濟(jì)南大學(xué)機(jī)械學(xué)院ppt課件

1、數(shù)控技術(shù)11.0.1 課程說(shuō)明 以掌握數(shù)控技術(shù)的基本概念和基本原理為重點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合代表先進(jìn)數(shù)控技術(shù)的數(shù)控設(shè)備數(shù)控機(jī)床，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論教學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控技術(shù)的深入學(xué)習(xí)。 本課程的先修課程有：微機(jī)原理與應(yīng)用，微機(jī)接口技術(shù)，微機(jī)控制技術(shù)，機(jī)電傳動(dòng)控制。 2 推薦教材及主要參考書 數(shù)控技術(shù) 張建綱，華中科技出版社 機(jī)床數(shù)控技術(shù) 劉文信，機(jī)械工業(yè)出版社 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 黃大貴，電子科技出版社 課程考核方案 考試方式:閉卷。 出勤率、作業(yè)和課堂表現(xiàn)占總成績(jī)的20%， 結(jié)課考試成績(jī)占總成績(jī)的80%。1.0.1 課程說(shuō)明3123456 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理 零件加工程序的編制 數(shù)控裝置的插補(bǔ)原理 檢測(cè)反

2、饋裝置 伺服驅(qū)動(dòng)裝置 數(shù)控裝置1.0.2 主要內(nèi)容4 通過(guò)本課程的教學(xué)，了解數(shù)控技術(shù)在機(jī)床中的應(yīng)用，掌握數(shù)控機(jī)床的工作原理，掌握簡(jiǎn)單零件的數(shù)控編程及加工，掌握數(shù)控插補(bǔ)原理，掌握數(shù)控機(jī)床常用的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)，了解數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。1.0.3 目的要求5 第一章緒 論6數(shù)字控制 是一種借助數(shù)字、字符或其它符號(hào)對(duì)某一工作過(guò)程進(jìn)行可編程控制的自動(dòng)化方法。特點(diǎn)：柔性好，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，可同時(shí)控制多路信號(hào)數(shù)控技術(shù) 采用數(shù)字控制的方法對(duì)某一工作過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù)。數(shù)控機(jī)床 是采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床的加工過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制的一類機(jī)床。它是數(shù)控技術(shù)典型應(yīng)用的例子。數(shù)控系統(tǒng) （NC）實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。

3、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC) 以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)。1.1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床1.1.1基本概念7 數(shù)控技術(shù)最早在機(jī)床行業(yè)中得到應(yīng)用，技術(shù)也最成熟，但它不僅僅局限于機(jī)床這個(gè)行業(yè)，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用在物料搬運(yùn)中的應(yīng)用在機(jī)器人中的應(yīng)用在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用8適應(yīng)性強(qiáng)精度高，質(zhì)量穩(wěn)定生產(chǎn)效率高能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)良好的經(jīng)濟(jì)效益有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化1.1.2 數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)91.1.3 數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床的組成 10各組成部分作用 操作面板它是操作人員與數(shù)控裝置進(jìn)行信息交流的工具。組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計(jì)算機(jī)鍵盤一樣）和顯示器

4、。它是數(shù)控機(jī)床特有部件。11 控制介質(zhì)與輸入輸出設(shè)備控制介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。通訊 現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)備進(jìn)行信息交換外，一般都具有用通訊方式進(jìn)行信息交換的能力。它們是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。采用的方式有：串行通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊 （internet，LAN）等各組成部分作用 12CNC裝置(CNC單元) 組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進(jìn)行相應(yīng)的處理（如運(yùn)動(dòng)軌跡處理、機(jī)床輸入輸出處理等），然后

5、輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個(gè)系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行工作的，CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心。各組成部分作用 13伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和測(cè)量裝置 1）伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸電機(jī)、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給電機(jī)2）測(cè)量裝置 位置和速度測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制作用：保證靈敏、準(zhǔn)確地跟蹤C(jī)NC裝置指令。各組成部分作用 14PLC、機(jī)床I/O電路和裝置 PLC ：用于完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)順序動(dòng)作的I/O控制機(jī)床I/O電路和裝置：實(shí)現(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件，由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、接觸器等組成

6、的邏輯電路功能：接受CNC的M、S、T指令，對(duì)其進(jìn)行譯碼并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，控制輔助裝置完成機(jī)床相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作； 接受操作面板和機(jī)床側(cè)的I/O信號(hào)，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機(jī)床的動(dòng)作。各組成部分作用 15 機(jī)床 機(jī)床：數(shù)控機(jī)床的主體，是實(shí)現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件組成：由主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件（工作臺(tái)、拖板以及相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)、工件自動(dòng)交換系統(tǒng)）和輔助裝置（如排屑裝置等）。各組成部分作用 161.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類 1、按工藝用途分類切削加工類：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工

7、機(jī)床、FMC等。成型加工類：數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)等。特種加工類：數(shù)控線切割機(jī)、電火花加工機(jī)、激光加工機(jī)等。其它類型：數(shù)控裝配機(jī)、數(shù)控測(cè)量機(jī)、機(jī)器人等。171.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類 2、按控制功能分類1）點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)：僅能實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)于工件從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的精確定位運(yùn)動(dòng)，對(duì)軌跡不作控制要求，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。適用：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測(cè)量機(jī)。182）輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制(連續(xù)控制)系統(tǒng)：具有控制幾個(gè)進(jìn)給軸同時(shí)諧調(diào)運(yùn)動(dòng)(坐標(biāo)聯(lián)動(dòng))，使工件相對(duì)于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行連續(xù)切削加工的數(shù)控系統(tǒng)。適用范圍：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等用于加工

