第一章 概论.ppt

1、数控技术,学时数：32 开课院系：机电学院 开课专业：材料成型,数控技术,(Numerical Control Technology),数控技术,主讲教师：刘文广,电 话E-mail：,数控技术,课程简介：,本课程主要教授数字控制机床的控制原理和相关技术方面的知识，通过该课程的学习，了解数字控制机床控制系统的组成、分类及发展趋势。掌握数控机床数字插补计算方法、刀具补偿原理及算法、典型数控装置的软、硬件结构以及功能模块之间的联系、数字控制机床常用的检测装置结构及工作原理、步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机的工作原理及使用特性，了解典型的伺服系统组成及工作原理。 通过本

2、门课程的学习为使用和设计现代制造装备储备必要的知识。,数控技术,课程内容,概述 数控机床零件程序编制 机床数控装置的插补原理 计算机数字控制装置 位置检测装置 数控机床的伺服控制系统 数控机床的机械结构,数控技术,1概述,1.1 基本概念 1.2 数控机床的特点与应用 1.3 数控机床的组成 1.4 数控机床的分类 1.5 数控机床的发展,数控技术,1.1 基本概念,机床数控技术是指采用数字信息形式对机床刀具（或工件）运动的参数实现控制的一门技术。 刀具（或工件）的运动参数包括位置、速度、复杂的轨迹甚至辅助动作都可以编制成程序，事先存入到机床的数控系统中，从而实现切削加工过程高度自动化。,数控

3、机床加工过程框图,数控技术,1.2 数控机床的特点与应用,柔性自动化，具有广泛的适应性 加工精度高，质量稳定 生产效率高 能实现复杂零件的加工 减轻劳动强度，改善劳动条件 有利于现代化生产管理,数控技术,1.3 数控机床的组成,（1） CNC装置 （2） 操作面板 （3） 可编程逻辑控制器 （4） 伺服系统 （5） 机床本体,数控技术,（1）CNC装置,数控装置是数控机床的核心，其主要作用是根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件，完成零件加工程序或操作所要求的工作。,数控技术,CNC系统,通常所说的数控系统是指数控装置与伺服系统的集成。 1）名牌厂家

4、FANUC、SIEMENS、CINCINNATI、NUM、HP、FAG 、GE-FANUC、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、北京FANUC、 2）系统的系列 FANUC-0TD /0MD/0C/0i/15/ SIEMENS-802S/802D/840D；,数控技术,CNC系统工作过程,输入 译码 数据处理 插补 将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动 实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。,数控技术,（2）操作面板,数控技术,（3）可编程逻辑控制器,可编程控制器最早在美国通用汽车公司的自动装配线上使用并获得了成功。它是以微处

5、理器技术为基础，综合了计算机、自动化和通信技术的一种新型工业控制装置。 基本组成 1.微处理器 2.存储器 3.输入部分 4.输出部分 5.编程器,数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图,数控技术,内置型PLC,从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部实现。,数控技术,独立型PLC,独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。,数控技术,（4）伺服系统,伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测

6、量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。 伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。 驱动装置 由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电机、进给伺服电机组成。步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机是常用的伺服元件。 执行机构（如主轴箱、工作台、转位刀架等）由相应的驱动装置来驱动。,数控技术,1） 伺服电机的类型直流伺服电机 流伺服电机 步进电机 直线电机 2） 伺服系统的分类 开环控制伺服系统 闭环控制伺服系统 半闭环控制伺服系统 3） 伺服系统检测元件 直线型检测元件 ：如磁尺 回转型的检测元件 ：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅等。,数控技术,（5）机床本体,数

7、控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。 机床本体主要由以下几部分组成：主运动部件主轴、进给机构等完成切削加工，进给运动部件工作台、刀架，支撑部件床身、立柱，辅助装置冷却、润滑、转位、夹紧、换刀机械手等。,数控技术,1.4 数控机床的分类,1.4.1 按照加工工艺及机床用途分类 1.4.2 按照机床运动的控制轨迹分类 1.4.3 按照伺服控制方式分类 1.4.4 按照数控系统的功能水平分类,数控技术,1.4.1 按照加工工艺及机床用途分类,（1）金属切削类 （2）

