数控机床基本概念

数控机床基本概念第1页/共47页本门课的性质及重要性数控技术是多学科的综合性应用。现代数控技术集：机械制造技术，计算机技术，现代控制技术，传感检测技术，信息处理技术，网络通信技术，液压气动技术，光电技术于一体是现代制造技术的基础。他的发展和应用开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大的变化第2页/共47页数控技术是基础数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）DNC（群控）、FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等都是建立在数控技术之上的。（FMC柔性制造单元）CIMS:FA(工厂自动化)：OA（办公自动化）

FMS（柔性制造系统）第3页/共47页数控技术是国际贸易的重要构成，发达国家把数控机床视为具有高技术附加值，高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加.1995年以来，我国已经成为数控机床的世界第二大消费国和第二大进口国它是商品第4页/共47页它是产业的水准数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；是国家的战略技术基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，专家们曾预言：机械制造的竞争，起实质是数控的竞争。第5页/共47页东芝事件20世纪80年代初，由于日本东芝机械公司背着巴黎统筹委员会，向前苏联出售高精密的加工船用螺旋桨的数控机床一事，造成了震动国际政坛的“东芝事件”。据统计，前苏联有256艘攻击型核潜艇，而美国只有96艘，但美国的核潜艇噪声小，苏联的核潜艇噪声大。一般情况下，美国的反潜系统在距前苏联核潜艇200海里时，便能发现它并辨别其特征。中国094潜艇第6页/共47页东芝事件核潜艇的噪音主要是由螺旋桨造成第7页/共47页几组数据液浮陀螺球面的球度要求0.2~0.5µm

空对空导弹的红外接收器的非平面反射镜的形状误差0.1~0.3µm

激光打印机的平面反射镜和录象机磁头的平面度0.04µm，粗糙度0.02µm

高精度轴承的滚动体圆度要求小于0.5µm

轿车汽缸体的缸孔和连杆两端的圆孔的圆柱度要求在1µm内百圆人民币厚100µm第8页/共47页东芝事件1983年，苏联技术机械进口委员会成功从日本东芝公司获得了价值35亿日元的四台MBP-110S九轴数控镗铣床。巴黎统筹委员会绝对禁止向经互会成员国出口。大直径螺旋桨的加工，需要先进的设备第9页/共47页东芝事件效果：前苏联新型攻击核潜艇的噪声降到原来的1／10及到1％，美国潜艇必须靠近到20海里以内才能发现并跟踪前苏联潜艇。美国若要保持其优势，必须改进反潜系统，估计需要花费200至400亿美元。事情败露后，日本通产省宣布在一年内禁止东芝机械公司向14个国家出口产品，仅此一项使东芝机械公司损失1亿美元。第10页/共47页本门课的性质及重要性机械制造业是国民经济的基础产业，是支撑整个工业和国民经济发展的基石，随着科学技术的高速发展，制造业发生了根本性的变化，普通机械将逐步被高效、高精度的数控机械所替代。机床的数控化率已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志第11页/共47页相关课程如下：高等数学、英语、计算机应用基础、工程力学、机械设计与制造、互换性与测量基础、电工与电子技术、自动控制原理、计算机应用技术、计算机辅助制图、程序设计语言、微机原理与接口技术、测试技术、控制系统工程、现代制造技术、CAD/CAM。第12页/共47页本门课的学习内容、方法、及达到的要求

内容：1、数控机床的组成、分类及运用范围2、数控机床的程序编制3、计算机控制装置的插补原理4、计算机控制装置5、数控检测装置6、数控伺服系统第13页/共47页学习方法：每章有名词、机理、例题、综合运用。利用课外时间，学习掌握一门仿真加工软件的正确使用方法。本门课达到的目的：了解数控技术的名词概念，控制机理，能会基本的手工编程和仿真加工。本门课的学习内容、方法、及达到的要求

第14页/共47页数控技术中常见的英文缩写及中文名称

NC------数字控制

CNC-----计算机数字控制

MNC-----微型计算机数字控制

DNC-----直接数字控制（分布式数字控制）

PLC-----可编程序逻辑控制器

CAD-----计算机辅助设计

CAM-----计算机辅助制造

FMS-----柔性制造单元

CIMS----计算机集成制造系统

CAPP----计算机辅助工艺规划第15页/共47页第一章概论第一节：数控机床的基本概念一、数控机床的产生数控机床是数控技术的载体。制造技术的三个发展阶段：第一阶段：用机器代替手工，从作坊形成工厂第二阶段：从单件生产方式发展到大量生产方式第三阶段：制造的柔性化、系统化、智能化。第16页/共47页科学技术社会生产发展

机械加工工艺过程的自动化

质量对产品生产率要求越来越高解决的重要措施之一第17页/共47页20世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域一个崭新时代的到来1948年美国帕森斯（ParsonsCo.）公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出利用电子计算机控制机床加工复杂曲线样板的新概念。1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。第18页/共47页ParsonsCo.公司设想的方案是：把坐标点的代码打在穿孔卡上，然后输入到机床的控制系统中，使一台改装过的铣床按照微小增量的步距移动得到需要的轨迹。数控加工的构思与实现零件尺寸零件形状数控装置伺服系统速度反馈位置反馈机床单位运动第19页/共47页

