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数控技术基础第一章概述什么是数控机床？1、数控机床的产生1952年美国Parsons&MIT世界第一台三坐标数控铣床2、数控技术与数控机床数控--即数字控制（NumericalControl,NC），是采用数字化信息实现自动化控制的技术。数控机床--是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的机床数字控制（NC）数控系统（NCSystem）数控装置（NCU）计算机数控（CNC）直接数字控制（DNC）手动数据输入（MDI）加工中心（MC）自动换刀装置（ATC）自动托盘交换装置（APC）柔性制造单元（FMC）计算机集成制造系统（CIMS）3、数控机床的组成4、数控机床的工作原理输入、输出装置计算机数控装置伺服驱动装置机床本体数控装置伺服系统加工程序数控装置根据接受的信号，控制机床、刀具选择等运动，使各装置按照数控程序给定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。1）存储介质用于存放编好的数控程序。如：八单位标准穿孔纸带、磁盘等。2）输入、输出装置是机床与外部设备的接口.主要有：纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等。3）数控装置是数控机床的核心，将接收的数字化信息经过处理转换成各种指令信息输出给伺服系统，使设备按规定的动作执行。4）伺服系统把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动，是数控系统的执行部分。常用的有：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机等。5）检测反馈系统通过对机床实际情况的检测、比较，计算出偏差，并发出纠正误差指令，进而提高机床的加工精度。测量反馈系统可分为：半闭环和闭环两种系统6）机床的机械部件加工运动的实际机械部件。主要包括：主运动部件，进给运动执行部件、支承部件，还有冷却、润滑、转位部件等辅助装置。7）可编程控制器(PLC)数控设备用可编程控制器主要完成数控设备的各种执行机构的逻辑顺序控制，即用PLC程序代替用继电器控制线路，实现数控设备的辅助功能、主轴转速功能、刀具功能的译码和控制。数控设备用PLC有内装型和独立型两种。内装型PLC从属于CNC装置，PLC硬件电路可与CNC装置其它电路制作在同一块印刷板上，也可以作成独立的电路板。独立型PLC独立CNC装置，本身具有完备的硬、软件功能，可以独立完成所规定的控制任务。5、数控机床的逻辑组成主轴伺服单元数控装置输出设备PLC进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备6、数控机床的分类按工艺用途分类1）数控车床（NCLathe）。2）数控铣床（NCMillingMachine）。3）加工中心（MachineCenter）。4）数控钻床（NCDrillingMachine）。5）数控镗床（NCBoringMachine）。6）数控齿轮加工机床（NCGearHollingMachine）。7）数控平面磨床（NCSurfaceGrindingMachine）。8）数控外圆磨床（NCExternalCylindricalGrindingMachine）。9）数控轮廓磨床（NCContourGrindingMachine）。10）数控工具磨床（NCToolGrindingMachine）。11）数控坐标磨床（NCJigGrindingMachine）。12）数控电火花加工机床（NCDiesinkingElectricDischargeMachine）。13）数控线切割机床（NCWireElectricDischargeMachine）。14）数控激光加工机床（NCLaserBeamMachine）。15）数控冲床（NCPunchingPress）。16）数控超声波加工机床（NCUltrasonicMachine）。17）其他（如三坐标测量机等）。按运动方式分类1）点位控制系统（PositioningControl）只控制刀具相对于工件定位点的位置，不控制点与点之间的运动轨迹，移动过程中不进行切削加工。2)直线控制系统（Straight-lineControl）控制刀具或机床工作台以给定速度,沿平行于某一坐标轴方向，或沿着与坐标轴成一定角度的斜线方向，由一个位置到另一个位置的精确移动并进行切削加工。3）轮廓控制系统（ContourControl）能同时控制2~5个坐标轴，使刀具和工件按平面、曲面或空间曲面轮廓的规律进行相对运动，加工出复杂的零件。运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。按控制方式分类1）开环控制系统（OpenLoopControl）系统没有位置反馈元件，通常用功率步进电机或电液伺服电机作为执行机构。精度主要取决于伺服元件和机床传动元件的精度、刚度和动态特性。特点是：系统简单，调试维修方便，工作稳定，成本较低，但控制精度较低。2）闭环控制系统（ClosedLoopControl）在机床移动部件上装有位置检测装置，用偏差进行控制，使移动部件按照实际的要求运动，最终实现精确定位。精度主要取决于测量元件的精度。优点是：精度高、速度快。主要用于：精度要求较高的机床。3）半闭环控制系统（Semi-closedLoopControl）位置检测装置安装在传动丝杠的端部，间接测量执行部件的实际位置。特点：精度介于开环与闭环之间，调试方便，稳定性好，应用较广。按系统功能分类1）经济型数控机床2）全功能型数控机床性能类别CPU位数联动轴数分辨率(um)进给速度(m/min)显示高级型3250.124三维动态普及型1630.1~1010~24字符图形经济型831010字符7、数控机床的发展趋势1）高速化2）高精度化3）多功能化4）智能化5）高可靠性6）综合自动化、集成链接：数控机床的发展趋势十五目标数控机床年增长率:18%到2005年产量:25000~30000台品种:2000种数控化率:20%2000年，号称“数控王国”的日本的金切机床产值数控化率和产量数控化率更是分别高达88.5%和59.4%。而我国机床行业的产值数控化率仅为22.7%，产量数控化率为9.1%，与日本1976年的情况相近。