数控多媒体课件

n自从20世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。n现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；0-1 绪论绪论一、数控技术在机械制造业中的地位和作用一、数控技术在机械制造业中的地位和作用1n数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；n是国家的战略技术：东芝事件、考克斯报告！东芝事件、考克斯报告！n基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；n专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。2二、数控技术的研究内容和任务二、数控技术的研究内容和任务大力加强数控领域的科技创新,努力研究具有中国特色的实用的先进数控技术,逐步建立起自己独立的、先进的技术体系。在此基础上大力发展符合中国国情的数控产品,从而形成从数控系统、数控功能部件到种类齐全的数控机床整机的完整的产业体系。3 1-1 数控技术的基本概念数控技术的基本概念 第一章第一章 数控技术与数控机床概述数控技术与数控机床概述 1.数控技术（数控技术（数控技术（数控技术（Numerical Control TechnologyNumerical Control Technology）数控技术数控技术数控技术数控技术采用数字控制的方法对某一工作过程实现采用数字控制的方法对某一工作过程实现 自动控制的技术。自动控制的技术。数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机 构等统称构等统称数控控制系统数控控制系统。它由程序输入、输。它由程序输入、输 出出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器、设备、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴进给及驱动装置等组成。主轴进给及驱动装置等组成。2.数控系统（数控系统（NC Control System）43.数控机床（数控机床（NC Machine Tools）数控机床数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。它综合了综合了计算机、的高效自动化机床。它综合了综合了计算机、自动控制、精密测量、机床的机构设计与制造自动控制、精密测量、机床的机构设计与制造等方面的最新成果。等方面的最新成果。4.数控程序数控程序5.数控编程数控编程6.数控加工数控加工1-1 数控技术的基本概念数控技术的基本概念5 数控机床数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）是一种装有程序控制系统（数控系统）的高效自动化机床。它综合了综合了计算机、自的高效自动化机床。它综合了综合了计算机、自动控制、精密测量、机床的机构设计与制造等方动控制、精密测量、机床的机构设计与制造等方面的最新成果。面的最新成果。3.数控机床（数控机床（NC Machine Tools）4.数控程序数控程序 5.数控编程数控编程6.数控加工数控加工61-2 数控机床的结构组成和特点数控机床的结构组成和特点一一.数控机床的结构组成数控机床的结构组成程程序序编编制制输输入入装装置置数数控控装装置置CNC伺伺服服驱驱动动及及位位置置检检测测辅辅助助控控制制即即强强电电控控制制装装置置机床机床主主运运动动机机构构进进给给运运动动机机构构辅辅助助动动作作机机构构图图1-1 数控机床的组成框图数控机床的组成框图7 图图 立式镗铣加工中心立式镗铣加工中心8 图图 数控机床的组成数控机床的组成 91.适应性强。适应性强。2.加工精度高、加工质量稳定。加工精度高、加工质量稳定。4.能完成复杂型面的加工。能完成复杂型面的加工。3.生产效率高。生产效率高。5.减轻工人劳动强度减轻工人劳动强度。6.有利于生产管理的现代化。有利于生产管理的现代化。二、数控机床的特点二、数控机床的特点10 8.数控机床是一种高技术的设备。数控机床是一种高技术的设备。它具有故障诊断的能力，监控功能强，能减轻它具有故障诊断的能力，监控功能强，能减轻操作者的劳动强度、实现加工自动化和操作简单操作者的劳动强度、实现加工自动化和操作简单化，有利于生产管理的现代化。化，有利于生产管理的现代化。7.工序集中，一机多用。工序集中，一机多用。3.需要高度熟练和经过适当培训的零件编程员。需要高度熟练和经过适当培训的零件编程员。传统车削传统车削 数控车床数控车床缺点：缺点：1.造价相对较高。造价相对较高。2.测试和维修比较复杂，需要专门的技术人才。测试和维修比较复杂，需要专门的技术人才。111-3 数控机床的工作原理数控机床的工作原理一一.数控机床的工作过程：数控机床的工作过程：数控机床的工作过程数控机床的工作过程是将加工零件的几何信息和工艺信息进是将加工零件的几何信息和工艺信息进行数字化处理，即对所有的操作步骤（如机床的启动或停止、主行数字化处理，即对所有的操作步骤（如机床的启动或停止、主轴的变速、工件的夹紧或松夹、刀具的选择和交换、切学液的开轴的变速、工件的夹紧或松夹、刀具的选择和交换、切学液的开或关等）和刀具与工件之间的相对位移以及进给速度等都用数字或关等）和刀具与工件之间的相对位移以及进给速度等都用数字化的代码表示。在加工前由编程人员按规定的代码将零件的图纸化的代码表示。在加工前由编程人员按规定的代码将零件的图纸编制成程序，然后通过程序载体（如穿孔带、磁带、磁盘、光盘编制成程序，然后通过程序载体（如穿孔带、磁带、磁盘、光盘和半导体存储器等）或手工直接输入（和半导体存储器等）或手工直接输入（MDI）方式将数字信息送）方式将数字信息送入数控系统的计算机中进行寄存、运算和处理，最后通过驱动电入数控系统的计算机中进行寄存、运算和处理，最后通过驱动电路由伺服装直控制机床实现自动加工。