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第1章概述课程简介(Introduction)本课程介绍：数控机床控制原理机床数控系统是一个普通的自动控制系统，人是一个天然的自动控制系统，他们之间的原理是相通的。加工程序（工作任务）数控装置（大脑）反馈装置（眼睛）伺服装置（四肢）机床本体（被控对象）第1章概述课程主要任务：三大项目•通过对数控原理和典型数控系统的分析和介绍，使同学们了解数控装置、伺服系统、检测装置、可编程控制器在数控机床上的功能和应用，常见数控机床的机械结构特点。•五大项目•1、坐标轴位置的控制（CNC）•2、主轴转速的控制（SP）•3、辅助装置的控制（PLC）•4、检测装置•5、机床结构特点第1章概述第1章绪论1.1机床数字控制的基本概念1.2数控系统的组成及分类1.3数控系统的发展第1章概述1.1机床数字控制的基本概念一、数控机床的概念数控（NumericalControl）数字控制是一种自动控制技术，是用数字化信号对控制对象的工作过程进行自动控制的一种方法。数控机床（NCMachine）数控机床就是采用了数控技术的机床，或装备了数控系统的机床。数控系统数控系统是一种程序控制系统，它能自动完成信息的输入、译码、逻辑运算，从而控制机床的运动和加工过程。第1章概述数控程序（NCProgram）输入数控系统中的、使数控机床执行一个确定的加工任务的、具有特定代码和其它符号编码的一系列指令。数控编程生成用数控机床进行零件加工的数控程序的过程。数控加工根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序，输入数控系统，控制数控机床中刀具与工件的相对运动，从而完成零件的加工。第1章概述二、数控技术的优点和缺点优点：1.加工精度高，重复精度高缺点：1.起点投资高2.生产率高（2~3倍）2.电子设备维护要求高3.设备的柔性高（适应范围广）3.操作人员要求高4.经济效益高5.劳动强度降低6.可加工很复杂的型面数控技术不依附于数控机床，但它却是随数控机床发展起来的，因此数控技术多指机床数控技术。第1章概述数控机床综合应用了计算机技术、自动控制技术、传感测量技术、光机电技术、精密机械的设计制造技术等各方面现代科技各方面的最新成果，是现代制造业的主要加工装备，也是数控技术的重要应用方面。数控机床是制造机器的机器，是先进的“母机”。第1章概述1.2数控系统的组成及分类数控机床由加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统、辅助控制装置、反馈系统以及机床本体等部分组成。数控机床的组成用框图表示如下：一、数控机床的组成第1章概述1.程序编制及程序载体数控程序由数控机床自动加工零件所需工作指令组成，包含切削过程中所必需的机械运动、零件轮廓尺寸、工艺参数等加工信息。编制程序的工作可以人工进行，也可以在数控机床以外用计算机自动编程系统来完成。对于几何形状比较简单的零件，程序段不多，可以采用手工编程；对于比较复杂特别是空间曲面零件，由于手工编程繁琐而费时，且易出错，需采用自动编程的方法。常用的程序载体有穿孔纸带、磁卡、磁盘、光盘等。程序载体我们称它为控制介质。第1章概述CNC机床在进行加工前，必须接受由操作人员输入的零件加工程序，然后才能根据输入的加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件。在加工过程中，操作人员要向机床数控装置输入操作命令，数控装置要为操作人员显示必要的信息，如坐标值、报警信号等。此外，输入的程序有时并非全部正确，还需要编辑、修改和调试。以上工作都是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，要进行信息交流，CNC系统中就必须具备必要的交互设备，即输入／输出装置。输入装置的作用是将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号并传送至数控装置的存储器。根据程序控制介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、录放机或软盘驱动器。最早使用光电阅读机对穿孔纸带进行阅读，之后大量使用磁带机和软盘驱动器。有些数控机床不用任何程序存储载体，而是将程序清单的内容通过数控装置上的键盘，用手工的方式输入。也可以用通信方式将数控程序由编程计算机直接传送至数控装置。2第1章概述3.数控装置（很可靠的计算机加数控软件）数控装置是数控机床的核心，包括微型计算机、各种接口电路硬件及相应的软件。