数控技术课件

1、数 控 机 床 原 理 与 编 程赵晓强Email: zxq2一、 数控技术基本概念第1章 数控技术概论第一节 概述数字控制（Numerical Control NC）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。数控技术（Numerical Control Technology），简称数控，是指采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。 数控技术在机床领域是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。 一、数控技术基本概念数控机床（Numerical Control Machine Tools） 是采用数字控制技术对机床

2、的加工过程进行自动控制的一类机床。它是数控技术典型应用的例子。 数控机床较好地解决了复杂曲面、精密、小批量、多品种的零件加工问题。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 ）以计算机为核心的数控系统。数控机床的产生和发展 1949年美国帕森斯公司在研制直升飞机叶片轮廓样板时，提出了数控机床的初步设想。 1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。 1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。 从1952年至今，NC机床按NC

3、系统的发展经历了五代。一、数控技术基本概念第一代：1955年 NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。第二代：1959年 NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。第三代：1965年 NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。 以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬件NC”。一、数控技术基本概念1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。1979年：系统采用CRT显示，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机

4、进入实用阶段。1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。一、数控技术基本概念 1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。 20世纪末21世纪初：开放式系统规范和数控系统新标准相继开展研究和开发。它是数控技术发展的又一个里程碑。 计算机技术引入了数控系统后，使数控技术发生了革命性的变化。现代数控系统是以计算机微处理器为核心组成的控制系统，所以也称为计算机数控简称CNC (Computerized Numerical Control)。一、数控技术基本概念数控机床的工作流程：1.数控加工程序编制 根据零件图样规定的零

5、件形状、尺寸、材料及技术要求，确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量，然后根据数控代码和程序格式编写零件加工程序单。 手工编程 自动编程2.程序输入 把零件程序、控制参数和补偿数据输入数控装置。二、数控机床的加工原理数控机床的工作流程：3.译码 将零件加工程序解释成数控装置能够识别的数据形式，对程序段进行语法检查。4.刀具补偿 把编制零件加工程序时应用的零件轮廓轨迹转换成刀具中心运动轨迹。 刀具半径补偿 刀具长度补偿二、数控机床的加工原理数控机床的工作流程：5.插补 所谓插补，就是根据零件轮廓的几何形状、几何尺寸以及轮廓加工的精度要求和工艺要求，在零件轮廓的起点和终点之间插入一系列

6、中间点（折线端点）的过程，即所谓“数据点的密化过程”，其对应的算法称为插补算法。6.位置控制和切削加工 将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用二者的差值去控制伺服电动机，使得刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。二、数控机床的加工原理1.输入输出设备 主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印。控制介质输入设备输出设备穿孔纸带纸带阅读机纸带穿孔机磁带磁带机或录音机磁盘磁盘驱动器控制介质和输入输出设备表二、数控机床的加工原理1.输入输出设备BACKSPACECTRLINSCRTABALT0SHIFT畗 ZEND 瑌WHOME瘆 TPgDn瓆 OPgUp JRST E65“

7、432？198:7 YXVU SRPQ NMKL IHFG DCABESC14彩 色显 示 器空运行Z轴锁定MST锁定任选程序段机床锁定快进+JOG-JOG主轴正转主轴停主轴反转急停超程解除循环驱动进给保持冷却液开/关刀松/刀紧主轴修调16010进给修调16050403020100电 源关开1自动方式选择回零手摇点动步进单段驱 动 器NC机床电源XYZA主轴超程报警-+手摇脉冲发生器2010 090增量倍率1000101001坐标轴选择Z YX 操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成：工程面板、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器。它是数控机床特有部件。二、数控机床

8、的加工原理2.数控装置 数控装置是数控机床的核心。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。二、数控机床的加工原理3.伺服系统 接收数控装置运算处理后分配来的信号，经过调节、转换、放大后驱动电动机，带动机床的执行部件（刀具和工作台）运动。 伺服控制电路伺服系统 功率放大电路 伺服电动机常用的伺服电动机有：步进电动机

9、、电液脉冲马达、直流伺 服电动机、交流伺服电动机。二、数控机床的加工原理4.测量反馈装置 检测工作台或伺服电机的位移和速度，将信息反馈给数控装置，进行速度和位置反馈控制，保证零件的加工精度。 常用的测量部件有有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅和磁尺。5.机床本体 数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分，实现制造加工的执行部件。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）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）。二、数控机床的加工原理三、数控机床的适用范围数控机床的应用范围 三、数控机床的适用范围

10、1 批量小而又多次重复生产的零件；2 几何形状、结构复杂的零件；3 在加工过程中必须进行多种加工的零件；4 切削余量大的零件；5 必须严格控制公差的零件；6 需要频繁改型的零件；7 加工过程中如果发生错误将会造成严重浪费的贵重零件；8 需要全部检验的零件。一、 数控机床的特点第一章 绪论第二节 数控机床的特点和分类1加工精度高 一般在0.0050.1mm之间。不受零件复杂程度的影响、自动补偿。2质量稳定 对于同一批零件，加工轨迹完全相同；避免人为误差。零件加工的一致性好且质量稳定。5可以实现一机多用，工序集中 自动换刀的加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序。减少装夹误差

