【数控机床教材】1-概论课件

*,*,9/13/2024,52,9/13/2024,52,机床编程与加工,第一章,沈阳工业大学辽阳校区机械系,谢宝玲,9/13/2024,1,第一章数控机床的基本知识,数控机床的出现和发展,数控机床的工作原理及基本组成,数控机床的分类,数控机床的加工原理,数控机床的特点和应用范围,典型数控系统简介,9/13/2024,2,1.1.1 数控机床的出现和发展,数控机床（Numerical Control Machine Tools）是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的，其过程大致如下 ：,1948年,，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。,第1章数控机床的基本知识,1.1 数控机床的出现和发展,9/13/2024,3,第一代,:,1949年，该公司与美国麻省理工学院（MIT）开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。,第二代,:,1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心（ MC Machining Center），使数控装置进入了第二代。,第三代,:,1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。,以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统,称为普通数控系统,即NC系统.,9/13/2024,4,第五代,:,1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。,第四代,:,60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称 DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称 CNC），使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。,20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。,9/13/2024,5,1.2数控机床的工作原理及基本组成,1.2.1 数控机床的,工作原理,数控机床加工零件,首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化,用规定的代码和程序式编写加工程序,然后将所编写程序指令输入到机床的数控装置中.数控装置再将程序(代码)进行译码、运算，向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床各运动部件，控制所需要的辅助运动，最后加工出合格零件。,9/13/2024,6,1.2.2 数控机床的组成,加工程序,输入装置,数控系统,机床,伺服系统,辅助控制装置,反馈系统,图1.1数控机床的基本组成,9/13/2024,7,9/13/2024,8,数控系统功用:,接受数控装置送来的脉冲信号,经过数控系统的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信息和指令，控制机床各部分进行规定的动作。,9/13/2024,9,1、操作面板,它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。,组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。,它是数控机床特有部件。,9/13/2024,10,9/13/2024,11,2、控制介质与输入输出设备,程序的存储介质,是记录零件加工程序的媒介，如：纸带（八单位标准穿孔纸带）、磁带或磁盘。,输入、输出设备,是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。,数控机床常用的控制介质和输入输出设备见,表1,：,9/13/2024,12,表1,控制介质和输入输出设备表,9/13/2024,13,3、通讯,现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：,串行通讯（RS-232等串口）、,自动控制专用接口和规范（DNC方式等）,网络技术（internet等）。,9/13/2024,14,4、,CNC装置(CNC单元),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。CNC装置是CNC系统的核心,9/13/2024,15,5、,伺服单元、驱动装置和测量装置,伺服单元和驱动装置,主轴伺服驱动装置和主轴电机,进给伺服驱动装置和进给电机,测量装置,位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。,作用 保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：,进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。,主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）,9/13/2024,16,6,、PLC、机床I/O电路和装置,PLC (Programmable Logic Controller)：,用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；,机床I/O电路和装置：,实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；,功能：,接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作,接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。,9/13/2024,17,计算机数控系统,机床,I/O,电路和装置,测量装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数,控,装,置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,键盘,输入输出,设备,9/13/2024,18,7、机床本体,机床：,数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。