新數(shù)控技術(shù)全面資料課件

1第一章數(shù)控技術(shù)概述第一節(jié)數(shù)控機床簡介第二節(jié)數(shù)控機床的控制原理和組成第三節(jié)數(shù)控機床分類第四節(jié)數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床的發(fā)展2第一節(jié)數(shù)控機床簡介一、數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)控機床是為了解決單件、小批量，特別是復(fù)雜型面零件加工的自動化并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生。1952年P(guān)ARSONS公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作研制了第一臺三坐標數(shù)控銑床。

計算機數(shù)字控制系統(tǒng)（ComputerNumericalControlSystem，CNC）數(shù)字控制，數(shù)控（NumericalControl，NC）數(shù)控機床（NumericalControlMachineTools）3第一節(jié)數(shù)控機床簡介一、數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展

第一代數(shù)控（1952～1959年）：

——采用電子管構(gòu)成的硬件數(shù)控系統(tǒng)（NC）；

第二代數(shù)控（1959～1965年）：

——采用晶體管電路為主的硬件數(shù)控系統(tǒng)；

第三代數(shù)控（1965年開始）：

——采用小、中規(guī)模集成電路的硬件數(shù)控系統(tǒng)；

第四代數(shù)控（1970年開始）：

——采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機數(shù)控系統(tǒng)；

第五代數(shù)控（1974年開始）：

——采用微型計算機控制的系統(tǒng)；第六代數(shù)控（1990年開始）：

——采用工業(yè)PC機的通用CNC系統(tǒng)。

硬件數(shù)控

軟件數(shù)控

4一、數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)控（NC）；計算機數(shù)控（CNC，ComputerNumericalControl）；加工中心（MC，MachineCenter）；直接數(shù)字控制（DNC，DirectNumericalControl）；自適應(yīng)控制（AC，AdaptiveControl）；柔性制造系統(tǒng)（FMS，F(xiàn)lexibleManufacturingSystem）；計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem）等。數(shù)控機床經(jīng)歷了5代表性的廠家有：的法那克（FANUC）公司、德國的西門子（SIEMENS）公司、的A-B（ALLEN-BRADLEY）公司意大利的A-BOSZA公司等。數(shù)控系統(tǒng)FANUC0i-TCFANUC0i-MC一、數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展向高速度、高精度方向發(fā)展

向柔性化、功能集成化方向發(fā)展

向高可靠性方向發(fā)展向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

向造型宜人化方向發(fā)展

6二、數(shù)控機床的特點2.生產(chǎn)效率高、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定。1.能適應(yīng)不同零件的自動加工。3.加工能力強。4.工序集中，一機多用。5.數(shù)控機床是一種高技術(shù)的設(shè)備。數(shù)控技術(shù)是綜合了計算機、自動控制、電氣傳動、測量、機械制造等學(xué)科領(lǐng)域最新成果而形成的一門交叉科學(xué)技術(shù)。

7第二節(jié)數(shù)控機床的控制原理和組成一、數(shù)控機床的控制原理

數(shù)控機床是用數(shù)字化的信息來實現(xiàn)自動控制的，將與加工零件有關(guān)的信息，用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號組成的代碼，按一定的格式編成加工程序單，將加工程序通過控制介質(zhì)輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置經(jīng)過分析處理后，發(fā)出各種與加工程序相對應(yīng)的信號和指令控制機床進行自動加工。8二、數(shù)控機床的組成9（一）程序編制及程序載體

數(shù)控程序是數(shù)控機床自動加工零件的工作指令。

加工程序可以用手動輸入法輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，也可以存儲在程序載體上。載體有穿孔紙帶、磁卡、磁盤等。

