《现代数控技术》课件

1课程的主要结构2教材和参考书3中国数控在线：数控论坛：：//wwwc.cq华中数控：上海开通数控：南京数控：深圳福斯特数控：4西门子：法那克：中国制造业信息化网：中国制造协作网：：//www中国机械信息网：5678910

光刻机？

键合机？印刷机？绣花机？包装机？铣床？车床？加工中心？机器人？

γ刀？CT？……1112131.1.2数控系统与数控装备的组成14BACKSPACECTRLINSCRTABALT0SHIFT畗

ZEND

瑌WHOME瘆

TPgDn瓆

OPgUp

JRST

E65“432？198：7

YX<>VU[]

SRPQ

NMKL

IHFG

DCABESC14''彩

色显

示

器空运行Z轴锁定MST锁定任选程序段机床锁定快进+JOG-JOG主轴正转主轴停主轴反转急停超程解除循环驱动进给保持冷却液开/关刀松/刀紧主轴修调16010进给修调16050403020100电

源关开1自动方式选择回零手摇点动步进单段驱

动

器NC机床电源XYZA主轴超程报警-+手摇脉冲发生器2010090增量倍率1000101001坐标轴选择Z

YX1、操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成：工程面板、状态灯、按键阵列〔功能与计算机键盘一样〕和显示器；。它是数控机床特有部件。152、控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。数控机床常用的控制介质和输入输出设备有：穿孔纸带、磁带、磁盘等。16173、CNC装置〔CNC单元〕组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理〔如运动轨迹处理、机床输入输出处理等〕，然后输出控制命令到相应的执行部件〔伺服单元、驱动装置和PLC等〕，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心。184、伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机测量装置位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动〔速度和位置控制〕主轴运动指令，实现零件加工的切削运动〔速度控制〕19 5、PLC、装备I/O电路和装置PLC〔ProgrammableLogicController〕：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件〔由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；功能：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成装备相应的开关动作接受操作面板和装备侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和装备的动作。206、机械装备机械局部：数控装备的主体，是实现制造加工的执行部件。以机床为例－组成：由主运动部件、进给运动部件〔工作台、拖板以及相应的传动机构〕、支承件〔立柱、床身等〕以及特殊装置〔刀具自动交换系统工件自动交换系统〕和辅助装置〔如排屑装置等〕。211.2

数控加工原理221.2.1数控加工与传统加工的比较工艺分析数控加工程序工序卡传统加工数控加工图2传统加工与数控加工的比较图231.2.2数控加工中数据转换过程图3数控加工中数据转换过程译码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服系统切削运动、机床I/O装置成形运动加工程序241、译码〔解释〕译码程序的主要功能是将用文本格式〔通常用ASCII码〕表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构〔格式〕。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。252、刀补处理〔计算刀具中心轨迹〕用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。263、插补计算本模块以系统规定的插补周期△t定时运行，它将由各种线形〔直线，圆弧等〕组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在△t内位移指令〔△X1、△Y1、…〕，并送给进给伺服系统，实现成形运动。274、PLC控制PLC控制是对机床动作的“顺序控制〞。即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。281.2.3数控加工轨迹控制原理逼近处理图为欲加工的圆弧轨迹L，起点为P0，终点为Pe。CNC装置首先对圆弧进行逼近处理。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图29系统按插补时间⊿t和进给速度F的要求，将L分割成假设干短直线XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图⊿L1，⊿L2，…，Li，…，这里：⊿Li=F⊿t〔i=1，2，…〕F：用户给定的进给速度⊿t：数控系统插补周期30用直线⊿Li逼近圆弧存在着逼近误差δ，但只要δ足够小〔⊿Li足够短〕，总能满足零件的加工要求。当F为常数时，而⊿t对数控系统而言恒为常数，那么⊿Li的长度也为常数⊿L，只是其斜率与其在L上的位置有关。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图31插补运算将⊿Li分解为X轴及Y轴移动分量Xi和Yi〔在ti时间内〕，要求满足：

且有：Fx=Xi/tiFy=Yi/ti⊿Li的斜率和F的分量Fx、Fy以及比值Fx/Fy都在不断变化。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe数控加工原理图32指令输出将计算出△ti

