數(shù)控技術(shù)第一章概論課件

第一章概論第一節(jié)機床數(shù)控技術(shù)的基本概念一、

數(shù)控與數(shù)控機床1．基本概念

數(shù)字控制（NC）是以數(shù)字化信號對機構(gòu)的運動過程進行控制的一種方法。簡稱為數(shù)控（NC）。。數(shù)控加工：泛指在數(shù)控機床上進行零件加工的工藝過程。

數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控（NC），它是利用數(shù)字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）實現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。數(shù)控機床（NumericalControlMachineTools）指應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對加工過程進行控制的機床。計算機數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalControlCNC）以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。返回課件首頁第一章概論第一節(jié)機床數(shù)控技術(shù)的1第一章概論CNC裝置(CNC單元)CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心組成：計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進行相應(yīng)的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作的。第一章概論CNC裝置(CNC單元)222．用數(shù)控機床加工一個零件的過程見圖1-1。

零件圖數(shù)控系統(tǒng)機床

數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)加工程序圖1-1數(shù)控機床的加工過程

第一章概論22．用數(shù)控機床加工一個零件的過程見圖1-1。數(shù)控伺服加工程3

用數(shù)控機床加工工件時，首先由編程人員按照零件的幾何形狀和加工工藝要求將加工過程編成加工程序。數(shù)控系統(tǒng)讀入加工程序后，將其翻譯成機器能夠理解的控制指令，再由伺服系統(tǒng)將其變換和放大后驅(qū)動機床上的主軸電機和進給伺服電機轉(zhuǎn)動，并帶動機床的工作臺移動，實現(xiàn)加工過程。數(shù)控系統(tǒng)實質(zhì)上是完成了手工加工中操作者的部分工作。

二、數(shù)控機床的特點1．

適應(yīng)性強2．

加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定3．

生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟效益好4．

減輕操作者的勞動強度、操作簡單5．有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化6.有故障診斷和監(jiān)控能力第一章概論用數(shù)控機床加工工件時，首先由編程人員按照零件的幾4

但另一方面，數(shù)控機床在使用中也暴露出一些問題，主要有：

1．造價較高，很多企業(yè)特別是小企業(yè)還無法接受；

2．調(diào)試和維修比較復(fù)雜，需要專門的技術(shù)人員；

3．對編程人員的技術(shù)水平要求較高。

三、數(shù)控裝置的主要技術(shù)指標

數(shù)控裝置的性能指標反映了數(shù)控系統(tǒng)的基本性能，是選擇數(shù)控系統(tǒng)的主要依據(jù)，概括起來如下：

1．控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)

2．脈沖當量（控制分辨率）

3．定位精度和重復(fù)精度4．行程

5．主軸轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)范圍

6．進給速度和調(diào)節(jié)范圍

第一章概論但另一方面，數(shù)控機床在使用中也暴露出一些問題，5第一章概論7．準備功能（G功能）8．輔助功能（M功能）

9.

自動加減速功能

10.

開關(guān)量接口

以上性能指標可以作為選擇數(shù)控裝置時參考，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控裝置的性能指標也在不斷地豐富和提高。一般來說，性能越高的數(shù)控裝置，價格也越貴，所以對用戶來說并不一定一味地追求高性能，而應(yīng)該根據(jù)自己的實際需要，綜合考慮性能和價格，作出最經(jīng)濟實用的選擇。第一章概論7．準備功能（G功能）6第一章概論

第二節(jié)

數(shù)控機床的組成與分類一、

數(shù)控機床的組成

圖1-2是數(shù)控機床的組成框圖。數(shù)控機床一般由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、主軸和進給伺服單元、PLC及其接口電路和機床本體等幾部分組成。除了機床本體以外的部分統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。

1．輸入/輸出設(shè)備：實現(xiàn)程序編制、程序和數(shù)據(jù)的輸入及顯示、存儲打印

2．數(shù)控裝置：多坐標控制、插補功能、程序輸入、編輯和修改，故障診斷、補償、信息轉(zhuǎn)換、加工方式、顯示、通訊聯(lián)網(wǎng)。

3、伺服單元：驅(qū)動機床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件。

4．機床本體:完成切削加工的機械部分

5．測量裝置：檢測位移和速度，并將信息反饋給數(shù)控裝置第一章概論

第二節(jié)