在數(shù)控機床上加工零件，首先要對圖樣上零件的幾何形狀、尺寸和技術(shù)條件進行工藝分析，并在此基礎(chǔ)上確定加工順序和走刀路線，確定主運動和進給運動的工藝參數(shù)，確定加工過程中的各種輔助操作，之后用標準格式和代碼編制出零件的加工程序。10（二）輸入裝置光電閱讀機、錄放機、軟盤驅(qū)動器、編程計算機（通訊方式）。MDI（ManualDataInput）、11（三）數(shù)控裝置及強電控制裝置數(shù)控裝置是數(shù)控數(shù)控機床的核心。強電控制裝置是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。12（四）伺服驅(qū)動系統(tǒng)及位置檢測裝置

伺服單元和驅(qū)動裝置是指主軸伺服裝置和主軸電機、進給伺服驅(qū)動裝置和進給電機。測量裝置是指位置和速度測量裝置。伺服驅(qū)動電路伺服電機步進電機電液馬達直流伺服電機交流伺服電機測量裝置旋轉(zhuǎn)變壓器編碼器磁柵感應(yīng)同步器光柵13（五）機床的機械部件主要由主運動部件、進給運動部件、支承件以及特殊裝置和輔助裝置組成。機床的主運動部件（主軸）進給運動部件(工作臺、拖板)基礎(chǔ)部件：底座、立柱、滑鞍、導(dǎo)軌輔助動作機構(gòu)：

冷卻、潤滑、刀具交換、單獨伺服電機驅(qū)動傳動鏈短，結(jié)構(gòu)簡單排屑系統(tǒng)、防護、對刀儀14第三節(jié)數(shù)控機床分類一、按數(shù)控機床的加工功能分類二、按所用進給伺服系統(tǒng)的類型分類三、按所用數(shù)控裝置類型分類補充分類四、按功能水平分類五、按工藝方法分類15一、按數(shù)控機床的加工功能分類（一）點位控制數(shù)控機床（二）直線控制數(shù)控機床（三）輪廓控制數(shù)控機床16（一）點位控制數(shù)控機床

點位控制的數(shù)控機床用于加工平面內(nèi)的孔系，它控制在加工平面內(nèi)的兩個坐標軸帶動刀具與工件相對運動從一個坐標位置快速移動到下一個坐標位置，然后控制第三個坐標軸進行鉆鏜切削加工。（PositioningControl）

點位控制

點到點控制（PointtoPointControl）17（一）點位控制數(shù)控機床確保準確的定位，系統(tǒng)在高運行后，一般采用三級減速，以減小定位誤差。

坐標鉆床、坐標鏜床以及沖床

18（二）直線控制數(shù)控機床

直線控制數(shù)控機床可控制刀具或工作臺以適當?shù)倪M給速度，沿著平行于坐標軸的方向進行直線移動和切削加工，進給速度根據(jù)切削條件可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。直線切削控制（StraitCutControl）

平行切削控制（ParallelCutControl）

19（二）直線控制數(shù)控機床簡易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床

20（三）輪廓控制數(shù)控機床1.平面輪廓加工的數(shù)控機床輪廓控制（ContouringControl）又稱連續(xù)軌跡控制（ContinuousPathControl）數(shù)控銑床、加工中心

21（1）2坐標聯(lián)動用“行切法”2.空間輪廓加工的數(shù)控機床空間輪廓曲面兩軸半數(shù)控銑床球頭銑刀X軸、Z軸聯(lián)動ΔY取值：銑刀的刀頭半徑零件表面光潔度要求Y軸:單獨控制周期進給22（2）3坐標聯(lián)動加工2.空間輪廓加工的數(shù)控機床內(nèi)循環(huán)滾珠螺母反向器：滾道母線SS’(空間曲線)數(shù)控銑床：三坐標聯(lián)動把空間曲線分成很多小曲線段:空間直線段逼近三坐標聯(lián)動插補運算23（3）4坐標聯(lián)動加工2.空間輪廓加工的數(shù)控機床x1x2x3飛機大梁側(cè)面：直紋扭曲面四坐標聯(lián)動機床圓柱銑刀周邊銑削X、Y、Z直線進給軸聯(lián)動刀具繞旋轉(zhuǎn)坐標軸A軸擺動刀具與工件型面在全長上始終貼合24（4）5坐標聯(lián)動加工很大的球面零件：潛水艇螺旋槳端銑刀五坐標聯(lián)動機床刀具的端面切削點處的切平面刀具的軸線工件輪廓在切削點處的法線n相平行相重合切削點的坐標工件輪廓在切削點處的法線n變化切削點變化刀位點坐標刀軸線方向X、Y、Z直線進給軸聯(lián)動兩個繞旋轉(zhuǎn)坐標軸聯(lián)動25二、按所用進給伺服系統(tǒng)的類型分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機床

