代科技必由之路。3)多功能化数控机床的发展已经模糊了粗、精加工工序的概念，加工中心的出现打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程。配有自动换刀机构(刀库容量可达100把以上)的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工。现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，减少了在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工

28、以及多次上下料等时间。近年来，又相继出现了许多跨度更大的功能集中的超复合化数控机床。4)智能化随着人工智能在计算机领域中的应用，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，使新一代数控系统具有自动编程、模糊控制、前馈控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统，使自诊断和故障监控功能更加完善。5)高柔性化数控机床在提高单机柔性化的同时，正朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展。柔性制造系统(FMS)是一种在批量生产下，高柔性和高自动化程度的制造系统，它综合了高效、高质量及高柔性的特点，解决了长期以来中小

29、批量以及中大批量、多品种产品生产自动化的技术难题。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现了数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。6)可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的指标。数控系统继续向高集成度方向发展，以减少元器件的数量来提高可靠性，同时使系统更加小型化、微型化；利用多CPU的优势，实现故障自动排除，增强可靠性。此外，数控机床也在朝着模块化、专门化、个性化方向发展。数控机床结构模块化，以适应数控机床多品种、小批量加工零件的特点；数控功能专门化，以使机床性能价格比显著提高；个性化也是近几年来数控机床特别明显的发

30、展趋势。3.4数控机床规格、性能和可靠性指标1.规格指标规格指标 指数控机床的基本能力指标 （1）行程范围和摆角范围 （2）工作台面尺寸 （3）承载能力 （4）主轴功率和进给扭矩 （5）控制轴数和联动轴数 （6）刀具系统.性能指标性能指标（）分辨率和脉冲当量（）最高主轴转速和最大加速度（）定位精度和重复定位精度（）最高快移速度和最高进给速度（）电气（）冷却系统（）外形尺寸（）机床重量.可靠性指标可靠性指标（）平均无故障时间（）平均修复时间（）平均有效度（例）某机床在它的整个生命周期里，正常加工时间小时，共出现故障次，修复故障共用了小时，求这台机床的可靠性指标。3.5数控机床的应用范围（1）多品种、小批量（2）结构复杂（3）改型频繁（4）价格昂贵（5）生产周期短（6）批量较大精度较高习题与思考题习题与思考题 问答题：.