数控技术及应用-刘军课件第1章 绪论

数控技术及应用1数控技术及应用目录第二章数控加工工艺第三章数控加工编程第五章计算机数控装置第七章数控机床伺服系统第八章数控机床的机械结构第一章绪论第四章数字控制原理第六章数控机床检测装置第九章数控机床故障诊断与维修2第1章绪论1.11.4数控机床的组成1.5数控机床的分类数控技术的产生和发展与发展数控技术的基本概念

1.21.3数控机床的特点3提要本章主要介绍数控技术、数控机床的基本概念、组成结构、工作原理及分类；数控技术发展。重点：数控技术及数控机床的基本概念、数控机床的组成及分类，数控机床的特点及应用范围，数控机床的工作原理。难点：数控机床的组成和数控机床的工作原理。第1章绪论4目标掌握数控机床和数控技术的基本概念掌握数控机床的工作原理及组成了解数控技术的发展历程和趋势了解数控机床分类第1章绪论5数控技术（NumericalControlTechnology）机床数控技术国标定义为：“用数字化信号（数字、字母和符号）对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。简称数控（NC）。1.1数控技术的基本概念1.1.1基本概念6数控系统（NumericalControlSystem）是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。计算机数控系统（ComputerNumericalControl，CNC）是以计算机为核心的数控系统。1.1数控技术的基本概念7数控机床——装备了数控系统的机床。

1.1数控技术的基本概念数控加工—应用数控机床加工零件的机械加工方法

应用数控技术对加工过程进行控制的机床81.1数控技术的基本概念1.1.2数控技术的发展与作用发展：集机械制造，计算机现代控制，传感检测，信息处理等为一体的机电一体化技术，并随其发展。作用：引起机械制造业的显著变化；是综合国力、工业现代化水平的重要标志。91.1数控技术的基本概念1.1.3数控技术的产生和发展1、原因—社会生产发展（军备竞赛的产物）2、目的—解决单件、中小批量精密复杂零件的加工问题101.1数控技术的基本概念1.1.3数控技术的产生和发展1952年，美国Parsons与M．I．T联合研制成功世界上第一台三坐标数控铣床。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系统的发展经历的六代。第一代数控（1952-1959年）：采用电子管构成的硬件数控系统；第二代数控（1959-1965年）：采用晶体管电路为主的硬件数控系统；第三代数控（1965年开始）：采用小、中规模集成电路的硬件数控系统；第四代数控（1970年开始）：采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统；第五代数控（1974年开始）：采用微型计算机控制的系统；第六代数控（1990年开始）：采用工控PC机的通用CNC系统。硬件数控软件数控11

ThefirstsuccessfulN/Cmachine,fundedbytheAirForce,wasdemonstratedbytheMassachusettsInstituteofTechnologyin1952.Itwasa"retrofitted"Cincinnatimillingmachine(Figure

1.15).Ithadtheabilitytocoordinatetheaxismotionstomachineacomplexsurface.Thefirst"commercial"N/Cmachineswereshownatthe1955NationalMachineToolShow.

1.1数控技术的基本概念第一台数控机床12第1章绪论1.11.4数控机床的组成1.5数控机床的分类数控技术的产生和发展与发展数控技术的基本概念

1.21.3数控机床的特点131.2.1数控机床的组成1.2数控机床的组成主要由控制介质、输入输出设备、数控系统、伺服系统、机床电气控制、机床本体六部分组成。数控机床的组成框图14数控装置输入/输出装置伺服系统和检测装置程序载体机床本体强电控制装置1.2数控机床的组成15输入/输出装置①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：按钮站、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。1.2数控机床的组成1.2.2各组成部分的作用16主要内容操作面板