數(shù)控機床7數(shù)控機床組成圖1-2數(shù)控機床組成框圖輸入裝置數(shù)控裝置伺服驅(qū)動系統(tǒng)機床本體數(shù)控機床組成圖1-2數(shù)控機床組成框圖輸入裝置數(shù)控裝置伺服驅(qū)動8車床主機數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)輔助裝置

圖1-3是數(shù)控機床的組成車床主機數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)輔助裝置

圖1-3是9主軸伺服單元數(shù)控裝置輸出設(shè)備PLC進給伺服單元主軸電機進給電機位置檢測機床本體接口電路操作面板輸入設(shè)備圖1-4數(shù)控機床的邏輯組成第一章

概論主軸伺服單元數(shù)輸出設(shè)備進給伺服單元主軸電機接口電路操作面10二、數(shù)控機床的分類

目前，數(shù)控機床的品種齊全，規(guī)格繁多。為了研究的方便起見，可以從不同的角度對數(shù)控機床進行分類，常見的有以下幾種分類方法：（一）按控制軌跡的特點分類

1.點位控制數(shù)控機床

2.直線控制數(shù)控機床

3.輪廓控制數(shù)控機床第一章

概論二、數(shù)控機床的分類

目前，數(shù)控機床的品種齊全，規(guī)11第一章

概論1、點位控制數(shù)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點到另一點的精確定位運動；對軌跡不作控制要求；運動過程中不進行任何加工。適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測量機。第一章概論1、點位控制12圖1-5直線控制圖1-5直線控制13圖1-6輪廓控制第一章概論圖1-6輪廓控制第一章概論143、輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制(連續(xù)控制)系統(tǒng)：具有控制幾個進給軸同時諧調(diào)運動(坐標聯(lián)動)，使工件相對于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運動，在運動過程中進行連續(xù)切削加工的數(shù)控系統(tǒng)。適用范圍：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等用于加工曲線和曲面的機床?，F(xiàn)代的數(shù)控機床基本上都是裝備的這種數(shù)控系統(tǒng)。3、輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)15圖1-6開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（二）按伺服系統(tǒng)的類型分類

1．開環(huán)控制數(shù)控機床第一章概論圖1-6開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（二）按伺服系統(tǒng)的類型分類

16圖1-7閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2．

閉環(huán)控制數(shù)控機床

第一章概論圖1-7閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2．閉環(huán)控制數(shù)控機床

第17

圖1-8半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3．半閉環(huán)控制數(shù)控機床第一章概論圖1-8半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3．半閉環(huán)控制數(shù)控機床第18第一章概論（三）按功能水平分類

1.高級型數(shù)控系統(tǒng)2.普及型數(shù)控系統(tǒng)3.經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)（四）工藝用途分類切削加工類：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工機床、FMC等。成型加工類：數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機等。特種加工類：數(shù)控線切割機、電火花加工機、激光加工機等。其它類型：數(shù)控裝配機、數(shù)控測量機、機器人等第一章概論（三）按功能水平分類

1.19性能類別CPU位數(shù)聯(lián)動軸數(shù)分辨率(um)進給速度(m/min)顯示高級型325<0.1>24三維動態(tài)普及型2630.1~1010~24字符/圖形經(jīng)濟型8<3<10<10字符表1.1數(shù)控系統(tǒng)的功能分類第一章概論性能CPU位數(shù)聯(lián)動軸數(shù)分辨率(um)進給速度顯示高級型320數(shù)控車床數(shù)控車床21銑床銑床22銑床銑床23數(shù)控刀具數(shù)控刀具24轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)塔刀架25第一章概論第三節(jié)數(shù)控機床的加工原理數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工的比較工藝分析工序卡數(shù)控加工程序傳統(tǒng)加工數(shù)控加工圖1-9傳統(tǒng)加工與數(shù)控加工的比較圖第一章概論第三節(jié)數(shù)控機床的加工原理工藝分析工26第一章概論數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程譯碼刀補處理插補處理PLC控制進給伺服系統(tǒng)切削運動、機床I/O裝置成形運動加工程序編制和輸入圖數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程第一章概論數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程譯碼刀27第一章概論譯碼(解釋)譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標值；進給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標志的存放順序和格式。第一章概論譯碼(解釋)28第一章概論刀補處理(計算刀具中心軌跡)用戶零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數(shù)控機床在加工過程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。第一章概論刀補處理(計算刀具中心軌跡)29第一章概論插補計算本模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期△t定時運行，它將由各種線形（直線，園弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進給速度F，實時計算出各個進給軸在△t內(nèi)位移指令（△X1、△Y1、…），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)成形運動。這個過程將在下面進一步敘述。第一章概論插補計算30第一章概論數(shù)控加工軌跡控制原理逼近處理圖為欲加工的圓弧軌跡L，起點為P0，終點為Pe。CNC裝置首先對圓弧進行逼近處理。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數(shù)控加工原理圖第一章概論數(shù)控加工軌跡控制原理XLY△Li△X31第一章概論用直線⊿Li逼近圓弧存在著逼近誤差δ，但只要δ足夠?。èSLi足夠短），總能滿足零件的加工要求。當F為常數(shù)時，而⊿t對數(shù)控系統(tǒng)而言恒為常數(shù)，則⊿Li的長度也為常數(shù)⊿L，只是其斜率與其在L上的位置有關(guān)。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數(shù)控加工原理圖第一章概論用直線⊿Li逼近圓弧存在著逼近誤差δ32第一章概論插補運算將⊿Li分解為X軸及Y軸移動分量Xi和Yi（在ti時間內(nèi)），要求滿足：且有：Fx=Xi/ti

