数控机床与编程上课课件

机械教研室数控机床与编程讲课教师：王俊飞第一章概述1-1数控系统及数控机床的基本概念1-2数控机床的分类1-3数控机床的产生与发展2

一数控技术的基本概念数字控制（NumericalControlTechnology，NC）是一种借助数字化信息（数字、字符）对某一工作过程（如加工、测量、装配等）发出指令并实现自动控制的技术。数控系统（NumericalControlSystem）采用数字控制技术的自动控制系统。数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。是数控技术典型应用的例子。1-1数控系统及数控机床的基本概念31-1数控系统及数控机床的基本概念二、数控机床的组成4

(一)CNC系统

1-1数控系统及数控机床的基本概念5

(一)CNC系统

1-1数控系统及数控机床的基本概念1.CNC装置6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的。CNC装置是CNC系统的核心1-1数控系统及数控机床的基本概念7

(一)CNC系统

1-1数控系统及数控机床的基本概念1.CNC装置

硬件计算机

管理软件

软件

控制软件8

(一)CNC系统

1-1数控系统及数控机床的基本概念1.CNC装置2)可编程控制器92)PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；功能：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。1-1数控系统及数控机床的基本概念103)接口口与上位位机的的通信信接口口:串行通通信+网络通通信与各种种输入入/输出设设备接接口与机床床侧信信号往往来的的I/O接口1-1数控系系统及及数控控机床床的基基本概概念11(一)CNC系统1-1数控系系统及及数控控机床床的基基本概概念2.输入/输出设设备和和控制制介质质12控制介介质是记录录零件件加工工程序序的媒媒介输入输输出设设备是CNC系统与与外部部设备备进行行交互互装置置。交交互的的信息息通常常是零零件加加工程程序。。即将将编制制好的的记录录在控控制介介质上上的零零件加加工程程序输输入CNC系统或或将调调试好好了的的零件件加工工程序序通过过输出出设备备存放放或记记录在在相应应的控控制介介质上上。数控机机床常常用的的控制制介质质和输输入输输出设设备见见表1：1-1数控系系统及及数控控机床床的基基本概概念2.输入/输出设设备和和控制制介质质13表1控制介介质和和输入入输出出设备备表1-1数控系系统及及数控控机床床的基基本概概念14(一)CNC系统1-1数控系系统及及数控控机床床的基基本概概念3.伺服单单元、、驱动动装置置和测测量装装置15伺服单单元和和驱动动装置置主轴伺伺服驱驱动装装置和和主轴轴电机机进给伺伺服驱驱动装装置和和进给给电机机测量装装置位置和和速度度测量量装置置。以以实现现进给给伺服服系统统的闭闭环控控制。。作用保保证灵灵敏、、准确确地跟跟踪CNC装置指指令：：进给运运动指指令：：实现现零件件加工工的成成形运运动（（速度度和位位置控控制））。主轴运运动指指令，，实现现零件件加工工的切切削运运动（（速度度控制制）3.伺服单单元、、驱动动装置置和测测量装装置1-1数控系系统及及数控控机床床的基基本概概念161-1数控系系统及及数控控机床床的基基本概概念(二)机床17机床：：数控机机床的的主体体，是是实现现制造造加工工的执执行部部件。。组成：：由主运运动部部件、、进给给运动动部件件（工工作台台、拖拖板以以及相相应的的传动动机构构）、、支承承件（（立柱柱、床床身等等）以以及特特殊装装置（（刀具具自动动交换换系统统工工件自自动交交换系系统））和辅辅助装装置（（如排排屑装装置等等）。。1-1数控系系统及及数控控机床床的基基本概概念(二)机床18高刚度度和高高抗振振性小的机机床热热变形形高效率率、无无间隙隙、低低摩擦擦传动动简化的的机械械传动动结构构1-1数控系系统及及数控控机床床的基基本概概念数控机机床主主机特特点191.适应性性强,适合加加工单单件小小批量量复杂杂零件件2.加工精精度高高,产品质质量稳稳定3.自动化化程度度高,劳动强强度低低4.生产效效率高高减减少少辅助助时间间和机机动时时间5.良好的经济效效率6.有利于生产管管理的现代化化二、数控机床床的特点1-1数控系统及数数控机床的基基本概念20第一章概概述述1-1数控系统及数数控机床的基基本概念1-2数控机床的分分类1-3数控机床的产产生与发展21数控机床的种种类很多，从从不同角度对对其进行考查查，就有不同同的分类方法法，通常有以以下几种不同同的分类方法法：1-2数控机床的分分类22点位控制数控控机床(位置控制)轮廓控制数控控机床(连续控制)(一)按控制刀具与与工件相对运运动的轨迹分分类1-2数控机床的分分类23特点:仅能实现刀具具相对于工件件从一点到另另一点的精确确定位运动；；对轨迹不作控控制要求；运动过程中不不进行任何加加工适用范围：数控钻床、数数控镗床、数数控冲床和数数控测量机。。点位控制1-2数控机床的分分类24轮廓控制轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个个进给轴同时时谐调运动(坐标联动)，使工件相对对于刀具按程程序规定的轨轨迹和速度运运动，在运动动过程中进行行连续切削加加工的数控系系统。适用范围：数控车床、数数控铣床、加加工中心等用用于加工曲线线和曲面的机机床。现代的的数控机床基基本上都是装装备的这种数数控系统。1-2数控机床的分分类25开环控制系统统闭环控制系统统半闭环控制系系统全闭环控制系系统(一)按照伺服驱动动系统的控制制方式分类1-2数控机床的分分类26开环数控系统统电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大1-2数控机床的分分类27

