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1、第一章 概 论,第一节 机床数控技术的基本概念一、数控与数控机床 1基本概念 数字控制（NC）是以数字化信号对机构的运动 过程进行控制的一种方法。简称为数控（NC）。数控加工：泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。数控技术，简称数控（NC），它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。数控系统（Numerical Control System）实现数字控制的装置。数控机床（Numerical Control Machine Tools）指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC）以计算机为核心的数控系统
2、。,返回课件首页,第一章 概 论,CNC装置(CNC单元)CNC装置是CNC系统的核心组成：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（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。,22用数控机床加工一个零件的过程见图1-1。零件图 数控系统 机床,图1-1 数控机床的加工过程,第一章 概 论,用数控机床加工工件时，首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加
3、工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。二、数控机床的特点1 适应性强 2 加工精度高、质量稳定 3 生产效率高、经济效益好 4 减轻操作者的劳动强度、操作简单5 有利于生产管理的现代化 6.有故障诊断和监控能力,第一章 概 论,但另一方面，数控机床在使用中也暴露出一些问题，主要有：1造价较高，很多企业特别是小企业还无法接受；2调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；3对编程人员的技术水平要求较高。三、
4、数控装置的主要技术指标数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性能，是选择数控系统的主要依据，概括起来如下：1控制轴数和联动轴数2脉冲当量（控制分辨率）3定位精度和重复精度 4行程5主轴转速和调节范围6进给速度和调节范围,第一章 概 论,第一章 概 论,7准备功能（G功能）8辅助功能（M功能）9.自动加减速功能10.开关量接口 以上性能指标可以作为选择数控装置时参考，随着数控技术的发展，数控装置的性能指标也在不断地丰富和提高。一般来说，性能越高的数控装置，价格也越贵，所以对用户来说并不一定一味地追求高性能，而应该根据自己的实际需要，综合考虑性能和价格，作出最经济实用的选择。,第一章 概 论,第二
5、节 数控机床的组成与分类一、数控机床的组成 图1-2是数控机床的组成框图。数控机床一般由输入输出设备、数控装置、主轴和进给伺服单元、PLC及其接口电路和机床本体等几部分组成。除了机床本体以外的部分统称为数控系统，数控装置是数控系统的核心。1输入/输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入及显示、存储打印2数控装置：多坐标控制、插补功能、程序输入、编辑和修改，故障诊断、补偿、信息转换、加工方式、显示、通讯联网。3、伺服单元：驱动机床执行机构的驱动部件。4机床本体:完成切削加工的机械部分5测量装置：检测位移和速度，并将信息反馈给数控装置,数控机床组成,图1-2数控机床组成框图,输入装置,数控装置,伺
6、服驱动系统,机床本体,车床主机 数控系统 伺服驱动系统 辅助装置,图1-3是数控机床的组成,图1-4 数控机床的逻辑组成,第一章 概 论,二、数控机床的分类 目前，数控机床的品种齐全，规格繁多。为了研究的方便起见，可以从不同的角度对数控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：（一）按控制轨迹的特点分类1.点位控制数控机床 2.直线控制数控机床 3.轮廓控制数控机床,第一章 概 论,第一章 概 论,1、点位控制数控系统仅能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。,图1-5 直线控制,图1-6
7、 轮廓控制,第一章 概 论,3、轮廓控制数控系统轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具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的数控系统。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。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。,图1-6 开环数控系统的结构图,（二）按伺服系统的类型分类1 开环控制数控机床,第一章 概 论,图1-7 闭环数控系统的结构图,2 闭环控制数控机床,第一章 概 论,图1-8 半闭环数控系统结构图,3 半闭环控制数控机床,第一章 概 论,第一章 概 论,（三）按功能水平分类1.高级型数
8、控系统 2.普及型数控系统 3.经济型数控系统（四）工艺用途分类 切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加 工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等,表1.1 数控系统的功能分类,第一章 概 论,数控车床,铣床,铣床,数控刀具,转塔刀架,第一章 概 论,第三节 数控机床的加工原理数控加工与传统加工的比较,工艺分析,工序卡,数控加工程序,传统加工,数控加工,图1-9 传统加工与数控加工的比较图,第一章 概 论,数控加工中数据转换过程,图 数控加工中数据转换过程,
9、第一章 概 论,译码(解释)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。它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。,第一章 概 论,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。,第一章 概 论,插补计算本模块以系统规定的插补周期t
10、定时运行，它将由各种线形（直线，园弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在t内位移指令（X1、Y1、），并送给进给伺服系统，实现成形运动。这个过程将在下面进一步叙述。,第一章 概 论,数控加工轨迹控制原理 逼近处理 图为欲加工的圆弧轨迹L，起点为P0，终点为Pe。CNC装置首先对圆弧进行逼近处理。,第一章 概 论,用直线Li逼近圆弧存在着逼近误差，但只要足够小（Li足够短），总能满足零件的加工要求。当F为常数时，而t对数控系统而言恒为常数，则Li的长度也为常数L，只是其斜率与其在L上的位置有关。,第一章 概 论,插补运算将Li分解为X 轴及Y 轴移动分量Xi和Yi（
11、在ti时间内），要求满足：且有：Fx=Xi/ti Fy=Yi/tiLi 的斜率和F 的分量Fx、Fy以及比值Fx/Fy都在不断变化。,第一章 概 论,指令输出将计算出ti 在时间内的和作为指令输出给X、Y轴，以控制它们联动。即：Xi X 轴；Yi Y 轴只要能连续自动地控制X，Y 两个进给轴在ti时间内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。,第一章 概 论,第四节 数控机床的应用范围数控加工的适应性根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为下列三类：最适应类形状复杂：加工精度要求高，用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件；用数学模型描述的复杂曲线或曲面