人机交互1.2数控机床的组成17主要内容液晶显示器MDI键盘功能键机床控制面板急停按钮1.2数控机床的组成18②控制介质与输入输出设备1.2数控机床的组成控制介质是记录零件加工程序的媒介。如穿孔纸带、磁带、磁盘、U盘表1控制介质和输入输出设备表输入输出设备（人机交互设备）是CNC系统与外部设备进行交互的装置。交互的信息通常是零件加工程序。19通讯采用的方式有：串行通讯(RS232C)、网络通讯（internet，LAN）、自动控制专用接口（DNC）等1.2数控机床的组成20CNC装置(CNC单元)CNC装置是CNC系统的核心作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理，然后输出控制命令到伺服驱动单元和PLC。1.2数控机床的组成数控装置位置控制板PLC接口板计算机系统控制软件通讯接口板辅助功能模块21伺服系统主轴伺服驱动控制系统和主轴电机进给伺服驱动控制系统和进给电机1.2数控机床的组成22伺服系统 1.2数控机床的组成FANUC数控系统与伺服系统的连接作用：数控系统发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，经功率放大和处理后，转换成机床执行部件的运动（如工作台的直线运动和主轴的旋转运动）。常用的伺服电动机：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和数字伺服电动机。23华中世纪星系列数控装置、伺服驱动器及伺服电机1.2数控机床的组成24伺服系统的作用—举例总旋转角驱动装置步进电机工作台脉冲信息脉冲总数滚珠丝杠总位移1.2数控机床的组成脉冲信息功率放大模拟量（如转角等）传动机构工作台转换0.01mm/脉冲，0.001mm/脉冲。总位移量＝脉冲总数×脉冲当量25位置和速度测量装置，实现进给伺服系统的闭环控制作用：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令。进给运动指令：速度和位置控制。主轴运动指令：速度控制。1.2数控机床的组成测量装置（位置检测反馈装置）

26常用的测量部件：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅和磁尺等。直线光栅圆光栅1.2数控机床的组成脉冲编码器当数控装置输出指令信号给伺服系统时，伺服系统就使机床上的移动部件作相应的移动，并对定位精度（位置）和速度加以控制。伺服系统的性能将直接影响数控机床部件的运动精度和速度，因此是影响数控机床加工精度和加工效率的主要因素之一。

27PLC、机床I/O电路和装置（强电控制柜）1.2数控机床的组成PLC：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制。机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件，由各种中间继电器、接触器、变压器、电源开关、接线端子和各类电气保护元器件等组成。

28PLC的功能：——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（如主轴的起停、工作台的交换、刀具的交换和切削液的开关等。）；——接受操作面板（按钮站）和机床侧的I/O信号（如，工件/刀具夹紧松开等），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（例如，操作模式的选择、机床急停、限位等）。1.2数控机床的组成291.2数控机床的组成30机床本体机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。1.2数控机床的组成31机床主体的组成：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）辅助装置（ATC、APC、工件夹紧和放松机构、回转工作台、液压控制系统、润滑装置、切削液装置、排屑装置、过载和保护装置等）1.2数控机床的组成321.2数控机床的组成33数控机床的机械系统的主要特点：大多数数控机床采用高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的机械传动机构得到了简化，传动链较短。为了适应数控机床的连续自动化加工，数控机床具有较高的刚度、精度及耐磨性，热变形较小。采用高效、高精度、无间隙传动部件，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨、静压导轨等。一些数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率。采用全封闭罩壳保证了操作安全。1.2数控机床的组成34第1章绪论1.11.4数控机床的组成1.5数控机床的分类数控技术的产生和发展与发展数控技术的基本概念

1.21.3数控机床的特点35

本节提示

数控机床最基本的分类方法是按工艺用途分类。

1.按工艺用途分

2.按控制运动的轨迹分

3.按伺服驱动系统的控制方式分

4.按控制的联动轴数分

5.按控制系统的功能水平分1.3数控机床的分类361.3数控机床的分类1.3.1数控加工与传统加工的比较工艺分析工序卡数控加工程序传统加工数控加工371.3.1数控加工与传统加工的比较1.3数控机床的分类38工艺处理加工图纸数学处理编程手册数控编程程序仿真输入装置加工程序毛坯或半成品数控系统数控机床程序编制成品译码、数据处理、插补、伺服驱动N5G01G41X100.0Y100.0D01F100M08;1.3.2数控加工工作原理1.3数控机床的分类391.3.2数控加工工作原理数控程序数控系统译码刀补运算插补运算模拟量控制成形运动PLC辅助动作<加工过程自动进行>开关量控制伺服单元数控加工原理就是将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动完成零件的加工。1.3数控机床的分类401.3数控机床的分类数控三坐标测量仪数控对刀仪数控绘图仪金属切削类数控机床金属成型类数控机床特种加工类数控机床其他类型数控机床1.3.3按工艺用途分类数控弯管机数控板料择弯机数控压力机数控电火花数控线切割机床数控激光切割机床(1)普通数控机床(2)数控加工中心411、金属切削类数控机床五轴加工中心卧式数控铣床1.3数控机床的分类422、金属成型类数控机床数控弯管机数控压力机1.3数控机床的分类43

