项目引导——补充课件

1 数控机床概述数控机床概述 内容提要： 主要介绍数控技术、数控机床的基本概念 、体系结构、工作原理及分类；数控机床 的应用范围及发展动向。 数控机床概述 2 数控技术与数控机床数控技术与数控机床 q自从20世纪中叶数控技术创立以来，它给 机械制造业带来了革命性的变化。 q现在数控技术已成为制造业实现自动化、 柔性化、集成化生产的基础技术，现代的 CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制 造等，都是建立在数控技术之上； 数控机床概述 3 数控技术与数控机床数控技术与数控机床 q数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必 不可少的物质手段； q是国家的战略技术：东芝事件、考克斯报告！ q基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的 重要基础性产业； q专家们预言: 二十一世纪机械制造业的竞争， 其实质是数控技术的竞争。 数控机床概述 4 数控技术与数控机床数控技术与数控机床 l 数字控制与数控技术 q数字控制（Numerical Control NC）是一种借助 数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、 测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。 q数控技术（Numerical Control Technology）采用 数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技 术。 数控机床概述 5 数控技术与数控机床数控技术与数控机床 q数控机床（Numerical Control Machine Tools） 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动 控制的一类机床。它数控技术典型应用的例子。 q数控系统（Numerical Control System）实现数 字控制的装置。 q计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ）以计算机为核心的数控系统。 数控机床概述 6 数控机床概述 l l 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 7 q操作面板 它是操作人员与数控装 置进行信息交流的工具 。 组成：按钮站、状态灯 、按键阵列（功能与计 算机键盘一样）和显示 器；。 它是数控机床特有部件 。 数控机床概述 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 8 q 控制介质与输入输出设备 控制介质是记录零件加工程序的媒介 输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置 。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好 的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统 或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放 或记录在相应的控制介质上。 数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1： 数控机床概述 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 9 表1 控制介质和输入输出设备表 数控机床概述 10 q通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信 息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的 能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基 本技术。采用的方式有： 串行通讯（RS-232等串口）、 自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等） 网络技术（internet，LAN等）。 数控机床概述 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 11 q CNC装置(CNC单元) 组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通 讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。 作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理 （如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然 后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱 动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬 件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条 不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心 数控机床概述 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 12 q 伺服单元、驱动装置和测量装置 伺服单元和驱动装置 主轴伺服驱动装置和主轴电机 进给伺服驱动装置和进给电机 测量装置 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。 作用 保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令： 进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制 ）。 主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制） 数控机床概述 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 13 qPLC、机床I/O电路和装置 PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成 与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软 件组成； 机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继 电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路 ； 功能： 接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制 信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作 接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理 后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。 数控机床概述 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 14 l 机床本体 q机床：数控机床的主体，是实现制造加工 的执行部件。 q组成：由主运动部件、进给运动部件（工 作台、拖板以及相应的传动机构）、支承 件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具 自动交换系统 工件自动交换系统）和辅 助装置（如排屑装置等）。 数控机床概述 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成 数控机床的种类很多，从不 同角度对其进行考查，就有不同 的分类方法，通常有以下几种不 同的分类方法： 15 数控机床的分类数控机床的分类 数控机床概述 16 数控机床的分类数控机床的分类 数控机床概述 l 按工艺用途分类 q切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床 、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。 