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1、1,第一章 数控技术概述,第一节 数控机床简介,第二节 数控机床的控制原理和组成,第三节 数控机床分类,第四节 数控技术及数控机床的发展,2,第一节 数控机床简介,一、数控机床的产生与发展,数控机床是为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生。1952 年 PARSONS 公司与麻省理工学院（MIT）合作研制了第一台三坐标数控铣床。,计算机数字控制系统（Computer Numerical Control System，CNC）,数字控制，数控（Numerical Control，NC）,数控机床（Numerical Control Machine Tools）,
2、3,第一节 数控机床简介,一、数控机床的产生与发展,第一代数控（19521959年）：采用电子管构成的硬件数控系统（NC）；,第二代数控（19591965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）：采用工业PC机的通用CNC系统。,硬件数控,软件数控,4,一、数控机床的产生与发展,数控（NC）；计算机数控（CNC，Computer Numerical Contr
3、ol）；加工中心（MC，Machine Center）；直接数字控制（DNC，Direct Numerical Control）；自适应控制（AC，Adaptive Control）；柔性制造系统（FMS，Flexible Manufacturing System）；计算机集成制造系统（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）等。,数控机床经历了,5,代表性的厂家有：的法那克（FANUC）公司、德国的西门子（SIEMENS）公司、的A-B（ALLEN-BRADLEY）公司意大利的A-BOSZA公司等。,数控系统 FANUC 0i-TC FAN
4、UC 0i-MC,一、数控机床的产生与发展,向高速度、高精度方向发展,向柔性化、功能集成化方向发展,向高可靠性方向发展,向网络化方向发展,向造型宜人化方向发展,6,二、数控机床的特点,2.生产效率高、加工精度高、加工质量稳定。,1.能适应不同零件的自动加工。,3.加工能力强。,4.工序集中，一机多用。,5.数控机床是一种高技术的设备。,数控技术是综合了计算机、自动控制、电气传动、测量、机械制造等学科领域最新成果而形成的一门交叉科学技术。,7,第二节数控机床的控制原理和组成,一、数控机床的控制原理,数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的，将与加工零件有关的信息，用规定的文字、数字和符号组成的代
5、码，按一定的格式编成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。,8,二、数控机床的组成,9,（一）程序编制及程序载体,数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。,加工程序可以用手动输入法输入到数控系统中，也可以存储在程序载体上。载体有穿孔纸带、磁卡、磁盘等。,在数控机床上加工零件，首先要对图样上零件的几何形状、尺寸和技术条件进行工艺分析，并在此基础上确定加工顺序和走刀路线，确定主运动和进给运动的工艺参数，确定加工过程中的各种辅助操作，之后用标准格式和代码编制出零件的加工程序。,10,（二）输入装置,光
6、电阅读机、录放机、软盘驱动器、,编程计算机（通讯方式）。,MDI（Manual Data Input）、,11,（三）数控装置及强电控制装置,数控装置是数控数控机床的核心。,强电控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统。,12,（四）伺服驱动系统及位置检测装置,伺服单元和驱动装置是指主轴伺服装置和主轴电机、进给伺服驱动装置和进给电机。测量装置是指位置和速度测量装置。,伺服驱动电路,伺服电机,步进电机,电液马达,直流伺服电机,交流伺服电机,测量装置,旋转变压器,编码器,磁栅,感应同步器,光栅,13,（五）机床的机械部件,主要由主运动部件、进给运动部件、支承件以及特殊装置和辅助装置
