数控技术第一章概述课件

1、术数控技 第一章 概 论返回立式铣床卧式车床立式加工中心立式加工中心1.1数控技术的基本概念 1.2 数控机床的基本结构 1.4 数控技术的产生与发展 总 结1.3 数控机床的组成与分类 第一节：什么是机床的数字控制第二节：机床数字控制的原理第三节：数控机床 的组成及特点1.1 数控技术的基本概念 1.1 数控技术的基本概念 1.1.1 什么是机床的数字控制 一般机床：在加工零件时,按手动和机动两种方式 进行控制。 手动：手工摇动手柄带动机床部件进行运动 和停止； 机动：用控钮接通动力源电路而实现控制。数控机床 ：以数字指令方式控制机床部件的相对 运动和动作。数字控制：NUMERICAL CO

2、NTROL NC其指令为“二进制”数字代码。数控机床：一种装有数控系统的机床，能够 逻辑地处理具有使用号码或其它 符号编码指令规定的程序。数控系统：一种控制系统，能够自动完成信 息的输入、译码、运算，从而控 制机床的运算和加工。如：要执行如下一条指令程序段： NO02 G90 G01 X20.0 Y20.0 Z-5.0 S1000 T02 F500 M07；解释：第二个程序段，采用绝对编程，直线加工，终点坐标为（20 20 -5 ），以坐标原点为基准。 以上程序所涉及的数字09，文字X，Y，Z，都需转换成“二进制”数字代码输入机床的数控装置中，经计算处理，伺服控制，驱动机床各部件运动，从而完成

3、加工。数控装置和伺服控制部分统称数控系统。 1.1.2 机床数字控制的原理数控机床加工时：首先：将零件图上的几何信息和工艺信息 用规定的代码和格式编写成加工程序。然后：将加工程序输入数控装置，按程序 的要求，经数控系统信息处理分配， 使各坐标移动若干个最小单位，实现 刀具与工件的相对运动，完成零件的 加工。 一、点位控制 ：POINT TO POINT CONTROL （钻、镗、攻螺纹） 如图：1.1A 在XOY平面内使刀具从PQ点YXOPQ点位控制： 严格要求控制点点的距离，不关心路径。 R 刀具在X、Y轴移动以最小单位量计算的程序给定距离，运动的合成量为P点和Q点间的距离。但刀具轨迹没有严

4、格的限制。 如上图 ，刀具可从P点R点（X轴） ，再从R点Q点（Y轴）；也可以在XY轴以同速度V移动到R点，再延X轴Q点。 YX0.LnL1图1.1B 二、轮廓控制 （平面曲线 空间曲线） 1 . 平面曲线加工：如图 1.1B 对于平面内任意曲线L，要求刀具T延曲线轨迹运动，进行切削加工。将L分割成：L0 L1 L2Ln等小线段，用直线或圆弧代替这些线段，当逼近误差相当小0 时，这些折线便逼近已知曲线。 由CNC机床的CNC装置进行计算分配通过两个坐标轴最小单位量的单位运动（X、Y）合成，不断连续控制刀具运动，不偏离地走出直线或圆弧，从而非常逼真地加工出平面曲线。 2空间曲线加工： 如图1.1

5、C，P2，以同样的方法 逼近，只是L的单位运动分量为X、Y及Z。特点：不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标轴的速度及它们之间的比率都要严格控制，以便加工出给定的轨迹。 移动时刀具未加工刀具在加工刀具在加工三、 直线插补和圆弧插补插补： 指在被加工轨迹的起点和终点之间，插进许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型逼近。直线插补CNC机床刀具运动轨迹是直 线的加工；圆弧插补 CNC机床刀具运动轨迹是圆 弧的加工。四、数控系统的组成数控装置伺服驱动装置可编程控制器检测装置组成1. CNC装置： 按零件图加工要求插补运算向各坐标轴发出速度控制指令； 数控装置将数控加工信息输出到机床的控制量

6、主要有两种类型：一类是模拟或数字形式的连续控制量，送往驱动控制装置，完成零件加工的轨迹控制；另一类是二进制形式的开关控制量，送往机床电器逻辑控制装置，控制机床各组成部分实现各种数控功能。2伺服驱动装置： 位于数控装置和机床本体之间，包括进给伺服驱动装置和主轴驱动装置。 进给伺服驱动装置：位置控制、速度控制和电机； 主轴驱动装置：速度控制 、主轴电机。 快速响应CNC装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动同时提供足够的功率和扭矩；伺服控制按工作原理分：关断性控制和调节性控制 关断控制将指令值与实测值比较，相等发出中断指令； 调节控制CNC装置发出运动指令信号，伺服驱动装置快速响应跟踪指令信号；3.

