数控加工技术1

1、第一章第一章 数控技术入门知识数控技术入门知识1.1 数控技术与数控机床数控技术与数控机床 随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备， 普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。 一种新型的生产设备数控机床就应运而生了 。数控机床的定义数控机床的定义数控：（数控：（Numerical Con

2、trolNumerical Control， NCNC） 是一种借助数字、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。l 数控技术：（数控技术：（computer Numerical Controlcomputer Numerical Control，CNCCNC） 即计算机控制技术(数控的广泛性、专一性） 数控机床：数控机床： 用数控技术控制的机床称为数控机床。数控机床的一般工作形式为： 数控机床的产生数控机床的产生 帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachus

3、etts Institute of Technology）合作，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。 1959年，美国克耐杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功开发了加工中心（Machining Center） 。数控机床的发展简况 第1代数控机床：1952年1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。 第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。 第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。 第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。 第5代数控机床：从197

4、4年开始采用微型计算机控制的系统（MNC）。 1计算机直接数控系统计算机直接数控系统 所谓计算机直接数控（Direct Numerical Control，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。 2柔性制造系统柔性制造系统 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）也叫做计算机群控自动线，它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，形成一个用于制造的整体。 3计算机集成制造系统计算机集成制造系统 计算机集成制造系统（Computer-Integrated

5、Manufacturing System，CIMS），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。 我国数控机床发展概况我国数控机床发展概况 1958年开始并试制成功第一台电子管数控机床。1965年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末至70年代初成功。从20世纪80年代开始，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。 数控机床的发展趋势 随

6、着计算机技术的发展，数控技术不断采随着计算机技术的发展，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，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。使其朝着下述方向发展。 1. 高速、高效、高精度、高可靠性 2. 引进自适应控制技术 3. CAD/CAM图形交互自动编程已得到较多应用 4. 控制系统和数控系统小型化1.加工高速化、高精度化加工高速化、高精度化1）加工高速化）加工高速化 高速CPU芯片 主轴高速化，采用电主轴 采用全数字交流伺服 机床动、静态性能的改善数控机床的发展趋势在分辨率为1m时，快进速度达240m/min，可获得复杂型面的精确加工加速度达2g主轴转

7、速已达200,000rpm换刀速度少于1 s数控机床的发展趋势2）加工高精度化）加工高精度化 提高机械的制造和装配精度；提高机械的制造和装配精度； 采用高速插补技术，以微小程序段实现连采用高速插补技术，以微小程序段实现连续续 进给，使进给，使CNC控制单位精细化控制单位精细化 采用高分辨率位置检测装置，提高位置检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测精度（日本交流伺服电机已有装上1000000 脉冲脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到能达到0.01m/脉冲）脉冲） 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制位置伺服系统采用前

8、馈控制与非线性控制等方法等方法数控机床的发展趋势采用反向间隙补偿、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。研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080。 数控机床的发展趋势2. 控制智能化随着人工智能技术的不断发展，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，体现在：加工过程自适应控制技术：加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降

9、低工件表面粗糙度以及保证设备运行的安全性数控机床的发展趋势加工参数的智能优化：加工参数的智能优化：将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择”，获得优化的加工参数，提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。 智能化交流伺服驱动装置：智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整控制参数，包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。 数控机床的发展趋势智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断与自修复技术 智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法，实现故障快速准确

10、定位。 智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全生命周期。 智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。数控机床的发展趋势3. 加工网络化加工网络化数控系统网络化是先进制造模式的要求，数控机床作为网络中的一个节点，有助于解决自动化孤岛问题。支持网络通讯协议，既满足单机DNC需要，又能满足FMC、FMS、CIMS、敏捷制造对基层设备集成要求。网络资源共享。数控机床的远程（网络）控制。数控机床故障的远程（网络）诊断。 数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控 ）数控机床的发展趋

11、势数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和I/O的控制是数控技术的发展方向。由于技术封锁等原因，各系统中光纤通讯采用的协议没有兼容性和互换性，要求伺服驱动器以及I/O模块必须具有相应协议的光纤通讯接口，这样的系统软硬件开放性较差，而且系统的成本也较高。 网络通讯协议：德国Intrtamat的SERCOS、美国DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link，还有ARCNET、CAN Bus、Profibus、USB、IEEE1394 。数控机床的发展趋势4. 数控系统的开放化数控系统的开放化1 1）传统数控系统的特点）传统数控系统的特点

12、由生产厂家支配价格和结构，各种接口不能通用。 功能集成停止在微电子技术的应用上，而不是针对开放式的生产环境和功能。对于不同的产品，操作、维护方法都必须进行相应的培训。 对于使用者，控制器成为黑盒子无法自行修改更新。 数控机床的发展趋势由于传统数控系统的局限性，为满足现代化生产的要求，数控系统需要具有：开放性：开放性：可重构性、可维护性、允许用户进行二次开发模块化：模块化：具有平台无关性 接口协议：接口协议：可传递性、可移植性 可进化性：可进化性：智能化 语言统一化：语言统一化：中性语言NML： FADL、OSEL 数控机床的发展趋势2）开放化数控系统的概念）开放化数控系统的概念数控系统可以在统

