课程的性质和目的:是机械电子工程专业的一门主要专业基础课,在有关的基础课及其有关专业课的配合下,以数控机床为对象,研究计算机数字控制系统的基本原理及其在数控机床上的应用。学习的重要性:现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术,现代的CAD/CAM,FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等,都是建立在数控技术之上。本课程重点:数控机床的组成编程方法插补技术伺服控制第一章绪论第一节机床数控技术的基本概念第二节数控机床的组成和分类第三节数控机床的特点及适用范围第一节机床数控技术的基本概念一、概述数控技术(NC)是指用数字化的信息对机床及加工过程进行控制的一种方法。数控设备是采用数控技术的机械设备,即用数字信号对该设备(机床、切割机、绘图机等)自动工作过程进行控制。数控机床是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。它是数控技术典型应用的例子。数控车床线切割机数控加工中心数控加工中心数控加工中心的换刀脉冲当量(δ)相对于每一个输入的脉冲信号,机床移动部件的位移量。是衡量数控机床加工精度的指标.数控系统:是一种控制系统,它自动阅读输入载体上事先给定的数字值,并将其译码,从而使机床动作和加工零件。数控系统包括:数控装置可编程序控制器主轴驱动及进给驱动装置等。二、数控机床的工作流程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、数控加工的工作流程机床零件零件图样程序编制信息载体数控装置主轴转速、转向选择、刀具选择其它功能选择伺服系统刀架或工作台位移检测反馈系统数控加工中数据转换过程译码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服系统切削运动、机床I/O装置成形运动加工程序输入铣削加工:插补就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”,求出一系列中间点的坐标值的方法。2、数控机床加工原理逼近处理插补运算指令输出XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe三、数控机床的产生和发展1、数控机床的产生从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有:自动机床;组合机床;专用自动生产线。汽车后桥齿轮箱加工自动线缺点:初始投资大;准备周期长;柔性差。数控机床产生和发展的原因:内在动力-----市场竞争激烈外在动力------电子技术和计算机技术的飞速发展数控机床是为了解决单件、小批量、精度高、复杂型面零件加工的自动化要求而产生的。2、数控机床的发展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。1955年,第一台工业用数控机床由美国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。第一代:1955年电子管第二代:1959年晶体管。第三代:1965年小规模集成电路第四代:1970年小型计算机第五代:1974年微处理器NC系统CNC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。3、我国数控机床发展情况1)1958年开始研究数控技术;2)1965年,开始研制晶体管数控系统;3)60年代末至70年代初研制成功X53K-1G数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。4)从70年代开始,数控技术在机械加工领域全面展开;5)80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术;6)现在,我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系。2000年的统计数据数控机床厂家:100数控系统厂家:50数控机床配套厂家:300年产量:14053台数控机床品种:1300产量数控化率:8%(95年3.6%)中国数控机床发展水平及数字统计2002年中国金属加工机床进口、出口贸易统计进口出口数量(千台)金额(百万$)与上年比较(%)数量(千台)金额(百万$)与上年比较(%)数量金额数量金额金属切削机床合计75.962074.724.2926.605506.58263.922.2213.85其中数控机床18.281453.738.3731.633.1034.641.16-3.242002年世界机床生产前十名(百万美元)国家(地区)2002年2001年同比德国67377732-17%日本63799390-30%意大利37753794-5%中国3025262415%美国19132853-33%中国台湾1754163510%瑞士17162047-20%西班牙863886-8%韩国8338044%法国812814-5%国家(地区)2002年2001年同比中国5696474020%德国48155712-20%日本34415254-32%美国33255231-36%意大利29323080-10%韩国12231324-8%法国11651516-27%中国台湾9771118-10%西班牙819881-12%英国690897-26%2002年世界机床消费前十名(百万美元)国家(地区)2002年2001年同比中国3151240631%美国23273411-32%德国19602269-14%意大利9571227-22%韩国790931-15%法国7811188-34%加拿大704739-5%中国台湾661845-22%英国612781-22%日本495660-25%2002年世界机床进口前十名(百万美元)2002年世界机床出口前十名(百万美元)国家(地区)2002年2001年同比德国38824288-14%日本34434797-26%意大利18011942-12%瑞士14761756-20%中国台湾143813638%美国9151034-11%英国514708-28%西班牙5014765%法国429486-16%比利时414564-30%第二节数控机床的组成及分类一、数控机床的组成数控机床的组成框图机床本体伺服装置辅助装置CNC装置输入输出设备测量反馈装置控制介质和输入输出设备表控制介质输入设备输出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CNC装置组成: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相应的控制软件。