7、 检测装置： 将坐标位移的实际值测出，反馈给CNC装置的调节电路进行比较，有差值便发出运动控制信号，从而实现偏差控制，不断比较直到偏差为零，结束运动；4可编程控制器（机床电器逻辑控制装置) ： 主要是对一些辅助功能的控制开关量的控制。如：主轴的停启，刀具的更换，冷却液的开关，电磁铁的吸合，急停，报警等。 此开关量：仅有“O”和“1”状态。113 数控机床的组成及特点 信息输入出装置伺服驱动装置检测反馈装置机床本体机电接口数控装置一、组成 1. 信息输入装置： 加工零件各种参数、信息由此输入CNC装置。 一般：穿孔纸带、磁带、磁盘、光盘等。 Reader阅读器；Keyboard键盘：MDI PA

8、NEL 手工数据输入 控制面板 理念：以认为本的人性化、 傻瓜化。 CRT LCDMDIPANELA-Z0-9面板急停开关孔：有电源；针：无电源2. 数控装置： 由中央处理单元（CPU）、存储器、总线和相应软件构成的专用计算机。 数控装置是CNC机床的核心，决定着整个机床的功能。 数控装置的功能1. 多轴联动、多坐标控制；2. 实现多种函数的插补（直线、圆弧）；3. 多种程序输入功能及编辑和修改功能；4. 信息转换功能：EIA/ISO代码转换、公制/英制转换、坐标转换、绝对值/增量值转换；5. 补偿功能：刀半径、长度、传动间隙；6. 多种加工方式选择：加工循环、重复加工、凹凸 模加工、镜像加工

9、等；7. 故障自诊功能；8. 显示功能：CRT显字符、轨迹、平面或三维动画； 9. 通讯和联网功能。3、伺服驱动装置： 接受CNC装置处理后分配来的信号，再经调节、转换、放大后驱动伺服电机，带动机床的执行部件运动。 包括：主轴驱动单元（V控制）、 进给驱动单元（V和位置控制）、 回转工作台、刀库伺服控制装置、 伺服电机。 伺服系统： 直流系统-一般少用； 交流系统-目前多用 正逐步代替直流。4测量与反馈装置： 按在伺服电机上，由反馈信息构成闭环回路。 一般来说：CNC机床的伺服驱动系统要求具有较高的快速响应性能，以及能灵敏而准确地跟踪指令的功能。 比较关键-测量反馈装置和伺服驱动装置。 绝对式

10、编码器： 用于机床运动部件的位置及角度控制。5. 机床本体： 包括： 主运动部件、进给运动部件、 执行部件、基础部件。 如：底座、立柱、工作台、导轨、 主轴、床身 与普通机床不同： 主运动及各轴的进给运动都由单独的伺服电机驱动，传动链短，结构简单。 底座立柱工作台导轨主轴伺服电机 6. 机电接口： 由于除点位控制，轨迹控制采用数字控制外，CNC机床还有许多其他控制，如：主轴的停启、刀具的更换、冷却液的开关等，它们的动力来源是由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关等强电线路提供，而这些强电线路不能与低压下工作的控制电路或弱电线路连接，只能通过断路器、热动开关、中间继电器等转换成直流低压下

11、工作的触点开关的开合工作，才能成为继电器逻辑电路或PLC可接收的信号。这些都是属于CNC装置与机床之间的接口问题统称机电接口。二CNC机床的特点 优越性： 小批量而又轮番生产的零件； 几何形状复杂的零件（滚球、鼠标模具）； 加工过程中必须进行多种工序加工的零件； 切削余量大的零件； 必须严格控制公差的零件；-高精度 工艺设计会经常变化的零件； 加工过程中的错误会造成严重浪费的零件； 需全部检测的零件。 1. 广泛的适应性和较大的灵活性，能加工普通机床难以 加工的或根本不能加工的复杂型面的零件； 2. 按预先编制的程序自动加工，不需人工干预，故加工 零件的一致性好，重复精度高，适应批量生产； 3

