数控机床第1章

1、 福州大学机械工程学院福州大学机械工程学院1第一章第一章 概论概论第二章第二章 数控加工程序的编制数控加工程序的编制第三章第三章 计算机数控装置计算机数控装置第四章第四章 进给伺服驱动系统进给伺服驱动系统第五章第五章 机床运动系统与典型部件机床运动系统与典型部件第六章第六章 典型数控机床典型数控机床第七章第七章 数控加工技术的发展趋势数控加工技术的发展趋势21.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念1.2 数控机床的分类数控机床的分类1.3 数控加工的原理、特点及应用数控加工的原理、特点及应用范围范围1.4 数控的指标与功能数控的指标与功能第第1章章 概论概论3主要应用于：主要应用于：机床、

2、自动线、机器人、火炮、雷达机床、自动线、机器人、火炮、雷达跟踪等自动化设备。跟踪等自动化设备。1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 41.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 20世纪世纪40年代世界上诞生第一台计算机，使数控技术的年代世界上诞生第一台计算机，使数控技术的出现成为可能出现成为可能 。 1948年美国帕森斯公司（年美国帕森斯公司（Parsons Co.）在研制加工直升在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，受美国空军的委托与麻省机叶片轮廓检验样板的机床时，受美国空军的委托与麻省理工学院（理工学院（MTT）伺服机构研究所进行合作伺服机构研究所进行合作. 1952年研制

3、成功世界上第一台专用电子计算机控制的三年研制成功世界上第一台专用电子计算机控制的三坐标立式数控铣床。坐标立式数控铣床。 1955年实现产业化，并批量投放市场。年实现产业化，并批量投放市场。5 1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 6数控机床是制造装备的主流装备数控机床是制造装备的主流装备数控机床广泛应用于制造业的各个领域数控机床广泛应用于制造业的各个领域IC装备装备 船舶制造装备纺织印染装备纺织印染装备汽车制汽车制造装备造装备军工军工制造装备制造装备1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 7数控机床的技术水平是制造业持续发展的保证数控机床的技术水平是制造业持续发展的保证1.1 数

4、控机床的基本概念数控机床的基本概念 8 高档数控机床是西方对我国封锁与限制的重点高档数控机床是西方对我国封锁与限制的重点 中国不能没有自己的数控技术中国不能没有自己的数控技术东芝事件东芝事件考克斯报告考克斯报告1.1 数控机床的基本概念数控机床的基本概念 9主要内容数控技术（数控技术（Numerical ControlNumerical Control，NCNC）：）： 用数字、字母和特定符号对某一工作过程，如加工、用数字、字母和特定符号对某一工作过程，如加工、测量、装配等进行自动控制的技术。测量、装配等进行自动控制的技术。数控（数控（NCNC）系统：）系统： 为实现数控技术相关功能而专门设计

5、的软、硬件模为实现数控技术相关功能而专门设计的软、硬件模块等有机集成的系统，是数控技术的载体。块等有机集成的系统，是数控技术的载体。计算机数控计算机数控(Computer Numerical (Computer Numerical Control,CNCControl,CNC) )系统系统 以通用计算机为核心的软、硬件模块等有机集成的以通用计算机为核心的软、硬件模块等有机集成的系统。系统。 实际应用中实际应用中NCNC系统系统与与CNCCNC系统系统统称统称为为数控系统数控系统。1.1.1 数控技术与数控机床数控技术与数控机床 10主要内容机床数控技术机床数控技术 用数字化信息对机床运动及其加

6、工过程进行控制用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种技术。的一种技术。数控机床（数控机床（ Numerical Control Machine ToolsNumerical Control Machine Tools） 应用数控技术对机床加工过程进行控制的机床。应用数控技术对机床加工过程进行控制的机床。1.1.1 数控技术与数控机床数控技术与数控机床 11主要内容数控机床数控机床机床本体机床本体数控系统数控系统外围技术外围技术数数控控装装置置伺伺服服驱驱动动装装置置测测量量反反馈馈装装置置工工具具系系统统编编程程技技术术管管理理技技术术1.1.2 数控机床的组成数控机床的组成121.

