数控技术概述zPPT课件

2020/5/11,.,1,数控技术,2020/5/11,.,2,课程名称：数控技术任课教师：张君电话子邮箱：zhangxj办公室：实验大楼A405,2020/5/11,.,3,本课程学习的基本要求：l不迟到、不早退、不缺课、不打瞌睡l考试方法：本课程为考试课，平时成绩占总成绩30-50（包括考勤，课上讨论和课后作业，实验成绩），其余为期末试卷成绩。实验成绩不及格，课程考核不及格。l先修课程：机械制造技术基础，微机原理，电工电子学，测试技术，机床电器与PLC，机电传动控制等本课程学习任务：l学习数控技术的基本原理和基本知识。（*）l掌握数控插补原理和数控系统的结构组成。（*）l培养对数控系统的分析设计能力。,2020/5/11,4,.,课程的主要结构,第一章数控技术概述第二章数控加工程序输入与预处理第三章CNC装置的硬软件结构第四章数控装置-插补原理第五章检测系统与进给伺服系统第六章数控机床的机械结构简介,2020/5/11,5,.,教材和参考书,教材及参考书：汪木兰数控原理与系统机械工业出版社朱晓春数控技术机械工业出版社王佩夫数控机床控制技术与系统机械工业出版社,2020/5/11,6,.,参考资料网址,中国数控在线：数控中国：华中数控：上海开通数控：南京数控：深圳福斯特数控：http:/www.first-,2020/5/11,7,.,西门子：法那克：中国制造业信息化网：http:/www.e-中国机电信息网：,参考资料网址,2020/5/11,8,.,第一章数控技术概述,2020/5/11,9,.,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介第二节数控加工原理第三节数控机床的分类及特点第四节数控技术的发展动向,第一章数控技术概述,2020/5/11,10,.,第一章数控技术概述,本章提要：本章主要介绍数控技术、数控装备的基本概念、体系结构、工作原理及分类；数控技术及数控装备（机床）的发展动向；数控技术对国民经济的意义。,第一章数控技术概述,2020/5/11,11,.,第一节数控技术简介,第一章数控技术概述,2020/5/11,12,.,第一章数控技术概述,数控技术是什么？,第一章数控技术概述,2020/5/11,13,.,光刻机？印刷机？键合机？绣花机？包装机？铣床？,车床？加工中心？刀？机器人？,第一章数控技术概述,第一章数控技术概述,2020/5/11,14,.,2020/5/11,15,.,2020/5/11,16,.,2020/5/11,17,.,第一节数控技术简介,一、数字控制与数控技术数字控制（NumericalControl，NC）是一种借助数字信息（数字、字符）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。对机床运动轨迹和状态的控制。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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,18,.,数控装备（NumericalControlMachineTools）是采用数控技术对机械的工作过程进行自动控制的一类装备。其中数控机床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。实现了高度的机、电、液、光、气一体化。数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）是以计算机为核心的数控系统。,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介,2020/5/11,19,.,2020/5/11,20,.,第一章数控技术概述,二、数控机床的组成,第一节数控技术简介,CNC机床一般由操作面板、输入输出设备、CNC装置(或称CNC单元)、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体、测量装置组成。图1-1是CNC机床的组成框图。其中除机床本体之外的部分统称为计算机数控系统(CNC)。下面分别介绍其中的主要组成部分：,2020/5/11,21,.,第一章数控技术概述,二、数控机床的组成,第一节数控技术简介,2020/5/11,22,.,1、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：工程面板、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。,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介,2020/5/11,23,.,2、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有：穿孔纸带、磁盘，光盘等。,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介,2020/5/11,24,.,3、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）。,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介,2020/5/11,25,.,4、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。,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介,数控装置主要功能：正确识别和解释数控加工程序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入、输出任务。,数控装置形式：1.由数字逻辑电路构成的专用硬件数控装置NC装置；速度快，但功能扩展性和灵活性差2.计算机数控装置CNC装置主要功能由软硬件共同实现，软件模块化，便于扩展,数控装置的输出：连续控制量伺服系统（驱动）离散控制量机床电器逻辑控制装置,2020/5/11,26,.,5、伺服单元、驱动装置和测量装置它是数控系统的执行部分。其性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。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。作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动或使执行部件动作，以加工出符合要求的零件。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）,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介,2020/5/11,27,.,6、PLC、装备I/O电路和装置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，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成装备相应的开关动作接受操作面板和装备侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和装备的动作。