数控技术 研究生教材 第1章 绪论优质PPT.pptx

数控技术 研究生教材 第1章 绪论优质PPT.pptx

《数控技术 研究生教材 第1章 绪论优质PPT.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控技术 研究生教材 第1章 绪论优质PPT.pptx（77页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

国防工业出版社，2005.1有关数控技术方面的国内、外科技期刊。

前言,第1章绪论,概述数控机床的分类数控技术的应用与发展,第1章绪论,【内容提示】以制造自动化底层设备数控机床为主要研究对象，介绍数控相关的基本概念、组成及基本原理、分类和发展趋势。

【学习方法】在学习过程中，紧密结合课程上机、实验或者实践环节加深对数控系统关键技术和功能的认识和理解。

第1章绪论,1.1概述1.基本概念数字控制（NumericalControl,NC）数字控制一种自动控制技术，数字控制相对于模拟控制而言，其控制信息是数字量，其特点：

可用不同字长表示不同的精度信息，表达信息准确。

可进行逻辑运算、数字运算，也可进行复杂的信息处理。

具有逻辑处理功能，可用软件来改变信息处理的方式或过程，而不用改动电路或机械机构，因而具有柔性化。

数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。

第1章绪论,1.1概述计算机数控系统（ComputerNumericalControl,CNC）以计算机为核心的数控系统。

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。

数字控制广泛应用于机械运动的轨迹控制。

机床数控系统和工业机器人控制内容主要是轨迹控制。

数字控制机床（简称数控机床）数控技术应用的经典例子。

较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向。

第1章绪论,1.1概述2.数控加工原理金属切削机床加工零件的要求：

操作者根据图纸要求、手动控制机床操作系统，不断改变刀具与工件相对运动参数（位置、速度等），使刀具从工件上切除多余材料，最终获得符合技术要求的尺寸、形状、位置要求和表面质量的零件。

第1章绪论,知识点：

插补：

获得一个曲线的种类、起点、终点以及速度后，根据给定的数字函数，如线性函数、圆函数或高次曲线函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间，进行数据点的密化，确定一些中间点。

1.1概述2.数控加工原理将加工过程所需的工件的形状尺寸及机床的各种操作（如主轴变速、工件夹紧、进给、启停、刀具选择、冷却液供给等）步骤用程序数字化的代码（按照国际或国家，甚至厂家所制订的数字和文字编码规则）来表示出来，由计算机数控装置对上述信息进行处理和运算，然后由数控系统按照零件程序的要求控制机床伺服驱动系统，实现刀具与工件间要求的机械动作，自动完成加工任务。

第1章绪论,1.1概述实现数控加工的数控设备要具备下述要求：

接受零件图样加工要求的信息，并按照一定的数字模型进行插补运算，实时地向务坐标轴发出速度控制指令及切削用量的数字控制计算数控装置具有快速响应，并具有足够功率的驱动装置：

有能满足上述加工要求的机床主机、刀具、辅助设备及各种加工所需的辅件。

数控机床一般由程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床本体和其他辅助装置组成。

1.1概述3.数控机床的组成,第1章绪论,程序载体人和数控机床联系的媒介物。

（也称控制介质、输入介质、信息载体）穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘或其他可以储存代码的载体，有些直接集成在CAD/CAM中或连接上级计算机的DNC（直接数控）输入。

程序格式（编码标准）：

EIA&

ISO,1.1概述,第1章绪论,数控装置数控机床的核心部分，也是区别于普通机床最重要的特征之一。

数控装置完成加工程序的输入、编辑及修改，实现信息存储、数据转换、代码交换、插补运算以及各种控制功能。

大多数具有网络通信功能，可以实现加工程序的高速、可靠传输和加工状态的实时反馈，以保证加工资源和加工信息的共享。

1.1概述,第1章绪论,1.1概述伺服驱动系统作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动，包括信号放大和驱动元件。

几个进给轴实现联动可以完成点位、直线、平面曲线，甚至具有空间曲线特征的复杂零件加工。

伺服驱动系统性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。

脉冲当量相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移，常见的有：

0.01mm，0.005mm，0.001mm,第1章绪论,步进电机,直流伺服电机交流伺服电机,常用的伺服元件,编码盘光栅磁珊常用的检测元件,1.1概述,第1章绪论,机床本体机床本体包括床身、主轴、进给机构、刀架及自动换刀装置等，是自动地完成各种切削加工的机械部分。

与传统的机床相比，数控机床本体设计的特点：

采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。

广泛采用高性能的主轴伺服驱动和进给伺服驱动装置。

采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和运动部件。

辅助装置保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置。

包括气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置。

1.1概述,第1章绪论,1.1概述机床本体机床本体包括床身、主轴、进给机构、刀架及自动换刀装置等，是自动地完成各种切削加工的机械部分。

目前已模块化生产，分为六大块：

数控系统滚动部件数控刀架和转台主轴单元刀库和机械手高速防护罩,第1章绪论,1.1概述辅助装置保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置。