开环控制框图工作台步进电机数控装置1-2数控机床的分分类28没有位置测量量装置，信号号流是单向的的（数控装置置→进给系统），，故系统稳定定性好。无位置反馈，，精度相对闭闭环系统来讲讲不高，其精精度主要取决决于伺服驱动动系统和机械械传动机构的的性能和精度度。一般以功率步步进电机作为为伺服驱动元元件。这类系统具有有结构简单、、工作稳定、、调试方便、、维修简单、、价格低廉等等优点，在精精度和速度要要求不高、驱驱动力矩不大大的场合得到到广泛应用。。一般用于经经济型数控机机床。1-2数控机床的分分类29半闭环数控系系统位置控制调节节器速度控制调节与驱动检测与反馈单单元位置控制单元元速度控制单元元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈馈实际速度反馈馈1-2数控机床的分分类30工作台伺服电动机数控装置伺服放大器位置检测（编码器）半闭环控制框框图1-2数控机床的分分类31半闭环数控系系统的位置采采样点如图所所示，是从驱驱动装置(常用伺服电机机)或丝杠引出，，采样旋转角角度进行检测测，不是直接接检测运动部部件的实际位位置。半闭环环路内内不包括或只只包括少量机机械传动环节节，因此可获获得稳定的控控制性能，其其系统的稳定定性虽不如开开环系统，但但比闭环要好好。由于丝杠的螺螺距误差和齿齿轮间隙引起起的运动误差差难以消除。。因此，其精精度较闭环差差，较开环好好。但可对这这类误差进行行补偿，因而而仍可获得满满意的精度。。半闭环数控系系统结构简单单、调试方便便、精度也较较高，因而在在现代CNC机床中得到了了广泛应用。。1-2数控机床的分分类32全闭环数控系系统位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈1-2数控机床的分分类33工作台伺服电动机数控装置伺服放大器闭环控制框图图检测装置（光光栅）1-2数控机床的分分类34闭环数控系统统的位置采样样点如图所示示，直接检测测运动部件的的实际位置，，精度高。。闭环环路内包包括机械传动动环节多，易易导致系统不不稳定闭环数控系统统复杂、调试试较难、成本本高。1-2数控机床的分分类35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325<0.1>24三维动态普及型2630.1~1015~24字符/图形经济型8<3<10<15字符4、按照CNC装置的功能水水平分类1-2数控机床的分分类363按工艺用途分分类切削加工类：：数控镗铣床、、数控车床、、数控磨床、、加工中心、、数控齿轮加加工机床、FMC等。成型加工类：：数控折弯机、数控冲裁机等。特种加工类：：数控线切割机机、电火花加加工机、激光光加工机等。。其它类型：数控装配机、数控测量机机、机器人等。1-2数控机床的分分类37第一章概概述述1-1数控系统及数数控机床的基基本概念1-2数控机床的分分类1-3数控机床的产产生与发展38产生——要解决如下问问题：单件（小批量量）生产精度复杂型面加工工发展五代：电子管管、晶体管、、小规模集成成电路、大规规模集成电路路及小型计算算机、微型计计算机1.数控机床的出出现和发展39第一代:1952年,电子管控制的的第一台三坐坐标联动的铣铣床；第二代:1959年,出现了晶体管管控制的“加加工中心”；；第三代:1965年,出现了小规模模集成电路.使数控系统的的可靠性得到到了进一步的的提高；第四代:1967年以计算机作作为控制单元元的数控制系系统.FMS(FlexibleManufacturingSystem),柔性制造系统统。