Fy=Yi

/ti⊿Li的斜率和F的分量Fx、Fy以及比值Fx/Fy都在不斷變化。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數(shù)控加工原理圖第一章概論插補運算XLY△Li△Xi△YiT033第一章概論指令輸出將計算出△ti在時間內(nèi)的和作為指令輸出給X、Y軸，以控制它們聯(lián)動。即：

Xi

X軸；YiY軸只要能連續(xù)自動地控制X，Y兩個進給軸在△ti時間內(nèi)移動量，就可以實現(xiàn)曲線輪廓零件的加工。第一章概論指令輸出34第一章概論第四節(jié)數(shù)控機床的應(yīng)用范圍數(shù)控加工的適應(yīng)性根據(jù)數(shù)控加工的優(yōu)缺點及國內(nèi)外大量應(yīng)用實踐，一般可按適應(yīng)程度將零件分為下列三類：最適應(yīng)類形狀復(fù)雜：加工精度要求高，用通用機床無法加工或雖然能加工但很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的零件；用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線或曲面輪廓零件；第一章概論第四節(jié)數(shù)控機床的應(yīng)用范圍35第一章概論3、具有難測量、難控制進給、難控制尺寸的不開敞內(nèi)腔的殼體或盒型零件；4、必須在一次裝夾中合并完成銑、鏜、锪、鉸或攻絲等多工序的零件。較適應(yīng)類1、在通用機床上加工時極易受人為因素（如：情緒波動、體力強弱、技術(shù)水平高低等）干擾，零件價值又高，一旦質(zhì)量失控便造成重大經(jīng)濟損失的零件；第一章概論3、具有難測量、難控制進給、難控制尺寸的36第一章概論2.在通用機床上加工時必須制造復(fù)雜專用工裝的零件；3.需要多次更改設(shè)計后才能定型的零件；4.在通用機床上加工需要作長時間調(diào)整的零件；5.用通用機床加工時，生產(chǎn)率很低或體力勞動強度很大的零件。不適應(yīng)類下述一類零件采用數(shù)控加工后，在生產(chǎn)效率與經(jīng)濟性方面一般無明顯改善，還可能弄巧成拙或得不償失，故此類零件一般不應(yīng)作為數(shù)控加工的選擇對象。

第一章概論2.在通用機床上加工時必須制造復(fù)雜專用工37第一章概論裝夾困難或完全靠找正定位來保證加工精度的零件；加工余量很不穩(wěn)定，且數(shù)控機床上無在線檢測系統(tǒng)可自動調(diào)整零件坐標位置的；生產(chǎn)批量大的零件（當然不排除其中個別工序用數(shù)控機床加工）；必須用特定的工藝裝備協(xié)調(diào)加工的零件簡單地說：零件不太復(fù)雜，生產(chǎn)批量較小時宜采用普通機床；生產(chǎn)批量較大時宜采用專用機床；而當零件復(fù)雜程度較高，品種變換頻繁，批量小時采用數(shù)控機床。第一章概論裝夾困難或完全靠找正定位來保證加工精度的38第五節(jié)

