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数控加工与编程,嘉兴学院机电工程学院先进制造技术与装备研究所,数控机床产生与发展数控机床的基本概念数控机床的特点与分类数控机床组成及工作过程数控机床及数控技术的发展趋势,主要内容,第0章绪论,2,主要内容,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,数控技术产生背景：1.单件、小批量生产占机械加工的大部分，尤其在航空、航天、船舶等领域，不仅加工批量小，且零件形状复杂、精度要求高，且需经常变型，传统的自动化机床不适应这些加工形式。(需求背景)2.仿形加工机床部分解决了中小批量复杂零件的加工，但更换零件时，必须制造靠模和调整机床，耗费大量手工劳动，增加了生产准备期，且靠模的误差的影响使加工精度难以达到较高要求。(存在问题)3.实现多品种、小批量产品零件的自动化生产，20世纪40年代世界上诞生了第一台电子计算机，使数控技术的出现称为可能。(可行性),3,主要内容,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,数控机床的产生：1948年，美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升机螺旋桨叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出计算机控制机床的设想，在麻省理工学院（MIT）的协助下，1952年研制成功了世界上第一台三坐标直线插补且连续控制的立式数控铣床。我国于1958年由清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。,4,（1）数控机床结构的发展：,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,60年代之前，普遍采用一般机床。,60年代初，在一般机床的基础上开发了数控加工中心机床。,5,（1）数控机床结构的发展：,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,带两个交换工作台的卧式镗铣加工中心机床。,6,（1）数控机床结构的发展：,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,20世纪70年代后期，在数控加工中心机床的基础上发展了五面体加工中心。,设计思想：为了在一次装夹中完成除了安装底面以外的所有表面和精密孔系加工。,主轴部件可自动更换为立式和卧式布局，从而完成工件不同表面的加工。,7,（1）数控机床结构的发展：,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,在数控加工中心出现以后，加工工序进一步集中仍然是数控机床发展趋势。,带有工业机器人、工件交换系统的车削加工中心和带有工件交换系统的数控齿轮加工机床。,8,（1）数控机床结构的发展：,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,20世纪60年代出现的Stewart平台概念,到20世纪90年代初，应用在数控机床上成为可能。,六杆数控机床(虚拟轴机床、并联机床)是20世纪最具有革命性的机床运动结构的突破。,9,（1）数控机床结构的发展：,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,10,主要内容,第一代数控（1952-1959年）：采用电子管构成的硬件数控系统；第二代数控（1959-1965年）：采用晶体管电路为主的硬件数控系统；第三代数控（1965年开始）：采用小、中规模集成电路的硬件数控系统；第四代数控（1970年开始）：采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统；第五代数控（1974年开始）：采用微型计算机控制的系统；第六代数控（1990年开始）：采用工控PC机的通用CNC系统。,硬件数控,软件数控,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,（2）数控系统的发展：,11,主要内容,（3）伺服系统的发展：,0.1数控机床的产生与发展,第0章绪论,60年代初期与中期，欧美一些国家采用液压伺服系统。,70年代，美国盖梯茨公司研制成功了大惯量直流伺服电机即宽调速直流伺服电机。,80年代初期，美国通用电气公司研制成功了采用鼠笼式异步交流伺服电机的交流伺服系统。,86年之后推出了数字伺服系统的数控机床。,数字伺服系统的出现促进了高精度数控机床的发展。,12,主要内容,数字控制（NumericalControlNC）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。,第0章绪论,0.2数控技术的基本概念,数控技术（NumericalControlTechnology）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。,机床数控技术用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种技术。,13,主要内容,第0章绪论,0.2数控技术的基本概念,计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）以计算机为核心的数控系统。