01概述

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1、数控技术 （Numerical Control Technology）,课时：28+4 教师：余道洋 联系方式：,主要参考书,廖效果 . 数控技术 . 武汉：湖北科学技术出版社 林奕鸿 . 机床数控技术及其应用. 北京：机械工业出版社,教学方法与考核方式,教学方法 课堂教学（28学时） 实验（4学时） 自学,考核方式 考试（70） 平时成绩（30） 作业 实验 考勤,数控技术课程体系,数控技术概述（2） 数控程序编制（8） 计算机数控装置（8） 软硬件结构、插补、补偿机制、速度控制 进给伺服系统（8） 步进、直流、交流电机驱动的伺服系统 位置检测装置 数控机床的机械传动结构（2）,主要内容,主

2、要内容,数控程序,控制介质,数控装置,伺服系统,机床本体,检测反馈系统,毛坯或半成品,加工成品,2章,4章,3章,4章,5章,第一章 数控技术概述,几个定义 发展历史 特点 控制原理及组成 分类,1.1 定义,数控技术（Numerical Control Technology） 数控系统（Numerical Control System） 计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ） 数控机床（Numerical Control Machine Tools）,1.1 定义,数控技术： 利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。 具体实现：数控机床

3、、三坐标测量仪、机器人、绘图仪、折弯机、弯管机、切割机（线、火焰、激光）等。,1.1 定义,数控系统： 用来实现数字信息控制的硬件和软件的整体。 核心：数控装置。 计算机数控系统： 用计算机进行控制的数控系统。,1.1 定义,数控机床： 采用数控技术进行控制的机床。 采用的技术： 计算机技术 自动控制技术 精密测量技术 机床设计技术,对比： 普通车床加工 VS 数控车床加工,12,1.2 NC发展历史,1、产生背景 单件、小批量、复杂型面（图） 高效率、高精度、高自动化 2、发展过程 1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。（图） 1955年，第一台工业

4、用数控机床由美国Bendix公司生产出来。 从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。,13,NC机床发展经历,第一代：1955年 NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。 第二代：1959年 NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。 第三代：1965年 NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。（图） 以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”,NC机床发展经历,第四代：1970年 NC系统采用大规模集成电路，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。 第五代：1974年 NC系统以微处理器为核

5、心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。,NC机床发展经历,第五代又可分为六个发展阶段： 1974年：系统采用CRT显示，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。 1979年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。 1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。 1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。 1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。 1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑。,1.3

6、 NC机床特点,柔性高（能适应不同零件的自动加工） 效率高 精度高 质量稳定 有利于生产管理,1.4 NC机床控制原理及组成,1.4.1 NC机床控制原理,数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作 数控程序 几何信息：刀具、工件的相对运动 工艺信息：主运动和进给运动的速度、切深等 辅助信息：主运动变速、刀具更换、冷却液启/停、工件夹紧/松开,1.4.2 NC机床的组成,程 序 编 制,输 入 输 出 装 置,数 控 装 置 CNC,伺位 服置 驱检 动测 及,辅电 助控 装制 置装 即置 强,机床主进辅 运给助 动动动 机作作 构机机构构,主要内容,西门子系统的显示操作部件、驱动器、可

7、编程控制器,1.5 NC机床分类,1） 按加工功能（运动轨迹）分类 2） 按进给伺服系统类型分类 3） 按所用数控装置类型分类 4）按功能水平分类 5） 按工艺方法分,1）按加工功能（运动轨迹）分类,点位控制数控机床 直线控制数控机床 轮廓控制数控机床,点位控制数控机床,用于加工平面内的孔系，如数控钻床、数控镗床、数控冲床、印刷电路板钻孔机、三坐标测量机等,直线控制数控机床,平面轮廓加工数控机床 空间轮廓加工数控机床 三坐标控制两坐标联动机床使用“行切法”进行加工 三坐标联动加工 四坐标联动加工 五坐标联动加工 注：五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况,轮廓控

8、制数控机床,平面轮廓加工数控机床,行切法加工空间轮廓,以X、Y、Z轴中任意两轴作插补运动，另一轴（轴）作周期性进给。一般采用球头或指状铣刀，在可能的条件下，球半径应尽可能选择大一些，以提高零件表面光洁度。,三坐标联动加工,右图为内循环滚珠螺母的回珠器示意图。其滚道母线SS为空间曲线，可用空间直线去逼近，因此，可在具有空间直线插补功能的三轴联动的数控机床上进行加工，但由于编程计算复杂，宜采用自动编程。,四坐标联动加工,如下图所示的飞机大梁，其加工面为直纹扭曲面，若采用三坐标联动加工，则只能用球头刀。不仅效率低，而且加工表面粗糙度差，为此可采用如图所示的圆柱铣刀周边切削方式在四轴联动机床上进行加工