路由伺服装直控制机床实现自动加工。数控机床最大的特点数控机床最大的特点是当是当改变加工零件时，一般只需要向数控系统输入新的加工程序，而改变加工零件时，一般只需要向数控系统输入新的加工程序，而不需要对机床进行人工调整和直接参与操作，就可以自动完成整不需要对机床进行人工调整和直接参与操作，就可以自动完成整个加工过程。个加工过程。121-3 数控机床的工作原理数控机床的工作原理一一.数控机床的工作过程：数控机床的工作过程：数控机床的工作过程数控机床的工作过程是将加工零件的几何信息和工艺信息进是将加工零件的几何信息和工艺信息进行数字化处理，即对所有的操作步骤（如机床的启动或停止、主行数字化处理，即对所有的操作步骤（如机床的启动或停止、主轴的变速、工件的夹紧或松夹、刀具的选择和交换、切学液的开轴的变速、工件的夹紧或松夹、刀具的选择和交换、切学液的开或关等）和刀具与工件之间的相对位移以及进给速度等都用数字或关等）和刀具与工件之间的相对位移以及进给速度等都用数字化的代码表示。在加工前由编程人员按规定的代码将零件的图纸化的代码表示。在加工前由编程人员按规定的代码将零件的图纸编制成程序，然后通过程序载体（如穿孔带、磁带、磁盘、光盘编制成程序，然后通过程序载体（如穿孔带、磁带、磁盘、光盘和半导体存储器等）或手工直接输入（和半导体存储器等）或手工直接输入（MDI）方式将数字信息送）方式将数字信息送入数控系统的计算机中进行寄存、运算和处理，最后通过驱动电入数控系统的计算机中进行寄存、运算和处理，最后通过驱动电路由伺服装直控制机床实现自动加工。路由伺服装直控制机床实现自动加工。数控机床最大的特点数控机床最大的特点是当是当改变加工零件时，一般只需要向数控系统输入新的加工程序，而改变加工零件时，一般只需要向数控系统输入新的加工程序，而不需要对机床进行人工调整和直接参与操作，就可以自动完成整不需要对机床进行人工调整和直接参与操作，就可以自动完成整个加工过程。个加工过程。13工作原理工作原理图图1-2 数控机床的工作原理图数控机床的工作原理图编程手册编程手册加工图样加工图样编程机编程机穿孔机或存储装置穿孔机或存储装置穿孔带、磁盘等穿孔带、磁盘等输入装置输入装置数控装置数控装置随动进给系统随动进给系统 机床机床14 1-4 数控机床的分类及应用范围数控机床的分类及应用范围 一、一、按机床运动轨迹分类按机床运动轨迹分类 1.点位控制数控机床点位控制数控机床 为点到点控制，只要刀具从某一位置向另一为点到点控制，只要刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的轨迹如何，只要刀具最位置移动时，不管中间的轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置的控制方式，称为后能正确到达目标位置的控制方式，称为点位控点位控制制。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床等。冲剪床等。15图图1-3 点位控制加工原理图点位控制加工原理图16图点位控制数控钻床加工示意图图二维轮廓控制数控机床加工示意图图三维轮廓控制数控机床加工示意图17 2.直线控制数控机床直线控制数控机床图图1-4 直线控制的加工原理图直线控制的加工原理图 除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的除点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应轨迹是直线，而且对移动的速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同需要。随工艺因素变化的不同需要。简易数控车床、数控镗铣床，一般有简易数控车床、数控镗铣床，一般有2 3个可控坐标轴，个可控坐标轴，但同时控制的坐标轴只有一个。但同时控制的坐标轴只有一个。18 3.轮廓控制的数控机床轮廓控制的数控机床 能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面的加工。连续相关的控制，因而可进行曲线或曲面的加工。图图1-5 2轴控制，同时控制两个坐标轴控制，同时控制两个坐标19 3轴联动，轴联动，(3轴控制轴控制)4轴控制轴控制 图图1-6 多轴联动数控加工的原理图多轴联动数控加工的原理图 5轴联动加工轴联动加工 5轴联动加工轴联动加工20 二二、按伺服系统分类、按伺服系统分类驱动电路驱动电路步进电机步进电机工作台工作台指令指令 图图1-7 开环控制框图开环控制框图1.开环伺服数控机床开环伺服数控机床21图图 开环控制系统示意图开环控制系统示意图图图 半闭环控制系统示意图半闭环控制系统示意图图图 闭环控制系统示意图闭环控制系统示意图222.闭环控制数控机床闭环控制数控机床位置比位置比较电路较电路速度控速度控制电路制电路 伺服伺服电动机电动机 工作台工作台速度检测速度检测位置检测位置检测指令指令 图图1-8 闭环控制框图闭环控制框图23 3.半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床位置比位置比较电路较电路速度控速度控制电路制电路 伺服伺服电动机电动机 工作台工作台速度检测速度检测角度检测角度检测指令指令 图图1-9 半闭环控制框图半闭环控制框图24 三、三、按加工工艺方式分类按加工工艺方式分类 1.普通数控机床普通数控机床 2.加工中心加工中心 3 金属成型类数控机床金属成型类数控机床 这类数控机床和传统的通用机床一样，有车、这类数控机床和传统的通用机床一样，有车、铣铣、钻、镗、磨床等，与通用机床不同的是他能、钻、镗、磨床等，与通用机床不同的是他能加工具有复杂形状的零件。加工具有复杂形状的零件。这是一种在普通数控机床上加装一个刀具库这是一种在普通数控机床上加装一个刀具库和自动换刀装置而构成的数控机床。