数控技术概述分解PPT课件

1、前言前言一、课程性质一、课程性质 本课程是机械类专业的一门必修课程。计本课程是机械类专业的一门必修课程。计划课时划课时3232学时。学时。二、教学目的与要求二、教学目的与要求1 1教学目的教学目的了解数控技术的基本概念，理解计算机数了解数控技术的基本概念，理解计算机数控装置及轨迹控制原理，熟悉数控机床的机械控装置及轨迹控制原理，熟悉数控机床的机械结构与传动控制，了解数控加工程序编制，具结构与传动控制，了解数控加工程序编制，具有数控技术综合应用的基本能力与工程素质。有数控技术综合应用的基本能力与工程素质。第1页/共50页前言前言2 2课程总成绩计算方法课程总成绩计算方法课程总成绩课程总成绩 =

2、= 平时成绩平时成绩 30% + 30% + 期末考试成绩期末考试成绩 70%70%平时成绩平时学习表现考核（考勤、课堂讨论、听平时成绩平时学习表现考核（考勤、课堂讨论、听课情况）课情况）+ + 作业考核作业考核 期末考试采用闭卷考试的方式。闭卷考试时间期末考试采用闭卷考试的方式。闭卷考试时间100100分钟。期末考试以分钟。期末考试以100100分为总分。分为总分。第2页/共50页前言前言3. 3. 注意事项：注意事项：课程总成绩课程总成绩6060分，合格，取得学分分，合格，取得学分期末考试成绩不足期末考试成绩不足5050分者，平时成绩不参分者，平时成绩不参与总评，总成绩与总评，总成绩= =

3、期末考试成绩期末考试成绩平时成绩不及格或作业（实验）缺交三分之平时成绩不及格或作业（实验）缺交三分之一及以上者，平时成绩计零分一及以上者，平时成绩计零分缺课课时累计达到教学课时总数三分之一及缺课课时累计达到教学课时总数三分之一及以上者（以上者（1010学时），总成绩计零分学时），总成绩计零分补考合格，成绩以补考合格，成绩以6060分（及格）记载分（及格）记载期末考试违纪、作弊者，成绩记为无效期末考试违纪、作弊者，成绩记为无效第3页/共50页课程的主要结构课程的主要结构第第1 1章章 数控技术概述数控技术概述第第2 2章章 数控加工及其程序编制数控加工及其程序编制第第3 3章章 轨迹控制原理与数

4、控系统轨迹控制原理与数控系统第第4 4章章 计算机数控装置计算机数控装置(CNC)(CNC)第第5 5章章 数控机床的传动控制与机械结构数控机床的传动控制与机械结构 第第6 6章章 数控技术综合应用数控技术综合应用第4页/共50页第第1章章 数控技术概述数控技术概述第5页/共50页第一章第一章 数控技术概述数控技术概述 第一节 数控技术的基本概念与特点 第二节 数控机床的组成与分类 第三节 数控技术的发展状况 第6页/共50页第一节第一节 数控技术的基本概念与特点数控技术的基本概念与特点 一、数控技术的基本概念一、数控技术的基本概念数字控制（Numerical Control，NC）是一种借助

5、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。数控技术（Numerical Control Technology）采用数字或数字代码的形式来实现控制的一门技术。第7页/共50页数控装备（Numerical Control Machine Tools） 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。其中数控机床是数控技术应用的经典例子。数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ）是以计算机为核心的数控系统。第8页/共50页第9页/共5

6、0页1.加工精度高，产品质量稳定 2.生产率高3.适应性强 4.减轻劳动强度，改善劳动条件5.有利于生产管理6.能完成复杂型面的加工7.有故障诊断和监控能力8.造价较高，很多企业特别是小企业还无法接受9. 调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员10. 对编程人员的技术水平要求较高第10页/共50页第二节第二节 数控设备的组成与分类数控设备的组成与分类第11页/共50页1、输入输出设备装置它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。 2、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

7、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12页/共50页 3、伺服单元、驱动装置和测量装置 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 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13页/共50页 4、受控设备机械部分：

8、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14页/共50页 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15页/共50页一、按工艺用途分类金属切削类：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。 普通数控机床 数控加工中心金属成型类：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、火焰切割机等。其他类型：数控

9、装配机、数控测量机、机器人等。第16页/共50页二、按控制运动的方式分类1、点位控制数控机床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。第17页/共50页2、点位直线控制数控机床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18页/共50页3、轮廓控制数控机床 轮廓控制(连续控制)机床：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

10、控机床。 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19页/共50页三、按伺服系统的控制方式分类开环数控机床半闭环数控机床闭环数控机床第20页/共50页1、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。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大第21页/共50页无位置反馈，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

11、。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22页/共50页 2、半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，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。位置控制调节器位置控制调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈

12、第23页/共50页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24页/共50页 3、全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器位置控制调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制

13、单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈第25页/共50页从理论上讲，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26页/共50页四、按联动轴数分类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（空间曲面） 。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。第27页

14、/共50页长征数控车床长征数控车床第28页/共50页南通数控铣床南通数控铣床第29页/共50页南通立式加工中心南通立式加工中心第30页/共50页第三节第三节 数控技术的发展状况数控技术的发展状况 一、数控设备的发展历史1、数控设备的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31页/共50页 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，促进了制造业的发展。但它也存在固有的缺点： 初始投资大； 准备周期长； 柔性差。 第32页/共50页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

15、，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33页/共50页2、数控设备的发展数控设备的发展经历了六个阶段： 第一阶段：1952年由Parson公司和麻省理工学院联合开发的第一台电子管数控系统； 第二阶段：1960年，出现了晶体管和印刷电路板的数控系统； 第三阶段：1965年，出现了小规模集成电路的数控系统； 第四阶段：1970年，出现了小型计算机数

16、控系统的硬件，并以软件形式实现数控功能的数控系统； 第五阶段：1974年，出现了微处理器或微型计算机数控系统； 第六阶段：20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统。第34页/共50页普通数控普通数控NCNC阶段阶段电子管时代（1952年）晶体管时代（1960年）小规模集成电路时代（1965年）计算机数字控制计算机数字控制CNCCNC阶段阶段小型计算机控制的计算机数控基于个人计算机（PC）平台的数控系统（称为PC-NC数控系统）微型机数控（MNC）第35页/共50页二、数控技术的发展趋势 随着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

17、方向发展：第36页/共50页 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37页/共50页1、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1 m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/mi

18、n。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38页/共50页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：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0.01 m/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

19、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0.1 m。第39页/共50页3、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40页/共50页 4、控制智能化 随着人

20、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41页/共50页 5、体系开放化定义（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。 开放式数控系统特点： 系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardization)与多样化( Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征 允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成。构造应该是可移植的和透明的； 开放体系结构CNC的优点： 向未来技术开放 标准化的人机界面 向用户特殊要求开放 可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。第42页/共50页6、驱动并联化 并联加工中心（又称6条腿数控机床、虚轴机床）是数控机床在结构上取得的重大突破。驱动杆机架 动平台主轴电机伺服电机主轴