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展一、

數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)控技術(shù)是機械技術(shù)和計算機控制技術(shù)的結(jié)合的產(chǎn)物，因此計算機技術(shù)的每一點進步都在推動數(shù)控技術(shù)向前發(fā)展。1952年美國麻省理工學(xué)院研究出世界上第一臺三坐標聯(lián)動的數(shù)控銑床，采用電子管元件1959年，晶體管元件的出現(xiàn)使電子設(shè)備的體積大大減小，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板。1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，這是第三代數(shù)控系統(tǒng)。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了一臺以通用小型計算機作為數(shù)控裝置的數(shù)控系統(tǒng)，被人們成為第四代數(shù)控系統(tǒng)，

第一章概論第五節(jié)

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展一、

數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床的產(chǎn)39第一章概論1974年開始出現(xiàn)的以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)被人們譽為第五代數(shù)控系統(tǒng)，。1981年：具有人機對話、動態(tài)圖形顯示、實時精度補償功能。1986年：數(shù)字伺服控制誕生，大慣量的交直流電機進入實用階段。1988年：采用高性能32位機為主機的主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1994年：基于PC的NC系統(tǒng)誕生，使NC系統(tǒng)的研發(fā)進入了開放型、柔性化的新時代，新型NC系統(tǒng)的開發(fā)周期日益縮短。它是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的又一個里程碑。近40年來，裝備微處理機數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用第一章概論1974年開始出現(xiàn)的以微處40二、中國的數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床2000年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)數(shù)控機床廠家：100數(shù)控系統(tǒng)廠家：50數(shù)控機床配套廠家：300年產(chǎn)量：14053臺數(shù)控機床品種：1300產(chǎn)量數(shù)控化率：8%（95年3.6%）2.十五目標數(shù)控機床年增長率:>18%到2005年產(chǎn)量:25000-30000臺品種:2000種，數(shù)控化率:20%第一章概論二、中國的數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床第一章概41第一章概論三、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢進入九十年代以來，隨著國際上計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展運行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開放化驅(qū)動并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化第一章概論三、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢運行42第一章概論運行高速化、加工高精化速度和精度是數(shù)控設(shè)備的兩個重要指標，它們是數(shù)控技術(shù)永恒追求的目標。因為它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。新一代數(shù)控設(shè)備在運行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。第一章概論運行高速化、加工高精化43第一章概論加工高精化：提高機械設(shè)備的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補償技術(shù)。提高CNC系統(tǒng)控制精度：采用高速插補技術(shù)，以微小程序段實現(xiàn)連續(xù)進給，使CNC控制單位精細化，由于計算機技術(shù)的不斷進步，促進了數(shù)控技術(shù)水平的提高，數(shù)控裝置、進給伺服驅(qū)動裝置和主軸伺服驅(qū)動裝置的性能也隨之提高，使得現(xiàn)代的數(shù)控設(shè)備在新的技術(shù)水平下，可同時具備運行高速化、加工高精化的性能第一章概論加工高精化：提高機械設(shè)備的制造和裝配精度44第一章概論功能復(fù)合化

復(fù)合化是指在一臺設(shè)備能實現(xiàn)多種工藝手段加工的方法控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化發(fā)展需求，數(shù)控技術(shù)智能化程度不斷提高，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：第一章概論45第一章概論（1）加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)通過監(jiān)測加工過程中的切削力、主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，利用傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的算法進行識別，以辯識出刀具的受力、磨損以及破損狀態(tài)，機床加工的穩(wěn)定性狀態(tài)；并根據(jù)這些狀態(tài)實時修調(diào)加工參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速，進給速度）和加工指令，使設(shè)備處于最佳運行狀態(tài)，以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及設(shè)備運行的安全性。第一章概論（1）加工過程自適應(yīng)控制技46第一章概論（2）加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇

將工藝專家或技工的經(jīng)驗、零件加工的一般與特殊規(guī)律，用現(xiàn)代智能方法，構(gòu)造基于專家系統(tǒng)或基于模型的“加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇器”，利用它獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，從而達到提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準備時間的目的。采用經(jīng)過優(yōu)化的加工參數(shù)編制的加工程序，可使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟的工作狀態(tài)。第一章概論（2）加工參數(shù)的智能優(yōu)化與選擇47第一章概論（3）智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)

