数控技术及其应用(第2版)PPT全套课件

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1、第一章 绪论,第一章 绪论,数控技术是通过计算机用数字化信息控制生产过程的自动化技术，它综合了计算机、自动控制、自动检测、精密测量和精密机械等高新技术，由各种技术相互交叉、渗透、有机结合而成的一门综合科学。 本章将简要介绍数控技术的相关概念、数控技术的发展过程、数控机床的特点和分类及其发展过程等知识，为后面的学习进行全貌性的概览。,1.1 数控技术的基本概念,1.1.1 数控技术 数字控制（Numerical Control，NC）技术简称数控技术，顾名思义就是以数字的形式实现控制的一门技术。如果一种设备的操作命令是以数字的形式来描述，工作过程是按照规定的程序自动地进行，那么这种设备就称为数控

2、设备。数控机床、数控火焰切割机、数控绘图机、数控冲剪机等都是属于这个范围内的自动化设备。,数控设备的一般形式,目前，选用数控设备主要考虑3种因素：即单件、中小批量的生产；形状比较复杂，精度要求高的加工；产品更新频繁，生产周期要求短的加工。,1.1.2 数控机床及其加工原理,数字控制机床（Numerical Control Machine Tools）简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图样要求的形状和尺寸自动地将零件加工出来。,数控机床的加

3、工过程,1数控加工程序 2数控装置（1）输入装置（2）信息处理（3）输出装置 3伺服系统和测量反馈系统 4机床主体 5数控机床的辅助装置,1.1.3 数控机床的适用范围,数控机床是一种可编程的通用加工设备，但是因设备投资费用较高，还不能用数控机床完全替代其他类型的设备，因此，数控机床有其一定的适用范围。数控机床最适宜加工以下类型的零件。 （1）生产批量小的零件（100件以下）。 （2）需要进行多次改型设计的零件。 （3）加工精度要求高、结构形状复杂的零件，如箱体类，曲线、曲面类零件。 （4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件。 （5）价值昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出

4、现差错而报废，将产生巨大的经济损失。,1.2 数控技术的发展,自从美国帕森公司（Parsons Co）和麻省理工学院（M.I.T）于1952年合作研制成第一台三坐标数控铣床以来，数控系统无论在内部结构还是在外观上都发生了急剧的变化。它的发展已经历了五代，即从第一代采用电子管、继电器，到第二代采用晶体管分立元件、第三代采用集成电路、第四代采用小型机数控，一直到1974年出现了第一台微处理器数控而进入第五代。 据统计，1976年的数控装置与1966年的相比，在功能范围方面扩大了一倍，体积缩小到原来的1/20，而价格也降到了原来的1/4。 20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元以及柔性制造系

5、统，它们被认为是实现计算机集成制造系统的基础。,当前数控技术正向着以下几个方面发展。 1计算机数控 2计算机直接数控 3以模块概念为基础的柔性制造系统 4计算机集成制造系统,1.3 数控机床的特点及其分类,1.3.1 数控机床的特点 数控机床与普通机床相比较，具有以下6个特点。 1自动化程度高 2加工精度高 3生产率高 4对加工对象适应性强 5易于建立计算机通信网络 6有利于生产管理的现代化,1.3.2 数控机床的分类,1按工艺用途分类 （1）金属切削类数控机床（2）金属成型数控机床 （3）数控特种加工机床 2按运动方式分类 （1）点位控制数控机床（2）点位直线控制数控机床 （3）轮廓控制数控

6、机床,数控系统控制方式,（a） （b） （c）,3按控制方式分类 （1）开环控制系统（2）半闭环控制系统 （3）闭环控制系统,典型的开环控制系统框图,半闭环控制系统框图,闭环控制系统框图,4按数控系统的功能水平分类 （1）低档机床 这类机床的技术指标通常为：脉冲当量0.010.005 mm，快进速度410 m/min，开环，步进电机驱动，用数码管或简单CRT显示，主CPU一般为8位或者16位。 （2）中档数控机床 其技术指标常为：脉冲当量0.0050.001 mm，快进速度1524 m/min，伺服系统为半闭环直流或交流伺服系统，有较齐全的CRT显示，可以显示字符和图形，人机对话，自诊断等，主