q成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。 q特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激 光加工机等。 q其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等 。 17 数控机床的分类数控机床的分类 l按控制功能分类 q点位控制数控系统 仅能实现刀具相对于工件从 一点到另一点的精确定位运 动； 对轨迹不作控制要求； 运动过程中不进行任何加工 。 适用范围：数控钻床、数控 镗床、数控冲床和数控测量 机。 数控机床概述 刀具 A B A B 18 数控机床的分类数控机床的分类 q轮廓控制数控系统 n轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联 动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中 进行连续切削加工的数控系统。 n适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机 床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。 数控机床概述 工件 刀具 轮廓控制轮廓控制 加工加工 19 数控机床的分类数控机床的分类 l 按联动轴数分， q2轴联动（平面曲线） q3轴联动（空间曲面，球头刀） q4轴联动（空间曲面） q5轴联动及6轴联动（空间曲面） 。 联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂 。 数控机床概述 20 数控机床的分类数控机床的分类 l 按进给伺服系统的类型分类 q按数控系统的进给伺服子系统有无位置 测量装置可分为开环数控系统和闭环数 控系统，在闭环数控系统中根据位置测 量装置安装的位置又可分为全闭环和半 闭环两种。 数控机床概述 21 数控机床的分类数控机床的分类 q开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系 统），故系统稳定性好。 数控机床概述 电机 机械执行部件 A相、B相 C相、 f、n CNC 插补指令 脉冲频率f 脉冲个数n 换算 脉冲环 形分配 变换 功率 放大 22 数控机床的分类数控机床的分类 q无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其 精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构 的性能和精度。 q一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 q这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便 、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度 要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用 。一般用于经济型数控机床。 数控机床概述 23 数控机床的分类数控机床的分类 q 半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱 动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角 度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置 。 位置控制调节器 速度控制 调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元速度控制单元 + + - 电机 机械执行部件 CNC 插补 指令 实际位 置反馈 实际速 度反馈 数控机床概述 24 数控机床的分类数控机床的分类 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环 节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳 定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误 差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环 好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得 满意的精度。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也 较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。 数控机床概述 25 数控机床的分类数控机床的分类 q 全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示， 直接对运动部件的实际位置进行检测。 数控机床概述 位置控制调节器 速度控制 调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元速度控制单元 + + - 电机 机械执行部件 CNC 插补 指令 实际位 置反馈 实际速 度反馈 26 数控机床的分类数控机床的分类 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的 误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精 度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性 、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系 统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试 都相当困难。 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精 车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。 数控机床概述 27 数控加工原理数控加工原理 l l 数控加工与传统加工的比较数控加工与传统加工的比较 工艺分析 数控加 工程序 工序卡 传统加工 数控加工 图2 传统加工与数控加工的比较图 数控机床概述 28 数控加工原理数控加工原理 l 数控加工中数据转换过程 图3 数控加工中数据转换过程 数控机床概述 译 码 刀补处理 插补处理 PLC控制 进给伺服系统 切削运动、机床I/O装置 成形运动 加工程序 29 数控加工原理数控加工原理 q 译码(解释) 译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用 ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单 位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格 式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后 的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值； 进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号 ；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的 存放顺序和格式。 数控机床概述 30 数控加工原理数控加工原理 q 刀补处理(计算刀具中心轨迹) 用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而 数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹， 因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的 轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。 