数控原理与数控机 第一章幻灯片.ppt

数控原理与数控机课件 第一章第1页，共29页，编辑于2022年，星期六2.闭环控制数控机床闭环控制数控机床 这类数控机床的工作台上这类数控机床的工作台上安装了位置检测反馈装置安装了位置检测反馈装置，用以检测机床工作台，用以检测机床工作台的实际移动位置，并与数控装置的指令位置进行比较，对差值进行控制，使其误差的实际移动位置，并与数控装置的指令位置进行比较，对差值进行控制，使其误差减少。其框图如图减少。其框图如图15所示。所示。闭环控制的数控机床加工精度高，但结构复杂，造价高，调试维修困难。闭环控制的数控机床加工精度高，但结构复杂，造价高，调试维修困难。第2页，共29页，编辑于2022年，星期六3.半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床 将将检测元件与电动机或丝杠同轴安装检测元件与电动机或丝杠同轴安装，则为半闭环控制数控机床，如图，则为半闭环控制数控机床，如图16。由于半闭环的环路内不包括丝杠螺母副及工作台，所以具有比较稳定的控制特。由于半闭环的环路内不包括丝杠螺母副及工作台，所以具有比较稳定的控制特性，调试比较方便，因而被广泛采用。但其控制精度不如闭环控制数控机床。性，调试比较方便，因而被广泛采用。但其控制精度不如闭环控制数控机床。B、半闭环控制、半闭环控制第3页，共29页，编辑于2022年，星期六（三）、按工艺用途分类（三）、按工艺用途分类 1.1.金属切削类数控机床金属切削类数控机床 此类数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床、数控镗床、数控磨床和加工中此类数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床、数控镗床、数控磨床和加工中心等心等 2.2.金属成型类数控机床金属成型类数控机床 此类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。此类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控压力机等。3.3.特种加工类数控机床特种加工类数控机床 此类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切此类数控机床包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机等。割机等。（四）、按功能水平分类（四）、按功能水平分类 按数控系统的功能水平分类，可分为按数控系统的功能水平分类，可分为经济型经济型（低档型）、（低档型）、普及型普及型（中（中档型）、档型）、高档型高档型三类，但目前并无明确定义。三类，但目前并无明确定义。第4页，共29页，编辑于2022年，星期六三、数控机床的应用三、数控机床的应用 数控机床是一种可编程的通用加工设备，目前应用越来越广泛。但数控机床是一种可编程的通用加工设备，目前应用越来越广泛。但因其加工费用较高，故数控机床有如下特定的适用范围因其加工费用较高，故数控机床有如下特定的适用范围:（1）轮廓形状复杂、加工精度要求高或必须用数学方法解决的复杂曲线、曲面的）轮廓形状复杂、加工精度要求高或必须用数学方法解决的复杂曲线、曲面的小批量零件。小批量零件。（2）试制中尚需多次改变设计的零件。）试制中尚需多次改变设计的零件。（3）加工工序较多的零件）加工工序较多的零件(如箱体类零件、航空附件壳体等如箱体类零件、航空附件壳体等)。（4）价格昂贵的零件）价格昂贵的零件(如飞机大梁如飞机大梁)。（5）要求精密复制的零件。）要求精密复制的零件。通用机床通用机床数控机床数控机床专用机床专用机床零件批量零件批量零件复杂程度零件复杂程度数控机床数控机床专用机床专用机床通用机床通用机床零件批量零件批量总加工费用总加工费用第5页，共29页，编辑于2022年，星期六 1959年年，美国开发出世界，美国开发出世界第一台加工中心（刀库、换刀装置和回转第一台加工中心（刀库、换刀装置和回转工作台）工作台）。从从1960年开始，德国、日本、前苏联等工业发达国家都陆续开发、生产及使用了数年开始，德国、日本、前苏联等工业发达国家都陆续开发、生产及使用了数控机床控机床。1967年，英国率先将几台数控机床连接成具有年，英国率先将几台数控机床连接成具有柔性的加工系统柔性的加工系统(FMS)。