數(shù)控機(jī)床組成及數(shù)字控制原理.ppt
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1、1,2020/6/11,數(shù)控機(jī)床原理與結(jié)構(gòu),,2,2020/6/11,上篇,數(shù)控機(jī)床控制技術(shù),3,2020/6/11,第1章,數(shù)控機(jī)床組成及數(shù)字控制原理,4,2020/6/11,1.1.?dāng)?shù)控裝置的概念,1.1數(shù)控機(jī)床的組成及分類1.1.1數(shù)控機(jī)床的控制技術(shù)1.1.2數(shù)控機(jī)床組成1.1.3數(shù)控機(jī)床的分類1.2國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與現(xiàn)狀1.2.2我國數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀1.2.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢,5,2020/6/11,1.1.1.?dāng)?shù)控機(jī)床的控制技術(shù),數(shù)控裝置是一種控制系統(tǒng),它自動閱讀輸入載體上預(yù)先給定的數(shù)字值,并對其譯碼、運(yùn)算,并據(jù)此而控制刀具與工件相對運(yùn)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(dāng)Δt→0時(shí),折線段之和接近曲線L,即:,,且有:Fx=Δxi/ΔtFy=Δyi/Δt,2.插補(bǔ)運(yùn)算,7,2020/6/11,數(shù)控機(jī)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(jī)床等等,凡是采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床統(tǒng)稱NC機(jī)床。帶有自動刀具交換裝置(AutomaticToolchange-ATC)的數(shù)控機(jī)床(帶有回轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合,從而縮短了輔助加工時(shí)間,提高了機(jī)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(chǔ)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(guān)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(chǔ)上,通過增加物流系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人以及相關(guān)設(shè)備,并由中央控制系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)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(shí)現(xiàn)從市場預(yù)測、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造直到產(chǎn)品銷售的全面自動化。將這些要求綜合,構(gòu)成的完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng),稱為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(computerIntegratedManufacturingsystem-CIMS),CIMS將一個(gè)工廠的生產(chǎn)、經(jīng)營活動進(jìn)行了有機(jī)的集成,實(shí)現(xiàn)了更高效益、更高柔性的智能化生產(chǎn),是當(dāng)今自動化制造技術(shù)發(fā)展的最高階段。,9,2020/6/11,1.1.2.?dāng)?shù)控機(jī)床組成,,圖1-1數(shù)控加工過程示意圖,1.?dāng)?shù)控機(jī)床加工零件的過程,10,2020/6/11,2.?dāng)?shù)控機(jī)床的組成,圖1,11,2020/6/11,1.
5、1.3.?dāng)?shù)控機(jī)床的分類,1.按工藝用途分類(1)金屬切削類數(shù)控機(jī)床(2)金屬成型類數(shù)控機(jī)床(3)特種加工及其它類型數(shù)控機(jī)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(jī),16,2020/6/11,圖1-4b數(shù)控彎管機(jī),17,2020/6/11,,圖1-4c數(shù)控沖?;剞D(zhuǎn)頭壓力機(jī),18,2020/6/11,,,圖1-5a數(shù)控線切割機(jī)床,圖1-5b數(shù)控電火花線切割機(jī)床,19,2020/6/11,
6、,圖1-5c數(shù)控激光切割機(jī),20,2020/6/11,,圖1-5d數(shù)控等離子切割機(jī),21,2020/6/11,,,圖1-5e數(shù)控三坐標(biāo)測量機(jī),圖1-5f柔性三坐標(biāo)測量臂,22,2020/6/11,2.如果以數(shù)控系統(tǒng)的特征進(jìn)行分類時(shí),可將數(shù)控機(jī)床分成三大類:(1)點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床(2)直線控制數(shù)控機(jī)床(3)輪廓控制的數(shù)控機(jī)床①平面輪廓加工的數(shù)控機(jī)床②空間輪廓加工的數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)床(2)閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床(3)半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)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(gè)確切定義,但可以給人們一個(gè)清晰的一般水平概念,可將數(shù)控機(jī)床分為高、中、低檔三類。數(shù)控機(jī)床水平高低由主要技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)和關(guān)鍵部件的功能水平?jīng)Q定。下列幾個(gè)方面可作為評價(jià)數(shù)控機(jī)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(jī)床的發(fā)展與現(xiàn)狀,采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想,最早是在20世紀(jì)40年代初提出的。當(dāng)時(shí),美國密執(zhí)安北部的一個(gè)小型飛機(jī)工業(yè)承包商帕爾森斯公司在制造飛機(jī)框架及直升機(jī)葉片輪
8、廓用樣板時(shí),利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對輪廓路徑進(jìn)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(xué)院伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)室(ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology)的協(xié)助下,開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過三年時(shí)間的研究,于1952年試制成功世界第一臺數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)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(xué)院協(xié)作,開始從事計(jì)算機(jī)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(fèi)巨額經(jīng)費(fèi)訂購了大約100臺數(shù)控機(jī)床,此后兩年,數(shù)控機(jī)床在美國進(jìn)入迅速發(fā)展階段,市場上出現(xiàn)了商品化數(shù)控機(jī)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(jī)床,稱為“加工中心”。1959年,計(jì)算機(jī)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(shí)美國航空工業(yè)協(xié)會(AIA)和麻省理工學(xué)院發(fā)展APT程序語言。,29,2020/6/11,1960年以后,點(diǎn)位控制機(jī)床
