数控技术与编程

,数 控 技 术与编程,数控技术与编程课件,在新的学期中 学习进步！ 身体健康 ！ 心情愉快 ！,祝同学们：,新学期送给同学们的礼物！,数 控 技 术,生 存 的 技 能,本门课的性质及重要性,数控技术是多学科的综合性应用。 现代数控技术集：机械制造技术，计算机技术，现代控制技术，传感检测技术，信息处理技术，网络通信技术，液压气动技术，光电技术于一体是现代制造技术的基础。他的发展和应用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化,数控技术是基础,数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）DNC（群控）、FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等都是建立在数控技术之上的。（FMC柔性制造单元） CIMS :FA(工厂自动化)：OA（办公自动化） FMS（柔性制造系统）,数控技术是国际贸易的重要构成，发达国家把数控机床视为具有高技术附加值，高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加. 1995年以来，我国已经成为数控机床的世界第二大消费国和第二大进口国,它是商品,它是产业的水准,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；是国家的战略技术 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； 数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，专家们曾预言：机械制造的竞争，起实质是数控的竞争。 东芝事件、考克斯报告！,东芝事件,20世纪80年代初，由于日本东芝机械公司背着巴黎统筹委员会，向前苏联出售高精密的加工船用螺旋桨的数控机床一事，造成了震动国际政坛的“东芝事件”。 据统计，前苏联有256艘攻击型核潜艇，而美国只有96艘，但美国的核潜艇噪声小，苏联的核潜艇噪声大。 一般情况下，美国的反潜系统在距前苏联核潜艇200海里时，便能发现它并辨别其特征。,东芝事件,核潜艇的噪音主要是由螺旋桨造成,东芝事件,1981年，前苏联谋求从日本东芝机械公司进口MBP10铣床。巴黎统筹委员会绝对禁止向经互会成员国出口。,东芝事件,效果： 前苏联新型攻击核潜艇的噪声降到原来的110及到1，美国潜艇必须靠近到20海里以内才能发现并跟踪前苏联潜艇。美国若要保持其优势，必须改进反潜系统，估计需要花费200至400亿美元。事情败露后，日本通产省宣布在一年内禁止东芝机械公司向14个国家出口产品，仅此一项使东芝机械公司损失1亿美元。,本门课的性质及重要性,机械制造业是国民经济的基础产业，是支撑整个工业和国民经济发展的基石，随着科学技术的高速发展，制造业发生了根本性的变化，普通机械将逐步被高效、高精度的数控机械所替代。机床的数控化率已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志,相关课程如下：,高等数学、英语、计算机应用基础、工程力学、机械设计与制造、互换性与测量基础、电工与电子技术、自动控制原理、计算机应用技术、计算机辅助制图、程序设计语言、微机原理与接口技术、测试技术、控制系统工程、现代制造技术、CAD/CAM。,本门课的学习内容、方法、及达到的要求,内容： 1、数控机床的组成、分类及运用范围 2、计算机控制装置 3、计算机控制装置的插补原理 4、数控机床的程序编制 5、数控伺服系统 6、数控检测装置,学习方法：每章有名词、机理、例题、综合运用 实验课时：6学时，利用课外时间，学习掌握一门自动编程软件的正确使用方法。 本门课达到的目的： 了解数控技术的名词概念，控制机理，能会基本的手工编程和自动编程。,本门课的学习内容、方法、及达到的要求,11机床数字控制的基本概念,1、数控技术：（简称数控）：Numerical control 它是利用数字化的信息实现机床控制（对机床运动及加工过程进行控制）的一种方法。 2、数控机床：用数控技术实施加工控制的机床or装备了数控系统的机床称为数控（NC）机床。 3、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，其核心是数控装置。 它包括数控装置，可编程序控制器，主轴驱动及进给装置等部分。数控系统是一种控制系统，它能够自动完成信息的输入，译码，运算，从而控制机床的运动和加工过程。,第一章 概论,二、机床数字控制的原理：,数控机床的加工，首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式变成加工程序。 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。,严格控制点到点之间的距离，而与所走的路径无关 。,1.