1974年微处理器直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和飞年微处理器直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和飞速发展。速发展。第三节第三节 机床数控技术的发展机床数控技术的发展 1949-1952年美国空军后勤司令部、帕森斯公司、麻省理工学院合作，于年美国空军后勤司令部、帕森斯公司、麻省理工学院合作，于1952年研年研制成了制成了世界第一台数控机床世界第一台数控机床三轴控制铣床三轴控制铣床。一、数字控制技术与数控机床的产生和发展一、数字控制技术与数控机床的产生和发展 1947年，美国帕森斯设想电子技术控制坐标镗床方案。年，美国帕森斯设想电子技术控制坐标镗床方案。第6页，共29页，编辑于2022年，星期六 20世纪世纪80年代初年代初，国际上又出现了以，国际上又出现了以23台数控机床或台数控机床或1台加工中心为台加工中心为主体，再配上件自动装卸和监控检测装置的主体，再配上件自动装卸和监控检测装置的柔性制造单元柔性制造单元(FMC)。我国从我国从1958年开始研究数控技术，年开始研究数控技术，1966年研制成功晶体管数控系统，年研制成功晶体管数控系统，1968年研制成功年研制成功X53K1立式铣床。立式铣床。20世纪世纪70年代初，加工中心研制成功。年代初，加工中心研制成功。1988年我国的第一套年我国的第一套FMS通过验收投入运行。通过验收投入运行。19812000年我国数控技术经年我国数控技术经历了历了引进技术、消化吸收、科技攻关和产业化引进技术、消化吸收、科技攻关和产业化四阶段后飞速发展。四阶段后飞速发展。2003年全年全国数控机床产量达到国数控机床产量达到36813台，品种有台，品种有1500多种，其中数控车床产量居世界多种，其中数控车床产量居世界第一。第一。第7页，共29页，编辑于2022年，星期六二、数控机床的发展趋势二、数控机床的发展趋势（一）高速度、高精度化高速度、高精度化 现代数控系统已逐步由现代数控系统已逐步由16位位CPU过渡过渡到到32位位CPU，实现了，实现了最小位移单位为最小位移单位为0.1m，最大进给速度达到，最大进给速度达到100mmin。目前许多数控机床采用高速内装式主轴电动可将目前许多数控机床采用高速内装式主轴电动可将主轴转速主轴转速提高到提高到4000rmin5000rmin。提高数控系统的分辨率；使提高数控系统的分辨率；使CNC控制单元精细化；提高位置检测精度。控制单元精细化；提高位置检测精度。目前加工中心的定位精度就已由过去的目前加工中心的定位精度就已由过去的5m提高到提高到1m。（二）多功能化多功能化 数控加工中心可以将许多工序和许多工艺过程集中到一台机床上完成，自数控加工中心可以将许多工序和许多工艺过程集中到一台机床上完成，自动换刀及自动更换工件，动换刀及自动更换工件，一次装夹完成全部工序，一次装夹完成全部工序，最大限度地提高机床的开机率最大限度地提高机床的开机率和利用率。和利用率。第8页，共29页，编辑于2022年，星期六 （三）高效化高效化 数控机床加工向着数控机床加工向着多轴、多系列控制功能多轴、多系列控制功能方向发展。数控技术的进步提供了方向发展。数控技术的进步提供了多轴和多轴联动控制，如西门子多轴和多轴联动控制，如西门子880系统控制轴数可达系统控制轴数可达24轴轴。装有滚珠丝杠。装有滚珠丝杠的数控机床的数控机床快速移动快速移动可达可达60mmin;磨床的砂轮线速度可达磨床的砂轮线速度可达120mmin160mmin，自动换刀时间自动换刀时间可在可在1s以下以下，托盘交换时间，托盘交换时间8s左右。左右。三、数控技术的发展方向三、数控技术的发展方向（一）（一）体系结构开放化体系结构开放化 各种应用系统有效地运行于不同的平台上。各种应用系统有效地运行于不同的平台上。（二）（二）控制策略的智能自适应化控制策略的智能自适应化 智能自适应数控加工具有精度高、生产成本智能自适应数控加工具有精度高、生产成本低、简化数控编程工作、容错性能强和提高加工效率的优点。低、简化数控编程工作、容错性能强和提高加工效率的优点。（三）（三）网络环境下的数字化网络环境下的数字化（四）（四）柔性制造系统柔性制造系统数控机床的集成，正成为网络化制造与企业集成的核数控机床的集成，正成为网络化制造与企业集成的核心。心。第9页，共29页，编辑于2022年，星期六第四节第四节 实现数控机床的有关规定实现数控机床的有关规定一、数控机床程序编制的有关规定一、数控机床程序编制的有关规定 编程实例编程实例1 N001 G92 X0 Y0 N002 G90 G00 X24.0 Y30.0 S300 T01 M03 N003 G01 X96.0 Y70.0 F100 N004 X168.0 Y50.0 N005 X240 Y30.0 N006 G00 X0 Y0 M02N002 G90 G00 X24.0 Y30.0 S300 T01 M03程序段程序段程序段序号程序段序号功能字功能字代码代码第10页，共29页，编辑于2022年，星期六 1)1)程序段序号程序段序号N N 用来表示程序段的序号，由字母用来表示程序段的序号，由字母N N和后续若干和后续若干个数字表示。例如个数字表示。例如N003N003，表示程序中的第三段程序。数控装置读取某段程序时，表示程序中的第三段程序。数控装置读取某段程序时，该程序段序号由屏幕显示，以便操作者了解或检查程序执行情况。该程序段序号由屏幕显示，以便操作者了解或检查程序执行情况。2)2)准备功能准备功能G G 由字母由字母G G和两位数字和两位数字(GOOG99)(GOOG99)组成，用来指定坐标组成，用来指定坐标系、定位方式、插补方式、加工螺纹、攻螺纹和各种固定循环以及刀具补偿等功能。系、定位方式、插补方式、加工螺纹、攻螺纹和各种固定循环以及刀具补偿等功能。两种形式：两种形式：a a、模态代码；、模态代码；b b、非模态代码、非模态代码 3)3)坐标字坐标字 坐标字给定机床在各个坐标轴上移动的方向和位移量，它是坐标字给定机床在各个坐标轴上移动的方向和位移量，它是由坐标地址字符和带正、负号的数字组成，例如由坐标地址字符和带正、负号的数字组成，例如X40X40，表示，表示X X轴正方向轴正方向40mm40mm。4)4)进给速度进给速度F F 用来指定刀具相对于工件的进给速度，单位是用来指定刀具相对于工件的进给速度，单位是mmmmminmin。在车削螺纹、攻螺纹等工序中，用在车削螺纹、攻螺纹等工序中，用F F直接指定导程。直接指定导程。第11页，共29页，编辑于2022年，星期六 5)5)主轴转速功能主轴转速功能S S 用于指定主轴转速，单位是用于指定主轴转速，单位是r rminmin，一般是直接指定。一般是直接指定。6)6)刀具功能刀具功能T T 功能完善的数控系统，地址字功能完善的数控系统，地址字T T后接四位数字，前两后接四位数字，前两位是刀具号，后二位是刀具补偿值组别号。例如位是刀具号，后二位是刀具补偿值组别号。例如T0303T0303表示使用第三把刀具，并且调表示使用第三把刀具，并且调用第三组刀具补偿值。用第三组刀具补偿值。7)7)辅助功能辅助功能M M (M00-M99)(M00-M99)，用于指定主轴旋转方向和启动、停止，用于指定主轴旋转方向和启动、停止，切削液供给和关闭，夹具夹紧和松开，刀具更换等功能切削液供给和关闭，夹具夹紧和松开，刀具更换等功能。对表中的相关内容进行说明：对表中的相关内容进行说明：1 1、M00M00是程序停，主轴停，进给和冷却液也停，可进行手动，如加是程序停，主轴停，进给和冷却液也停，可进行手动，如加工螺纹。工螺纹。2 2、M01M01是计划停止，只有按下计划停止按钮才有效，用于检验产品。是计划停止，只有按下计划停止按钮才有效，用于检验产品。3 3、M02M02是程序结束，表示加工结束。是程序结束，表示加工结束。4 4、M30M30是程序结束是程序结束，表示加工结束，表示加工结束，并使程序返回到开始状态。并使程序返回到开始状态。第12页，共29页，编辑于2022年，星期六二、数控机床的坐标系和运动方向的确定数控机床的坐标系和运动方向的确定 (一一)数控机床的坐标系数控机床的坐标系 用空间直角坐标系为基本用空间直角坐标系为基本坐标系坐标系,x x、y y、z z坐标轴的相坐标轴的相互关系用互关系用右手笛卡尔定则右手笛卡尔定则决定。决定。如图如图3333所示。所示。第13页，共29页，编辑于2022年，星期六 数控机床的进给运动，有的由刀具运动来实现；有的由工件运动来实现。数控机床的进给运动，有的由刀具运动来实现；有的由工件运动来实现。JB301582JB301582中规定：中规定：机床某一部件运动的正方向是增大工件和刀具机床某一部件运动的正方向是增大工件和刀具之间距离的方向。之间距离的方向。(二)坐标轴及其运动方向坐标轴及其运动方向1、Z坐标轴坐标轴 Z轴是首先要确定的坐标轴，是指机床上轴是首先要确定的坐标轴，是指机床上提供切削力的主轴的轴线方向。提供切削力的主轴的轴线方向。2、X坐标轴坐标轴 X轴通常是水平的，且平行于工件装夹表轴通常是水平的，且平行于工件装夹表面，它平行于主要的切削方向，而且以此方向面，它平行于主要的切削方向，而且以此方向为正方向。为正方向。第14页，共29页，编辑于2022年，星期六3、y坐标轴坐标轴 Z轴和轴和y轴确定后，根据笛卡儿坐标系，与它们互相垂直的轴便是轴确定后，根据笛卡儿坐标系，与它们互相垂直的轴便是y轴。轴。YXZ机床原点机床原点机床原点机床上的固定点，一般在三坐标轴的机床上的固定点，一般在三坐标轴的最大行处最大行处。第15页，共29页，编辑于2022年，星期六作业：P13(3)第16页，共29页，编辑于2022年，星期六第17页，共29页，编辑于2022年，星期六第18页，共29页，编辑于2022年，星期六第19页，共29页，编辑于2022年，星期六第20页，共29页，编辑于2022年，星期六第21页，共29页，编辑于2022年，星期六二、机床数字控制的原理机床数字控制的原理 1 1）数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，按机床对应的坐标轴，以最小移动量数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，按机床对应的坐标轴，以最小移动量（脉冲当量脉冲当量）进行微分（图中的）进行微分（图中的XY),XY),并计算出各轴需要移动的并计算出各轴需要移动的脉冲数脉冲数。数控机床的加工，实质是应运了数控机床的加工，实质是应运了“微分微分”原理（数字信息化）。原理简述原理（数字信息化）。原理简述如下：如下：第22页，共29页，编辑于2022年，星期六 3 3）数控装置根据拟合折线轨迹，给相应的坐标轴连续地数控装置根据拟合折线轨迹，给相应的坐标轴连续地分配进给脉冲分配进给脉冲，通过，通过伺伺服驱动服驱动使机床坐标轴按分配的脉冲运动使机床坐标轴按分配的脉冲运动。由上可见：由上可见：第一第一，只要数控机床的最小，只要数控机床的最小移动量（脉冲当量）足够小，移动量（脉冲当量）足够小，拟合折线拟合折线就可以就可以等效代替理论曲线等效代替理论曲线：第二第二，只要改变坐标轴，只要改变坐标轴的分配方式，即可改变拟合折线的形状，达的分配方式，即可改变拟合折线的形状，达到改变加轨迹的目的；到改变加轨迹的目的；第三第三，只要改变分配，只要改变分配脉冲的频率，即可改变坐标轴（刀具）的运脉冲的频率，即可改变坐标轴（刀具）的运动速度。动速度。）通过数控装置的）通过数控装置的插补插补软件或插补运算器，把要求的刀具轨迹以软件或插补运算器，把要求的刀具轨迹以“脉脉冲当量冲当量”为单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折为单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。线。第23页，共29页，编辑于2022年，星期六三、数控机床的加工特点三、数控机床的加工特点1.适应性强适应性强 数控机床加工形状复杂的零件或新产品时，仅需要少量工夹具。当零件图有修改，数控机床加工形状复杂的零件或新产品时，仅需要少量工夹具。当零件图有修改，只需修改相应的程序部分，就可在短时间内将零件加工出来。生产周期短，灵活性强，只需修改相应的程序部分，就可在短时间内将零件加工出来。生产周期短，灵活性强，为多品种小批量的生产和新产品的研制提供了有利条件。为多品种小批量的生产和新产品的研制提供了有利条件。3.加工生产率高加工生产率高 数控机床的主轴转速和进给量范围比通用机床的范大，每一道数控机床的主轴转速和进给量范围比通用机床的范大，每一道2.工序集中工序集中 数控机床在结构和功能设计时，就充分考虑了工序集中，使机床在粗数控机床在结构和功能设计时，就充分考虑了工序集中，使机床在粗加工时有足够的刚度，在精加工时又有可靠的精度。因此，一次装夹可加工时有足够的刚度，在精加工时又有可靠的精度。因此，一次装夹可实现粗加工到精加工实现粗加工到精加工 的不同工序，减少了装夹、夹具的数量，也减少了的不同工序，减少了装夹、夹具的数量，也减少了因重装夹造成的误差，同时还能够缩短转序、等待和装夹等辅助时间。因重装夹造成的误差，同时还能够缩短转序、等待和装夹等辅助时间。第24页，共29页，编辑于2022年，星期六4.