数 控 技 术.ppt

数控技术,主讲:周为民南华大学机械工程学院,数控技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率只有20%左右。工业化国家经济总产值的50%（如：日本）至68%（如：美国）是由制造业创造的，数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要体现，数控技术的水平和普及程度是衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志，从某种意义上来说，甚至涉及到一个国家的国防安全。例如，1983年发生的“东芝事件”。,五轴联动数控铣床加工制造核潜艇推进螺旋桨,改进核潜艇性能。,东芝事件,1983年发生的“东芝事件”：苏联、日本联手打破美国技术封锁,本课程的性质和任务,课程的性质:数控技术是先进制造技术的基础和核心技术，是一个工业化国家核心竞争力的重要组成部分。本课程集机械制造技术、信息技术、微电子技术和自动化技术等为一体，是机械设计制造及其自动化专业的一门综合性专业技术必修课程。课程的任务:是以数控机床为对象，研究数字控制系统的工作原理、组成及其在数控机床上的应用。通过本课程的学习，使学生掌握数控技术的基本原理和基础知识，掌握数控编程方法和技术，学会合理选用计算机数控系统，培养学生正确使用数控设备的能力。,教学目的与要求教学目的:主要目的是培养学生全面了解数控机床这一典型机电一体化设备的组成及特点；掌握机床数控装置、伺服装置、检测装置的组成与控制原理；掌握一般零件车、铣数控加工工艺设计、数控程序的编制与加工方法；了解数控机床的典型机械结构等知识，培养学生了解并掌握现代数控的最新技术成果，适应当今应用数控技术的需要。教学要求:以数控加工信息流为主线，以数控技术的基本概念、数控机床的组成及特点、数控加工编程基础知识为先导，以机床数控装置、伺服装置、检测装置的组成与控制原理、数控加工工艺设计、数控程序的编制与零件加工方法为重点。,本课程共计40学时。其中：理论课32，实验8课时.本书章节课时分配:共计32课时第1章:概论2课时第2章:手工编程14课时第3章:数控加工工艺4课时第4章:数控（CNC）系统4课时第5章:数控伺服系统4课时第6章:数控机床的结构2课时第7章:数控加工自动编程2课时其中：1/4的内容需要自学。,讲解顺序:基本上按教材顺序讲解，但在讲第2章时，有较大的变动，请同学们在预习时特别留意:第2章2.1数控编程的基础知识2.2数控编程的常用指令与格式（2课时）第3章3.1数控车削加工工艺设计（2课时）第2章2.3数控车削加工程序编制（6课时）第3章3.2数控铣削加工工艺设计（2课时）第2章2.4数控铣削加工程序编制（6课时）2.5自学第7章：数控加工自动编程（2课时）,本课程的课时数本课程共计40学时。其中：理论32课时，实验8课时。各章课时分配如下(精品课程安排)：第一章:概论2课时第二章:数控加工手工编程10课时第三章:数控加工工艺设计4课时第四章:计算机数控（CNC）系统4课时第五章:数控机床的伺服系统3课时第六章:数控机床的结构3课时第七章:数控加工自动编程与数控加工实例6课时,本课程的考核方式：课程考试(70%)+实验(20%)+平时成绩(10%)教材：张春良等编，数控加工技术，科学出版社，2011.1参考资料：1）董玉红编,数控技术,高等教育出版社,2004.22）朱晓春主编，数控技术，机械工业出版社，2006.13）龙飞主编，MastercamX应用基础教程，上海科学普及出版社，2008.2,目录,1.1数控加工技术的基本概念一、基本概念二、数控机床的工作原理三、数控加工特点四、数控机床的主要性能指标1.2数控机床的组成与分类一、数控机床的组成二、数控机床的分类1.3数控加工技术的发展一、数控加工技术发展简述二、先进数控加工技术三、数控加工技术的发展趋势,一、基本概念,1.1数控加工技术的基本概念,1、数字控制（NumericalControl，NC），简称数控：就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。例：数控程序指令N30G90G01X35.0Y279.3Z-429.7S1000T02F500M07；2、数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。以计算机为核心的数控系统称为计算机数控系统（ComputerNumericalControl），简称CNC系统.,3、数控机床（NumericalControlMachineTools）：就是装备有计算机数控系统的自动化机床。4、数控加工：是指在数控机床上进行工件切削加工的一种工艺方法。数控机床将加工过程的各种机床动作，由数字化的代码表示，通过某种载体将信息输入数控系统的计算机对数据进行处理，并控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床加工出所需要的工件。例如：,5轴铣削加工鞋模,叶轮加工,二、数控机床的工作原理,1、数控机床的基本工作过程,（1）零件加工工艺分析（2）数控加工程序的编制（3）程序输入与处理（4）发出运动指令（5）位置控制和切削加工,图1.1数控机床工作过程框图,零件工艺分析,编写零件的加工程序,零件的加工程序输入CNC系统,刀具路径模拟,零件加工,根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。,按规定的程序代码、格式编写零件加工程序单；或用CAD/CAM生成零件的加工程序。,操作面板输入、串行通信（DNC）输入、磁盘输入等。,机床空运行、软材料（铝、塑料）或工件材料首件试切，以检验CNC程序的正确性。,通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。,数控加工流程图,2、数控系统的工作过程,数控系统是数控机床的控制中心，通常是由一台安装有专门系统软件的计算机构成。数控系统的工作过程如下：（）数据输入：输入数控系统的有零件程序、控制参数、补偿数据等。（）译码处理：将零件程序以一个程序段为单位进行处理。将程序段中的零件轮廓信息、加工速度信息以及辅助功能等信息解释成计算机能够识别的数据形式。（）数据处理：一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。（）插补运算：如下图示。,下图为平面任意曲线L，要求刀具沿（逼近）曲线轨迹运动，进行插补切削加工。如图所示,将曲线L分割成：l1、l2、l3、li等线段。