10、在美國得到迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到了實(shí)際應(yīng)用,而且逐步推廣到?jīng)_壓機(jī)、繞線機(jī)、焊接機(jī)、火焰切割機(jī)、包裝機(jī)和坐標(biāo)測量機(jī)等,在程序編制方面,已由手工編程逐步發(fā)展到采用計(jì)算機(jī)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(jìn)工業(yè)國家都陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)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(jìn)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(jì)算機(jī)的硬邏輯數(shù)字控制系統(tǒng)。裝有這類數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床為普通數(shù)控機(jī)床(簡稱NC機(jī)床)。,30,2020/6/11,1967年,英國首先把幾臺數(shù)控機(jī)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(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,小型計(jì)算機(jī)的價(jià)格急劇下降。小型計(jì)算機(jī)開始取代專用數(shù)控計(jì)算機(jī),數(shù)控的許多功能由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。這樣組成的數(shù)控系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)。1970年,在美國芝加哥國際機(jī)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(jì)算機(jī)直接對許多機(jī)床進(jìn)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,這就是第五代數(shù)控系統(tǒng)(MNC)。20世紀(jì)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(rèn)為是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ComputerIntegratedManufacturingSystem,CIMS)的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。,32,2020/6/11,國外數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀有三個(gè)特點(diǎn):第一是擁有數(shù)量較多,通常占主要生產(chǎn)設(shè)備的20%以上;第二是大型數(shù)控機(jī)床,如落地式鏜銑床、大型龍門鏜銑床以及三坐標(biāo)測量機(jī)等較多;第三是更新?lián)Q代較快。許多新開發(fā)的數(shù)控機(jī)床已陸續(xù)裝備在生產(chǎn)線上。,
13、33,2020/6/11,1.2.2我國數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀,我國從1958年開始研究數(shù)控機(jī)床,一直到20世紀(jì)60年代中期處于研制、開發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí),一些高等院校、科研單位研制出試驗(yàn)性樣機(jī),開始也是從電子管著手的。1965年,國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末至20世紀(jì)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(jī)、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(jì)70年代開始,數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)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(zhì)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(shí)期,數(shù)控線切割機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,價(jià)格低廉,在模具加工中得到了推廣。數(shù)控車削加工、點(diǎn)位加工和加工中心及三坐標(biāo)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(chǎn)中應(yīng)用。,34,2020/6/11,20世紀(jì)80年代,我國從日本發(fā)那科公司引進(jìn)了3、5、6、7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電動機(jī)、直流主軸電動機(jī)等制造技術(shù),以及引進(jìn)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(diào)速裝置,并進(jìn)行了商品化生產(chǎn)。這些系統(tǒng)可靠性高,功能齊全。與此同時(shí),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(jī)驅(qū)動的同步數(shù)控系統(tǒng)(用于火焰切割機(jī))和新品種的伺服電動機(jī),推動了我國數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定發(fā)展,
15、使我國數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。“十一五”期間,隨著一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破和自主生產(chǎn)能力的形成,我國開始沖出“外國制造”的“重圍”,進(jìn)入世界高速數(shù)控機(jī)床和高精度數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)國的行列。從產(chǎn)量來看,2010年我國機(jī)床工具行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值5536.8億元,同比增長40.6%;數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到23.6萬臺,同比增長62.2%;2010年我國機(jī)床產(chǎn)值和數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量均列世界第一位。整個(gè)“十一五”期間,在需求的拉動下,我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量保持高速增長,年均復(fù)合增長率達(dá)到37.4%。2010年的增長數(shù)據(jù)意味著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展已經(jīng)步入新階段。,35,2020/6/11,1.2.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢,隨
16、著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,制造技術(shù)的進(jìn)步,以及社會對產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求愈來愈強(qiáng)烈,中、小批量生產(chǎn)的比重明顯增加,要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床成為一種具有柔性、精密、高效、復(fù)合、集成功能和低成本的自動化加工設(shè)備。同時(shí),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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)提供基礎(chǔ)設(shè)備,也要求數(shù)控機(jī)床向更高水平發(fā)展。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床技術(shù)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(fù)合化、多軸化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化與綠色化(1)復(fù)合化(2)多軸化(3)柔性化(4)網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(yīng)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(jī)(3)電滾珠絲桿4.重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立隨著數(shù)控機(jī)床成為機(jī)械自動化加工的重要設(shè)備,在管理和操作之間,都需要有統(tǒng)一的術(shù)語、技術(shù)要求、符號和圖形,統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),以便于世界性的技術(shù)交流和貿(mào)易。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,形成了多個(gè)國際通用的標(biāo)準(zhǔn),即ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)標(biāo)準(zhǔn)、IEC(國際電工委員會)標(biāo)準(zhǔn)和EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)等。,38,2020/6/11,復(fù)習(xí)與思考題,(1)試述數(shù)控機(jī)床的概念。(2)數(shù)控機(jī)床的加工原理是什么?(3)簡述數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及適用范圍。(4)何為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床?(5)點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)各有何特點(diǎn)?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(diǎn)何在?適用于什么場合?(7)數(shù)控機(jī)床是由哪幾部分組成的?各有何作用?(8)試分析數(shù)控機(jī)床與通用機(jī)床的區(qū)別何在?(9)數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)是什么?(10)數(shù)控機(jī)床有哪些類型?(11)簡述數(shù)控機(jī)床是怎樣產(chǎn)生的,其經(jīng)歷有哪幾個(gè)階段?(12)簡述我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展史。(13)簡述數(shù)控機(jī)床的技術(shù)發(fā)展趨勢。,
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