机床数控技术及编程概述

机床数控技术及编程概述机床数控技术及编程12/20/2023课程内容第1章概述第2章数控装置的轮廓控制原理第3章数控机床的程序编制第4章计算机数字控制装置第5章位置检测装置第6章伺服驱动系统12/20/2023第一章概论1.1基本概念1.2数控机床的组成及分类1.3数控技术的发展12/20/2023目标掌握数控机床掌握数控机床的组成及各部分的作用与功能了解数控机床的分类了解数控机床的特点了解数控机床及数控技术的发展12/20/20231.1基本概念1.1.1数控机床的产生第1章概论以前的加工方式是怎样的？什么促使了数控机床的产生？12/20/2023第1章概论※精度高※形状复杂※批量小※改型频繁☆计算机的出现为人们改进加工设备提供了新的思路和技术保障☆12/20/2023第1章概论内在动力：迫切需要一种精度高、柔性好的加工设备技术基础：电子技术、计算机技术、控制技术12/20/2023第1章概论数控机床的产生1948年，美国帕森斯（ParsonsCo.）公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。12/20/2023第1章概论数控机床的产生1952年在美国成功研制出第一台三坐标直线插补连续控制数控铣床。1955年进入实用阶段。12/20/2023第1章概论数控机床有哪些与传统机床不同的特点？什么是数控？12/20/2023第1章概论数控（NumericalControl,简称NC）：利用数字化信息来实现自动控制的方法。数控机床（NumericalControlMachineTools）:综合应用了自动控制、计算机技术、精密测量和机床结构等方面的最新成就的一种计算机或专用计算装置控制的高效自动化机床。1.1.2数控的基本概念12/20/2023提高加工精度提高生产效率提高加工零件的适应性、灵活性减轻工人劳动强度提高生产管理水平第1章概论1.1.3数控机床的特点12/20/20231.2数控机床的组成及分类1.2.1数控机床的组成第1章概论控制介质数控装置伺服系统机床测量装置12/20/2023第1章概论控制介质：在人和数控机床之间建立某种联系的媒介物。把加工零件所需的动作及刀具相对于工件的位置等信息，用数控装置所能接受的数字和文字代码来表示，并把这些代码储存在控制介质上。穿孔卡穿孔带磁带磁盘12/20/2023数控装置：是数控机床的中枢，接收输入介质的信息，通过对代码的识别、存储和运算等操作，最终输出指令脉冲驱动伺服系统进而控制机床动作。第1章概论数控装置所具备的主要功能：多坐标控制多种函数的插补多种程序输入功能信息转换功能补偿功能多种加工方式选择故障诊断功能显示功能通讯和联网功能12/20/2023伺服系统：把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动。第1章概论脉冲当量：相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移量。常用脉冲当量：0.01mm/脉冲，0.005mm/脉冲，0.001mm/脉冲常用的伺服驱动元件：功率步进电机，电液伺服马达，直流伺服电机，交流伺服电机伺服系统的性能是决定数控机床的加工精度、表面质量和生产率的主要因素之一12/20/2023第1章概论机床：执行机构传动链较短动态特性好传动效率高采用了高性能的主轴及进给伺服系统机床的动态刚度，阻尼精度，耐磨性以及抗热变形性能都较高采用一些高效传动件。如：滚珠丝杆螺母副、直线滚动导轨等12/20/2023第1章概论1.2.2数控机床的分类按工艺用途分类按控制系统对运动轨迹的控制方式分类按伺服系统的控制方式分类按数控装置分类按功能水平分类普通数控机床数控加工中心多坐标数控机床成型机特种加工点位控制数控机床点位直线数控机床轮廓控制数控机床开环控制闭环控制半闭环控制开环补偿型控制硬线数控软线数控经济型中档型高档型3轴数控铣床曲面加工12/20/2023数控系统主要技术指标控制轴数

CNC最多可以控制多少坐标轴（包括直线轴和回转轴）联动轴数

CNC可同时控制且按一定规律完成一定轨迹插补的协调运动的坐标轴数

插补功能

插补直线、圆弧、抛物线、椭圆、正弦曲线、螺旋曲线、样条函数等，甚至可对曲面直接插补。插补坐标系也从直角坐标系扩展到极坐标系、

圆筒坐标系。第1章概论12/20/2023数控系统主要技术指标机床坐标轴可达到的控制精度，即CNC每发出一个脉冲，坐标轴移动的距离

定位精度实际位置与指令位置的一致程度，不一致量为误差；重复精度在相同条件下，操作方法不变，进行规定次数操作所得到的连续结果的一致程度。脉冲当量（分辨率）定位精度与重复精度第1章概论12/20/2023数控系统主要技术指标行程和插补范围—CNC的控制范围和加工范围