7、 机床本体机床本体( (Machine Tools)机机床床本本体体组组成成-主运动部件、进给运动部件主运动部件、进给运动部件-支承件（立柱、床身等）支承件（立柱、床身等）-特殊装置特殊装置-辅助装置辅助装置2.数控系统数控系统（Numerical Control System） 是一种程序控制系统，它是一种程序控制系统，它能处理输入到系统中的数控加能处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并工程序，控制数控机床运动并加工出零件。加工出零件。1.1.2 数控机床的组成数控机床的组成13主要内容数数控控系系统统组组成成 机床机床I/OI/O电路和装置电路和装置检测装置检测装置主轴驱动装置

8、主轴驱动装置进给驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元主轴伺服单元进给伺服单元进给伺服单元计算机计算机数数 控控 装装 置置 操作面板操作面板PLC计算机数控系统计算机数控系统机机床床辅助控制机辅助控制机构构进给传动机构进给传动机构主运动机构主运动机构输入输出输入输出装置装置3. 计算机数控系统（计算机数控系统（Computer Numerical Control，CNC ）是以计算机为核心的数控系统。是以计算机为核心的数控系统。1.1.2 数控机床的组成数控机床的组成14主要内容1)1)操操作作面面板板 人人机机交交互互1.1.2 数控机床组成数控机床组成15主要内容主要内容世纪星世纪星HNC-2

9、1Fanuc 0i西门子西门子810、8021.1.2 数控机床组成数控机床组成16主要内容2) 输入输出装置：输入输出装置： 可以通过多种方式获得数控加工程序可以通过多种方式获得数控加工程序: 软驱软驱 现已较少使用现已较少使用 MDI（Manual Data Input）方式）方式 USB接口接口 RS232C接口接口 DNC接口接口 存储卡存储卡 未来会广泛使用未来会广泛使用 以太网以太网 1.1.2 数控机床组成数控机床组成17主要内容 组成：组成：计算机系统、位置控制板、计算机系统、位置控制板、PLCPLC接口接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的板，通讯接口板、特殊功能模块以及

10、相应的控制软件。控制软件。 作用：作用：根据输入的零件加工程序进行相应的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装置和处理，然后输出控制命令到伺服驱动装置和PLCPLC。CNCCNC装置是装置是CNCCNC系统的核心。系统的核心。3) 计算机数控装置计算机数控装置1.1.2 数控机床组成数控机床组成18主要内容4)4)伺服单元和驱动装置：伺服单元和驱动装置： 主轴伺服单元和主轴电机主轴伺服单元和主轴电机 进给伺服单元和进给电机进给伺服单元和进给电机5)5)检测装置：检测装置： 位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环

11、控制。作用：作用： 保证灵敏、准确地跟踪保证灵敏、准确地跟踪CNCCNC装置指令；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）；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）。主轴运动指令：实现零件加工的切削运动（速度控制）。1.1.2 数控机床组成数控机床组成19主要内容6) PLC、机床机床I/O电路和装置电路和装置-PLC (Programmable Logic Controller) 用于完成与逻辑运算有关顺序动作的用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制；控制；-机床机床I/O电路和装置电路和装置 实

12、现实现I/O控制的执行部件控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路）接触器等组成的逻辑电路）;-功能功能 接受接受CNC的的M、S、T指令指令,对其进行译码并转换成对应的控对其进行译码并转换成对应的控制信号制信号,控制辅助装置完成机床相应的开关动作；接受操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作面板和机床侧的I/O信号信号,送给送给CNC装置装置,经其处理后经其处理后,输输出指令控制出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。系统的工作状态和机床的动作。1.1.2 数控机床组成数控机床组成20分分 类类 方方 法法数控机

13、床类型数控机床类型按运动控制按运动控制方式方式点位点位控制控制数控机床数控机床直线直线控制控制数控机床数控机床轮廓轮廓控制控制数控机床数控机床按伺服系统按伺服系统开环开环数控数控数控机床数控机床半闭环半闭环控制控制数控机床数控机床闭环闭环控制控制数控机床数控机床按功能水平按功能水平经济型经济型数控机床数控机床中档型中档型数控机床数控机床高档型高档型数控机床数控机床按工艺方法按工艺方法金属切削金属切削数控机床数控机床金属成形金属成形数控机床数控机床特种加工特种加工数控机床数控机床按联动轴数按联动轴数2 2轴联动轴联动数控机床数控机床3 3轴联动轴联动数控机床数控机床4 4、5 5轴联动轴联动数控

