数控技术基础

1、Computer Aided Manufacturing1Computer Aided Manufacturing2Computer Aided Manufacturing3Computer Aided Manufacturing4Computer Aided Manufacturing5Computer Aided Manufacturing6立式加工中心立式加工中心 Computer Aided Manufacturing7卧式加工中心卧式加工中心 Computer Aided Manufacturing8数控车削中心数控车削中心 Computer Aided Manufacturing9

2、Computer Aided Manufacturing10Computer Aided Manufacturing11Computer Aided Manufacturing12n发展历史发展历史n数控机床的工作原理和组成数控机床的工作原理和组成n数控机床分类数控机床分类n数控机床特点与适用范围数控机床特点与适用范围Computer Aided Manufacturing13n20世纪世纪40年代初，年代初，John T. Parsons 采用数字技采用数字技术进行机械加工术进行机械加工n1952年，麻省理工学院年，麻省理工学院 伺服机构研究所，试制伺服机构研究所，试制 成功第一台由计算机控

3、成功第一台由计算机控 制的三坐标立式铣床。制的三坐标立式铣床。 Computer Aided Manufacturing14n1954年，美国本迪克斯公司正式生产出来第一台年，美国本迪克斯公司正式生产出来第一台工业用的数控机床。工业用的数控机床。n1959年，美国克耐年，美国克耐杜列克公司开发出来加工中心。杜列克公司开发出来加工中心。n1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了利用小型计算机取代专用数控计算机，数控展出了利用小型计算机取代专用数控计算机，数控的许多功能由软件程序实现的计算机数控（的许多功能由软件程序实现的计算机数控（CNC：Com

4、puter Numerical Control）系统，称为第四）系统，称为第四代系统。代系统。Computer Aided Manufacturing15n1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，性的加工系统，1975年，日本研制出实用化年，日本研制出实用化FMS n1974年，美国学者哈灵顿博士首先提出了计算机年，美国学者哈灵顿博士首先提出了计算机集成制造系统（集成制造系统（CIMS）的概念。）的概念。20世纪世纪80年代中年代中期以来，以期以来，以CIMS为标志的综合生产自动化日渐成为标志的综合生产自动化日渐成为制造业的热点，它把制

5、造业推到了一个新的发展为制造业的热点，它把制造业推到了一个新的发展阶段。阶段。 Computer Aided Manufacturing16n数控机床的工作原理数控机床的工作原理 P0P1P1P0a0a1a2a3a4a5a0a1a2a3a4数控系统将刀具运动数控系统将刀具运动轨迹在工作坐标系中轨迹在工作坐标系中分割成一些最小位移分割成一些最小位移量（脉冲当量）。数量（脉冲当量）。数控系统经过信息处理、控系统经过信息处理、分配，控制各坐标轴分配，控制各坐标轴移动若干个最小位移移动若干个最小位移量，把要求的轨迹用量，把要求的轨迹用以以“最小位移量最小位移量”为为单位的等效折线进行单位的等效折线进行

6、拟合。拟合。插补原理插补原理Computer Aided Manufacturing17n数控机床的组成数控机床的组成 程序程序载体载体输入输入装置装置数控数控装置装置辅助控制装置辅助控制装置位置反馈位置反馈系统系统机床机床本体本体伺服驱动系统伺服驱动系统Computer Aided Manufacturing18n按工艺用途分类按工艺用途分类 n金属切削类数控机床金属切削类数控机床 n金属成型类数控机床金属成型类数控机床 n数控特种加工机床数控特种加工机床 Computer Aided Manufacturing19n金属切削类数控机床金属切削类数控机床 数控车床 加工中心 数控磨床 数控铣