和自动换刀装置而构成的数控机床。数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机。数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机。25 4.数控特种加工机床数控特种加工机床 数控线切割机床、数控电火花加工机床、数数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床。控激光切割机床。四、应用范围四、应用范围 数控机床的确具有普通机床所不具备的许多优点。而数控机且它的应用范围还在不断扩大，但是在目前还不能完全取代普通机床，也就是说，它不能以最经济的方式来解决加它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。工制造中所有问题。为了更好地说明这个问题，有必要先初步了解一下采用数控机床加数控机床加工的优缺点工的优缺点。26 数控加工的优点 自动化程度高，可以减轻工人的体力劳自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度动强度加工的零件一致性好，质量稳定加工的零件一致性好，质量稳定生产效率较高生产效率较高便于产品研制便于产品研制便于实现计算机辅助制造便于实现计算机辅助制造27数控加工的缺点n任何事物都是两重性。数控加工虽有上述各种优点，同时在某些方面也存在不足之处：n单位加工成本较高。n只适宜于多品种小批量或中批量生产（占机械加工总量70%80%）n加工中的调整相对复杂n维修难度大28数控加工的适应性n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：最适应类最适应类对于下述零件，首先应考虑能不能把它们加工出来，即要着重考虑可能性问题。只要有可能，可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理，都应把对其进行数控加工作为优选方案。291-4 数控机床的分类及应用范围数控机床的分类及应用范围1.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；2.用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件；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。301-4 数控机床的分类及应用范围数控机床的分类及应用范围较适应类这类零件在分析其可加工性以后，还要在提高生产率及经济效益方面作全面衡量，一般可把它们作为数控加工的主要选择对象。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；311-4 数控机床的分类及应用范围数控机床的分类及应用范围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。321-4 数控机床的分类及应用范围数控机床的分类及应用范围n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。331-4 数控机床的分类及应用范围数控机床的分类及应用范围n装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件；n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；n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）；n必须用特定的工艺装备协调加工的零件。341-4 数控机床的分类及应用范围数控机床的分类及应用范围 根据上述数控加工的适应性，我们就可以根据所拥有的数控机床来选择加工对象，或根据零件类型来考虑哪些应该先安排数控加工，或从技术改造角度考虑，是否要投资添置数控机床。351-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向一、数控机床的产生与发展一、数控机床的产生与发展产生背景n从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有：n自动机床；n组合机床；n专用自动生产线。361-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向n这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点：n初始投资大；n准备周期长；n柔性差。371-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向n数控技术产生和发展的内在动力：数控技术产生和发展的内在动力：市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。n数控技术产生和发展的技术基础：数控技术产生和发展的技术基础：电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。381-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向发展沿革n1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。n1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。n从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。391-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向n第一代：第一代：1955年NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。