点对点的控制（point to point control）,2、轮廓控制or连续轨迹控制（contouring or continous path control）,在允许误差的范围内，用沿曲线（精确的说，是沿逼近函数）的最小单位移动量合成的分段运动代替任意曲线运动，以得出所需要的运动，是数控的基本构思之一。 特点：是不但对坐标的移动量进行控制，对各坐标的速度及它们之间的比率也进行控制。如下图：,2、轮廓控制or连续轨迹控制（contouring or continous path control） 不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间 比率都要行严格控制，以便加工出给定的轨迹。,在进行曲线加工时，也可以用给定的数学函数来模拟曲线上分割出的线段，根据给定的已知函数如直线，圆弧or高次曲线，在被加工轨迹or轮廓上的已知点之间，进行数据点的密化，确定一些中间点的方法，称为插补（interpolation）。,2、轮廓控制or连续轨迹控制 （contouring or continous path control）,直线插补：用直线来模拟被加工零件轮廓曲线称为直线插补。 圆弧插补：用圆弧来模拟被加工零件轮廓曲线称为圆弧插补。 用其它二次曲线或高次函数模拟被加工轨迹轮廓称为二次曲线插补。（如：抛物线插补）或高次函数插补（如：螺旋线插补）。这些插补的算法称为插补运算。 大多数机器零件的形状，一般都是由一些简单的几何元素（直线，圆弧等）构成。在数控机床上是加工直线or圆弧，实质上是数控装置根据有关的信息指令进行的“数据密化”工作，,轮廓控制or连续轨迹控制,通常把“填补空白”的“数据密化”工作称为插补，把计算机插补点的运算称为插补运算。把实现插补运算的装置叫作插补器。,轮廓控制or连续轨迹控制,一汽-大众总装车间轿车装配线,刚性自动化,三、数控机床及加工特点,24,摩托车发动机箱加工柔性生产线（FMS）,1.提高生产率； 2. 加工精度高,产品质量稳定； 3.有广泛的适应性和较大的灵活性； 4. 可以实现一机多用； 5. 提高经济效率； 6. 不需要专用夹具； 7.大大地减轻了工人的劳动强度；,三、数控机床的优点,1.提高生产率； 一台数控机床可代替57台普通机床，数控机床的生产率较普通机床的生产率高23倍，尤其是某些复杂零件的加工，生产率可提高几十倍。这是因为数控机床加工能会合理选用切削用量，机加工时间短。又由于其定位精度高，停机器检测次数减少，加工准备时间也因采用通用夹具而大大缩短。,三、数控机床的优点,由于数控机床按照预定的程序自动加工，不受人为因素的影响，其加工精度由机床来保证，还可以利用软件来校正和补偿误差。因此能获得比机床本身精度还高的加工精度及重复精度。,2. 加工精度高,产品质量稳定：,能完成很多普通机床难以胜任，或根本不可能加工出来的复杂型面的零件。这是由于数控机床具有多坐标轴联动功能，并可能按零件加工的要求变换加工程序，首先在航天航空等领域获得应用，在复杂曲面的模具加工，螺旋桨及涡轮叶片的加工中，得到广泛应用 。,3.有广泛的适应性和较大的灵活性：,4. 可以实现一机多用,加工中心可以自动换刀，一次装夹后几乎能完成零件的全部部位的加工，节省了设备和厂房。,数控机床主要是自动加工，能自动换刀，起停切削液，自动变速等，其大部分操作不需人工完成，因而改善了劳动条件，由于操作失误减少，也降低了废品、次品率。,5.提高经济效率,普通的通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具设计、制造和存放的费用。,6.不需要专用夹具,数控机床主要是自动加工，能自动换刀，起停切削液，自动变速等，其大部分操作不需人工完成，因而改善了劳动条件，由于操作失误减少，也降低了废品，次品率。,7.大大地减轻了工人的劳动强度,在数控机床上加工，能准确地计算零件加工时间，加强了零件的计时性，便于实现生产规划调度，简化和减少了检验，工具夹准备，半成品调度等管理工作。数控机床具有的通信接口，可实现计算机之间的联接。组成工业局部网络（LAN），采用制造自动化协议（MAP）规范，实现生产过程和计算机管理与控制。,8.生产管理水平提高,高水平的NC程序员应当具备以下的条件：,（1）掌握一定的基础知识，包括数控机床基本结构，NC加工基本原理，机械加工工艺及必要的CAD基础等。 （2）全面地理解和掌握NC编程的基本过程和关键技术。 （3） 熟练运用一种CAD/CAM软件。 （4） 有丰富的实际加工经验。有时还需掌握一些相关学科的知识和经验（如模具等）。,判别一个NC程序员水平的主要依据如下：,（1） 所编制的NC程序的质量。 （2） NC程序的工作效率。 （3）NC程序的可靠性和规范化程度（包括工艺规划，数据文件管理，保存和交接的规范化程序等）。,一、数控机床的组成 一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机组成。