7、组成。,机床的主运动部件（主轴）,进给运动部件(工作台、拖板),基础部件：,底座、立柱、滑鞍、导轨,辅助动作机构：,冷却、润滑、刀具交换、,单独伺服电机驱动,传动链短，结构简单,排屑系统、防护、对刀仪,14,第三节数控机床分类,一、按数控机床的加工功能分类,二、按所用进给伺服系统的类型分类,三、按所用数控装置类型分类,补充分类,四、按功能水平分类,五、按工艺方法分类,15,一、按数控机床的加工功能分类,（一）点位控制数控机床,（二）直线控制数控机床,（三）轮廓控制数控机床,16,（一）点位控制数控机床,点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系，它控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动
8、从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置，然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工。,（Positioning Control）,点位控制,点到点控制（Point to Point Control）,17,（一）点位控制数控机床,确保准确的定位，系统在高运行后，一般采用三级减速，以减小定位误差。,坐标钻床、坐标镗床以及冲床,18,（二）直线控制数控机床,直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调节。,直线切削控制（Strait Cut Control）,平行切削控制（Parallel Cut Control）
9、,19,（二）直线控制数控机床,简易数控车床、数控镗铣床,20,（三）轮廓控制数控机床,1.平面轮廓加工的数控机床,轮廓控制（Contouring Control）又称连续轨迹控制（Continuous Path Control）,数控铣床、加工中心,21,（1）2 坐标联动用“行切法”,2.空间轮廓加工的数控机床,空间轮廓曲面,两轴半数控铣床,球头铣刀,X轴、Z轴联动,Y取值：,铣刀的刀头半径,零件表面光洁度要求,Y轴:单独控制 周期进给,22,（2）3 坐标联动加工,2.空间轮廓加工的数控机床,内循环滚珠螺母反向器：,滚道母线SS(空间曲线),数控铣床：,三坐标联动,把空间曲线分成很多小曲
10、线段:,空间直线段,逼近,三坐标联动插补运算,23,（3）4坐标联动加工,2.空间轮廓加工的数控机床,x1,x2,x3,飞机大梁 侧面：,直纹扭曲面,四坐标联动机床 圆柱铣刀,周边铣削,X、Y、Z直线进给轴联动,刀具绕旋转坐标轴A轴摆动,刀具与工件型面 在全长上始终贴合,24,（4）5 坐标联动加工,很大的球面零件：,潜水艇螺旋桨,端铣刀五坐标联动机床,刀具的端面,切削点处的切平面,刀具的轴线,工件轮廓在切削点处的法线 n,相平行,相重合,切削点的坐标,工件轮廓在切削点处的法线 n,变化,切削点变化,刀位点坐标,刀轴线方向,X、Y、Z直线进给轴联动,两个绕旋转坐标轴联动,25,二、按所用进给伺
11、服系统的类型分类,（1）开环伺服系统控制数控机床,这类没有位置测量反馈装置的数控机床称为开环伺服系统控制数控机床。,结构简单，制造成本较低，价格便宜。,特点,位移精度一般不高。,26,（2）半闭环伺服系统控制数控机床,这类伺服系统未将丝杠螺母副等传动装置包含在闭环反馈系统中而称之为半闭环伺服控制系统。,特点,有相当高的精度且调试比较方便，价格比全闭环系统便宜，广泛应用。,27,（3）闭环伺服系统控制数控机床,特点,定位精度高、调节速度快。系统复杂和成本高，故适用于精度要求很高的数控机床。,这类伺服控制系统因把机床工作台纳入了位置控制环而称为闭环伺服控制系统。,28,三、按所用数控装置类型分类,
12、（一）硬线数控机床 NC 机床,（二）计算机数控机床 CNC 机床,29,四、按功能水平分类,分类补充,可以分为经济型、中档型和高档型三种类型。,分辨率和进给速度 分辨率为10m、进给速度在815mmin的为低档；分辨率为1m、进给速度在1524mmin 的为中档；分辨率为0.11m、进给速度在15100mmin的为高档。伺服进给类型 采用开环、步进电动机进给系统的为低档；中、高档的则采用半闭环或闭环的直流伺服系统或交流饲服系统。,联动轴数 低档数控机床联动轴数一般不超过3轴；而中高档的则为35轴。,30,通信能力 低档数控一般无通信能力中档的可以有RS232C或直接数控（DNC）或网络接口；
13、高档的可以有网络接口或制造自动化协议（Manufacturing Automation Protocol，简称MAP）通信接口，具有联网功能。,显示功能 低档一般只有单色CRT字符显示；而中档的则具有较齐全的CRT显示，甚至LCD显示，高档的具有图形用户界面，能进行加工仿真检验。,内装PLC 低档数控一般无PLC，而中、高档的都有内装PLC。主CPU 低档数控一般采用8bit CPU，中、高档的已经逐步由16bit CPU向32bit CPU过渡，国外一些新的数控系统甚至已选用了64bit CPU。,31,五、按工艺方法分类,金属切削数控机床 金属切削数控机床和普通机床品种一样，有数控车床、数
