数控加工技术概论

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1、数 控 加工技 术,目 录,0 数控技术在国民经济发展中的重要地位 1.1 数控加工技术的基本概念一、基本概念二、数控机床的工作原理三、数控加工特点四、数控机床的主要性能指标 1.2 数控机床的组成与分类一、数控机床的组成二、数控机床的分类 1.3 数控加工技术的发展一、数控加工技术发展简述二、先进数控加工技术三、数控加工技术的发展趋势,1、数控技术的水平和普及程度是衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多

2、领域： 机械制造技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。,数控技术在国民经济发展中的重要地位,2、数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及产业、生物技术及产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备,制造技术和装备就是的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。,3、工业发达国家将数控技术及装备列为国家的战略物资,工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数

3、控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。 总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。,例：多轴数控机床（“九余度推进器电脑工作母机” ）改进核潜艇性能,东芝事件,“东芝“事件：苏联日本联手打破美国技术封锁,1999年考克斯报告 不仅污蔑中国“窃取”美国核武器和导弹技术，而且还攻击中国将美国高性能计算机、民用航空、精密机械等先进技术用于军事目的，并据此建议要全面加强对中国两用商品和技术出口的控制，甚至无理要求中国建立所谓的公开和透明的制度，能使美国指定的美国国民在不事先通报的情况下，对最

4、终用户进行就地检查。,4、数控技术在机械制造业的地位尤为突出,随着计算机技术的发展，数控技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替。目前国外机械设备的数控技术化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足20%。工业化国家经济总产值的50%（日本）至68%（美国）是由制造业创造的，制造业对发展国家经济有决定性的影响，而发展机床业是发展制造业的根本。 数控机床是典型的机电一体化产品，是现代制造业的主流设备，是体现现代机床技术水平、现代机械制造业工艺水平的重要标志，是关系国计民生、国防尖端建设的战略物资。,一、基本概念,

5、1.1数控加工技术的基本概念,数字控制（Numerical Control，NC），简称数控：就是用数字化的信息对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。具体来说，数控就是采用计算机或专用计算机装置进行数字计算、分析处理、发出相应指令，对机床的各个动作及加工过程进行自动控制的一门技术。例：N003 G90 G01 X+35. Y+279.3 Z-429.7 S1000 T02 F500 M07； 数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。以计算机为核心的数控系统称为计算机数控系统（Computer Numerical Control ），即CNC系统,数

6、控机床（Numerical Control Machine Tools） ：就是装备有计算机数控系统的自动化机床。 数控加工：是指在数控机床上进行工件切削加工的一种工艺方法，即将根据工件图样和工艺要求等原始条件编制的工件数控加工程序输入数控系统，控制机床刀具与工件的相对运动，从而实现工件的加工 。 数控机床将加工过程的各种机床动作，由数字化的代码表示，通过某种载体将信息输入数控系统，控制计算机对输入数据进行处理，来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床加工出所需要的工件。例如：,5轴铣削加工鞋模,叶轮加工,二、数控机床的工作原理,1、数控机床的工作流程,（1）数控加工程序的编制 （2）输入

7、（3）译码 （4）刀具补偿 （5）插补 （6）位置控制和机床加工,图1.1 数控加工流程, 零件工 艺分析,编写零件的加工程序,零件的加工程序输入 CNC系统,刀具路径模拟, 零件加工,根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。,按规定的程序代码、格式编写零件加工程序单；或用CAD/CAM生成零件的加工程序。,操作面板输入、串行通信（DNC）输入、磁盘输入等。,机床空运行、软材料（铝、塑料）或工件材料首件试切，以检验CNC程序的正确性。,通过对机床的正确操作，运行程序，完成零件的加工。,数控加工流程,2、数控系统的工作过程,（）数据输入：输入数控系统的有零件程序、控制参数

8、、补偿数据，输入过程中还需完成校检和代码转换等工作。 （）译码处理：以零件程序的一个程序段为单位进行处理，将程序段中的零件轮廓、加工速度以及辅助功能等信息。解释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区间。 （）数据处理：一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。 （）插补运算：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），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

9、型（如直线、圆弧等）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 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）。,（）位置控制：可由软件或由硬件实现，其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动机，进而控

