数字控制与计算机数字控制.docx

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数字控制与计算机数字控制

NCANDCNC

数字控制与计算机数字控制

1.1TheHistoryofNCandCNCDevelopment

Numericalcontrol（NC）isanymachiningprocessinwhichtheoperationsareexecutedautomaticallyinsequencesasspecifiedbytheprogramthatcontainstheinformationforthetoolmovements.TheNCconceptwasproposedinthelate1940sbyJohnParsonsofTraverrseCity,Michigan.Parsonsrecommendedamethodofautomaticmachinecontrolthatwouldguideamillingcuttertoproducea“thru-axiscurve”inordertogeneratesmoothprofilesonworkpieces.

1.1数字控制与计算机数字控制的发展历史

数字控制是按照含有机床（刀具）运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的加工过程。

数控这一概念是由密歇根洲特拉华诚的约翰帕森于20世纪四十年代后期提出的。

为了在工件上加工光滑的轮廓，帕森提出了一种自动的机床控制方式，它能够引导铣床刀具加工出一种“过轴曲线”。

In1949,TheU.S.AirForceawardedParsonsacontracttodevelopanewtypeofmachinetoolthatwouldbeabletospeedupproductionmethods.ParsonscommissionedtheMassachusettsInstituteofTechnology（M.I.T）todevelopapracticalimplementationofhisconcept.ScientistsandengineersatM.I.T.builtacontrolsystemforatwo-axismillingmachinethatusedaperforatedpapertapeastheinputmedia.Inashortperiodoftime,allmajormachinetoolmanufacturerswereproducingsomemachineswithNC,butitwasnotuntilthelate1970sthatcomputer-basedNCsystems.360毕业设计网

1949年，美国空军与帕森签署了合同，要求开发一种能够提高生产率的新型机床。

帕森委托麻省理工学院（MIT）来开发一种新概念机床，麻省理工学院的科学家和工程师研制出了一种用穿孔纸带作为输入媒介的二轴联动铣床控制系统。

在较短的时间内，当时所有主要的机床生产商都生产了一些数控机床，但直到20世纪七十年代后期，基于计算机的数字控制才被得到广泛的使用。

只有价格低廉且功能强大的微处理芯片代替了计算机数控系统中的硬连线逻辑发生器后，NC才真正成为一门自动化技术。

WhenNumericalControlisperformedundercomputersupervision,itiscalledComputerNumericalControl（CNC）.ComputersarethecontrolunitsofCNCmachines,theyarebuiltinorlinkedtothemachinesviacommunicationschannels.Whenaprogrammerinputsomeinformationintheprogrambytapeandsoon,thecomputercalculatesallnecessarydatatogetthejobdone.

当数控机床在计算机监控下工作时，它就被称为计算机数控机床（CNC）。

计算机是CNC机床的控制单元，它们内嵌于数控机床或者通过通讯渠道与数控机床联接，当程序员编程时，通过纸带或磁盘将一些信息输入，计算机将对一些必要的数据进行计算的完成工作。

OnthefirstNumericallycontrolled（NC）machineswerecontrolledbytape,andbecauseofthat,theNCsystemswereknownastape-controlledmachines.Theywereabletocontrolasingleoperationenteredintothemachinebypunchedormagnetictape.Therewasnopossibilityofeditingtheprogramonthemachine.Tochangetheprogram,anewtapehadtobemade.

由于第一台数控机床的数据是由纸带控制的，因此数控系统被成为纸带控制机床。

它们只能控制由输入到机床内的纸带或磁带所规定的单一操作，输入到机床内的程序是不能被编辑的，要改变程序必须重做新纸带。

Today’ssystemshavecomputerstocontroldata;theyarecalledComputerNumericallycontrolled（CNC）machines.ForbothNCandCNCsystems,workprinciplesarethesame.Onlythewayinwhichtheexecutioniscontrolledisdifferent.Normally,newsystemsarefaster,morepowerful,andmoreversatile.

当今的系统都由计算机来控制数据，因而称之为计算机数控机床（简称CNC机床）。

NC和CNC系统两者的工作原理一样，仅仅控制执行的方式不同。

新型的数控系统通常速度更快，功率更大，功能更齐全。

2.2TheApplicationsofNC/CNC

Sinceitsindroduction,NCtechnologyhasfoundmanyapplications,includinglathesandturningcenters,millingmachinesandmachiningcenters,punches,electricaldischargemachines（EDM）,flamecutters,grinders,andtestingandinspectionequipment.ThemostcomplexCNCmachinetoolsaretheturningcenter,（Amodemturningcenterwithaten-stationturrettharacceptsquick-changetools.EachtoolcanbepositionedinSecondswiththepressofabutton）.Andthemachiningcentershownin（Verticalmachiningcenter,thetoolmagazineisontheleftofthemachine.Thecontrolpanelontherightcanbeswiveledbytheoperator）and（Horizontalmachiningcenter,equippedwithanautomatictoolchanger.Toolmagazinescanstore200cuttingtools）.

2.2数字控制与计算机数字控制的应用

数控技术自创立以来就得到了广泛的应用，包括车床和车削中心、铣床和加工中心、冲床、电火花（EDM）加工机床、线切割机床、磨床以及测试检测装置等。

最复杂的计算机数控机床是车削中心，一个具有十转位的刀架能进行快速换刀的现代车削中心，立式加工中心（刀具库在机床的左边。

右边的控制面板可由操作者通过转臂转动），以及卧式加工中心，通过按下按钮每把刀可在数秒钟内定位。

（配有自动换刀系统。

刀具库储备有200把切削工具）。

Whenpreparingaprogramforaparticularoperation,theprogrammermustselectallcuttingdatausingrecommendationsforconventionalmachining.Thisincludesproperselectionofcuttingspeeds,feedrate,toolsandtoolgeometry,andsoon.Whentheprogrammerhaschosenallofthenecessaryinformationproperly,theoperaterloadstheprogramintothemachineandpressesabuttontostartthecuttingcycle.TheCNCmachinemovesautomaticallyfromonemachiningoperationtoanother,changingthecuttingtoolsandapplyingthecoolant.Inasurprisinglyshorttime,theworkpieceismachinedaccordingtothehighestqualitystandards.Butthatisnotall.Nomatterhowbigtheworkseriesis,allofthepartswillbealmostidenticalinsizeandsurfacefinishing.Atthistimeofadvancedtechnology,withitshighdemandsforsurfacefinishingandtolerancesofcomponentsin,forexample,aerospace,nuclear,andmedicalequipmentmanufacturing,onlyCNCmachinesprovidesuccessfulresults.

当为某项操作编程时，程序员必须选择传统的加工切削数据推荐值。

这些切削数据包括切削速度、进给率、刀具和刀具几何形状等。

当程序员正确选择所有必要信息后，操作人员将程序载入机床并按下按钮，切削循环开始。

通过变换切削刀具及使用冷却液，计算机数控机床可以自动从一个加工工序转向另一个加工工序。

在极短时间内，工件依据最佳质量标准被加工出来。

但是那并不是全部，无论工件批量有多大，所有零部件在尺寸和表面精度上几乎是一致的。

在当今先进技术时代，随着对零件表面精度和公差要求的提高，例如，航空业、核工业及医疗器械设备的制造，只有计算机数控机床才能胜任。

2.3TheAdvantagesandDisadvantagesofCNCMachines

CNCmachineshavemanyadvantagesoverconventionalmachines,someofthemare:

（1）Thereisapossibilityofperformingmultipleoperationsonthesamemachineinonesetup.

（2）Becauseofthepossibilityofsimultaneousmulti-axistoolmovement,specialprofiletoolsarenotnecessarytocutunusualpartshaps.

（3）ThescraprateissignificantlyreducedbecauseoftheprecisionoftheCNCmachineandlesseroperatorimpact.

（4）ItiseasytoincorporatepartdesignchangeswhenCAD/CAMsystemsareused.

（5）Itiseasiertoperformqualityassurancebyaspot-checkinsteadofcheckingallparts.

（6）Productionissignificantlyincreased.

2.3计算机数控机床的优缺点

1、计算机数控机床和传统机床相比具有很多优点，它们是：

（1）在同一机床上，一次装夹可完成多个操作。

（2）由于机床可以实现多轴联动，切削非常规的零件形状时，可以不必使用成形刀具。

（3）由于计算机数控机床的精度高，受操作者影响小，废品率明显降低。

（4）采用CAD/CAM系统后，对零配件装配设计的修改就变得很容易。

（5）通过抽检代替全检，质量更容易保证。

（6）生产率显著提高。

2、CNCmachinesalsohavesomedisadvantages:

（1）Theyarequiteexpensive.

（2）Theyhavetobeprogrammed,setup,operated,andmaintainedbyhighlyskilledpersonnel.

2、计算机数控机床也有一些缺点：

（1）价格昂贵。

（2）必须由高级技术人员来编程、安装、操作与维护。

Obviously,CNCmachineshavemoreadvantagesthandisadvantages.ThecompaniesthatadoptCNCtechnologyincreasetheircompetitiveedge.Asalwayswithnewtechnology,thecostperCNCunitisbeingcutfurtherandmorecompaniescanaffordCNCequipment,whichenablesthemtoanswertheincresinglystrongrequirementsforproductionspeedandqualitythatcompetitivemarketsdemand.InthefuthurethebroaderuseofCNCmachineswillbeoneofthebestwaystoenhanceautomationinmanufacturing.