8、金属成形类 （3）特种加工类 （4）测量绘图类,数控技术,（1）金属切削类,普通数控机床 11大类，通用特征代号“K”表示，数控车床、数控铣床、数控磨床等。 加工中心 具有刀库和自动换刀装置，通用特征代号“H”表示，铣镗加工中心、车削中心、磨削中心等。,普通数控机床,加工中心,数控技术,（2）金属成形类,使用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床，如数控剪板机、折弯机等。,数控技术,（3）特种加工类,电火花切割机床、电火花成形机床、激光加工机床等。,数控技术,（4）测量绘图类,三坐标测量机、绘图机和对刀仪。,数控技术,1.4.2 按照机床运动的控制轨迹分类,（1）点位控制数控机床 （2）直线控制数

9、控机床 （3）轮廓控制数控机床,数控技术,（1）点位控制数控机床,这类数控装置在运动过程中不进行切削加工，对运动轨迹没有要求，要求有较高的终点定位精度。 数控程序中一般不指定进给速度，按事先规定的速度（较快的定位速度）运动。 该系统常用于数控钻床、数控钻镗床上。,数控技术,（2）直线控制数控机床,直线运动控制系统通常在坐标轴运动的同时进行切削加工，坐标轴的驱动要承受切削力。指令中要 给出下一位置的数值，同时给出移动到该位置的进给速度。,数控技术,（3）轮廓控制数控机床,两个或两个以上的坐标轴根据指令要求协调地运行。指令中指明运动轮廓曲线的类型（点位、直线、顺圆、逆圆，抛物线及样条曲线等），并指

10、出下一点的位置和移动至该位置的进给速度。各坐标轴的进给速度是根据轮廓各轴相互位置关系而变化的。 在轮廓控制系统中采用插补运算来处理各坐标轴速度的变化。各坐标轴一边移动，刀具一边进行切削，各坐标轴均承受切削力。,数控技术,数控车床、数控铣床及加工中心等均为轮廓控制系统。 轮廓控制系统能加工复杂曲面的零件，能控制多坐标轴联动的数控机床，并具有空间直线或圆弧的插补功能。 配置有轮廓控制CNC系统的数控车床，具有两轴联动，能加工外圆、锥度以及母线为曲线的回转体。 数控铣床具有两轴半或三轴联动的CNC系统，能进行平面插补或空间插补。两轴半的数控铣床，其中两轴联动，当两轴停止时，另一轴作进给运动。,数控技

11、术,加工中心具有三轴、四轴或五轴联动的功能。能加工空间任意曲面，具备直线插补、圆弧插补、条样插补、渐开线插补、螺旋插补等多种插补功能。 插补功能越强与控制的轴数越多，CNC系统越复杂，造价也越高。 能进行轮廓控制的CNC系统，也能进行直线控制或点位控制。先进的数控系统都属于轮廓控制的CNC系统。,数控技术,1.4.3 按照伺服控制方式分类,（1）开环控制数控机床 （2）闭环控制数控机床 （3）半闭环控制数控机床 （4）混合控制数控机床,数控技术,(1) 开环控制数控机床,这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。步进电机每发出一个

12、进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。,步进电机驱动线路,指令脉冲,机床工作台,开环伺服系统,功率脉冲,数控技术,(2) 闭环控制数控机床,这类机床在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，

13、最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，也与传动链的误差无关，因此其控制精度高。这类控制的数控机床，因把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。,位置检测装置 机床工作台,速度反馈,位移反馈,+,_,信号变换电路,位移指令,速度指令,电压指令,信号比较电路,闭环伺服系统,数控技术,数控技术,(3) 半闭环控制数控机床,半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。由于工作台没有包括在控制回

14、路中，因而称为半闭环控制数控机床。,数控技术,数控技术,(4) 混合控制数控机床,将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式：开环补偿型和半闭环补偿型 。,开环补偿型,半闭环补偿型,数控技术,1.4.4 按照数控系统的功能水平分类,（1）经济型 （2）普及型 （3）高档型,数控技术,1.5 数控机床的发展,1.5.1 数控技术的产生和发展 1.5.2

15、直接数字控制 1.5.3 柔性制造单元及柔性制造系统 1.5.4 计算机集成制造系统 1.5.5 现代数控机床的发展趋势,数控技术,1.5.1 数控技术的产生和发展,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，Parsons Corp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣；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。1967英国最初的FMS. 4 通

