數(shù)控技術(shù)緒論課件

1、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)羅圓智武漢工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院9/26/20221現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)羅圓智9/24/20221主要參考書(shū)廖效果、劉又午等 數(shù)控技術(shù) 湖北科學(xué)技術(shù)出版社 武漢，2000年 畢承恩，丁乃健現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床 機(jī)械工業(yè)出版社 北京，1994張建 鋼等數(shù)控技術(shù)華中科技大學(xué)出版社 武漢，20009/26/20222主要參考書(shū)9/24/20222教學(xué)方法與考核方式 教學(xué)方法課堂教學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)自 學(xué)專(zhuān)題講座 考核方式考 試（70%）平時(shí)成績(jī)（20%）讀書(shū)報(bào)告課堂提問(wèn) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告（10%）9/26/20223教學(xué)方法與考核方式 教學(xué)方法 考核方式9/24/20223 1-1 數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床的基本概念 第一章

2、 緒 論 一、定義 1. 數(shù)字控制 (數(shù)控NC) (Numerical Control ) 它是指用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程中進(jìn)行控制的一種方法。2. 數(shù)控系統(tǒng)（NC Control System） 數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和控制電路以及伺服機(jī)構(gòu)等統(tǒng)稱(chēng)數(shù)控控制系統(tǒng)。它由程序輸入、輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置、可編程控制器、主軸進(jìn)給及驅(qū)動(dòng)裝置等組成。9/26/20224 1-1 數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床的基本概念 數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的高效自動(dòng)化機(jī)床。它綜合了綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量、機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造等方面的最新成果。3. 數(shù)控機(jī)床（NC Machine Tools

3、）4、 數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的裝置。5、 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（Computer Numerical Control CNC ）以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)。9/26/20225 數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的高效7、并聯(lián)機(jī)床：新一代機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步滿(mǎn)足超精密，超高速。6、加工中心MC：數(shù)控機(jī)床配有刀具庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置就構(gòu)成加工中心，它可以一次裝夾并進(jìn)行多工序加工。 9/26/202267、并聯(lián)機(jī)床：新一代機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步滿(mǎn)足超精密，超高速驅(qū)動(dòng)桿機(jī)架 動(dòng)平臺(tái)主軸電機(jī)伺服電機(jī)主軸刀具柔性?shī)A具工件靜平臺(tái)圖1-1 并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

4、 驅(qū)動(dòng)并聯(lián)化并聯(lián)加工中心（又稱(chēng)6條腿數(shù)控機(jī)床、虛軸機(jī)床）是數(shù)控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上取得的重大突破。9/26/20227驅(qū)動(dòng)桿機(jī)架 動(dòng)平臺(tái)主軸電機(jī)伺服電機(jī)主軸刀具柔性?shī)A具工件靜平 1-2 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)一、特點(diǎn)1. 對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)。 2. 生產(chǎn)效率和加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定。 3. 能完成復(fù)雜型面的加工。9/26/20228 1-2 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)一、特點(diǎn)1. 對(duì) 5.數(shù)控機(jī)床是一種高技術(shù)的設(shè)備。 它具有故障診斷的能力，監(jiān)控功能強(qiáng)，能減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)加工自動(dòng)化和操作簡(jiǎn)單化，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化和有利于向高級(jí)計(jì)算機(jī)控制與管理方面發(fā)展 4. 工序集中，一機(jī)多用。

5、 3. 需要高度熟練和經(jīng)過(guò)適當(dāng)培訓(xùn)的零件編程員。缺點(diǎn)： 1. 造價(jià)相對(duì)較高。 2. 測(cè)試和維修比較復(fù)雜，需要專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人才。9/26/20229 5.數(shù)控機(jī)床是一種高技術(shù)的設(shè)備。 4. 二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 高速度:以發(fā)展高速切削為先導(dǎo)（最高轉(zhuǎn)速達(dá)80000r/min以上），并重視對(duì)空行程的提速(最高進(jìn)給速度達(dá)80m/min)，力求達(dá)到更大的加工效率。 2 高效率：在注重提高機(jī)床材料去除率的同時(shí)，大力推進(jìn)以縮短加工過(guò)程鏈為目標(biāo)的復(fù)合加工技術(shù)。 3 高柔性：機(jī)床及其制造系統(tǒng)的柔性化將在可重組技術(shù)的支持下，通過(guò)對(duì)制造系統(tǒng)的快速重組實(shí)現(xiàn)敏捷和經(jīng)濟(jì)地適應(yīng)不確定市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多變地要求。9/26/2022