在时间内的和作为指令输出给Y轴，以控制它们联动。即：

Xi

X

轴；

Yi

Y

轴只要能连续自动地控制X，Y

两个进给轴在△ti时间内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。33内容小结1．几个根本概念数字控制、数控机床、2.数控系统与数控装备的组成、各局部之间的关系、及其根本功能。3．数控加工中数据转换过程中的主要步骤、以及每个步骤的主要功能。34习题与思考题351.3

数控机床的分类36数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法：371.3.1按工艺用途分类381.3.2按控制功能分类点位控制数控系统仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。39直线控制数控系统能实现点位控制数控系统的功能能实现沿平行某个坐标轴〔如X、Y、Z〕或两轴等速的方向进行加工；适用范围：数控镗铣床、数控组合机床等。40轮廓控制数控系统轮廓控制〔连续控制〕系统：具有控制几个进给轴同时协调运动〔坐标联动〕，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床根本上都是装备的这种数控系统。411.3.3按联动轴数分2轴联动〔平面曲线〕3轴联动〔空间曲面，球头刀〕4轴联动〔空间曲面〕5轴联动及6轴联动〔空间曲面〕。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。421.3.4按进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。43开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的〔数控装置→进给系统〕，故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大44无位置反响，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。45半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如下图，是从驱动装置〔常用伺服电机〕或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈46半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。47

全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈48从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。491.3.5数控机床的应用范围数控机床确实具有普通机床所不具备的许多优点。而且它的应用范围还在不断扩大，但是在目前还不能完全取代普通机床，也就是说，它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。为了更好地说明这个问题，有必要先初步了解一下采用数控机床加工的优缺点。50数控加工的优点自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度加工的零件一致性好，质量稳定生产效率较高便于产品研制便于实现计算机辅助制造数控加工的缺点任何事物都是两重性。数控加工虽有上述各种优点，同时在某些方面也存在缺乏之处：单位加工本钱较高。只适宜于多品种小批量或中批量生产〔占机械加工总量70%~80%〕加工中的调整相对复杂维修难度大51数控加工的适应性根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为以下三类：最适应类形状复杂：加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件；具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。5253不适应类下述一类零件采用数控加工后，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，还可能弄巧成拙或得不偿失，故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象。生产批量大的零件〔当然不排除其中个别工序用数控机床加工〕；装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；必须用特定的工艺装备协调加工的零件。54551.3.6举例——数控机床数控车床——普通型56数控车床——普通型57数控车床——大型卧式数控车床58数控车床——大型立式数控车床59数控车削加工中心60数控车削加工中心61数控铣床62数控铣削加工中心63数控铣削加工中心64数控铣削加工中心65数控铣削加工中心66数控多轴铣削加工中心67数控多坐标铣削加工中心68大型数控铣床69数控龙门铣床70数控龙门多坐标铣床711.3.6举例——数控系统与电机72数控系统与机床的配套73交流伺服电机74交流伺服驱动75自主开发的主轴伺服驱动和电机761.3.6举例——数控加工典型零件加工中心正在加工模具77数控铣正在加工模具零件78四轴联动加工水轮机叶片79被加工的水轮机叶片80被加工的水轮机叶片81被加工的汽轮机叶片82四坐标加工示意83五坐标数控机床正在加工螺旋伞齿轮84五坐标数控机床正在加工螺旋伞齿轮85加工水轮机叶片86发动机增压器叶轮87大型船用螺旋桨88891.4.1产生背景从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有：自动机床；组合机床；专用自动生产线。9091921.4.2开展沿革1952年，Parsons公司和合作研制了世界上第一台三座标数控机床。1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。从1952年至今，NC机床按NC系统的开展经历的五代。93第一代：1955年NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。第二代：1959年NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。第三代：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〞94第四代：1970年NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其局部功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。第五代：1974年NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。这一代又可分为六个开展阶段：951974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。1979年：系统采用CRT显示，VLIC，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。96971.4.3开展趋势运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络化9899运行高速化：使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化，并且具有高加〔减〕速率。进给率高速化：在分辨率为1m时，Fmax=240m/min；在Fmax下可获得复杂型面的精确加工；在程序段长度为1mm时，Fmax=60m/min，并且具有1.5g的加减速率；主轴高速化：采用电主轴〔内装式主轴电机〕，即主轴电机的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达200000r/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。换刀速度0.6秒〔刀到刀〕；2.8秒〔切削到切削〕工作台〔托盘〕交换速度4.3秒。100101功能复合化复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。镗铣钻复合—加工中心〔ATC〕、五面加工中心〔ATC，主轴立卧转换〕；车铣复合—车削中心〔ATC，动力刀头〕；铣镗钻车复合—复合加工中心〔ATC，可自动装卸车刀架〕；铣镗钻磨复合—复合加工中心〔ATC，动力磨头〕；可更换主轴箱的数控机床—组合加工中心；102103104驱动并联化并联加工中心〔又称6条腿数控机床、虚轴机床〕是数控机床在结构上取得的重大突破。驱动杆机架