,12 数控机床的组成及分类,加工中心 (Machine Center),33,车削中心 (Lathe Machine Center ),34,数控攻丝机 ( NC Tapping Machine),36,数控车床（NC Lathe),39,三坐标测量机,1. 控制介质,记载各种加工信息(如零件加工的工艺过程、工艺参数和位移数据等)，以控 制机床的运动，实现零件的机械加工。 常用的控制介质有标准的纸带、磁带和磁盘等。,17,1. 控制介质,控制介质上记裁的加工信息经输入装置输送给数控装置。 常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机和磁盘驱动器等。,微机控制的数控机床，用操作面板 上的按钮和键盘将加工程序直接用键盘输入，并在CRT显示器上显示。,2.数控装置,数控装置是数控机床的核心。 接受输入装置输入的加工信息，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，发出相应的脉冲送给伺服系统，通过伺服系统控制机床的各个运动部件按规定要求动作。,是指一台专用计算机或通用计算机与输入输出接口板以及机床控制接口（可编程控制器） ，所组成的控制装置。它接受来自控制介质的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算，逻辑判断和输入输出控制等功能，主要作用是实现机床辅助功能M，主轴转速功能S和换刀功能T的控制。 SIEMENS(西门子) FANUC(日本的法那克) FAGOR (西班牙的发哥)。,2.数控装置,3、伺服系统,是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件，如主轴驱动、进给驱动。包括伺服电路，功率放大线路和伺服电机等，伺服电机有：步进电机，电液马达，交直流伺服电机。,4、测量反馈装置：,该装置由测量部件和相应的测量电路组成，用来检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置构成闭环控制系统。 常用的测量部件有：脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器等。,5、机床本体,是用于完成各种切削加工的机械部分。 数控机床采用高性能的主轴及进给伺服驱动装置其传动结构得到了简化。 另外，还有配套部件（如：冷却，排屑，防护，润滑，照明储运等一系列装置和辅助装置（编程机和对刀仪等）.,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：,二 数控机床的分类,1.点位控制数控机床 (位置控制) 2.直线控制数控机床 3.轮廓控制数控机床 (连续控制),(一) 按控制系统的特点分类,特点: 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。,1.点位控制数控机床,2.直线控制数控机床,具有准确的定位功能，且能按直线运动进行加工。 例如：简易数控车床，铣床,轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时协调运动(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。 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。,3.轮廓控制数控机床,开环控制数控机床 闭环控制数控机床,半闭环控制数控机床,闭环控制数控机床,(二) 按照伺服系统的类型分类,1.开环控制数控机床,1.开环控制数控机床,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。 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。 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 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。,1.开环控制数控机床的特点：,全闭环数控系统,闭环控制框图,检测装置（光栅）,闭环数控系统,闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接检测运动部件的实际位置， 精度高。 闭环环路内包括机械传动环节多，易导致系统不稳定 闭环数控系统复杂、调试较难、成本高。,闭环数控系统的特点：,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。,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。,半闭环数控系统的特点：,金属切削加工类：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。 