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1、数控技术的基本知识和现代数控的发展方向数控技术的基本知识和现代数控的发展方向哈尔滨工业大学机电学院数控技术研究室哈尔滨工业大学机电学院数控技术研究室2004年年5月月12日日第第一部分数控技术的基本概念一部分数控技术的基本概念1.1 数控与数控机床1.概念1.1 数控与数控机床1.概念 数控:数控:数字控制（数字控制（NC Numerical Control）,以数字化信 息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。）,以数字化信 息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。NC已成为 数控加工的专用术语。已成为 数控加工的专用术语。 数控技术：数控技术：用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一
2、种技术，它综合应用了多种学科的知识用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一 种技术，它综合应用了多种学科的知识。 数控机床：数控机床：是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生 产系统的基本单元。是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生 产系统的基本单元。数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及 程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及 程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。CNC与与CAD/CAM/CAPP /关系关系 : 通讯 通讯 CAD :计算机辅助设计(:计算机辅助设计(Computer Aided Desi
3、gn) ) CAM:计算机辅助制造(:计算机辅助制造(Computer Aided Maunfacturng) ) CAE :计算机辅助工程:计算机辅助工程 (Computer Aided Engineering)CAD CAM CAE 范畴划分范畴划分 CNC与现代先进制造系统关系与现代先进制造系统关系 : CNC用在制造系统中用在制造系统中 CNC：DNC FMC FMS CIMS FA 并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、 绿色制造、纳米制造、高速加工等等。并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、 绿色制造、纳米制造、高速加工等等。初步设计初步设计分析模拟分析
4、模拟详细设计详细设计制图制图生产准备生产准备工艺设计工艺设计N C 编程编程机器人编程机器人编程制造制造N C 加 工加 工装配装配检验检验产品产品CAECADCAM CAD/CAM CAD/CAM/CAE广义广义CAD广义广义CAM广义广义CAD/CAMCAPP2.数控技术产生的原因数控技术产生的原因 高精度、高效率； 刚性自动化不能满足的要求（手工、小规模、大规模生产）； 柔性自动化（多品种、变批量）、复杂零件的加工（多坐 标加工）； 计算机技术的发展。高精度、高效率； 刚性自动化不能满足的要求（手工、小规模、大规模生产）； 柔性自动化（多品种、变批量）、复杂零件的加工（多坐 标加工）；
5、计算机技术的发展。 3.数控技术的发展历史数控技术的发展历史 1952年，第一代电子管数控系统；年，第一代电子管数控系统； 1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、 加工中心；年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、 加工中心； 1960年，第三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统（称为年，第三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统（称为 NC； 1970年，第四代小型计算机数控（年，第四代小型计算机数控（CNC ）；）； 1974年，第五代微型计算机数控（年，第五代微型计算机数控（MNC，统称，统称CNC） ； ； 1980年后，年后，FMS、FMC、CIMS、开放式数控（
6、、开放式数控（open NC）系 统、智能制造系统（）系 统、智能制造系统（IMS）大发展。）大发展。 1990年后,高速加工，纳米制造。年后,高速加工，纳米制造。1.2 数控机床的工作原理数控机床的工作原理1 1. .机床数字控制的原理机床数字控制的原理将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程序的要求，经过信息处理，
7、分配，使各坐标以最小位移量为单位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理，即轨迹控制原理（插补原理）。即轨迹控制原理（插补原理）。点位控制：点位控制：严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。XYOPQ123图1.1点位控制轮廓控制：轮廓控制：加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。以平面（两维）的任意曲线加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。以平面（两维）的任意曲线L为例，要求刀具为例，要求刀具沿（
8、逼近）曲线轨迹运动，进行切削加工。如图沿（逼近）曲线轨迹运动，进行切削加工。如图1.2所示。将曲线所示。将曲线L分割成：分割成：l0 、l1 、l2 、li 等线段。用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差等线段。用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差相当小时，这些折线段之和就接近了曲线。相当小时，这些折线段之和就接近了曲线。轮廓控制也称连续轨迹控制轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的，它的特点是不仅对坐标的移动量移动量进行控制，而且对各坐标的进行控制，而且对各坐标的速度速度及它们之间的及它们之间的比率比率都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹都要进行严格控制，以