7、镗床 Computer Aided Manufacturing20n金属成型类数控机床金属成型类数控机床 数控折弯机 数控弯管机 Computer Aided Manufacturing21n数控特种加工机床数控特种加工机床 数控电火花线切割机 数控激光切割机床 数控火焰切割机床 Computer Aided Manufacturing22n按运动方式分类按运动方式分类 n点位控制数控机床点位控制数控机床 n直线控制数控机床直线控制数控机床点位控制的钻削加工点位控制的钻削加工 直线控制的车削加工直线控制的车削加工 Computer Aided Manufacturing23n按运动方式分类按运

8、动方式分类 n轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床 2轴联动轴联动 2.5轴联动轴联动 3轴联动轴联动 Computer Aided Manufacturing24n按伺服系统控制方式分类按伺服系统控制方式分类 n开环控制数控机床开环控制数控机床数数控控装装置置步进电步进电动机驱动机驱动器动器进给脉冲进给脉冲步进电动机步进电动机工作台工作台丝杠丝杠齿齿轮轮箱箱Computer Aided Manufacturing25n按伺服系统控制方式分类按伺服系统控制方式分类 n闭环控制数控机床闭环控制数控机床 数控数控装置装置伺服电动伺服电动机驱动器机驱动器进给脉冲进给脉冲伺服电动机伺服电动机工作台工作台丝

9、杠丝杠齿齿轮轮箱箱直线光栅直线光栅位置反馈位置反馈Computer Aided Manufacturing26n按伺服系统控制方式分类按伺服系统控制方式分类 n半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床 数控数控装置装置伺服电动伺服电动机驱动器机驱动器进给脉冲进给脉冲伺服电动机伺服电动机工作台工作台丝杠丝杠齿齿轮轮箱箱编码器编码器位置反馈位置反馈编码器编码器Computer Aided Manufacturing27数控机床的种类数控机床的种类控制系统类别控制系统类别执行机构类别执行机构类别加工对象类别加工对象类别数控车床数控车床点位、直线控制点位、直线控制开环、半闭环开环、半闭环没锥度、圆弧的轴没

10、锥度、圆弧的轴轮廓控制轮廓控制开环、半闭环、闭环开环、半闭环、闭环有锥度、圆弧的轴有锥度、圆弧的轴加工中心机床加工中心机床点位、直线控制点位、直线控制开环、半闭环开环、半闭环齿轮箱、框架等箱体齿轮箱、框架等箱体特殊用途的轮廓控制特殊用途的轮廓控制开环、半闭环、闭环开环、半闭环、闭环飞机零件的轮廓加工飞机零件的轮廓加工数控铣床数控铣床点位、直线控制点位、直线控制开环、半闭环开环、半闭环箱体箱体轮廓控制轮廓控制开环、半闭环、闭环开环、半闭环、闭环平面轮廓的凸轮、样板、平面轮廓的凸轮、样板、冲模、压模、铸模冲模、压模、铸模数控钻床数控钻床点位控制点位控制开环、半闭环开环、半闭环PCB板、多孔零件板、

11、多孔零件数控镗床数控镗床点位、直线控制点位、直线控制开环、半闭环开环、半闭环箱体箱体闭环闭环精密箱体精密箱体数控磨床数控磨床轮廓控制轮廓控制半闭环、闭环半闭环、闭环凸轮、轧辊、冲模凸轮、轧辊、冲模数控电加工机床数控电加工机床轮廓控制轮廓控制开环、半闭环开环、半闭环模具模具数控金属成型机床数控金属成型机床点位、直线轮廓控制点位、直线轮廓控制开环、半闭环开环、半闭环冲压、板材、弯管等冲压、板材、弯管等Computer Aided Manufacturing28n数控机床的特点数控机床的特点 n适应性强适应性强 n加工精度高，加工质量稳定加工精度高，加工质量稳定 n生产效率高生产效率高 n减轻劳动强

12、度，改善劳动条件减轻劳动强度，改善劳动条件 n有利于生产管理现代化有利于生产管理现代化 Computer Aided Manufacturing29n数控机床的适用范围数控机床的适用范围 产品件数生产成本050100工件复杂度产品件数普通机床数控机床专用机床Computer Aided Manufacturing30n插补的基本知识插补的基本知识n逐点比较插补法逐点比较插补法n数字积分插补法数字积分插补法Computer Aided Manufacturing31n脉冲增量插补脉冲增量插补 n逐点比较法逐点比较法 n数字积分法数字积分法 n数据采样插补数据采样插补 Computer Aided

