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1、数控加工技术,.数控技术概述,1.1 数控技术的基本概念 数字控制（Numerical Control Technology， NC）是一种借助数字化信息（数字、字符）对某一工作过程（如加工、测量、装配等）发出指令并实现自动控制的技术。 数控系统（Numerical Control System）采用数字控制技术的自动控制系统。 数控机床（Numerical Control Machine Tools） 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。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。是数控技术典型应用的例子。,. 数控机床的产生与发展,2.制造业的发展需求
2、 产品日趋精密、复杂，改型频繁，提出高性能、高精度和高自动化要求,一.产生背景,1传统机床的不足 人工操作，劳动强度大，难以提高生产效率 人为误差，难以保证质量 难以加工复杂形状的零件 不利于生产管理现代化,1国外 1930年，数控专利 1948年，数控机床生产的萌芽 1952年，第一台数控铣床 1958年，第一台加工中心 1968年，柔性制造系统 1974年，采用微处理器 1990年，采用基于工业PC的计算机数控系统 2国内 1958年，第一台数控铣床 1975年，第一台加工中心 20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统,二产生与发展历程,. 数控机床的产生与发展
3、,1.2 数控机床的产生与发展,第五代：微处理器数控(1974年),第四代：小型机数控(1967年),第三代：集成电路式(1965年),第二代：晶体管分立元件式(1959年),第一代：电子管、继电器式(1952年）,3数控系统的产生和发展,.知名数控系统,日本FANUC,德国西门子SIEMENS,日本三菱MITSUBISHI,日本山崎马扎克(MAZAK),西班牙发格(FAGOR),华中数控系统,广州数控系统,国内知名：,1.2 数控机床的产生与发展,1.数控系统的发展趋势 1) 高速高精度 2) 智能化 （1） 应用自适应控制技术 （2） 自动编程技术 （3） 具有故障自动诊断功能 （4） 应
4、用模式识别技术 3) 开放式数控系统,三. 数控机床的发展趋势,1.2 数控机床的产生与发展,4)基于网络的数控系统 (1)数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的 通信，主要通过SERCOS链式网络传送数字伺服控制信息； (2)数控系统与上级主计算机间的通信； (3)与车间现场设备及I/O装置的通信，主要通过现场总线，如PROFIBUS等进行通讯； (4)通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据； (5)通过因特网与另一个工厂交换制造数据。,1.2 数控机床的产生与发展,2. 数控机床的发展趋势,运行高速化 加工高精化 功能复合化 控制智能化 体系开放化 交互网络化,1.2 数控机床的产生与发
5、展,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。,1.2 数控机床的产生与发展,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；,1.2 数控机床的产生与发展,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
6、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,1.2 数控机床的产生与发展,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、多样化和互换性的特征 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：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发
7、费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期； 标准化的人机界面：标准化的编程语言，方便用户使用，降低了和操作效率直接有关的劳动消耗； 向用户特殊要求开放：更新产品、扩充能力、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。另外用户自身的技术诀窍能方便地融入，创造出自己的名牌产品； 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。,1.2 数控机床的产生与发展,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
8、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）。,1.3 数控机床的工作过程,数控机床仍采用刀具和磨具对材料进行切削加工，这点 在本质上和普通机床并无区别。但在如何控制切削运动等方 面则与传统切削加工存在本质上的差别，如下图。,零件图,编制工艺卡,工人操作机床,编制程序,零件图,键盘输入,加工运动,数控装置,伺服装置,加工运动,检测,(a)普通机床加工,(b)数控机床加工,信息反馈,数控车床的结构,控制面板,显示器,滚珠丝杆,刀 架
9、,主 轴,1.4 数控加工技术的特点,(1)生产效率高，由于加工过程是自动进行的，且机床能自动换刀、自动不停车变速和快速空行程等功能，使加工时间大大减少 (2)能稳定地获得高精度，数控加工时人工干预减少，可以避免人为误差，且机床重复精度高 (3)由于机床自动化程度大大提高，减轻了工人劳动强度，改善了劳动条件 (4)加工能力提高，应用数控机床可以很准确的加工出曲线、曲面、圆弧等形状非常复杂的零件，因此，可以通过编写复杂的程序来实现加工常规方法难以加工的零件,1.5 数控系统的组成,现代数控机床一般由数控装置(NC unit)、伺服系统(servo system)、位置测量与反馈系统(feedba