,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介,6、PLC、装备I/O电路和装置主要功能是接受数控装置所控制的内置式可编程控制器(PLC)输出的主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件装夹，冷却、液压、润滑的开或关等辅助操作的信号，经功率放大直接驱动相应的执行元件，诸如接触器、电磁阀等，从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。,2020/5/11,28,.,三、机械装备机械部分：数控装备的主体，是实现制造加工的执行部件。以机床为例组成：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）。,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介,2020/5/11,29,.,第一章数控技术概述,第一节数控技术简介,三、机械装备具有以下特点：1)数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。2)数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小。3)更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等。,2020/5/11,30,.,第二节数控加工原理,第一章数控技术概述,2020/5/11,31,.,第二节数控加工原理,一、数控加工与传统加工的比较,第一章数控技术概述,2020/5/11,32,.,第二节数控加工原理,二、数控加工中数据转换过程,第一章数控技术概述,2020/5/11,33,.,第二节数控加工原理,1、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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,34,.,第二节数控加工原理,2、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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,35,.,第二节数控加工原理,3、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，圆弧等）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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,36,.,第二节数控加工原理,4、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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,37,.,内容小结,1几个基本概念数字控制、数控机床、2.数控系统与数控装备的组成、各部分之间的关系、及其基本功能。3数控加工中数据转换过程中的主要步骤、以及每个步骤的主要功能。,第一章数控技术概述,2020/5/11,38,.,习题与思考题,1名词解释：数字控制、数控技术、数控装备、数控系统2.NC机床由哪儿部分组成，试用框图表示各部分之间的关系，并简述各部分的基本功能。3试用框图表示数控加工中数据转换过程中的主要步骤，并简述每个步骤的主要功能。,第一章数控技术概述,2020/5/11,39,.,第三节数控机床的分类及特点,第一章数控技术概述,2020/5/11,40,.,第三节数控机床的分类及特点,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：,第一章数控技术概述,2020/5/11,41,.,第三节数控机床的分类及特点,一、按工艺用途分类切削加工类：如数控铣床、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、数控弯管机等。特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。,第一章数控技术概述,2020/5/11,42,.,第三节数控机床的分类及特点,第一章数控技术概述,点位控制,点位直线控制,轮廓控制,二、按控制功能分类,2020/5/11,43,.,第三节数控机床的分类及特点,二、按控制功能分类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。保证定位精度，移动速度是“先快后慢”,第一章数控技术概述,2020/5/11,44,.,第三节数控机床的分类及特点,直线控制数控系统能实现点位控制数控系统的功能能实现沿平行某个坐标轴（如X、Y、Z）或两轴等速的方向进行加工；适用范围：数控镗铣床、数控组合机床等。,第一章数控技术概述,2020/5/11,45,.,第三节数控机床的分类及特点,轮廓控制数控系统轮廓控制(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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,46,.,第三节数控机床的分类及特点,三、按联动轴数分，2轴联动（平面曲线）3轴联动（空间曲面，球头刀）4轴联动（空间曲面）5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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,47,.,第三节数控机床的分类及特点,四、按进给伺服系统的类型分类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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,48,.,第三节数控机床的分类及特点,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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,49,.,2020/5/11,50,.,第三节数控机床的分类及特点,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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,51,.,第三节数控机床的分类及特点,半闭环数控系统半闭环数控系统是从驱动装置(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。,第一章数控技术概述,闭环的环路内不包括丝杠、螺母副、导轨、机床工作台这些大惯性环节，这些相关环节的误差不能被补偿。