数控机床概述 31 数控加工原理数控加工原理 q 插补计算 本模块以系统规定的插补周期t定时运行，它将 由各种线形（直线，园弧等）组成的零件轮廓， 按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴 在t内位移指令（X1、Y1、），并送给进 给伺服系统，实现成形运动。 这个过程将在下面 进一步叙述。 数控机床概述 32 q PLC控制 PLC控制是对机床动作的“顺序控制”。即以CNC 内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器 等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑 顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工 件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进 行的控制。 数控机床概述 数控加工原理数控加工原理 33 l 数控加工轨迹控制原理 q 逼近处理 图为欲加工的圆弧轨迹L， 起点为P0，终点为Pe。 CNC装置首先对圆弧进行 逼近处理。 X L Y Li Xi Yi T 0 P0 Pe 数控加工原理图 数控机床概述 数控加工原理数控加工原理 34 系统按插补时间t和进给 速度F的要求，将 L分割成 若干短直线 L1，L2，Li， ， 这里： Li = Ft （i=1，2 ，） F：用户给定的进给速度 t：数控系统插补周期 X L Y Li Xi Yi T 0 P0 Pe 数控加工原理图 数控机床概述 数控加工原理数控加工原理 35 用直线Li逼近圆弧存在 着逼近误差，但只要 足够小（Li足够短）， 总能满足零件的加工要求 。 当F为常数时，而t对数 控系统而言恒为常数，则 Li的长度也为常数L ，只是其斜率与其在L上 的位置有关。 X L Y Li Xi Yi T 0 P0 Pe 数控加工原理图 数控机床概述 数控加工原理数控加工原理 36 数控加工原理数控加工原理 q 插补运算 将Li分解为X 轴及Y 轴 移动分量Xi和Yi（在 ti时间内），要求满足 ： 且有：Fx = Xi / ti Fy = Yi / ti Li 的斜率和F 的分量Fx 、Fy以及比值Fx /Fy都在 不断变化。 X L Y Li Xi Yi T 0 P0 Pe 数控加工原理图 数控机床概述 37 数控加工原理数控加工原理 q指令输出 将计算出ti 在时间内的 Xi和Yi作为指令输出 给X、Y轴，以控制它们联动。即： Xi X 轴； Yi Y 轴 只要能连续自动地控制X，Y 两个进给轴在ti时 间内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。 数控机床概述 38 数控机床的应用范围数控机床的应用范围 l 数控加工的优点 q自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度 q加工的零件一致性好，质量稳定 q生产效率较高 q便于产品研制 q便于实现计算机辅助制造 。 数控机床概述 39 数控机床数控机床的工作过程的工作过程 数控机床概述 40 数控机床的应用范围数控机床的应用范围 l 数控加工的缺点 q任何事物都是两重性。数控加工虽有上 述各种优点，同时在某些方面也存在不足 之处： 单位加工成本较高 。 只适宜于多品种小批量或中批量生产（占机械加 工总量70%80%） 加工中的调整相对复杂 维修难度大 数控机床概述 41 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 q数控技术产生和发展的内在动力：市场竞争日趋激 烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小 批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度 高、柔性好加工设备来满足上述需求。 q数控技术产生和发展的技术基础：电子技术和计算 机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的 技术基础。 q数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它 的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工 自动化技术的发展。 数控机床概述 42 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 l发展沿革 q1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了 世界上第一台三座标数控机床。 q1955年，第一台工业用数控机床由美国 Bendix公司生产出来。 q从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经 历的五代。 数控机床概述 43 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 q第一代：1955年 NC系统以电子管组成，体 积大，功耗大。 q第二代：1959年 NC系统以晶体管组成，广 泛采用印刷电路板。 q第三代：1965年 NC系统采用小规模集成电 路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可 靠性进一步提高。 以上三代NC系统，由于其数控功能均由 硬件实现，故历史上又称其为“硬线 NC” 数控机床概述 44 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 q第四代：1970年 NC系统采用小型计算机取代 专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有 价格低，可靠性高和功能多等特点。 q第五代：1974年 NC系统以微处理器为核心， 不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实 现真正意义上的机电一体化成为可能。这一代 又可分为六个发展阶段： 数控机床概述 45 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示 ，自诊断功能。 1979年：系统采用CRT显示，VLIC，大容量磁泡存储 器，可编程接口和遥控接口等。 1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度 补偿功能。 1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机 进入实用阶段。 1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统 。 1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进 入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发 周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑 。 数控机床概述 46 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 l 发展趋势 进入九十年代以来， 随着国际上计算机技 术突飞猛进的发展， 数控技术不断采用计 算机、控制理论等领 域的最新技术成就， 使其朝着下述方向发 展 l l 运行高速化运行高速化 l l 加工高精化加工高精化 l l 功能复合化功能复合化 l l 控制智能化控制智能化 l l 体系开放化体系开放化 l l 驱动并联化驱动并联化 l l 交互网络化交互网络化 数控机床概述 47 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 q 运行高速化、加工高精化 速度和精度是数控设备的两个重要 指标，它们是数控技术永恒追求的目标。 因为它直接关系到加工效率和产品质量。 新一代数控设备在运行高速化、加工高精 化等方面都有了更高的要求。 数控机床概述 48 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 q运行高速化：使进给率、主轴转速、刀具 交换速度、托盘交换速度实现高速化，并 且具有高加（减）速率。 进给率高速化： 在分辨率为1m时，Fmax=240m/min。