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机械设备数控技术华南理工大学机械与汽车工程学院有问题探讨请联系88372969李勇meliyong@scut.edu.cn主要参考书王永章《机床的数字控制技术》哈工大出版社，2002年廖效果、刘又午等《数控技术》湖北科学技术出版社武汉，2000年毕承恩，丁乃健《现代数控机床》机械工业出版社北京，1994教学方法与考核方式•教学方法–课堂教学–实验教学–自学–专题讲座•考核方式–考试（70%）–平时成绩（30%）•读书报告、大作业等•课堂提问、考勤机械设备数控技术第一章数控机床的概述第二章数控机床的机械结构第三章CNC系统原理及结构第四章数控加工程序的编制第五章数控装置的插补与刀具补偿第六章位置检测装置第七章数控机床的伺服系统第一章数控机床的概述1.1数字控制的基本概念1.2数字机床的组成及工作原理1.3数控机床的分类1.4数控机床的特点及应用范围1.5数控机床的发展内容提要：本章主要介绍数字控制的概念、数控技术、数控设备的工作过程，数控机床的基本概念、体系结构、工作原理及分类；数控机床的应用范围及发展动向，使读者对现代数控技术与数控系统有大致了解。第一章数控机床的概述我国第一台数控机床第一章数控机床的概述华南理工大学自制的第一台数控机床数控车床第一章数控机床的概述数控铣床加工中心数控钻床第一章数控机床的概述数字控制（NumericalControl）简称数控（NC），是近代发展起来的一种自动控制技术，是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数字控制技术（NumericalControlTechnology），是指用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。数控机床(NumericalControlMachineTools)是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。1.1数字控制的基本概念数控系统是一种控制系统，它自动输入载体上事先给定的数字量，并将其译码，在进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件。硬件数控（NC）早期的数控系统，它由硬件逻辑电路来实现其控制功能。计算机数控（CNC）系统由计算机承担数控中命令发生器的控制器的数控系统。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。1.1数字控制的基本概念工艺分析数控加工程序工序卡BACKSPACECTRLINSCRTABALT0SHIFTZENDWHOMETPgDnOPgUpJRSTE65“432？198:7YXVU[]SRPQNMKLIHFGDCABESC14''彩色显示器空运行Z轴锁定MST锁定任选程序段机床锁定快进+JOG-JOG主轴正转主轴停主轴反转急停超程解除循环驱动进给保持冷却液开关刀松/刀紧主轴修调16010进给修调16050403020100电源关开1自动方式选择回零手摇点动步进单段驱动器NC机床电源XYZA主轴超程报警手摇脉冲发生器2010090增量倍率1000101001坐标轴选择ZYX传统加工数控加工数控加工与传统加工的比较1.1数字控制的基本概念1.2数控机床的工作原理及组成数控机床是典型的数控化设备，它一般由以下几部分组成：一、程序编制及程序载体二、输入输出装置三、计算机数控装置及强电控制装置四、伺服驱动系统及位置检测装置五、机床的机械部件1.2.1数控机床的组成1.2.1数控机床的组成机床I/O电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数控装置操作面板PLC计算机数控系统机床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备程序的编制是根据零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，用标准的由文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编好的数控程序存放在一种存储载体上，程序载体(信息载体)又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。一程序编制及程序载体1.2.1数控机床的组成一程序编制及程序载体控制介质输入设备输入设备穿孔纸带纸带阅读机纸带穿孔机磁带磁带机或录音机磁盘磁盘驱动器控制介质与输入输出装置1.2.1数控机床的组成输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。二输入输出装置1.2.1数控机床的组成FANUC数控系统（显示器及操作面板）操作面板•它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。•组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。•它是数控机床特有部件。1.2.1数控机床的组成CNC装置(CNC单元)•组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。•作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心。三计算机数控装置及强电控制装置1.2.1数控机床的组成强电控制装置强电控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统作用：接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。此外，还有行程开关和监控检测等开关信号也要经过强电控制装置送到数控装置进行处理。