数控培训班理论课件.ppt

数控技术基础,第一章概述,什么是数控机床？1、数控机床的产生1952年美国Parsons&MIT世界第一台三坐标数控铣床2、数控技术与数控机床数控-即数字控制（NumericalControl,NC），是采用数字化信息实现自动化控制的技术。数控机床-是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床,数字控制（NC）数控系统（NCSystem）数控装置（NCU）计算机数控（CNC）直接数字控制（DNC）手动数据输入（MDI）加工中心（MC）自动换刀装置（ATC）自动托盘交换装置（APC）柔性制造单元（FMC）计算机集成制造系统（CIMS）,3、数控机床的组成4、数控机床的工作原理,输入、输出装置,计算机数控装置,伺服驱动装置,机床本体,数控装置根据接受的信号，控制机床、刀具选择等运动，使各装置按照数控程序给定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。1）存储介质用于存放编好的数控程序。如：八单位标准穿孔纸带、磁盘等。2）输入、输出装置是机床与外部设备的接口.主要有：纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等。3）数控装置是数控机床的核心，将接收的数字化信息经过处理转换成各种指令信息输出给伺服系统，使设备按规定的动作执行。,4）伺服系统把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动，是数控系统的执行部分。常用的有：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机等。5）检测反馈系统通过对机床实际情况的检测、比较，计算出偏差，并发出纠正误差指令，进而提高机床的加工精度。测量反馈系统可分为：半闭环和闭环两种系统6）机床的机械部件加工运动的实际机械部件。主要包括：主运动部件，进给运动执行部件、支承部件，还有冷却、润滑、转位部件等辅助装置。,7）可编程控制器(PLC)数控设备用可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。数控设备用PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC从属于CNC装置，PLC硬件电路可与CNC装置其它电路制作在同一块印刷板上，也可以作成独立的电路板。独立型PLC独立CNC装置，本身具有完备的硬、软件功能，可以独立完成所规定的控制任务。,5、数控机床的逻辑组成,6、数控机床的分类按工艺用途分类1）数控车床（NCLathe）。2）数控铣床（NCMillingMachine）。3）加工中心（MachineCenter）。4）数控钻床（NCDrillingMachine）。5）数控镗床（NCBoringMachine）。6）数控齿轮加工机床（NCGearHollingMachine）。7）数控平面磨床（NCSurfaceGrindingMachine）。,8）数控外圆磨床（NCExternalCylindricalGrindingMachine）。9）数控轮廓磨床（NCContourGrindingMachine）。10）数控工具磨床（NCToolGrindingMachine）。11）数控坐标磨床（NCJigGrindingMachine）。12）数控电火花加工机床（NCDiesinkingElectricDischargeMachine）。13）数控线切割机床（NCWireElectricDischargeMachine）。14）数控激光加工机床（NCLaserBeamMachine）。15）数控冲床（NCPunchingPress）。16）数控超声波加工机床（NCUltrasonicMachine）。17）其他（如三坐标测量机等）。,按运动方式分类1）点位控制系统（PositioningControl）只控制刀具相对于工件定位点的位置，不控制点与点之间的运动轨迹，移动过程中不进行切削加工。,2)直线控制系统（Straight-lineControl）控制刀具或机床工作台以给定速度,沿平行于某一坐标轴方向，或沿着与坐标轴成一定角度的斜线方向，由一个位置到另一个位置的精确移动并进行切削加工。,3）轮廓控制系统（ContourControl）能同时控制25个坐标轴，使刀具和工件按平面、曲面或空间曲面轮廓的规律进行相对运动，加工出复杂的零件。运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。,按控制方式分类1）开环控制系统（OpenLoopControl）系统没有位置反馈元件，通常用功率步进电机或电液伺服电机作为执行机构。精度主要取决于伺服元件和机床传动元件的精度、刚度和动态特性。特点是：系统简单，调试维修方便，工作稳定，成本较低，但控制精度较低。,2）闭环控制系统（ClosedLoopControl）在机床移动部件上装有位置检测装置，用偏差进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位。精度主要取决于测量元件的精度。优点是：精度高、速度快。主要用于：精度要求较高的机床。