13、 Manufacturing32n逐点比较法插补的基本逐点比较法插补的基本原理是：在刀具加工过原理是：在刀具加工过程中，数控系统每次程中，数控系统每次仅仅向一个坐标轴向一个坐标轴输出一个输出一个进给脉冲，每走一步都进给脉冲，每走一步都要比较刀具与被加工零要比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向进具向减小偏差的方向进给。给。偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判断终点判断插补开始插补开始插补结束插补结束YN逐点比较法工作循环逐点比较法工作循环 Computer

14、 Aided Manufacturing33n逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补n偏差判别偏差判别 P（Xi，Yi）E（Xe，Ye）PPXOY0eiieeeiiYXYXXYXY或P点 0eiieeeiiYXYXXYXY或P点 0eiieeeiiYXYXYXYX或P点 偏差判别函数偏差判别函数FieiieiYXYXF偏差判别函数的符偏差判别函数的符号反映了加工点与号反映了加工点与要求轮廓之间的偏要求轮廓之间的偏离情况。离情况。 Computer Aided Manufacturing34n逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补n进给进给 P（Xi，Yi）E（Xe，Ye）PPXOY 当当Fi 0时

15、，加工点处在直线上方，为减少与直线轮时，加工点处在直线上方，为减少与直线轮廓的偏差，刀具应向廓的偏差，刀具应向X方向进给一步；方向进给一步； 当当F i 0时，加工点处在直线下方，为减少偏差，刀时，加工点处在直线下方，为减少偏差，刀具应向具应向Y方向进给一步；方向进给一步； 当加工点正好处在直线上，一般情况下约定向当加工点正好处在直线上，一般情况下约定向X方方向进给，从而将向进给，从而将Fi 0与与Fi 0两种情况归并为一类两种情况归并为一类（Fi 0） Computer Aided Manufacturing35n逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补n偏差计算偏差计算 P（Xi，Yi）E（X

16、e，Ye）PPXOY若若Fi 0，沿，沿X方向走一步，到达（方向走一步，到达（Xi1，Yi1）点）点新的偏差值为新的偏差值为eeiieeiieeiieiYYXYXYXYXYXYXF1111eiiYFF1若若Fi 0，沿，沿Y方向走一步，到达（方向走一步，到达（Xi1，Yi1）点）点新的偏差值为新的偏差值为eeiieeiieeiieiXYXYXYXYXYXYXF1111eiiXFF1Computer Aided Manufacturing36n逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补n终点判别终点判别 P（Xi，Yi）E（Xe，Ye）PPXOY计数长度计数长度N 为两个方向进给步数之和，为两个方向进

17、给步数之和，每送出一个进给脉冲，都要进行每送出一个进给脉冲，都要进行N1计算，即计计算，即计数长度减数长度减1，当计数长度减到零时，即，当计数长度减到零时，即N0时，表时，表示到达终点，示到达终点，插补结束。插补结束。 eeYXNComputer Aided Manufacturing37n逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补插补开始插补开始初始化初始化Xe, Ye, F0NXeYeF0？Y走一步走一步X走一步走一步N1NFYeFFXeFN0？插补结束插补结束YNNYComputer Aided Manufacturing38例例 设欲加工第一象限直线设欲加工第一象限直线OE，起点在原点，终点

18、坐标，起点在原点，终点坐标Xe5， Ye 3，试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。，试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。步数步数偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别0F00N5381F00XF1F0Ye033N8172F10YF2F1Xe352N7163F20XF3F2Ye231N6154F30YF4F3Xe154N5145F40XF5F4Ye431N4136F50XF6F5Ye132N3127F60YF7F6Xe253N2118F70XF8F7Ye330N110XYOE(5, 3)12345678Computer Aided Manufacturing39例例 设欲加

