数控技术概论

主要内容,数控技术概论（2）数控加工编程基础（6）数控加工编程方法（6+2实验）数控装置（4）数控机床的控制原理（8）数控机床检测装置（6+2实验）数控机床伺服驱动系统（8+2实验）数控机床机械结构与装置（4）分布式数字控制技术（2）柔性制造系统（2）,主要内容,概述机床数控技术组成数控加工零件的过程数控机床的特点与分类数控技术的发展趋势,主要内容,主要内容,自从上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；数控技术已成为制造业实现自动化、柔化、集成化生产的基础技术，CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都建立在数控技术之上；,1.1数控技术的基本概念,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；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。,主要内容,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方法”。数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用了数控技术的机床。数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用代码，或其它符号编码指令规定的程序。,主要内容,机床数控技术,机床本体,数控系统,外围技术,数控装置,伺服驱动装置,测量反馈装置,工具系统,编程技术,管理技术,第8章,第4,5章,第6章,第7章,第2,3章,Machinetool,MachineControlunit,Servo-driveunit,FeedbackTransducer,1.2数控技术组成,机床本体,机床本体组成,-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）-特殊装置（刀具自动交换系统、工件自动交换系统）-辅助装置（如排屑装置等）,1.2数控技术组成,2、CA6140卧式车床的布局,传递动力，实现主轴变向、变速的主运动,装夹车刀，实现纵、横和斜向运动,支承长工件，安装孔加工刀具,用于改变进给量或被切螺纹导程,实现刀架纵向、横向进给、快速移动或车螺纹,支承、安装各主要部件,主要内容,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，控制数控机床运动并加工出零件。,计算机数控系统（ComputerNumericalControl，CNC）是以计算机为核心的数控系统。,1.2数控技术组成,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CNC,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,1.2数控技术组成,主要内容,操作面板人机交互,数控车床FANUC系统操作面板。操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试、对机床参数进行设定和修改，还可以通过它了解、查询数控机床（系统）的运行状态，是数控机床特有的一个输入、输出部件。主要有显示装置、NC键盘（功能类似于计算机键盘的按键阵列）、机床控制面板（MachineControlPanel，简称MCP）、状态灯、手持单元(手摇方式增量进给坐标轴)等部分组成。,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,1.2数控技术组成,主要内容,输入输出装置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(数据通信中最重要的、且是完全遵循数据通信标准的一种接口)DNC接口实现数控机床上网,1.2数控技术组成,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,1.2数控技术组成,主要内容,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。,1.2数控技术组成,主要内容,1.2数控技术组成,PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,进给驱动装置,主轴驱动装置,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,1.2数控技术组成,主要内容,伺服单元和驱动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）,1.2数控技术组成,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,1.2数控技术组成,主要内容,PLC、机床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。,1.2数控技术组成,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,数控机床,程序编制,成品,译码、数据处理、插补、伺服驱动,N5G01G41X100.0Y100.0D01F100M08;,1.3数控加工零件的过程,例：德国DMG的数控加工中心,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,1.4数控机床的特点与分类,数控机床的特点:,主要内容,数控机床的分类(Types),1.4数控机床的特点与分类,主要内容,点位控制(PointtoPointControlSystems),按运动控制方式分类:,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。,1.4数控机床的特点与分类,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。,1.4数控机床的特点与分类,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。