数字控制技术与数控机床

数字控制技术与数控机床主讲：于涛第一章概述数控机床简介数控机床的产生及其重要性数字控制机床，是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。1952年，MIT伺服机构研究所用实验室制造的控制装置和新新那提（CincinnatiHydrotel）公司的立式铣床成功地实现了三轴联动数控运动，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶段。数控技术的发展非常迅速，使制造技术发生了根本性的变化，几乎所有品种的机床都实现了数控化。

数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术。数控机床应用范围及特点目前的数控加工主要应用于以下两个方面：常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等，其目的在于：提高加工效率，避免人为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等，该类零件在众多的制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机产品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。数控机床在机械制造领域中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：高柔性生产效率高加工精度高、加工质量稳定可靠自动化程度高能完成复杂型面的加工有利于生产管理的现代化数控机床的基本工作原理数控机床的基本工作原理国家标准GB8129－1987将数控（NumericalControl）定义为：用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。国际信息处理联盟IFIP（InternationalFederationofInformationProcessing）将数控机床定义为：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，机床的运动和动作按照这种程序控制系统发出的由特定代码和符号编码组成的指令进行。这种程序控制系统称之为机床的数控系统。

CNC系统框图

数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。普通机床与NC机床普通机床具有手动加工和机动加工功能，加工过程全部由人工干预。主传动和进给传动一般采用三相交流异步电动机，由变速箱实现多极变速以满足工艺要求，机床传动链长。加工过程中，必须由人工不断地进行测量，保证工件的加工精度。普通机床与NC机床NC机床具有手动加工（电手轮）、机动加工和控制程序自动加工功能，加工过程一般不需人工干预。具有CRT屏幕显示功能，自动报警显示功能。普通机床不具备此功能。主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机。一般没有主轴变速箱和进给变速箱，传动链短。普通机床与NC机床NC机床具有工件测量系统。加工过程中不需进行工件尺寸的人工测量。CNC机床与普通机床最显著的区别当加工对象（工件）改变，CNC机床只需改变加工程序（应用软件），而不需对机床作较大的调整，就能加工出各种不同的工件。普通机床与NC机床数控机床的组成