它能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及各种控制功能。数控装置接受输入装置送来的脉冲信号，经过编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令来控制机床的各个部分，并按程序要求实现规定的、有序的动作。输出：主运动信号（速度、位置指令）辅控信号（换刀、冷却液和润滑液的控制、主轴的起停、加紧和松开）输入：位置、温度、压力等信号。第1章概述数控装置具备的功能有：①多坐标控制；②实现多种函数的插补；③信息转换功能，如英制/公制转换、坐标转换、绝对值/增量值转换；④补偿功能，如刀具半径补偿、长度补偿、传动间隙补偿、螺距误差补偿；⑤多种加工方式选择，如可以实现各种加工循环、重复加工；⑥具有故障自诊断功能；⑦通信和联网功能等。⑧多种程序输入功能(人机对话、手动数据输入、由上级计算机及其他计算机输入设备的程序输入），以及编辑和修改功能。⑨显示功能第1章概述4．伺服驱动装置伺服驱动装置包括主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置两部分。伺服驱动装置由驱动电路和伺服电动机组成，并与机床上的机械传动部件组成数控机床的主传动系统和进给传动系统。主轴伺服驱动装置接收来自PLC的转向和转速指令，经过功率放大后驱动主轴电动机转动。进给伺服驱动装置在每个插补周期内接收数控装置的位移指令，经过功率放大后驱动进给电动机转动，同时完成速度控制和反馈控制功能。根据所选电动机的不同，伺服驱动装置的控制对象可以是步进电动机、直流伺服电动机或交流伺服电动机。伺服驱动装置有开环、半闭环和闭环之分。由于主轴的运动没有进给轴的要求高，因此，有时普通数控车、铣床的主轴电机不是伺服电动机，而是普通电动机。第1章概述5．辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是接受数控装置输出的主运动换向、变速、起停、刀具的选择和交换，以及其他辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断和运算，经功率放大后直接驱动相应的驱动源，带动机床的机械部件，液压、气动装置等完成相应指令规定的动作，如工件的装夹、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助功能。它接收机床操作面板和来自数控装置的指令，一方面通过接口电路直接控制机床的动作；另一方面通过伺服驱动装置控制主轴电动机的转动。第1章概述6.反馈系统测量元件将数控机床各坐标轴的位移指令值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与设定值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。7.机床本体与传统的机床比较，数控机床本体仍然由主传动装置、进给传动装置、床身、工作台、辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统以及冷却系统等组成。但数控机床的整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构和操作结构等方面都发生了很大的改变。主要是为了满足数控系统对数控机床的要求。第1章概述二、数控系统的分类1、按工艺用途分类1)金属切削类数控机床这类数控机床如数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床、数控齿轮加工机床、加工中心等。尽管这些机床在加工工艺方面存在很大差异，具体的控制方法也各不相同，但它们都适合于单件、小批量和多品种的零件加工，具有很高的生产率和自动化程度。第1章概述2)金属成型类数控机床这类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床等。3)数控特种加工及其他类型机床这类数控机床如数控线切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控电火花加工机床等。第1章概述2、按运动轨迹分类1）点位控制这类机床只控制运动部件从一个位置到另一个位置的准确定位，不管中间的移动轨迹如何，在移动的过程中不进行切削加工，对两点之间的移动速度及运动轨迹没有严格要求。但通常为了提高加工效率，一般先快速移动，在以慢速接近终点。