概述 (minimizer)教学课件

1、数控机床与编程 杜家熙 苏建修数控铣床 数控车床 加工中心数控钻床 数控车床的主要内部结构FANUC数控系统（显示器及操作面板）1.1 数控机床的产生与发展 数控机床就是为了实现复杂零件的自动化加工而产生的。同时数控机床也随着制造技术发展的要求而发展。1.1.1 数控机床的产生 1952年美国帕森（Parsons Company）公司接受美国空军委托与美国麻省理工学院（MIT）试制成功世界上第一台由大型立式仿形铣床改装而成的、用专用电子计算机控制的三坐标立式数控铣床。1.1.2 我国数控机床的现状 我国从1958年开始研究数控机床，于1966年研制成功晶体管数控系统，并生产出了数控线切割机、数

2、控铣床等产品。由于受当时条件的限制，数控系统的稳定性及可靠性较差，数控机床品种不全，数量较少，数控机床的发展处于初步阶段。 20世纪80年代初期，我国先后从德国、日本、美国等国家引进了一些数控系统和伺服技术，在一定程度上促进了数控机床的发展。改革开放为数控机床的发展奠定了物质基础。此时我国研制的数控机床性能逐步提高，品种和数量不断增加。到1985年，我国已经拥有加工中心、数控铣床、数控磨床等80多个品种的数控机床，数控机床的发展进入了实用阶段。机床控制技术的产生一、从作坊到大量生产制造技术经历了三个主要发展阶段：第一阶段是用机器代替手工，从作坊形成工厂；第二阶段是从单件生产方式发展到大量生产方

3、式；第三阶段是制造的柔性化、系统化和智能化。二、机床控制技术的产生1仿形机床：借助于靠模能加工出比较复杂的零件，有一定的灵活性。特点：(1)有一定的灵活性。(2)安装与调整要花费许多手工劳动，(3)制造靠模也很不经济。(4)不能满足一些高精度零件的加工要求。2程序控制机床： 不使用靠模，用事先调整好尺寸的档块或凸轮来控制刀具对工件的相对运动，由行程开关发信号来控制机床按预定顺序动作切削。特点： （ 1）使用的信号均属模拟量信号，如电压、电流等。（2）有一定的通用性。（3）但是它精度较差、加工准备时间长，而且使用很不方便。3专用自动化单机、组合机床，以及加工自动线： 大批量的零件加工使用专用自动

4、化单机、组合机床，以及由它们组成的加工自动线，可以得到高的加工效率。特点 ： （1）不宜变更；（2）“刚性”自动化制造设备。 这就对制造设备提出了“柔性”的要求，即要求它灵活、通用，能迅速地适应加工零件的频繁变化，而不需要对设备进行专门的调整及更换专用的工夹具。4数字控制机床简称数控机床： 这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。 它把加工的要求、步骤与零件尺寸用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经过处理与计算，它发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状与尺寸，自动地将零件加工出来。 特点： （1）复杂、精密、小批量、多变的零件加工问题； （2）是一种灵活的、高效能的自

5、动化机床。 它是现代机床控制技术的一个重要发展方向。 1952年公开发表了世界上第一台数控机床样机，这是一台直线插补连续控制的三坐标立式铣床。从第一台数控机床诞生起，由于微电子、自动化和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随之不断更新，它发展得异常迅速，已经历过以下几代变化：第一代数控：1952-1959年采用电子管构成的专用数控系统(NC)；第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的数控系统；第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的数控系统；第四代数控：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数控系统(CNC)；第五代数控：从1974年开始采用微型电子

6、计算机控制的系统(Microcomputre- Numerical Control-MNC)。第六代数控：目前发展了基于PC-NC的数控系统，它充分利用现有PC机的软硬件资源，规范设计新一代数控。 其优势在于：（1）元器件集成度高、可靠性好；（2）技术进步快、升级换代容易；（3）提供了开放式的基础，可供利用的软、硬件资源极为丰富 当今，数控系统正不断采用最新技术成果，朝着高速化、高精度化、多功能化、智能化、小型化、系统化与高可靠性等方向发展。5数控加工中心机床： 这是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现一次装夹并进行多工序加工。 特点： （1）刀库中装有钻头、丝锥、铰刀、铣刀等刀具； （2

