数控机床 第1章

返回课件首页2010-2011学年2学期电气自动化08-123456（选修课）课程的特点：实用性、综合性技术范围复盖：(1)机械制造工艺及设备；(2)计算机技术：(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术主讲：任小洪人工智能办公室：实验楼535助教：范焘自动化教研室：实验楼541参考教材：胡占齐杨莉：《机床数控技术》机工出版社王永章：《机床数控技术》高教出版社杨有君：《机床数控技术》机工出版社“数控技术及应用”课程简介第一节数控技术的基本概念一、

数控与数控机床1.基本概念

数字控制（NC，NumericalControl）用数字化信息对控制对象（机床运动及其加工过程）进行控制的一种方法（GB8129-87），亦称数控技术；

数控系统：实现数控技术的机电控制设备；

数控机床：装备了数控系统的机床。2.发展简史

1952年，第一台数控机床在MIT问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了制造自动化的发展。

1954年美国BENDIX-COOPERATION第一台工业用数控机床

1955年，第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出。返回课件首页

ThefirstsuccessfulN/Cmachine,fundedbytheAirForce,wasdemonstratedbytheMassachusettsInstituteofTechnologyin1952.Itwasa"retrofitted"Cincinnatimillingmachine(Figure

1.15).Ithadtheabilitytocoordinatetheaxismotionstomachineacomplexsurface.Thefirst"commercial"N/Cmachineswereshownatthe1955NationalMachineToolShow.

第一代:电子管第二代:晶体管第三代:小规模集成电路（NC）第四代:小型计算机(1970年代)（CNC）第五代:1974年微处理器控制（MNC）→至今使用最多第六代:个人计算机(PC)为平台的数控系统国内：1958年我国开始研制，70年代初发展。逐步成熟。差距：精度、速度、数控系统功能及传感器和机械制造工艺等数控系统:FANUC50%,西门子25%各种类型数控机床2．用数控机床加工一个零件的过程见图1-1。

零件图数控系统机床

数控装置伺服系统加工程序

用数控机床加工工件时，首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。

基本概念：数控系统（NCsystem）、数控装置NCU

计算机数控CNC数控系统:由数控装置和伺服系统两部分组成。计算机数控系统CNC:以计算机为数控装置构成的数控系统成为（ComputerNumericalControl）

数控系统的功能：读入载体上的数字信息，经过译码、数据处理、插补运算和位置控制，控制机床运动。值得注意：

数字信号与模拟信号比较的优点很多数控技术从硬件数控到现在的CNC数控技术远不止用于机床，还可用于其他机械设备，如：机器人、冶金、锻压、轻工、包装、纺织机械等数控技术引起机械制造技术革命性变革二、数控机床的特点优点1．

能够加工复杂曲面；2．

加工精度高、质量稳定；3．

适应性强，生产效率高（减少辅助时间）；4．

减轻操作者的劳动强度、操作简单；5．有利于生产管理的现代化（工时计算准确）；有故障诊断和监控能力；对操作者（手工）技术水平要求低。（文化程度高）问题：

1．造价较高；

2．调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；

3．对编程人员的技术水平要求较高。三、本课程的目的：

1．选择机床——选；

2．使用数控机床——用；

3．设计数控机床——做。第二节

数控机床的组成与分类

一、

数控机床的组成

下图是数控机床的逻辑组成框图。数控机床一般由输入输出设备、数控装置、主轴和进给伺服单元、PLC及其接口电路和机床本体等几部分组成。除了机床本体以外的部分统称为数控系统，数控装置是数控系统的核心。

1．输入/输出设备和操作面板

2．数控装置

3．伺服单元和伺服电机

4．可编程逻辑控制器(PLC)及接口电路

5．机床本体

6．测量装置主轴伺服单元数控装置输出设备PLC进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备数控机床的逻辑组成主轴伺服单元数控装置输出设备PLC进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备数控机床物理结构与逻辑结构比较同类型的加工中心与数控铣床的结构布局相似，主要在刀库的结构和位置上有区别，一般由床身、主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给机构、自动换刀装置、辅助系统（气液、润滑、冷却）、控制系统等组成，如图所示。滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的装置。滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置。它以滚珠的滚动代替丝杆螺母副中的滑动，摩擦力小，具有良好的性能。右：SIEMENS802D->下：FANUC系列150iM德国同步的最新技术SINUMERIK802D将NCK、PLC、HMI集成一体，通过PROFIBUS连接各部件SIMODRIVE611U数字驱动系统。可控制4个进给轴、上个数字或模拟主轴；集成大量CNC功能；提供编程模拟及图形循环支持功能，PC卡备份数据，可实现一次编程批量安装。SINUMERIK840D数控系统硬件组成框图SINUMERIK840D数控系统软件结构图

SINUMERIK840DSINUMERIK840D是西门子数控产品的突出代表。于20世纪90年代推出。它保持西门子前两代系统SINUMERIK880和840C的三CPU结构：人机通信CPU（MMC-CPU）、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）。三部分在功能上既相互分工，又互为支持。它在复杂的系统平台上，通过系统设定而适于各种控制技术。