12、. CNC机床高度自动化，高效率，可采用较大的切削用 量，具有自动变速，自动换刀，自动换工件等特点，生产 率得以极大提高，是普通机床的3-4倍甚至更高，大大的 减轻了工人的劳动强度； 4. 加工完一件零件后需要加工另一种零件时，只需更换 新加工程序即可， 而原来的程序保存起来待用；-省时。 5. 加工中心采用工艺复合，一机多能，工序高度集中， 实现一次装卡能完成多工位、多面、多刀加工。 优点 数控机床的缺点: 1) CNC机床是一种高新技术造价相对 高,投资大; 2) 维护比较困难,需专门的维护人员 ; 3) 需要高度熟练的和经过培训的零 件编程人员，所以操作人员有较丰 富的专业素质。1.2

13、CNC机床的基本结构基本机械结构： 数控车床：主轴、转塔刀架、卡盘、尾架、溜板和导轨。数控铣床：主轴 、 工作台、滚珠丝杠和导轨。加工中心：与相应的机床结构基本相似，主要区 别是有刀库和自动换刀装置机械手。例:立式加工中心的结构包括：1、主轴箱 2、刀库 3、机械手 4、刀库罩壳 5、导轨 6、滚珠丝杠 7、床身 8 X、Y轴、主轴和刀库的电动机、9、工作台 10、冷却液箱 11、润滑油箱 12、切屑箱 。 数控机床工作台 圆形工作台 矩形工作台 用螺钉压板装夹零件气动卡盘（车） 数控机床的夹具 虎钳（铣） 数控车床动力刀架 加工中心的链式刀库和盘式刀库 导轨（滑台）和滚珠丝杠主 轴1.3 C

14、NC 机床的分类第二节：按伺服系统的类型分类第三节：按 工 艺 方 法 分 类第四节：按功能水平分类第一节：按运动控制的特点分类 1.3.1 按运动控制的特点分类一、 点位控制CNC机床（孔加工）这种机床：只要求获得精确的孔系坐标的定位 精度，而不管从一个孔到另一个孔是按 什么轨迹运动的，在坐标运动过程中不切削。适用于： 平面内孔系加工。 如：数控钻床、冲床、数控坐标镗床等。 一般是开始快后来快接近目标时慢，如：加工中心。CNC 机 床 的 分 类 点位控制：只控制机床移动部件的终点位置，不管所走的轨迹如何。可以一个坐标移动，也可以两个坐标同时移动，过程中不加工。为了保证定位精度，一般采用如下

15、图所示的分级降速、连续降速或单向定位等方法。起点终点速度分级降速起点终点速度连续降速起点终点速度单向定位二、直线控制CNC机床（CNC车床） 这种机床：控制工作台或刀具以要求的进给速度沿着平行与坐标轴的方向进行直线移动和切削加工的机床。 如：数控车床、加工中心等 需刀补功能。 要求：不仅要求CNC机床具有准确的定位功能，而且还要控制位移的速度。 一般地：此机床有2-3个可控轴，但同时控制轴只有一个。 CNC 机 床 的 分 类 三、轮廓控制的CNC机床 （斜线、曲面、曲线）这种机床：同时控制2个或2个以上坐标进行联动的机床。要求：加工中每时每刻都对各坐标轴的位移和速度进行严格的不间断的控制。按

16、联动轴又可分为：2坐标联动控制；2.5坐标联动控制；3、4、5坐标联动控制等。CNC 机 床 的 分 类不同机床控制不同轴联动可加工出不同的零件：CNC车床：采用2坐标联动加工出如P8图1.4a所示手把类零件；CNC铣床：采用2坐标联动加工出如P8图1.4b所示平面凸轮的轮廓曲线类零件； 三坐标CNC铣床：可加工如图所示的圆锥台零件，则是先2坐标联动一圈，再延另一坐标提升一个高度，如此下去即可。 这里有一轴没参加联动 称为2.5坐标联动。1.3.2 按伺服系统的类型分类开环控制的CNC机床闭环控制的CNC机床半闭环控制的CNC机床一、开环控制的CNC机床 没有位置检测反馈装置，CNC装置发出指

17、令信号，流程是单向的。精度主要取决于驱动元器件和电机的性能。特点：精度低：完全依赖于步进电机的步距精度和齿轮、丝杠的传动精度。 结构简单、易调试、造价低。二、闭环控制的CNC机床 CNC装置中插补器发出的位置指令信号与工作台上检测到的实际位置反馈信号进行比较，由其差值不断控制运动，进行误差修补，直到差值为零时听停止。特点：由于反馈的存在，消除了系统中的机械传动部件造成的误差对加工精度的影响 。 精度越高，调整越难（很多部件都在环内，其摩擦特性、刚性及间隙等都是非线性的），稳定性越好。三、半闭环控制的CNC机床半闭环：指用丝杠或电机轴的转动惯量与数控装置的命令相比较（闭环），而另一部分丝杠螺母工