7、）通过程序指令自动选择刀具，并通过机械手将刀具装在主轴上； （3）这样可大大缩短零件装卸时间和换刀时间。 （4）能实现一次装夹并进行多工序加工。 不仅有立式、卧式等镗铣类加工中心用于箱体类零件的加工，还有车削加工中心用于回转体零件加工以及磨削中心等。6. 柔性制造单元FMC： 80年代初，出现了以1(或2-3)台加工中心或车削中心为主体、配上工件自动装卸和监控检验装置的所谓柔性制造单元FMC(F1exible Manufaturing Cell)。7. 柔性制造系统: FMC可以集成到FMS(Flexible Manufacturing System，即柔性制造系统)或更高级的集成制造系统中使

8、用。1.1.3 数控机床的发展趋势 数控机床总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性和经济性。具体可归纳为下列八个方面：1持续地提高经济加工精度(高精化) 以加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度为例对比国内外的水平，国内大致为0.0080.010mm，而国际先进水平为0.0020.003mm，按上述统计规律分析差距约为15年左右。2推进全面高速化实现高效制造(高速化) (1)在刀具材料和刀具结构不断发展的支持下，切削速度不断地提高。50年内切削速度提高了5倍多。 (2)不仅要缩短切削时间，也要力求降低辅助时间和技术准备时间,从单一的高速切削发展至全面高

9、速化。3复合加工机床促进新一代高效机床的形成(高效化) 复合机床的含义是在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。 根据其结构特点，可分为工艺复合型和工序复合型:（1）工艺复合型：为跨加工类别的复合机床，包括不同加工方法和工艺的复合，如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床、冲压与激光切割复合、金属烧结与镜面切削复合等。（2）工序复合型：应用刀具（铣头）自动交换装置、主轴立卧转换头、双摆铣头、多主轴头和多回转刀架等配置，增加工件在一次安装下的加工工序数，如多面多轴联动加工的复合机床和主副双主轴车削中心等。7向大型化和微小化两极发展 能源装备的大型化及航空航天事业等的发展，需要重型立式卧

10、式加工中心和铣车中心。 超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略高技术，正在形成一个产业。需发展能适应微小型尺寸结构和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。8配套装置和功能部件的品种质量日臻完善 不仅数控系统（含数控装置和伺服驱动装置）有专业化生产厂，凡关键的通用性功能部件（如电主轴、刀具自动交换系统、滚动导轨副、直线滚动丝杠驱动副、双摆主轴头、双摆回转台和自动转位刀塔等）在国外均有一些著名的专业化生产厂，这对保证产品质量，增长整机的可靠性和降低成本起着重要的作用。 一、数控机床的基本概念 1数字控制(Numerical Contro1)：是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方

11、法，简称为数控(NC)。(硬件控制)。 2数控机床(NC Machine)：就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。 3数控系统(NC System)：一种程序控制系统，它能自动阅读输入载体上事先给定的程序，并将其译码，从而使机床运动和加工零件。 早期的数控系统主要是由数控装置、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，数控系统的所有功能都由硬件实现，故又称为硬件数控。 数控机床的基本概念和主要功能 图1-1 CNC系统原理 二、CNC系统的主要功能包括1多坐标控制(多轴联动)2准备功能(G功能)3多种函数的插补(直线、圆弧、抛物线及螺旋线插补等) 4可编程偏置量设定5代码转换6固定循

12、环加工 7进给功能 8主轴功能 。9辅助功能 10刀具功能 11各种补偿功能 12几何变换功能 13子程序功能 14宏程序功能 15字符图形等在显示屏上的显示 16故障的自诊断 17联网及通信 18人机对话编程 1.2 数控机床的组成及工作过程 一、数控机床的工作原理(工作过程) 用数控机床加工零件时：（1）首先应编制零件的加工程序作为数控机床的工作指令。（2）将加工程序送到数控装置。 (3)由数控装置控制机床主传动的变速、起停，进给运动的方向、速度和位移量；以及其它(如刀具选择交换、工件的夹紧与松开、冷却和润滑的开关等)动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数