14、机床数控机床1.2 数控机床的分类数控机床的分类21主要内容1. 点位控制点位控制 (Point to Point Control Systems) AA刀具工件1.2.11.2.1按运动控制方式分类按运动控制方式分类仅实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；仅实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。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。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。1.2 数控机床的分类数控机床的分类22主要内容2. 直线控制：直线控制：(Line

15、Control Systems) 不仅要求控制点到点的精确定位，而且要求机床工不仅要求控制点到点的精确定位，而且要求机床工作台或刀具（刀架）以给定的进给速度，沿平行于坐作台或刀具（刀架）以给定的进给速度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成标轴的方向或与坐标轴成45角的方向进行直线移动角的方向进行直线移动和切削加工。和切削加工。1.2.11.2.1按运动控制方式分类按运动控制方式分类: :1.2 数控机床的分类数控机床的分类23主要内容 3. 3. 轮廓控制轮廓控制 (Contouring Control Systems)(Contouring Control Systems) 对多个坐标轴同时进

16、行控制，使之协调运动对多个坐标轴同时进行控制，使之协调运动( (坐坐标联动标联动) )，使刀具相对工件按程序规定的轨迹和速，使刀具相对工件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。度运动，在运动过程中进行连续切削加工。1.2.11.2.1按运动控制方式分类按运动控制方式分类: :1.2 数控机床的分类数控机床的分类24两坐标加工两坐标加工 二轴半或三坐标加工二轴半或三坐标加工 YXO2O1BZO四坐标加工四坐标加工 ZP(x,y,z)nO刀位点BCXYZ五坐标加工五坐标加工 按联动轴数分类按联动轴数分类1.2 数控机床的分类数控机床的分类25主要内容1. 开环控制开环控制 (O

17、pen-Loop Servo-Drive)特点特点: 没有位置检测装置，信号单向。结构简单，制没有位置检测装置，信号单向。结构简单，制造成本较低，价格便宜造成本较低，价格便宜, 精度不高。精度不高。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNCCNC插补插补指令指令脉冲频率脉冲频率f f脉冲个数脉冲个数n n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大1.2.21.2.2按伺服系统方式分类按伺服系统方式分类1.2 数控机床的分类数控机床的分类26步进电机步进电机步进电机步进电机1.2 数控机床的分类数控机床的分类272. 半闭环控制半闭环控制(Half-Cl

18、osed-Loop Servo-Drive)速度控制速度控制电路电路工作台工作台伺服电机伺服电机位置比较位置比较电路电路指令脉冲指令脉冲速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈检测元件检测元件1.2.21.2.2按伺服系统方式分类按伺服系统方式分类: :特点特点: 带有位置检测装置，常安装在伺服电机上或丝杠的端带有位置检测装置，常安装在伺服电机上或丝杠的端部部;不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节，不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节，可获得稳定的控制特性，而且调试比较方便。可获得稳定的控制特性，而且调试比较方便。 1.2 数控机床的分类数控机床的分类28交流伺服交流伺服电机电机1

19、.2 数控机床的分类数控机床的分类29主要内容3. 闭环控制闭环控制(Closed-Loop Servo-Drive )特点特点: :带有位置检测装置带有位置检测装置, ,安装在机床刀架或工作安装在机床刀架或工作台等执行部件上，控制精度高；但系统稳定性受台等执行部件上，控制精度高；但系统稳定性受到影响到影响, ,调试困难调试困难, ,且结构复杂、价格昂贵。且结构复杂、价格昂贵。 位置反馈位置反馈速度控制速度控制电路电路工作台工作台伺服电机伺服电机位置比较位置比较电路电路指令脉冲指令脉冲速度反馈速度反馈1.2.21.2.2按伺服系统方式分类按伺服系统方式分类1.2 数控机床的分类数控机床的分类3

20、0光栅尺光栅尺光栅尺光栅尺1.2 数控机床的分类数控机床的分类31主要内容 步进电机、开环驱步进电机、开环驱动，功能简单、价格动，功能简单、价格低廉、精度中等，能低廉、精度中等，能满足加工形状比较简满足加工形状比较简单的直线、圆弧及螺单的直线、圆弧及螺纹加工。一般控制轴纹加工。一般控制轴数在数在3轴以下，脉冲轴以下，脉冲当量（分辨率）多为当量（分辨率）多为0.01mm，快速进给，快速进给速度在速度在10mmin以以下。下。 1.2.3按功能水平分类按功能水平分类:1. 经济型经济型2. 普及型普及型 伺服电机、半闭环伺服电机、半闭环驱动，驱动，4轴或轴或4轴以下轴以下联动控制，脉冲当量联动控制

