计算机数控技术1概论

1、计算机数控技术,主讲：机械工程及自动化系 王 雯,欢迎同学们,Mechanics,Mechatronics,+,Electronics,=,感官,外界信息,内脏,手、足,头脑,骨骼,食物,排泄,肌肉,眼、耳,行动,血液、神经,计算机,动力源,机构,传感器,执行 元件,接口,控制,动力,构造,计测,操作,信息传输,2,3,4,5,图片,6,图片,图片,1.课堂教学部分,2.1 数控加工编程的基础知识 2.2 手工编程的数学处理 3.3 编程实例,第一章 数控技术概述 (2学时),1.1 数控技术基本概念 1.2 数控系统的分类 1.3 数控技术的产生与发展,第二章 数控加工编程技术基础 (4学时

2、),3.1 数控系统硬件组成及功能 3.2 数控装置的硬件体系结构 3.3 计算机数控装置的I/O设备及其接口,第三章 计算机数控系统硬件技术 （4学时）,4.1 数控系统软件组成及结构特点 4.2 刀具半径补偿 4.3 插补原理与程序设计 4.4 速度与加速度控制,第四章 计算机数控系统软件技术 （8学时）,1.课堂教学部分,第六章 数控技术应用实例 （2学时）,第五章 数控伺服系统及检测技术 （8学时）,5.1 伺服系统概述 5.2 常用检测装置 5.3 常用伺服驱动系统,6.1 机床数控系统 6.2 机器人数控系统,1.课堂教学部分,2.实验教学部分 （4学时）,1、开放式数控系统的基本

3、认知及实验系统的基本操作 2、插补原理实现 3、数控代码编程实验,教材: 数控技术（修订版），严育才、张福润主编， 清华大学出版社，2012.7 第1版,数控技术及应用，解乃军，仲高艳主编，科学出版社，2014.6第1版 机床数控技术与系统，蒙斌主编，机械工业出版社，2015.2第1版,http:/www.c- 中国数控机床网 中国数控世界 数控工作室,主要参考资料（图书馆分类号TG659）,数控技术网站,第一章 数控技术概述,1.1 数控技术基本概念 1.2 数控系统分类 1.3 数控机床的产生与发展,目 标,掌握数控机床的组成及各部分的作用与功能 掌握数控机床的工作原理 了解数控机床的分类

4、 了解数控机床的特点 了解数控机床及数控技术的发展,第一章 数控技术概述,1.1 数控技术基本概念,数字控制（NC Numerical Control）,计算机数字控制（CNC Computer Numerical Control） 用计算机实现部分或全部基本数控功能。,以数字量作为控制信息量,机床数控技术,数控机床,以数字化的信息实现机床控制的技术,采用数字化信息控制的机床,（Numerical Control Machine Tools） 是一种采用计算机，利用数字化信息进行控制的高效、 自动化加工机床，是具有高附加值的技术密集型机电一体化设备。,数控系统-（Numerical Contr

5、ol System） 采用数控技术的自动控制系统。,1.1 数控技术基本概念,可用不同字长表示不同精度的信息; 利用算术运算进行复杂的信息处理; 利用逻辑运算实现按不同指令进行不同方式的 信息处理； 用软件实现柔性加工；,数字控制系统的特点：,1.1 数控技术基本概念,图片,20,计算机数控系统,机 床 本 体,辅 助 装 置,程 序,输入 设备,输出 设备,数 控 装 置 （CNC）,主轴伺 服单元,进给伺 服单元,主轴 电机,进给 电机,强电控 制装置,检测 装置,PLC,1.1.1 数控系统与数控机床的组成,1.1.2 数控设备的工作原理（数控加工中数据转换过程）,译 码,刀 补 处 理

6、,插 补 处 理,PLC控制,进给伺服系统,切削运动、 机床I/O装置,成 形 运 动,加 工程序,1.1.2 数控设备的工作原理（数控加工中数据转换过程）,S,提高基础件静、动刚度 减小热变形 减小运动副摩擦，提高传动精度 提高精度保持性 减少辅助时间 良好宜人操作和安全性 宜人造型,1.1.3 数控机床的结构特点与性能要求,对数控机床结构性能的基本要求,提高数控机床结构 性能的主要措施,1.1.3 数控机床的结构特点与性能要求,提高静、动刚度 结构形式,封闭箱体形状 隔板、加强筋 局部连接,无悬伸工作台：改善工作台承载条件；,1.1.3 数控机床的结构特点与性能要求,结构布局,框架对称结构

7、：有利于合理分配结构受力和变形,并联机床：提高结构刚度；,整体混凝土床身,1.1.3 数控机床的结构特点与性能要求,结构材料,钢板焊接结构,保留铸件砂芯,采用滚动传动副 贴塑导轨 无隙齿轮传动,简化的机械传动结构,1.1.3 数控机床的结构特点与性能要求,减小热变形,减热、散热、隔热 热对称结构 加工精度敏感方向垂直于热变形方向 热变形补偿,减小运动副摩擦，提高传动精度,1.1.4 数控机床的特点,机械结构简单、传动链较短 生产效率高 高的加工精度、稳定的加工质量 能加工复杂型面 工序集中，一机多用 降低劳动强度，改善生产环境 便于生产进度安排和成本核算 是实现柔性自动加工和CAM的基础 机械

8、结构有较高的动态刚度及耐磨性、热变形小 加工中心带刀库、自动换刀装置 采用各种辅助装置：冷却、排屑、防护、润滑、储运等装置,1.1.5 数控系统主要技术指标,控制轴数 CNC最多可以控制多少坐标轴 （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。 插补坐标系也从直角坐标系扩展到极坐标系、 圆筒坐标系。,第一章 概论,30,机床坐标轴可达到的控制精度，即CNC每发出一个脉冲， 坐标轴移动的距离,定位精度 实际位置与指令位置的一致程度，不一致量为误