13、有条不紊地工作，从而加工出符合要求的零件。二、数控机床的组成和功能 CNC机床是带有嵌入式计算机的数控机床。 硬件数控机床的控制功能是由其控制系统内的电气元件功能决定的。 CNC机床的控制功能是在制造数控系统时通过程序代码形式存入计算机，在CNC机床关机时，存在只读存储器（ROM）中。由信息输入、数控装置、伺服驱动、检测装置、适应控制(AC控制)系统、机床本体、机电接口等部分组成。1输入和存储介体（控制介质、信息载体、程序介质） 人机对话的介质。2数控装置 由中央处理单元（CPU）、存储器、总线、输入输出接口和相应的软件构成的专用计算机。 是数控机床的中枢，用来接受并处理由输入介体带来的信息，

14、并依次转换成使伺服系统动作的各种指令。 数控装置接收输入介体的信息，并将代码加以识别、存储、运算，并输出相应的命令脉冲，经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定的要求动作。 3伺服系统 伺服系统包括伺服驱动机构和机床移动部件，它是数控系统的执行部分。 它的作用：是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动。 常用的伺服驱动元件主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、电液伺服电机。 脉冲当量：数控装置输出每一个脉冲信号，机床移动部件的位移量叫作脉冲当量。常用的脉冲当量为0.01mm脉冲、0.005mm脉冲以及0.00lmm/脉冲。图1-2 数控机床的组成 4反馈检测系统作用：是检测机床的

15、运动方向、速率、距离等参数，并将物理量转变成电信号显示出来或送给机床数控装置，使数控装置能够校核机床的工作情况及实际位置是否与指令一致，并由机床数控装置发出指令，纠正产生的误差。常用检测装置有测速发电机、旋转变压器、脉冲编码器、感应同步器、光栅、磁性检测元件、霍耳检测元件等组成的系统。 5适应控制(AC控制)系统作用：是检测机床当前的环境(如温度、振动、电源、摩擦、切削等参数)，将检测到的信号输入机床的数控装置，使机床及时发出补偿指令，从而提高加工精度和生产率。适应控制装置多数用来加工高精度零件，一般数控机床很少采用此类装置。6.机床本体 包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件

16、，如底座、立柱、滑鞍、工作台（刀架）、导轨等。数控机床与普通机床不同：（1）主运动，各个坐标轴的进给运动都由单独的伺服电机（无级变速）驱动，传动链短、结构比较简单。普通机床上各个传动链之间有复杂的齿轮联系，在数控机床上改由计算机来协调控制各个坐标轴之间的运动关系。（2）在数控机床上普遍采用精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、摩擦特性良好的滑动（贴塑）导轨副。（3）机床的机械结构具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能。（4）在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手。同时还有一些良好的配套设施，如冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、程编机和对刀仪等，以利于充分发挥数控机床的功

17、能。7机电接口 数控机床除了加工零件轮廓轨迹的数字控制外，还有许多其它控制，如主轴的启停，自动换刀，冷却液开、关，工件的夹紧松开，各种辅助交流电动机的启停，电磁铁的吸合、释放，离合器的开、合，电磁铁的通、断，电磁阀的打开与关闭等。这些逻辑开关量的动力来源是由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、接触器、功率断路器及熔断器等组成的强电线路提供的，而这种强电线路不能与低压下工作的控制电路或弱电线路直接连接，只能通过断路器、热动开关、中间继电器等转换成直流低压下工作的触点的开、合（关）工作，成为继电器逻辑电路或可编程序控制器（PLC）可接收的信号。 这些都是属于数控装置和机床之间的接口问题，

18、统称为机电接口。解决这些问题，首先要知道机床上有哪些动作，其次是这些动作的先后顺序，以及它们之间的逻辑（联锁，互锁等）关系等。1.4 数控机床的分类一、按机床运动轨迹(方式)的分类1点位控制数控机床 点位控制又称为点到点控制。 特点：（1）是只控制刀具对工件的定位；（2）定位过程中的运动轨迹及移动速度没有严格要求(如图1-3所示)；（3）移动过程中不进行切削。 主要有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲剪床等，其采用的数控系统称为点位数控系统。图1-3 点位控制2直线控制数控机床 直线切削控制又称为平行切削控制。特点：（1）具有准确定位的功能；（2）要求从一点到另一点之间按直线切削移动；（3）能控制