智能故障診斷技術(shù)：根據(jù)已有的故障信息，應(yīng)用現(xiàn)代智能方法，實現(xiàn)故障快速準確定位的技術(shù)。智能故障自修復(fù)技術(shù)：指能根據(jù)診斷確定故障原因和部位，以自動排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。智能自修復(fù)技術(shù)集故障自診斷、故障自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，并貫穿于加工過程的整個生命周期。智能故障診斷技術(shù)在有些日本、美國公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，基本上都是應(yīng)用專家系統(tǒng)實現(xiàn)的。智能化自修復(fù)技術(shù)還在研究之中。第一章概論（3）智能故障診斷與自修復(fù)技術(shù)48第一章概論體系開放化定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進行互操作的系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)特點：系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標準化(Standardization)與多樣化(Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的；第一章概論體系開放化49第一章概論交互網(wǎng)絡(luò)化

支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，既滿足單機需要，又能滿足FMC、FMS、CIMS對基層設(shè)備集成要求的數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是形成“全球制造”的基礎(chǔ)單元。第一章概論交互網(wǎng)絡(luò)化50第一章概論思考題：1、數(shù)控機床、數(shù)控技術(shù)的基本概念2、數(shù)控機床的特點、組成、各部分作用、分類3、數(shù)控機床的加工原理、使用范圍4、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢5、什么是點位控制、直線控制、輪廓控制數(shù)控機床？6、按伺服系統(tǒng)的控制原理數(shù)控機床分哪幾類？

7、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢主要有哪些？8、如何提高數(shù)控機床的精度、速度和可靠性9.CNC裝置的主要技術(shù)指標有哪些？第一章概論思考題：51第一章概論第一節(jié)機床數(shù)控技術(shù)的基本概念一、

數(shù)控與數(shù)控機床1．基本概念

數(shù)字控制（NC）是以數(shù)字化信號對機構(gòu)的運動過程進行控制的一種方法。簡稱為數(shù)控（NC）。。數(shù)控加工：泛指在數(shù)控機床上進行零件加工的工藝過程。

數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控（NC），它是利用數(shù)字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem）實現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。數(shù)控機床（NumericalControlMachineTools）指應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對加工過程進行控制的機床。計算機數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalControlCNC）以計算機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。返回課件首頁第一章概論第一節(jié)機床數(shù)控技術(shù)的52第一章概論CNC裝置(CNC單元)CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心組成：計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板，通訊接口板、特殊功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件。作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進行相應(yīng)的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作的。第一章概論CNC裝置(CNC單元)5322．用數(shù)控機床加工一個零件的過程見圖1-1。

零件圖數(shù)控系統(tǒng)機床

數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)加工程序圖1-1數(shù)控機床的加工過程

第一章概論22．用數(shù)控機床加工一個零件的過程見圖1-1。數(shù)控伺服加工程54

用數(shù)控機床加工工件時，首先由編程人員按照零件的幾何形狀和加工工藝要求將加工過程編成加工程序。數(shù)控系統(tǒng)讀入加工程序后，將其翻譯成機器能夠理解的控制指令，再由伺服系統(tǒng)將其變換和放大后驅(qū)動機床上的主軸電機和進給伺服電機轉(zhuǎn)動，并帶動機床的工作臺移動，實現(xiàn)加工過程。數(shù)控系統(tǒng)實質(zhì)上是完成了手工加工中操作者的部分工作。

二、數(shù)控機床的特點1．

適應(yīng)性強2．

加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定3．

生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟效益好4．

減輕操作者的勞動強度、操作簡單5．有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化6.有故障診斷和監(jiān)控能力第一章概論用數(shù)控機床加工工件時，首先由編程人員按照零件的幾55

但另一方面，數(shù)控機床在使用中也暴露出一些問題，主要有：

1．造價較高，很多企業(yè)特別是小企業(yè)還無法接受；

2．調(diào)試和維修比較復(fù)雜，需要專門的技術(shù)人員；

3．對編程人員的技術(shù)水平要求較高。

三、數(shù)控裝置的主要技術(shù)指標

數(shù)控裝置的性能指標反映了數(shù)控系統(tǒng)的基本性能，是選擇數(shù)控系統(tǒng)的主要依據(jù)，概括起來如下：

1．控制軸數(shù)和聯(lián)動軸數(shù)

2．脈沖當量（控制分辨率）

3．定位精度和重復(fù)精度4．行程

5．主軸轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)范圍

6．進給速度和調(diào)節(jié)范圍

第一章概論但另一方面，數(shù)控機床在使用中也暴露出一些問題，56第一章概論7．準備功能（G功能）8．輔助功能（M功能）

9.