9、。由于计算较复杂，故一般采用自动编程。,螺旋桨是典型零件一般采用端铣刀加工，为了保证端铣刀的端面加工处的曲面的切平面重合，铣刀除了需要三个移动轴（X、Y、Z）外，还应作与螺旋角、后倾角摆动运动。因此，叶面的加工需要五轴（X、Y、Z、A、C）联动，这种编程只能采用自动编程系统。,五坐标联动加工重型燃机、汽轮机等的叶片制造,五轴五联动加工中心,2）按伺服系统类型分类,开环 半闭环 闭环,开环,特点:没有位置检测装置，指令信号是单向的。结构简单， 制造成本较低，价格便宜, 精度一般不高。 用于经济型数控车、铣、线切割机床。,半闭环,特点:带有位置检测装置，常安装在伺服电机上或丝杠的端部，通过检测伺服

10、电机或丝杠的角位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置值，然后与指令位置值进行比较，进行差值控制。 闭环控制环内不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节，因此可以获得稳定的控制特性，而且调试比较方便，价格也较全闭环系统便宜。,闭环,特点:带有位置检测装置,安装在机床刀架或工作台等执行部件上, 随时检测执行部件的实际位置。进行差值控制，误差修正，直到消除。加工精度很高,但由于它将丝杠螺母副及工作台导轨副这些大惯量环节放在闭环之内,系统稳定性受到影响,调试困难,且结构复杂、价格昂贵。,3）按所用数控装置类型分类,硬线数控机床 20世纪70年代初期以前 使用硬线数控装置，由专用的固定组合逻

11、辑电路实现控制功能 灵活性差，制造周期长，成本高 计算机数控机床 硬件电路：计算机+大规模集成电路 主要功能几乎全部由系统软件来实现,4）按功能水平分类,高级型数控系统 普及型数控系统 经济型数控系统,表1.1 数控系统的功能分类,存在的问题及主要技术指标,问题： 造价较高，很多企业特别是小企业还无法接受； 调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员; 对编程人员的技术水平要求较高。 数控装置的主要技术指标 控制轴数和联动轴数 脉冲当量（控制分辨率） 定位精度和重复精度 行程 主轴转速和调节范围 进给速度和调节范围,准备功能（G功能） 辅助功能（M功能） 自动加减速功能 开关量接口,主要内容,金属

12、切削数控机床 金属成形数控机床 特种加工数控机床,5）按工艺方法分:,普通数控机床 加工中心,OR,主要内容,数控车床,数控弯管机,锥度电火花线切割机床,主要内容,滚 齿,数控机床的应用范围,数控机床对刀具的要求,精度较高、寿命高、尺寸稳定、变化小； 快速换刀； 刀柄应为标准系列； 能很好地控制切屑的折断、卷曲和排出； 具有很好的可冷却性能。,47,数控技术的发展趋势,高速高精度 智能化 应用自适应控制技术 自动编程技术 具有故障自动诊断功能 应用模式识别技术 开放式数控系统 基于网络的数控系统 驱动并联化 数字制造,并联机床,大型立式数控车床,立式铣削加工中心,主要内容,按工艺方法分,双主轴

13、、双刀塔 CNC车床结构示意,主要内容,双主轴、双刀塔,数控加工中心,数控刀具,组合式刀具及刀杆,数控车削刀具组成,数控铣削刀具组成,58,立式加工中心加工叶轮,被加工出的各种工件,在车削加工中心上进行铣削,1952年第1台数控铣床,硬线NC,效率高,效率（p）与单件工时（t）相关 p=1/t t=t加工+t辅助 t加工 机床功率大，可提供更大的进给、切深；无极调速，进给速度范围广，可找到合适的速度；复杂型面零件加工。 t辅助 辅助设备：自动换刀、准备工作台；可实现工序集中,精度高,机床本身的制造精度高 采用数字量控制，不受零件形状复杂程度影响 采用补偿机制 间隙补偿（齿轮侧隙、丝杠螺母副间隙

14、等） 刀具磨损补偿,质量稳定,加工按照数控程序进行，人为影响小 记忆能力 操作水平 责任心,有利于生产管理,能准确计划零件的加工工时 简化检验工作 减轻了工夹具、半成品的管理工作 减少了因误操作而出废品及损坏刀具的可能,输入/输出装置,作用 输入：数控程序、加工与控制数据、机床参数 输出：坐标轴位置、检测开关的状态 装置 键盘、显示器、光电阅读机、磁带机、软盘驱动器,数控装置（MCU）,组成：输入/输出接口线路、控制器、运算器、存储器 作用：将输入装置输入的数据，通过内部逻辑电路或控制软件进行编辑、运算和处理，并输出各种信息和指令，以控制机床的各部分进行规定的动作,伺服驱动,作用 根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移 组成 伺服放大器（驱动器、伺服单元） 伺服驱动装置（电机）,机械部件,组成 主运动部件 进给运动部件 辅助装置 刀库、换刀机械手（加工中心特有的） 与普通机床类似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制,