博士生数控技术 概述

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1、数控技术专题数控技术专题数控铣削加工的零件加工中心加工的零件第一部分 概述 1.1 数控与数控机床 1.概念数控: 数字控制（NC Numerical Control）。数控技术：用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一种技术。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。 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CAD/CAM/CAPP /关系 : 通讯CAD :计算机辅助设计(Computer Aided Design) CAM:计算机辅助制造(Computer Aided Maunfacturng)

2、CAE :计算机辅助工程 (Computer Aided Engineering)CAD CAM CAE 范畴划分 CNC与现代先进制造系统关系 : CNC用在制造系统中CNC： DNC FMC FMS CIMS 并行工程、敏捷制造、数字化制造、网络制造、绿色制造、纳米制造、高速加工等等。初 步 设 计分 析 模 拟详 细 设 计制图生 产 准 备工 艺 设 计N C 编 程机 器 人 编 程制造N C 加 工装配检验产品CAECADCAM CAD/CAM CAD/CAM/CAE广义CAD广义CAM广义CAD/CAMCAPP2.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

3、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。 3.数控技术的发展历史 1952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； 1960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（CNC ）； 1974年，第五代微型计算机数控（MNC，统称CNC） ； 1980年后，FMS、FMC、CIMS、开放式数控（open NC）系统、智能制造系统（IMS）大发展。 1990年后,高速加工，纳米制造。1.2 数控机床的工作原理1.机床数字控制的原理

4、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。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）。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。XYOPQ123图1.1点位控制 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L为例，要求刀具沿（逼近）曲线轨迹运动，进行切削加工。如图1.2所示。将曲线L分割成：l0、l1、l2、li等线段。用直线（或

5、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。轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的移动量 进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控 制，以便加工出给定的轨迹 1112131516xy14X1Y1O1T1L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（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，是数控的基本构思之一。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

6、弧等）逼近。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：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。分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。 插补分类：基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。 基点和节点基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点；节点：轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）。2.数控机床的控制轨迹控制开关量控制 1.3 数控机床的组成及分类 1.数控机床的组成数控系统：I/0接口、CNC装置、伺服系统、PLC 机械主机

7、：主运动机构、进给运动机构、辅助机构、床身等输入 数控装置 驱动装置 机床MG测量反馈图3 数控机床的组成 2 .数控机床的应用1）多品种变批量、单件小批量的自动化2）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。3 .数控机床的分类1）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，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

8、是关键技术。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 3）按工艺方法分类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：高、中、低档（亦称经济型） 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）6）按组成和功能开放式数控智能数控第二部分 数控机床控制系统（CNC）2.1 CNC系统的组成CNC系统由“数控装置”、“伺服系统”和系统程序组成。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。2.1.1 数控装置的

9、硬件组成及功能 1.数控装置的硬件包括：微机基本系统：CPU、总线、存储器、I/O设备等数控接口组件：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。接口：人机界面接口、通讯接口、机电接口辅助功能（M）控制接口等 2.硬件功能：与软件一起接收输入信息（程序）、经过译码、轨迹计算（速度计算）、补偿计算、加/减处理和插补运算，给各个坐标的伺服驱动器分配速度、位移指令，完成数控加工任务。 3.硬件具体组成 微机基本系统人机界面接口:键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器 通讯接口、 RS232、RS485串行接口、网络接口进给轴位置控制接口 主轴控制接口 辅助功能（M 指令）控制接

10、口 CPUROMRAMIN接 口0UT 接 口其它 接 口通讯 控制 接 口位置 控制 接 口主轴 控制 接口MDI/ CRT 接口手摇脉 冲发生 器接口图4 单CPU数控装置2.1.2 数控装置软件的基本组成和功能软件由控制功能程序、管理功能程序组成 1.控制功能程序-实时性强,用于进给坐标的位置控制，中断完成;译码;预处理（刀补和速度处理）；插补；位控；2.管理功能程序-实时性稍差，但要保证控制软件数据的供给传递，具体见图。CNC软件管 理 控 制显 示 S T MI/O处理通讯诊断译 码刀具补偿速度处理插 补位置控制输入存储图5 数控装置软件组成 第三部分 数控机床的结构及设计 3. 1