,组成：,由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。,9/13/2024,19,1.2.3 数控加工的特点及应用,1数控加工的优点,（1）柔性好,（2）加工精度高,（3）,能加工复杂型面,（4）生产效率高,（5）劳动条件好,（6）有利于生产管理,（7）易于建立计算机通信网络,9/13/2024,20,（1）数控机床价格较贵，加工成本高，提高了起始阶段的投资。,（2）技术复杂，增加了电子设备的维护，维修困难。,（3）对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，对操作人员的技术水平要求较高。,3数控加工技术的主要应用对象,图1.3 各种机床的使用范围,2数控加工的不足之处,9/13/2024,21,（1）几何形状复杂的零件,（2）多品种小批量生产的零件,（3）必须严格控制公差的零件,（4）贵重的、不允许报废的关键零件。,图1.4 各种机床的加工批量与成本的关系,9/13/2024,22,1.3数控机床的分类,按加工方式分类,1.,切削机床类。如数控车床、铣床、镗床、钻床和加工中心等。,2.成型机床类。如数控冲压机、弯管机、折弯机等。,3.特种加工机床类。如数控电火花、线切割、激光加工机床等。,4.其它机床类。如数控等离子切割、火焰切割、点焊机、三坐标测量机等。,9/13/2024,23,1.3.2 按控制系统功能分类,1.点位控制数控机床,图1.5 点位控制钻孔加工示意图,工件,刀具,点位控制,是指数控系统只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，而点与点之间的路径不需控制。特别是在移动过程中不进行加工，如图 1-5 所示。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标镗床等。,9/13/2024,24,图1.6点位直线控制切削加工,2.点位直线控制数控机床,如图 1-6 所示，,点位直线控制,是指数控系统除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有数控铣床、数控车床和数控磨床等,9/13/2024,25,3.轮廓控制数控机床,工件,刀具,图1.7轮廓控制数控机床的加工示意图,亦称,连续轨迹控制,，如图 1-7 所示，能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。,9/13/2024,26,按伺服控制方式分类,1.开环控制数控机床,减速器,数控,装置,控制,电路,步进,电机,工作台,输入,图1.8开环控制系统框图,开环控制系统,是指不带反馈装置的控制系统，由步进电机驱动线路和步进电机组成，如图,1-8,所示。数控装置经过控制运算发出脉冲信号，每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台移动一定的距离。,这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。,9/13/2024,27,2.闭环控制数控机床,数控,装置,控制,电路,伺服,电机,工作台,输入,图1.9闭环控制系统框图,位置检测元件,速度检测元件,速度反馈,位置反馈,如图 1-9 所示，,闭环控制系统,是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置，直接对工作台的实际位移量进行检测，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止移动，达到精确定位的控制系统。,闭环控制系统的定位精度高于半闭环控制，但结构比较复杂，调试维修的难度较大，常用于高精度和大型数控机床。,9/13/2024,28,特点：精度高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有直线位移、速度检测装置，价格贵，调试困难,闭环控制的数控机床,9/13/2024,29,3.半闭环控制数控机床,数控,装置,控制,电路,伺服,电机,工作台,输入,图1.10半闭环控制系统框图,速度检测元件,速度反馈,位置反馈,转角检测元件,如图 1-10 所示，,半闭环控制系统,是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的 滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止的控制系统。,这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。,9/13/2024,30,半闭环控制的数控机床,特点：精度较高，采用交流或直流伺服驱动及伺服电机，有角位移、角速度检测装置，结构紧凑,9/13/2024,31,按数控系统的功能水平分类,功能,低档,中档,高档,分辨率（m）,10,1,0.1,进给速度（m/min）,815,1524,15100,驱动进给类型,开环,半闭环或闭环的直流或交流伺服系统,联动轴数（轴）,23,24,35以上,通信功能,一般无,RS-232或DNC接口,可有MAP通信接口,，有联网能力,显示功能,LED或简单的CRT,较齐全的CRT显示,还有三维图形显示,内装PLC,无,有,有强功能的PLC,主CPU,8位、16位,32位以上或32位以上的多CPU,注:MAPManufacturing Automation Protocol制造自动化协议,较齐全的CRT显示是指具有字符、图形、人机对话、自诊断等功能的显示。,9/13/2024,32,1.3.5 按联动轴数分,数控系统控制几个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动，称为坐标联动，按照联动轴数可以分为：,2、两轴半联动,在两轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床坐标系的X、Y轴固定时，Z轴可以作周期性进给。两轴半联动加工可以实现分层加工。,1、两轴联动,数控机床能同时控制两个坐标轴联动，适于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮廓。,9/13/2024,33,4、多坐标联动,数控机床能同时控制四个以上坐标轴的联动。多坐标数控机床的结构复杂，精度要求高、程序编制复杂，适于加工形状复杂的零件，如叶轮叶片类零件。