19、位移的切削速度(如图l-4所示)。 移动时，要进行切削加工。主要有数控镗铣床、数控车床和加工中心等组成。 一般情况下这些数控机床，有2-3个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有1个,称为单轴数控 。 图1-4 直线控制3轮廓控制数控机床 轮廓控制又称为连续轨迹控制。特点：（1）能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行曲线或曲面的切削，即能同时控制两个或两个以上的轴，它具有插补功能；（2）能对位移和速度进行严格的不间断控制(如图1-5所示)。 主要有两坐标及两坐标以上的数控铣床、可加工曲面的数控车床、加工中心等。 图1-5 轮廓控制 按同时控制且相互独立的轴数，可以有2轴控制、2.5轴控制和3

20、、4、5轴控制等。（1）2轴控制：指的是可以同时控制2轴，但机床轴数也可能多于2轴。如图a,b所示。（2）2.5轴控制：是指两个轴连续控制、第3个轴作周期性的点位或直线控制，从而实现三个坐标轴X、Y、Z内的二维控制。如图c,d所示。同时控制2轴的轮廓控制图1-7 3轴轮廓控制图1-8 4轴轮廓控制（3）3轴控制：是指同时控制X、Y、Z三个坐标，这样，刀具在空间的任意方向都可移动，因而能够进行三维的立体加工。如图1-7所示。（4）4轴控制：是指同时控制四个坐标运动，即在三个坐标之外，再加一个旋转坐标。同时控制四个坐标的数控机床。如图l-8所示，它可以用来加工叶轮或圆柱凸轮。图1-9 5轴联动数控

21、加工（5）5轴控制：五轴是指在直线坐标X、Y、Z以外，再加上围绕这些直线坐标旋转的旋转坐标A、B、C中的两个坐标，形成同时控制五个坐标，这时，刀具可以给定在空间的任意方向。如图1-9所示。它特别适合于加工透平叶片、机翼等。二、按伺服系统类型的分类(控制方式) 1开环伺服系统数控机床（Opened Loop Control System） 数控系统将零件的程序处理后，输出数据指令给伺服系统，驱动机床运动，没有来自位置传感器的反馈信号。 采用步进电机的伺服系统。较为经济，但是速度及精度都较低。特点： （1）无检测反馈装置；（2）单向信号；（3）不能纠错，精度不高；（4）反应迅速；（5）调试维修方便

22、，工作稳定。 用于小型、简易数控。2闭环伺服系统数控机床（Closed Loop Control System） 带有检测装置，直接对工作台的直线位移量进行检测，与插补器的指令进行比较，并根据其差值不断地进行误差修正。可以消除由于传动部件制造中存在的精度误差给工件加工带来的影响。 (如图1-10所示)，有高的加工精度，设计与调整得不好，很容易形成系统的不稳定。主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床和超精铣床等。特点： （1）有比较和反馈装置； （2）能消除误差，提高精度； （3）调试维修复杂； （4）稳定性差； （5）成本高。 检测的是直线位移。 特点：（1）介于开环与闭环之间；（2）精度

23、没有闭环高；（3）调试却比闭环方便。 用于大多数数控。3半闭环伺服系统的数控机床（Semiclosed Loop Control System） 这类系统用安装在进给丝杠轴端或电机轴端的角位移测量元件(如旋转变压器、脉冲编码器、圆光栅等)来代替安装在机床工作台上的直线测量元件，用测量丝杠或电机轴旋转角位移来代替测量工作台直线位移。三、按加工工艺类型的分类 (一）金属切削类数控机床 1普通数控机床 有车、铣、钻、镗、磨床等，而且每一类中又有很多品种，能加工具有复杂形状的零件。2加工中心机床 多工序数控机床。（二）金属成型类及特种加工类数控机床1金属成形类数控机床 数控折弯机、数控弯管机、数控回转