自動加減速功能

10.

開關(guān)量接口

以上性能指標可以作為選擇數(shù)控裝置時參考，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控裝置的性能指標也在不斷地豐富和提高。一般來說，性能越高的數(shù)控裝置，價格也越貴，所以對用戶來說并不一定一味地追求高性能，而應(yīng)該根據(jù)自己的實際需要，綜合考慮性能和價格，作出最經(jīng)濟實用的選擇。第一章概論7．準備功能（G功能）57第一章概論

第二節(jié)

數(shù)控機床的組成與分類一、

數(shù)控機床的組成

圖1-2是數(shù)控機床的組成框圖。數(shù)控機床一般由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、主軸和進給伺服單元、PLC及其接口電路和機床本體等幾部分組成。除了機床本體以外的部分統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。

1．輸入/輸出設(shè)備：實現(xiàn)程序編制、程序和數(shù)據(jù)的輸入及顯示、存儲打印

2．數(shù)控裝置：多坐標控制、插補功能、程序輸入、編輯和修改，故障診斷、補償、信息轉(zhuǎn)換、加工方式、顯示、通訊聯(lián)網(wǎng)。

3、伺服單元：驅(qū)動機床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件。

4．機床本體:完成切削加工的機械部分

5．測量裝置：檢測位移和速度，并將信息反饋給數(shù)控裝置第一章概論

第二節(jié)

數(shù)控機床58數(shù)控機床組成圖1-2數(shù)控機床組成框圖輸入裝置數(shù)控裝置伺服驅(qū)動系統(tǒng)機床本體數(shù)控機床組成圖1-2數(shù)控機床組成框圖輸入裝置數(shù)控裝置伺服驅(qū)動59車床主機數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)輔助裝置

圖1-3是數(shù)控機床的組成車床主機數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)輔助裝置

圖1-3是60主軸伺服單元數(shù)控裝置輸出設(shè)備PLC進給伺服單元主軸電機進給電機位置檢測機床本體接口電路操作面板輸入設(shè)備圖1-4數(shù)控機床的邏輯組成第一章

概論主軸伺服單元數(shù)輸出設(shè)備進給伺服單元主軸電機接口電路操作面61二、數(shù)控機床的分類

目前，數(shù)控機床的品種齊全，規(guī)格繁多。為了研究的方便起見，可以從不同的角度對數(shù)控機床進行分類，常見的有以下幾種分類方法：（一）按控制軌跡的特點分類

1.點位控制數(shù)控機床

2.直線控制數(shù)控機床

3.輪廓控制數(shù)控機床第一章

概論二、數(shù)控機床的分類

目前，數(shù)控機床的品種齊全，規(guī)62第一章

概論1、點位控制數(shù)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)刀具相對于工件從一點到另一點的精確定位運動；對軌跡不作控制要求；運動過程中不進行任何加工。適用范圍：數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和數(shù)控測量機。第一章概論1、點位控制63圖1-5直線控制圖1-5直線控制64圖1-6輪廓控制第一章概論圖1-6輪廓控制第一章概論653、輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)輪廓控制(連續(xù)控制)系統(tǒng)：具有控制幾個進給軸同時諧調(diào)運動(坐標聯(lián)動)，使工件相對于刀具按程序規(guī)定的軌跡和速度運動，在運動過程中進行連續(xù)切削加工的數(shù)控系統(tǒng)。適用范圍：數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等用于加工曲線和曲面的機床。現(xiàn)代的數(shù)控機床基本上都是裝備的這種數(shù)控系統(tǒng)。3、輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)66圖1-6開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（二）按伺服系統(tǒng)的類型分類

1．開環(huán)控制數(shù)控機床第一章概論圖1-6開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（二）按伺服系統(tǒng)的類型分類

67圖1-7閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2．

閉環(huán)控制數(shù)控機床

第一章概論圖1-7閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2．閉環(huán)控制數(shù)控機床

第68

圖1-8半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3．半閉環(huán)控制數(shù)控機床第一章概論圖1-8半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3．半閉環(huán)控制數(shù)控機床第69第一章概論（三）按功能水平分類