19、工第一象限直线设欲加工第一象限直线OE，起点在原点，终点坐标，起点在原点，终点坐标Xe5， Ye 3，试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。，试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。步数步数偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给01F00X2F10Y3F20X4F30Y5F40X6F50X7F60Y8F70XXYOE(5, 3)12345678Computer Aided Manufacturing40n逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补n其他象限的直线插补其他象限的直线插补 象限象限坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别F0F0F0F0XYFi1Fi|Ye|Fi1Fi|Xe|N|Xe|Ye|XY

20、XYXYF0F0F0F0F0F0F0F0XYComputer Aided Manufacturing41n逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补n偏差判别偏差判别 E（Xe，Ye）S（Xs，Ys）P（Xi，Yi）RXOYF0F0偏差判别函数偏差判别函数Fi为为222RYXFiii若Fi0，加工点P 位于圆弧SE 上；若Fi0，加工点P 位于圆弧SE 外侧；若Fi0，加工点P 位于圆弧SE 内侧。Computer Aided Manufacturing42n逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补n坐标进给坐标进给 E（Xe，Ye）S（Xs，Ys）P（Xi，Yi）RXOYF0F0对于第一象限的逆圆，当

21、Fi0时，应向X方向进给一步；当Fi0时，应向Y方向进给一步。 Computer Aided Manufacturing43n逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补n偏差计算偏差计算 E（Xe，Ye）S（Xs，Ys）P（Xi，Yi）RXOYF0F0若若Fi0，沿，沿X方向走一步，到达（方向走一步，到达（Xi1，Y i1）点，）点，2222212111RYXRYXFiiiii121iiiXFF若若Fi0，沿，沿Y方向走一步，到达（方向走一步，到达（Xi1，Y i1）点，）点，2222212111RYXRYXFiiiii121iiiYFFComputer Aided Manufacturing44n

22、逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补n终点判别终点判别 E（Xe，Ye）S（Xs，Ys）P（Xi，Yi）RXOYF0F0seseYYXXN每进给一步，进行N1计算，直至N0停止插补。Computer Aided Manufacturing45n逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补插补开始初始化Xe, Ye, Xs, Ys, F0NXeXsYeYsF0？Y走一步X走一步N1NF2X1FX1XF2Y1FY1YN0？插补结束YNNYComputer Aided Manufacturing46例例 设欲加工第一象限逆时针圆弧设欲加工第一象限逆时针圆弧SE，起点为，起点为S（8，6），终点为），终点为E

23、（0，10），试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。），试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。 步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别0F00， X0Xs 8，Y0 Ys 6N 8 4 121F00XF1F0 2X0 1 0 2 8 1 15X1 X0 1 7，Y1 Y0 6N 12 1 112F10YF2 F1 2Y1 1 15 2 6 1 2X2 X1 7，Y2 Y1 1 7N 11 1 103F20YF3 F2 2Y2 1 2 2 7 1 13X3 X2 7，Y3 Y2 1 8N 10 1 94F30XF4 F3 2X3 1 13 2 7 1 0X4 X3 1 6，Y4 Y3 8N 9 1 85F

24、40XF5 F4 2X4 1 0 2 6 1 11X5 X4 1 5，Y5 Y4 8N 8 1 76F50YF6 F5 2Y5 1 11 2 8 1 6X6 X5 5，Y6 Y5 1 9N 7 1 6Computer Aided Manufacturing47例例 设欲加工第一象限逆时针圆弧设欲加工第一象限逆时针圆弧SE，起点为，起点为S（8，6），终点为），终点为E（0，10），试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。），试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。 步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别7F60XF7 F6 2X6 1 6 2 5 1 3X7 X6 1 4，Y7 Y6 9N 6 1 58F7