,数控机床（NumericalControlMachineTools）是装有数字控制系统的机床，该系统能够处理加工程序,控制机床自动完成各种加工运动和辅助运动。,数控系统（NumericalControlSystem）是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序，控制机床运动并加工出零件，其核心是数控装置。,14,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,装置,0.3数控机床组成及工作过程,第0章绪论,15,主要内容,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,（1）控制面板,它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。,组成：操作按钮、状态指示灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器。,是数控机床特有部件。,16,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,装置,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,17,主要内容,数控系统与外部设备进行交互的装置。交互的信息通常是零件加工程序。可以通过多种方式获得数控加工程序:穿孔纸带MDI（ManualDataInput）方式软驱USB接口RS232C接口DNC接口,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,（2）输入输出装置,18,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,装置,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,19,主要内容,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,（3）计算机数控装置,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，然后输出控制命令到伺服驱动装置和PLC。CNC装置是CNC系统的核心。,20,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,设备,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,21,主要内容,(4）伺服单元、驱动装置和检测装置主轴伺服单元和主轴电机进给伺服单元和进给电机检测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）,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,22,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,设备,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,23,主要内容,（5）PLC、机床I/O电路和和装置-PLC(ProgrammableLogicController):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,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。,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,24,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,设备,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,25,（6）机床本体,机床本体组成,0.3数控机床组成及工作过程,主运动部件、进给运动部件支承件（立柱、床身等）特殊装置（刀具自动交换、工件自动交换系统）辅助装置（如排屑装置等）,第0章绪论,是实现制造加工的执行部件,26,工艺处理,加工图纸,数学处理,编程手册,数控编程,程序仿真,输入装置,加工程序,毛坯或半成品,数控系统,机床本体,程序编制,成品,译码、数据处理、插补、伺服驱动,N5G01G41X100.0Y100.0D01F100M08;,（7）数控机床工作过程,第0章绪论,0.3数控机床组成及工作过程,27,主要内容,适应性、灵活性好精度高、质量稳定生产效率高劳动强度低、劳动条件好有利于现代化生产与管理使用、维护技术要求高,0.4数控机床的特点与分类,数控机床的特点:,第0章绪论,28,主要内容,数控机床的分类(Types),第0章绪论,0.4数控机床的特点与分类,29,主要内容,点位控制(PointtoPointControlSystems),仅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。,第0章绪论,0.4.1按运动方式分类,30,主要内容,直线控制：不仅要求控制点到点的精确定位，而且要求机床工作台或刀具（刀架）以给定的进给速度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45角的方向进行直线移动和切削加工。,第0章绪论,0.4.1按运动方式分类,31,主要内容,轮廓控制(ContouringControlSystems),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。