7、CPU一般为16位或32位。 （3）高档数控机床 其技术指标常为：脉冲当量0.0010.0001 mm，快进速度15100 m/min，伺服系统为闭环的直流或交流伺服系统，CRT显示除具备中档的功能外，还具有三维图形显示等，主CPU一般为32位或64位。,1.4 数控机床和数控系统的发展,1高速、高精度化 2开放式 3智能化 （1）在数控系统中引进自适应控制技术 （2）设置故障自诊断功能 （3）具有人机对话自动编程功能 （4）应用图像识别和声控技术 4复合化 5高可靠性 6多种插补功能,7友好的人机界面 （1）现代数控机床具有丰富的显示功能。 （2）丰富的编程功能。 （3）方便的操作。 （4）

8、多种方便编程的固定循环。 （5）系统具有多种管理功能 （6）PLC程序编制方法的增加。 （7）帮助功能。,第二章 计算机数控系统,第二章 计算机数控系统,计算机数控（Computer Numerical Contro1，CNC）系统是一种包含存储程序在内的专用数控系统。 本章将简要介绍计算机数控系统的硬件结构、软件结构、数控用可编程控制器以及开放式数控系统的结构和特点等内容。,2.1 概 述,计算机数控系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数字控制功能。所以，CNC又称为存储程序数字控制或软件数字控制，它是由一台专用计算机来代替以前由机床控制单元（MCU）所实现的某些或全部硬件功

9、能，也就是说，CNC是用一台计算机控制一台数控设备。 计算机数控系统是由硬件和软件两部分组成的。计算机数控系统本体称为硬件，而与之相对应的数控系统控制程序称为控制软件。硬件和软件的关系是非常密切，两者缺一不可的。没有硬件，软件就不能成立；没有软件，硬件便无法工作。因此高性能的数控系统必须具备高性能的硬件和高性能的软件。,2.1.1 CNC系统的组成,CNC系统是20世纪70年代发展起来的新型机床数控系统，它用一台计算机代替先前硬件数控所完成的功能。所以，它是一种包含计算机在内的数控系统。其原理是根据计算机存储的控制程序执行数控功能。数控系统分为点位控制和轮廓控制系统，点位控制系统比较简单（如钻

10、、镗），轮廓控制系统比较复杂、功能齐全，有的还包括了点位控制功能的内容。这里主要介绍轮廓控制系统。 CNC数控系统由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器（PLC）、主轴控制单元和速度控制单元等组成。,数控系统的核心是计算机数控装置。随着半导体技术、计算机和计算技术的发展，现代数控装置以微型计算机数控装置（MNC）为主体，统称为CNC装置。使用微处理机和微型计算机后，使得CNC装置的性能和可靠性不断提高，成本不断下降，其优越的性能价格比，推动了数控机床的发展。,CNC系统框图,2.1.2 CNC系统的工作过程,CNC装置以存储程序方式工作，它的工作是在硬件支持下执行软件的全过程。 1输入

11、 输入CNC装置的有零件加工程序、控制参数和补偿数据。输入的方式有阅读机纸带输入、键盘手动输入、磁盘输入、光盘输入、通信接口（串口）输入以及连接上级计算机的DNC（直接数控）接口输入。CNC装置在输入过程中还要完成校验和代码转换等工作。输入的全部信息存放到CNC装置的内部存储器中。,2译码 在输入的零件加工程序中，含有零件的轮廓信息（线型、起点终点坐标）、加工速度（F代码）和其他的辅助信息（MST代码等）。CNC装置以按一个程序段为单位，根据一定的语言规则翻译成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区间，在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查等工作，发现错误立即报警