9、便加工出给定的轨迹1112131516xy14X X1Y1O1T1L图1.2轮廓控制: :这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动（小线段、小圆弧）（小线段、小圆弧）代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，是数控的基本构思之一。是数控的基本构思之一。插补插补（Interpolation） 是用被加工轨迹的有限信息（如起点和终点之间），计算插进刀具运动的许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近。（Interpolation）
10、 是用被加工轨迹的有限信息（如起点和终点之间），计算插进刀具运动的许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近。 插补有二层意义插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近：基本线型的形成及如何分段逼近。 基本线型基本线型：由插补指令完成由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、纳米插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直接插补、纳米插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型面的加工。 分段逼近分段逼
11、近：按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。 插补分类：插补分类：基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。 基点和节点基点和节点 基点基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点称为；：在数控加工图纸中，基本线型的交点称为； 节点节点：轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）。为什么补用数学函数直接插补？为什么补用数学函数直接插补？ 计算费时间 ，不能满足实时控制的要求；计算费时间 ，不能满足实时控制的要求； 有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式；有的被加
12、工轮廓用列表点表示的，没用数学公式； 数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。2.数控机床的控制2.数控机床的控制轨迹控制开关量控制轨迹控制开关量控制1.3 数控机床的组成及分类1.3 数控机床的组成及分类1.数控机床的组成1.数控机床的组成数控系统：数控系统：I/0接口、CNC装置、伺服系统、PLCI/0接口、CNC装置、伺服系统、PLC机械主机：机械主机：主运动机构、进给运动机构、辅助机构、床身等主运动机构、进给运动机构、辅助机构、床身等输入输入数控装置数控装置驱动装置驱动装置机床机床MG测量反馈测量反馈图3 数控机床的组成图3 数控机床的组
13、成2 .数控机床的应用2 .数控机床的应用1）多品种变批量、单件小批量的自动化多品种变批量、单件小批量的自动化2）2）柔性加工和柔性自动化柔性加工和柔性自动化小批量而又轮番生产的零件；几何形状复杂的零件；在加工过程中必须进行多种工序加工的零件；切削余量大的零件；必须严格控制公差（公差带范围很小）的零件；工艺设计会经常变化的零件；贵重零件；需全部检测的零件，等等小批量而又轮番生产的零件；几何形状复杂的零件；在加工过程中必须进行多种工序加工的零件；切削余量大的零件；必须严格控制公差（公差带范围很小）的零件；工艺设计会经常变化的零件；贵重零件；需全部检测的零件，等等。3 .数控机床的分类3 .数控机
14、床的分类1）按控制运动的轨迹特点分类按控制运动的轨迹特点分类点位控制数控机床直线控制数控机床(单轴数控) 轮廓控制的数控机床：分为两坐标联动，点位控制数控机床直线控制数控机床(单轴数控) 轮廓控制的数控机床：分为两坐标联动，2.5坐标联动，三坐标联动，四坐标联动，五坐标联动等数控机床。五坐标联动是关键技术。坐标联动，三坐标联动，四坐标联动，五坐标联动等数控机床。五坐标联动是关键技术。2）按伺服系统的控制类型分类2）按伺服系统的控制类型分类开环控制的数控机床全闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床开环控制的数控机床全闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床3）按工艺方法分类3）按工艺方法分类金属切
15、削类数控机床：数控车床，数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。金属成型类及特种加工类数控机床金属切削类数控机床：数控车床，数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加工中心等。金属成型类及特种加工类数控机床4）按功能水平分类：）按功能水平分类：高、中、低档（亦称经济型）高、中、低档（亦称经济型）5）按驱动方式分类5）按驱动方式分类步进式直流伺服交流伺服（交流模拟、交流数字）步进式直流伺服交流伺服（交流模拟、交流数字）6）按组成和功能6）按组成和功能开放式数控智能数控开放式数控智能数控第二部分数控机床控制系统（CNC）第二部分数控机床控制系统（CNC）2.1 CNC系统的组成2.
16、1 CNC系统的组成CNC系统由“数控装置”、“伺服系统”和系统程序系统由“数控装置”、“伺服系统”和系统程序组成。组成。数控装置（专用计算机）：硬件和软件组成。数控装置（专用计算机）：硬件和软件组成。伺服系统：检测装置、驱动装置和伺服电机组成。伺服系统：检测装置、驱动装置和伺服电机组成。2.1.1 数控装置的硬件组成及功能2.1.1 数控装置的硬件组成及功能1.数控装置的硬件包括1.数控装置的硬件包括：微机基本系统：微机基本系统：CPU、总线、存储器、I/O设备等CPU、总线、存储器、I/O设备等数控接口组件：数控接口组件：进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件手摇脉冲发生器接口组件等。进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件手摇脉冲发生器接口组件等。接口：接