18、作台的移动量不受闭环控制。这种机床：它的检测元件装在电机轴或丝杠轴的端部，此系统内不包括机械传动环节。 稳定性好，反馈的只是进给传动系统的部分误差，由于采用高分辨率的反馈检测元件，以及传动部分有补偿，所以精度高。其精度介与闭环与开环之间。开环 闭环和半闭环控制的CNC机床插补器位置控制速度控制 电机 机床工作台测量反馈装置闭环半闭环1.3.3 按工艺方法分类一金属切削类机床（CNC车床、CNC钻床、CNC铣床、CNC磨床、CNC镗床等）1、CNC车床：具有广泛的通用性和较大的灵活性的高度自动化车床。 分类：立式 ； 卧式：平床身（水平导轨）：常见； 斜床身（斜导轨）：排屑好，铁屑不会停留在床子

19、上,速度快无转位误差。 数控车床平床身数控斜床身车床数控斜床身车床 2 数控铣床 立式铣床 ： 1）小型的CNC铣床一般都工作台移动、升降及主轴不动方式； 2）中型CNC铣床一般横向和纵向工作台移动，且主轴沿垂直溜板上下运动； 3）大型的CNC铣床采用龙门架移动方式，其主轴可以在龙门架的横向和纵向溜板上运动，而龙门架则沿床身做纵向运动。卧式铣床：其主轴轴线平行水平面。 可实现一次装卡中，通过转盘改变工位，进行四面加工，对箱体类零件或一次安装中需改变工位的工件来说，选带数控转盘的卧式铣床最好。 CNC铣床一般为立式，现在将其列为加工中心3 加工中心加工中心： 一种带有自动换刀装置的能进行铣、钻、

20、镗加工的复合型CNC机床。加工箱体零件时： 在加工中心上一次定位装卡后，能完成多个侧面上的铣、钻、扩、铰、镗、攻螺纹等工作，应用广泛。分类： 1）立式、卧式、立卧转换式； 刀库沿轴线转90度变卧式，在0-90度之间任意位置都可以停留加工。立式转卧式被加工孔需X、Y、Z联动立式加工中心 4 数控高速冲床如加工如图工件的方法：1）用模具，但若批量小则不和算；2）一个工位一个工位加工，则定位不好；3）用高速冲床好，多能满足，尤其加工40MM以内的钢板时可一次完成，精度高。二、金属成型类及特种加工类CNC机床如：CNC弯管机 CNC线切割机 CNC电火花成型机 CNC激光切割机 数控弯管机CNC弯管机

21、原理:通过瞬间高压，产生冲力完成弯管。 电火花成型机床CNC电火花成型机：工具与工件间产生脉冲性电火花，靠放电时局部、瞬间产生的高温蚀除多余材料。 进行电火花加工时，工具电极（即成型电极与要求加工出的零件有相适应的截面或形状）和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电 。 在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成

22、固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。 紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。数控线切割机CNC线切割：采用电极丝（钼丝）作为工具电极，在脉冲电源的作用下工具电极和加工工件之间形成电火花放电，火花通道产生大量的热，使得工件表面溶化甚至气化。应用：一般是内模上要做镶件，或工件的外形不好加工，也不能磨床加工的，就进行线割，还有就顶针孔等。它就是通过放电将一个工件分成了二件，一件是废料，一件就是我们要的。数控激光切割机 CNC激光切割机：通过激光束，经过聚焦后把光束的能量集中到一

23、个极其微小的光斑上，光斑照射工件，迅速升温并达到气化的温度。激光束与工件间相互移动加工出工件。1.2.4 按功能水平分类经济型 (低档 )数控机床: 又称简易数控机床. 通常仅能满足一般精度的要求,能加工形状较简单的直线、斜线圆弧及带螺纹的零件,采用微机系统为单片机系统. 具有数码显示或CRT字符显示功能,CPU为 8位或16 位,机床进给有步进电机实现开环驱动,控制的轴数和联动轴数在3轴或3轴以内,进给分辨率为10um ,快速进给速度可达8-15m/min.此类机床结构一般比较简单,精度中等,价格低,一般不具有通信功能.普及型（中挡）数控机床： 又称为全功能数控机床。 此类机床功能较多，但不