11、，节约工序之间的运输、测量和装夹等辅助时间。6减轻了劳动强度，改善了劳动条件 自动地连续加工，简化工人的操作，劳动强度大大降低。7有利于生产管理 能够准确地计算加工工时，减少工夹具、半成品的管理，减少误操作等。一、数控机床的特点8有利于向计算机控制与管理方面发展，实现FA、CIMS 以数字量信号进行描述和控制，以程序加工为依据的，便于计算机联网，实现集中控制与管理9可以降低企业的生产成本，提高企业的经济效益、市场的快速反应能力和竞争力。10初期投资大，对管理、操作和维修人员的技术和素质要求高。 一、数控机床的特点2.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、

12、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。按运动轨迹分类3.轮廓控制数控机床 轮廓控制(连续控制)系统：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控系统。 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。按运动轨迹分类3.轮廓控制数控机床按运动轨迹分类3.轮廓控制数控机床按运动轨迹分类1.开环控制数控机床 不带有检测及反馈装置，指令信号是单向的。二、数控机床的分类：按伺服系统控制方式分类2.闭环控制数控机床 带有速度、位置检

13、测及反馈装置，反馈信号与数控装置发来的指令信号的差值控制进给轴运动。按伺服系统控制方式分类3.半闭环控制数控机床 带有速度、位置检测及反馈装置，实际位置的反馈值是通过间接测得的伺服电机的角位移计算出来的。按伺服系统控制方式分类 性能类别CPU位数联动轴数分辨率(um)进给速度(m/min)显示高级型32524三维动态普及型1630.1101024字符/图形经济型831010字符数控系统的功能分类二、数控机床的分类：按功能水平分类二、数控机床的分类：按工艺用途分类切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类：数

14、控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。按工艺用途分类数控车床数控镗铣床按工艺用途分类龙门式平面磨床按工艺用途分类具有仿形功能的加工中心按工艺用途分类立式加工中心按工艺用途分类加工中心按工艺用途分类数控钻削中心按工艺用途分类数控钻床按工艺用途分类五轴五联动数控镗铣床按工艺用途分类特种加工机床按工艺用途分类三坐标测量机按工艺用途分类数控弯管机按工艺用途分类按联动轴数分， 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轴联动及6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。能够同时控制的运动轴数量称为联动轴数二、

15、数控机床的分类：按坐标轴数与联动轴数分类一、 现代制造技术的发展趋势第一章 绪论第三节 数控技术的应用与发展1.信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合2.计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程分析的一体化（CAD/CAM/CAE）3.加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展4.工艺研究由“经验”走向“定量分析”5.虚拟现实技术（Virtual Reality Technology, VRT）在制造业中获得越来越多的应用二、数控机床和数控系统的发展集散式复杂运动轨迹控制: 联动轴的增加；高效率的加工: 自动化程度提高，自动上下料；直线电机和电主轴的采用，提高了加工速度；用途的柔性

16、化和集成化: FMS(Flexible Manufacturing System) ,柔性制造系统；高精度: 基于信息采集、数据处理的误差补偿技术和伺服优化技术；高可靠性: 数控系统集成度的提高，机床故障诊断技术的发展，PLC性能的提高；方便的使用性：网络化、友好的界面、CAD、CAPP、CAM技术； 随着计算机技术和伺服技术的进步，当前数控机床的发展主要表现为：二、数控机床和数控系统的发展进入20世纪90年代以来，随着国际上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，使其朝着下述方向发展：运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络

17、化二、数控机床和数控系统的发展 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。二、数控机床和数控系统的发展1） 数控系统的发展趋势1 高速高精度2 智能化：（1） 应用自适应控制技术（2） 自动编程技术（3） 具有故障自动诊断功能（4） 应用模式识别技术3 开放式数控系统4. 基于网络的数控系统二、数控机床和数控系统的发展2） 数控机床的发展趋势采用开放式结构：进线、联网、专用要求。向智能化发展 自动编程、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数

18、动态补偿，人机界面极为友好，有故障专家诊断系统。二、数控机床和数控系统的发展运行高速化：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1m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=30m/min，并且具有1.5g的加减速率；二、数控机床和数控系统的发展主轴高速化：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

19、刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度 6.3秒。二、数控机床和数控系统的发展加工高精化：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。二、数控机床和数控系统的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

20、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。二、数控机床和数控系统的发展 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；二、数控机床和数控系统的发展 控制智能化 随着人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

21、高，具体体现在以下几个方面：二、数控机床和数控系统的发展 加工过程自适应控制技术 通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（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、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。二、数控机床和数控系统的发展加工参数的智能优化与选择 将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，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器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到

22、提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。二、数控机床和数控系统的发展 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定位的技术。智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。智能化自修复技术还在研究之中。二、数控机床和数控系统的发展 智能化交流伺服驱动装置 目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，

23、包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。二、数控机床和数控系统的发展 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；二、数控机床和数控系统的发展开放体系结构CNC的优点向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