,第0章绪论,0.4.1按运动方式分类,32,主要内容,轮廓控制(ContouringControlSystems)对多个坐标轴同时进行控制，使之协调运动(坐标联动)，使刀具相对工件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。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。,第0章绪论,0.4.1按运动方式分类,33,主要内容,两坐标加工,三坐标加工,四坐标加工,五坐标加工,二轴半加工,第0章绪论,0.4.1按运动方式分类,34,主要内容,开环控制(Open-LoopServo-Drive),第0章绪论,0.4.2按控制方式分类,35,主要内容,开环控制(Open-LoopServo-Drive),特点:没有位置检测装置，指令信号是单向的。结构简单，制造成本较低，价格便宜,精度一般不高。用于经济型数控车、铣、线切割机床。,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,第0章绪论,0.4.2按控制方式分类,36,半闭环控制(Half-Closed-LoopServo-Drive),第0章绪论,0.4.2按控制方式分类,37,特点:带有位置检测装置，常安装在伺服电机上或丝杠的端部，通过检测伺服电机或丝杠的角位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置值，然后与指令位置值进行比较，进行差值控制。闭环控制环内不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节，因此可以获得稳定的控制特性，而且调试比较方便，价格也较全闭环系统便宜。,第0章绪论,0.4.2按控制方式分类,半闭环控制(Half-Closed-LoopServo-Drive),38,主要内容,闭环控制(Closed-LoopServo-Drive),特点:带有位置检测装置,安装在机床刀架或工作台等执行部件上,随时检测执行部件的实际位置。差值控制，误差修正，直到消除。加工精度很高,但由于它将丝杠螺母副及工作台导轨副这些大惯量环节放在闭环之内,系统稳定性受到影响,调试困难,且结构复杂、价格昂贵。,速度控制,电路,工作台,伺服电机,位置比较,电路,指令脉冲,速度反馈,检测元件,第0章绪论,0.4.2按控制方式分类,39,主要内容,经济型数控机床步进电机实现的开环驱动，功能简单、价格低廉、精度中等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧及螺纹加工。一般控制轴数在3轴以下，脉冲当量（分辨率）多为0.01mm，快速进给速度在10mmin以下。,0.4.3按功能水平分类,第0章绪论,40,主要内容,中档型数控机床采用交流或直流伺服电机实现半闭环驱动，能实现4轴或4轴以下联动控制，脉冲当量为1m，进给速度为15-24mmin，一般采用16位或32位处理器，具有RS232C通信接口、DNC接口和内装PLC，具有图形显示功能及面向用户的宏程序功能。,第0章绪论,0.4.3按功能水平分类,41,主要内容,高档型数控机床采用交流伺服电机形成闭环驱动，开始采用直线伺服电机，能实现5轴以上联动，脉冲当量（分辨率）为0.1-1m，进给速度可达100mmin以上。一般采用32位以上微处理器，形成多CPU结构。编程功能强，具有智能诊断、联网和通信功能。,第0章绪论,0.4.3按功能水平分类,42,主要内容,金属切削数控机床金属成形数控机床特种加工数控机床,按工艺方法分:,第0章绪论,0.4.4按工艺方法分类,43,主要内容,按工艺方法分,数控车床,第0章绪论,0.4.4按工艺方法分类,44,主要内容,数控铣床,第0章绪论,0.4.4按工艺方法分类,45,主要内容,加工中心,第0章绪论,0.4.4按工艺方法分类,46,主要内容,数控弯管机,第0章绪论,0.4.4按工艺方法分类,47,主要内容,按工艺方法分,电火花线切割机床,第0章绪论,0.4.4按工艺方法分类,采用钼丝或硬性黄铜丝作为电极丝，电极丝在高频脉冲电压作用下，击穿液体介质，形成火花放电，同时产生大量的热，使工件表面的金属局部熔化甚至气化，加上液体介质的冲洗作用，以及通过控制器控制拖板运动，使电极丝按预定的轨迹进行切割加工。,48,主要内容,按工艺方法分,数控加工示例:,滚齿,第0章绪论,49,主要内容,按工艺方法分,数控加工示例:,磨削,第0章绪论,50,主要内容,按工艺方法分,数控加工示例:,五轴铣削,叶片加工,第0章绪论,51,主要内容,数控加工示例:,激光切割加工,第0章绪论,52,主要内容,数控加工示例:,水刀切割机,第0章绪论,53,主要内容,（1）数控机床的发展展望,0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,自动控制理论及伺服驱动技术,自动控制理论和伺服驱动技术对数控机床的功能、动态性能和控制品质具有决定性的影响。,对一个具体的控制装置或系统的设计、仿真和现场调试中，自动控制理论具有重要的理论指导作用。,在伺服速度控制环采用前馈控制，使传统的位置环控制的跟踪滞后现象得到了很大改善，而且增加了系统的稳定性和伺服精度。,为了适应不同类型数控机床复杂的控制算法，伺服系统的位置环和速度环采用软件控制。,目前交流伺服电动机驱动逐步取代了其他驱动，与之配套的电力电子技术，提供了瞬时输出很大的峰值电流和完善的保护功能。