数字控制机床.ppt
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数字控制机床,李斌华中理工大学机械科学与工程学院工程信息与智能技术研究所,2023/5/13,数字控制机床,2,教材与参考书,教材：
廖效果，朱启逑数字控制机床华中理工大学出版社武汉，1992参考书：
毕承恩，丁乃健现代数控机床机械工业出版社北京，1994,2023/5/13,数字控制机床,3,教学方法与考核方式,教学方法课堂教学实验教学自学,考核方式考试（70%）平时成绩（20%）作业课堂提问实验报告（10%）,2023/5/13,数字控制机床,4,什么是数控机床？
你所想象数控机床是什么样的？
2023/5/13,数字控制机床,5,第一章概述,内容提要：
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；数控机床的应用范围及发展动向。
2023/5/13,数字控制机床,6,第一节数控技术与数控机床,自从本世纪中叶数控技术创立以来，它给机械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，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；,2023/5/13,数字控制机床,7,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；以它为基础的相关产业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其技术水平高低已成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。
专家们预言:
二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。
2023/5/13,数字控制机床,8,、数字控制与数控技术数字控制（NumericalControlNC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。
数控技术（NumericalControlTechnology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。
2023/5/13,数字控制机床,9,数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。
它数控技术典型应用的例子。
数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。
计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）以计算机为的核心数控系统。
2023/5/13,数字控制机床,10,、数控系统与数控机床的组成,机床I/O电路和装置,测量装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数,控,装,置,操作面板,PLC,图,1,CN,C,机床的组成,计算机数控,（CNC）,系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,键盘,输入输出,设备,2023/5/13,数字控制机床,11,操作面板操作面板的是操作人员与机床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；。
它是数控机床特有的部件。
2023/5/13,数字控制机床,12,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：
2023/5/13,数字控制机床,13,表1控制介质和输入输出设备表,2023/5/13,数字控制机床,14,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）。
2023/5/13,数字控制机床,15,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。
2023/5/13,数字控制机床,16,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，实现进给轴的成形运动（速度和位置控制）。
主轴运动指令，以实现主轴的切削运动（速度控制）,2023/5/13,数字控制机床,17,PLC、机床I/O电路和装置PLC（ProgrammableLogicController）：
用于控制机床顺序动作，完成与逻辑运算有关的开关量I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置：
实现开关量I/O控制的执行部件，即由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等电器组成的逻辑电路；,2023/5/13,数字控制机床,18,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。
2023/5/13,数字控制机床,19,机床机床是数控机床的主体，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、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）。
2023/5/13,数字控制机床,20,第二节数控机床的分类,数控机床的种类很多，通常可以从以下不同角度来对其分类：
2023/5/13,数字控制机床,21,、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。
2023/5/13,数字控制机床,22,、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。
2023/5/13,数字控制机床,23,2023/5/13,数字控制机床,24,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。
2023/5/13,数字控制机床,25,按联动轴数分，可分为2轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动及6轴联动数控系统。
联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。
2023/5/13,数字控制机床,26,、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。
2023/5/13,数字控制机床,27,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。
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。
2023/5/13,数字控制机床,28,半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图1的实线所示，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。
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。
2023/5/13,数字控制机床,29,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。
2023/5/13,数字控制机床,30,全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图1的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。
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。
2023/5/13,数字控制机床,31,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。
2023/5/13,数字控制机床,32,第三节数控加工原理,、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,2023/5/13,数字控制机床,33,、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,2023/5/13,数字控制机床,34,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。
2023/5/13,数字控制机床,35,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。
2023/5/13,数字控制机床,36,插补计算本程序以系统规定的插补周期t定时运行，它将由各种线形（直线，园弧等）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。
这个过程将在下面进一步叙述。
2023/5/13,数字控制机床,37,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。
2023/5/13,数字控制机床,38,逼近处理图4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。
、数控加工轨迹控制原理,2023/5/13,数字控制机床,39,系统按插补时间t和进给速度F的要求，将L分割成若干短直线L1，L2，Li，这里：
Li=Ft（i=1，2，）则：
用直线Li逼近圆弧存在着逼近误差，但只要足够小（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，则Li的长度也为常数L，只是其斜率与在L上的位置有关。
2023/5/13,数字控制机床,40,插补运算在计算出Li后，再将其分解为X轴及Y轴移动分量Xi和Yi（在ti时间内），它们将随着Li在L上位置的变化而不断变化，但它们满足：
且有：
Fx=Xi/tiFy=Yi/tiLi的斜率是不断变化的，因此进给速度在x方向及y方向的分量Fx与Fy以及它们之间的比值Fx/Fy都在不断变化的。
2023/5/13,数字控制机床,41,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：
