数控机床绪论

1、数控机床绪论课程内容v 绪论v 插补与刀补计算原理v CNC系统结构及控制方法v 检测装置v 数控机床的伺服驱动系统v 数控机床的故障诊断 1. 1. 理论部分理论部分课程内容 插补算法实验 步进式伺服系统 检测元件原理 CAD-CAM NC加工 简易数控系统 数控编程加工 2. 2. 实验部分实验部分 课程实验课程实验 综合实验综合实验教材及参考书 选用教材： 机床数控原理与系统 西工大出版社 王润孝 秦现生主编参考书目： 计算机数控(CNC)系统 西工大出版社 彭炎午主编 现代数控机床 机械工业出版社 毕承恩 丁乃建编著 1-1 绪论一、 示例普通车床加工数控车床加工并联机床二、数控机床的

2、定义 数控： （Numerical Control， NC） 是一种借助数字、字符或其它符号对某一 工作过程（如加工、测量、装配等）进行 可编程控制的自动化方法。 数控机床： 用数控技术控制的机床称为数控机床。二、数控机床的定义 数控机床的一般工作形式为：三、数控机床的组成 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量装置和机床本体组成 。三、数控机床的组成 1 1、控制介质、控制介质 人和数控机床联系的媒介物。 (也称程序介质、输入介质、信息载体) 控制介质可以是穿孔带，也可以是穿孔卡、磁带、磁盘或其他可以储存代码的载体 ，有些直接集成在CAD/CAM中。三、数控机床的组成 2 2、数控

3、装置、数控装置 数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成 。三、数控机床的组成 3 3、伺服系统、伺服系统 其作用是把来自数控装置的脉冲 信号转换成机床移动部件的运动，包括信号放大和驱动元件。其性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。 脉冲当量 相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移，常见的有：0.01mm，0.005mm

4、，0.001mm三、数控机床的组成三、数控机床的组成 4 4、机床、机床 早期采用通用车床，现在采用了新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的技术使其发生了很大的变化。四、数控机床的工作原理 数控机床加工零件,首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化,用规定的代码和程序格式编写加工程序,然后将所编写的程序指令输入到机床的数控装置中.数控装置再将程序(代码)进行译码、运算，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的运动，最后加工出合格零件。四、数控机床的工作原理 从自动控制的角度来看，计算机数控(CNC)系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，

5、其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。四、数控机床的工作原理从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。 五、数控机床的分类数控机床规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面4种方法来分类的。 1. 按工艺用途分类2. 按运动轨迹分类3. 按伺服系统的控制方式分类4. 按数控装置分类1.按工艺用途分类一般数控机床：车铣镗钻磨等，功能与通用机床相似；但是可以加工复杂形状的零件。 数控加工中心：在数控铣、镗、钻

6、床的基础上增加了自动换刀装置。带刀库，一次装夹后可完成多工序加工。多坐标数控机床：坐标轴大于3，能加工复杂形状零件。2. 按运动轨迹分类点位控制数控机床：点点位置精确控制，保证的是定位精度，以慢快慢的运动方式 如：钻床、冲床、测量机等如图 点位直线控制数控机床：位置控制+速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方向（平行或45）切削加工 轮廓控制数控机床：每点的位置+速度+路线控制，可对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制按运动轨迹分类AB按运动轨迹分类按运动轨迹分类3. 按伺服系统的控制方式分类（1） 开环控制数控机床（2） 闭环控制数控机床（3） 半闭环控制数控机床（1）开环控制数控机床（2）闭环控制

7、数控机床（3）半闭环控制数控机床4. 按数控装置分类硬件数控机床（NC） 速度快，但功能扩展性和灵活性差软件控制数控机床（CNC） 主要功能由软件实现，软件模块化，便于扩展六、数控机床的特点及优势（1）采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械结构得到简化，传动链较短；（2）为了使连续性自动化加工，机械结构具有较高的动态刚度及耐磨性，热变形小； （3）更多的采用高效率、高精度的传动部件，如滚珠丝杠、直线滚动导轨等；（4）加工中心带有刀库、自动换刀装置（5）采用辅助装置：冷却、排屑、防护、润滑、储运 等装置1. 1. 设计特点设计特点七、数控机床的特点及优势 适应性强，适合加工单件小批量、复杂零件