21、，脉冲当量为为1 m，进给速度为，进给速度为15-24mmin，一般，一般采用采用16位或位或32位处理位处理器，具有器，具有RS232C通信通信接口、接口、DNC接口和内接口和内装装PLC，具有图形显，具有图形显示功能及面向用户的示功能及面向用户的宏程序功能。宏程序功能。 3. 高档型高档型 伺服电机、闭环驱伺服电机、闭环驱动，并开始采用动，并开始采用直线直线电机电机，实现，实现5轴以上联轴以上联动，脉冲当量为动，脉冲当量为0.1-1 m，进给速度达，进给速度达40mmin以上。一般采用以上。一般采用32位以上微处理器，位以上微处理器，形成多形成多CPU结构。编结构。编程功能强，具有智能程功

22、能强，具有智能诊断、联网和通信功诊断、联网和通信功能。能。 1.2 数控机床的分类数控机床的分类32主要内容分为：分为：1.2.4 按工艺方法分按工艺方法分:普通数控机床普通数控机床加工中心加工中心 金属切削数控机床金属切削数控机床 金属成形数控机床金属成形数控机床 特种加工数控机床特种加工数控机床或分为：或分为：1.2 数控机床的分类数控机床的分类33主要内容按按工工艺艺方方法法分分普通车床普通车床普通铣床普通铣床1.2 数控机床的分类数控机床的分类34主要内容按按工工艺艺方方法法分分车削加工中心车削加工中心铣削加工中心铣削加工中心1.2 数控机床的分类数控机床的分类35主要内容按按工工艺艺

23、方方法法分分1.2 数控机床的分类数控机床的分类36主要内容（慢走丝）线切割（慢走丝）线切割1.2 数控机床的分类数控机床的分类37主要内容激光切割加工激光切割加工1.2 数控机床的分类数控机床的分类38主要内容水刀切割水刀切割1.2 数控机床的分类数控机床的分类391.3 数控加工的原理、特点及应用范围数控加工的原理、特点及应用范围1.3.1 数控加工的原理数控加工的原理1. 数控加工与传统加工的比较数控加工与传统加工的比较工艺分析工艺分析B A C KS P A C EC T RLIN SC RT A BA L T0S H IF T ZE N D WH OM E TP g Dn OP g

24、Up JR S T E65“432？198:7 YXVU SRPQ NMKL IHFG DCABE S C1 4 彩 色显 示 器空 运 行Z 轴 锁 定MST 锁 定任 选 程 序 段机 床 锁 定快 进+JOG-JOG主 轴 正 转主 轴 停 主 轴 反 转急 停超 程 解 除循 环 驱 动进 给 保 持冷 却 液 开 关 刀 松 /刀 紧主 轴 修 调16010进 给 修 调16050403020100电 源关开1自 动方 式 选 择回 零手 摇点 动步 进单 段驱 动 器NC机 床电 源XYZA主 轴超 程报 警手 摇 脉 冲 发 生 器2010 090增 量 倍 率100010100

25、1坐 标 轴 选 择Z YX工序卡工序卡数控加数控加工程序工程序传统加工传统加工数控加工数控加工40工艺处理工艺处理加工图纸加工图纸数学处理数学处理编程手册编程手册数控编程数控编程程序仿真程序仿真输输入入装装置置加工加工程序程序毛坯或半成品毛坯或半成品数数控控系系统统数控机床数控机床程序编制程序编制成品成品译码译码 、数据处理、插补、伺服驱动、数据处理、插补、伺服驱动N5 G01 G41 X100.0 Y100.0 D01 F100 M08;数控加工零件的过程数控加工零件的过程1.3.1 数控加工的原理数控加工的原理41译译 码码刀补处理刀补处理插补处理插补处理PLCPLC控制控制进给伺服进给

26、伺服切削运动、切削运动、IOIO装置装置成形运动成形运动加工程序加工程序2.2.数控加工中数据转换过程数控加工中数据转换过程1.3.1 数控加工的原理数控加工的原理421) 译码译码(Decode)译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。理程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。1.3.1 数控加工的原理数控加工的原理N5 G01 G