1.高級型數(shù)控系統(tǒng)2.普及型數(shù)控系統(tǒng)3.經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)（四）工藝用途分類切削加工類：數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、加工中心、數(shù)控齒輪加工機床、FMC等。成型加工類：數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機等。特種加工類：數(shù)控線切割機、電火花加工機、激光加工機等。其它類型：數(shù)控裝配機、數(shù)控測量機、機器人等第一章概論（三）按功能水平分類

1.70性能類別CPU位數(shù)聯(lián)動軸數(shù)分辨率(um)進給速度(m/min)顯示高級型325<0.1>24三維動態(tài)普及型2630.1~1010~24字符/圖形經(jīng)濟型8<3<10<10字符表1.1數(shù)控系統(tǒng)的功能分類第一章概論性能CPU位數(shù)聯(lián)動軸數(shù)分辨率(um)進給速度顯示高級型371數(shù)控車床數(shù)控車床72銑床銑床73銑床銑床74數(shù)控刀具數(shù)控刀具75轉(zhuǎn)塔刀架轉(zhuǎn)塔刀架76第一章概論第三節(jié)數(shù)控機床的加工原理數(shù)控加工與傳統(tǒng)加工的比較工藝分析工序卡數(shù)控加工程序傳統(tǒng)加工數(shù)控加工圖1-9傳統(tǒng)加工與數(shù)控加工的比較圖第一章概論第三節(jié)數(shù)控機床的加工原理工藝分析工77第一章概論數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程譯碼刀補處理插補處理PLC控制進給伺服系統(tǒng)切削運動、機床I/O裝置成形運動加工程序編制和輸入圖數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程第一章概論數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程譯碼刀78第一章概論譯碼(解釋)譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用ASCII碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標值；進給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標志的存放順序和格式。第一章概論譯碼(解釋)79第一章概論刀補處理(計算刀具中心軌跡)用戶零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數(shù)控機床在加工過程中控制的是刀具中心軌跡，因此在加工前必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的程序。第一章概論刀補處理(計算刀具中心軌跡)80第一章概論插補計算本模塊以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期△t定時運行，它將由各種線形（直線，園弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進給速度F，實時計算出各個進給軸在△t內(nèi)位移指令（△X1、△Y1、…），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)成形運動。這個過程將在下面進一步敘述。第一章概論插補計算81第一章概論數(shù)控加工軌跡控制原理逼近處理圖為欲加工的圓弧軌跡L，起點為P0，終點為Pe。CNC裝置首先對圓弧進行逼近處理。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數(shù)控加工原理圖第一章概論數(shù)控加工軌跡控制原理XLY△Li△X82第一章概論用直線⊿Li逼近圓弧存在著逼近誤差δ，但只要δ足夠小（⊿Li足夠短），總能滿足零件的加工要求。當F為常數(shù)時，而⊿t對數(shù)控系統(tǒng)而言恒為常數(shù)，則⊿Li的長度也為常數(shù)⊿L，只是其斜率與其在L上的位置有關(guān)。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數(shù)控加工原理圖第一章概論用直線⊿Li逼近圓弧存在著逼近誤差δ83第一章概論插補運算將⊿Li分解為X軸及Y軸移動分量Xi和Yi（在ti時間內(nèi)），要求滿足：且有：Fx=Xi/ti

Fy=Yi

/ti⊿Li的斜率和F的分量Fx、Fy以及比值Fx/Fy都在不斷變化。XLY△Li△Xi△YiT0δP0Pe數(shù)控加工原理圖第一章概論插補運算XLY△Li△Xi△YiT084第一章概論指令輸出將計算出△ti在時間內(nèi)的和作為指令輸出給X、Y軸，以控制它們聯(lián)動。即：