8、加工零件一致性好、重复精度高 高自动化、高效率 只要改变程序就可改变加工件，不需要大量复杂工装夹具 可以采用复合工艺 有利于生产管理的现代化2. 2. 优势优势七、数控机床的应用经过多年的发展，已形成种类繁多的CNC系统，应用范围也日益广泛。主要包括：金属切削金属成型特种加工其它类型数数控控车车床床数数控控铣铣床床数控钻床数控钻床加工中心加工中心数控雕刻机床数控雕刻机床三座标测量机三座标测量机数控电火花成型机数控电火花成型机快速成型设备快速成型设备数控多工位冲床数控多工位冲床数控弯管机数控弯管机数控卷簧机数控卷簧机1-2 数控机床的产生和发展一、数控机床的产生一、数控机床的产生 在汽车、拖拉机

9、等大量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合机床和自动线。但这种设备的第一次投资费用大，生产准备时间长，这与改型频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇航，以及其他国防工业的要求不相适应。如果采用仿形机床，则要制造靠模，不仅生产周期长，精度亦受限制。 1-2 数控机床的产生和发展 第二次世界大战以后，美国为了加速飞机工业的发展，要求革新一种样板加工的设备。 1948年，美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。 1-2 数控机床的产生和发展 1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控

10、技术得到了迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代 。1-2 数控机床的产生和发展 1952年的第一代电子管数控机床 1959年的第二代晶体管数控机床 1965年的第三代集成电路数控机床 1970年的第四代小型计算机数控机床 1974年的第五代微型计算机数控系统 1990年的第六代基于PC的数控机床二、发展及趋势二、发展及趋势1-2 数控机床的产生和发展 随着计算机技术的发展，数控技术不断采用随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展。朝着下述方向发展。 1.

11、 高速、高效、高精度 2. 控制智能化 3. 网络化 4. 数控系统开放化 5. 并联机床 6. STEP-NC1-2 数控机床的产生和发展1.加工高速化、高精度化加工高速化、高精度化1）加工高速化）加工高速化 高速CPU芯片 主轴高速化，采用电主轴 采用全数字交流伺服 机床动、静态性能的改善1-2 数控机床的产生和发展在分辨率为1m时，快进速度达240m/min，可获得复杂型面的精确加工加速度达2g主轴转速已达200,000rpm换刀速度少于1 s1-2 数控机床的产生和发展2）加工高精度化）加工高精度化 提高机械的制造和装配精度；提高机械的制造和装配精度； 采用高速插补技术，以微小程序段实

12、现连续采用高速插补技术，以微小程序段实现连续 进进给，使给，使CNC控制单位精细化控制单位精细化 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精度（日本交流伺服电机已有装上1000000 脉脉冲冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到到0.01m/脉冲）脉冲） 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法法1-2 数控机床的产生和发展采用反向间隙补偿、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。研究表明，综合误差补

13、偿技术的应用可将加工误差减少6080。 1-2 数控机床的产生和发展2. 控制智能化随着人工智能技术的不断发展，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，体现在： 加工过程自适应控制技术：加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，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保证设备运行的安全性1-2 数控机床的产生和发展加工参数的智能优化：加工参数的智能优化：将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，用现代智能方法

14、，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择”，获得优化的加工参数，提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。 智能化交流伺服驱动装置：智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整控制参数，包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。 1-2 数控机床的产生和发展智能故障诊断与自修复技术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，实现故障快速准确定位。 智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于

15、全生命周期。 智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。1-2 数控机床的产生和发展3. 3. 加工网络化加工网络化数控系统网络化是先进制造模式的要求，数控机床作为网络中的一个节点，有助于解决自动化孤岛问题。支持网络通讯协议，既满足单机DNC需要，又能满足FMC、FMS、CIMS、敏捷制造对基层设备集成要求。网络资源共享。数控机床的远程（网络）控制。数控机床故障的远程（网络）诊断。 数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控 ）1-2 数控机床的产生和发展数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和I/O的控制是数控技术的发展方向。由于技术封锁等原因，各系统中光纤通