第五代:1970年,美国英特尔开开发使用了微微处理器.1.数控机床的出出现和发展1-3数控机床的产产生与发展402.数控机床的发发展趋势1）数控系统统的发展趋势势1．高速高精精度2．智能能化：（1）应用自适适应控制技术术（2）自动编程程技术（3）具有故障障自动诊断功功能（4）应用模式式识别技术3．开放式数控系系统1-3数控机床的产产生与发展412.数控机床的发发展趋势1）数控系统统的发展趋势势1．高速高精精度2．智能能化：（1）应用自适适应控制技术术（2）自动编程程技术（3）具有故障障自动诊断功功能（4）应用模式式识别技术3．开放式数控系系统1-3数控机床的产产生与发展424．基于网络的数数控系统数控系统内部部的CNC装置与数字伺伺服间的通通信，主要通通过SERCOS链式网络传送送数字伺服控控制信息；数控系统与上上级主计算机机间的通信；；与车间现场设设备及I/O装置的通信，，主要通过现现场总线，如如PROFIBUS等进行通讯；；通过因特网与与服务中心的的通信，传递递维修数据；；通过因特网与与另一个工厂厂交换制造数数据。1-3数控机床的产产生与发展432.数控机床的发发展趋势2）数控机床床的发展趋势势采用开放式结结构：进线、、联网、专用用要求。向智能化发展展自动编程、模模糊控制、学学习控制、自自适应控制、、工艺参数自自动生成、三三维刀具补偿偿、运动参数数动态补偿，，人机界面极极为友好，有有故障专家诊诊断系统。1-3数控机床的产产生与发展44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交互网络化1-3数控机床的产产生与发展2）数控机床的的发展趋势45运行高速化：：使进给率、、主轴转速、、刀具交换速速度、托盘交交换速度实现现高速化，并并且具有高加加（减）速率率。进给率高速化化：在分辨率为1m时，Fmax=240m/min。在Fmax下可获得复杂杂型面的精确确加工；在程序段长度度为1mm时，Fmax=30m/min，并且具有1.5g的加减速率；；1-3数控机床的产产生与发展46主轴高速化：：采用电主轴（（内装式主轴轴电机），即即主轴电机的的转子轴就是是主轴部件。。主轴最高转速速达200000r/min。主轴转速的最最高加（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（刀到刀））2.8秒（切削到切切削）工作台（托盘盘）交换速度度6.3秒。1-3数控机床的产产生与发展47加工高精化：：提高机械设设备的制造和和装配精度；；提高数控系系统的控制精精度；采用误误差补偿技术术。提高CNC系统控制精度度：采用高速插补补技术，以微微小程序段实实现连续进给给，使CNC控制单位精细细化采用高分辨率率位置检测装装置，提高位位置检测精度度（日本交流流伺服电机已已有装上106脉冲/转的内藏位置置检测器，其其位置检测精精度能达到0.01m/脉冲）位置伺服系统统采用前馈控制与非线性控制制等方法。1-3数控机床的产产生与发展48采用误差补偿偿技术：采用反向间隙隙补偿、丝杆杆螺距误差补补偿和刀具误误差补偿等技技术;设备的热变形形误差补偿和和空间误差的的综合补偿技技术。研究结结果表明，综综合误差补偿偿技术的应用用可将加工误误差减少60％～80％。三井精机机的JidicH5D型超精密卧式式加工中心的的定位精度为为±0.1m。