,3）半闭环控制系统（Semi-closedLoopControl）位置检测装置安装在传动丝杠的端部，间接测量执行部件的实际位置。特点：精度介于开环与闭环之间，调试方便，稳定性好，应用较广。,按系统功能分类1）经济型数控机床2）全功能型数控机床,7、数控机床的发展趋势1）高速化2）高精度化3）多功能化4）智能化5）高可靠性6）综合自动化、集成,链接：数控机床的发展趋势,十五目标数控机床年增长率:18%到2005年产量:2500030000台品种:2000种数控化率:20%2000年，号称“数控王国”的日本的金切机床产值数控化率和产量数控化率更是分别高达88.5%和59.4%。而我国机床行业的产值数控化率仅为22.7%，产量数控化率为9.1%，与日本1976年的情况相近。,补充：CNC简介,初步认识：CNC装置是数控加工用专用计算机，除具有一般计算机结构外，还有与数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。,CNC系统的主要工作过程1.正常工作前的准备工作在接通电源后，CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。2.零件加工控制信息的输入CNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。3.数控加工程序的译码和预处理加工控制信息输入后，启动加工运行，此时CNC装置在系统控制程序的作用下，对数控程序进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。,4.插补计算一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理。所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的运动序列指令。5.位置控制各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。,CNC装置的功能及特点CNC装置采用了微处理器、存储器、接口芯片等，通过软件实现过去难以实现的许多功能，因此CNC装置的功能要比过去的NC装置的功能丰富得多，更加便于适应数控机床的复杂控制要求。一、CNC装置的功能数控装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统的必备功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC装置的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能指令代码上。下面简要介绍以下CNC装置的功能。,控制功能控制功能是指CNC装置能够控制的以及能够同时控制的轴数。控制功能是数控装置的主要性能指标之一。控制轴有移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。控制轴数越多，特别是同时控制轴数越多，CNC装置的功能越强，同时CNC装置就越复杂，编制零件加工程序也就越困难。准备功能准备功能也称G功能，用来指令机床动作方式的功能，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环等指令。它用地址G和它后续的两位数字表示。ISO标准中，准备功能从G00G99共100种。,插补功能CNC装置是通过软件进行插补计算，连续控制时实时性很强，计算速度很难满足数控机床对进给速度和分辨率的要求。因此实际的CNC装置插补功能被分为粗插补和精插补。进行轮廓加工的零件的形状，大部分是直线和圆弧构成，有的是由更复杂的曲线构成，因此有直线插补、圆弧插补、抛物线插补、极坐标插补、螺旋线插补、样条曲线插补等。实现插补运算的方法有逐点比较法和数字积分法等。,CNC系统中具有的插补功能有直线插补功能、圆弧插补功能、抛物线插补功能以及螺旋线插补功能等。直线和圆弧插补功能采用的插补算法一般为脉冲增量插补算法和数字增量插补（数据采样插补）算法。逐点比较法又称区域判别法或醉步式近似法。基本思想是被控制对象在数控装置的控制下，按要求的轨迹运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较，根据比较的结果决定下一步的移动方向。逐点比较法可以实现直线和圆弧插补。逐点比较法的应用对象主要在两坐标开环CNC系统中应用。,逐点比较法直线插补算法：,判别函数及判别条件如图所示，对XY平面第一象限直线段进行插补。直线段起点位于坐标原点O，终点位于A（Xe,Ye）。设点P（Xi，Yi）为任一动点。若P点在直线OA上，则：XeYiXiYe=0若P点在直线OA上方，则：XeYiXiYe0若P点在直线OA下方，则：XeYiXiYe0时，加工点P落在直线上方；当F0时，应该向+X方向发一脉冲，使刀具向+X方向前进一步，以接近该直线。当F0做同样的处理，既都向+X方向发一脉冲。,迭代法偏差函数F的推导为了减少计算量，通常采用迭代法计算偏差函数F:即每走一步，新加工点的偏差用前一点的偏差递推出来。