12、。,3数据处理 数据处理包括刀具补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。 （1）刀具补偿分刀具长度补偿和刀具半径补偿两种。通常CNC装置的零件加工程序是以零件轮廓轨迹来编程的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。现代CNC装置中，刀具补偿工作还包括程序段之间的自动转接和过切削判断。 （2）速度计算是按编程所给的合成进给速度计算出各坐标轴运动方向的分速度。另外对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判别并处理。在有些CNC装置中，软件的自动加减速也是在这里处理。 辅助功能如换刀、主轴启停、冷却液开停等大部分都是开关量信号，这里的主要工作是识别、存储、设标志，在程序执行时发出信号，让机床

13、相应部件执行这些动作。,4插补 插补的任务是通过插补计算程序在一条已知起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期后，插补加工完一个程序段，即完成从程序段起点到终点的“数据密化”工作。具体方法是，在一个插补周期内，计算出一个微小数据段的各坐标分量（如x，y），经过若干插补周期，可以计算出从起点到终点之间的若干个微小直线数据段。每个插补周期所计算出的微小直线段都应足够小，以保证轨迹精度。 目前在一般的CNC装置中，仅能对直线、圆弧和螺旋线进行插补计算。在一些专用的或较高档的CNC装置中

14、还能完成对椭圆、抛物线、正弦线和一些特殊曲线的插补计算。插补计算实时性很强，要尽量缩短一次插补运算的时间，以便更好地处理其他工作，并使进给的最大速度得以提高。,5位置控制 位置控制可以由软件来实现，也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。在位置控制中，还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。 6I/O处理 I/O处理主要是处理CNC装置与机床之间的强电信号的输入。,7显示 CNC装置的显示主要是为操作者提供方便，通常有零件加工程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态

15、显示、报警显示等，高档CNC装置中还有刀具加工轨迹的静、动态图形显示以及在线编程时的图形显示等。 8诊断 现代CNC装置都具有联机和脱机诊断能力。联机诊断是指CNC装置中的自诊断程序。这种自诊断程序融合在各个部分中，随时检查不正常的事件。脱机诊断是指系统不工作，但在运转条件下的诊断，一般的CNC装置配备有各种脱机诊断程序纸带，以检查存储器、外围设备、I/O接口等。脱机诊断还可以采用远程通信方式进行，即把用户的CNC装置通过电话线与远程通信诊断中心的计算机相连，由诊断中心的计算机对CNC装置进行诊断、故障定位和修复。,2.2 CNC系统的硬件体系结构,CNC装置由软件和硬件两大部分组成，硬件按其

16、结构的不同通常分为单微处理器结构和多微处理器结构两种。单微处理器结构多用于早期的CNC装置或现有的经济型CNC装置中；而多微处理器结构则多用于高档的、全功能型的CNC装置中，可实现数控机床的高进给速度、高加工精度和复杂功能的要求。本节主要讲述这两种硬件结构的特点和组成。,1单微处理机CNC装置的结构 单微处理器的CNC装置内一般只有一个中央处理器（CPU），有的CNC装置内虽然有多个CPU，但只以一个CPU为核心，由它控制总线和访问主存储器，其他的CPU只是辅助的专用智能部件。因此，这种CNC装置也被归为单微处理机结构一类。 所谓单微处理器结构，即采用一个微处理器来集中控制，分时处理数控的各个任务。 单微处理器的CNC装置由计算机部分、位置控制部分、数据输入/输出等各种接口及外围设备组成。,单微处理器结构的CNC装置中，不仅包括微型计算机系统的基本结构：微处理器和总线、I/O接口、存储器、串行接口和CRT/MDI接口等，还包括数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器（PLC）、主轴控制单元、手动输入接口、穿孔机和纸带阅读机接口以及其他选件接口等。,单微处理机结构