三计算机数控装置及强电控制装置1.2.1数控机床的组成伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机测量装置位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）主轴运动指令：实现零件加工的切削运动（速度控制）四伺服驱动系统及位置检测装置1.2.1数控机床的组成机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。五机床的机械部件1.2.1数控机床的组成数控机床的结构1.2.2数控机床的工作过程一数控编程数控编程的一般过程如下图：1.2.2数控机床的工作过程二输入采用操作面板上的键盘、纸带阅读机、磁盘软驱、网络通讯接口等方式，把零件的数控加工程序、控制参数、补偿参数等操作信息输送到CNC数控装置中。三译码数控装置对接收到的数控加工程序进行语法检查，按照语法规则将其翻译成计算机可以识别的数据形式，并按一定的数据格式将这些数据存放在指定的内存专用存储区。四刀具补偿刀具补偿又叫做“刀补”，是指在生产现场根据刀具的实际测量值，将加工零件时所用刀具的半径和长度等现场数据输入CNC数控装置，数控系统根据这些刀补值进行运算，自动把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹，以便加工出所要求的零件轮廓。五插补在已知零件轮廓表面曲线段的起点和终点之间，进行“数据点的密化工作”。数控系统在每个插补周期内运行一次插补程序，得到一个微线段数据，数控机床的运动部件就沿着相应坐标走一步。这一步的距离，在经济型数控机床中称为“脉冲当量”，在中、高档数控机床中称为“最小设定单位”，它反映了数控机床可能达到的最高加工精度。1.2.2数控机床的工作过程六加工零件的轮廓表面是由许多曲线段（包括直线段）连接构成，数控系统执行一条数控加工程序，通常需要运行许多次插补周期，来生成一连串逼近零件轮廓曲线的微线段，从而加工出零件表面上的一段曲线。当数控加工程序单上的所有程序段全部执行完毕，就意味着数控机床加工零件结束。1.2.2数控机床的工作过程1.3数控机床的分类1.3.1按数控机床的运动轨迹分类按照机床的运动轨迹分，数控机床可以分为：点位数控机床、直线数控机床、轮廓数控机床。(1)点位控制数控机床(PointtoPointControlNCMachine)仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。(2)直线控制数控机床(StraitCutControlNCMachine)控制点与点之间的准确定位控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹），但其路线只是与机床坐标轴平行的直线，即同时控制的坐标轴只有一个（即数控系统内不必具有插补运算功能）适用范围：数控车床、数控铣床、数控磨床等点位直线控制切削加工1.3.1按数控机床的运动轨迹分类1.3.1按数控机床的运动轨迹分类(3)轮廓控制数控机床(ContouringControlNCMachine)轮廓控制数控机床的特点：轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。1.3.1按数控机床的运动轨迹分类采用轮廓控制系统进行加工时，实际上是采用折线逼近直线和曲线的方法。如下图1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类按照所用的进给伺服系统的类型分，数控机床可以分为三大类：开环数控系统、闭环数控系统、半闭环数控系统。(1)开环数控系统减速器数控装置控制电路工作台输入开环控制系统框图步进电机开环数控系统的特点：一般采用步进电机作为驱动装置没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好，但加工精度不高。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，适用性：一般仅用于运动速度较低和工作精度不高的经济型数控机床1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类(2)闭环数控系统数控装置控制电路伺服电机工作台输入闭环控制系统框图位置检测元件速度检测元件速度反馈位置反馈1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类闭环数控系统的特点：安装了位置检测装置，并且在进给系统末端的执行部件上，实测它的位置或位移量从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类(3)半闭环数控系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置数控装置控制电路伺服电机工作台输入半闭环控制系统框图速度检测元件速度反馈位置反馈转角检测元件1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类半闭环数控系统的特点：闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差。半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，比开环数控系统的精度高。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类1.3.3按所用的数控装置类型分类按照所用的数控装置类型分类，数控机床可以分为：硬件数控系统、计算机数控系统。(1)硬件数控系统硬件数控(NC)使用硬件数控装置，它的输入处理、插补运算和控制功能都由专用的固定组合逻辑电路来实现，不同功能的机床，其组合逻辑电路也不相同。改变控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件电路，因此通用性、灵活性差，制造周期长，成本