這類沒有位置測量反饋裝置的數(shù)控機床稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機床。

結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，價格便宜。特點位移精度一般不高。26（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機床

這類伺服系統(tǒng)未將絲杠螺母副等傳動裝置包含在閉環(huán)反饋系統(tǒng)中而稱之為半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。特點有相當高的精度且調(diào)試比較方便，價格比全閉環(huán)系統(tǒng)便宜，廣泛應(yīng)用。27

（3）閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機床

特點定位精度高、調(diào)節(jié)速度快。系統(tǒng)復(fù)雜和成本高，故適用于精度要求很高的數(shù)控機床。這類伺服控制系統(tǒng)因把機床工作臺納入了位置控制環(huán)而稱為閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。28三、按所用數(shù)控裝置類型分類（一）硬線數(shù)控機床

NC機床（二）計算機數(shù)控機床

CNC機床29四、按功能水平分類分類補充可以分為經(jīng)濟型、中檔型和高檔型三種類型。①分辨率和進給速度分辨率為10μm、進給速度在8～15m／min的為低檔；分辨率為1μm、進給速度在15～24m／min的為中檔；分辨率為0.11μm、進給速度在15～100m／min的為高檔。②伺服進給類型采用開環(huán)、步進電動機進給系統(tǒng)的為低檔；中、高檔的則采用半閉環(huán)或閉環(huán)的直流伺服系統(tǒng)或交流飼服系統(tǒng)。③聯(lián)動軸數(shù)低檔數(shù)控機床聯(lián)動軸數(shù)一般不超過3軸；而中高檔的則為3～5軸。30④通信能力低檔數(shù)控一般無通信能力中檔的可以有RS－232C或直接數(shù)控（DNC）或網(wǎng)絡(luò)接口；高檔的可以有網(wǎng)絡(luò)接口或制造自動化協(xié)議（ManufacturingAutomationProtocol，簡稱MAP）通信接口，具有聯(lián)網(wǎng)功能。⑤顯示功能低檔一般只有單色CRT字符顯示；而中檔的則具有較齊全的CRT顯示，甚至LCD顯示，高檔的具有圖形用戶界面，能進行加工仿真檢驗。⑥內(nèi)裝PLC