,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,两坐标加工,二轴半或三坐标加工,四坐标加工,五坐标加工,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,1.4数控机床的特点与分类数控机床中使用多轴联动来加工复杂或高精度曲面或者工件。所谓多轴联动是指在一台机床上的多个坐标轴(包括直线坐标和旋转坐标)上同时进行加工，而且可在计算机数控系统(CNC)的控制下同时协调运动进行。多轴联动加工可以提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。现代数控加工正向高速化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自动化和高可靠性方向发展，而多坐标轴数控机床正体现了这一点。六轴四联动，就是六个坐标轴，四个自由度的加工方法。三个轴是x,y,z,剩下的轴指的是以x,y,z轴为基准旋转,能实现多少功能就是几轴，简单的说法是，每个轴对应一个伺服电机，多轴联动就是这几个电机同时工作，可以合作加工复杂的多维空间。就是刀具的x,y,z能移动,然后再有一个刀具方向能旋转就是4轴,再有两个方向能旋转就是5轴,三个方向都能够转动就是6轴。四联动则降低了编程要求，在工件一定部位加工时，只使用其中的4个自由度变化，其它两个固定，可以简化编程要求。比如固定主轴距离和该轴向刀具旋转，加工一刀，然后用下一个固定这两个参数再加工下一刀，以此加工完整个工件比如曲面。,主要内容,开环控制(Open-LoopServo-Drive),按伺服系统类型分类:,1.4数控机床的特点与分类,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,1.4数控机床的特点与分类,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。,1.4数控机床的特点与分类,半闭环控制(Half-Closed-LoopServo-Drive),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,位置反馈,检测元件,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,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。,1.4数控机床的特点与分类,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。,按功能水平分类:,1.4数控机床的特点与分类,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。,1.4数控机床的特点与分类,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。,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,1.4数控机床的特点与分类,直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。直线电机与旋转电机相比，主要有如下几个特点：(1)结构简单，直线电机不需把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而系统本身结构大为简化，重量和体积大大下降；(2)定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可消除中间环节所带来的各种定位误差，定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；(3)反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；(4)工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长。,主要内容,分为：金属切削数控机床、金属成形数控机床、特种加工数控机床。数控弯管机管子是怎样弯成的也可分为：普通数控机床（指加工用途、加工工艺单一的机床）和加工中心（指带有自动换刀装置、能进行多工序加工的机床）。,按工艺方法分:,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,按工艺方法分,数控车床,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,按工艺方法分,数控车床,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,按工艺方法分,数控车床,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,按工艺方法分,数控车床,双主轴,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,按工艺方法分,数控车床,双主轴、双刀塔CNC车床结构示意,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,按工艺方法分,双主轴、3刀塔的复合加工CNC车床,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,数控铣床,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,加工中心,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,按工艺方法分,线切割,1.4数控机床的特点与分类,主要内容,按工艺方法分,数控加工示例1:电火花加工螺纹孔电火花加工是基于电火花腐蚀原理，即工具和工件（正、负电极）相互靠近时，极间电压使电介质电介液电离而形成火花放电，并在火花通道中瞬时产生大量热能，足以使金属局部熔化甚至气化，从而蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。,绝缘陶瓷ZrO2上电火花加工的螺纹孔,绝缘陶瓷ZrO2上电火花加工的100个3mm小孔,按工艺方法分,为了解决高密度、高深径比复杂形状微细孔、微细轴、销、冲头的加工问题，松下电气生产技术研究所的正木健和田纪彦开发了反复反拷精微微细电火花加工技术。