数控程序和控制介质

输入装置数控装置（CNC单元）通讯感现代的数余控系统除腔采用输入含输出设备健进行信息廊交换外，窃一般都具友有用通讯武方式进行在信息交换仪的能力。昂它们是实拆现CAD荒/CAM照的集成、贤FMS和昏CIMS翅的基本技杰术。采用萄的方式有专：串行通打讯（R侄S-2滔32等此串口）涨、自动控制甘专用接口衣和规范（汁DNC方软式，MA动P协议等且）网络技术业（int床erne沃t，LA研N等）。CNC装减置(CN社C单元)组成：外计算机躁系统、访位置控景制板、雅PLC恒接口板事，通讯蜻接口板浇、特殊明功能模帖块以及势相应的再控制软卧件。作用：冷根据输抬入的零拒件加工慕程序进衔行相应像的处理讨（如运观动轨迹笑处理、懂机床输炎入输出朝处理等烂），然饰后输出使控制命役令到相逐应的执圈行部件扭(伺服菜单元、跪驱动装泛置和P稼LC等竟)，所搅有这些煮工作是停由CN眼C装置盘内硬件责和软件子协调配颤合，合因理组织扎，使整适个系统醋有条不诸紊地进献行工作关的。C飘NC装淘置是C剪NC系俯统的核雪心伺服单元俘、驱动装鹊置和测量馆装置伺服单元显和驱动装肾置主轴伺重服驱动羡装置和禾主轴电阵机进给伺服蓝驱动装置组和进给电搞机测量装躺置位置和齿速度测值量装置税。以实奸现进给贱伺服系循统的闭颜环控制雾。作用福保证亩灵敏、待准确地脊跟踪C胡NC装而置指令间：进给运支动指令松：实现主零件加葵工的成栽形运动此（速度披和位置闪控制）联。主轴运掉动指令跨，实现起零件加饰工的切踪蝶削运动是（速度扶控制）机床的闯机械部往件机床：数控机轻床的主汁体，是绵实现制荒造加工脖的执行返部件。组成：由主运听动部件绕、进给尖运动部较件（工揉作台、乎拖板以胆及相应视的传动荣机构）爽、支承油件（立贼柱、床肆身等）糟以及特抗殊装置印（刀具文自动交浩换系统苗工件叶自动交秘换系统呜）和辅穿助装置做（如排促屑装置誉等）。数控机卸床的分佛类按工艺务用途分抬类普通数控槐机床、加以工中心、挺金属成形接类数控机银床、数控本特种加工慕机床、其且他类型数扒控机床按运动陶方式分照类点位控制之、直线控旦制、轮廓才控制按伺服机贺构的控制侨方式分类开环控制和、闭环控愁制、半闭枕环控制分类按加工剧方式进才行数控坐机床的戏分类金属切售削类机所床车、加绕工中心挨、钻、持磨、镗孝。金属成丽型类机贺床数控折弯铅机、数控布回转头压独力机数控特种晃加工机床数控线切逮割机床、令数控电火间花加工机华床、数控壳激光切割趟机床其它类要型数控三治坐标测金量机分类点位控制犬系统这类控膀制方式娘只要求读控制刀荡具从一堆点移到摇另一点安的准确凶位置，带而对运悠动轨迹膀原则上张不加控拥制。数控机声床在刀龄具移动转的过程悼中，并姐不进行杯切削加颠工，而杠是作快启速空行酬程的定控位运动蛋。属于点位蜻控制的数筐控机床有勤数控钻床舌、数控镗茶床、数控玻冲床和数叉控测量机沙。点位控制较系统在从点泪1到点貌2的轨眨迹中，锤刀具不深切削。飘因此可暗以从任特意选择绕的方向钳接近点胶2。现在图示虾的是两种锄可能的路承径。直线控立制系统这类控制拉方式除了循控制点与辽点之间的蜡准确位置孙外，还要惕保证被控顷制的两点抹间移动的堡轨迹是一足条直线而朽且移动的西速度是给鸣定的。在两点间欧移动时，警刀具切削抹材料，进狮行加工。一般的简贸易数控系塌统均属于队直线控制雅系统。直线控哭制系统必须是灰沿着平摇行于某列一坐标两轴方向佩，或沿晓着与坐蜡标轴成葛45度弯的直线猾。在这个段例子中迁，显示撒的是关温于铣削阳的一个氏直线控复制系统弟。工件条的a-雄b-c网外形被仪加工。注意轮廓控挡制系统该系统罚能对刀斥具相对彩零件的赠运动轨尘迹进行订连续控希制，以来加工任铲意斜率裂的直线笋、圆弧苹、抛物业线或其鼻它函数啦关系的考曲线。刀具以设一定的未进给速幅度运动母的同时庄，进行放加工。数控铣税床、功凯能完善禁的数控咏车床、雁数控凸劲轮磨床熔等均采逼用。轮廓控摧制系统装置系臂统一般撑都是两港坐标或暂两坐标臂以上的寄多坐标武联动控毛制系统志，其功翻能齐全育，可加贸工任意驻形状的永曲线或西型腔，盟如平板遥凸轮。二轴三轴五轴四轴开环控制游系统通常不带位置测她量元件，伺服驱询动元件为步进铸电机。幕输入的桥数据通惰过数控沈系统的练运算分由配出指黄令脉冲慨，每一郊个脉冲屈送给步词进电机慎，它就泛转动一浮个精度肃，再通耕过传动塔机构使刮被控制殊的工作根台移动朝。对实际传隆动机构的兆动作情况撑是不进行考检查的，稠没有被控舒制对象的肤反馈值，诉指令发送傲出去不再省反馈回来械，称为开环控制。优点是结构千简单，脉调试容央易，价猾格便宜誓。但是登控制精喉度和运润动速度料受到限俘制。步进电机工作台步进电机驱动线路进给脉冲半闭环胃控制系净统工作台模数转换执行单元角度测量位置指令位置反馈对工作台愿的实际位竿置不进行午检查测量鸦，而是通产过与伺服价电机（执傅行单元）舒有机联系烦的测量元祸件（如测丑速电机、根光电编码远器等）检巨测出伺服随电机的转且角，间接嘱地推算出出工作台实您际位移量痕，用此值称与指令值搅进行比较宽，用差值陶来实现控嘉制。由于检测窗的不是工洋作台的位锻移，所以淘称之为半闭环。精度没有勾闭环高，鬼但调试却示比闭环容绑易。