SINUMERIK840D的突出之处在于其不断扩展的特性：

1).NC现在包括神经网络，其自学习，自优化系统使系统的调整时间大为缩短。精调也可按机床用户的要求简单自动地进行。

2).交互式编程是操作简单但功能强大的编辑工具，它给操作人员极大的自由度使零件设计到工件成形的时间大幅度缩短。

3).为便于PLC编程，开发了S7-HiGraph点阵图形辅助编程工具，用于快速、简单的机械运动及时序的逻辑设计。

4).全新的AUTOTURN软件使车削工件的编程大幅度简化，加工计划也可简单的通过按键生成。

5).在SINUMERIK840D和SIMODRIVE611的基础上，只需最少的硬件和软件投资，即可生成易于使用的仿形数字化系统。

第一章概述二、数控机床的分类

数控机床的品种齐全，规格繁多。为了研究的方便起见，可以从不同的角度对数控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：（一）按控制轨迹的特点分类

1.点位控制数控机床（进给过程中不加工）

2.直线控制数控机床

（进给过程中可以加工）

3.轮廓控制数控机床（可以加工非直线轮廓）图1-6点位控制（进给过程中不加工）如：数控钻床、数控坐标镗床和数控测量机等图1-7直线与轮廓控制（进给过程中可以加工）数控车床、数控铣床、加工中心等（二）按伺服系统的类型分类

1．开环控制数控机床2．闭环控制数控机床

数字化伺服系统框图3．半闭环控制数控机床性能类别CPU位数联动轴数分辨率(um)进给速度(m/min)显示高级型325<0.1>24三维动态普及型2630.1~1010~24字符/图形经济型8<3<10<10字符表1.1数控系统的功能水平分类（三）按功能水平分类

1.高级型数控系统2.普及型数控系统3.经济型数控系统

一、

数控技术与数控机床的产生与发展

数控技术是机械技术和计算机控制技术的结合的产物，因此计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向前发展。1电子管，1952，ParsonsCorp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣床(2000个电子管、普通教室般大---数字制造技术开始)；

2晶体管、印刷电路，1959，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，K&T开发第一台加工中心

MILWAUKEE-MATIC。3小规模集成电路,1965,由于它体积小、功耗低，，使数控系统的可靠性得以进一步提高，这是第三代数控系统（硬件数控）。1967英国最初的FMS.4通用小型计算机,1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由软件完成,被人们成为第四代数控系统(CNC)5微处理器，1974，开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统，近30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。6基于PC（PC-BASED）,1990.基于PC开发式数控系统。第三节

数控技术的发展二、中国的数控技术与数控机床

1958年起步。“六五”、“七五”引进技术、消化吸收；“八五”国产化；“九五”产业化；“十五”高精尖、重大数控装备关键技术、数控系统和关键零部件开发；“十一五”高档数控系统国产化。现达到1500多个品种，年生产能力400002000年的统计数据数控机床厂家：100数控系统厂家：50数控机床配套厂家：300年产量：14053台数控机床品种：1300产量数控化率：8%（95年3.6%）2。2003年产量36000台，产值295亿元。3。2003年1－9月，海关统计机床进口297482.6万美元，出口26630.8万美元4。2004年9月，数控机床产量5.2万台，国产数控机床国内占有率27％5.2007年数控机床产量将突破10万台7存在问题：（中国机械工业联合会科技部，2005/3）缺少关键功能部件生产厂家和社会配套体系；中高档数控系统发展缓慢；中高档数控机床的技术水平与国外有较大差距。5。重要数控机床生产厂家：北京一机床五坐标数控螺旋桨铣床，加工直径达6米，可加工10万吨级远洋海轮用螺旋桨叶轮面；武汉重型机床厂数控立车，可加工30万KW水轮机，直径达16米，精度0.02mm。常州机床厂五轴联动机床；秦川机床厂六轴五联动全数控螺旋齿锥齿轮切齿机。北京机电院定位精度+-3um立式加工中心；宁江机床厂+-8um卧式加工中心。6国产数控系统有：中国东方数控公司，航天数控，华中等开发的华中Ⅰ、中华Ⅰ、航天Ⅰ和蓝天Ⅰ；上海开通数控技术有限公司KT；北京凯恩帝的KND系列数控系统、广州数控设备厂的GSK系列数控系统。三、数控技术的发展趋势1．高速高精度高速：:

提高主轴速和提高进给速度（高速滚珠丝杠、直线电动机和计算机快速数据处理等）20-30m/min→100-120m/min。提高切削速度，不但可以提高加工效率减少辅助时间、而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。

依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已达到5000~8000m/min以上；主轴转数在30000r/min(有的高达10万r/min)以上；工作台的移动速度：（进给速度），在分辨率为1微米时，在100m/min（有的到200m/min）以上，在分辨率为0.1微米时，在24米/分以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12米/分。

高精度：

加工精度：0.01mm→0.001m。全闭环中测量尺分辨率1m,运动件定位精度1～2m;超高精加工采用激光直线测量装置，测量精度达0.001m当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。