成型加工类：数控折弯机、数控弯管机、数控冲裁机等。 特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光切割机等。 其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。,（三） 按工艺用途分类,4、按照CNC装置的功能水平分类,4、按照CNC装置的功能水平分类,1.3机床数控技术的发展,一、数字控制技术与数控机床的产生和发展： 1947年，美国的Parson公司在生产直升飞机叶片轮廓用样板时，利用全数子电子计算机对轮廓路径进行数据处理，这一方案迎合了美空军为开发航天及导弹产品，需要加工复杂零件的需求，于是得到空军的经费支持，1949年，与MIT（麻省理工学院）的伺服机构研究所共同研究。历时三年完成了能进行三轴控制的铣床样机取名“Numerical Control “这就是数控机床的所谓第一号机。,数控机床的产生 1952年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界第一台三座标数控铣床。 其控制装置由2000多个电子管组成，大小约为一个普通实验室那么大。 伺服机构采用一台控制用的小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度。 插补装置采用脉冲乘法器。,我国第一台数控机床,1955年进入实用阶段，这对于加工复杂曲面和促进美国飞机制造业的发展起了重要作用。 美国1983年机床总数比1973年下降了23.1%，而数控机床的总数却增加了2.6倍，产值为总产值的70.9%。 1989年机床总数2826781台，数控有222356台，我国1990年机床总数为3170000台，其中数控23500台，占0.74%。数控机床是高度机电一体化的典型产品，是现代制造技术水平的重要标志，是体现现代机械制造业工艺水平的重要标志。 工业发达国家的高速加工中心主轴最高转速达20000100000r/min.国内中小型加工中心达40006000r/min.,数控技术的发展,数控技术是20世纪制造技术的重大成就之一，综合了计算机技术,自动控制技术，检测技术和机械加工技术的交叉和综合技术领域。数控技术的核心是由计算机（主要是软件）实现对加工过程中的信息处理和控制，实现加工过程的自动化。 第一代: 1952年 ,电子管控制的第一台三坐标联动的铣床； 第二代:1959年,出现了晶体管控制的“加工中心”； 第三代:1965年,出现了小规模集成电路.使数控系统的可靠性得到了进一步的提高； 第四代:1967年以计算机作为控制单元的数控制系统. FMS(Flexible Manufacturing System) ,柔性制造系统。 第五代:1970年,美国英特尔开发使用了微处理器.,我国：1958年开始研制。 经过“六五”的技术引进，散件组装，“七五”的消化吸收，国产化，“八五”自主版权的中高档数控系统的开发和“九五”的数控产业化配套，十年规划又将数控技术列入重点攻关项目。我国已经培养了一支数控队伍，涌现了一批数控企业，开发了我国的机床发展需要的各种档次的数控系统。,我国数控机床发展情况,在20世纪80年代中期引进了国外的控制系统与伺服系统的制造技术，使我国数控技术在品种、数量、和质量方面得到了快速的发展。发展数控机床的生产，已成为目前机床行业的目标，但总的来说技术水平不高，质量不佳，到了1995年“九五”以后，国家扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。,我国数控机床发展情况,当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近300万台）。但我们的机床数控化率仅达到1.9%左右，这与西方工业国家一般能达到20%的差距太大。日本不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。,我国数控机床发展情况,三、数控技术的发展水平和趋势：,1 性能发展方向 （1） 高速高精度高效化速度、精度、效率是机械制造技术的关键性能指标。 （2） 柔性化数控系统本身的柔性，采用模块设计，功能覆盖面大，满足不同用户。群控系统的柔性，依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，最大限度地发挥群控系统的效能。 （3） 工艺复合性和多轴化西门子840D系统控制的轴数可达31轴。 （4） 实时智能化自适应控制，模糊控制，神经网络控制，专家控制，学习控制。,2 功能发展方向 （1） 用户界面图形化。 （2）科学计算可视化使用图形、图像、动画等可视信息。 （3）插补和补偿方式的多样化直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补等。 （4）装高性能PLC可直接用梯型图或高级语言编程。 （5多媒体技术应用多媒体技术