1952年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界第一台三座标数控铣床。控制装置由2000多个电子管组成，大小约为一个普通实验室那么大。伺服机构采用一台控制用的小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度。插补装置采用脉冲乘法器。1955年数控机床形成了产业化，并批量投放市场。数控机床的诞生在对复杂曲线、型面的加工以及对美国航空工业和军事工业的发展起到了重要作用。第20页/共47页计算机的出现为数控技术的出现与发展奠定了基础一代：1955年,NC系统以电子管组成，体积大，功耗大;二代：1959年,NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板;三代：1965年,NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高;以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”第21页/共47页第四代数控：1970后，随着微电子技术的发展，小型计算机逐渐取代数控系统中的专用计算机，使许多控制功能可以依靠编制专用程序来完成，而不必依靠硬件电路，实现软件控制，大大提高了数控系统控制的灵活性和数控设备的可靠性。1970年，美国芝加哥国际机床展览会上第一次展出了采用小型计算机控制的计算机数控（ComputerNumericalControl—CNC）装置和由计算机直接控制多台机床的直接数控（DirectNumericalControl—DNC）系统。第22页/共47页第五代数控：1974后，中、大规模集成电路技术所取得的成就，促使价格低廉、体积更小、集成度更高、工作可靠的微处理器芯片问世，并逐步应用于数控系统，进一步简化了CNC系统的硬件结构，降低了CNC机床的成本，由此产生了以微处理器为CNC系统核心的第五代数控系统，即采用微型电子计算机控制的数控系统（MicrocomputerNumericalControl——MNC）第23页/共47页新一代数控：进入90年代，数控系统的发展以高速度、高精度、智能化为显著特点。大规模和超大规模集成电路的进一步发展，使微处理器的性能不断提高，软件功能日益增强，CNC系统随着外围电路和接口配置的不断完善，以及软件技术在交互式人机对话和图形显示技术方面所取得的成就而得到发展。基于PC-NC的新一代数控充分利用了现有PC机的软硬件资源，使得数控系统集成度高，可靠性好，升级换代容易，易于实现开放式系统。第24页/共47页我国数控机床的发展我国于1958年由清华大学和北京第一机床厂合作研制了第一台数控铣床X53K1。只能实现三个坐标的联动，控制设备采用的是直线插补电子管系统，装入控制柜后体积足足有10台电视机那么大。传动系统为最简单的步进电机伺服系统。我国第一台数控铣床在这一年，日本也研制成功了第一台数控机床。第25页/共47页到今天，中国在数控加工技术领域与世界的差距十分惊人。国内高科技产业的一些关键设备，如大型机组转子，芯片生产线，航空航天设备制造，军工产品生产线等都依赖于国外进口的设备。而且，受到制裁和禁运的影响，好多设备甚至都买不来！加工技术的落后，严重制约了我国科技和工业的发展。第26页/共47页数控机床我国主要数控系统：1、华中数控系统2、北京航天数控系统第27页/共47页我校的数控机床

第28页/共47页第29页/共47页数控机床的基本组成的原理框图如下图所示：程序载体输入装置数控装置伺服驱动系统强电控制装置检测装置机床（主运动、进给运动、辅助操作）二、数控机床的组成第30页/共47页第31页/共47页1、程序载体对数控机床进行控制必须在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即——程序载体（又称控制介质）。常用的控制介质有：穿孔带、穿孔卡、磁带。第32页/共47页ISO代码表第33页/共47页2、输入装置输入装置的作用就是将程序载体上的数控代码信息转换为相应的电脉冲信号传送至数控装置的内存储器。数控代码信息—零件加工程序、控制参数、补偿数据

第34页/共47页输入输出装置可以通过多种方式获得数控加工程序:软驱现已较少使用

MDI（ManualDataInput）方式

USB接口

RS232C接口

DNC接口

存储卡

广泛使用以太网

第35页/共47页主要内容世纪星HNC-21Fanuc0i西门子810、802第36页/共47页3、数控装置（CNC）数控机床的中心环节。输入装置：接受由穿孔带阅读机输出的代码，经过识别与译码之后分别输送到个相应的寄存器，这些指令与数据将作为控制器与运算器的原始数据。第37页/共47页控制器：接受输入装置的指令，根据指令控制运算器与输出装置，以实现对机床的各种操作（如主轴的变速或冷却液的开关）以及控制整机的工作循环。第38页/共47页运算器：接受控制器的指令，将输入装置送来的数据进行某种运算，并不断地向输出装置送出运算结果，使伺服系统执行所要求的运动。第39页/共47页输出装置：根据控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统，经过功率的放大，驱动相应的坐标轴，使机床完成刀具相对工件的运动。第40页/共47页常用的数控系统：SIEMENS(西门子)FANUC(日本的法那克)FAGOR(西班牙的发哥)华中数控

第41页/共47页4、强电控制装置

主要功能是接受数控装置所控制的内置式可编程控制器（PLC）输出的主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松开，切削液的开或关等辅助操作的信号，经功率放大直接驱动相应的执行元件，诸如接触器、电磁阀等，从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。第42页/共47页5、伺服系统伺服系统接受来自数控装置的指令信息，严格按照指令