,54,主要内容,（1）数控机床的发展展望,0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,计算机及信息处理技术,计算机技术包括计算机软件和硬件技术、数据库技术以及网络通信技术。,信息处理技术包括信息的存取、运算、判断、决策和交换，计算机作为信息处理的工具，两者之间具有极为密切的关系。,数控系统中计算机指挥和管理整个系统的有序运行，信息处理的速度、及时和正确将直接影响系统的工作质量和效率。,数控系统还引入人工智能、专家系统、模糊控制、人工神经网络和仿真等技术。,55,主要内容,（1）数控机床的发展展望,0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,精密机械技术,精密机械技术是数控机床的基础，包括精密机械设计和精密机械加工两个方面。,对一台数控机床而言，机械结构和传动占了很大比例，因此不断发展各种新的设计计算方法和新型结构，采用新材料和新工艺，使新一代数控机床的本机具有高精度、高速度、高可靠性、体积小、质量小、维护方便和价格低廉的机械结构。,56,主要内容,（1）数控机床的发展展望,0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,精密检测和智能化传感技术,精密检测和传感技术是闭环和半闭环控制系统中的关键技术，检测和传感装置是实现自动控制的关键环节之一。,精密检测和传感的精度与功能直接影响自动控制的品质，在精度补偿方面发挥重要作用。,精密检测的关键元件是传感器，数控系统要求传感器能快速、精确地获取信息，并在各种各样的工作环境下能够可靠地运行。,与计算机技术的发展相比，传感与检测技术的发展相对滞后。,57,主要内容,（1）数控机床的发展展望,0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,网络和通信技术,随着计算机技术在通信领域的广泛应用，正在对数控机床和以数控机床为基础的柔性制造单元、柔性制造系统以及计算机集成制造系统产生重大影响。,通过网络仿真使零件从概念到数控机床上完成加工的全部过程已在工业化国家成功实现。,计算机网络和通信技术可以充分实现信息资源共享。,通过网络和通信技术实现无纸化的远程管理和监控，可以方便地进行产品异地加工、装配和调试。,58,（2）直接数字控制(DNC),0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,70年代，DNC的含义由简单的直接数字控制发展到分布式数字控制。不但具有直接数字控制的所有功能，而且具有系统信息收集、系统状态监视以及系统控制等功能。,80年代，开始着眼于车间的信息集成，针对车间的生产计划，技术准备，加工操作等基本作业进行集中监控与分散控制，把生产任务通过局域网分配给各个加工单元，并使之信息相互交换。,20世纪60年代，将若干台数控设备直接连接在一台中央计算机上，由中央计算机负责NC程序的管理和传送。目的主要是为了解决早期数控设备因使用纸带输入数控加工程序而引起的一系列问题和早期数控设备的高成本等问题。,59,主要内容,（3）柔性制造系统(FMS),0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,柔性制造系统（简称FMS）是由数控加工设备、刀具系统、物料储运装置、质量检控和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。,FMS-500示意图,60,柔性制造单元,0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,61,柔性制造系统,0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,62,主要内容,（4）计算机集成制造系统(CIMS),0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,由一个多级计算机控制硬件结构，配合一套订货、销售、设计、制造和管理综合为一体的软件系统所构成的全盘自动化制造系统。,包括制造工厂的生产和经营的全部活动，应具有经营管理，工程设计和加工制造等主要功能。通常由管理信息分系统、设计自动化分系统、制造自动化分系统、质量保证分系统和计算机网络分系统和数据库分系统六个部分组成。,63,主要内容,（4）计算机集成制造系统(CIMS),0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,CIMS组成框架图,64,主要内容,0.5数控机床及数控技术的发展趋势,第0章绪论,计算机集成制造系统CIMS系统的分系统关联,65,向高速度、高精度方向发展向柔性化、功能集成化方向发展向智能化方向发展向高可靠性方向发展向网络化方向发展向标准化方向发展向驱动并联化方向发展,第0章绪论,（5）数控技术发展趋势,0.5数控机床及数控技术的发展趋势,66,主要内容,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100000r/min以上。主轴转速的最高加（减）速为1.0g以上。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,数控技术的发展趋势,向高速度、高精度方向发展,高速化,第0章绪论,67,主要内容,提高机械设备的制造和装配精度；提高CNC系统的控制精度；采用误差补偿技术。,（5）数控技术的发展趋势,提高CNC系统的控制精度,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