数控技术

1郑州大学机械工程学院NumericalControlTechnique郑鹏Email:[e-mail]2第一章数控技术概述第一节数控机床简介第二节数控机床的控制原理和组成第三节数控机床分类第四节数控技术及数控机床的发展3第一节数控机床简介一、数控机床的产生与发展数控机床是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生。1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制了第一台三坐标数控铣床。计算机数值控制系统（ComputerizedNumericalControlSystem，简称CNC）数值控制，数控（NumericalControl，简称NC）数控机床（NumericalControlMachineTools）4第一节数控机床简介一、数控机床的产生与发展第一代数控（1952～1959年）：——采用电子管构成的硬件数控系统（NC）；第二代数控（1959～1965年）：——采用晶体管电路为主的硬件数控系统；第三代数控（1965年开始）：——采用小、中规模集成电路的硬件数控系统；第四代数控（1970年开始）：——采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统；第五代数控（1974年开始）：——采用微型计算机控制的系统；第六代数控（1990年开始）：——采用工业PC机的通用CNC系统。硬件数控软件数控5一、数控机床的产生与发展数控（NC）；计算机数控（CNC，ComputerNumericalControl）；加工中心（MC，MachineCenter）；直接数字控制（DNC，DirectNumericalControl）；自适应控制（AC，AdaptiveControl）；柔性制造系统（FMS，FlexibleManufacturingSystem）；计算机集成制造系统（CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem）等。数控机床经历了6代表性的厂家有：日本的法那克（FANUC）公司、（1977年5400多台，1988年50000台，居世界第一位）德国的西门子（SIEMENS）公司、美国的A-B（ALLEN-BRADLEY）公司意大利的A-BOSZA公司等。数控系统FANUC0i-TCFANUC0i-MC一、数控机床的产生与发展向高速度、高精度方向发展向柔性化、功能集成化方向发展向高可靠性方向发展向网络化方向发展向造型宜人化方向发展7二、数控机床的特点2.生产效率高、加工精度高、加工质量稳定。1.能适应不同零件的自动加工。3.加工能力强。4.工序集中，一机多用。5.数控机床是一种高技术的设备。数控技术是综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、测量、监控、机械制造等学科领域最新成果而形成的一门交叉科学技术。8第二节数控机床的控制原理和组成一、数控机床的控制原理数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的，将与加工零件有关的信息，用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。9二、数控机床的组成10（一）程序编制及程序载体数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。加工程序可以用手动输入法输入到数控系统中，也可以存储在程序载体上。载体有穿孔纸带、磁卡、磁盘等。在数控机床上加工零件，首先要对图样上零件的几何形状、尺寸和技术条件进行工艺分析，并在此基础上确定加工顺序和走刀路线，确定主运动和进给运动的工艺参数，确定加工过程中的各种辅助操作，之后用标准格式和代码编制出零件的加工程序。11（二）输入装置光电阅读机、录放机、软盘驱动器、编程计算机（通讯方式）。MDI（ManualDataInput）、12（三）数控装置及强电控制装置数控装置是数控数控机床的核心。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。操作面板PLC主轴伺服单元电气回路计算机数控装置进给伺服单元反馈测量装置人机交互装置辅助装置主轴驱动装置进给驱动装置机床本体数控系统反馈测量装置13（四）伺服驱动系统及位置检测装置伺服单元和驱动装置是指主轴伺服装置和主轴电机、进给伺服驱动装置和进给电机。测量装置是指位置和速度测量装置。伺服驱动电路伺服电机步进电机电液马达直流伺服电机交流伺服电机测量装置旋转变压器编码器磁栅感应同步器光栅14（五）机床的机械部件主要由主运动部件、进给运动部件、支承件以及特殊装置和辅助装置组成。机床的主运动部件（主轴）进给运动部件(工作台、拖板)基础部件：底座、立柱、滑鞍、导轨辅助动作机构：冷却、润滑、刀具交换、单独伺服电机驱动传动链短，结构简单排屑系统、防护、对刀仪15第三节数控机床分类一、按数控机床的加工功能分类二、按所用进给伺服系统的类型分类三、按所用数控装置类型分类补充分类四、按功能水平分类五、按工艺方法分类16一、按数控机床的加工功能分类（一）点位控制数控机床（二）直线控制数控机床（三）轮廓控制数控机床17（一）点位控制数控机床点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系，它控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置，然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工。（PositioningControl）点位控制点到点控制（PointtoPointControl）AB123OXYZ工件刀具18（一）点位控制数控机床确保准确的定位，系统在高运行后，一般采用三级减速，以减小定位误差。坐标钻床、坐标镗床以及冲床19（二）直线控制数控机床直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调节。