13、一的运行平台上开发，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁数控功能，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明特色的名牌产品。数控机床的发展趋势3）开放式数控系统开放式数控系统（1）开放式数控装置的开放式数控装置的概念结构概念结构硬件配置单元软件配置单元标准计算机硬件数控系统基本硬件数控功能应用程序DOS(WINDOWS)实时多任务操作系统RTM应用程序接口NC构件库数控机床的发展趋势（2）开放式数控系统的优点数控系统厂数控系统厂 品种减少、批量增加，易于满足用户要求；开放式的标准框架，促进各行业的软件厂商参

14、与；软件开发效率提高，产品更新加快。 机床厂机床厂 可使整机具有个性化，降低开发成本。 减少对系统厂的依赖，保护自己专有技术。 最终用户最终用户 购买机床时的初期成本透明化； 能实现用户自身独特的FA系统设计； 用户界面的一致性，易于使用和培训； 数控机床的发展趋势（3）开放式数控研究状况）开放式数控研究状况美国在20世纪90年代初提出了开发下一代控制器的计划NGC(Next Generation Controller)，以后又提出了OMAC（Open Modular Architecture Control）计划，重点开发以PC为平台的开放式模块化控制器。欧洲也在20世纪90年代初开始OSA

15、CA(Open System Architecture for Controls within Automation system)计划，目标是研制出开放式控制系统的体系结构。数控机床的发展趋势由于技术等方面的限制，要在短期内完全实现这种理想的开放式数控系统，还有不少困难。 目前开放式数控的一个具体表现就是发展基于PC的数控系统。数控系统的PC化正成为开放式数控系统一个潮流，代表了CNC发展的主要方向数控机床的发展趋势基于PC的开放式数控系统基本有3种结构形式： 嵌入型 CNC嵌入型 全软件CNC型 数控机床的发展趋势5. 并联机床并联机床1）机床结构技术上的突破性进展当属20世纪90年代中期

16、问世的并联机床。并联机床是机器人技术、机床结构技术、现代伺服驱动技术和数控技术相结合的产物，被称为“21世纪的机床”数控机床的发展趋势 传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制了加工精度和速度的提高。数控机床的发展趋势2）我国自主研发的并联机床样机）我国自主研发的并联机床样机数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势3）并联机床的优、缺点及发展热点：）并联机床的优、缺点及发展热点：优点： 进给速度快 ；精度高 ；刚性好 ； 加速度高 ；安装、维修方便

17、 。局限： 工作空间小 ；姿态能力差 ； 运动特性和力特性非线性。目前研究热点： 混联机床 。数控机床的发展趋势6. STEP-NC1）目前）目前CNC系统的局限：系统的局限：数控代码只定义了机床的运动和动作，丢失了尺寸公差、精度要求、表面光洁度等大量信息 生成G代码的过程单向不可逆，在加工车间做出的修改无法反馈到设计部门 各厂商开发的宏和扩展EIA代码，使系统间语言不具通用性，对G、M代码的解释也不尽相同不支持5轴铣、样条数据、高速切削等功能 数控机床的发展趋势2）STEP-NC的出现 STEP (Standard for the Exchange of Product model data

18、) 即产品模型数据转换标准 STEP-NC是STEP向数控领域的扩展，它在STEP的基础上以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，抛弃了传统数控程序中直接对坐标轴和刀具动作进行编码的做法，采用了新的数 据 格 式 和 面 向 特 征 的 编 程 原 则 数控机床的发展趋势 日本日本 FANUC数控机床的发展趋势德国肖特德国肖特数控机床的发展趋势美国哈挺美国哈挺数控机床的发展趋势瑞士米克朗瑞士米克朗数控机床的发展趋势德国斯宾纳德国斯宾纳TC系列系列数控机床的发展趋势韩国现代韩国现代数控机床的发展趋势1-2 数控机床的分类和加工特点按运动轨迹分类按运动轨迹分类1点位控制数控机床点位控制

19、数控机床点点位置精确控制，保证的是定位精度，以慢快慢的运动方式。 这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。2直线控制数控机床直线控制数控机床 位置控制+速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方向（平行或45）切削加工。 这类机床主要有数控车床、数控磨床和数控镗铣床等，相应的数控装置称为直线控制装置。3 3轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床 每点的位置+速度+路线控制，可对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制。 属于这类机床的有数控车床、数控铣床、加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓数控装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，功能齐全

20、得多。按运动轨迹分类按运动轨迹分类AB按运动轨迹分类按运动轨迹分类按运动轨迹分类按运动轨迹分类按进给伺服系统的类型分类按进给伺服系统的类型分类1开环进给伺服系统数控机床开环进给伺服系统数控机床开环进给伺服系统通常不带有位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。 开环控制数控机床开环控制数控机床2闭环进给伺服系统数控机床闭环进给伺服系统数控机床闭环进给控制系统带有位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移，并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。 闭环控制数控机床闭环控制数控机床3半闭环进给伺服系统数控机床半闭环进给伺服系统数控机床半闭环进给伺服系统是将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服机构的转角，将此信号反馈给数控装置进行指令值比较，用差值控制伺服电动机。 半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床 按工艺用途分类按工艺用途分类 1普通数控机床普通数控机床 金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床。 2加工中心加工中心 是带有刀库和自动换刀装置的数控机床 数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床的功能组合在一起 3数控特种加工机床数控特种加工机床 数控特种加工机