显然，计算机数控机床利大于弊。

已经采用计算机数控机床的企业正在提高他们的竞争力。

随着新技术的采用。

每台计算机数控单元的价格正在进一步降低，更多的公司能够买得起计算机数控装备，使其能够满足竞争市场对产品生产速度和质量日益增强的需求。

将来计算机数控机床的广泛使用成为制造业提高自动化程度的最佳选择之一。

2.4TheConstructionofCNCMachines

2.4计算机数控机床的结构

CNCmachinetoolsarecomplexassemblies.However,ingeneral,anyCNCmachinetoolconsistsofthefollowingunits:

CNC结构较为复杂。

一般来说，任何CNC机床都包含以下几个单元组成：

Computers

计算机

Controlsysterms

控制系统

Drivemotors

驱动电机

Toolchangers

换刀机构

AccordingtotheconstructionofCNCmachinetools,CNCmachinesworkinthefollowingmanner

根据CNC机床的结构，CNC机床以下列方式工作：

（1）TheCNCmachinelanguage,whichisprogramminglanguageofbinarynotationusedoncomputuers,notonCNCmachines.

（1）CNC机床语言是一种用在计算机上的二进制符号编程语言，而不是用在CNC机床上。

（2）Whentheoperatorstartstheexecutioncyclethecomputertranslatesbinarycodesintoelectronicpulseswhichareautomaticallyseenttothemachine’spowerunits.Thecontrolunitscomparethenumberofpulsessentandreceived.

（2）当操作者开始执行循环时，计算机将二进制代码翻译成电脉冲，并自动的送给机床的控制单元。

控制单元将发出的脉冲数与接受的脉冲数加以比较。

（3）Whenthemotorsreceiveeachpulse,theyautomaticallytransformthepulsesintorotationsthatdrivethespindleandleadscrew,causingthespindlerotationandslideortablemovement.Thepartonthemillingmachinetableorthetoolinthelatheturretisdriventothepositionspecifiedbytheprogram.

（3）电动机每接收一个脉冲，就自动的将脉冲信号转换成旋转信号从而驱动主轴和丝杠，带动主轴旋转和拖板或工作台的移动。

铣床工作台上的零件或车床转塔刀架上的刀具被驱动到程序指定的位置。

1）、ComputersThecomputerreactson.Aswithallcomputers,theCNCmachinecomputerworksonabinaryprincipleusingonlytwocharacters1and0forinformationprocessingprecisetimeimpulsesformthecircuit.Therearetwostates,astetawithvoltage,1,andastatewithoutvoltage,0Seriesofonesandzerosaretheonlystatesthatthecomputerdistinguishesacalledmachinelanguage,itistheonlylanguagethecomputerunderstands.Whencreatingtheprogram,theprogrammerdoesnotcareaboutthemachinelanguage.Heorshesimplyusesalistofcodesandkeysinthemeaningfulinformation.Specialbuilt-insoftwarecompilestheprogramintomachinelanguageandthemachinemovesthetoolbyitsservomotors.However,theprogrammabilityofthemachineisdependentonwhetherthereisacomputerinthemachine’scontrol.Ifthereisaminicomputerprogramming,sayaradius（whichisarathersimpletask）,thecomputerwillcalculateallthepointsonthetoolpath.Onthemachinewithoutaminicomputer,thismayprovetobeatedioustask,sincetheprogrammermustcalculateallthepointeofintersectiononthetoolpath.ModernCNCmachinesuse32-bitprocessorsintheircomputuersthatallowfastandaccurateprocessingofinformation.

1）、计算机如所有其它计算机，CNC机床的计算机也是根据二进制原理，只有两个字符1和0作为电路的时间脉冲信息，有两个状态，高电平为1，低电平为0，1和0的序列是计算机区别于所谓的机器语言的唯一状态，也是计算机理解的唯一语言。

编程时程序员不必关心机器语言，只需简单的应用一系列代码和符号来表达有用的信息。

机器内的特殊软件将程序翻译为机器语言，由伺服电动机带动刀具工作。

然而，机床程序的可用性是依速于机床控制系统中是否有计算机，如果用一个微型计算机进行程序设计，例如，半径（一个相当简单的任务），计算机将计算刀具路径上所有的点坐标值，如果机床上没有微型计算机，这个计算将是一个繁琐的工作，因为程序员必须计算刀具路径上的所有交点位置。

现代CNC机床的计算机使用32位处理器可以实现信息的快速准确处理。

2）、ControlSystemsTherearetwotypesofcontrolsystemsonNC/CNCmachines:

openloopandclosedloop.Thetypeofcontroll