n第二代：第二代：1959年NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。n第三代：第三代：1965年NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。以上三代以上三代NCNC系统，由于其数控功能均由系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为硬件实现，故历史上又称其为“硬线硬线NCNC”401-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向n第四代：1970年NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。n第五代：1974年NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。这一代又可分为六个发展阶段：n1979年：系统采用CRT显示，VLIC，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。n1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。411-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向n1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。n1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。n1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。n1994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。42二、数控机床的发展方向二、数控机床的发展方向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431-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向n一、高速化一、高速化 可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现高速化。二、高精度化二、高精度化 高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。它包括机床制造的几何精度和机床使用的加工精度两方面。441-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向n三、高可靠性三、高可靠性n四、高柔性化四、高柔性化 n 柔性是指机床适柔性是指机床适应加工加工对象象变化的能力。化的能力。n五、高一体化五、高一体化 nCNC 系系统与加工与加工过程作程作为一个整体，一个整体，实现机机电光声光声综合控制；合控制；测量造型、加工一体化；加工、量造型、加工一体化；加工、实时检测与修正一体化；机床主机与修正一体化；机床主机设计与数控系与数控系统设计一体化。一体化。451-5 数控机床的发展方向数控机床的发展方向n六、网六、网络化化 n实现多种通迅协议，既满足单机需要，又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备的要求，同时便于形成“全球制造”的基础单元。n七、智能化七、智能化 n21世纪的CNC系统将是一个高度智能化的系统，具体指系统应在局部或全部实现加工过程自适应、自诊断、自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，不仅可以使用多种高级语言编程，还可用类自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控等。461-5 常见数控机床简介常见数控机床简介一、数控车床一、数控车床47数控车床数控车床48数控车床数控车床49二、数控铣床二、数控铣床50数控铣床数控铣床51数控铣床数控铣床52数控铣床数控铣床53三、加工中心三、加工中心54四、数控线切割机床四、数控线切割机床 锥度电火花线切割机床551-7 控制轴数与联动轴数控制轴数与联动轴数 数控机床上控制轴的概念与通常所说的主轴、传动轴 等铀的概念不同。为了说明这一点一点，来分析一下数控机床上的运动分配情况。图112为某数控机床及其运动分配，其中工作台可以作x、y两个方向上的直线运动，也可以实现转动巴主轴箱可以沿两个方向作直线运动，也可以实现摆动BP当然还有主铀的旋转。在机床能够实现的运动中，除了主铀旋转运动以外，其他所有运动都与工件的成形有关，而且都有自己的伺服驱动。数控系统正是通过确定的伺服驱动单元控制来实现某个具体运动的，例如工作台沿X方向的移动、主轴箱的摆动。这就是控制铀的概念。机床上的运动越多，控制轴数就越多，功能就越强，机床的复杂程度和技术含量也就越高。一、控制轴数一、控制轴数5657二、联动轴数二、联动轴数实现了对机床运动的控制并不意味着就可以加工任何零件。在许多情况下，需要对机床的多个运动同时、协调地进行控制，才能达到加工要求，即同时控制多个轴。这就是所谓联动铀数。显然，联动轴数多，机床控制和编程难度加大。在图112所示的机床上加工，有些零件形面需要x，Y，2，c，B五个控制铀联动才能完成。例如图113所示的增压器叶轮，其叶片表面就需要五轴联动加工。58 总之，控制轴数和联动轴数是表达机床加工能力的重要参数。用控制轴数来划分，数控机床可有二轴数控机床、三抽数控机床等等。控制轴数有时也称坐标致，因此机床可以有三坐标数控机床和五坐标数控机床等等。59小结复习思考题及习题复习思考题及习题返回60