数控技术概述.ppt

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下午3时32分,1,数控技术,山东农业大学机电工程学院,主讲：

玄冠涛,TEL:

13905387676,E-mail:

下午3时32分,2,目录,第二章数控机床的程序编制,第三章插补原理,第四章计算机数控系统（CNC）,第五章数控机床用PLC,第七章数控机床的机械结构,第六章数控伺服系统,第一章绪论,下午3时32分,3,教材和参考书,教材：

赵玉刚，宋现春数控技术机械工业出版社北京，2004参考书：

董玉红，数控技术高等教育出版社北京，2004王永章数控技术高等教育出版社北京，2004,下午3时32分,4,参考资料网址,中国数控在线：

http:

/数控论坛：

http:

/华中数控：

http:

/上海开通数控：

http:

/南京数控：

http:

/深圳福斯特数控：

http:

/www.first-,下午3时32分,5,西门子：

http:

/法那克：

http:

/中国制造业信息化网：

http:

/www.e-中国制造协作网：

http:

/中国机械信息网：

http:

/,参考资料网址,下午3时32分,6,第一章绪论,第一节概述第二节数控机床的特点和分类第三节数控技术的应用与发展,下午3时32分,7,本章提要：

本章主要介绍数控技术、数控机床的基本概念、体系结构、工作原理及分类；数控技术及数控装备（机床）的发展动向；数控技术对国民经济的意义。

下午3时32分,8,数控技术是什么？

下午3时32分,9,光刻机？

印刷机？

键合机？

绣花机？

包装机？

铣床？

车床？

加工中心？

刀？

机器人？

CT？

下午3时32分,10,1.数控技术（NumericalControlTechnology）是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。

2.数控机床：

用数控技术实现加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为NC机床。

*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，推动了自动化的发展。

当时控制程序是记录在纸带上的字符和数字，故称数字控制机床。

*1955年，第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出。

一、数控技术与数字机床,下午3时32分,11,ThefirstsuccessfulN/Cmachine,fundedbytheAirForce,wasdemonstratedbytheMassachusettsInstituteofTechnologyin1952.ItwasaretrofittedCincinnatimillingmachine（Figure1.15）.Ithadtheabilitytocoordinatetheaxismotionstomachineacomplexsurface.ThefirstcommercialN/Cmachineswereshownatthe1955NationalMachineToolShow.,图1第一台数控机床,下午3时32分,12,二、数控机床的加工原理与组成,1.与传统加工的比较,与普通机床加工零件的区别在于：

数控机床是按程序自动加工零件，后者要由工人手工操作来加工零件,下午3时32分,13,2.数控机床加工过程,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。

零件图数控系统机床,下午3时32分,14,3.数控机床组成,下午3时32分,15,

（1）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：

按钮站、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。

下午3时32分,16,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见表1：

下午3时32分,17,表1控制介质和输入输出设备表,下午3时32分,18,（3）通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。

它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。

采用的方式有：

串行通讯（RS-232等串口）、自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）网络技术（internet，LAN等）。

下午3时32分,19,（4）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!

下午3时32分,20,（5）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）。

下午3时32分,21,（6）PLC、机床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，控制辅助装置完成机床相应的开关动作。

接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。

下午3时32分,22,（7）机床主体：

是实现制造加工的执行部件。

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、横梁、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）。

下午3时32分,23,四.数控机床的应用范围,结构比较复杂的零件,需要频繁改型的零件,价格昂贵、不允许报废的零件,精确度要求高的零件,多品种小批量生产的零件,下午3时32分,24,习题与思考题,1名词解释：

数控技术、数控机床NC机床由哪儿部分组成，试用框图表示各部分之间的关系，并简述各部分的基本功能。

数控机床的适用范围。

下午3时32分,25,第二节数控机床的特点与分类,一.数控机床的特点,零件加工精度高、加工质量稳定,加工生产率高,减轻劳动者的劳动强度,监控功能强，具有故障诊断能力,有利于生产管理的现代化,对加工对象改型的适应性强,完成复杂零件加工,下午3时32分,26,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：

二.数控机床的分类,下午3时32分,27,

（1）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。

1.按运动控制轨迹分类,下午3时32分,28,

（2）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。

下午3时32分,29,（3）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。

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。

现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。

下午3时32分,30,2.按伺服系统的类型分类

（1）开环控制数控机床,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。

下午3时32分,31,无位置反馈，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。

下午3时32分,32,

（2）闭环控制数控机床,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。

下午3时32分,33,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。

下午3时32分,34,（3）半闭环控制数控机床,该系统的位置采样点如图所示，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。

下午3时32分,35,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。

下午3时32分,36,分类界限,下午3时32分,37,4、按工艺用途分类切削加工类：

如数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。

成型加工类：

数控折弯机、数控弯管机等。

特种加工类：

数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。

其它类型：

数控装配机、数控测量机、机器人等。

下午3时32分,38,数控车床,下午3时32分,39,数控车床,下午3时32分,40,数控车床,双主轴,下午3时32分,41,双主轴、3刀塔的复合加工CNC车床,下午3时32分,42,数控铣床,下午3时32分,43,加工中心,下午3时32分,44,数控弯管机,下午3时32分,45,数控卷簧机,下午3时32分,46,线切割,下午3时32分,47,快速成型设备,下午3时32分,48,激光切割加工,下午3时32分,49,水刀切割,下午3时32分,50,三座标测量机,下午3时32分,51,数控加工示例:

滚齿,下午3时32分,52,5、按联动轴数分：

控制轴数:

机床数控装置能够控制的进给轴数目联动轴数:

机床数控装置同时控制的进给轴数目：

如2轴、2.5轴、3轴、4轴、5轴控制等,2.5轴联动：

两个轴是同时、连续控制，第三轴是间歇控制,3轴联动：

三个坐标轴X、Y、Z是同时插补，是三维连续控制,5轴联动：

三个坐标轴X、Y、Z，与工作台的回转、刀具的摆动同时联动（或是与两轴的数控转台联动，或刀具做两个方向的摆动）,2.5轴数控机床加工,3轴数控铣床曲面加工,5轴联动数控加工,联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂！

下午3时32分,53,几轴?

下午3时32分,54,一、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。

第三节数控技术的应用与发展,下午3时32分,55,这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。

但它也存在固有的缺点：

初始投资大；准备周期长；柔性差。

下午3时32分,56,数控技术产生和发展的内在动力：

市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。

数控技术产生和发展的技术基础：

电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。

数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。

它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。

下午3时32分,57,二、发展沿革1952年，Parsons公司和M.I.T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系统的发展经历的五代。

下午3时32分,58,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”,下午3时32分,59,第四代：

1970年NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，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发展阶段：

下午3时32分,60,1974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。

下午3时32分,61,1994年：

基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。

20世纪末21世纪初：

开放式系统规范（NGC、OMAC、OSACA、OSEC）和数控系统新标准（STEP-NC等）相继开展研究和开发。

它是数控技术发展的又一个里程碑。

下午3时32分,62,三、发展趋势进入20世纪90年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，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体系开放化控制智能化功能复合化驱动并联化交互网络化,下午3时32分,63,速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。

因为它直接关系到加工效率和产品质量。

新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。

下午3时32分,64,

（1）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。

下午3时32分,65,

（2）加工高精化：

提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。

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。

研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080。

三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为0.1m。

下午3时32分,66,（3）体系开放化定义（IEEE）：

具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。

开放式数控系统特点：

系统构件（软件和硬件）具有标准化（Standardization）与多样化（Diversification）和互换性（Interchangeability）的特征允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成。

构造应该是可移植的和透明的；开放体系结构CNC的优点：

向未来技术开放标准化的人机界面向用户特殊要求开放可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强市场供应能力和竞争能力。

下午3时32分,67,（4）控制智能化随着人工智能技术的不断发展，并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，具体体现在以下几个方面：

加工过程自律控制技术加工参数的智能优化与选择智能故障诊断与自修复技术智能化交流伺服驱动装置,下午3时32分,68,（5）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；,下午3时32分,69,（6）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。

下午3时32分,70,特点并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物；由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导轨等制约机床性能提高的结构，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。

下午3时32分,71,（7）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”的基础单元。

网络资源共享。

数控机床的远程（网络）控制。

基于网络的数字化服务（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）,下午3时32分,72,四、发展数控技术的意义自从20世纪中叶数控技术发明以来，它给制造业带来了革命性的变化；现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术；数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；是国家的战略技术：

东芝事件、考克斯报告！

基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；21世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。

下午3时32分,73,1.规格指标:

指数控机床的基本能力指标，主要包括,4数控机床的主要性能指标,机床能加工零件的最大重量,机床安装工件的最大范围,机床允许的加工空间,控制轴数:

机床数控装置能够控制的进给轴数目联动轴数:

机床数控装置同时控制的进给轴数目：

如2轴、2.5轴、3轴、4轴、5轴控制等,2.5轴联动：

两个轴是同时、连续控制，第三轴是间歇控制,3轴联动：

三个坐标轴X、Y、Z是同时插补，是三维连续控制,5轴联动：

三个坐标轴X、Y、Z，与工作台的回转、刀具的摆动同时联动（或是与两轴的数控转台联动，或刀具做两个方向的摆动）,2.5轴数控机床加工,3轴数控铣床曲面加工,5轴联动数控加工,下午3时32分,74,3.性能指标:

最大主轴转速:

最高快移速度和最高进给速度:

最高快移速度指进给轴在非加工状态下的最高移动速度,主轴所能达到的最高转速，是影响零件表面加工质量、生产率、刀具寿命的主要因素,最高进给速度指进给轴在加工状态下的最高移动速度,2.精度指标:

机床的移动部件沿某一坐标轴运动时实际值与给定值的接近程度,同一台数控机床上应用相同程序、相同代码加工一批零件所得到结果的一致性,分度工作台在分度时指令要求回转的角度值和实际回转的角度值的差值,下午3时32分,75,可以测量的最小增量（对测量系统而言）,可以控制的最小位移增量（对控制系统而言）,脉冲当量：

数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量。

例：

0.001mm脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高,分辨率（Resolution）与脉冲当量: