机床数控技术及编程概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,机 床 数 控 技 术 及 编 程,9/20/2024,课程内容,第,1,章 概述,第,2,章 数控装置的轮廓控制原理,第,3,章 数控机床的程序编制,第,4,章 计算机数字控制装置,第,5,章 位置检测装置,第,6,章 伺服驱动系统,9/20/2024,第一章 概 论,1.1,基本概念,1.2,数控机床的组成及分类,1.3,数控技术的发展,9/20/2024,目 标,掌握数控机床,掌握数控机床的组成及各部分的作用与功能,了解数控机床的分类,了解数控机床的特点,了解数控机床及数控技术的发展,9/20/2024,1.1 基本概念,1.1.1 数控机床的产生,第1章 概论,以前的加工方式是怎样的？,什么促使了数控机床的产生？,9/20/2024,第1章 概论,精度高,形状复杂,批量小,改型频繁,计算机的出现为人们改进加工设备提供了新的思路和技术保障,9/20/2024,第1章 概论,内在动力：,迫切需要一种精度高、柔性好的加工设备,技术基础：,电子技术、计算机技术、控制技术,9/20/2024,第1章 概论,数控机床的产生,1948年，美国帕森斯（Parsons Co.）公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。,9/20/2024,第1章 概论,数控机床的产生,1952年在美国成功研制出第一台三坐标直线插补连续控制数控铣床。1955年进入实用阶段。,9/20/2024,第1章 概论,数控机床有哪些与传统机床不同的特点？,什么是数控？,9/20/2024,第1章 概论,数控,（Numerical Control,简称NC）：利用数字化信息来实现自动控制的方法。,数控机床,（Numerical Control Machine Tools）:,综合应用了自动控制、计算机技术、精密测量和机床结构等方面的最新成就的一种计算机或专用计算装置控制的高效自动化机床。,1.1.2 数控的基本概念,9/20/2024,提高加工精度,提高生产效率,提高加工零件的适应性、灵活性,减轻工人劳动强度,提高生产管理水平,第1章 概论,1.1.3 数控机床的特点,9/20/2024,1.2 数控机床的组成及分类,1.2.1 数控机床的组成,第1章 概论,控制介质,数控装置,伺服系统,机床,测量装置,9/20/2024,第1章 概论,控制介质,：,在人和数控机床之间建立某种联系的媒介物。,把加工零件所需的动作及刀具相对于工件的位置等信息，用数控装置所能接受的数字和文字代码来表示，并把这些代码储存在控制介质上。,穿孔卡,穿孔带,磁带,磁盘,9/20/2024,数控装置,：是数控机床的中枢，接收输入介质的信息，通过对代码的,识别,、,存储,和,运算,等操作，最终输出指令脉冲驱动伺服系统进而控制机床动作。,第1章 概论,数控装置所具备的主要功能：,多坐标控制,多种函数的插补,多种程序输入功能,信息转换功能,补偿功能,多种加工方式选择,故障诊断功能,显示功能,通讯和联网功能,9/20/2024,伺服系统,：把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动。,第1章 概论,脉冲当量：,相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移量。,常用脉冲当量：,0.01mm/脉冲，0.005mm/脉冲，0.001mm/脉冲,常用的伺服驱动元件：,功率步进电机，电液伺服马达，直流 伺服电机，交流伺服电机,伺服系统的性能是决定数控机床的加工精度、表面质量和生产率的主要因素之一,9/20/2024,第1章 概论,机床,：,执行机构,传动链较短,动态特性好,传动效率高,采用了高性能的主轴及进给伺服系统,机床的动态刚度，阻尼精度，耐磨性以及抗热变形性能都较高,采用一些高效传动件。如：滚珠丝杆螺母副、直线滚动导轨等,9/20/2024,第1章 概论,1.2.2 数控机床的分类,按工艺用途分类,按控制系统对运动轨迹的控制方式分类,按伺服系统的控制方式分类,按数控装置分类,按功能水平分类,普通数控机床,数控加工中心,多坐标数控机床,成型机,特种加工,点位控制数控机床,点位直线数控机床,轮廓控制数控机床,开环控制,闭环控制,半闭环控制,开环补偿型控制,硬线数控,软线数控,经济型,中档型,高档型,3轴数控铣床曲面加工,9/20/2024,数控系统主要技术指标,控制轴数,CNC,最多可以控制多少坐标轴,（,包括直线轴和回转轴,）,联动轴数,CNC,可同时控制且按一定规律完成一定轨迹,插补的协调运动的坐标轴数,插补功能,插补直线、圆弧、 抛物线、椭圆、正弦曲线,、,螺旋曲线、样条函数等，甚至可对曲面直接插补,。,插补坐标系也从直角坐标系扩展到极坐标系、,圆筒坐标系。,第1章 概论,9/20/2024,数控系统主要技术指标,机床坐标轴可达到的控制精度，即CNC每发出一个脉冲， 坐标轴移动的距离,定位精度,实际位置与指令位置的一致程度，不一致量为误差；,重复精度,在相同条件下，操作方法不变，进行规定次数操作所,得到的连续结果的一致程度。