XiX轴；YiY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。
2023/5/13,数字控制机床,42,第四节数控机床的应用范围,数控机床的确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。
第一章数控机床概述,2023/5/13,数字控制机床,43,、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。
2023/5/13,数字控制机床,44,、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不足之处：
加工成本一般较高。
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%）加工中难以调整维修困难,2023/5/13,数字控制机床,45,、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下列三类：
.最适应类对于下述零件，首先应考虑能不能把它们加工出来，即要着重考虑可能性问题。
只要有可能，可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理，都应把对其进行数控加工作为优选方案。
2023/5/13,数字控制机床,46,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。
2023/5/13,数字控制机床,47,.较适应类这类零件在分析其可加工性以后，还要在提高生产率及经济效益方面作全面衡量，一般可把它们作为数控加工的主要选择对象。
2023/5/13,数字控制机床,48,在通用机床上加工时极易受人为因素（如：
情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；需要多次更改设计后才能定型的零件；在通用机床上加工需要作长时间调整的零件；用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。
2023/5/13,数字控制机床,49,.不适应类下述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，还有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。
2023/5/13,数字控制机床,50,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。
2023/5/13,数字控制机床,51,根据上述数控加工的适应性，我们就可以根据所拥有的数控机床来选择加工对象，或根据零件类型来考虑哪些应该先安排数控加工，或从技术改造角度考虑，是否要投资添置数控机床。
2023/5/13,数字控制机床,52,第五节数控机床的发展动向,、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。
2023/5/13,数字控制机床,53,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。
2023/5/13,数字控制机床,54,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。
2023/5/13,数字控制机床,55,、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。
2023/5/13,数字控制机床,56,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。
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。
2023/5/13,数字控制机床,57,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：
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。
2023/5/13,数字控制机床,58,1981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：
采用高性能的32位机作为主机的主从结构系统。
1994年：
基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研究开发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。
它是数控技术发展的又一个里程碑。
2023/5/13,数字控制机床,59,、发展趋势进入九十年代以来，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，使其朝着高速化、高精化、复合化、智能化、高柔性化及结构开放化等方向发展。
2023/5/13,数字控制机床,60,.运行高速化、加工高精化速度和精度是数控设备的两个重要指标，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。
2023/5/13,数字控制机床,61,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：
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=30m/min，并且具有1.5g的加减速率；,2023/5/13,数字控制机床,62,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。
主轴最高转速15000r/min，需1.8秒即可从0提速到15000r/min（加（减）速度1.0g）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。
2023/5/13,数字控制机床,63,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。
2023/5/13,数字控制机床,64,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。
2023/5/13,数字控制机床,65,由于计算机技术的不断进步，促进了数控技术水平的提高，数控装置、进给伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置的性能也随之提高，使得现代的数控设备在新的技术水平下，可同时具备运行高速化、加工高精化的性能。
2023/5/13,数字控制机床,66,.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）；,2023/5/13,数字控制机床,67,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；,2023/5/13,数字控制机床,68,.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：
2023/5/13,数字控制机床,69,加工过程自适应控制技术通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（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。
2023/5/13,数字控制机床,70,MitsubishiElectric公司的用于数控电火花成型机床的“MiracleFuzzy”基于模糊逻辑的自适应控制器，可自动控制和优化加工参数；日本牧野在电火花NC系统Makino_Mce20中，用专家系统代替人进行加工过程监控。
以色列的外置式力自适应控制器意大利Mandelli公司数控系统的可编程功率自适应控制功能。
国内清华和我校的自适应控制技术的研究已取得成果。
正在进行商品化开发。
2023/5/13,数字控制机床,71,加工参数的智能优化与选择将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，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”，利用它获得经过优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。
采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态，,2023/5/13,数字控制机床,72,目前已开发出带自学习功能的神经网络电火花加工专家系统。
日本大隈公司的7000系列数控系统带有人工智能式自动编程功能。
国内清华和我校在加工参数的智能优化与选择及CAPP方面的研究也取得了一些成果。
但有待进行实用化开发。
2023/5/13,数字控制机床,73,智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断技术是指根据已有的故障信息，应用现代智能方法（AI、ES、ANN等），实现故障快速准确定位的技术。
智能故障自修复技术是指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。
智能自修复技术集故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生命周期。
2023/5/13,数字控制机床,74,智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。
智能化自修复技术还在研究之中。
2023/5/13,数字控制机床,75,智能化交流伺服驱动装置目前已开始研究能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。
这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。
2023/5/13,数字控制机床,76,智能4M数控系统在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作一体化的4M智能系统。
2023/5/13,数字
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