补充：CNC简介初步认识：CNC装置是数控加工用专用计算机，除具有一般计算机结构外，还有与数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。输入译码、预处理插补位置控制电机CNC系统的主要工作过程1.正常工作前的准备工作在接通电源后，CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初始状态。2.零件加工控制信息的输入CNC系统具备了正常工作条件后，开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。3.数控加工程序的译码和预处理加工控制信息输入后，启动加工运行，此时CNC装置在系统控制程序的作用下，对数控程序进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。4.插补计算一个程序段的加工控制信息预处理完毕后进行插补处理。所谓“插补”就是指在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补的任务就是根据进给速度的要求，在一段零件轮廓的起点和终点之间，计算出若干个中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的运动序列指令。5.位置控制各个坐标轴的伺服系统将插补结果作为各个坐标轴位置调节器的指令值，机床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将两者进行比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床坐标轴运动。通过各个坐标轴运动的合成，产生数控加工程序所要求的工件轮廓尺寸。CNC装置的功能及特点CNC装置采用了微处理器、存储器、接口芯片等，通过软件实现过去难以实现的许多功能，因此CNC装置的功能要比过去的NC装置的功能丰富得多，更加便于适应数控机床的复杂控制要求。一、CNC装置的功能数控装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控系统的必备功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。CNC装置的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能指令代码上。下面简要介绍以下CNC装置的功能。㈠控制功能控制功能是指CNC装置能够控制的以及能够同时控制的轴数。控制功能是数控装置的主要性能指标之一。控制轴有移动轴和回转轴，基本轴和附加轴。控制轴数越多，特别是同时控制轴数越多，CNC装置的功能越强，同时CNC装置就越复杂，编制零件加工程序也就越困难。㈡准备功能准备功能也称G功能，用来指令机床动作方式的功能，包括基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回、固定循环等指令。它用地址G和它后续的两位数字表示。ISO标准中，准备功能从G00~G99共100种。㈢插补功能CNC装置是通过软件进行插补计算，连续控制时实时性很强，计算速度很难满足数控机床对进给速度和分辨率的要求。因此实际的CNC装置插补功能被分为粗插补和精插补。进行轮廓加工的零件的形状，大部分是直线和圆弧构成，有的是由更复杂的曲线构成，因此有直线插补、圆弧插补、抛物线插补、极坐标插补、螺旋线插补、样条曲线插补等。实现插补运算的方法有逐点比较法和数字积分法等。CNC系统中具有的插补功能有直线插补功能、圆弧插补功能、抛物线插补功能以及螺旋线插补功能等。直线和圆弧插补功能采用的插补算法一般为脉冲增量插补算法和数字增量插补（数据采样插补）算法。逐点比较法又称区域判别法或醉步式近似法。基本思想是被控制对象在数控装置的控制下，按要求的轨迹运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较，根据比较的结果决定下一步的移动方向。逐点比较法可以实现直线和圆弧插补。逐点比较法的应用对象主要在两坐标开环CNC系统中应用。逐点比较法直线插补算法：⑴判别函数及判别条件如图所示，对XY平面第一象限直线段进行插补。直线段起点位于坐标原点O，终点位于A（Xe,Ye）。设点P（Xi，Yi）为任一动点。若P点在直线OA上，则：XeYi–XiYe=0若P点在直线OA上方，则：XeYi–XiYe0若P点在直线OA下方，则：XeYi–XiYe0A(Xe,Ye）P(Xi,Yi）F＞0F＜0XY定义F=XeYi–XiYe偏差函数，则可得到如下结论：当F=0时，加工点P落在直线上；当F0时，加工点P落在直线上方；当F0时，加工点P落在直线下方；⑵进给方向判别①当F0时，应该向+X方向发一脉冲，使刀具向+X方向前进一步，以接近该直线。②当F0时，应该向+Y方向发一脉冲，使刀具向+Y方向前进一步，以接近该直线。③当F=0时，既可以向+X方向发一脉冲，也可以向+Y方向前进一步。但通常将F=0和F0做同样的处理，既都向+X方向发一脉冲。⑶迭代法偏差函数F的推导为了减少计算量，通常采用迭代法计算偏差函数F:即每走一步，新加工点的偏差用前一点的偏差递推出来。①F≥0时，应向+X发出一进给脉冲，刀具从现加工点（Xi,Yi）向+X方向前进一步，达到新加工点（Xi+1,Yi），则新加工点的偏差值为：Fi+1,i=XeYi–Xi+1Ye=XeYi–(Xi+1)Ye=XeYi–XiYe-Ye=F–Ye②F0时，应向+Y发出一进给脉冲，刀具从现加工点（Xi,Yi）向+Y方向前进一步，达到新加工点（Xi+1,Yi），则新加工点的偏差值为：Fi+1,i=XeYi+1–XiYe=Xe(Yi+1)–XiYe=XeYi–XiYe+Xe=F+XeN偏差计算偏差判别坐标进给到达终点？插补结束Y插补开始逐点比较法工作循环图（4）插补步骤例题：设欲加工的直线位于XY平面的第一象限，直线的起点坐标为坐标原点，终点坐标为Xe=5，Ye=3。试用逐点比较法对该段直线进行插补，并画出插补轨迹。解插补过程运算过程如下表所示，表中Xe，Ye是直线终点坐标，n为总步数，n=|Xe|+|Ye|=8。脉冲个数偏差判别进给方向偏差计算终点判别0F0=0,Xe=5,Ye=3n=81F0=0+XF1=F0-Ye=-372F1=-30+YF2=F1+Xe=263F2=20+XF3=F2-Ye=-154F3=-10+YF4=F3+Xe