第一章 数控技术概述

1、1,计算机数控技术 Computer Numerical Control,主讲：机械工程及自动化系 傅卫平,2,自从上世纪中叶数控技术诞生以来，它给机械制造业带来了革命性的变化，数控技术成为提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的技术手段 数控技术是先进制造技术的核心，已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化、网络化生产的关键基础技术，现代的CAD/CAM、FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都建立在数控技术之上 以数控技术为基础的相关产业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，数控技术水平高低已成为衡量一个国家工业现代化水平和综合国力的重要标志 专家们预言: 二十一世纪机

2、械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争,计算机数控技术,3,计算机数控技术,数控技术概述(2h) 数控系统软件技术(10h) 数控系统硬件技术(6h) 数控系统伺服及检测技术(8h) 数控技术应用实例(2h) 数控技术实验(4h),4,如何学好”计算机数控技术”,教材 数控技术（修订版）清华大学出版社，严育才，张福润，2012 主要参考资料（图书馆分类号TG659） 新编机床数控技术北京理工大学出版社，任玉田 现代数控原理及控制系统（第3版）国防工业出版社，张吉堂 现代数控机床伺服及检测技术（第3版）国防工业出版社，王爱玲 数控技术原理及现代控制系统西南交通大学出版社，关美华 数控技术清华大学

3、出版社，黄国权 数控原理机械工业出版社，全国数控培训网络天津分中心 机床数控原理与系统机械工业出版社，严爱珍 数控技术网站 http:/www.c- 中国数控机床网 中国数控世界 数控工作室,5,如何学好”计算机数控技术”,学习重点 数控系统的基本组成和工作原理 数控系统的软件结构与原理 数控系统的硬件结构与原理 位置检测装置与伺服系统,学习要点 基本概念 基本原理 基本方法,6,第一章 数控技术概述,数控系统与技术的基本概念 数控系统的分类 数控机床与数控技术的发展,第 一 章 数 控 技 术 概 述,本章重点,掌握数控机床的组成及各部分的作用与功能 掌握数控机床与数控系统的工作原理 了解数

4、控机床的分类 了解数控机床及数控技术的发展,7,1.1 数控系统与技术的基本概念 一、基本术语,一、基本术语 数字控制（Numerical Control）数控(NC) 借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（加工、测量、装配等）进行的可编程控制；或是用数字化信号（数字或脉冲）对控制对象的运动和工作过程进行控制的一种方法。(GB8129-87) 数字量控制与模拟量控制 硬件数控（NC）与软件数控（CNC）,第 一 章 数 控 技 术 概 述,计算机数字控制（Computer Numerical Control）计算机数控(CNC) 用计算机实现部分或全部基本数控功能,数控技术与计算机数控技术

5、采用数字控制的方法实现的自动控制技术 应用：机床、自动线、机器人、火炮、雷达跟踪、自动汽车等自动化设备,8,第 一 章 数 控 技 术 概 述,数控机床 采用数控技术对加工过程进行自动控制的一类机床；装 备了数控系统的机床;采用数字化的信息控制的机床 数控技术的最早和最典型的应用,1.1 数控系统与技术的基本概念 一、基本术语,数控系统与计算机数控系统 用数字控制技术实现的自动控制系统 数控系统:硬件+软件,9,图片,10,1.1 数控系统与技术的基本概念 二、数控机床的基本原理,二、数控机床的基本原理 基本组成(数控系统+机床主机与辅助装置),基本工作过程 程序编制程序输入信息处理伺服驱动机

6、床加工 数控机床的加工过程，就是将加工零件的几何和工艺信息编制成程序，由输入部分送入计算机，经过计算机的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使各轴运动精确、协调进行，实现刀具与工件的相对运动，一直加工完零件的全部轮廓。,11,三、数控系统的基本原理(控制系统(硬件:CNC装置+I/O装置+接口;软件:控制管理)+驱动系统（伺服系统+电机）+测量反馈系统（位置速度检测元件）) 基本组成：硬件+软件,1.1 数控系统与技术的基本概念 三、数控系统的基本原理,第 一 章 数 控 技 术 概 述,12,1.1 数控系统与技术的基