12、轮廓零件；,第一章 概 论,3、具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件；4、必须在一次装夹中合并完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。较适应类 1、在通用机床上加工时极易受人为因素（如：情绪波动、体力强弱、技术水平高低等）干扰，零件价值又高，一旦质量失控便造成重大经济损失的零件；,第一章 概 论,2.在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件；3.需要多次更改设计后才能定型的零件；4.在通用机床上加工需要作长时间调整的零件；5.用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。不适应类 下述一类零件采用数控加工后，在生产效率与经济性方面一般无明显改善，还可能弄巧
13、成拙或得不偿失，故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象。,第一章 概 论,装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；加工余量很不稳定，且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的；生产批量大的零件（当然不排除其中个别工序用数控机床加工）；必须用特定的工艺装备协调加工的零件简单地说：零件不太复杂，生产批量较小时宜采用普通机床；生产批量较大时宜采用专用机床；而当零件复杂程度较高，品种变换频繁，批量小时采用数控机床。,第五节 数控技术的发展,一、数控技术与数控机床的产生与发展 数控技术是机械技术和计算机控制技术的结合的产物，因此计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向前发展。1952年美
14、国麻省理工学院研究出世界上第一台三坐标联动的数控铣床，采用电子管元件 1959年，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板。1965年，出现了小规模集成电路。由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，这是第三代数控系统。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，被人们成为第四代数控系统，,第一章 概 论,第一章 概 论,1974年开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统，。1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交
15、直流电机进入实用阶段。1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑。近40年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用,二、中国的数控技术与数控机床 2000年的统计数据 数控机床厂家：100 数控系统厂家：50 数控机床配套厂家：300 年产量：14053台 数控机床品种：1300 产量数控化率：8%（95年 3.6%）2.十五目标数控机床年增长率:18%到2005年产量:25000-30000台品种:2000种，数控化率:20
16、%,第一章 概 论,第一章 概 论,三、数控技术的发展趋势进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展,运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络化,第一章 概 论,运行高速化、加工高精化 速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。因为它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。,第一章 概 论,加工高精化：提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。提高CNC系统控制精度：采用高速插
17、补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，由于计算机技术的不断进步，促进了数控技术水平的提高，数控装置、进给伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置的性能也随之提高，使得现代的数控设备在新的技术水平下，可同时具备运行高速化、加工高精化的性能,第一章 概 论,功能复合化 复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法控制智能化 随着人工智能技术的不断发展，并为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，具体体现在以下几个方面：,第一章 概 论,（1）加工过程自适应控制技术 通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法
18、进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态，机床加工的稳定性状态；并根据这些状态实时修调加工参数（主轴转速，进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性。,第一章 概 论,（2）加工参数的智能优化与选择 将工艺专家或技工的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平，缩短生产准备时间的目的。采用经过优化的加工参数编制的加工程序，可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。,第一章 概 论,（3）智能故障诊断与自
19、修复技术 智能故障诊断技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法，实现故障快速准确定位的技术。智能故障自修复技术：指能根据诊断确定故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。智能自修复技术集故障自诊断、故障自排除、自恢复、自调节于一体，并贯穿于加工过程的整个生命周期。智能故障诊断技术在有些日本、美国公司生产的数控系统中已有应用，基本上都是应用专家系统实现的。智能化自修复技术还在研究之中。,第一章 概 论,体系开放化定义（IEEE）：具有在不同的工作平台上均能实现系统功能、且可以与其他的系统应用进行互操作的系统。开放式数控系统特点：系统构件（软件和硬件）具有标准化(Standardiza
20、tion)与多样化(Diversification)和互换性(Interchangeability)的特征允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成。构造应该是可移植的和透明的；,第一章 概 论,交互网络化 支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造”的基础单元。,第一章 概 论,思考题：1、数控机床、数控技术的基本概念2、数控机床的特点、组成、各部分作用、分类3、数控机床的加工原理、使用范围4、数控技术的发展趋势5、什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床？6、按伺服系统的控制原理数控机床分哪几类？7、数控机床的发展趋势主要有哪些？8、如何提高数控机床的精度、速度和可靠性 9.CNC装置的主要技术指标有哪些？,