14、控铣床、数控钻床、数控磨床、带有刀库和能实现多工序加工的铣镗加工中心和车削中心。铣镗加工中心主要完成铣、镗、钻、攻丝等工序的加工；车削中心以完成各种车削加工为主，也能完成铣平面、铣键槽及钻横孔等工序。,金属成型数控机床 金属成形数控机床是指使用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床，如数控压力机、折弯机、弯管机、旋压机等。,特种加工数控机床 特种加工数控机床主要指数控线切割机、电火花成形机、火焰切割机、激光加工机等。,冷却、润滑、刀具交换、直线切削控制（Strait Cut Control）生产效率高、加工精度高、加工质量稳定。采用电子管构成的硬件数控系统（NC）；进给运动部件(工作台、拖板)包括
15、各种制造系统，如CNC、DNC、FMC、FMS和其他制造单元，实现信息流对物流的控制与交换，是信息流和物流的结合点。第二节 数控机床的控制原理和组成一、按数控机床的加工功能分类智能化集成加工中心控制系统（4）5 坐标联动加工 金属切削数控机床 金属切削数控机床和普通机床品种一样，有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、带有刀库和能实现多工序加工的铣镗加工中心和车削中心。第一章 数控技术概述确保准确的定位，系统在高运行后，一般采用三级减速，以减小定位误差。一、数控机床的产生与发展排屑系统、防护、对刀仪第四代数控（1970年开始）：数控机床是一种高技术的设备。X、Y、Z直线进给轴联动,32,智能
16、化集成加工中心控制系统,33,中信重工（原洛阳矿山机械厂）3米立车,智能机器人（1994年在北京参加社会发展成就展）,34,100nm步进扫描投影光刻机,35,36,平板自动接种机,40,第四节 数控技术及数控机床的 发展及其技术水平,一、概述,（一）数控装置,（二）进给伺服系统,（三）程序编制,（四）工况检测、监控和故障诊断,（五）采用功能强的PLC,（六）机床的主机,（CPU、智能接口、人机界面、高集成芯片）,（伺服电机、驱动电路、位置检测装置）,（自动编程、在线编程、数据库、专家系统）,（32位微处理器、PC编程）,（主运动部件、加工功能、合理结构）,（报警信号、自诊断）,41,二、直接
17、数字控制系统,（Direct Numerical Control）,分布式数字控制（Distributed Numerical Control 简称 DNC),用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统，即形成分级连接和控制的制造系统。,间接型系统 直接型系统 计算机网络型,42,三、柔性制造单元与柔性制造系统,柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell，简称 FMC）,柔性是指能够较容易地适应多品种、小批量的生产功能，通过稍加调整或编程就可同时加工几种不同的工件。,FMC是由一台或两台数控加工中心、工业机器人、自动上下料装置以及物料运输存储设
18、备构成，它是实现单工序或双工序加工的可变加工单元，同时系统还增加了自动检测和监控等功能。,43,三、柔性制造单元与柔性制造系统,柔性制造单元（FMC）,根据上下料装置的不同，托盘（Pallet）搬运式和工业机器人（Industrial Robot，简称IR）搬运式两大类型。,1加工中心机床 2托盘 3托盘座 4托盘交换装置 5环形工作台,44,三、柔性制造单元与柔性制造系统,柔性制造单元（FMC）,机器人搬运式FMC,FMC 具有规模小、成本低、占地面积小，便于扩充等特点，相对于规模较大的FMS，由于 小、风险小，技术上也容易实现，特别适于资金有限的中、小型企业。,45,三、柔性制造单元与柔性
19、制造系统,柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简称FMS）,柔性制造系统是一个由中央计算机控制的自动化制造系统，是将若干台数控机床、加工中心或其他直接参加产品零部件生产的自动化设备，用一套自动物料（包括工件和刀具）搬运和存储系统连接起来，由分布式多级计算机进行统一的综合管理与控制，在没有固定加工顺序和生产节拍情况下，能够实现不停机调整，自动完成不同的加工任务。FMS把高柔性、高效率、高质量结合在一起，即能解决单件小批量生产自动化问题，也能适应大批量、多品种生产的自动化问题。,46,三、柔性制造单元与柔性制造系统,柔性制造系统（Flexible Manufa