用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差相当小时，这些逼近线段之和就接近了实际曲线。,刀具,图1.4曲线插补,上述切削加工是在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动（小线段、小圆弧）代替实际曲线运动，得出所需要的运动轨迹,这就是数控加工轮廓的基本思想-插补运算。插补的概念（Interpolation）:就是在已知曲线的起点和终点之间,确定一些中间点坐标值的计算方法，即进行数据点的密化工作,然后用已知线型（如直线、圆弧等）进行逼近。,插补有二层意思：一是基本线型的形成，二是如何分段逼近,如上图1.4所示。基本线型：由程序中的插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补等，数控系统的插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。分段逼近：按允许的误差进行弦线逼近、割线逼近、切线逼近等，如上图1.4所示插补逼近方式有割线逼近，也有弦线逼近。通常，我们把数控机床上刀具运动轨迹是直线时称为直线插补，是圆弧时称为圆弧插补。,（）位置控制：可由软件或由硬件实现，其主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机，进而控制机床工作台（或刀具）的位移。,、伺服系统的工作原理在数控机床中，伺服系统接收来自数控系统的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动，实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。,数控机床的工作原理将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，并输入数控装置，经过信息处理、分配，控制机床各坐,标轴以最小位移量(通常只有0.001mm)为单位进行移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工,如图1.5所示。数控机床的加工，实质是应用了“微分”原理（最小位移量-微分）。,图1.5数控机床加工原理,三、数控加工特点,（1）数控加工特点1)自动化程度高，能减轻工人的劳动强度和改善劳动条件；2)零件加工精度高、加工质量稳定；3)加工生产率高；4)良好的经济效益；5)复杂产品加工能力强；6)适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件；7）有利于生产管理的现代化。（2）数控加工适用范围1)多品种小批量生产的零件；2)几何形状复杂的零件；3)需进行多种工序加工的零件；4)加工精度高的零件；5)贵重零件；6)需要频繁改型的零件；（3）缺点1)初次设备投资大；2)对使用者技术要求高。,四、数控机床的主要性能指标,表1.1数控机床的主要性能指标,续表,1.2数控机床的组成与分类,一、数控机床的组成,图1.6数控机床的组成,（1）输入、输出装置（控制介质）：程序、参数、数据等的输入通道。输入方式有磁盘、MDI（手动数据输入）方式、RS232接口、光电阅读机等。（2）数控装置：是数控机床的核心。包括CPU、存储器、各种接口电路等硬件和相应的软件。,数控装置的主要功能：多轴联动。多种函数插补：直线、圆弧、抛物线、螺旋线、样条等。多种程序输入功能。信息转换功能：EIA/ISO、公制/英制、绝对值/增量值、坐标变换等。补偿功能：刀具长度补偿、刀具半径补偿、间隙、螺距误差补偿等。多种加工方式选择（平移、镜像、旋转）。故障自诊断功能。显示功能：用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形、三维动态图形。通讯和联网功能。,（3）伺服驱动装置：接受数控装置来的指令，将信号进行调解、转换、放大后驱动伺服电机，带动机床执行部件运动。（4）检测反馈装置：速度、位置检测反馈装置，由检测元件和相应的电路组成。（5）机床主机：是数控机床的主体，包括主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件等。（6）机电接口等。,二、数控机床的分类,1、按工艺方法分类（1）金属切削类数控机床，如：数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控镗床、数控磨床等（2）金属成型类数控机床，如数控折弯机、数控弯管机等（3）特种加工类数控机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光加工机床等（4）其它类型数控机床，如三坐标测量机等,2、按控制运动轨迹分类1、点位控制数控机床2、直线控制数控机床3、轮廓控制的数控机床点位控制：如图1.6所示.对于一些加工孔的数控机床，需严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。典型的机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。,直线控制：如图1.7所示.特点：（1）控制两相关点的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线；（2）路线由与各个轴线平行的直线段组成；（3）使用于数控车床、数控镗铣床、加工中心等。,轮廓控制：如图1.8所示,加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。典型机床有数控车床、数控铣床、加工中心等。轮廓控制也称连续轨迹控制，其特点是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的比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹。,3、按控制方式分类,（1）开环控制的数控机床如图1.9所示,没有检测反馈装置。,图1.9开环控制数控机床系统框图,（2）闭环控制的数控机床如图1.10所示，检测元件装在工作台上，直接检测直线位移（检测元件：感应同步器、光栅）,图1.10闭环控制数控机床系统框图,（3）半闭环控制的数控机床检测丝杠或电动机轴旋转角位移（角位移检测元件：旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等）,图1.11半闭环控制数控机床系统框图,（1）高档（2）中档（3）低档,经济型数控：在我国指由单板机、单片机和步进电动机组成数控系统和其它功能简单、价格低的数控系统。