25、0YF8 F7 2Y7 1 3 2 9 1 16X8 X7 4，Y8 Y7 1 10N 5 1 49F80XF9 F8 2X8 1 16 2 4 1 9X9 X8 1 3，Y9 Y8 10N 4 1 310F90XF10 F9 2X9 1 9 2 3 1 4X10 X9 1 2，Y10 Y9 10N 3 1 211F100XF11 F10 2X10 1 4 2 2 1 1X11 X10 1 1，Y11 Y10 10N 2 1 112F110XF12 F11 2X11 1 1 2 1 1 0X12 X11 1 0，Y12 Y11 10N 1 1 0Computer Aided Manufactu

26、ring48例例 设欲加工第一象限逆时针圆弧设欲加工第一象限逆时针圆弧SE，起点为，起点为S（8，6），终点为），终点为E（0，10），试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。），试写出插补计算过程并绘制插补轨迹。 XYOS(8,6)E(0,10)Computer Aided Manufacturing49n逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补n其他象限的圆弧插补其他象限的圆弧插补 线型线型F0F0进给进给偏差计算偏差计算进给进给偏差计算偏差计算SR1YYi1|Yi|1Xi1XiFi1Fi2|Yi|1XXi1|Xi|1Yi1YiFi1Fi2|Xi|1NR2YXSR3YXNR4YXNR1XXi1|Xi

27、|1Yi1YiFi1Fi2|Xi|1YYi1|Yi|1Xi1XiFi1Fi2|Yi|1SR2XYNR3XYSR4XYNR4SR4XYONR1SR1NR2SR2NR3SR3F0F 0Computer Aided Manufacturing50n逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补n圆弧过象限问题圆弧过象限问题 NR1NR2NR3NR4X=0Y=0X=0Y=0SR1SR4SR3SR2Y=0X=0Y=0X=0逆时针圆弧逆时针圆弧过象限后线型转换顺序是过象限后线型转换顺序是顺时针圆弧顺时针圆弧过象限后线型转换顺序是过象限后线型转换顺序是Computer Aided Manufacturing51n数字

28、积分法的基本原理数字积分法的基本原理 vtt0tntiv=f(t)tnnttttdttfvdtS00)(100)(niitttvdttfSn10niivS可将求位移的积分运算转化为求纵坐标可将求位移的积分运算转化为求纵坐标值（速度值）的累加运算。值（速度值）的累加运算。不妨设一个累加器，令累加器容量为一不妨设一个累加器，令累加器容量为一个单位位移，当累加过程超过一个单位个单位位移，当累加过程超过一个单位位移时产生溢出，这样，累加过程中所位移时产生溢出，这样，累加过程中所产生的溢出脉冲总数就等于所求的积分产生的溢出脉冲总数就等于所求的积分值，也就是所求的总位移。值，也就是所求的总位移。Compu

29、ter Aided Manufacturing52nDDA法直线插补法直线插补 XYOE(Xe, Ye)vvXvYtvYtvXYX（常数）KYvXvOEveYeXtKYtvYtKXtvXeYeX动点（刀具）从原点出发走向终点的动点（刀具）从原点出发走向终点的过程，可以看作是各坐标轴每隔一个过程，可以看作是各坐标轴每隔一个单位时间单位时间t，分别以增量，分别以增量KXe及及KYe同时累加的过程。当累加值超过一个同时累加的过程。当累加值超过一个坐标单位（脉冲当量）时产生溢出，坐标单位（脉冲当量）时产生溢出，溢出脉冲驱动伺服系统进给一个脉冲溢出脉冲驱动伺服系统进给一个脉冲当量，从而走出给定直线。当量

30、，从而走出给定直线。 Computer Aided Manufacturing53nDDA法直线插补法直线插补 XYOE(Xe, Ye)vvXvY若经过若经过m次累加后，次累加后，X，Y分别都到分别都到达终点达终点E（Xe，Ye） eemiemiieemiemiiYmKYtKYYYXmKXtKXXX1111)()(KmmK11或一般取nK21 Computer Aided Manufacturing54nDDA法直线插补法直线插补 X被积函数寄存器(Xe)X积分累加器Y被积函数寄存器(Ye)Y积分累加器XX轴溢出脉冲YY轴溢出脉冲t插 补 迭代控 制 脉冲直线插补器直线插补器 直线插补器由两个