1-3数控机床的产产生与发展49功能复合化复合化是指在在一台设备能能实现多种工工艺手段加工工的方法。镗铣钻复合—加工中心（ATC）、五面加工工中心（ATC，主轴立卧转转换）；车铣复合—车削中心（ATC，动力刀头））；铣镗钻车复合合—复合加工中心心（ATC，可自动装卸卸车刀架）；；铣镗钻磨复合合—复合加工中心心（ATC，动力磨头））；可更换主轴箱箱的数控机床床—组合加工中心心；1-3数控机床的产产生与发展50控制智能化随着人工智能能技术的不断断发展，并为为满足制造业业生产柔性化化、制造自动动化发展需求求，数控技术术智能化程度度不断提高，，具体体现在在以下几个方方面：1-3数控机床的产产生与发展51加工过程自适适应控制技术术通过监测加工工过程中的切切削力、主轴轴和进给电机机的功率、电电流、电压等等信息，利用用传统的或现现代的算法进进行识别，以以辩识出刀具具的受力、磨磨损以及破损损状态，机床床加工的稳定定性状态；并并根据这些状状态实时修调调加工参数（（主轴转速，，进给速度））和加工指令令，使设备处处于最佳运行行状态，以提提高加工精度度、降低工件件表面粗糙度度以及设备运运行的安全性性。1-3数控机床的产产生与发展52加工参数的智智能优化与选选择将工艺专家或或技工的经验验、零件加工工的一般与特特殊规律，用用现代智能方方法，构造基基于专家系统统或基于模型型的“加工参参数的智能优优化与选择器器”，利用它它获得优化的的加工参数，，从而达到提提高编程效率率和加工工艺艺水平，缩短短生产准备时时间的目的。。采用经过优优化的加工参参数编制的加加工程序，可可使加工系统统始终处于较较合理和较经经济的工作状状态。1-3数控机床的产产生与发展53智能故障诊断断与自修复技技术智能故障诊断断技术：根据据已有的故障障信息，应用用现代智能方方法（AI、ES、ANN等），实现故故障快速准确确定位的技术术。智能故障自修修复技术：指指能根据诊断断确定故障原原因和部位，，以自动排除除故障或指导导故障的排除除技术。智能能自修复技术术集故障自诊诊断、故障自自排除、自恢恢复、自调节节于一体，并并贯穿于加工工过程的整个个生命周期。。智能故障诊断断技术在有些些日本、美国国公司生产的的数控系统中中已有应用，，基本上都是是应用专家系系统实现的。。智能化自修复复技术还在研研究之中。1-3数控机床的产产生与发展54智能化交流伺伺服驱动装置置目前已开始研研究能自动识识别负载，并并自动调整参参数的智能化化伺服系统，，包括智能主主轴交流驱动动装置和智能能化进给伺服服装置。这种种驱动装置能能自动识别电电机及负载的的转动惯量，，并自动对控控制系统参数数进行优化和和调整，使驱驱动系统获得得最佳运行。。1-3数控机床的产产生与发展55体系开放化定义（IEEE）：具有在不同的的工作平台上上均能实现系系统功能、且且可以与其他他的系统应用用进行互操作作的系统。开放式数控系系统特点：系统构件（软软件和硬件））具有标准化化(Standardization)与多样化(Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征允许通过对对构件的增增减来构造造系统，实实现系统““积木式””的集成。。构造应该该是可移植植的和透明明的；1-3数控机床的的产生与发发展56开放体系结结构CNC的优点向未来技术术开放：由于软硬件件接口都遵遵循公认的的标准协议议，只需少少量的重新新设计和调调整，新一一代的通用用软硬件资资源就可能能被现有系系统所采纳纳、吸收和和兼容，这这就意味着着系统的开开发