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方正为人、勤慎治学数控加工与编程嘉兴学院机电工程学院先进制造技术与装备研究所2数控机床产生与发展数控机床的基本概念数控机床的特点与分类数控机床组成及工作过程数控机床及数控技术的发展趋势主要内容CNC第0章绪论3主要内容CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论数控技术产生背景：1.单件、小批量生产占机械加工的大部分，尤其在航空、航天、船舶等领域，不仅加工批量小，且零件形状复杂、精度要求高，且需经常变型，传统的自动化机床不适应这些加工形式。(需求背景)2.仿形加工机床部分解决了中小批量复杂零件的加工，但更换零件时，必须制造靠模和调整机床，耗费大量手工劳动，增加了生产准备期，且靠模的误差的影响使加工精度难以达到较高要求。(存在问题)3.实现多品种、小批量产品零件的自动化生产，20世纪40年代世界上诞生了第一台电子计算机，使数控技术的出现称为可能。(可行性)4主要内容CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论数控机床的产生：1948年，美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升机螺旋桨叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出计算机控制机床的设想，在麻省理工学院（MIT）的协助下，1952年研制成功了世界上第一台三坐标直线插补且连续控制的立式数控铣床。我国于1958年由清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。5（1）数控机床结构的发展：CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论60年代之前，普遍采用一般机床。60年代初，在一般机床的基础上开发了数控加工中心机床。6（1）数控机床结构的发展：CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论带两个交换工作台的卧式镗铣加工中心机床。7（1）数控机床结构的发展：CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论20世纪70年代后期，在数控加工中心机床的基础上发展了五面体加工中心。设计思想：为了在一次装夹中完成除了安装底面以外的所有表面和精密孔系加工。主轴部件可自动更换为立式和卧式布局，从而完成工件不同表面的加工。8（1）数控机床结构的发展：CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论在数控加工中心出现以后，加工工序进一步集中仍然是数控机床发展趋势。带有工业机器人、工件交换系统的车削加工中心和带有工件交换系统的数控齿轮加工机床。9（1）数控机床结构的发展：CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论20世纪60年代出现的Stewart平台概念,到20世纪90年代初，应用在数控机床上成为可能。六杆数控机床(虚拟轴机床、并联机床)是20世纪最具有革命性的机床运动结构的突破。10（1）数控机床结构的发展：CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论11主要内容第一代数控（1952-1959年）：采用电子管构成的硬件数控系统；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）：采用工控PC机的通用CNC系统。硬件数控软件数控CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论（2）数控系统的发展：12主要内容（3）伺服系统的发展：CNC0.1数控机床的产生与发展第0章绪论60年代初期与中期，欧美一些国家采用液压伺服系统。70年代，美国盖梯茨公司研制成功了大惯量直流伺服电机即宽调速直流伺服电机。80年代初期，美国通用电气公司研制成功了采用鼠笼式异步交流伺服电机的交流伺服系统。86年之后推出了数字伺服系统的数控机床。数字伺服系统的出现促进了高精度数控机床的发展。13主要内容数字控制（NumericalControlNC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。CNC第0章绪论0.2数控技术的基本概念数控技术（NumericalControlTechnology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。机床数控技术用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种技术。14主要内容CNC第0章绪论0.2数控技术的基本概念计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）以计算机为核心的数控系统。数控机床（NumericalControlMachineTools）是装有数字控制系统的机床，该系统能够处理加工程序,控制机床自动完成各种加工运动和辅助运动。数控系统（NumericalControlSystem）是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序，控制机床运动并加工出零件，其核心是数控装置。15主要内容数控系统组成机床I/O电路和装置检测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输入输出装置CNC0.3数控机床组成及工作过程第0章绪论16主要内容CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程（1）控制面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成：操作按钮、状态指示灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器。是数控机床特有部件。17主要内容数控系统组成机床I/O电路和装置检测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输入输出装置CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程18主要内容数控系统与外部设备进行交互的装置。交互的信息通常是零件加工程序。