10、ck system)、辅助控制单元(accessory control unit)和机床主机(main engine)组成，下图是各组成部分的逻辑结构简图：,数控装置是数控机床的核心，能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种功能； 伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件，它包括主轴驱动单元（主要是速度控制）、进给驱动单元（主要有速度控制和位置控制）、主轴电机和进给电机等。 位置测量与反馈系统由检测元件和相应电路组成，其作用是检测速度与位移，并将信息反馈给数控装置，形成闭环控制；但不一定每种数控机床都装备位置测量与反馈系统（图中虚线部分表示该模块不是基本配置），没
11、有测量与反馈系统的数控装置称开环控制系统（如运动简单的中低档数控车床），常用的测量元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅尺等。 辅助控制单元用以控制机床的各种辅助动作，包括：冷却泵的启停等各种辅助操作。 机床主机包括床身、主轴、进给机构等机械部件。,滚珠丝杠螺母机构，在丝杠1和螺母4上各加工有圆弧，当螺母4旋转时，丝杠1的旋转面经滚珠2推动螺母4轴向移动，同时滚珠2沿螺旋形滚道滚动，使丝杠1和螺母4之间的滑动摩擦转为滚珠与丝杠1、螺母4之间的滚动摩擦。螺母螺旋槽的两端用回珠管3连接起来，使滚珠2能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。 各类中小型数控机床普遍采用滚珠丝杠。,1
12、.6 数控机床主机中的传动机构,为了适应数控机床加工范围广，工艺适应性强和自动化程度高的特点，要求主传动装置具有很宽的变速范围，并能无级变速，随着全数字化交流调速技术的日趋完善，齿轮分级变速传动在逐渐减少，大多数数控机床采用电动机直接驱动主轴的结构。 数控机床的进给传动装置，灵敏度和稳定性，将直接影响到工件的加工质量，因此常采用不同于普通机床的进给机构，例如采用线性导轨、塑料导轨或静压导轨代替普通滑动导轨，用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构，以及采用可以消除间隙的齿轮传动副和可以消除间隙的键连接等,数控加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供
13、给冷却液等）和步骤以及与工件之间的相对位移等都用数字化的代码表示，并按工艺先后顺序组织成“NC程序”， 数控机床之所以能够加工一些几何形状复杂的零件，就是因为数控机床的坐标轴能够联动，编程人员在编写NC程序时，使用规定的NC代码体系，只给出联动轴的起终点坐标及插补速度等的代码，而完成联动轴在起终点间的运动过程参数要由NC自动求出。,2. 数控加工原理,插补原理： 插补是在已知曲线的起终点之间，确定一些中间点坐标的一种计算方法，机械零件大部分由直线和圆弧组成，因此NC都具有直线和圆弧的插补功能。 零件程序中提供了直线的起点和终点坐标，圆弧的起点坐标以及圆弧走向（顺时针或逆时针）或圆心相对于起点的
14、偏移量或圆弧半径。插补的任务，是根据偏程进给速度的要求，完成从轮廓起点到终点的中间点坐标值的计算。,2.6 数控加工原理（续）,如图所示，刀具由O至A，直线OA是其理论轨迹。如何确定控制轴X、Z的走向呢？ 用逐点比较法：每走一步与理论轨迹比较一下，从而确定下一步的走向。 起点坐标（0，0），终点坐标（Xe,Ze） 于是直线OA的方程为：X/Z=Xe/Ze; 即：ZXe-XZe=0; 若点（X,Z）在直线上方，则：ZXe-XZe0; 若点（X,Z）在直线下方，则：ZXe-XZe0; 于是：取F=ZXe-XZe, 在插补运算过程中，控制轴每移动一步之前，先由NC判断F的符号。,当F0时，NC发出移
15、动微指令，使控制轴向+X方向移动一个步长； 当F0时，NC发出移动微指令，使控制轴向+Z方向移动一个步长； 当F=0时，可以规定NC使控制轴向+X或+Z方向移动一个步长 这样可以不断地趋向终点，图中，带箭头的折线轨迹是机床实际运动的插补轨迹，直线OA是理论轨迹，由于插补运算所取的步长很小，所以可以近似地认为插补轨迹就是直线OA的理论轨迹。,刀具补偿原理：是指NC对编程时零件轮廓轨迹与刀具实际运行轨迹差值进行补偿的功能。 如右图所示：用一个半径为R的刀具加工图中的实线表示的工件，刀具运行的实际中心轨迹应为图中的虚线所示，于是刀具离开工件的这一个距离就是偏置（二者之间相差一个刀具半径R），偏置量(
16、offset value )是一个二维的矢量，可正可负,同理：在刀具长度方向上，每种刀具长度不一致，也是采用同样的方法进行补偿，称刀具长度补偿。 刀具补偿又可以分为形状补偿(geometry offset)和磨损补偿(wear offset)，运行程序前的刀具标称半径或长度是形状补偿量，在加工过程中，刀具由于磨损的作用发生细微的尺寸变化，这时，将磨损量输入到磨损补偿号中，可以不必改动形状补偿号。方便操作。,3. 数控加工编程基础,.1 机床坐标系,.1.1 机床坐标系和主运动方向,1标准坐标系的规定 对数控机床中的坐标系和运动方向的命名，ISO标准和我国JB305282部颁标准都统一规定采用标准的右手笛卡儿直角坐标系，一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义一个坐标轴。,标准中规定直线进给运动用右手直角笛卡儿坐标系X、Y、Z表示，常称基本坐标系。X、Y、Z坐标轴的相互关系用右手定则决定。如图-1所示，图中大拇指的指向为X轴的正方向，食指指向为Y轴的正方向，中指指向为Z轴的正方向。围绕X、Y、Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、