在Fmax下可获得复 杂型面的精确加工； 在程序段长度为1mm时，Fmax=30m/min，并且具有1.5g 的加减速率； 数控机床概述 49 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即 主轴电机的转子轴就是主轴部件。 主轴最高转速达200000r/min。 主轴转速的最高加（减）速为1.0g ，即仅需1.8秒即可 从0提速到15000r/min。 换刀速度 0.9秒（刀到刀） 2.8秒（切削到切削） 工作台（托盘）交换速度 6.3秒。 数控机床概述 50 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 q加工高精化：提高机械设备的制造和装配 精度；提高数控系统的控制精度；采用误 差补偿技术。 提高CNC系统控制精度： 采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使 CNC控制单位精细化， 采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日 本交流伺服电机已有装上106 脉冲/转的内藏位置检测 器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）； 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。 数控机床概述 51 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 采用误差补偿技术： 采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿 等技术; 设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研 究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减 少6080。三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工 中心的定位精度为0.1m。 数控机床概述 52 由于计算机技术的不断进步，促进了 数控技术水平的提高，数控装置、进给伺 服驱动装置和主轴伺服驱动装置的性能也 随之提高，使得现代的数控设备在新的技 术水平下，可同时具备运行高速化、加工 高精化的性能。 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 数控机床概述 53 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 q功能复合化 复合化是指在一台设备能实现多种工艺手 段加工的方法。 镗铣钻复合加工中心（ATC）、五面加工中心（ ATC，主轴立卧转换）； 车铣复合车削中心（ATC，动力刀头）； 铣镗钻车复合复合加工中心（ATC，可自动装卸 车刀架）； 铣镗钻磨复合复合加工中心（ATC，动力磨头） ； 可更换主轴箱的数控机床组合加工中心； 数控机床概述 54 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 q 控制智能化 随着人工智能技术的不断发展，并 为满足制造业生产柔性化、制造自动化发 展需求，数控技术智能化程度不断提高， 具体体现在以下几个方面： 数控机床概述 55 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 加工过程自适应控制技术 通过监测加工过程中的切削力、主轴和进 给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的 或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、 磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并 根据这些状态实时修调加工参数（主轴转速，进 给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态 ，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设 备运行的安全性。 数控机床概述 56 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 Mitsubishi Electric 公司的用于数控电火花成型机床的 “Miracle Fuzzy” 基于模糊逻辑的自适应控制器，可自动 控制和优化加工参数； 日本牧野在电火花NC系统Makino_Mce20中，用专家系统代替 人进行加工过程监控。 以色列的外置式力自适应控制器 意大利Mandelli公司数控系统的可编程功率自适应控制功能 。 数控机床概述 57 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 加工参数的智能优化与选择 将工艺专家或技工的经验、零件加工的一 般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家 系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择 器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提 高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间 的目的。采用经过优化的加工参数编制的加工程 序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工 作状态。 数控机床概述 58 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 智能故障诊断与自修复技术 智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方 法（AI、ES、ANN等），实现故障快速准确定位的技术。 智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位， 以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集 故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿 于加工过程的整个生命周期。 智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中 已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。 智能化自修复技术还在研究之中。 数控机床概述 59 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 智能化交流伺服驱动装置 目前已开始研究能自动识别负载，并自动 调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流 驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置 能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控 制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最 佳运行。 数控机床概述 60 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 q 体系开放化 定义（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现 系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作 的系统。 开放式数控系统特点： 系统构件（软件和硬件）具有标准化 (Standardization)与多样化( Diversification)和互 换性(Interchangeability)的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式 ”的集成。构造应该是可移植的和透明的； 数控机床概述 61 数控机床的发展动向数控机床的发展动向 国内外开放式数控系统的研究进展 美国：NGC(The Next Generation Work-station/Machine Controller)和OMAC(Op