加工精度高、加工质量稳定加工精度高、加工质量稳定 数控机床所需的加工条件，如进给速度、主轴转速、刀具选择等，是加工程数控机床所需的加工条件，如进给速度、主轴转速、刀具选择等，是加工程序规定好的，整个过程自动进行，人为造成的加工误差很小，传动中的间隙及序规定好的，整个过程自动进行，人为造成的加工误差很小，传动中的间隙及误差还可以由数控系统进行补偿。因此。数控机床的加工精度较高。数控机床误差还可以由数控系统进行补偿。因此。数控机床的加工精度较高。数控机床能进行重复性的操作，尺寸一致性好，降低了废品率。能进行重复性的操作，尺寸一致性好，降低了废品率。5.适合加工复杂型面的零件适合加工复杂型面的零件 由于计算机具有高超的运算能力，可以准确地计算出每个坐标轴瞬间应该运动由于计算机具有高超的运算能力，可以准确地计算出每个坐标轴瞬间应该运动的运动量，因此数控机床能完成普通机床难以加工或根本不能加工的复杂型面的的运动量，因此数控机床能完成普通机床难以加工或根本不能加工的复杂型面的零件。零件。工序都能选用最佳的切削用量，数控机床的结构刚性允许进行大切削用量工序都能选用最佳的切削用量，数控机床的结构刚性允许进行大切削用量的切削，从而有效节省了机动时间。数控机床移动部件在定位中均采用加的切削，从而有效节省了机动时间。数控机床移动部件在定位中均采用加减速控制，并可选用很高的空行程运动速度，缩短了定位和非切削时间。减速控制，并可选用很高的空行程运动速度，缩短了定位和非切削时间。使用带有刀库和自动换刀装置的加工中心时，工件往往只需进行一次装夹使用带有刀库和自动换刀装置的加工中心时，工件往往只需进行一次装夹就可完成所有的加工工序，生产效率高。数控机床加工质量稳定，还可减就可完成所有的加工工序，生产效率高。数控机床加工质量稳定，还可减少检验时间。少检验时间。第25页，共29页，编辑于2022年，星期六8.价格较贵价格较贵 数控机床是以数控系统为代表的机电一体化产品，它涉及了机械、数控机床是以数控系统为代表的机电一体化产品，它涉及了机械、信息处理、自动控制、伺服驱动、自动检测、软件技术等许多领域，信息处理、自动控制、伺服驱动、自动检测、软件技术等许多领域，采用了许多高、新、尖的先进技术，使得数控机床的整体价格较高。采用了许多高、新、尖的先进技术，使得数控机床的整体价格较高。6.减轻操作者的劳动强度减轻操作者的劳动强度 数控机床的加工由程序直接控制，操作者一般只需装卸零件和更换数控机床的加工由程序直接控制，操作者一般只需装卸零件和更换刀具并监视数控机床的运行，大大减轻了操作者的劳动强度，节省了刀具并监视数控机床的运行，大大减轻了操作者的劳动强度，节省了劳动力（一人可看管多台机床）。劳动力（一人可看管多台机床）。7.有利于生产管理的现代化有利于生产管理的现代化 用数控机床加工零件，能准确地计算零件的用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，加工工时，并有效地简化了并有效地简化了检验、工装和半成品的管理工作，这些都有利于生产管理现代化。检验、工装和半成品的管理工作，这些都有利于生产管理现代化。第26页，共29页，编辑于2022年，星期六 9.调试和维修较复杂调试和维修较复杂 由于数控机床结构复杂，所以要求调试与维修人员应经过专门的技术培训，才能由于数控机床结构复杂，所以要求调试与维修人员应经过专门的技术培训，才能胜任此项工作。胜任此项工作。第27页，共29页，编辑于2022年，星期六 第二节、数控机床的组成及分类二节、数控机床的组成及分类 数控机床的工作过程如图数控机床的工作过程如图12所示。加工零件时，先根据加工所示。加工零件时，先根据加工图纸图纸的要的要求确定求确定工艺过程、工艺参数和刀具位移数据工艺过程、工艺参数和刀具位移数据，再编写，再编写加工程序加工程序，然后制作，然后制作信息载体信息载体并将加工信息并将加工信息输入输入到数控装置，在到数控装置，在数控装置数控装置内软件支持下，经过处理、计算后，内软件支持下，经过处理、计算后，发出指令，通过发出指令，通过伺服系统伺服系统使使机床机床按预定的轨迹运动，完成对零件的切削加工。按预定的轨迹运动，完成对零件的切削加工。第28页，共29页，编辑于2022年，星期六 数控机床的基本组成如下：数控机床的基本组成如下：数控机床的基本组成包括：数控机床的基本组成包括：控制介质、数控装置、伺服系统和检测反馈装置、以及机床本体等部控制介质、数控装置、伺服系统和检测反馈装置、以及机床本体等部分分(如图所示如图所示)。第29页，共29页，编辑于2022年，星期六