可以通过多种方式获得数控加工程序:穿孔纸带MDI（ManualDataInput）方式软驱USB接口RS232C接口DNC接口CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程（2）输入输出装置19主要内容数控系统组成机床I/O电路和装置检测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输入输出装置CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程20主要内容CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程（3）计算机数控装置组成：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，然后输出控制命令到伺服驱动装置和PLC。CNC装置是CNC系统的核心。21主要内容数控系统组成机床I/O电路和装置检测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输入输出设备CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程22主要内容(4）伺服单元、驱动装置和检测装置主轴伺服单元和主轴电机进给伺服单元和进给电机检测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）CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程23主要内容数控系统组成机床I/O电路和装置检测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输入输出设备CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程24主要内容（5）PLC、机床I/O电路和和装置-PLC(ProgrammableLogicController):用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制,它由硬件和软件组成；-机床I/O电路和装置:实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路）;-功能:接受CNC的M、S、T指令,译码并转换成对应的控制信号,控制辅助装置完成机床相应的开关动作；接受操作面板和机床侧的I/O信号,送给CNC装置,经其处理后,输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程25主要内容数控系统组成机床I/O电路和装置检测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输入输出设备CNC第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程26（6）机床本体机床本体组成CNC0.3数控机床组成及工作过程主运动部件、进给运动部件支承件（立柱、床身等）特殊装置（刀具自动交换、工件自动交换系统）辅助装置（如排屑装置等）第0章绪论是实现制造加工的执行部件27工艺处理加工图纸数学处理编程手册数控编程程序仿真输入装置加工程序毛坯或半成品数控系统机床本体程序编制成品译码、数据处理、插补、伺服驱动N5G01G41X100.0Y100.0D01F100M08;CNC（7）数控机床工作过程第0章绪论0.3数控机床组成及工作过程28主要内容适应性、灵活性好精度高、质量稳定生产效率高劳动强度低、劳动条件好有利于现代化生产与管理使用、维护技术要求高CNC0.4数控机床的特点与分类数控机床的特点:第0章绪论29主要内容数控机床的分类(Types)分类方法数控机床类型按运动方式点位控制数控机床直线控制数控机床轮廓控制数控机床按控制方式开环控制数控机床半闭环控制数控机床闭环控制数控机床按功能水平经济型数控机床中档型数控机床高档型数控机床按工艺用途金属切削数控机床金属成形数控机床特种加工数控机床CNC第0章绪论0.4数控机床的特点与分类30主要内容点位控制(PointtoPointControlSystems)仅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。CNC第0章绪论0.4.1按运动方式分类31主要内容直线控制：不仅要求控制点到点的精确定位，而且要求机床工作台或刀具（刀架）以给定的进给速度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45°角的方向进行直线移动和切削加工。CNC第0章绪论0.4.1按运动方式分类32主要内容轮廓控制(ContouringControlSystems)CNCTL1L2L3L4L5L6L△X△YXY轮廓控制不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间比率都要行严格控制，以便加工出给定的轨迹。第0章绪论0.4.1按运动方式分类33主要内容轮廓控制(ContouringControlSystems)对多个坐标轴同时进行控制，使之协调运动(坐标联动)，使刀具相对工件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。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。CNC第0章绪论0.4.1按运动方式分类34主要内容两坐标加工三坐标加工YXO2O1BZO四坐标加工→ρZP(x,y,z)nO刀位点BCXYZ五坐标加工CNC二轴半加工第0章绪论0.4.1按运动方式分类35主要内容开环控制(Open-LoopServo-Drive)步进驱动器指令脉冲步进电机工作台CNC第0章绪论0.4.2按控制方式分类36主要内容开环控制(Open-LoopServo-Drive)特点:没有位置检测装置，指令信号是单向的。结构简单，制造成本较低，价格便宜,精度一般不高。用于经济型数控车、铣、线切割机床。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CNC第0章绪论0.4.2按控制方式分类37半闭环控制(Half-Closed-LoopServo-Drive)CNC速度控制电路工作台伺服电机位置比较电路指令脉冲速度反馈位置反馈检测元件第0章绪论0.4.2按控制方式分类38特点:带有位置检测装置，常安装在伺服电机上或丝杠的端部，通过检测伺服电机或丝杠的角位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置值，然后与指令位置值进行比较