闭环控近制系统位置指令位置反馈工作台执行单元模数转换计算机位置检测器必须具备测量元室件。直接在移摩动工作台左上安装直赏线位移检散测装置如谣光栅、磁归尺、感应剥同步器等僵，检测出油来的反馈垦信号与输布入指令相姻比较，用恨比较的差守值进行控渡制，直至赛差值消除梳时停止，损这叫闭环控制。优点是控制精侨度高，但抗是安装、摩调试和维飘护比较复零杂，而且盼价格昂贵们。数控机爱床分类销表数控机床笋的种类数控车兰床加工中心押机床数控铣突床数控钻抬床数控镗床数控磨秀床数控电口加工机伴床数控金属揭成型机床控制系统乒类别点位、直坑线控制轮廓控制点位、直庭线控制开环、半吊闭环、闭广环特殊用鸡途的轮引廓控制点位、绝直线控赏制轮廓控制点位控制开环、隆半闭环开环、半炉闭环、闭植环开环、半近闭环、闭刃环开环、盐半闭环开环、咽半闭环开环、蹄半闭环开环、半架闭环闭环闭环、半幼闭环开环、半怎闭环开环、丛半闭环点位、直甜线控制点位、直灯线控制轮廓控烦制轮廓控制执行机构蓄类别加工对象含类别没锥度澡、圆弧寄的轴有锥度单、圆弧足的轴齿轮箱、炕框架等箱盘体飞机零壮件的轮雄廓加工箱体平面轮训廓的凸泰轮、样窗板、冲驴模，压鸣、铸模印刷电双路基板福、多孔坡零件箱体精密箱横体凸轮、乖轧辊、成冲模模具冲压，爬板材、毒弯管等按数控机鞋床的功能蛮水平分类低档数字控机床瞒（经概济型数脑控机床摸）中档数控象机床高档数控沈机床按可联黎动的坐朝标数分枝类2轴联搬动（平匙面曲线递）3轴联动怖（空间曲渗面，球头驰刀）4轴联薯动（空卵间曲面旧）5轴联术动及6逃轴联动辆（空间冶曲面）莫。联动轴弯数越多较数控系叙统的控河制算法嘱就越复以杂。数控技术孩的发展数控系统陷及数控机赢床的发展振历程1952销年美国麻胃省理工学屋院研制成男数控铣床耳后，随着怒电子技术璃、计算机阳技术、自歇动控制技俯术和精密峰测量技术然的发展，石以集成电曾路的集成停度为推动箱力，先后罗经历了电卡子管、晶珍体管、小寻规模集成喝电路、小瓣型计算机醋（CNC丈）和微型戚机（MN到C）数控抗系统等五锦个发展阶树段。90年代雹以来，受需通用微机私技术飞速钱发展的影字响，数控侄系统正朝柜着以通用芹微机（个创人计算机出－PC）它为基础、螺体系结构梯开放和智介能化的方乎向发展。知1994吊年基于P挑C的NC现控制器在酸美国首先惭出现于市溉场，此后张得到迅速活发展。由喘于基于P毁C的开放帮式数控系半统可充分机利用通用呈微机丰富啄的硬软件顽资源和适以用于通用暂微机的各卸种先进技慈术，已成笋为数控技捧术发展的兽潮流和趋榨势。在伺服驱岁动方面，蔑随着微电挺子、计算隔机和控制耳技术的发讽展，伺服展驱动系统徒的性能也龄不断提高趁，从最初古的电液伺龙服电机和膏功率步进蜡电机开环任控制驱动瘦发展到直丢流伺服电萍机和目前劲广泛应用忆的交流伺钥服电机闭饰环(半闭砖环)控制霉驱动，并灵由模拟控谢制向数字异化控制方始向发展。越在高性能滋的数控系揭统上已普系遍采用数阿字化的交谦流伺服驱弦动，使用粱高速数字膝信号处理否器(DS下P)和高仁分辨率的勉检测器，容以极高的赛采样频率通进行数字忍补偿，实害现伺服驱屋动的高速嚼高精度化酷。195工8年美兼国Ke井arn浆ey&模Tre道cke取r公司风开发了稠世界上咐第一台叶加工中挎心，从吉而揭开摄了加工歉中心的熟序幕。坛196像7年，欧英国首叉先把几未台数控辈机床连斗接成具网有柔性央的加工济系统，拉这就是锻最初的嘴FMS注。数控机床冠的发展现孕状与趋势高精度化高速度化高柔性狡化高自动侮化复合化智能化网络化高可靠恐性先进数裹控技术巷概述CNC返系统采纪用高性籍能CP荷U及开涌放式体片系结构目前先进傲的CNC绢系统普遍俗使用32红位甚至6锤4位CP扩U多总线护的体系结蔬构和实时阔多任务、谋多用户的咱操作系统先，以提高旷运算处理数速度。新—代胜数控系翠统体系两结构向食开放式随系统发贩展。C等NC制充造商、溜系统集优成者、游用户都寒希望“拖开放式绝的控制验器”，捧能够自获由地选锋择CN变C装置仔、驱动丈装置、稀伺服电格动机、赛应用软捷件等数骗控系统伍的各个眉构成要翼素，并点能采用蜡规范的即、简便城的方法座将这些赖构成要系素组合季起来。基于P踩C的开巾放式C的NC大贡致可分谷为三类淹：专用受CNC浸+PC恭型、专运动控阅制器+选PC型土、纯恨PC型传统封引闭式数易控系统挠的缺点（1陈）各厂牵家产品侄软硬件舱不兼容雁，主流凑技术远恶落后于否PC软挠硬件技储术，购狂买、使料用成本糟高;（2）系债统功能固昼定，不能史充分反映尤数控设备乡丰制造厂的芹生产经验储，很难满的足最终用凯户的特殊推要求;（3）葬缺乏统杂一、有氧效和高畏速的通罗道与外域部互连语，信息托被锁在阶“黑匣纤子”中举，成为斤自动化俯的“孤故岛”;（4）租人机界悄面不灵国活，系普统的培不训和维对护费用牛昂贵。PC-象NC结掌构的不里足（1）仍漫存在专有奥硬件（2）颜信息的弱交换还萌不是完拣全开放仍的（3）与潜I/O接享口连线多（4）成口本高（5）应工业化杰设计不件如传统岂数控系糠统软件化开喷放式是数冒控系统的绵发展方向（1）基安于标准的证PC硬件（2）信宅息的完全纠开放，软治件模块的协PnP，（3）澡与I/柱O的连另接为现僚场总线虾结构PRO