低檔數(shù)控一般無PLC，而中、高檔的都有內(nèi)裝PLC。⑦主CPU

低檔數(shù)控一般采用8bitCPU，中、高檔的已經(jīng)逐步由16bitCPU向32bitCPU過渡，國外一些新的數(shù)控系統(tǒng)甚至已選用了64bitCPU。31五、按工藝方法分類①金屬切削數(shù)控機床金屬切削數(shù)控機床和普通機床品種一樣，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、帶有刀庫和能實現(xiàn)多工序加工的銑鏜加工中心和車削中心。銑鏜加工中心主要完成銑、鏜、鉆、攻絲等工序的加工；車削中心以完成各種車削加工為主，也能完成銑平面、銑鍵槽及鉆橫孔等工序。②金屬成型數(shù)控機床金屬成形數(shù)控機床是指使用擠、沖、壓、拉等成形工藝的數(shù)控機床，如數(shù)控壓力機、折彎機、彎管機、旋壓機等。③特種加工數(shù)控機床特種加工數(shù)控機床主要指數(shù)控線切割機、電火花成形機、火焰切割機、激光加工機等。冷卻、潤滑、刀具交換、直線切削控制（StraitCutControl）生產(chǎn)效率高、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定。——采用電子管構(gòu)成的硬件數(shù)控系統(tǒng)（NC）；進給運動部件(工作臺、拖板)包括各種制造系統(tǒng)，如CNC、DNC、FMC、FMS和其他制造單元，實現(xiàn)信息流對物流的控制與交換，是信息流和物流的結(jié)合點。第二節(jié)數(shù)控機床的控制原理和組成一、按數(shù)控機床的加工功能分類智能化集成加工中心控制系統(tǒng)（4）5坐標聯(lián)動加工①金屬切削數(shù)控機床金屬切削數(shù)控機床和普通機床品種一樣，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、帶有刀庫和能實現(xiàn)多工序加工的銑鏜加工中心和車削中心。第一章數(shù)控技術(shù)概述確保準確的定位，系統(tǒng)在高運行后，一般采用三級減速，以減小定位誤差。一、數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展排屑系統(tǒng)、防護、對刀儀第四代數(shù)控（1970年開始）：數(shù)控機床是一種高技術(shù)的設(shè)備。X、Y、Z直線進給軸聯(lián)動32智能化集成加工中心控制系統(tǒng)33中信重工（原洛陽礦山機械廠）3米立車智能機器人（1994年在北京參加社會發(fā)展成就展）34100nm步進掃描投影光刻機3536平板自動接種機40第四節(jié)數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機床的發(fā)展及其技術(shù)水平一、概述（一）數(shù)控裝置（二）進給伺服系統(tǒng)（三）程序編制（四）工況檢測、監(jiān)控和故障診斷（五）采用功能強的PLC（六）機床的主機（CPU、智能接口、人機界面、高集成芯片）（伺服電機、驅(qū)動電路、位置檢測裝置）（自動編程、在線編程、數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)）（32位微處理器、PC編程）（主運動部件、加工功能、合理結(jié)構(gòu)）（報警信號、自診斷）41二、直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DirectNumericalControl）分布式數(shù)字控制（DistributedNumericalControl簡稱DNC)

用一臺通用計算機直接控制和管理一群數(shù)控機床進行零件加工或裝配的系統(tǒng)，即形成分級連接和控制的制造系統(tǒng)。間接型系統(tǒng)直接型系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)型

42三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng)柔性制造單元（FlexibleManufacturingCell，簡稱FMC）

柔性是指能夠較容易地適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)功能，通過稍加調(diào)整或編程就可同時加工幾種不同的工件。

FMC是由一臺或兩臺數(shù)控加工中心、工業(yè)機器人、自動上下料裝置以及物料運輸存儲設(shè)備構(gòu)成，它是實現(xiàn)單工序或雙工序加工的可變加工單元，同時系統(tǒng)還增加了自動檢測和監(jiān)控等功能。

43三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng)柔性制造單元（FMC）

根據(jù)上下料裝置的不同，托盤（Pallet）搬運式和工業(yè)機器人（IndustrialRobot，簡稱IR）搬運式兩大類型。托盤式FMC1－加工中心機床2－托盤3－托盤座

4－托盤交換裝置5－環(huán)形工作臺

44三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng)柔性制造單元（FMC）

機器人搬運式FMC

FMC具有規(guī)模小、成本低、占地面積小，便于擴充等特點，相對于規(guī)模較大的FMS，由于小、風險小，技術(shù)上也容易實現(xiàn)，特別適于資金有限的中、小型企業(yè)。45三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，簡稱FMS）

柔性制造系統(tǒng)是一個由中央計算機控制的自動化制造系統(tǒng)，是將若干臺數(shù)控機床、加工中心或其他直接參加產(chǎn)品零部件生產(chǎn)的自動化設(shè)備，用一套自動物料（包括工件和刀具）搬運和存儲系統(tǒng)連接起來，由分布式多級計算機進行統(tǒng)一的綜合管理與控制，在沒有固定加工順序和生產(chǎn)節(jié)拍情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)不停機調(diào)整，自動完成不同的加工任務(wù)。FMS把高柔性、高效率、高質(zhì)量結(jié)合在一起，即能解決單件小批量生產(chǎn)自動化問題，也能適應(yīng)大批量、多品種生產(chǎn)的自動化問題。46三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，簡稱FMS）