慢走丝线切割技术加工精度可达到±1.5μm，加工表面粗糙度Ra0.1～0.2μm。3、特种加工类数控机床激光切割机床1.3数控机床的分类444、其他类型数控机床三坐标数控测量仪1.3数控机床的分类45

1.3数控机床的分类1.3.4按控制运动的轨迹分类46主要内容点位控制(PointtoPointControlSystems)

特点：仅实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对点与点之间运动轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。一般先快速移动，然后慢速趋近定位点

1.3数控机床的分类1.3.4按控制运动的轨迹分类适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。47主要内容直线控制（平行控制）：(LineControlSystems)

特点：要求控制点到点的精确定位；要求机床工作台或刀具（刀架）以给定的进给速度和轨迹运动；运动路线沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45°角的方向进行直线移动和切削加工。

1.3数控机床的分类适用范围：简易数控车床、数控镗铣床、数控组合机床等。1.3.4按控制运动的轨迹分类48主要内容轮廓控制(ContouringControlSystems)

1.3数控机床的分类1.3.4按控制运动的轨迹分类

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。特点：对多个坐标轴的位移和速度同时进行控制，使之协调运动(坐标联动)；49主要内容开环控制(Open-LoopServo-Drive)1.3.5按伺服驱动系统的控制方式分类

1.3数控机床的分类定义：不具有位移检测与反馈缺点：精度低优点：简单、稳定、成本低适合：精度不高的中小型数控机床进给脉冲步进电机环形分配器功率放大器齿轮箱工作台50

开环控制框图工作台步进电机数控装置1.3.5按伺服驱动系统的控制方式分类

1.3数控机床的分类51半闭环控制(Half-Closed-LoopServo-Drive)速度控制电路工作台伺服电机位置比较电路指令脉冲速度反馈位置反馈检测元件1.3.5按伺服驱动系统的控制方式分类1.3数控机床的分类定义：检测元件位于运动执行件前（电机、丝杠）性能：精度较高、稳定性较好、价格较低应用：相当普遍52工作台伺服电动机数控装置伺服放大器位置检测（编码器）半闭环控制框图1.3数控机床的分类1.3.5按伺服驱动系统的控制方式分类53主要内容闭环控制(Closed-LoopServo-Drive)位置反馈速度控制电路工作台伺服电机位置比较电路指令脉冲速度反馈1.3.5按伺服驱动系统的控制方式分类1.3数控机床的分类

定义：有位移检测与反馈，检测元件装在运动执行件上优点：补偿误差、精度高、缺点：参数匹配不当引起系统振荡，稳定性差、结构复杂、维护难、适合：大型、精密数控机床54工作台伺服电动机数控装置伺服放大器

闭环控制框图

检测装置（光栅）1.3数控机床的分类1.3.5按伺服驱动系统的控制方式分类55光栅尺光栅尺1.3数控机床的分类56

1.3数控机床的分类1.3.6按控制的联动轴数分类（1）两坐标数控机床（2）三坐标数控机床（3）两轴半坐标数控机床（4）多坐标数控机床57主要内容两坐标加工二轴半或三坐标加工四坐标加工五坐标加工

1.3数控机床的分类1.3.6按控制的联动轴数分类58二轴联动

主要用于数控车床加工曲线旋转面或数控铣床加工曲线柱面。

1.3数控机床的分类59二轴半联动主要用于三轴以上控制的机床，其中二个轴互为联动，而另一轴作周期进给。

1.3数控机床的分类如：在数控铣床上用球头铣刀采用行切法加工三维空间曲面。60三轴联动一般分为两类：一类是X、Y、Z三个直线坐标轴联动，较多用于数控铣床，加工中心。如：用球头铣刀铣切三维空间曲面，见右图。另一类是除了同时控制X，Y，Z，其中两个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如：车削加工中心，它除了纵向(z轴)、横向(x轴)两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕Z轴旋转的主轴(C轴)联动。

1.3数控机床的分类61四轴联动

同时控制X，Y，Z三个直线坐标轴与某一个旋转坐标轴联动。如：右图为同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床简图。

1.3数控机床的分类四轴联动的加工中心62

除了同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标。

特点：刀具可被定在空间的任意方向。如控制切削刀具同时绕着x轴和y轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的曲面成法线方向，保证被加工曲面的圆滑性，提高加工精度和减小表面粗糙度。五轴联动