31、数字积分器直线插补器由两个数字积分器组成，组成，其被积函数寄存器中分别存放其被积函数寄存器中分别存放终点坐标值终点坐标值Xe和和Ye,t相当于插补控制源发出的控制相当于插补控制源发出的控制信号。信号。每发出一个插补迭代脉冲每发出一个插补迭代脉冲t，控，控制被积函数制被积函数Xe和和Ye向各自的积向各自的积分累加器相加一次。分累加器相加一次。相加后的溢出作为驱动相应坐相加后的溢出作为驱动相应坐标轴的进给脉冲标轴的进给脉冲X（或（或Y），），而余数仍寄存在积分累加器中。而余数仍寄存在积分累加器中。Computer Aided Manufacturing55例例 设直线设直线OE的起点在原点的起点在

32、原点O（0，0），终点为），终点为E（6，4），试写出直线），试写出直线OE的的DDA插补过程并绘制插补轨迹。取被积函数寄存器分别为插补过程并绘制插补轨迹。取被积函数寄存器分别为JVX、JVY，余数寄存，余数寄存器分别为器分别为JRX、JRY，终点计数器为，终点计数器为JE，均为三位二进制寄存器。，均为三位二进制寄存器。 累加次数X积分器Y积分器终点计数器JE备注JVXJRX溢出（X）JVYJRY溢出（Y）0110000100000000初始状态1110110100100111第一次迭代，JE-1211010011000001110X，Y同时溢出31100101100100101X溢出4110

33、00011000001100X，Y同时溢出5110110100100011611010011000001010X，Y同时溢出71100101100100001X溢出811000011000001000X，Y同时溢出，JE=0，插补结束Computer Aided Manufacturing56例例 设直线设直线OE的起点在原点的起点在原点O（0，0），终点为），终点为E（6，4），试写出直线），试写出直线OE的的DDA插补过程并绘制插补轨迹。取被积函数寄存器分别为插补过程并绘制插补轨迹。取被积函数寄存器分别为JVX、JVY，余数寄存，余数寄存器分别为器分别为JRX、JRY，终点计数器为，终点计

34、数器为JE，均为三位二进制寄存器。，均为三位二进制寄存器。 累加次数备注0初始状态1第一次迭代，JE-12X，Y同时溢出3X溢出4X，Y同时溢出56X，Y同时溢出7X溢出8X，Y同时溢出，JE=0，插补结束XOY1234561234EComputer Aided Manufacturing57nDDA法圆弧插补法圆弧插补ABvvYvXRXOYPKXvYvRviYiXtKXtvYtKYtvXiYiXmiinmiinXYYX112121Computer Aided Manufacturing58nDDA法圆弧插补法圆弧插补X被积函数寄存器被积函数寄存器X积分累加器积分累加器Y被积函数寄存器被积函数寄存器Y积分累加器积分累加器XX轴轴溢出脉冲溢出脉冲YY轴轴溢出脉冲溢出脉冲t插补迭代插补迭代控制控制脉冲脉冲+1-1直线插补积分器的被积函数直线插补积分器的被积函数寄存器寄存器JV中的数值是常数，中的数值是常数，是直线的终点坐标值，而圆是直线的终点坐标值，而圆弧插补时被积函数寄存器中弧插补时被积函数寄存器中存放的是动点坐标，是变量。存放的是动点坐标，是变量。在插补过程中随刀具相对工在插补过程中随刀具相对工件的移动，坐标值做相应的件的移动，坐标值做相应的变化。变化。X轴坐标值轴坐标值Xi存放在存放在Y积分积分器的被积函数寄存器器的被积函数寄存器JVY中，中，而而Y轴坐标值轴坐标值Yi存放在存