工件OXZ刀具直线切削控制（StraitCutControl）平行切削控制（ParallelCutControl）20（二）直线控制数控机床简易数控车床、数控镗铣床21（三）轮廓控制数控机床1.平面轮廓加工的数控机床OXYZ工件刀具轮廓控制（ContouringControl）又称连续轨迹控制（ContinuousPathControl）数控铣床、加工中心22（1）2坐标联动用“行切法”2.空间轮廓加工的数控机床空间轮廓曲面两轴半数控铣床球头铣刀X轴、Z轴联动ΔY取值：铣刀的刀头半径零件表面光洁度要求Y轴:单独控制周期进给23（2）3坐标联动加工2.空间轮廓加工的数控机床内循环滚珠螺母反向器：滚道母线SS’(空间曲线)数控铣床：三坐标联动把空间曲线分成很多小曲线段:空间直线段逼近三坐标联动插补运算24（3）4坐标联动加工2.空间轮廓加工的数控机床x1x2x3飞机大梁侧面：直纹扭曲面四坐标联动机床圆柱铣刀周边铣削X、Y、Z直线进给轴联动刀具绕旋转坐标轴A轴摆动刀具与工件型面在全长上始终贴合25（4）5坐标联动加工很大的球面零件：潜水艇螺旋桨端铣刀五坐标联动机床刀具的端面切削点处的切平面刀具的轴线工件轮廓在切削点处的法线n相平行相重合切削点的坐标工件轮廓在切削点处的法线n变化切削点变化刀位点坐标刀轴线方向X、Y、Z直线进给轴联动两个绕旋转坐标轴联动26二、按所用进给伺服系统的类型分类（1）开环伺服系统控制数控机床这类没有位置测量反馈装置的数控机床称为开环伺服系统控制数控机床。工作台指令脉冲伺服控制单元步进驱动器输入指令减速箱结构简单，制造成本较低，价格便宜。特点位移精度一般不高。27工作台伺服驱动器伺服控制位置单元位置反馈速度反馈伺服控制速度单元输入指令位置和速度测量单元（2）半闭环伺服系统控制数控机床这类伺服系统未将丝杠螺母副等传动装置包含在闭环反馈系统中而称之为半闭环伺服控制系统。特点有相当高的精度且调试比较方便，价格比全闭环系统便宜，广泛应用。28工作台伺服驱动器位置反馈速度反馈伺服控制位置单元伺服控制速度单元速度测量单元位置测量单元输入指令（3）闭环伺服系统控制数控机床特点定位精度高、调节速度快。系统复杂和成本高，故适用于精度要求很高的数控机床。这类伺服控制系统因把机床工作台纳入了位置控制环而称为闭环伺服控制系统。29三、按所用数控装置类型分类（一）硬线数控机床NC机床（二）计算机数控机床CNC机床30四、按功能水平分类分类补充可以分为经济型、中档型和高档型三种类型。①分辨率和进给速度分辨率为10μm、进给速度在8～15m／min的为低档；分辨率为1μm、进给速度在15～24m／min的为中档；分辨率为0.11μm、进给速度在15～100m／min的为高档。②伺服进给类型采用开环、步进电动机进给系统的为低档；中、高档的则采用半闭环或闭环的直流伺服系统或交流饲服系统。③联动轴数低档数控机床联动轴数一般不超过3轴；而中高档的则为3～5轴。31④通信能力低档数控一般无通信能力中档的可以有RS－232C或直接数控（DNC）或网络接口；高档的可以有网络接口或制造自动化协议（ManufacturingAutomationProtocol，简称MAP）通信接口，具有联网功能。⑤显示功能低档一般只有单色CRT字符显示；而中档的则具有较齐全的CRT显示，甚至LCD显示，高档的具有图形用户界面，能进行加工仿真检验。⑥内装PLC低档数控一般无PLC，而中、高档的都有内装PLC。⑦主CPU低档数控一般采用8bitCPU，中、高档的已经逐步由16bitCPU向32bitCPU过渡，国外一些新的数控系统甚至已选用了64bitCPU。32五、按工艺方法分类①金属切削数控机床金属切削数控机床和普通机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、带有刀库和能实现多工序加工的铣镗加工中心和车削中心。铣镗加工中心主要完成铣、镗、钻、攻丝等工序的加工；车削中心以完成各种车削加工为主，也能完成铣平面、铣键槽及钻横孔等工序。②金属成型数控机床金属成形数控机床是指使用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床，如数控压力机、折弯机、弯管机、旋压机等。③特种加工数控机床特种加工数控机床主要指数控线切割机、电火花成形机、火焰切割机、激光加工机等。33第四节数控技术及数控机床的发展及其技术水平一、概述（一）数控装置（二）进给伺服系统（三）程序编制（四）工况检测、监控和故障诊断（五）采用功能强的PLC（六）机床的主机（CPU、智能接口、人机界面、高集成芯片）（伺服电机、驱动电路、位置检测装置）（自动编程、在线编程、数据库、专家系统）（32位微处理器、PC编程）（主运动部件、加工功能、合理结构）（报警信号、自诊断）34二、直接数字控制系统（DirectNumericalControl）分布式数字控制（DistributedNumericalControl简称DNC)用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统，即形成分级连接和控制的制造系统。间接型系统直接型系统计算机网络型35三、柔性制造单元与柔性制造系统柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell，简称FMC）柔性是指能够较容易地适应多品种、小批量的生产功能，通过稍加调整或编程就可同时加工几种不同的工件。FMC是由一台或两台数控加工中心、工业机器人、自动上下料装置以及物料运输存储设备构成，它是实现单工序或双工序加工的可变加工单元，同时系统还增加了自动检测和监控等功能。36三、柔性制造单元与柔性制造系统柔性制造单元（FMC）根据上下料装置的不同，托盘（Pallet）搬运式和工业机器人（IndustrialRobot，简称IR）搬运式两大类型。托盘式FMC1－加工中心机床2－托盘3－托盘座4－托盘交换装置5－环形工作台37三、柔性制造单元与柔性制造系统柔性制造单元（FMC）机器人搬运式FMCFMC具有规模小、成本低、占地面积小，便于扩充等特点，相对于规模较大的FMS，由于投资小、风险小，技术上也容易实现，特别适于资金有限的中、小型企业。38三、柔性制造单元与柔性制造系统柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，简称FMS）