11、 机床本体机床本体也称主机，它包括:主运动部件:主轴箱及主轴；进给运动部件：进给传动件、工作台、刀架、导轨等；基础部件：支撑部件，如：底座、床身、立柱等；特殊部件：刀库、自动换刀装置和托盘交换装置等）；现在包括CNC装置，各个部件都看做功能部件，专门生产。3. 2 数控机床主机的特点主运动及进给坐标轴都由单独的伺服电机驱动；传动链短、结构比较简单；运动关系由计算机来协调控制。采用高效传动件：精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密齿条、静压、磁浮导轨等。机械结构应具有较高的静态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能。在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手。配套设施齐全，如：冷却、自

12、动排屑、防护、可靠的润滑、对刀仪等 。3. 3 主机的设计3.3.1 总体设计1. 总体方案：布局外观、精度、性能、静动态特性（刚度特性摩擦特性、热特性）.2. 参数：功率、扭矩、转速、行程、速度.3. 机电匹配：机电分工、电机和控制系统的选择.3.3.2 主传动系统设计1. 传动系统.2. 电主轴. 3. 自动卡盘.4. 动力刀架.3.3.3 进给传动系统设计 1.开环、半闭环、全闭环.2.传动方案.3. 高效传动件的设计、选择、计算、机电匹配.4. 直线电机系统. 3.3.4其它系统的设计1.数控回转工作台.2.换刀机械手。3.刀库、刀具系统.4.冷却、排屑系统.第四部分 数控技术的发展方

13、向4. 1 数控技术总的发展趋势 当代，数控技术的典型应用是FMC/FMS/CIMS，其发展方向是高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复合化、开放化和智能化以及数控标准的发展。目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统。4. 2 新的数控标准 STEP-NC 4.2.1 STEP-NC标准的产生及概念1.产生： 数控发展已50多年了，编程还在采用G、M代码、地址字的程序格式（ISO6983），它是面向运动和开关控制的语言。 限制了CNC系统的开放性和智能化发展的需要，使CNC与CAM技术之间形成了瓶颈。 体现不出IT技术与MT技术的结合：CAD/CAM/CAE/PDM限制了制造业的发

14、展。 为此国际标准化组织ISO制定了“产品模型数据交换标准”STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）（ISO10303） 产品模型数据转换标准STEP，是面向对象的数据模型，将此扩展到数控领域，形成了STEP-NC新标准（ISO-14649）2. STEP-NC数据模型STEP-NC为“新型的CNC控制器数据模型” 标准，它是从CAM到CNC的数据模型。 STEP、STEP-NC是中性的,采用面向对象的语言:EXPRESS,以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，STEP-NC数控系统能进行CAD /CAM与CNC一

15、体化的加工。 STEP-NC为CNC系统重新规定CAD/CAM与CNC之间的接口，可以进行数据交换。要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型（包括工件几何数据、设置、制造特征信息、工艺信息和刀具信息），而直接产生的加工程序用来控制机床。 3. STEP-NC研制情况 STEP-NC是当前世界各国正在开展的研究项目。 欧洲、美国（Super Model项目）、韩国、日本（Digital Sater项目）都在积极的进行，而且关于STEP-NC的研究已取得了实质性的进展。 法那科、西门子数控系统公司都宣布将执行STEP-NC标准。4.2.2 STEP-NC标准的内容STEP-N

16、C定义了一个新的应用协议AP-238 ，作为 CAM与CNC之间数据交换的具体规范 。1. AP-238AP-238包括从产品概念到成品（零件）全过程所需的全部信息。其中有： 三维几何信息-AP-203/AP214； 特征信息-AP-224； 工艺信息（如车、铣、放电加工等）-AP-219； 检测信息-AP-219等等。 2. STEP-NC 标准（草案）内容：有关基本规则与铣削加工的标准（草案）已完成，包括： 基本概念和规则（Part 1）； 通用数据（Part 10）； 数控铣削加工工艺（Part 11）； 刀具、铣削刀具（Part 111）等。正在制定的STEP-NC标准有： 数控车削加工（Part 12）； 放电加工（Par