,2020/5/11,52,.,第三节数控机床的分类及特点,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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,53,.,2020/5/11,54,.,第三节数控机床的分类及特点,全闭环数控系统全闭环数控系统直接对运动部件的实际位置进行检测直线位移。带有位置检测反馈装置，以直流或交流电动机作为执行元件凡是被反馈通道包围的前向通道中所有误差都能被反馈补偿丝杠、螺母副、导轨及工作台这些大惯性环节或齿隙非线性环节都包含在闭环内设计、调试困难,第一章数控机床概述,2020/5/11,55,.,第三节数控机床的分类及特点,全闭环数控系统,第一章数控机床概述,检测装置（光栅）,2020/5/11,56,.,第三节数控机床的分类及特点,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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,57,.,第三节数控机床的分类及特点,第一章数控技术概述,数控机床的特点(一)CNC机床与普通机床的区别(二)数控机床的特点(三)数控机床的应用范围,2020/5/11,58,.,第三节数控机床的分类及特点,第一章数控技术概述,数控机床的特点-CNC机床与普通机床的区别CNC机床一般具有手动加工、机动加工和控制程序自动加工功能,加工过程中一般不需要人工干预。CNC机床一般具有屏幕显示功能。CNC机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机。CNC机床一般具有工件测量系统。,2020/5/11,59,.,第三节数控机床的分类及特点,第一章数控技术概述,数控机床的特点-P10自学,1.具有良好的加工柔性2.加工精度高3.加工生产率高4.减轻劳动强度，改善劳动条件5.良好的经济效益6.有利于生产管理的现代化,2020/5/11,60,.,第三节数控机床的分类及特点,第一章数控技术概述,数控机床的特点数控机床的应用范围,2020/5/11,61,.,第四节数控技术的发展动向,第一章数控技术概述,2020/5/11,62,.,第四节数控技术的发展动向,一、产生背景从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有：自动机床；组合机床；专用自动生产线。,第一章数控技术概述,2020/5/11,63,.,2020/5/11,64,.,第四节数控机床的发展动向,这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点：初始投资大；准备周期长；柔性差。,第一章数控技术概述,2020/5/11,65,.,第四节数控技术的发展动向,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。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。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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,66,.,第四节数控技术的发展动向,二、发展沿革1952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。1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。,第一章数控技术概述,2020/5/11,67,.,第四节数控技术的发展动向,第一代：1955年NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。第二代：1959年NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。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”,第一章数控技术概述,2020/5/11,68,.,第四节数控技术的发展动向,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。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：,第一章数控技术概述,2020/5/11,69,.,第四节数控技术的发展动向,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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,70,.,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。20世纪末21世纪初：开放式系统规范（NGC、OMAC、OSACA、OSEC)和数控系统新标准（STEP-NC等）相继开展研究和开发。它是数控技术发展的又一个里程碑。,第四节数控技术的发展动向,第一章数控技术概述,2020/5/11,71,.,第四节数控技术的发展动向,三、发展趋势进入20世纪90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,运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络化,第一章数控技术概述,2020/5/11,72,.,第四节数控技术的发展动向,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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,73,.,第四节数控技术的发展动向,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=60m/min，并且具有1.5g的加减速率；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0.6秒（刀到刀）；2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度4.3秒。,第一章数控技术概述,2020/5/11,74,.,第四节数控技术的发展动向,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。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。,第一章数控技术概述,2020/5/11,75,.,第四节数控技术的发展动向,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；,第一章数控技术概述,2020/5/11,76,.,第四节数控技术的发展动向,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：加工过程自律控制技术加工参数的智能优化与选择智能故障诊断与自修复技术智能化交流伺服驱动装置,第一章数控技术概述,2020/5/11,77,.,