7、本概念 三、数控系统的基本原理,第 一 章 数 控 技 术 概 述,数控系统与数控机床组成框图,13,基本工作过程,1.1 数控系统与技术的基本概念 三、数控系统的基本原理,第 一 章 数 控 技 术 概 述,14,1.1 数控系统与技术的基本概念 四、数控系统的主要技术指标,四、数控系统的主要技术指标 控制轴数 CNC最多可以控制的坐标轴轴数（包括直线轴和回转轴）,联动轴数 CNC可同时控制且按一定规律完成一定轨迹插补的协调运 动的坐标轴数,插补功能 插补直线、圆弧、抛物线、椭圆、正弦曲线、螺旋曲线、 样条函数等，甚至可对曲面直接插补。,脉冲当量（分辨率） 机床坐标轴可达到的控制精度，即CN

8、C每发出一个脉冲， 坐标轴移动的距离,第 一 章 数 控 技 术 概 述,15,1.1 数控系统与技术的基本概念 四、数控系统的主要技术指标,定位精度与重复精度 定位精度：实际位置与指令位置的一致程度，不一致量为误差；重复精度：在相同条件下，操作方法不变，进行规定次数操作所得到的连续结果的一致程度。,行程和插补范围 进给速度和调节范围 主轴转速和调节范围 准备功能（G功能） 辅助功能（M功能） 刀具管理和刀具补偿 操作功能 字符图形显示 自诊断功能 通信与通信协议,第 一 章 数 控 技 术 概 述,16,第 一 章 数 控 技 术 概 述,1.2 数控系统的分类 一、按工艺用途分类,一、按工

9、艺用途分类 切削加工类数控系统 数控车、铣、钻、镗、磨、齿轮、加工中心、FMC等 成型加工类数控系统 数控折弯机、弯管机、压力机等 特种加工类数控系统 数控线切割、电火花、激光加工等 其它类型数控系统 数控装配机、数控测量机、机器人等,17,激光切割机床,18,1.2 数控系统的分类 二、按运动轨迹控制方式分类,二、按运动轨迹控制方式分类 点位控制系统 特点：仅能实现从一点到另一点的精确定位运动；对运 动速度和轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。 适用范围：数控钻床、镗床、冲床、点焊机、测量机等,轮廓或连续控制系统 特点：可同时对两个及两个以上坐标的运动位移和速度进行连续协调控制（多轴

10、联动），以使合成的平面或空间运动轨迹符合给定轨迹要求 适用范围：数控车床、铣床、凸轮磨床、切割机、加工中心等,直线或点位直线控制系统 特点：不仅能实现两点之间的精确定位运动，还要控制 两相关点之间的运动速度和轨迹（平行于坐标轴或45直线，不能任意斜率）；可在运动过程中进行加工 适用范围：简易数控车床、数控镗铣床等,第 一 章 数 控 技 术 概 述,19,1.2 数控系统的分类 二、按运动轨迹控制方式分类,第 一 章 数 控 技 术 概 述,20,三、按伺服系统反馈方式分类 开环控制系统,全闭环控制系统,半闭环控制系统,1.2 数控系统的分类 三、按伺服系统反馈方式分类,第 一 章 数 控 技

11、 术 概 述,21,1.2 数控系统的分类 四、按功能水平分类,第 一 章 数 控 技 术 概 述,四、按数控系统功能水平分类,22,一、数控机床的产生及发展过程 国外: 第一台数控机床（1952）NC（电子管晶体管SSI ）CNC（LSI ）MNC （ULSI） FMC FMS CIMS 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代 现代 1955 1959 1965 1970 1974 1990 1994 电子管 晶体管 SSI LSI ULSI PC-based 并联机床,第 一 章 数 控 技 术 概 述,1.3 数控机床与数控技术的发展 一、数控机床的产生及发展过程,国内: 第一台

12、数控铣床(1958) 数控铣床、车床开始进入商品化（1975）引进日本FUNAC数控系统技术（1980）数控机床小批量生产商品化 数控机床品种由1993年的500种增加到2001年的约1500种； 20世纪90年代年产量以年均20%速度增长，2010年增速达到62.2%；2010年年产量约23.6万台，产量居世界第一；沈阳机床集团是目前（2011）销售产值世界排名第1的机床制造企业,23,第 一 章 数 控 技 术 概 述,24,1.3 数控机床与数控技术的发展 二、数控机床与数控技术的发展趋势,第 一 章 数 控 技 术 概 述,二、数控机床与数控技术的发展趋势,FANUC FS15系列CN