进给速度和调节范围进给速度—刀具每分钟切削进给距离；最大进给速度—CNC在一定精度条件下所能达到的最大加工速度；最大快进速度—不加工的最大移动速度；速度调节—通过操作面板上的进给倍率开关调整，调节范围一般是10%-120%，每档间隔10%第1章概论12/20/2023数控系统主要技术指标主轴转速和调节范围

主轴转速—主轴每分钟的转速；转速调节—通过操作面板上的主轴倍率开关调整，调节范围一般是50%〜120%，每档间隔5%；主轴恒线速—保证诸如车床端面切削的恒定切削速度。单位mm/min，第1章概论12/20/2023数控系统主要技术指标刀具管理和刀具补偿T指令—CNC从刀库中选择刀具刀具半径补偿、长度补偿、刀具寿命管理、自动刀具测量等准备功能（G功能）用来指令机床动作的方式功能辅助功能（M功能）规定主轴的起停、转向，冷却液的通断，刀库的起停等第1章概论12/20/2023数控系统主要技术指标操作功能

程序段跳步、机械闭锁、辅助功能闭锁、单段、试运行、录返、示教等。开关量接口

M、S、T功能以BCD码形式输出；机床其它开关量信号，如急停、循环起动、进给保持等。字符图形显示自诊断功能通信与通信协议第1章概论12/20/2023第1章概论1.3数控技术的发展从1952年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了六代。1952年试制成功的世界上第一台数控机床是一台三坐标数控立式铣床，采用的是脉冲乘法器原理，其数控系统全部采用电子管元件，我们称之为第一代数控系统。1959年，由于在计算机行业中研制出晶体管元件，因而在数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。1959年3月，美国发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。1965年，出现了小规模集成电路，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。数控系统发展到第三代。以上三代，都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统（NC）。1967年，出现了柔性制造系统（FMS）。由计算机作控制单元的数控系统（CNC）——数控机床的第四代。1974年，美、日等国的数控系统生产厂首先研制出以微处理器为核心的数控系统（MNC）。——数控机床的第五代。1990年开始，出现了采用工控PC机的开放式CNC系统。——数控机床的第六代。

12/20/2023我国第一台数控机床12/20/2023立式数控车床立式数控铣床12/20/2023卧式数控铣床龙门数控铣床滑枕立式加工中心12/20/2023固定立柱立式加工中心固定立柱立式加工中心12/20/2023第1章概论随着计算机技术的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展。运行高速化加工高精化控制智能化功能复合化交互网络化12/20/2023第1章概论趋势——运行高速化

进给、主轴、刀具交换、托盘交换等实现高速化，并具有高加（减）速度。

进给率高速化：在分辨率为0.1m时，Fmax=24m/min，可获得复杂型面的精确加工；在程序段长度为1mm时，Fmax=30m/min，并且具有1.5g的加减速率；12/20/2023第1章概论在高效加工中心上达到90m/min的快移速度和1g的加速度。直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤其在激光切割和高速加工中。12/20/2023第1章概论换刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度6.3秒。主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），主轴电机的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达40000～50000r/min。主轴转速的最高加（减）速为1.0g，即仅需1.8秒即可从0提速到15000r/min。12/20/2023第1章概论趋势——加工高精化提高机械的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。IC制造装备、纳米控制。

提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化；采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60％～80％。三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为±0.1m。12/20/2023第1章概论趋势——控制智能化随着人工智能技术的不断发展，为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，体现在：加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。加工参数的智能优化:将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，获得优化的加工参数，提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整控制参数，包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。目前已开发出自学习功能的神经网络电火花加工系统。日本大隈公司的7000系列数控系统具有人工智能自动编程功能。12/20/2023趋势——控制智能化第1章概论

智能故障诊断与自修复技术

智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法，实现故障快速准确定位。智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全生命周期。智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。12/20/2023第1章概论INC(IntelligentNC)研究机构日本京都大学、大阪机工、三菱电机、MAZAK等

具体目标实现安全、高效、高速加工的智能化数控机床系统特征数控系统各种控制参数自适应数控机床加工条件自适应加工过程数据采集及自律学习12/20/2023第1章概论趋势——功能复合化复合化：在一台设备上实现多种工艺步骤的加工，缩短加工链车铣复合—车削中心；镗铣钻复合—加工中心、五面加工中心；铣镗钻车复合—复合加工中心；可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；集车削和激光加工于一体的机床；测量/制造复合，在加工后对工件进行在线测量多功能复合化机床消除了车床、铣床、磨床、激光设备等之间的传统差异。12/20/2023