伺服系统包括:伺服控制电路功率放大线路伺服电机等。伺服系统的类型: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二、数控机床的分类1、按工艺用途分类切削加工类:数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类:数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类:数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等其它类型:数控装配机、数控测量机、机器人等2、按机械加工的运动轨迹分类(1)点位控制数控机床(2)直线控制数控机床(3)轮廓控制数控机床点位控制数控机床特点: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。点位控制系统:直线控制数控机床特点:不仅要保证点与点之间的准确定位,而且要控制两相关点之间的位移速度和路线。其路线一般由各坐标轴平行的直线段或与坐标轴成45o的斜线组成。yx数控机床的直线加工直线控制系统:轮廓控制数控机床特点:能够同时控制两轴或两个以上的轴,对位置和速度进行严格的不间断控制适用范围: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。连续控制系统:3、按同时控制的轴数分轴联动(空间曲面)轴联动(空间曲面)轴联动(空间曲面)轴联动(空间曲线)轴联动(平面曲线)5432.52三轴联动的数控加工五轴联动的数控加工五轴联动的数控加工:4、按伺服系统的控制原理分类(1)开环伺服系统数控机床(2)闭环伺服系统数控机床(3)半闭环伺服系统数控机床开环伺服系统数控机床电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大特点:无反馈环节,系统稳定;速度及精度较低;典型系统:采用步进电机的伺服系统。应用:低档次、经济型的数控机床。闭环伺服系统数控机床位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈特点:具有位置、速度检测装置,位置反馈信号来自于机床工作台;加工精度很高;设计和调整相当困难。应用:精度要求很高的镗铣加工中心、超精车床、超精磨床等。半闭环伺服系统数控机床位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈特点:检测元件安装在伺服电机或丝杠的端部,反馈信号取自电动机端而不是机床的最终运动部件;加工精度比闭环系统低,高于开环系统;系统的控制特性稳定。应用:大部分数控机床第三节数控机床的特点及适用范围一、数控机床的特点数控机床不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。数控加工的优点自动化程度高,可以减轻工人的体力劳动强度加工的零件一致性好,质量稳定生产效率较高便于产品研制便于实现计算机辅助制造数控加工的缺点单位加工成本较高只适宜于多品种小批量或中批量生产(占机械加工总量70%~80%)加工中的调整相对复杂维修难度大二、数控机床的适用范围零件复杂程度零件批量专用机床通用机床数控机床三、发展数控机床的意义(1)是发展制造技术和制造工业的基础提高质量、数量、效益和柔性;是一场制造业的重要革命产品结构,产业结构和生产方式发生深刻的质的变化现代制造业的发展:→CNC(数控机床)→DNC(直接数控)→FMC(柔性制造单元)→FMS(柔性制造系统)→CIMS(计算机集成制造系统)→FA(自动工厂)柔性制造系统的组成:FMS的组成自动仓库工厂计算机中央计算机物流控制计算机运输小车加工单元1加工单元2加工单元n信息传输网络工夹具站飞机零件加工FMS(Cincinnati)1—装卸站2—运输小车3—MC4—切屑处理站5—清洗站6—检测站7—手工检测站8—计算机室9—小车维修站10—包装站FMS实例:冲床冲压FMSFMS实例:(2)从国家的发展战略高度来看,数控技术是工业强国之必须;基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业.(3)数控产品在国内大有市场。四、数控机床发展的技术基础计算机技术;伺服驱动技术;机械技术;控制技术;通信技术(网络数控)。五、数控机床的技术发展趋势发展趋势进入九十年代以来,随着国际上计算机技术突飞猛进的发展,数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就,使其朝着下述方向发展运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络化速度和精度是数控设备的两个重要指标,它们是数控技术永恒追求的目标。因为它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。1、运行高速化:使进给率、主轴转速、刀具交换速度、托盘交换速度实现高速化,并且具有高加(减)速率。进给率高速化:在分辨率为1m时,Fma