13、C:多个32位CPU进行分散控制和处理,分辨率为1m时，进给速度可达240m/min; 日本新泻铁工所的V240立式MC:主轴转速高达50000RPM; 瑞士IBAG公司生产电主轴:最高转速140000RPM，最高功率100KW; 瑞士DIXI公司生产的5轴5面体MC:主轴转速高达42000 RPM,定位精度高达8m,工作台及立柱均采用人造花岗岩，刚性、稳定性和精度保持性均佳。,25,1.3 数控机床与数控技术的发展 二、数控机床与数控技术的发展趋势,超精密加工进入了纳米（0.001m ）级； 机床回转精度达0.01m ； 加工圆度为0.1m ； 表面粗糙度为Ra=0.03m ；,第 一 章

14、数 控 技 术 概 述,液浮陀螺球面的球度 0.2-0.5m,空对空导弹红外接受器的非球面反射镜的形状误差 0.1-0.3m,激光打印机的平面反射镜和录像机磁头平面度要求为0.04m ，粗糙度为0.02m,高精度轴承的滚动体圆度要求小于0.5m,轿车气缸的缸体和连杆两端的圆孔的圆柱度要求1m,实例,26,第 一 章 数 控 技 术 概 述,1.3 数控机床与数控技术的发展 二、数控机床与数控技术的发展趋势,工序复合化 一次安装，完成多工序多表面加工； 刀库，机械手，主轴箱库，可交换工作台； 功能复合化 铣车复合中心、车铣复合中心； 切削+激光；,27,28,1.3 数控机床与数控技术的发展 二

15、、数控机床与数控技术的发展趋势,自适应控制技术 专家系统 故障自诊断 智能化交流伺服驱动装置 多媒体技术,第 一 章 数 控 技 术 概 述,29,微型化： 微型加工与小 型CNC SIEMENS推出的SINUMERIK 840D CNC 体积为50316207（mm3）,1.3 数控机床与数控技术的发展 二、数控机床与数控技术的发展趋势,第 一 章 数 控 技 术 概 述,节能环保化,造型宜人化 享受感 舒服感 欣赏感,30,第 一 章 数 控 技 术 概 述,1.3 数控机床与数控技术的发展 二、数控机床与数控技术的发展趋势,美国：MC第一消费大国，拥有量超6万台，占该国NC机床的 50%

16、，年 产量5000台；,日本：MC第一生产大国，年产15000台，产值30亿美元 (均20 万/台),德国：MC第一技术大国，年产虽2500台，但产值10亿 (均40 万/台),中国：生产厂家30多，产量均500台,数控加工中心机床MC（Machining Center） 在NC镗或铣床上加ATC MC上加自动分度回转工作台或自动转角度的主轴头， 一次装夹完成多面、多角度加工（工序复合化） MC上带交换工作台,31,32,第 一 章 数 控 技 术 概 述,1.3 数控机床与数控技术的发展 三、数控机床与数控技术的新发展,并联机床（Parallel Machine Tool ）21世纪的机床

17、是数控机床在结构上取得的重大突破，是机床发展史上的 一次重大变革。,三、数控机床与数控技术的新发展,并联机床的特点 是现代机器人与传统加工技术相结合的产物； 结构简单、刚度高、重量轻、动态性能好； 功能强，适用面广；,并联机床研制概况 1994年第一次在美国芝加哥国际机床展览会上展出；1997年俄罗斯Lapic公司研制的高精度并联机床加工测量精度达到0.001mm左右。1998年我国第一台并联机床样机问世，1999年我国研制的可以进行切削加工的并联机床在国际机床展览会上展出。,33,1.3 数控机床与数控技术的发展 三、数控机床与数控技术的新发展,第 一 章 数 控 技 术 概 述,并联机床工

18、作原理 由六根驱动杆并行铰接在固定平台和活动平台之间，刀具装夹在活动平台上。机床工作时由六根驱动杆同时相互耦合地做伸缩运动来实现刀具位姿的改变，以进行切削加工。,34,第 一 章 数 控 技 术 概 述,1.3 数控机床与数控技术的发展 三、数控机床与数控技术的新发展,企业通过计算机网络把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力，按资源优势互补的原则组织经营实体，进行生产经营业务活动各个环节的合作，以实现企业间的资源共享、优化组合和产品的异地制造。,35,虚拟数控机床技术 虚拟数控机床是虚拟制造的执行单元，是虚拟制造的关键 基础技术之一。其目的是为虚拟制造建立一个真实的加工环境，在计算机屏幕上实现加工过程的仿真，以增强制造过程的各级决策与控制能力，优化制造过程;以经济快捷的方式提高产品设计品质，缩短产品开发周期。,第 一 章 数 控 技