常见的有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。第1章概述2）点位直线控制这类机床的特点是运动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确移动定位，而且能够实现平行坐标轴方向或45°的直线轨迹运动的直线切削加工运动。常见的有简易数控车床。数控镗铣床等。第1章概述3）轮廓控制这类数控机床能够对两个或两个以上的运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，可以进行曲线或曲面的加工。。控制X、Y坐标控制Y、Z和Z、X坐标第1章概述轮廓控制数控机床1.平面轮廓加工的数控机床2.空间轮廓加工的数控机床（1）2坐标联动用“行切法”加工（2）2坐标半联动加工（3）3坐标联动加工（4）4坐标联动加工（5）5坐标联动加工第1章概述1.3.3．按伺服系统分类1.开环数控机床开环控制数控机床的特点是其控制系统不带反馈装置，通常使用步进电机作为伺服执行机构。开环控制系统结构简单，制造成本低，系统对移动部件的实际位移量不进行测量，也不进行误差校正。开环系统仅适用与加工精度要求不是很高的中小型数控机床。具有结构简单、价格低廉、调试方便等优点，但通常输出的扭矩值大小受到限制，而且当输入的频率较高时，容易产生失步，难以实现运动部件的控制。第1章概述开环控制机床图例第1章概述2.闭环数控机床这类机床带有检测装置，直接对工作台的位移量进行测量。该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差，定位精度高，调节速度快。但调试工作比较困难，制造成本高。适用于精度要求很高的数控机床。第1章概述相比于开环数控机床，闭环数控机床精度更高，速度更快，驱动功率更大，但是，这类机床价格昂贵，对机床结构及传动链依然提出了严格的要求。传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性，机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试困难。闭环系统设计和调整得不好，很容易造成系统的不稳定。所以，闭环控制数控机床主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床等。第1章概述3.半闭环数控机床这类数控机床是在进给电动机的轴端安装角位移测量元件，通过测量电动机轴的旋转角位移并经过一定的换算来代替测量工作台的直线位移。这类系统未将丝杆螺母副、齿轮传动副等传动误差包含在控制系统中，其精度介于开环和闭环之间，但调试却比较方便，得到广泛的应用。第1章概述1.3.4．按控制系统功能水平分按控制系统的功能水平，可以把数控机床分为经济型、普及型、高级型三类，主要由技术参数、功能指标、关键部件的功能水平来决定。这些指标具体包括CPU性能、分辨率、进给速度、伺服性能、通信功能、联动轴数等。1)经济型数控机床这类数控机床通常为低档数控机床，一般采用8位CPU或单片机控制，分辨率为10μm，进给速度为8～15m/min，采用步进电机驱动。低档数控机床最多联动轴数为二轴或三轴，具有简单CRT字符显示或数码管显示功能，无通信功能。第1章概述2)普及型数控机床这类数控机床通常为中档数控机床，一般采用16位或更高性能的CPU，分辨率在1μm以内，进给速度为15～24m/min，采用交流或直流伺服电机驱动；联动轴数为3～5轴；有较齐全的CRT显示及很好的人机界面，大量采用菜单操作，不仅有字符，还有平面线性图形显示功能、人机对话、自诊断等功能；具有RS232或DNC接口，通过DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。第1章概述3)高级型数控机床这类数控机床通常为高档数控机床，一般采用32位或64位CPU，并采用精简指令集RISC作为中央处理单元，分辨率可达0.1μm，进给速度为15～100m/min，采用数字化交流伺服电机驱动，联动轴数在五轴以上，有三维动态图形显示功能。高档数控机床具有高性能通信接口，具备联网功能，通过采用MAP(制造自动化协议)等高级工业控制网络或Ethernet(以太网)，可实现远程故障诊断和维修，为解决不同类型不同厂家生产的数控机床的联网和数控机床进入FMS(柔性制造系统)和CIMS(计算机集成制造系统)等制造系统创造了条件。第1章概述上述这种分类方式没有严格的界限，经济型数控是相对于标准数控而言的，在不同时期、不同国家的含义是不一样的。区别于经济型数控，把功能比较齐全的数控系统称为全功能