數(shù)控技術(shù)-第一章概論課件

第一章概論第一節(jié)機(jī)床數(shù)控技術(shù)的基本概念一、

數(shù)控與數(shù)控機(jī)床

1．基本概念

數(shù)字控制（NC）是以數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）。。數(shù)控加工：泛指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的工藝過(guò)程。

數(shù)控技術(shù)，簡(jiǎn)稱數(shù)控（NC），它是利用數(shù)字化的信息對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。數(shù)控機(jī)床（NumericalControlMachineTools）指應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行控制的機(jī)床。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalControlCNC）以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)。返回課件首頁(yè)第一章概論CNC裝置(CNC單元)CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心組成：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。22．用數(shù)控機(jī)床加工一個(gè)零件的過(guò)程見(jiàn)圖1-1。

零件圖數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床

數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)加工程序圖1-1數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)程

第一章概論

用數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，首先由編程人員按照零件的幾何形狀和加工工藝要求將加工過(guò)程編成加工程序。數(shù)控系統(tǒng)讀入加工程序后，將其翻譯成機(jī)器能夠理解的控制指令，再由伺服系統(tǒng)將其變換和放大后驅(qū)動(dòng)機(jī)床上的主軸電機(jī)和進(jìn)給伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程。數(shù)控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是完成了手工加工中操作者的部分工作。

二、數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)1．

適應(yīng)性強(qiáng)2．

加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定

3．

生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益好

4．

減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度、操作簡(jiǎn)單5．有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化

6.有故障診斷和監(jiān)控能力第一章概論

但另一方面，數(shù)控機(jī)床在使用中也暴露出一些問(wèn)題，主要有：

1．造價(jià)較高，很多企業(yè)特別是小企業(yè)還無(wú)法接受；

2．調(diào)試和維修比較復(fù)雜，需要專門的技術(shù)人員；

3．對(duì)編程人員的技術(shù)水平要求較高。

三、數(shù)控裝置的主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)控裝置的性能指標(biāo)反映了數(shù)控系統(tǒng)的基本性能，是選擇數(shù)控系統(tǒng)的主要依據(jù)，概括起來(lái)如下：

1．控制軸數(shù)和聯(lián)動(dòng)軸數(shù)

2．脈沖當(dāng)量（控制分辨率）

3．定位精度和重復(fù)精度

4．行程

5．主軸轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)范圍

6．進(jìn)給速度和調(diào)節(jié)范圍

第一章概論第一章概論7．準(zhǔn)備功能（G功能）8．輔助功能（M功能）

9.

自動(dòng)加減速功能

10.

開(kāi)關(guān)量接口

以上性能指標(biāo)可以作為選擇數(shù)控裝置時(shí)參考，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控裝置的性能指標(biāo)也在不斷地豐富和提高。一般來(lái)說(shuō)，性能越高的數(shù)控裝置，價(jià)格也越貴，所以對(duì)用戶來(lái)說(shuō)并不一定一味地追求高性能，而應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際需要，綜合考慮性能和價(jià)格，作出最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。第一章概論

第二節(jié)

數(shù)控機(jī)床的組成與分類一、

數(shù)控機(jī)床的組成

圖1-2是數(shù)控機(jī)床的組成框圖。數(shù)控機(jī)床一般由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、主軸和進(jìn)給伺服單元、PLC及其接口電路和機(jī)床本體等幾部分組成。除了機(jī)床本體以外的部分統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。

1．輸入/輸出設(shè)備：實(shí)現(xiàn)程序編制、程序和數(shù)據(jù)的輸入及顯示、存儲(chǔ)打印

2．?dāng)?shù)控裝置：多坐標(biāo)控制、插補(bǔ)功能、程序輸入、編輯和修改，故障診斷、補(bǔ)償、信息轉(zhuǎn)換、加工方式、顯示、通訊聯(lián)網(wǎng)。

3、伺服單元：驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件。

4．機(jī)床本體:完成切削加工的機(jī)械部分

5．測(cè)量裝置：檢測(cè)位移和速度，并將信息反饋給數(shù)控裝置數(shù)控機(jī)床組成圖1-2數(shù)控機(jī)床組成框圖輸入裝置數(shù)控裝置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)床本體車床主機(jī)數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助裝置

圖1-3是數(shù)控機(jī)床的組成主軸伺服單元數(shù)控裝置輸出設(shè)備PLC進(jìn)給伺服單元主軸電機(jī)進(jìn)給電機(jī)位置檢測(cè)機(jī)床本體接口電路操作面板輸入設(shè)備圖1-4數(shù)控機(jī)床的邏輯組成第一章

