数控技术第1章

数数控控技技术术华中科技大学机械科学与工程学院11.1数控机床的基本概念1.2数控机床的构成与分类1.3数控机床加工原理1.4数控机床加工特点及应用范围第1章概论2主要应用于：机床、自动线、机器人、火炮、雷达跟踪等自动化设备。数控单元数控单元数控单元伺服驱动伺服驱动伺服驱动电器控制电器控制电器控制数控系统数控系统1.1数控机床的基本概念3数控技术在制造装备中的的应用数控技术在制造装备中的的应用简化机械结构简化机械结构缩短制造周期缩短制造周期提高制造精度提高制造精度提升装备性能提升装备性能1.1数控机床的基本概念4•数控机床是制造装备的主流装备数控机床广泛应用于制造业的各个领域IC装备船舶制造装备纺织印染装备汽车制造装备军工制造装备1.1数控机床的基本概念5数控机床的技术水平是制造业持续发展的保证数控系统是数控机床的核心数控系统是数控机床的核心;;数控机床整体水平和拥有量，将体现一数控机床整体水平和拥有量，将体现一个国家工业现代化的水平个国家工业现代化的水平;;高档数控机床是国家的战略物资，是一高档数控机床是国家的战略物资，是一个国家综合国力与实力的重要体现。个国家综合国力与实力的重要体现。1.1数控机床的基本概念6高档数控机床是西方对我国封锁与限制的重点中国不能没有自己的数控技术东芝事件考克斯报告1.1数控机床的基本概念7主要内容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。数控机床（NumericalControlMachineTools）数控机床是一个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。1.1数控机床的基本概念81.1数控机床的基本概念1.2数控机床的构成与分类1.3数控机床加工原理1.4数控机床加工特点及应用范围第1章概论9主要内容数控机床机床本体数控系统外围技术数控装置伺服驱动装置测量反馈装置工具系统编程技术管理技术1.2数控机床组成与分类101.机床本体机床本体组成--主运动部件、进给运动部件--支承件（立柱、床身等）--特殊装置--辅助装置2.数控系统（NumericalControlSystem）是一种程序控制系统，它能处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。1.2数控机床组成与分类11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3.计算机数控系统（ComputerNumericalControl，CNC）是以计算机为核心的数控系统。1.2数控机床组成与分类12主要内容操作面板人机交互1.2数控机床组成与分类13主要内容世纪星HNC-21Fanuc0i西门子810、8021.2数控机床组成与分类14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3.计算机数控系统（ComputerNumericalControl，CNC）是以计算机为核心的数控系统。1.2数控机床组成与分类15主要内容输入输出装置可以通过多种方式获得数控加工程序:软驱MDI（ManualDataInput）方式USB接口RS232C接口DNC接口存储卡以太网1.2数控机床组成与分类16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3.计算机数控系统（ComputerNumericalControl，CNC）是以计算机为核心的数控系统。1.2数控机床组成与分类17主要内容•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。计算机数控装置1.2数控机床组成与分类18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3.计算机数控系统（ComputerNumericalControl，CNC）是以计算机为核心的数控系统。1.2数控机床组成与分类19主要内容伺服单元和驱动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）。1.2数控机床组成与分类20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3.计算机数控系统（ComputerNumericalControl，CNC）是以计算机为核心的数控系统。1.2数控机床组成与分类21主要内容PLC、机床I/O电路和装置-PLC(ProgrammableLogicController)用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制；-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,对其进行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。1.2数控机床组成与分类22分类方法数控机床类型按运动控制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伺服系统开环数控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方法金属切削数控机床金属成形数控机床特种加工数控机床按联动轴数2轴联动数控机床3轴联动数控机床4、5轴联动数控机床1.2数控机床组成与分类23主要内容点位控制(PointtoPointControlSystems)③②①AA刀具工件按运动控制方式分类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。1.2数控机床组成与分类24主要内容直线控制：(LineControlSystems)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。按运动控制方式分类:1.2数控机床组成与分类25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。按运动控制方式分类:1.2数控机床组成与分类26两坐标加工二轴半或三坐标加工YXO2O1BZO四坐标加工→ρZP(x,y,z)nO刀位点BCXYZ五坐标加工按联动轴数分类1.2数控机床组成与分类27主要内容开环控制(Open-LoopServo-Drive)特点:没有位置检测装置，信号单向。结构简单，制造成本较低，价格便宜,精度不高。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按伺服系统方式分类1.2数控机床组成与分类28步进电机步进电机1.2数控机床组成与分类29半闭环控制(Half-Closed-LoopServo-Drive)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按伺服系统方式分类: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;不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节，可获得稳定的控制特性，而且调试比较方便。1.2数控机床组成与分类30交流伺服电机1.2数控机床组成与分类旋转编码器31主要内容闭环控制(Closed-LoopServo-Drive)特点:带有位置检测装置,安装在机床刀架或工作台等执行部件上，控制精度高；但系统稳定性受到影响,调试困难,且结构复杂、价格昂贵。位置反馈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按伺服系统方式分类1.2数控机床组成与分类32光栅尺光栅尺1.2数控机床组成与分类33主要内容步进电机、开环驱动，功能简单、价格低廉、精度中等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧及螺纹加工。一般控制轴数在3轴以下，脉冲当量（分辨率）多为0.01mm，快速进给速度在10m／min以下。按功能水平分类:经济型普及型伺服电机、半闭环驱动，4轴或4轴以下联动控制，脉冲当量为1m，进给速度为15-24m／min，一般采用16位或32位处理器，具有RS232C通信接口、DNC接口和内装PLC，具有图形显示功能及面向用户的宏程序功能。高档型伺服电机、闭环驱动，并开始采用直线电机，实现5轴以上联动，脉冲当量为0.1-1m，进给速度达40m／min以上。一般采用32位以上微处理器，形成多CPU结构。编程功能强，具有智能诊断、联网和通信功能。1.2数控机床组成与分类34主要内容分为：按工艺方法分:普通数控机床加工中心金属切削数控机床金属成形数控机床特种加工数控机床或分为：1.2数控机床组成与分类35主要内容按工艺方法分普通车床普通铣床1.2数控机床组成与分类36主要内容按工艺方法分车削加工中心铣削加工中心1.2数控机床组成与分类371.1数控机床的基本概念1.2数控机床的构成与分类1.3数控机床加工原理1.4数控机床加工特点及应用范围第1章概论381.3数控机床加工原理数控加工与传统加工的比较工艺分析BACKCTRINSCRTABALT0SHIZENDWHOMETPgDOPgUJRSTE65“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工序卡数控加工程序传统加工数控加工39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数控机床程序编制成品译码、数据处理、插补、伺服驱动N5G01G41X100.0Y100.0D01F100M08;数控加工零件的过程1.3数控机床加工原理40译码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服切削运动、IO装置成形运动加工程序数控加工中数据转换过程1.3数控机床加工原理41译码(Decode)译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。1.3数控机床加工原理N5G01G41X100.0Y100.0D01F100M08;01001011000101111101011101010110000011101;42刀补处理(计算刀具中心轨迹)用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。1.3数控机床加工原理43插补计算本模块以系统规定的插补周期△t定时运行，它将由各种线形（直线，园弧等）组成的零件轮廓，按程序