,脉冲当量（分辨率）,定位精度与重复精度,第1章 概论,9/20/2024,数控系统主要技术指标,行程和插补范围,CNC,的控制范围和加工范围,进给速度和调节范围,进给速度,刀具每分钟切削进给距离；,最大进给速度,CNC,在一定精度条件下所能达到的,最大加工速度；,最大快进速度,不加工的最大移动速度；,速度调节,通过操作面板上的进给倍率开关调整，,调节范围一般是,10%-120%,，每档间隔,10%,第1章 概论,9/20/2024,数控系统主要技术指标,主轴转速和调节范围,主轴转速,主轴每分钟的转速；,转速调节,通过操作面板上的主轴倍率开关调整，,调节范围一般是,50%,120%,，每档间隔,5%,；,主轴恒线速,保证诸如车床端面切削的恒定切削速度。,单位,mm/min,，,第1章 概论,9/20/2024,数控系统主要技术指标,刀具管理和刀具补偿,T,指令,CNC,从刀库中选择刀具,刀具半径补偿、长度补偿、刀具寿命管理、自动刀具测量等,准备功能（,G,功能）,用来指令机床动作的方式功能,辅助功能（,M,功能）,规定主轴的起停、转向，冷却液的通断，刀库的起停等,第1章 概论,9/20/2024,数控系统主要技术指标,操作功能,程序段跳步、机械闭锁、辅助功能闭锁、单段、试运行、录返、示教等。,开关量接口,M,、,S,、,T,功能以,BCD,码形式输出；机床其它开关量信号，,如急停、循环起动、进给保持等。,字符图形显示,自诊断功能,通信与通信协议,第1章 概论,9/20/2024,第1章 概论,1.3 数控技术的发展,从1952年至今，数控机床按照控制机的发展，已经历了六代。,1952,年,试制成功的世界上第一台数控机床是一台三坐标数控立式铣床，采用的是脉冲乘法器原理，其数控系统全部采用电子管元件，我们称之为第一代数控系统。,1959,年,，由于在计算机行业中研制出晶体管元件，因而在数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。,1959,年,3,月，美国发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。,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。数控系统发展到第三代。,以上三代，都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统（,NC,）,。,1967,年,，出现了柔性制造系统（,FMS,）。由计算机作控制单元的数控系统（,CNC,）,数控机床的第四代。,1974,年,，美、日等国的数控系统生产厂首先研制出以微处理器为核心的数控系统（,MNC,）,。,数控机床的第五代。,1990,年,开始，出现了采用工控,PC,机的开放式,CNC,系统。,数控机床的第六代。,9/20/2024,我国第一台数控机床,9/20/2024,立式数控车床,立式数控铣床,9/20/2024,卧式数控铣床,龙门数控铣床,滑枕立式加工中心,9/20/2024,固定立柱立式加工中心,固定立柱立式加工中心,9/20/2024,第1章 概论,随着计算机技术的发展，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,控制智能化,功能复合化,交互网络化,9/20/2024,第1章 概论,趋势运行高速化,进给、主轴、刀具交换、托盘交换等实现高速化，并具有高加（减）速度。,进给率高速化：,在分辨率为0.1,m,时，F,max,=24m/min，可获得复杂型面的精确加工；,在程序段长度为1mm时，F,max,=30m/min，并且具有1.5g的加减速率,；,9/20/2024,第1章 概论,在高效加工中心上达到90 m/min的快移速度和1g的加速度。,直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤其在激光切割和高速加工中。,9/20/2024,第1章 概论,换刀速度,0.9秒（刀到刀）,2.8秒（切削到切削）,工作台（托盘）交换速度,6.3秒。,主轴高速化,：,采用电主轴（内装式主轴电机），主轴电机的转子轴就是主轴部件。,主轴最高转速达40000,50000,r/min。,主轴转速的最高加（减）速为1.0g ，即仅需1.8秒即可从0提速到15000r/min。,9/20/2024,第1章 概论,趋势加工高精化,提高机械的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。IC制造装备、纳米控制。,提高CNC系统控制精度,：,采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化；,采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106 脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01,m,/脉冲）,位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。