8、曲線和曲面的機(jī)床。現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床基本上都是裝備的這種數(shù)控系統(tǒng)。1.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類193、按聯(lián)動(dòng)軸數(shù)分類2軸聯(lián)動(dòng)（平面曲線）3軸聯(lián)動(dòng)（空間曲面，球頭刀）4軸聯(lián)動(dòng)（空間曲面）5軸聯(lián)動(dòng)及6軸聯(lián)動(dòng)（空間曲面） 聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多數(shù)控系統(tǒng)的控制算法就越復(fù)雜。1.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類204、按進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類按進(jìn)給伺服子系統(tǒng)有無(wú)位置測(cè)量裝置可分為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)位置測(cè)量裝置安裝的位置又可分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種。1.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類21沒有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。無(wú)位置反饋，精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)講不高，其精度主要取決于伺

9、服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。1.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類f、n電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相，CNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大1）開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)22環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對(duì)這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)

10、代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋CNC插補(bǔ)指令2）半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)1.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類23從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。 由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。1.1.4 數(shù)控機(jī)床的分類3）全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制

11、單元速度控制單元+-電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋241.2 數(shù)控機(jī)床工作原理進(jìn)給伺服系統(tǒng)成形運(yùn)動(dòng)譯 碼刀補(bǔ)處理插補(bǔ)處理PLC控制切削運(yùn)動(dòng)、機(jī)床I/O裝置加工程序首先，將被加工零件圖紙上的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序，然后將加工程序輸入數(shù)控裝置，按照程序的要求，經(jīng)過(guò)數(shù)控系統(tǒng)信息處理，分配，使各坐標(biāo)移動(dòng)若干個(gè)最小位移量，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成零件的加工。 25 譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達(dá)的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補(bǔ)處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來(lái)描述一個(gè)程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要

12、包括：X、Y、Z等坐標(biāo)值；進(jìn)給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號(hào)；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。1、譯碼(解釋)26 用戶零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補(bǔ)處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。2、刀補(bǔ)處理(計(jì)算刀具中心軌跡)27 本模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期t定時(shí)運(yùn)行，它將由各種線形（直線，園弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進(jìn)給速度F，實(shí)時(shí)計(jì)算出各個(gè)進(jìn)給軸在t內(nèi)位移指令（X1、Y1、），并送給進(jìn)給伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)成形運(yùn)動(dòng)。 這個(gè)過(guò)程將在第三章詳細(xì)敘述。 3、插補(bǔ)計(jì)算28 PLC控

13、制是對(duì)機(jī)床動(dòng)作的“順序控制”。即以CNC內(nèi)部和機(jī)床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號(hào)狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯順序?qū)χT如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)等的運(yùn)行等進(jìn)行的控制。4、PLC控制29 從工業(yè)化革命以來(lái)人們實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工自動(dòng)化的手段有：自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床、專用自動(dòng)生產(chǎn)線。這些設(shè)備的使用提高了機(jī)械加工自動(dòng)化程度，提高了生產(chǎn)率。但也存在固有的缺點(diǎn)： 初始投資大；準(zhǔn)備周期長(zhǎng)；柔性差。 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，大批量產(chǎn)品越來(lái)越少，小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的比重越來(lái)越大，迫切需要一種精度高、柔性好加工設(shè)備。電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為NC機(jī)床的進(jìn)步提供了技術(shù)

14、基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)正是在這種背景下誕生和發(fā)展起來(lái)的。1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r1.3.1 產(chǎn)生背景30第一代：1955年 NC系統(tǒng)以電子管組成，體積大，功耗大。第二代：1959年 NC系統(tǒng)以晶體管組成，廣泛采用印刷電路板。第三代：1965年 NC系統(tǒng)采用小規(guī)模集成電路作為硬件，其特點(diǎn)是體積小，功耗低，可靠性進(jìn)一步提高。以上三代NC系統(tǒng)，由于其數(shù)控功能均由硬件實(shí)現(xiàn)，故歷史上又稱其為“硬線NC”1.3.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展歷史31第四代：1970年 NC系統(tǒng)采用小型計(jì)算機(jī)取代專用計(jì)算機(jī)，其部分功能由軟件實(shí)現(xiàn)，它具有價(jià)格低，可靠性高和功能多等特點(diǎn)。第五代：1974年 NC系統(tǒng)以微處理器為核心，不僅價(jià)格進(jìn)一步

15、降低，體積進(jìn)一步縮小，使實(shí)現(xiàn)真正意義上的機(jī)電一體化成為可能。32（1）1952研制了世界第一臺(tái)三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。（2）50-60年代，發(fā)展到NC（硬件數(shù)控）階段。（3）70年代， 發(fā)展到CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）階段。（4）80年代，出現(xiàn)高速高精度CNC的開發(fā)和應(yīng)用階段（5）90年代，基于PC的開放式CNC的開發(fā)與應(yīng)用（6）當(dāng)代，也主要是基于PC的CNC開放式系統(tǒng)，軟件有所提高。2、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展33（1）1958 開始起步。（2）50-60年代，處于研發(fā)階段。（3）60-70年代，研制了晶體管式數(shù)控系統(tǒng)。（4）80年代，引進(jìn)設(shè)備，進(jìn)行技術(shù)吸收更新。（5）80-90年代（七五），數(shù)控大發(fā)展的階段。（6）90年代，有自主產(chǎn)權(quán)的中高檔