9、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。,第一章 概论,脉冲当量（分辨率）,定位精度与重复精度,1.1.5 数控系统主要技术指标,31,1.1.5 数控系统主要技术指标,行程和插补范围 CNC的控制范围和加工范围,进给速度和调节范围 进给速度刀具每分钟切削进给距离； 最大进给速度 CNC在一定精度条件下所能达到的 最大加工速度； 最大快进速度 不加工的最大移动速度； 速度调节 通过操作面板上的进给倍率开关调整， 调节范围一般是10%-120%，每档间隔10%,第一章 概论,32,1.1.5 数控系统主要技术指标,主轴转速和调节范围 主轴转速主轴

10、每分钟的转速； 转速调节通过操作面板上的主轴倍率开关调整， 调节范围一般是50%120%，每档间隔5%； 主轴恒线速保证诸如车床端面切削的恒定切削速度。 单位mm/min，,第一章 概论,33,1.1.5 数控系统主要技术指标,刀具管理和刀具补偿 T指令CNC从刀库中选择刀具 刀具半径补偿、长度补偿、刀具寿命管理、自动刀具测量等,第一章 概论,准备功能（G功能）用来指令机床动作的方式功能,辅助功能（M功能） 规定主轴的起停、转向，冷却液的通断，刀库的起停等,34,1.1.5 数控系统主要技术指标,操作功能 程序段跳步、机械闭锁、辅助功能闭锁、单段、试运行、录返、示教等。,开关量接口 M、S、T

11、功能以BCD码形式输出；机床其它开关量信号， 如急停、循环起动、进给保持等。 字符图形显示 自诊断功能 通信与通信协议,第一章 概论,35,1.2 数控机床的分类,特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。,1.2.1 按加工方式分类,切削加工类：如数控铣床、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。,其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。,切削加工类,1.2.1 按加工方式分类,2成型加工类,3特种加工类,4 其它加工类,1.2.1 按加工方式分类,点位控制（Point to Point Control）或 位置控制

12、 （Positioning Control）数控机床,轮廓控制（Contouring Control） 数控机床,1.2.2 按能够控制刀具与工件间相对运动轨迹分类,开环进给伺服系统,闭环进给伺服系统,半闭环进给伺服系统,1.2.3 按伺服驱动系统的控制方式分类,按有无反馈分,1.2.4 按CNC功能水平分类,第一台数控机床（1952）NC（电子管晶体管SSI ） CNC （LSI ）MNC （ULSI） 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 1998 电子管 晶体管 SSI LSI ULSI Pc-

13、based 并联机床 1.3.2 我国数控机床的发展趋势 （虚拟机床） 1958年我国开始研究数控技术。几十年来，经历了发展、停滞、引进技术及消化吸收等几个阶段。 1958年开始，我国有上百家高校、研究所、工厂开展了NC机床研究和试制。,1.3 数控技术的发展,1.3.1 数控机床的产生及发展过程,至1989年底品种超过300种，数控车床占40% 加工中心占27%,1962年 研制成功晶体管数控系统，线切割机、外 圆齿轮插齿机,1972年 研制成功集成电路数控系统,1980年 引进了日本70年代末期水平微处理器和直流伺服拖动技术,目前我国数控机床（包括经济型、中、低档数控机床） 能提供产品的有

14、1500多种。出口量世界第一。 2014年我国数控机床产量达到39.1万台,1.3.2 我国数控机床的发展趋势,我国数控技术的“四个差距”,1、市场占有率低，品种覆盖率小，没有形成规模生产 2、成套性差，伺服、主轴不配套 3、外观质量稍差，可靠性相对差，商品化程度不足 4、名牌效应差，用户信心不足,44,高精度 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 ；,实例： 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的

15、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,1.3 数控技术的发展,高速进给，高响应伺服 主轴高速回转，高刚度，高速传动，冷却高速 FANUC FS15系列CNC，多个32位CPU进行分散控制和处理， 最小设定单位在 0.1m 时，进给速度可达24m/min； 最小设定单位在 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， 加工一个NAC55钢模具，用陶瓷刀具只需求12MIN， 而在普通机床上需9小时；,高速度，高效率,1.3 数控技术的发

16、展,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42000RPM，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。,高速度，高效率,1.3 数控技术的发展,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 车铣中心,复合化,1.3 数控技术的发展,上一页,下一页,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,智能化,1.3 数控技术的发展,小型化 LSI，新型TFT彩色液晶薄型显示器和表面安装技术， 三维立体装配；

17、 SIEMENS推出的 SINUMERIK 840D CNC 体积为50316207（mm3）,高柔性化,1.3 数控技术的发展,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；,开放式结构,1.3 数控技术的发展,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

18、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，这就意味着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并处于长生命周期；,标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用， 降低了和操作效率直接有关的劳动消耗；,开放式结构,1.3 数控技术的发展,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，给用户提供一个方法，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。,开

19、放式结构,1.3 数控技术的发展,开放式数控装置的概念结构,1.3 数控技术的发展,微型化：微型加工 环保化,网络化,制造系统联网集成 远程控制：异地制造 远程诊断,1.3 数控技术的发展,国内外开放式数控系统的研究进展 美国：NGC( The Next Generation Work-station/Machine Controller)和OMAC(Open Modular Architecture Controller)计划 欧共体：OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems)计划 日本：OSEC(Open System Environment for Controller)计划 华中I型基于IPC的CNC开放体系结构 航天I型CNC系统基于PC的多机CNC开放体系结构,1.3 数控技术的发展,1.3.3 N