,采用误差补偿技术,：,采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;,设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080。三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为0.1,m,。,9/20/2024,第1章 概论,趋势控制智能化,随着人工智能技术的不断发展，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，体现在：,加工过程自适应控制技术,：,通过,监测,主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，,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。,加工参数的智能优化,:,将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，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”，,获得,优化的加工参数，,提高,编程效率和加工工艺水平，,缩短,生产准备时间。使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。,智能化交流伺服驱动装置,：,自动识别负载、自动调整控制参数，包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。,目前已开发出自学习功能的神经网络电火花加工系统。日本大隈公司的7000系列数控系统具有人工智能自动编程功能。,9/20/2024,趋势控制智能化,第1章 概论,智能故障诊断与自修复技术,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,。,智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以,自动排除故障或指导故障的排除,技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全生命周期。,智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。,9/20/2024,第1章 概论,INC (Intelligent NC,),研究机构,日本京都大学、大阪机工、三菱电机、MAZAK等,具体目标,实现安全、高效、高速,加工的智能化数控机床,系统特征,数控系统各种控制参数自适应,数控机床加工条件自适应,加工过程数据采集及自律学习,9/20/2024,第1章 概论,趋势功能复合化,复合化：在一台设备上实现多种工艺步骤的加工，缩短加工链,车铣复合车削中心；,镗铣钻复合加工中心、五面加工中心；,铣镗钻车复合复合加工中心；,可更换主轴箱的数控机床组合加工中心；,集车削和激光加工于一体的机床；,测量/制造复合，在加工后对工件进行在线测量,多功能复合化机床消除了车床、铣床、磨床、激光设备等之间的传统差异。,9/20/2024,趋势交互网络化,第1章 概论,支持网络通讯协议，既满足单机DNC需要，又能满足FMC、FMS、CIMS、灵捷制造TEAM（technology enabling agile manufacture）对基层设备集成要求的数控系统。,网络资源共享。,数控机床的远程（网络）控制。,数控机床故障的远程（网络）诊断。,数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）,数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和,I/O,的控制是数控技术的发展方向。,德国,Intrtamat,的,SERCOS,、美国,DELTATAU,的,Mcro-Link,、日本,FANUC,的,SERVO-Link,、日本三菱的,Tro-Link,等。,由于技术封锁等原因，各系统中光纤通讯采用的协议没有兼容性和互换性，要求伺服驱动器以及,I/O,模块必须具有相应协议的光纤通讯接口，这样的系统软硬件开放性较差，而且系统的成本也较高。,另外的网络通讯协议：ARCNET、CAN Bus、Profibus、USB、IEEE1394 。,基于,Fire Wire,的数控系统硬件结构图,9/20/2024,第1章 概论,点位控制系统与轮廓控制的主要区别是什么,?,什么叫脉冲当量？它影响数控机床什么性能？它的值一般为多少？,什么是数控机床？它由哪些部分组成？,数控机床的输入介质是,什么？,数控的基本概念？,数控机床发展的几大趋势？,习题,9/20/2024,