27、41 X100.0 Y100.0 D01 F100 M08;010 01011 00010111 110101110 10101100 00011101;43 2)2)刀补处理刀补处理( (计算刀具中心轨迹计算刀具中心轨迹) )用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。补处理就是完成这种转换的程序。1.3.1 数控加工的原理数控加工的原理44

28、 3)3)插补计算插补计算 本模块以系统规定的插补周期本模块以系统规定的插补周期t t定时运行，它将定时运行，它将由各种线形（直线，园弧等）组成的零件轮廓，由各种线形（直线，园弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度按程序给定的进给速度F F，实时计算出各个进给轴实时计算出各个进给轴在在t t内位移指令（内位移指令（X X1 1、Y Y1 1、），），并送给进并送给进给伺服系统，实现成形运动。给伺服系统，实现成形运动。1.3.1 数控加工的原理数控加工的原理45 4) PLC控制PLC控制是对机床动作的控制是对机床动作的“顺序控制顺序控制”。即以。即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮

29、、继电器内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。行的控制。1.3.1 数控加工的原理数控加工的原理465) 指令输出指令输出将计算出将计算出ti 在时间内的和作为指令输出给在时间内的和作为指令输出给Y轴，轴，以控制它们联动。即：以控制它们联动。即： Xi X 轴；轴； Yi Y 轴轴只要能连续自动地控制只要能连续自动地控制X，Y 两个

30、进给轴在两个进给轴在ti时间时间内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。1.3.1 数控加工的原理数控加工的原理47主要内容适应不同零件的自动加工。适应不同零件的自动加工。生产效率高、生产效率高、精度高、质量稳定。精度高、质量稳定。 功能复合程度高，一机多用。功能复合程度高，一机多用。 劳动强度低、劳动条件好劳动强度低、劳动条件好有利于现代化生产与管理有利于现代化生产与管理 使用、维护技术要求高使用、维护技术要求高 1.3.2 数控加工的特点及应用范围数控加工的特点及应用范围 1. 1. 数控加工的特点数控加工的特点: :48主要内容形状复杂的曲线曲面形

31、状复杂的曲线曲面 难测量、难控制尺寸的壳体零件难测量、难控制尺寸的壳体零件要求一次装夹中完成铣、镗、锪、铰或攻丝等要求一次装夹中完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多道工序的零件多道工序的零件 加工时易受认为因素影响，质量价值高的零件加工时易受认为因素影响，质量价值高的零件需要复杂专用工艺装备的零件需要复杂专用工艺装备的零件普通机床加工时需要长时间调整、生产率低、普通机床加工时需要长时间调整、生产率低、劳动强度大、等零件劳动强度大、等零件1.3.2 数控加工的特点及应用范围数控加工的特点及应用范围 2. 2. 数控加工的应用范围数控加工的应用范围: :49主要内容1.4 数控的指标与功能数控的指标与功能

32、1.4.1 1.4.1 数控机床的指标与功能数控机床的指标与功能1.1.数控机床的指标数控机床的指标1 1）行程范围）行程范围2 2）工作台面尺寸）工作台面尺寸3 3）承载能力）承载能力4 4）主轴功率和进给轴扭矩）主轴功率和进给轴扭矩5 5）控制轴数和联动轴数）控制轴数和联动轴数50主要内容1.4 数控的指标与功能数控的指标与功能1.4.1 1.4.1 数控机床的指标与功能数控机床的指标与功能2.2.数控机床的精度指标数控机床的精度指标1 1）几何精度）几何精度：尺寸、形位精度：尺寸、形位精度2 2）位置精度）位置精度：（1 1）定位精度）定位精度（2 2）重复定位精度）重复定位精度（3 3）分度精度）分度精度（4 4）回转精度）回转精度51主要内容1.4 数控的指标与功能数控的指标与功能1.4.1 1.4.1 数控机床的指标与功能数控机床的指标与功能3.3.数控机床的性能指标数控机床的性能指标1 1）最高主轴转速和最大加速度）最高主轴转速和最大加速度2 2）最高快移速度和最高进给速度）最高快移速度和最高进给速度3 3）分辨率与脉冲当量）分辨率与脉冲当量52主要内容1.4 数控的