近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm，提高到±1~1.5μm

加工精度的变化

RaδVfVc250.10100002500Raδ200.0880002000150.0660001500

VfVc100.044000100050.022000500019931994199519961997年度Ra——表面粗糙度（um），δ——加工误差（um），Vf——进给速度（mm/min），Vc——切削速度（m/min）图1-8数控机床的高速化对加工质量的影响机床精度的提高过程图1-9数控机床加工精度的提高历程2．智能化数控系统的智能化主要体现在以下几个方面：（1）应用自适应控制技术实时测量：主轴转速、功率、切削力、切削温度、刀具磨损等参数

（2）智能化编程图像处理+计算机视觉技术=实物映射加工专家知识库工艺参数库嵌入专家系统（3）具有故障自动诊断功能人工智能技术、现代传感器技术与数控技术结合，开发具有人工智能的在线监控和故障诊断系统关键环节和因素智能监控：刀具磨损状态、主轴运行状态等

（4）应用模式识别技术实现系统自动建模

3．开放式数控系统

随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，暴露出许多自身固有的缺陷。

最大的问题是：这些数控系统都是专门设计的，它们具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等。这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。最早见于1987年美国的NGC(NextGenerationController)计划，

NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。由于这样一个富有哲理的概念作为NGC计划的奠基石，NGC代表了下一代控制技术。目前对于开放体系结构的定义仍存在较大争议。根据IEEE关于开放系统的定义：就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能)，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。当前研究的核心：开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是。国内外研究现状、发展趋势：从80年代末美国提出开放式数控结构系统的概念算起，世界各国相继启动了自己的研究计划，其中影响较大的有：由美国克莱斯勒、通用和福特三大汽车公司于1994年提出了开放式摸块体化构控制器OMAC(openModularArchitectureController)计划；由欧共体欧盟家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构联合发起的控制器开放系统结构OSACA项目(OpensystemArchitectureforControllerwithinAutomationsystem)计划；由日本东芝公司、丰田公司和三家机器制造商和日本IBM、三菱电子及信息系统公司共同组建的OSEC(OpensystemEnvironmentforController)开放系统环境的控制器开发计划。1994年基于PCCNC控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得高速发展；在近几年国际机床展览会上，出现了越来越多的以个人计算机为基础的控制器。

国内对开放式数控系统的研究：在不断深入，为数众多的高校科研院所开发了自己的开放式数控系统,较典型的有：华中理工大学的华中型数控系统，北京航空航天大学的中华型数控系统，中国科学院沈阳计算技术研究所的蓝天系列高档数控系统。西安交通大学推出的五轴五联动数控系统等。但我国数控系统产业发展步伐仍然缓慢，其原因主要有：⑴技术路线缺乏创新；⑵数控产业的体制问题，数控技术研究、开发、生产等环节的脱节；数控装置、驱动、电机的配套的脱节；数控系统生产厂与主机生产厂脱节；数控系统生产与应用推广、人才培训的脱节；⑶面临国外的激烈冲击。

开放式数控系统是21世纪的数控装备发展趋势，为我们国家追赶世界数控技术提供了很好机会。CNC装置向人工智能方向发展，驱动装置向交流、数字化方向发展，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：（1）为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；（2）为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；（3）简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；（4）还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。在PC机上开发CNC已成为大多数国家数控同行的共识4．基于网络的数控系统

网络的任务：主要是进行通讯，共享信息。数控机床作为车间的基本设备，它的通讯范围是：（1）数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的通信，主要通过SERCOS链式网络传送数字伺服控制信息；或现场总线；（2）基于因特网、工业以太网数控系统与上级主计算机间的通信；（3）与车间现场设备及I/O装置的通信，主要通过现场总线，如PROFIBUS等进行通讯；（4）通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据；（5）通过因特网与另一个工厂交换制造数据。5．提高数控系统的可靠性

可靠性是数控机床用户最为关注的问题，提高可靠性通常可采取下列一些措施：

（1）提高线路的集成度。采用大规模集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件数量，精简外部连线和降低功耗。

（2）建立由设计、试制到生产的完整质量保证体系。例如采取防电源干扰，输入输出隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便组织批量生产和维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面检查考核等。（3）增强故障自诊断功能和保护功能。由于元器件失效、编程及人为操作失误等原因，数控系统完全可能出现故障。数控系统一般具有故障预报和自恢复功能。此外，应注意增强监控和保护功能，例如有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床或报废工件。由于采用了各种有效的增强可靠性的措施，现代数控系统的平均无故障时间可达到MTBF=10000~36000小时。6、机床复合化:将加工工件的所有工序尽可能的集中在一台机床上加工。跨工艺的复合个机床：车铣加工中心、铣削-激光加工复合机床等；多面多轴联动的工序复合机床：并联机床等。7．数字制造

1995年12月，美国SME主席G.Olling提出，“数字制造”（“digitalmanufacturing”）将会是我们的主要工作。什么是“数字制造”呢？简单地说，就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。在计算机世界里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化；DNC还可以对CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序进行传送和分级管理。DNC技术使CNC与通信网络联系在一起,还可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品；这个全过程就是数字制造。

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