Xi

X軸；YiY軸只要能連續(xù)自動地控制X，Y兩個進給軸在△ti時間內(nèi)移動量，就可以實現(xiàn)曲線輪廓零件的加工。第一章概論指令輸出85第一章概論第四節(jié)數(shù)控機床的應(yīng)用范圍數(shù)控加工的適應(yīng)性根據(jù)數(shù)控加工的優(yōu)缺點及國內(nèi)外大量應(yīng)用實踐，一般可按適應(yīng)程度將零件分為下列三類：最適應(yīng)類形狀復(fù)雜：加工精度要求高，用通用機床無法加工或雖然能加工但很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的零件；用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線或曲面輪廓零件；第一章概論第四節(jié)數(shù)控機床的應(yīng)用范圍86第一章概論3、具有難測量、難控制進給、難控制尺寸的不開敞內(nèi)腔的殼體或盒型零件；4、必須在一次裝夾中合并完成銑、鏜、锪、鉸或攻絲等多工序的零件。較適應(yīng)類1、在通用機床上加工時極易受人為因素（如：情緒波動、體力強弱、技術(shù)水平高低等）干擾，零件價值又高，一旦質(zhì)量失控便造成重大經(jīng)濟損失的零件；第一章概論3、具有難測量、難控制進給、難控制尺寸的87第一章概論2.在通用機床上加工時必須制造復(fù)雜專用工裝的零件；3.需要多次更改設(shè)計后才能定型的零件；4.在通用機床上加工需要作長時間調(diào)整的零件；5.用通用機床加工時，生產(chǎn)率很低或體力勞動強度很大的零件。不適應(yīng)類下述一類零件采用數(shù)控加工后，在生產(chǎn)效率與經(jīng)濟性方面一般無明顯改善，還可能弄巧成拙或得不償失，故此類零件一般不應(yīng)作為數(shù)控加工的選擇對象。

第一章概論2.在通用機床上加工時必須制造復(fù)雜專用工88第一章概論裝夾困難或完全靠找正定位來保證加工精度的零件；加工余量很不穩(wěn)定，且數(shù)控機床上無在線檢測系統(tǒng)可自動調(diào)整零件坐標位置的；生產(chǎn)批量大的零件（當然不排除其中個別工序用數(shù)控機床加工）；必須用特定的工藝裝備協(xié)調(diào)加工的零件簡單地說：零件不太復(fù)雜，生產(chǎn)批量較小時宜采用普通機床；生產(chǎn)批量較大時宜采用專用機床；而當零件復(fù)雜程度較高，品種變換頻繁，批量小時采用數(shù)控機床。第一章概論裝夾困難或完全靠找正定位來保證加工精度的89第五節(jié)

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展一、

數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)控技術(shù)是機械技術(shù)和計算機控制技術(shù)的結(jié)合的產(chǎn)物，因此計算機技術(shù)的每一點進步都在推動數(shù)控技術(shù)向前發(fā)展。1952年美國麻省理工學(xué)院研究出世界上第一臺三坐標聯(lián)動的數(shù)控銑床，采用電子管元件1959年，晶體管元件的出現(xiàn)使電子設(shè)備的體積大大減小，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板。1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于它體積小、功耗低，，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進一步提高，這是第三代數(shù)控系統(tǒng)。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了一臺以通用小型計算機作為數(shù)控裝置的數(shù)控系統(tǒng)，被人們成為第四代數(shù)控系統(tǒng)，

第一章概論第五節(jié)

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展一、

數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床的產(chǎn)90第一章概論1974年開始出現(xiàn)的以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)被人們譽為第五代數(shù)控系統(tǒng)，。1981年：具有人機對話、動態(tài)圖形顯示、實時精度補償功能。1986年：數(shù)字伺服控制誕生，大慣量的交直流電機進入實用階段。1988年：采用高性能32位機為主機的主從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1994年：基于PC的NC系統(tǒng)誕生，使NC系統(tǒng)的研發(fā)進入了開放型、柔性化的新時代，新型NC系統(tǒng)的開發(fā)周期日益縮短。它是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的又一個里程碑。近40年來，裝備微處理機數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用第一章概論1974年開始出現(xiàn)的以微處91二、中國的數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床2000年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)數(shù)控機床廠家：100數(shù)控系統(tǒng)廠家：50數(shù)控機床配套廠家：300年產(chǎn)量：14053臺數(shù)控機床品種：1300產(chǎn)量數(shù)控化率：8%（95年3.6%）2.十五目標數(shù)控機床年增長率:>18%到2005年產(chǎn)量:25000-30000臺品種:2000種，數(shù)控化率:20%第一章概論二、中國的數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床第一章概92第一章概論三、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢進入九十年代以來，隨著國際上計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)不斷采用計算機、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就，使其朝著下述方向發(fā)展運行高速化加工高精化功能復(fù)合化控制智能化體系開放化驅(qū)動并聯(lián)化交互網(wǎng)絡(luò)化第一章概論三、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢運行93第一章概論運行高速化、加工高精化速度和