1.3数控机床的分类五坐标加工631.3.7按功能水平分类数控机床水平的高低主要指它们的主要技术参数、功能指标和关键功能部件的功能水平等。1.3数控机床的分类项目低档中档高档分辨率进给速度10μm、3~8m/min1μm、10~24m/min0.1μm、24~100m/min伺服类型开环、步进电动机系统半闭环直流或交流伺服系统闭环直流或交流伺服系统联动轴数2~3轴2~4轴5轴或5轴以上主轴功能不能自动变速自动无级变速自动无级变速、C轴功能表2数控系统不同档次的功能及指标64通信能力无RS232C或DNC接口MAP通信接口、联网功能显示功能数码管显示、CRT字符CRT显示字符、图形三维图形显示、图形编程内装PLC无有有主CPU8或16bit16或32bitCPU32或64bitCPU1.3.7按功能水平分类1.3数控机床的分类表2数控系统不同档次的功能及指标（续）651.3数控机床的分类分类方法数控机床类型按工艺方法金属切削数控机床金属成形数控机床特种加工数控机床按运动控制方式点位控制数控机床直线控制数控机床轮廓控制数控机床按伺服系统开环数控数控机床半闭环控制数控机床闭环控制数控机床按功能水平经济型数控机床中档型数控机床高档型数控机床数控机床的分类(Types)66第1章绪论1.11.4数控机床的组成1.5数控机床的分类数控技术的产生和发展与发展数控技术的基本概念

1.21.3数控机床的特点671.4数控机床的特点序号数控机床普通设备1操作者可在较短的时间内掌握操作和加工技能要求操作者有长期的实践经验2加工精度高、质量稳定，较少依赖于操作者的技能水平高质量、高精度的加工要求操作者具有高的技能水平3编制程序花费较多时间加工过程凭直觉和技巧，准备工作简单4加工零件复杂程度高，适合多工序加工适合加工形状简单、单一工序的产品5易于加工工艺标准化和刀具管理规范化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6适于长时间无人操作和加工自动化是实现自动化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7适于计算机辅助生产控制，生产率高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，质量不稳定数控机床与普通机床的比较681.4数控机床的特点1.4.1数控机床的特点优点：（1）加工精度高、加工质量稳定（2）具有较高的生产效率（3）增加了设备的柔性（4）功能复合程度高，一机多用（5）减轻劳动强度，改善劳动条件（6）有利于生产管理（7）有利于向高级计算机控制与管理方面发展

不足：（1）机床价格较高，初始投资大（2）单位工时的加工成本较高

（3）生产效率比刚性自动生产线低

（4）加工中的调整相对复杂

（5）对设备使用维护人员的技术水平要求较高691.4.2

数控机床的适用范围（补充）1.4数控机床的特点数控机床加工范围的定性分析③需要频繁改型的零件。在军工企业和科研部门，零件频繁改型是司空见惯的事，这就为数控机床提供了用武之地。④价值昂贵，不允许报废的关键零件。⑤希望最短生产周期的急需零件。①结构复杂、精度高或必须用数学方法确定的复杂曲线、曲面类零件。②多品种小批量生产的零件。70第1章绪论1.11.4数控机床的组成1.5数控机床的分类数控技术的产生和发展数控技术的基本概念

1.21.3数控机床的特点711.5数控技术的产生和发展1.5.1数控技术的发展

50多年来，随着计算机技术、微电子技术、自动控制技术、精密测量技术及机械制造技术的发展，数控机床及加工技术取得了飞速的发展。721.5.2数控技术的发展历程时间名称1952年NC数控铣床1959年MC加工中心1961年DNC计算机直接数控1965年AC自适应控制1973年CNC计算机数控1974年CAD/CAM计算机辅助设计/制造1979年FMC/FMS柔性制造单元/系统1980年CIMS计算机集成制造系统表所示为数控机床及加工技术的发展进程概况1.5数控技术的产生和发展731.5.3数控技术的发展趋势运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化驱动并联化交互网络化1.5数控技术的产生和发展741.5.3数控技术的发展趋势1.运行高速化主轴高速化：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以上主轴转速的最高加（减）速为1.0g以上 换刀速度

0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度1.5数控技术的产生和发展751.5.3数控技术的发展趋势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