20、cturing System，简称FMS）,柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成，每一个子系统还可以有分系统。,47,三、柔性制造单元与柔性制造系统,一种较为典型的实例 FMS 结构框图,48,三、柔性制造单元与柔性制造系统,6感应线圈 7地平面 8磁力线 9导向电缆,自动引导小车及原理图（AGV）,49,四、计算机集成制造系统,（Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS）,人约瑟夫哈林顿1974年,发展分为三个阶段，先是从NC机床入手，研究生产企业中如何将制造技术与计算机技术和自动化技术相综合。其次研究和开发CAD/CAM、制造
21、资源计划（MRP）和FMS，最后一个阶段是开发CIMS。,CIMS是在柔性制造技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和现代管理科学的基础上，将制造工厂的全部生产、经营活动所需的各种分布的自动化分系统，通过新的生产管理模式、工艺理论和计算机网络有机地集成起来，以获得适应于多品种、中小批量生产的高效益、高柔性和高质量的智能制造系统。,50,CIMS结构图,51,（1）管理信息分系统（Management Information System，简称 MIS）,（2）技术信息分系统（Technical Information System，简称TIS）,（3）制造自动化分系统（Manufacturin
22、g Automation System，简称 MAS）,（4）集成质量信息分系统（Quality Information System，简称QIS）,核心是制造资源计划，生产计划与控制生产管理、市场分析、销售管理、成本管理、物料管理财会和人事管理等功能。,计算机辅助设计，计算机辅助工艺规程编制，数控程序编制等分系统，负责企业生产制造的技术信息的产生与处理。,包括各种制造系统，如CNC、DNC、FMC、FMS和其他制造单元，实现信息流对物流的控制与交换，是信息流和物流的结合点。,功能包括质量计划、质量检测、质量评价、质量控制和质量信息综合管理。,52,五、机床的自适应控制,自适应控制技术是自动控
23、制技术的一个分支，其目的是要求在随机变化的加工过程中，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳的工作状态。,在加工过程中不断检查某些代表加工状态的参数，例如切削力、切削温度等，通过评价函数计算装置和最佳化装置的处理，对主轴转速和进给速度等参数进行校正，使数控机床保持在最佳切削过程。,53,三种类型：约束适应控制（Adaptive Constrained Control,简称ACC）最佳适应控制（Adaptive Control Optimization,简称ACO）学习适应控制（Teach Adaptive Control,简称TAC）。目前使用最普遍的是约束适应控制。,AC
24、C控制原理框图,54,END,55,二、数控机床的组成,56,（五）机床的机械部件,主要由主运动部件、进给运动部件、支承件以及特殊装置和辅助装置组成。,机床的主运动部件（主轴）,进给运动部件(工作台、拖板),基础部件：,底座、立柱、滑鞍、导轨,辅助动作机构：,冷却、润滑、刀具交换、,单独伺服电机驱动,传动链短，结构简单,排屑系统、防护、对刀仪,第一章 数控技术概述工件轮廓在切削点处的法线 n高档的可以有网络接口或制造自动化协议（Manufacturing Automation Protocol，简称MAP）通信接口，具有联网功能。伺服进给类型 采用开环、步进电动机进给系统的为低档；这类没有位置
25、测量反馈装置的数控机床称为开环伺服系统控制数控机床。三、柔性制造单元与柔性制造系统,57,第三节数控机床分类,一、按数控机床的加工功能分类,二、按所用进给伺服系统的类型分类,三、按所用数控装置类型分类,补充分类,四、按功能水平分类,五、按工艺方法分类,58,（1）2 坐标联动用“行切法”,2.空间轮廓加工的数控机床,空间轮廓曲面,两轴半数控铣床,球头铣刀,X轴、Z轴联动,Y取值：,铣刀的刀头半径,零件表面光洁度要求,Y轴:单独控制 周期进给,59,（3）4坐标联动加工,2.空间轮廓加工的数控机床,x1,x2,x3,飞机大梁 侧面：,直纹扭曲面,四坐标联动机床 圆柱铣刀,周边铣削,X、Y、Z直线进给轴联动,刀具绕旋转坐标轴A轴摆动,刀具与工件型面 在全长上始终贴合,60,智能化集成加工中心控制系统,61,62,五、机床的自适应控制,自适应控制技术是自动控制技术的一个分支，其目的是要求在随机变化的加工过程中，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，以达到或接近最佳的工作状态。,在加工过程中不断检查某些代表加工状态的参数，例如切削力、切削温度等，通过评价函数计算装置和最佳化装置的处理，对主轴转速和进给速度等参数进行校正，使数控机床保持在最佳切削过程。,