,在直径1mmCuW上加工的25根直径14.3m，长200m的一体化(整体)微细多电极，25根微细电极直径分散度0.38m。,在WC硬质合金上加工2列，每列12根，直径125m，长度2mm的高密度高深径比微细圆柱。,与传统金属切削加工相比，数控电火花成型加工机床加工具有如下特点：1）采用成型电极进行无切削力加工；2）电极相对工件做简单或复杂运动；3）工件与电极之间的相对位置可手动控制或自动控制；4）加工一般浸在煤油中进行；5）加工中几乎不受热的影响，可以提高加工后的工件质量；6）一般只能用于加工金属等导电材料，只有在特定条件下才能加工半导体和非导电体材料；7）加工速度一般较慢，效率较低，且最小角部半径有限制；8）主要是对盲孔进行加工，较适合于型腔模的加工。,根据电火花成型加工的以上特点，这种加工方法被广泛应用于机械（特别是模具制造，例如各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜的型腔）、宇航、航空、电子、电动机、电器、精密微细机械、仪器仪表、汽车、轻工等行业，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。其加工范围从小至几十微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。,脱硫除尘螺旋喷嘴,拉丝模,冷冲模,电火花成形加工,主要内容,数控加工示例1:电火花线切割加工数控电火花线切割机床是特种数控加工机床的一种，是在电火花加工基础上用线状电极（钼丝或铜丝）火花放电对工件进行切割，故称为电火花线切割，简称线切割。,电火花线切割加工上下异型零件,数控电火花线切割机床以工件（导电或半导电材料）为正电极，以金属线（纯铜、黄铜、钨、钼或各种合金线）或各种镀层金属线为负电极。脉冲电源发出脉冲电压，加在正负电极之间，同时在正负电极之间浇注矿物油、乳化液或去离子水（纯净水）等具有绝缘性能的工作液，当正负极的距离小到一定程度时，在脉冲电压的作用下，工作液被击穿，在正负极之间形成瞬间放电通道，产生瞬时高温，使金属局部熔化甚至气化而被蚀除下来。若工作台带动工件不断进给，不断地产生火花放电，使工件不断地被电蚀，就能切割出所需要的形状。,电火花线切割加工的应用,电火花线切割加工,数控电火花线切割与其他加工方式相比：1）数控线切割加工是轮廓切割加工，直接利用线状的电极丝作电极，大大降低了加工费用，缩短了生产周期。2）直接利用电能进行脉冲放电加工，工具电极和工件不直接接触，两者之间的作用力很小，故而电极丝、夹具不需要太高的强度，无机械加工中的宏观切削力，适宜于加工低刚度零件及细小零件。3）电极丝材料不必比工件材料硬，能加工各种高硬度、高强度、高韧性和高脆性的导电材料。4）切缝可窄达仅0.005mm，只对工件材料沿轮廓进行“套料”加工，材料利用率高，特别适合模具加工。5）利用线电极加工，移动的长电极丝连续不断地通过切割区，单位长度电极丝的损耗量较小，加工精度高，特别在慢走丝线切割加工中，电极丝一次性使用，电极丝损耗对加工精度的影响更小。,电火花线切割加工,数控电火花线切割与其他加工方式相比：6）一般采用水基工作液或纯水，可避免发生火灾，安全可靠，可实现昼夜无人值守连续加工。7）通常用于加工零件上的直壁曲面，也可进行锥度切割和加工上下截面异形体、形状扭曲的曲面体和球形体等零件；对微细异型孔、窄缝和复杂形状工件有优势。对不同的工件只需编制不同的控制程序，易实现自动加工，适合小批量形状复杂零件、单件和试制品，加工周期短。8）可以实现凸凹模一次加工成型。9）加工薄件时可多片叠在一起加工。10）主要是对通孔加工，不能加工盲孔及纵向阶梯表面。11）对粗、中、精加工，只需调整电参数即可，操作方便、自动化程度高。12）当零件无法从周边切入时，工件上需钻穿丝孔。,数控电火花线切割机床的工艺范围,a）各种形状孔及键槽b）齿轮内外齿形c）窄长冲模d）斜直纹表面曲面体e）各种平面图案,图数控线切割加工的生产应用,目前国内外的线切割机床已占电加工机床的60以上。图为数控线切割加工出的多种表面和零件。,加工中心DMG,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,1.5数控技术的发展趋势,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,1.5数控技术的发展趋势,主要内容,1.向高速度、高精度方向发展,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,1.5数控技术的发展趋势,主要内容,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。,1.5数控技术的发展趋势,主要内容,向高速度、高精度方向发展,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。,1.5数控技术的发展趋势,在数控机床进给传动链的各环节中，如齿轮传动、滚珠丝杠螺母副等都存在反向间隙。反向间隙是影响机械加工精度的因素之一，当数控机床工作台在其运动方向上换向时，由于反向间隙的存在会导致伺服电机空转而工作台无实际移动，此称为失动。若反向间隙数值较小，对加工精度影响不大则不需要采取任何措施。若数值较大，则系统的稳定性明显下降，加工精度明显降低，尤其是曲线加工，会影响到尺寸公差和曲线的一致性，此时必须进行反向间隙的测定和补偿。,主要内容,1.5数控技术的发展趋势,在精密加工中，由机床热变形所引起的制造误差占总误差的40%70%。减少机床热变形误差通常有以下几种方法:(1)改进机床的结构设计；(2)控制机床重要部件的温升，如进行有效的冷却和散热；(3)均衡温度场；(4)建立温度变量与热变形之间数学模型，用软件预报误差，用NC进行补偿，以减少或消除由热变形引起的刀具位移。热变形误差补偿技术一般采用事后补偿，通过各种检测手段对数控加工时产生的误差进行直接或间接的测量，然后根据已经建立的误差补偿模型进行误差补偿计算，将计算结果反馈给数控系统，使控制器发出相应的控制误差补偿指令以补偿相应的热误差。综合误差是由几何误差和热误差相互耦合而成(非简单相加而成)，根据数控机床实时的综合误差和理想加工指令求出精密加工指令的过程称为数控机床的综合误差补偿。,主要内容,