柔性制造系統(tǒng)由加工、物流、信息流三個子系統(tǒng)組成，每一個子系統(tǒng)還可以有分系統(tǒng)。

47三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng)一種較為典型的實例FMS結(jié)構(gòu)框圖

48三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng)1－工件2－托盤3－托盤交換臺4－轉(zhuǎn)向電機5－控制裝置6－感應(yīng)線圈7－地平面8－磁力線9－導(dǎo)向電纜

自動引導(dǎo)小車及原理圖（AGV）

49四、計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturingSystem，簡稱CIMS）

人約瑟夫·哈林頓——1974年

發(fā)展分為三個階段，先是從NC機床入手，研究生產(chǎn)企業(yè)中如何將制造技術(shù)與計算機技術(shù)和自動化技術(shù)相綜合。其次研究和開發(fā)CAD/CAM、制造資源計劃（MRP）和FMS，最后一個階段是開發(fā)CIMS。

CIMS是在柔性制造技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)和現(xiàn)代管理科學(xué)的基礎(chǔ)上，將制造工廠的全部生產(chǎn)、經(jīng)營活動所需的各種分布的自動化分系統(tǒng)，通過新的生產(chǎn)管理模式、工藝理論和計算機網(wǎng)絡(luò)有機地集成起來，以獲得適應(yīng)于多品種、中小批量生產(chǎn)的高效益、高柔性和高質(zhì)量的智能制造系統(tǒng)。

50CIMS結(jié)構(gòu)圖

51（1）管理信息分系統(tǒng)（ManagementInformationSystem，簡稱

MIS）（2）技術(shù)信息分系統(tǒng)（TechnicalInformationSystem，簡稱TIS）

（3）制造自動化分系統(tǒng)（ManufacturingAutomationSystem，簡稱

MAS）

（4）集成質(zhì)量信息分系統(tǒng)（QualityInformationSystem，簡稱QIS）核心是制造資源計劃，生產(chǎn)計劃與控制生產(chǎn)管理、市場分析、銷售管理、成本管理、物料管理財會和人事管理等功能。

計算機輔助設(shè)計，計算機輔助工藝規(guī)程編制，數(shù)控程序編制等分系統(tǒng)，負責企業(yè)生產(chǎn)制造的技術(shù)信息的產(chǎn)生與處理。

包括各種制造系統(tǒng)，如CNC、DNC、FMC、FMS和其他制造單元，實現(xiàn)信息流對物流的控制與交換，是信息流和物流的結(jié)合點。

功能包括質(zhì)量計劃、質(zhì)量檢測、質(zhì)量評價、質(zhì)量控制和質(zhì)量信息綜合管理。

52五、機床的自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制技術(shù)是自動控制技術(shù)的一個分支，其目的是要求在隨機變化的加工過程中，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數(shù)，以達到或接近最佳的工作狀態(tài)。

在加工過程中不斷檢查某些代表加工狀態(tài)的參數(shù)，例如切削力、切削溫度等，通過評價函數(shù)計算裝置和最佳化裝置的處理，對主軸轉(zhuǎn)速和進給速度等參數(shù)進行校正，使數(shù)控機床保持在最佳切削過程。

53三種類型：約束適應(yīng)控制（AdaptiveConstrainedControl,簡稱ACC）最佳適應(yīng)控制（AdaptiveControlOptimization,簡稱ACO）學(xué)習(xí)適應(yīng)控制（TeachAdaptiveControl,簡稱TAC）。目前使用最普遍的是約束適應(yīng)控制。

ACC控制原理框圖

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