F0时，应向+X发出一进给脉冲，刀具从现加工点（Xi,Yi）向+X方向前进一步，达到新加工点（Xi+1,Yi），则新加工点的偏差值为：Fi+1,i=XeYiXi+1Ye=XeYi(Xi+1)Ye=XeYiXiYe-Ye=FYeF0时，应向+Y发出一进给脉冲，刀具从现加工点（Xi,Yi）向+Y方向前进一步，达到新加工点（Xi+1,Yi），则新加工点的偏差值为：Fi+1,i=XeYi+1XiYe=Xe(Yi+1)XiYe=XeYiXiYe+Xe=F+Xe,N,逐点比较法工作循环图,（4）插补步骤,例题：设欲加工的直线位于XY平面的第一象限，直线的起点坐标为坐标原点，终点坐标为Xe=5，Ye=3。试用逐点比较法对该段直线进行插补，并画出插补轨迹。解插补过程运算过程如下表所示，表中Xe，Ye是直线终点坐标，n为总步数，n=|Xe|+|Ye|=8。,逐点比较法直线插补轨迹,固定循环加工功能用数控机床加工零件，一些典型的加工工序，如钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削、切螺纹等，所需完成的动作循环十分典型，将这些典型动作预先编好程序并存储在存储器中，用G代码进行指令。固定循环中的G代码指令的动作程序要比一般的G代码所指令的动作要多得多，因此使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。,进给功能进给功能用F直接指令各轴的进给速度进给速度表示刀具每分钟移动的距离,单位是mm/min同步进给速度为主轴每转时进给轴的进给量,单位是mm/r。快速进给速度它是通过参数设定的，用G00指令指定，同时可以通过操作面板上的快速倍率开关修正。进给倍率操作面板上设置了进给倍率开关，可以对程序中指定的F值进行修正。倍率可在0%200%之间变化。,主轴功能主轴功能就是指定主轴转速的功能，用地址S和它后续的数值表示，单位是r/min。主轴的转向要用M03、M04指令指定。辅助功能辅助功能是数控加工中不可缺少的辅助操作，用地址M和它后续的数字表示。在ISO标准中，可有M00M99共100种。辅助功能用来规定主轴的起、停，冷却液的开、关等。刀具功能刀具功能是用来选择刀具，用地址T和它后续的数值表示。刀具功能一般要和辅助功能一起使用。,补偿功能加工过程中由于刀具磨损或更换刀具，以及机械传动中的丝杠螺距误差和反向间隙，将使实际加工出的零件尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。因此CNC装置设计了补偿功能，它可以把刀具长度、刀具半径的补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙误差的补偿量输入到CNC装置的存储器，它就按补偿量重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件。字符显示功能CNC装置可以配置单色或彩色CRT，通过软件和接口实现字符和图形显示。可以显示加工程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、零件图形、动态刀具运动轨迹等。,（十一）自诊断功能CNC装置中设置了各种诊断程序，可以防止故障的发生或扩大。在故障出现后可迅速查明故障类型及部位，减少因故障而造成的停机时间。（十二）通信功能通常具有RS232C接口，有还备有DNC接口。现在部分数控机床还具有网卡，可以接入互联网。（十三）在线编程功能此功能可以在数控加工过程中进行，因此不占用机时。在线编程时使用的自动编程软件有：人机交互式自动编程系统、APT语言编程系统、蓝图直接编程系统等。,常见的数控机床重要部件：,CNC数控系统伺服电机,感应同步器,V2定尺滑尺正弦绕组VsVc余弦绕组,编码器,光栅,滚珠丝杆副直线导轨副,数控加工的工艺分析1、工艺与工步的划分数控加工工艺路线设计中应注意以下几个问题：1)、工序的划分根据数控加工的特点，数控加工工序的划分一般可按下列方法进行：（1）以一次安装、加工作为一道工序。这种方法适合于加工内容较少的零件，加工完后就能达到待检状态。（2）以同一把刀具加工的内容划分工序。有些零件虽然能在一次安装中加工出很多待加工表面，但考虑到程序太长，会受到某些限制，如控制系统的限制（主要是内存容量），机床连续工作时间的限制（如一道工序在一个工作班内不能结束）等。此外，程序太长会增加出错与检索的困难。因此程序不能太长，一道工序的内容不能太多。,（3）以加工部位划分工序。对于加工内容很多的工件，可按其结构特点将加工部位分成几个部分，如内腔、外形、曲面或平面，并将每一部分的加工作为一道工序。（4）以粗、精加工划分工序。对于经加工后易发生变形的工件，由于对粗加工后可能发生的变形需要进行校形，故一般来说，凡要进行粗、精加工的过程，都要将工序分开。2)、顺序的安排顺序的安排应根据零件的结构和毛坯状况，以及定位、安装与夹紧的需要来考虑。顺序安排一般应按以下原则进行：（1）上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也应综合考虑；（2）先进行内腔加工，后进行外形加工；（3）以相同定位、夹紧方式加工或用同一把刀具加工的工序，最好连续加工，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数；,2、确定定位和夹紧方案,在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题：（1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一；（2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出全部待加工表面；（3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案；（4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。