10、制机床工作台（或刀具）的位移 ，这样机床就自动地按照零件加工程序的要求进行切削加工 。,、伺服系统的工作原理在数控机床中，伺服系统接收来自数控系统的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动，实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。,数控机床的工作原理,机床数字控制原理：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。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）。,

11、数控机床的控制： 包括开关量控制和轨迹控制。 开关量控制：为配合数控加工，所需要的开关动作控制，如程序停、冷却液开停、主轴正反转等等。由辅助功能指令实现。 轨迹控制:直线、圆弧及其它各种平面和空间轨迹。由插补指令实现,如直线插补、圆弧插补、抛物线插补、螺旋线插补、样条插补、曲面直接插补等。 插补指令越丰富，数控功能越强。,三、数控加工特点,（1）数控加工特点 1)自动化程度高，减轻工人的劳动强度和改善劳动条件 ； 2)零件加工精度高、产品质量稳定； 3)加工生产率高； 4)良好的经济效益；5)复杂产品加工能力强；6)适应性强，适合加工单件或小批量复杂工件；7）有利于生产管理的现代化。（2）数控

12、加工适用范围1)多品种小批量生产的零件； 2)几何形状复杂的零件； 3)需进行多种工序加工的零件； 4)加工精度高的零件； 5)贵重零件； 6)需要频繁改型的零件； （3）缺点 1)初次设备投资大； 2)对使用者技术要求高。,四、数控机床的主要性能指标,表1.1 数控机床的主要性能指标,续表,图1.3 五坐标联动加工,图1.2可控6轴加工中心示意图,表1.2 VMC650m高速五轴加工中心技术参数,续表,1.2 数控机床的组成与分类,一、数控机床的组成,图1.4 数控机床的组成,（1）信息输入：程序、参数、数据等的输入通道。输入方式有穿孔纸带、磁带、磁盘、MDI（手动数据输入）方式等。（2）数

13、控装置：是数控机床的核心。包括CPU、存储器、各种接口电路等硬件和相应的软件。,数控装置的主要功能： 多轴联动。 多种函数插补：直线、圆弧、抛物线、螺旋线、样条等。 多种程序输入功能。 信息转换功能：EIA/ISO、公制/英制、绝对值/增量值、坐标变换等。 补偿功能：刀具长度补偿、刀具半径补偿、间隙、螺距误差补偿等。 多种加工方式选择（平移、镜像、旋转）。 故障自诊断功能。 显示功能：用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形、三维动态图形。 通讯和联网功能。,（3）伺服驱动装置：接受数控装置来的指令，将信号进行调解、转换、放大后驱动伺服电机，带动机床执行部件运动。 （4）检测反馈装置：速度、位置检

14、测反馈装置，由检测元件和相应的电路组成。 （5）机床主机：是数控机床的主体，包括主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件等。 （6）机电接口：M、S、T（PLC）,二、数控机床的分类,1、按工艺方法分类（1）金属切削类数控机床，如：数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控镗床、数控磨床等（2）金属成型类数控机床，如数控折弯机、数控弯管机等（3）数控特种加工机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光加工机床等（4）其它类型数控机床，如三坐标测量机等,2、按运动控制的特点分类1、点位控制数控机床 2、直线控制数控机床 3、轮廓控制的数控机床 点位控制：对于一些加工孔用的数控机床，

15、需严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运动中不加工。典型的机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。, 直线控制： 特点：（1）控制两相关点的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线 （2）路线由与各个轴线平行的直线段组成 （3）使用于数控车床、数控镗铣床、加工中心等,轮廓控制(Contouring Control)：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1.3所示,将曲线L分割成：l1、l2、l3、li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

16、。典型机床有数控车床、数控铣床、加工中心等。 轮廓控制也称连续轨迹控制，其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。,3、按伺服系统的类型分类,（1）开环控制的数控机床没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。,图1.8 开环数控机床,开环伺服系统的执行元件：步进电机（适于轻载、负荷变动不大）,开环步进伺服系统的特点,无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。,（2）闭环控制的数控机床 检测工作台直线位移（检测元件：感应同步器、光栅）,