数控技术第1章

1、数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,数 控 技 术,2012.2,西安交通大学 机械工程学院,姜歌东 gdjiangmail.xjtu. ,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,国家级精品课程数控技术： 49 交大数控教研室： 西门子： 法那克： 中国制造业信息化网：http:/www.e- 中国制造协作网： 中国机械信息网： ,参考资料网址,数字控制及装备技术研究所 I

2、nstitute of Numerical Control And Equipment Technology,中国数控在线： 数控论坛： 华中数控： 上海开通数控： 南京数控： 深圳福斯特数控：http:/www.first- 广州数控： 北京凯恩帝数控：,参考资料网址,4,参 考 资 料,参考教材： 任玉田，焦振学，王宏甫，新编机床计算机数控技术，北京理工大学出版社，2005年 参考文献： 1、叶蓓华，数字控制技术，清华大学出版社，2002年 2、曹甜东，数控技术 ，华中科技大学出版社, 2005年. 3、李永动，交流电机数字控制系统，机械工业出版社，2002年. 4、 Yusuf Alti

3、ntas, Manufacturing automation : metal cutting mechanics, machine tool vibrations, and CNC design，化学工业出版社, 2002年. 5、李崇坚， 交流同步电机调速系统，科学出版社，2006年. 6、韩安太，控制原理及其在运动控制系统中的应用，清华大学出版社，2003年. 7、周华祥，汽车制造工艺与数控设备，机械工业出版社，2007年. 8、卢本，汽车机器人焊接工程，机械工业出版社，2005年.,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equip

4、ment Technology,5,目 录,第一章 概述 第二章 数控加工程序的编制 第三章 CNC装置及其接口 第四章 插补、刀补与速度控制 第五章 伺服驱动系统 第六章 汽车自动生产线及工业机器人,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,6,第一章 概 述,1-1 数控技术的基本概念 1-2 数控机床的产生与发展趋势 1-3 数控技术在汽车制造业中的应用,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,7

5、,第一章 概 述,1-1 数控技术的基本概念 1-2 数控机床的产生与发展趋势 1-3 数控技术在汽车制造业中的应用,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,控制的关键要素： 控制装置 执行机构 反馈装置,控制目标,1-1 数控技术的基本概念,8,自动控制的过程,9,数控技术（Numerical Control Technology，NC技术）是一种借助数字化信

6、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（Numerical Control System）采用数字控制技术的自动控制系统。 数控装备 是指应用数控技术对工作机械的过程进行控制的装备，是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备。 数控机床（Numerical Control Machine Tools） 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。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numeric

7、al Control And Equipment Technology,10,数控技术应用最早、最成功的应用行业是制造业，最典型的代表是数控机床。 现在数控技术的已广泛应用于国民经济各行业（如轻工、农业、能源、交通、材料、医疗、环保、信息、国防工业等）的生产装备和成套技术装备。 例如制造行业（工业机器人等）、医疗诊断治疗设备（CT机、刀治疗机的等）、电子制造行业（光刻机的等）、轻工行业（多色印刷机、木工机械等）都是各行业典型的数控装备。 数字控制和装备技术覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等

8、。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,车床加工,磨床加工,铣床加工,钻床加工,传统机械加工,11,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,难以加工复杂型面工件 工序分散 柔性低 效率低，工人劳动强度大 受人工影响大导致质量不稳定,传统加工的特点：,12,数字控

9、制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,采用数字控制的方法对加工过程自动控制，即整个加工过程由控制系统自动完成。,数控加工,13,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,可以加工复杂型面工件 工序集中 柔性高 效率高，减小辅助时间和机动时间，工人劳动强度低 加工质量稳定 有利于生产管理的现代化,数控加工的特点：,14,15,数控机床的组成,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerica

10、l Control And Equipment Technology,16,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,数控系统,机床本体,17,数控机床的组成,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,18,(一) CNC系统,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,19,1. CNC装置,数字控制及装备技术

11、研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,20,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. CNC装置,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control An

12、d Equipment Technology,21,1. CNC装置,硬件: CPU、存储器、总线、显示器、接口电路等 计算机 管理软件: 输入、I/O处理、显示、诊断等 软件 控制软件: 译码、刀补、插补、速度处理、 位置控制等 （位置控制板） PLC 接口,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,22,1. CNC装置,可编程控制器,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,23,PLC (Prog

13、rammable Logic Controller)：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。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,24,接 口 与上位机的通信接口:串行通信+网络通信 与各种输入/输出设备接口 与机床侧信号往来的I/O接口,数字控制及装备

14、技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,25,2. 输入/输出设备和控制介质,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,26,控制介质是记录零件加工程序的媒介 输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统，或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。 数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1：,2. 输

15、入/输出设备和控制介质,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,27,表1 控制介质和输入输出设备表,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,28,3. 伺服单元、驱动装置和测量装置,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,29,伺服单元和驱动装置 主轴伺服驱动装置和主轴电机 进给伺服驱动装置和进给电机