,3、确定走刀路线和安排加工顺序走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。确定走刀路线时应注意以下几点：1）、寻求最短加工路线如加工左图所示零件上的孔系。中图的走刀路线为先加工完外圈孔后，再加工内圈孔。若改用右图的走刀路线，减少空刀时间，则可节省定位时间近一倍，提高了加工效率。,2）、最终轮廓一次走刀完成为保证工件轮廓表面加工后的粗糙度要求，最终轮廓应安排在最后一次走刀中连续加工出来。如图a为用行切方式加工内腔的走刀路线，这种走刀能切除内腔中的全部余量，不留死角，不伤轮廓。但行切法将在两次走刀的起点和终点间留下残留高度，而达不到要求的表面粗糙度。所以如采用b图的走刀路线，先用行切法，最后沿周向环切一刀，光整轮廓表面，能获得较好的效果。图c也是一种较好的走刀路线方式。,3）、选择切入切出方向考虑刀具的进、退刀（切入、切出）路线时，刀具的切出或切入点应在沿零件轮廓的切线上，以保证工件轮廓光滑；应避免在工件轮廓面上垂直上、下刀而划伤工件表面；尽量减少在轮廓加工切削过程中的暂停（切削力突然变化造成弹性变形），以免留下刀痕，如图所示。,4、确定刀具与工件的相对位置,对于数控机床来说，在加工开始时，确定刀具与工件的相对位置是很重要的，这一相对位置是通过确认对刀点来实现的。对刀点是指通过对刀确定刀具与工件相对位置的基准点。对刀点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定尺寸联系的某一位置，对刀点往往就选择在零件的加工原点。对刀点的选择原则如下：,（1）所选的对刀点应使程序编制简单；（2）对刀点应选择在容易找正、便于确定零件加工原点的位置；（3）对刀点应选在加工时检验方便、可靠的位置；（4）对刀点的选择应有利于提高加工精度。在使用对刀点确定加工原点时，就需要进行“对刀”。所谓对刀是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。每把刀具的半径与长度尺寸都是不同的，刀具装在机床上后，应在控制系统中设置刀具的基本位置。“刀位点”是指刀具的定位基准点。如下页图中所示，圆柱铣刀的刀位点是刀具中心线与刀具底面的交点；球头铣刀的刀位点是球头的球心点或球头顶点；车刀的刀位点是刀尖或刀尖圆弧中心；钻头的刀位点是钻头顶点。,换刀点是为加工中心、数控车床等采用多刀进行加工的机床而设置的，因为这些机床在加工过程中要自动换刀。对于手动换刀的数控铣床，也应确定相应的换刀位置。为防止换刀时碰伤零件、刀具或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的轮廓之外，并留有一定的安全量。,五、数控机床坐标系统,1数控机床的坐标系在数控机床中，为了实现零件的加工，往往需要控制几个方向的运动，这就需要建立坐标系，以便区别不同运动方向。为了使编出的程序在不同厂家生产的同类机床上有互换性，必须统一规定数控机床的坐标方向。我国的JB3051-82标准为数字控制机床坐标轴和运动方向的命名，其中的规定与国际标准ISO841中的规定是相同的。,右手笛卡尔直角坐标系,（1）Z坐标：平行于主轴，刀具离开工件的方向为正。（2）X坐标：Z坐标垂直，且刀具旋转，所以面对刀具主轴向立柱方向看，向右为正。（3）Y坐标：在Z、X坐标确定后，用右手直角坐标系来确定。（4）指定平行于X、Y、Z的坐标轴可以采用的附加坐标系：第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。（5）指定不平行于X、Y、Z的坐标轴也可以采用的附加坐标系：第二组U、V、W坐标，第三组P、Q、R坐标。,机床原点的设置机床原点是指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。（1）数控车床的原点在数控车床上，机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。同时，通过设置参数的方法，也可将机床原点设定在X、Z坐标的正方向极限位置上。（2）数控铣床的原点在数控铣床上，机床原点一般取在X、Y、Z坐标的正方向极限位置上。,机床参考点机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。机床参考点的位置是由机床制造厂家在每个进给轴上用限位开关精确调整好的，坐标值已输入数控系统中。因此参考点对机床原点的坐标是一个已知数。数控机床开机时，必须先确定机床原点，而确定机床原点的运动就是刀架返回参考点的操作，这样通过确认参考点，就确定了机床原点。只有机床参考点被确认后，刀具（或工作台）移动才有基准。,工件坐标系的确定,编程坐标系是编程人员根据零件图样及加工工艺等建立的坐标系。编程坐标系一般供编程使用，确定编程坐