,通常三轴机床可以实现二轴、二轴半、三轴加工；,五轴机床,也可以只用到三轴联动加工，而其他两轴不联动。,3、三轴联动,数控机床能同时控制三个坐标轴的联动，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三轴加工完成。,9/13/2024,34,3轴联动，(3轴控制),4轴控制,图1-11 多轴联动数控加工的原理图,5轴联动加工,5轴联动加工,9/13/2024,35,1.4 数控加工原理,1、 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。,1.4.1 术语,9/13/2024,36,2、 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。,9/13/2024,37,3、 插补计算,本模块以系统规定的插补周期t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（X,1,、Y,1,、），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。,9/13/2024,38,1.4.2 数控加工轨迹控制原理,1、 逼近处理,图为欲加工的圆弧轨迹L，,起点为P,0,，终点为P,e,。,CNC装置首先对圆弧进行,逼近处理。,X,L,Y,L,i,X,i,Y,i,T,0,P,0,P,e,图1.12 数控加工原理图,9/13/2024,39,系统按插补时间t和进给速度F的要求，将 L分割成若干短直线,L,1,，L,2,，L,i,，,这里：,L,i,= Ft （i=1，2，）,F：,用户给定的进给速度,t：,数控系统插补周期,X,L,Y,L,i,X,i,Y,i,T,0,P,0,P,e,数控加工原理图,9/13/2024,40,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。,X,L,Y,L,i,X,i,Y,i,T,0,P,0,P,e,数控加工原理图,9/13/2024,41,2、插补运算,将,L,i,分解为,X,轴及,Y,轴移动分量,X,i,和,Y,i,（在,t,i,时间内），要求满足：,且有：,F,x,=,X,i,/,t,i,F,y,=,Y,i,/,t,i,L,i,的斜率和,F,的分量,F,x,、F,y,以及比值,F,x,/F,y,都在不断变化。,X,L,Y,L,i,X,i,Y,i,T,0,P,0,P,e,数控加工原理图,9/13/2024,42,将计算出在,t,i,时间内的和作为指令输出给Y轴，以控,制它们联动。即：,X,i,X,轴；,Y,i,Y,轴,只要能连续自动地控制,X，Y,两个进给轴在,t,i,时间,内移动量，就可以实现曲线轮廓零件的加工。,9/13/2024,43,3、,插补运算的概念和分类,插补运算：,在规定的加工轮廓起点和终点之间计算出多个中间点的坐标值，以控制机床各坐标轴的运动，这种计算中间点坐标值的过程常称为插补运算。,1）脉冲增量插补：特点是每次插补的结果仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机，适用于中等精度和中等速度要求的CNC系统。,包括逐点比较法和数字积分法,包括脉冲增量插补和数据采样插补,9/13/2024,44,逐点比较法,：被控制对象在按要求的轨迹运动时，每走一步都要和要求的轨迹比较，由比较结果决策下一步移动的方向，特点是运动直观，插补误差小于一个脉冲当量，其可做直线插补和圆弧插补。,四步：,偏差判别坐标进给偏差计算终点判别,数字积分法,：采用数字微分分析器，用数学逻辑电路来实现积分运算。,是由曲线方程产生运动信息的方法，通过对速度分量进行数字积分来确定刀具位移，使刀具沿稳定轨迹运动。,2）数据采样插补是采用时间分割法，将编程时给定的进给速度分割成插补采样周期的进给段（称做轮廓步长）然后再进行插补计算得出进给量。,9/13/2024,45,1.5典型数控系统简介,FANUC公司的主要数控系统,1高可靠性的power Mate 0系列,2普及型CNC0-D系列,4高性/价比的0i系列,5具有网络功能CNC16i/18i/21i系列,6. 个性化CNC16/18/160/180系列,3全功能型的0-C系列,9/13/2024,46,SIEMENS公司的主要数控系统,1SINUMERIK 802S/C,2SINUMERIK802D,4,SINUMERIK 840D,3SINUMERIK 810D,9/13/2024,47,FAGOR公司的数控系统,1CNC8070,28055系列数控系统,48040/8055-i/8055TCO/MCO系列,58040/8055-i/8055TC/MC系列,68025/8035系列,38040/8055-i标准系列,1.5.4 华中数控系统,1.5.5 北京航天数控,9/13/2024,48,习题与思考题,1-1名词解释：,数字控制、数控机床、点位控制系统、轮廓控制系统、开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统,1-2. NC机床由哪几部分组成，试用框图 表示各部分之间的关系，并简述各部分的基本功能。,1-3试从控制精度、系统稳定性及经济性三方面，比较开环、闭环、半闭环系统的优劣？,1-4从NC系统、联动轴数、伺服系统、机床来看，NC机床各分为几类，它们各用于什么场合？,1-5NC机床适用于加工哪些类型零件，不适用于哪些类型的零件，为什么？,9/13/2024,49,习题,：,1.什么是数控? 数控机床的加工原理是什么?2.数控机床是由哪几部分组成?各有什么作用?3.什么是开环、闭环、半闭环数控机床？它们之间有什么 区别？,9/13/2024,50,阅读报告,请在下列的专题中选择一项，查阅相关资料并写出读书报告：,数控系统发展趋势；,进给伺服系统和驱动电机发展趋势；,主轴驱动系统和主轴电机发展趋势；,数控机床的发展趋势；,国外最新数控系统或机床介绍、比较（至少6种）,要求：,阅读99年以后的文献资料，并在上交时附上相应的参考文献或网址。,阅读报告的字数不得少于3500汉字。,9/13/2024,51,自学任务,内容：,数控加工程序的手工编程方法（两次课的时间）,要求：,熟悉数控加工的G、M、F、S等指令的意义和使用方法；,能正确理解数控机床的机床坐标系、工件坐标系的概念，并会判别数控机床的坐标系；,会编制简单的数控加工程序。,参考书的章节：,廖效果数控技术 湖北科学技术出版社 武汉，2000 第二章的手工编程部分。,其它相关参考书的相关章节。,9/13/2024,52,