16、讯采用的协议没有兼容性和互换性，要求伺服驱动器以及I/O模块必须具有相应协议的光纤通讯接口，这样的系统软硬件开放性较差，而且系统的成本也较高。 网络通讯协议：德国Intrtamat的SERCOS、美国DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link，还有ARCNET、CAN Bus、Profibus、USB、IEEE1394 。1-2 数控机床的产生和发展4. 4. 数控系统的开放化数控系统的开放化1 1）传统数控系统的特点）传统数控系统的特点 由生产厂家支配价格和结构，各种接口不能通用。 功能集成停止在微电子技术的应用上，而不是针对开放式

17、的生产环境和功能。对于不同的产品，操作、维护方法都必须进行相应的培训。 对于使用者，控制器成为黑盒子无法自行修改更新。 1-2 数控机床的产生和发展由于传统数控系统的局限性，为满足现代化生产的要求，数控系统需要具有：开放性：开放性：可重构性、可维护性、允许用户进行二次开发模块化：模块化：具有平台无关性 接口协议：接口协议：可传递性、可移植性 可进化性：可进化性：智能化 语言统一化：语言统一化：中性语言NML： FADL、OSEL 1-2 数控机床的产生和发展2 2）开放化数控系统的概念）开放化数控系统的概念数控系统可以在统一的运行平台上开发，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁数控功能

18、，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明特色的名牌产品。1-2 数控机床的产生和发展3 3）开放式数控系统开放式数控系统（1）开放式数控装置的概念结开放式数控装置的概念结构构硬件配置单元软件配置单元标准计算机硬件数控系统基本硬件数控功能应用程序DOS(WINDOWS)实时多任务操作系统RTM应用程序接口NC构件库1-2 数控机床的产生和发展（2）开放式数控系统的优点数控系统厂数控系统厂 品种减少、批量增加，易于满足用户要求；开放式的标准框架，促进各行业的软件厂商参与；软件开发效率提高，产品更新加快。 机床厂机床

19、厂 可使整机具有个性化，降低开发成本。 减少对系统厂的依赖，保护自己专有技术。 最终用户最终用户 购买机床时的初期成本透明化； 能实现用户自身独特的FA系统设计； 用户界面的一致性，易于使用和培训； 1-2 数控机床的产生和发展（3 3）开放式数控研究状况）开放式数控研究状况美国在20世纪90年代初提出了开发下一代控制器的计划NGC(Next Generation Controller)，以后又提出了OMAC（Open Modular Architecture Control）计划，重点开发以PC为平台的开放式模块化控制器。欧洲也在20世纪90年代初开始OSACA(Open System Ar

20、chitecture for Controls within Automation system)计划，目标是研制出开放式控制系统的体系结构。1-2 数控机床的产生和发展由于技术等方面的限制，要在短期内完全实现这种理想的开放式数控系统，还有不少困难。 目前开放式数控的一个具体表现就是发展基于PC的数控系统。数控系统的PC化正成为开放式数控系统一个潮流，代表了CNC发展的主要方向1-2 数控机床的产生和发展基于PC的开放式数控系统基本有3种结构形式： 嵌入型 CNC嵌入型 全软件CNC型 1-2 数控机床的产生和发展5. 5. 并联机床并联机床1）机床结构技术上的突破性进展当属20世纪90年代中

21、期问世的并联机床。并联机床是机器人技术、机床结构技术、现代伺服驱动技术和数控技术相结合的产物，被称为“21世纪的机床”1-2 数控机床的产生和发展 传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来，其结构为串联结构，存在悬臂部件，承受很大弯矩和扭矩，不容易获得高的结构刚度。另外，传统机床组成环节多、结构复杂，形成误差迭加，限制了加工精度和速度的提高。1-2 数控机床的产生和发展2 2）我国自主研发的并联机床样机）我国自主研发的并联机床样机1-2 数控机床的产生和发展1-2 数控机床的产生和发展3 3）并联机床的优、缺点及发展热点：）并联机床的优、缺点及发展热点：优点： 进给速度快