24、追求过多以实用为准，除具有一般数控机床的功能外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等。 采用的微机系统为16位或32位微处理器，具有RS232C通信接口，机床的进给多用交流或直流伺服驱动，一般能实现4轴或4轴以下的联动控制，进给分辨率为1um，快速进给速度为10-20m/min,其输入输出的控制一般可由可编程控制器来完成，大大的增加了系统的可靠性和控制的灵活性。 此档次机床品种多，几乎覆盖了各种机床类别，简单、实用、价格低。.高档型数控机床： 指加工复杂形状工件的多轴控制数控机床，其工序集中、自动化程度高、功能强、柔性高。 采用的微机系统为32位以上的微处理器系统，机床的进给大多采

25、用交流伺服驱动，除具有一般数控机床的功能外，至少能实现5轴或5轴以上的联动控制，最小进给分辨率为0.1um,最大快速移动速度为100m/min或更高，具有三维动画图形功能，刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统，自诊断功能及较强的联网和通信功能。 功能齐全、价格昂贵，如具有5轴以上的数控铣床，5面加工中心等。 1.3 数控机床主要加工对象加工精密、复杂的平面类、曲面类零件、箱体类零件数控铣削加工的零件一、数控铣床主要加工对象立（端）铣刀立铣刀铣削深度面（盘）铣刀直线铣削斜线铣削圆弧铣削螺旋铣削钻式铣削立铣刀切削方式机夹式球头铣刀球头铣刀球头铣刀曲面铣削方式球头铣刀主要加工轴类零件二

26、、数控车床主要加工对象数控车刀1.4 数控技术的产生 与发展及技术水平第一节：产生与发展第二节：发展趋势1.4.1 产生与发展一、产生的背景：当前，单件小批量生产占很大比重，尤其在造船航天等部门，其生产特点是加工批量小，改型频繁，零件的形状变化复杂而且精度要求高，若仍采用专用化程度高的自动化机床加工这些零件，显然不合理，因为经常改装设备， 对专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。CNC机床就是在这种背景下诞生的。 二、产生与发展 三坐标CNC铣床三轴联动脉冲乘法器原理电子管（大又笨）第一代1952年 第二代晶体管代替

27、电子管晶体管和印刷电路板 1959年小规模集成电路第三代1965年硬逻辑数控系统NC小型计算机计算机数控系统（CNC） 第四代1970年 微处理机 计算机集成制造系统 第五代1974年 80年代 柔性制造单元 FMC80年代至今柔性制造系统FMS柔性制造单元FMC机床的整个发展过程 皮带机床齿轮机床机电液机床数控机床三、我国数控技术的发展 58年：才开始研制CNC机床-电子管； 65年：开始研制晶体管CNC系统； 70年代初：研究出CNC立铣床、CNC车床、加工中心等，此时由于数控线切割机床结构简单，价格低，使用方便而得到发展； 80年代初改革开放后：引进国外技术， 采用微处理机推动了CNC机

28、床的发展。 1989年底我国数控机床的可供品种已超过300多种，其中CNC车床占40%，加工中心占27%。 1.4.2 国内数控产业的基本情况 目前我国数控机床生产厂家共有100多家，其中能批量生产的企业有42家，平均年产量为400-700台，数控系统生产企业约为50家，数控机床配套产品的企业约300余家，产品包括8大类2000种以上。90年代以来，我国数控系统的各方面力量集中优势，突破难关，逐渐形成了以北京航天数控集团、武汉华中数控集团、蓝天数控集团等企业为龙头的国有数控系统生产企业。而且我国数控系统的可靠性已有很大的提高MTBF可达15000小时以上。 全世界最大的数控机床生产企业排名：

29、德国：西门子； 日本：法那克； 美国：马加其。国际现状： 美国：消费大国母机； 日本：生产大国； 德国：技术大国技术含量最高， 激光刀具； 中国：经济型大国，数控市场快速扩大。2002年世界机床生产前十名（百万美元）国家(地区)2002年2001年同比德国67377732-17%日本63799390-30%意大利37753794-5%中国3025262415%美国19132853-33%中国台湾1754163510%瑞士17162047-20%西班牙863886-8%韩国8338044%法国812814-5%国家(地区)2002年2001年同比中国5696474020%德国48155712-20%日本34415254-32%美国33255231-36%意大利29323080-10%韩国12231324-8%法国11651516-27%中国台湾9771118-10%西班牙819881-12%英国690897-26%2002年世界机床消费前十名（