24、头压力机等。2数控特种加工机床 数控线(电极)切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。3其他类型的数控机床 火焰切割机、数控三坐标测量机等。四、按数控系统功能水平的分类 分为低、中、高档。(见表l-1)。表1-1 数控机床分类表 档 次功 能低档数控机床中档数控机床高档数控机床进给当量和进给速度 进给当量为10m，进给速度在8-15mmin 进给当量为1m，进给速度为15-24mmin 进给当量为0.1m，进给速度为15-100mmin 伺服进给系统 开环、步进电动机 半闭环直流伺服系统或交流伺服系统 闭环伺服系统、电动机主轴、直线电动机 联动轴数 2-3轴 3-4轴 3轴以上 通信

25、功能 无 RS232或DNC接口 RS232、RS485、DNC、MAP接口 显示功能 数码管显示或简单的CRT字符显示 功能较齐全的CRT显示或液晶显示 功能齐全的CRT(三维动态图形显示) 内装PLC 无 有 有强功能的PLC，有轴控制的扩展功能 主CPU 8位或16位CPU 由16位向32位CPU过渡 32位向64位CPU 发展 所谓经济型数控，在我国，把由单板机、单片机和步进电机组成的数控系统以及其他功能简单、价格低的数控系统称为经济型数控。它主要用于车床、线切割机床以及老机床改造等。它属于低档数控的一种。 1.3 数控机床的特点 1.3.1 数控机床的特点（1）具有高度柔性a.零件加

26、工主要取决于程序；b.不必制造和更换许多工夹具；c.不需要经常调整机床； 适合单件、小批生产及新产品的开发、缩短周期、节省费用；（2）加工精度高a.数字信号控制；b.有误差补偿。 (3) 加工质量稳定、可靠a.同一批零件，在同一机床和相同条件下，使用相同刀具和程序；b.刀具走刀轨迹完全相同。(4) 生产率高a.有效的减少了加工时间和辅助时间b.主轴转速和进给量的范围大c.大切削量切削d.一次装夹完成多工序加工(5) 改善劳动条件 。a.能自动连续加工b.操作者趋于智力性劳动c.封闭式加工,既清洁、有安全(6) 有利于生产管理现代化技术的基础。a.可精确估计加工时间b.刀具、夹具规范化、现代化管

27、理c.加工信息标准化d.与CAD/CAM结合2数控机床与普通设备的比较(见表1-7) 表l-7 数控机床与普通机床的比较 数控机床 普通设备 操作者可在较短的时间内掌握操作和加工技能 加工精度高、质量稳定，较少依赖于操作者的技能水平编制程序花费较多时间 加工零件复杂程度高，适合多工序加工 易于加工工艺标准化和刀具管理规范化 适于长时间无人操作和加工自动化 适于计算机辅助生产控制 生产率高 要求操作者有长期的实践经验 高质量、高精度的加工要求操作者具有高的技能水平 适合加工形状简单、单一工序的产品 加工过程要求具有直觉和技巧 操作者以自己的方式完成加工，加工方式多样，很难实现标准化 是实现自动化

28、加工的准备环节必不可少的，如材料的预去除及夹具的制作等 很难提高加工的专门技术，不利于知识系统化和普及 生产率低，质量不稳定 1.6 数控机床的主要性能指标1.6.1 运动性能指标 主轴转速、进给速度、坐标行程、摆角范围和刀库容量及换刀时间等。1主轴转速 一般采用直流或交流电动机驱动，选用高速精密轴承支承，具有较宽的调速范围和较高的回转精度、刚度及抗振性。目前，已普遍达到500010000 rpm甚至更高。2进给速度 受数控装置的运算速度、机床动态特性及刚度等因素限制。目前，可达1030m/min，快速定位速度可达20100 m/min。3坐标行程 坐标轴X、Y、Z等的行程大小构成数控机床的空间加工范围，即加工零件的大小。数控车床有最大回转直径、最大车削长度、车削直径等指标参数；数控铣床有工作台尺寸、工作台行程等指标参数；有些加工中心的主轴还可以在一定范围内摆动，其摆角大小也直接影响加工零件空间部位的能力。4刀库容量和换刀时间 刀库容量：是指刀架位缴或刀库能存放刀具的数量，目前常见的小型加工中心的刀库容量为1660把，大型加工中心可达100把以上。 换刀时间：指将正在使用的刀具与装在刀库上的下一工序需用的刀具进行交换所需要的时间，目前一般数控机床的换刀时间为1020s，高档数控机床的换刀时间仅为4