22、；精度高 ；刚性好 ； 加速度高 ；安装、维修方便 。局限： 工作空间小 ；姿态能力差 ； 运动特性和力特性非线性。目前研究热点： 混联机床 。1-2 数控机床的产生和发展6. STEP-NC6. STEP-NC1 1）目前）目前CNCCNC系统的局限：系统的局限：数控代码只定义了机床的运动和动作，丢失了尺寸公差、精度要求、表面光洁度等大量信息 生成G代码的过程单向不可逆，在加工车间做出的修改无法反馈到设计部门 各厂商开发的宏和扩展EIA代码，使系统间语言不具通用性，对G、M代码的解释也不尽相同不支持5轴铣、样条数据、高速切削等功能 1-2 数控机床的产生和发展2）STEP-NC的出现 STE

23、P (Standard for the Exchange of Product model data) 即产品模型数据转换标准 STEP-NC是STEP向数控领域的扩展，它在STEP的基础上以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，抛弃了传统数控程序中直接对坐标轴和刀具动作进行编码的做法，采用了 新 的 数 据 格 式 和 面 向 特 征 的 编 程 原 则 1-2 数控机床的产生和发展 日本日本 FANUC1-2 数控机床的产生和发展德国肖特德国肖特1-2 数控机床的产生和发展美国哈挺美国哈挺1-2 数控机床的产生和发展瑞士米克朗瑞士米克朗1-2 数控机床的产生和发展德国斯宾纳德国

24、斯宾纳TC系列系列1-2 数控机床的产生和发展韩国现代韩国现代1-2 数控机床的产生和发展日本东芝日本东芝1-2 数控机床的产生和发展美国新新那提美国新新那提思考与启迪1. 社会发展的需要是动力. 机械产品的形状和结构不断改进、对加工质量要求变高，而且单件、小批量产品增多（70%80%）。为了提高质量、降低成本，要求机床具有较好的通用性和灵活性，以实现加工过程的自动化。2. 科技的发展是基础。科技的发展是基础。 新材料的产生，机床和刀具都得到了改进新材料的产生，机床和刀具都得到了改进 计算机技术的发展，为数控技术提供了平台计算机技术的发展，为数控技术提供了平台 制造技术的提高，使数控机床的加工

25、成为现实制造技术的提高，使数控机床的加工成为现实思考与启迪3. 3. 创新人才是新技术诞生的关键创新人才是新技术诞生的关键 具有创新思维的人才具有创新思维的人才 具有创新能力，勇于探索实践具有创新能力，勇于探索实践 锲而不舍，勇攀高峰的勇气锲而不舍，勇攀高峰的勇气思考与启迪怎样学好本门课程？ 深入学习，掌握基本概念 联系实际，掌握基本技能 勤于思考，培养系统思维结束语 我国已将装备制造业列为支柱产业，而数控我国已将装备制造业列为支柱产业，而数控机床是实现装备制造业现代化的基础装备。大力机床是实现装备制造业现代化的基础装备。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为国发展以数控技术为核心的先进

26、制造技术已成为国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。我们要要途径。我们要顺应数控技术的发展潮流，实现顺应数控技术的发展潮流，实现数控装备的跨越式发展，为加快我国成为世界制数控装备的跨越式发展，为加快我国成为世界制造业中心做出贡献！造业中心做出贡献！ 1-3 数控机床的有关功能规定 使用数控机床的目的是要有效地高质量地加工出合格的零件来，所谓合格的零件必须是符合图纸要求的产品。而机床怎么会知道图纸的要求呢?这必须由人来告诉它。人又是以何种方式、以什么规则和约定告诉给机床的呢?这就必须制定出数控机床程序编制的规则来。 一、程序段格式 程序段：是指为了完成某一动作要求所需的功能“字”的组合。 “字”是表示某一功能的一组代码符号，如X2500为一个字，表示X向尺寸为2500；F20为一个字，表示进给速度为20。 一、程序段格式1）常用功能字 一个程序段中，除了由地址符N为首的三位数组成的序号