概論二、數(shù)控機(jī)床的分類

目前，數(shù)控機(jī)床的品種齊全，規(guī)格繁多。為了研究的方便起見(jiàn)，可以從不同的角度對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行分類，常見(jiàn)的有以下幾種分類方法：（一）按控制軌跡的特點(diǎn)分類

1.點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床

2.直線控制數(shù)控機(jī)床

3.輪廓控制數(shù)控機(jī)床第一章

概論第一章

概論

1、點(diǎn)位控制數(shù)控系統(tǒng)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。適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測(cè)量機(jī)。圖1-5直線控制圖1-6輪廓控制第一章概論3、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)。圖1-6開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（二）按伺服系統(tǒng)的類型分類

1．開(kāi)環(huán)控制數(shù)控機(jī)床第一章概論圖1-7閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2．

閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床

第一章概論

圖1-8半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3．半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床第一章概論第一章概論（三）按功能水平分類

1.高級(jí)型數(shù)控系統(tǒng)

2.普及型數(shù)控系統(tǒng)

3.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)（四）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

性能類別CPU位數(shù)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)分辨率(um)進(jìn)給速度(m/min)顯示高級(jí)型325<0.1>24三維動(dòng)態(tài)普及型2630.1~1010~24字符/圖形經(jīng)濟(jì)型8<3<10<10字符表1.1數(shù)控系統(tǒng)的功能分類第一章概論數(shù)控車床銑床銑床數(shù)控刀具轉(zhuǎn)塔刀架第一章概論第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的加工原理數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工的比較工藝分析工序卡數(shù)控加工程序傳統(tǒng)加工數(shù)控加工圖1-9傳統(tǒng)加工與數(shù)控加工的比較圖第一章概論數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程譯碼刀補(bǔ)處理插補(bǔ)處理PLC控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)切削運(yùn)動(dòng)、機(jī)床I/O裝置成形運(yùn)動(dòng)加工程序編制和輸入圖數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程第一章概論譯碼(解釋)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。第一章概論刀補(bǔ)處理(計(jì)算刀具中心軌跡)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。第一章概論插補(bǔ)計(jì)算本模塊以系統(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)程將在下面進(jìn)一步敘述。第一章概論數(shù)控加工軌跡控制原理逼近處理圖為欲加工的圓弧軌跡L，起點(diǎn)為P0，終點(diǎn)為Pe。CNC裝置首先對(duì)圓弧進(jìn)行逼近處理。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數(shù)控加工原理圖第一章概論用直線⊿Li逼近圓弧存在著逼近誤差δ，但只要δ足夠小（⊿Li足夠短），總能滿足零件的加工要求。當(dāng)F為常數(shù)時(shí)，而⊿t對(duì)數(shù)控系統(tǒng)而言恒為常數(shù)，則⊿Li的長(zhǎng)度也為常數(shù)⊿L，只是其斜率與其在L上的位置有關(guān)。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數(shù)控加工原理圖第一章概論插補(bǔ)運(yùn)算將⊿Li分解為X軸及Y軸移動(dòng)分量Xi和Yi（在ti時(shí)間內(nèi)），要求滿足：且有：Fx=Xi/ti

Fy=Yi

/ti⊿Li的斜率和F的分量Fx、Fy以及比值Fx/Fy都在不斷變化。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數(shù)控加工原理圖第一章概論指令輸出將計(jì)算出△ti

在時(shí)間內(nèi)的和作為指令輸出給X、Y軸，以控制它們聯(lián)動(dòng)。即：

Xi

X

軸；YiY

軸只要能連續(xù)自動(dòng)地控制X，Y

兩個(gè)進(jìn)給軸在△ti時(shí)間內(nèi)移動(dòng)量，就可以實(shí)現(xiàn)曲線輪廓零件的加工。第一章概論第四節(jié)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍數(shù)控加工的適應(yīng)性根據(jù)數(shù)控加工的優(yōu)缺點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外大量應(yīng)用實(shí)踐，一般可按適應(yīng)程度將零件分為下列三類：最適應(yīng)類形狀復(fù)雜：加工精度要求高，用通用機(jī)床無(wú)法加工或雖然能加工但很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的零件；用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線或曲面輪廓零件；第一章概論3、具有難測(cè)量、難控制進(jìn)給、難控制尺寸的不開(kāi)敞內(nèi)腔的殼體或盒型零件；4、必須在一次裝夾中合并完成銑、鏜、锪、鉸或攻絲等多工序的零件。較適應(yīng)類1、在通用機(jī)床上加工時(shí)極易受人為因素（如：情緒波動(dòng)、體力強(qiáng)弱、技術(shù)水平高低等）干擾，零件價(jià)值又高，一旦質(zhì)量失控便造成重大經(jīng)濟(jì)損失的零件；第一章概論2.在通用機(jī)床上加工時(shí)必須制造復(fù)雜專用工裝的零件；3.需要多次更改設(shè)計(jì)后才能定型的零件；4.在通用機(jī)床上加工需要作長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整的零件；5.用通用機(jī)床加工時(shí)，生產(chǎn)率很低或體力勞動(dòng)強(qiáng)度很大的零件。不適應(yīng)類下述一類零件采用數(shù)控加工后，在生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)性方面一般無(wú)明顯改善，還可能弄巧成拙或得不償失，故此類零件一般不應(yīng)作為數(shù)控加工的選擇對(duì)象。