16、测量装置 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。 作用 保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令： 进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。 主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）,3. 伺服单元、驱动装置和测量装置,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,30,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,31,(二) 机床,数字控制及装备技术研究所 Institute o

17、f Numerical Control And Equipment Technology,32,机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。 组成：由主运动部件、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) 机床,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,33,高刚度和高抗振性 小的机床热变形 高效率、无间隙、低摩擦传动 简化的机械传动结构,数控机床机械结构的特点,数字控制及装备技术研

18、究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,34,数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法：,数控机床的分类,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,35,点位控制数控机床 (位置控制) 轮廓控制数控机床 (连续控制),(一) 按控制刀具与工件相对运动的轨迹分类,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipmen

19、t Technology,36,特点: 仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动； 对轨迹不作控制要求； 运动过程中不进行任何加工 适用范围： 数控钻床、数控镗床、 数控冲床和数控测量机。,点位控制,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,37,轮廓控制 轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(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。现代数控机

20、床 基本上都采用这种数控系统。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,38,开环控制系统 闭环控制系统,半闭环控制系统,全闭环控制系统,(二) 按照伺服驱动系统的控制方式分类,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,39,开环数控系统,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,40,41,没有位置测量装置

21、，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,42,半闭环数控系统,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equ

22、ipment Technology,43,半闭环控制框图,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,44,半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 半闭环数控系统结构简单、调

23、试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,45,全闭环数控系统,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,46,闭环控制框图,检测装置（光栅）,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,47,闭环数控系统直接检测运动部件的实际位置， 精度高。 闭环环路

24、内包括机械传动环节多，易导致系统不稳定。 闭环数控系统复杂、调试较难、成本高。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,48,4、按照CNC装置的功能水平分类,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,49,（三） 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、数控冲裁机等。 特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机

25、等。 其它类型：并联机床、数控装配机、数控测量机、机器人等。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,50,第一章 概 述,1-1 数控技术的基本概念 1-2 数控机床的产生与发展趋势 1-3 数控技术在汽车制造业中的应用,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,51,产生要解决如下问题： 单件（小批量）生产 精度 复杂型面加工 发展 五代：电子管、晶体管、小规模集成电路、大规模集成电路及小型计算机、

26、微型计算机,1-2数控机床的产生与发展趋势,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,52,第一代: 1952年 ,电子管控制的第一台三坐标联动的铣床；,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,53,第二代:1959年,出现了晶体管控制的数控系统； 第三代:1965年,出现了小规模集成电路.使数控系统的可靠性得到了进一步的提高； 第四代:1967年以计算机作为控制单元的数控制系统.FMS(Flexibl

27、e Manufacturing System) ,柔性制造系统。 第五代:1970年,美国英特尔开发使用了微处理器.,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,54,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,数控机床的发展趋势,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,55,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

28、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；,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,56,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（刀到刀） 2.8秒（切削到切削） 工作台（托盘）交换速

29、度 6.3秒。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,57,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。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical

30、Control And Equipment Technology,58,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。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,59,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

31、）； 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。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,60,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高，具体体现在以下几个方面：,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Techno

32、logy,61,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。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,62,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

33、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。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,63,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（AI、ES、ANN等），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。智能自修复技术集故

34、障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生命周期。 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。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,64,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，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。,65,体系开放

35、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；,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,66,开放体系结构CNC的优点： 向未来技术开放：软硬件接口都遵循公认的标准协议，

36、只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善，生命周期长； 标准化的人机界面：标准化编程语言，使用方便，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗； 向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品； 可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Co

37、ntrol And Equipment Technology,67,交互网络化 支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造”的基础单元。 网络资源共享。 数控机床的远程（网络）监视、控制。 数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控） 数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程（网络）诊断、远程维护、电子商务等）。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical

38、 Control And Equipment Technology,智能化网络化制造视频,68,69,第一章 概 述,1-1 数控技术的基本概念 1-2 数控机床的产生与发展趋势 1-3 数控技术在汽车制造业中的应用,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,70,发动机 底盘 车身 电子和电器设备,1-3数控技术在汽车制造业中的应用,汽车的四大构成：,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,71,汽车

39、发动机,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,72,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,73,汽车车身和底盘,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,74,汽车车身,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technolog

40、y,75,汽车底盘,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,汽车发动机装配过程及工作原理,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,壳体零件图纸,汽车发动机壳体加工,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,壳体加工工艺卡,汽车发动机壳体加工,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,壳体数控加工,汽车发动机壳体加工,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,80,典型零件 发动机：壳体、曲轴、连杆、凸轮 底盘：传动系统（齿轮） 车身：覆盖件（模具） 制造设备 铣床、钻床、车床、镗床、磨床、加工中心（立式或卧式）、齿轮加工机床（铣齿机、滚齿机、插齿机、磨齿机等）,汽车的典型零件和制造设备,汽车自动化生产线（冲压生产线、车