知识点：

数控系统的认识。

从自动控制的角度来看，计算机数控（CNC）系统是一种位置（轨迹）、速度（还包括电流）控制系统，其本质上是以多执行部件（各运动轴）的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统，是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。

从外部特征来看，CNC系统是由硬件（通用硬件和专用硬件）和软件（专用）两大部分组成的。

第1章绪论,1.1概述4.数控机床的特点能加工普通机床难以完成或不能加工的复杂零件加工。

数控加工可以获得更高的加工精度和质量。

具有更高的生产效率。

具有广泛的适用性和较大的灵活性。

监控功能强，具有故障诊断的能力。

可实现较精确的成本核算和生产进度安排。

第1章绪论,通用机床多适用于零件结构不太复杂、生产批量较小的场合。

专用机床适用于生产批量很大的零件。

数控机床最适宜批量小、加工精度要求高、结构形状复杂的零件，或需要多次改型设计的零件。

1.1概述5.数控机床的适用范围,第1章绪论,1.2数控机床的分类数控技术现已广泛应用于各类机床及非金属切削机床，据不完全统计已有400多个品种规格。

可以按照多种原则来进行分类：

按运动轨迹分类点位控制、直线控制与轮廓（连续轨迹）控制按伺服系统控制方式分类开环、闭环和半闭环伺服驱动系统按功能水平来划分：

高、中、低经济型）三类按工艺用途分类：

金属切削类、金属形成类、特种加工等数控机床。

第1章绪论,工件,A,B,

（1）按运动轨迹分类点位控制类：

点-点位置精确控制，保证的是定位精度；

特点：

控制刀具对工件的点位，而对它们定位过程的运动轨迹及移动速度没有严格要求。

适用范围：

数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。

刀具,第1章绪论,

（1）按运动轨迹分类直线控制类：

位置控制+速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方向（平行或45）切削加工；

具有2-3个坐标轴，同时可控的坐标只有1个；

具有刀具半径补偿功能、刀具长度补偿功能、主轴转速控制功能。

第1章绪论,

（1）按运动轨迹分类轮廓控制（连续控制）类：

每点的位置+速度+路线控制，可对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制；

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。

刀具工件,第1章绪论,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；

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。

（1）按伺服系统控制方式分类,知识点：

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。

开环数控系统,第1章绪论,半闭环数控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。

（2）按伺服系统控制方式分类,半闭环数控系统,第1章绪论,

（2）按伺服系统控制方式分类,半闭环数控系统,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。

第1章绪论,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。

（2）按伺服系统控制方式分类,闭环数控系统,第1章绪论,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。

（2）按伺服系统控制方式分类,闭环数控系统,第1章绪论,多轴联动数控机床知识点：

多轴联动数控机床机床同时运动的轴数。

联动轴数越多，机床加工对象表面就更复杂，数控系统的控制算法就越复杂。

数控机床按联动轴数分：

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）。

第1章绪论,（3）按功能水平分类低、中、高档的界限是相对的，尚没有一个确切的定义，不同时期的划分标准有所不同。

从目前的发展水平来看，大体可从下面几个方面来区分:

第1章绪论,（4）按工艺用途分类切削加工类：

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。

金属成型类：

数控折弯机、数控弯管机、数控冲压机等。

特种加工类：

数控线切割机、火焰切割机、电火花加工机、激光加工机等。

非加工设备类：

数控测量机、自动绘图机、工业机器人等。

知识点：

加工中心一种带有自动换刀装置的数控机床，以工件为中心，能实现工件在一次装夹后自动地完成多种工序的加工。

常见加工中心：

镗铣类加工中心以加工箱体类零件为主车削中心各种回转体类零件加工。

美国HASS高速立五轴机床,Starrag-Heckert公司五轴加工中心汽轮机加工和压缩机叶片上几乎所,有的部位都在其上加工,五轴加工,五轴加工,龙门五轴加工中心（沈阳）,五轴加工,线切割机床,电火花机床,等离子火焰切割机,半导体激光打标机,数控卷簧机,数控弯管机,多工位数控冲床,第1章绪论,1.3数控技术的应用与发展,第1章绪论,1、数控技术的发展历程及趋势在汽车、拖拉机等大量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合机床和自动线。

但这种设备的第一次投资费用大，生产准备时间长，这与改型频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇航，以及其他国防工业的要求不相适应。

如果采用仿形机床，则要制造靠模，不仅生产周期长，精度亦受限制。

第1章绪论,数控系统的产生第二次世界大战以后，美国为了加速飞机工业的发展，要求革新一种样板加工的设备。

1948年，美国帕森斯（Parsons）公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。

1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院（M.I.T）研制成功了世界上第一台三坐标数控机床。

第1章绪论,数控系统的发展历程半个多世纪以来，数控技术得到了迅猛发展，加工精度和生产效率不断提高。

数控机床发展至今已经历了三个阶段和八代：

在体系结构上，数控系统经历了三个阶段：

1952-1970：

NC（硬线数控）,1970-1994-,：

CNC（计算机数控）：

PC-NC（PC数控）,从硬件角度看，数控系统经历了八代发展：

NC（以电子管、晶体管和小规模集成电路应用为标志）CNC（以小型计算机、微机、超大规模集成电路、32位微机应用于数控系统为标志）PC-NC（借助PC机丰富的软硬件资源）,第1章绪论,数控系统的发展趋势,基于PC的CNC,利用通用PC可以制造出廉价的NC因作为NC的控制功能较低，故无法做到高速、高精度的控制。