第一章概論裝夾困難或完全靠找正定位來(lái)保證加工精度的零件；加工余量很不穩(wěn)定，且數(shù)控機(jī)床上無(wú)在線檢測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整零件坐標(biāo)位置的；生產(chǎn)批量大的零件（當(dāng)然不排除其中個(gè)別工序用數(shù)控機(jī)床加工）；必須用特定的工藝裝備協(xié)調(diào)加工的零件簡(jiǎn)單地說(shuō)：零件不太復(fù)雜，生產(chǎn)批量較小時(shí)宜采用普通機(jī)床；生產(chǎn)批量較大時(shí)宜采用專用機(jī)床；而當(dāng)零件復(fù)雜程度較高，品種變換頻繁，批量小時(shí)采用數(shù)控機(jī)床。第五節(jié)

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展一、

數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)控技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的結(jié)合的產(chǎn)物，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)的每一點(diǎn)進(jìn)步都在推動(dòng)數(shù)控技術(shù)向前發(fā)展。

1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院研究出世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床，采用電子管元件

1959年，晶體管元件的出現(xiàn)使電子設(shè)備的體積大大減小，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板。

1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，這是第三代數(shù)控系統(tǒng)。

1970年，在美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，首次展出了一臺(tái)以通用小型計(jì)算機(jī)作為數(shù)控裝置的數(shù)控系統(tǒng)，被人們成為第四代數(shù)控系統(tǒng)，

第一章概論第一章概論1974年開(kāi)始出現(xiàn)的以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)被人們譽(yù)為第五代數(shù)控系統(tǒng)，。1981年：具有人機(jī)對(duì)話、動(dòng)態(tài)圖形顯示、實(shí)時(shí)精度補(bǔ)償功能。1986年：數(shù)字伺服控制誕生，大慣量的交直流電機(jī)進(jìn)入實(shí)用階段。1988年：采用高性能32位機(jī)為主機(jī)的主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1994年：基于PC的NC系統(tǒng)誕生，使NC系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)入了開(kāi)放型、柔性化的新時(shí)代，新型NC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期日益縮短。它是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)里程碑。近40年來(lái)，裝備微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用二、中國(guó)的數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床2000年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)數(shù)控機(jī)床廠家：100

數(shù)控系統(tǒng)廠家：50

數(shù)控機(jī)床配套廠家：300

年產(chǎn)量：14053臺(tái)數(shù)控機(jī)床品種：1300

產(chǎn)量數(shù)控化率：8%（95年3.6%）2.十五目標(biāo)數(shù)控機(jī)床年增長(zhǎng)率:>18%到2005年產(chǎn)量:25000-30000臺(tái)品種:2000種，數(shù)控化率:20%第一章概論第一章概論三、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入九十年代以來(lái)，隨著國(guó)際上計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展運(yùn)行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開(kāi)放化驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化第一章概論運(yùn)行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個(gè)重要指標(biāo)，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標(biāo)。因?yàn)樗苯雨P(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運(yùn)行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。第一章概論加工高精化：提高機(jī)械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補(bǔ)償技術(shù)。提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補(bǔ)技術(shù)，以微小程序段實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)給，使CNC控制單位精細(xì)化，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)水平的提高，數(shù)控裝置、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置的性能也隨之提高，使得現(xiàn)代的數(shù)控設(shè)備在新的技術(shù)水平下，可同時(shí)具備運(yùn)行高速化、加工高精化的性能第一章概論功能復(fù)合化

復(fù)合化是指在一臺(tái)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)多種工藝手段加工的方法控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一章概論（1）加工過(guò)程自適應(yīng)控制技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中的切削力、主軸和進(jìn)給電機(jī)的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進(jìn)行識(shí)別，以辯識(shí)出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機(jī)床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運(yùn)行的安全性。第一章概論（2）加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇

將工藝專家或技工的經(jīng)驗(yàn)、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達(dá)到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的目的。采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的加工參數(shù)編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)。第一章概論（3）智