,图1.12经济型数控,4、按功能水平分类,一、数控加工技术发展简述,1、数控机床的产生随着科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。,1.3数控加工技术的发展,图1.13自动机床、组合机床与专业自动生产线,在机械制造业中，80以上属单件与小批生产。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是批量小、改型频繁、零件形状复杂、精度要求高。即使是大批量生产,也改变了产品长期不变的做法。仿形加工机床部分地解决了小批量、复杂零件的加工。但制造靠模和调整机床费时，加工零件的精度较低。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是高精度、复杂型面零件加工及自动化的要求而产生。,1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升飞机叶片轮廓样板时，提出了用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。1949年，受美国空军委托，与麻省理工学院伺服机构研究所合作进行研制工作。1952年试制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床。并于1955年进入实用阶段。德国、英国、日本等国家相继开始研制数控机床。世界著名的数控系统厂家主要有日本的FANUC公司、德国的SIEMENS、美国的A-B公司等。1958年我国开始研制数控机床。,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数控系统；第六代数控（1990年开始）：采用工控PC机的通用CNC系统。,硬件数控阶段,软件数控阶段,2、数控机床的发展,1、直接数控系统（DNC）：计算机直接数控（DirectNumericalControl，DNC）系统，就是用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，然后将编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。,二、先进数控加工技术,图1.14直接数控系统框图,2、柔性制造系统(FMS)：柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，柔性制造系统是由加工系统、物料储运系统和信息控制系统等组成，如图1.15所示。,3、计算机集成制造系统(CIMS)：计算机集成制造系统（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用计算机网络和数据库技术,从产品的定货、设计、工艺、制造到销售的全过程集成为一个整体，以保证企业信息的共享性、可靠性和及时性，实现生产的自动化和柔性化。,1958年:起步；20世纪50年代末60年代中：研制、开发时期；1965年开始研制晶体管式数控系统。1968年研制成了CJK-18晶体管式数控系统和X53K-1G立式数控机床；20世纪70年代初：数控加工中心相继在上海、北京研制成功；20世纪80年代初：从日本、美国等国引进数控装置及伺服系统技术；1985年：进入实用阶段；1985年以后：在引进、消化的基础上，进行了大量的开发工作，我国数控机床进入稳定发展时期；近年来，我国数控机床进入了快速发展时期。,我国数控机床的发展,中央电视台多次报道我国数控机床的发展情况,市场占有率5年翻一番，现在国产数控机床国内市场占有率从5年前的不足15%跃升到了30%。国产数控机床：突出重围，打造出自主品牌新天地。国产数控机床：自主创新支撑中国制造。齐重数控、华中数控：用“中国大脑”装备“中国制造”。沈阳机床、广州数控：自主创新，提升企业核心竞争力。,尽管我们取得了一些成绩，但我们也要清醒的认识到我们的差距。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年，在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。国外公司在中国数控系统销量中的80%以上是普及型数控系统。所以建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控技术总体水平，迫在眉睫。,三、数控技术的发展趋势,运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化驱动并联化交互网络化,主要内容,1.运行高速化,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以上主轴转速的最高加（减）速为1.0g以上换刀速度0.5秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度更高,主要内容,2.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系统控制精度措施：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。,主要内容,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。,主要内容,3.功能复合化,工件自动装卸、工件自动定位；刀具自动对刀；工件自动测量与补偿；集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工机床”等。,主要内容,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；,主要内容,4.控制智能化,配置各种微型传感器，具有监控和误差自动补偿功能。,“不仅有体力，而且有头脑，自己管理自己”,自适应控制技术,主要内容,5.驱动并联化,设计巧妙的5杆并联机构数控机床,电滚珠丝杠,电主轴,主要内容,6.交互网络化,除有RS232C串行接口、RS422等接口外，还带有DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。有的已配备与工业局域网（LAN）通信的功能以及MAP接口，促进系统集成化和信息综合化，使远程操作和监控、遥控及远程故障诊断成为可能。,主要内容,7、其它方面:新型功能部件,在传统机床中，电动机和机床部件是借助耦合元件