动平台主轴电机伺服电机主轴刀具柔性夹具工件静平台图并联机床结构示意图105106交互网络化支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造〞的根底单元。网络资源共享。数控机床的远程〔网络〕控制。基于网络的数字化效劳〔数控机床的远程监视、故障诊断、远程网络培训与教学、电子商务〕107108内容小结109习题与思考题1．名词解释：点位控制系统、轮廓控制系统、开环数控系统、闭环数控系统、半闭环数控系统2．试从控制精度、系统稳定性及经济性三方面，比较开环、闭环、半闭环系统的优劣？3．从数控系统控制功能、联动轴数、伺服系统来看，NC机床各分为几类，它们各用于什么场合？110第一章内容小结111第一章习题与思考题的解答112数控系统——〔NumericalControlSystem〕实现数字控制的装置。点位控制系统——仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动的数控系统。轮廓控制系统——具有控制几个进给轴同时谐调运动〔坐标联动〕，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。113开环数控系统——进给伺服子系统没有位置测量装置的数控系统称为开环数控系统。闭环数控系统——进给伺服子系统有位置测量装置，而且位置测量装置安装在机械执行部件上，直接对运动部件的实际位置进行检测的数控系统称为全闭环数控系统。半闭环数控系统——进给伺服子系统有位置测量装置，而且位置测量装置安装在驱动装置〔常用伺服电机〕或丝杠上，通过采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置的数控系统称为半闭环数控系统。1142.NC机床由哪儿局部组成，试用框图表示各局部之间的关系，并简述各局部的根本功能。115〔1〕操作面板，操作人员与数控装置进行信息交流的工具。〔2〕控制介质与输入输出设备，控制介质是记录零件加工程序的媒介，输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。〔3〕CNC装置〔CNC单元〕，根据输入的零件加工程序进行相应的处理〔如运动轨迹处理、机床输入输出处理等〕，然后输出控制命令到相应的执行部件〔伺服单元、驱动装置和PLC等〕。CNC装置是CNC系统的核心。〔4〕伺服单元、驱动装置和测量装置，保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令，包括进给运动指令和主轴运动指令等。〔5〕PLC、装备I/O电路和装置，接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成装备相应的开关动作；接受操作面板和装备侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和装备的动作。〔6〕机械装备，数控装备的主体，是实现制造加工的执行部件。1163．试用框图表示数控加工中数据转换过程中的主要步骤，并简述每个步骤的主要功能。译码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服系统切削运动、机床I/O装置成形运动加工程序117〔1〕译码〔解释〕，译码程序的主要功能是将用文本格式〔通常用ASCII码〕表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构〔格式〕。〔2〕刀补处理〔计算刀具中心轨迹〕，用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。〔3〕插补计算，以系统规定的插补周期△t定时运行，将由各种线形〔直线，圆弧等〕组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在△t内位移指令〔△X1、△Y1、…〕，并送给进给伺服系统，实现成形运动。〔4〕PLC控制，PLC控制是对机床动作的“顺序控制〞。即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。1184．试从控制精度、系统稳定性及经济性三方面，比较开环、闭环、半闭环系统的优劣？答：开环数控系统是指进给伺服子系统没有位置测量装置的数控系统。由于没有位置反响，其控制精度相对闭环和半闭环系统来讲是较低的，精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度；没有位置反响，信号流是单向的，故系统稳定性好；没有测量装置，那么结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉。在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。119

闭环数控系统是指进给伺服子系统有位置测量装置，而且位置测量装置安装在机械执行部件上，直接对运动部件的实际位置进行检测的数控系统。从理论上讲，闭环系统可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。这类系统价格往往较高，主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。120半闭环数控系统是指进给伺服子系统有位置测量装置，而且位置测量装置安装在驱动装置〔常用伺服电机〕或丝杠上，通过采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置的数控系统。半闭环系统的控制环路内不包括或只包括