PC部与CNC部的融合,Fanuc,Vickers,Siemens,PC,伺服系统,1997年左右,伺服系统,PC部+CNC部,现在被称之为开放式CNC的数控系统单向通信,1998年,融合了PC的CNC双向通信,伺服系统,融合了PC的CNC,CNC的智能化的实现,现在的CNC,伺服系统,CNC,今后仍会作为特定机械的CNC继续生存,根据客户希望作成画面。

各种电脑通讯功能。

大容量存储需求。

丰富的软硬件资源,现代制造对PC-NC的期望：

第1章绪论,数控系统的发展趋势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交互网络化,第1章绪论,运行高速化高速CPU芯片主轴高速化，采用电主轴采用全数字交流伺服机床动、静态性能的改善典型参数：

在分辨率为1m时，快进速度达240m/min，可获得复杂型面的精确加工加速度达2g主轴转速已达200,000rpm换刀速度少于1s,第1章绪论,加工高精化高精度包括高进给分辨率、高定位精度和重复定位精度、高动态刚度、高性能闭环交流数字伺服系统等。

采用的提高精度的措施：

提高机械的制造和装配精度；

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；

位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；

采用反向间隙补偿、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。

研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080,第1章绪论,加工高精化高精度包括高进给分辨率、高定位精度和重复定位精度、高动态刚度、高性能闭环交流数字伺服系统等。

研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080,第1章绪论,体系开放化传统数控系统的特点：

由生产厂家支配价格和结构，各种接口不能通用。

功能集成停止在微电子技术的应用上，而不是针对开放式生产环境和功能。

对于不同的产品，操作、维护方法都必须进行相应的培训。

对于使用者，控制器成为黑盒子无法自行修改更新。

为满足现代化生产的要求，数控系统需要具有：

开放性：

可重构性、可维护性、允许用户进行二次开发系统模块化：

具有平台无关性；

接口协议：

可传递性、可移植性语言统一化：

中性语言NML：

FADL、OSEL,第1章绪论,体系开放化开放式数控系统的概念数控系统可以在统一的运行平台上开发，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁数控功能，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。

概念结构如图：

第1章绪论,控制智能化通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。

具体体现在以下几个方面：

加工过程自适应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智能4M数控系统,第1章绪论,控制智能化加工过程自适应控制技术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。

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公司的可编程功率自适应控制系统。

MitsubishiElectric公司的用于数控电火花成型机床的基于模糊逻辑的自适应控制器（MiracleFuzzy）；

第1章绪论,控制智能化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。

第1章绪论,控制智能化智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断技术：

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：

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。

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。

第1章绪论,控制智能化智能化交流伺服驱动装置目前已开始研究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。

PMAC自动整定软件（PMACAutoTuningPro）,第1章绪论,控制智能化智能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。

第1章绪论,功能复合化功能复合化指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法。

常见复合加工机床：

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；

第1章绪论,交互网络化数控设备是组成柔性自动化生产系统的最基本单位。

数控技术是柔性制造自动化技术中最重要的基础技术，是柔性自动化技术核心。

吴祖育支持网络通讯协议，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）监视、控制。

数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）数控装备的数字化服务（数控机床故障的远程（网络）诊断、远程维护、电子商务等）。

第1章绪论,2、数控技术与现代制造系统现代制造技术MMT（ModernManufacturingTechnology）又称先进制造技术AMT（AdvancedManufacturingTechnolog）随着市场需求个性化与多样化，现代制造系统正向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、集成化、全球化的方向发展。

第1章绪论,2、数控技术与现代制造系统当前先进制造系统的发展特点：

信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合；

CAD/CAM/CAE一体化；

加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展，如：

目前加工精度达到0.025m，表面粗糙度达0.045m，已进入纳米级加工时代；

主轴的最高转速可达到4000050000rmin；

新型加工设备：

并联机床（六腿机床）工艺研究由经验走向定量分析虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用,第1章绪论,2、数控技术与现代制造系统从单机数控加工到计算机集成制造系统在所有品种的机床实现单机数控化的同时，现代制造系统进一步加快了向FMC、FMS及CIMS全面发展的步伐。

柔性制造技术：

1967年英国莫林斯（molins）公司强调管理技术和制造技术的有机集合已成为现代先进制造技术的统称。

第1章绪论,2、数控技术与现代制造系统柔性制造技术：

以数控技术为核心，集自动化技术、信息技术和制作加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成一个覆盖整个企业的有机系统。

柔性制造技术解决了近百年来中小批量和中大批量多品种加工自动化的问题，并很好地适应了产品不断迅速更新的需求。

高效、灵活的特性使柔性制造技术成为实施敏捷制造（AgileManufacturing,AM）、并行工程（