16、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。 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）的数控,20世纪80年代，基于PC开发式数控系统。,第一台数控机床,数控技术,1.5.2 直接数字控制,利用计算机的分时处理功能直接对多个控制回路实现多种形式控制的多功能数字控制系统。在这类系统中，计算机的输出直接作用于控制对象，故称直接数字控制，英文缩写 DDC。直接数字

17、控制系统是一种闭环控制系统。 直接数字控制系统具有在线实时控制、分时方式控制和灵活性、多功能性三个特点。,数控技术,1.5.3 柔性制造单元及柔性制造系统,柔性制造单元由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。 所谓柔性，是指一个制造系统适应各种生产条件变化的能力，它与系统方案、人员和设备有关。系统方案的柔性是指加工不同零件的自由度。人员柔性是指操作人员能保证加工任务，完成数量和时间要求的适应能力。设备柔性是指机床能在短期内适

18、应新零件的加工能力。 面对产品个性化的需求，和不断上升的制造成本，改进生产的柔性一直是制造业者的企求，柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）应用而生。,数控技术,FMC实际上是数控加工中心的扩展，一般是由加工中心和工业机器人各一台组成，并由后台计算机统一作可编程控制。 由DNC演进而来的FMS，一般由数台加工中心、工业机器人和自动制导车辆（AGV）组成，由后台计算机统一控制。 FMC/FMS具有一定的柔性，但是由于有限的装备硬件功能和巨额设备投资，面对多变的市场需求，常不能产生期望效益。因此选择此技术时要进行详细的投入产出评估。,柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数

19、字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，英文缩写为FMS。FMS的工艺基础是成组技术，它按照成组的加工对象确定工艺过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物料的储运系统，并由计算机进行控制。故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批高效生产，并能及时地改变产品以满足市场需求。FMS兼有加工制造和部分生产管理两种功能，因此能综合地提高生产效益。FMS的工艺范围正在不断扩大，包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。 柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾。它具

20、有设备利用率高、生产能力相对稳定、产品质量高、运行灵活和产品应变能力大的优点,数控技术,1.5.4 计算机集成制造系统,(CIMS-Computer Integrated Making System) ，简称CIMS，又称计算机综合制造系统，在这个系统中，集成化的全局效应更为明显。在产品生命周期中，各项作业都已有了其相应的计算机辅助系统，如计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助质量控制(CAQ)等。这些单项技术“CAX”原来都是生产作业上的“自动化孤岛”，单纯地追求每一单项技术上的最优化，不一定能够达到企业的总目标

21、缩短产品设计时间，降低产品的成本和价格，改善产品的质量和服务质量以提高产品在市场的竞争力。,数控技术,1.5.5 现代数控机床的发展趋势,高速高效化 精密化 复合化 智能化 信息化 环保化 设计模块化,数控技术,高速高效化,高速和超高速加工技术可以提高加工效率，也是加工难削材料、提高加工精度、控制振动的重要保障。其技术关键是提高机床的主轴转速和进给速度。比如进一步提高高速电主轴最高转速及功率、扭矩，采用传感技术进行振动监测和诊断，进一步轻量化进给系统，采用直线电机和力矩电机的直接驱动方式，由刀具主轴部件实现机床的个直线坐标运动等。 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，可大幅度提

22、高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度。上世纪90年代以来，高速主轴单元（电主轴，转/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能伺服系统以及工具系统都出现了新的突破。,数控技术,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0.010.05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10m提高到5m，精密级加工中心的加工精度则从35m

23、，提高到11.5m,数控技术,1993 1994 1995 1996 1997 年度 Ra表面粗糙度（um），加工误差（um）， Vf进给速度（mm/min），Vc切削速度（m/min）,数控机床的高速化对加工质量的影响,数控技术,精密化,由于机床结构和各组件加工的精密化，机床达到微米级精度已不是问题。目前高档数控机床定位精度（全行程）已达0.0040.006mm，重复定位精度0.0020.003mm。同时，代表精度水平的超精密的纳米级机床已开始不断涌现。,数控技术,复合化,在零部件一体化程度不断提高、数量不断减少的同时，加工的产品形状日益复杂，多轴化控制的机床适合加工形状复杂的工件。另一方面，产品周期的缩短要求加工机床能够随时调整和适应新的变化，满足各种各样产品的加工需求，这就要求1台机床能够处理以往需要几台机床处理的工序。在保持工序集中和减少工件重新安装定位的前提下，使更多的不同加工过程复合在一台机床上，以减少占地面积，减少零件传送和库存，保证