6、10 二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 高速度:以 5高環(huán)保：機(jī)床地綠色設(shè)計(jì)與制造以重視環(huán)保的凈潔生產(chǎn)為重點(diǎn)，干切削或微量切削液的高效加工技術(shù)日趨成熟。 4 高精度：數(shù)控車(chē)、銑、磨等機(jī)床地工作精度正以平均每年提升8%10%地幅度向納米級(jí)精度邁進(jìn)。9/26/202211 5高環(huán)保：機(jī)床地綠色設(shè)計(jì)與制造以重視環(huán)保的凈 三、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展現(xiàn)狀1、數(shù)控設(shè)備的發(fā)展歷史 1952年，三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床的系統(tǒng)研究成功。電子管元件 、晶體管元件、 集成電路數(shù)控系統(tǒng) 、大規(guī)模集成電路及小型計(jì)算機(jī)和，微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)。數(shù)控加工中心（machining center）的出現(xiàn)使單機(jī)數(shù)控自動(dòng)化向計(jì)算機(jī)控制的多機(jī)制造系統(tǒng)

7、自動(dòng)化方向發(fā)展。9/26/202212 三、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展現(xiàn)狀1、數(shù)控設(shè)備的發(fā)展歷 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DNC）、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。先進(jìn)制造技術(shù) 1快速原型法（又稱(chēng)快速成形法） 2虛擬制造技術(shù) 3柔性制造系統(tǒng)(FMS) 4柔性制造單元（FMC） 5計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)9/26/202213 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了直接數(shù)字控制系統(tǒng)2、直接數(shù)字控制系統(tǒng) DNC系統(tǒng)是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制和管理一群數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工或裝配的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)將一組數(shù)控機(jī)床與存儲(chǔ)有零件加工程序和機(jī)床控制程序的公共存儲(chǔ)器

8、相連接，根據(jù)加工要求想向機(jī)床分配數(shù)據(jù)和指令。DNC系統(tǒng)可分為間接控制型和直接控制型兩種。 9/26/2022142、直接數(shù)字控制系統(tǒng) DNC系統(tǒng)是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接控制和管理（1）、間接控制型系統(tǒng) 9/26/202215（1）、間接控制型系統(tǒng) 9/24/202215（2）、直接控制型系統(tǒng) 9/26/202216（2）、直接控制型系統(tǒng) 9/24/2022163、柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng) （1）、柔性制造單元 ：由中心控制計(jì)算機(jī)、加工中心與自動(dòng)交換工件（AWC、APC）裝置所組成。 中心控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)作業(yè)調(diào)度、自動(dòng)檢測(cè)與工況自動(dòng)監(jiān)控等功能 。9/26/2022173、柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng) （

9、1）、柔性制造單元 ：由中（2）、柔性制造系統(tǒng) 一般由加工、物流、信息流三個(gè)子系統(tǒng)組成。 加工系統(tǒng)：由CNC機(jī)床按DNC的控制方式構(gòu)成。 系統(tǒng)中的機(jī)床，有互補(bǔ)和互替兩種配置原則：互補(bǔ)是指在系統(tǒng)中配置有完成不同工序的機(jī)床；互替是指在系統(tǒng)中配置有相同功能的機(jī)床。 9/26/202218（2）、柔性制造系統(tǒng) 一般由加工、物流、信息流三個(gè)子系統(tǒng)組成物流系統(tǒng)包括工件和刀具兩個(gè)子系統(tǒng)。 刀具系統(tǒng)設(shè)有中央刀庫(kù)，由機(jī)器人在中央和各機(jī)床的刀庫(kù)之間進(jìn)行輸送和交換刀具。 工件系統(tǒng)包括工件、夾具的輸送、裝卸以及倉(cāng)儲(chǔ)等裝置。 9/26/202219物流系統(tǒng)包括工件和刀具兩個(gè)子系統(tǒng)。9/24/2022199/26/202

10、2209/24/202220信息流系統(tǒng)包括作業(yè)計(jì)劃，加工系統(tǒng)和物流系統(tǒng)的調(diào)度與自動(dòng)控制，在線狀態(tài)監(jiān)控及其數(shù)據(jù)和信息處理，以及故障在線檢測(cè)和處理等。 9/26/202221信息流系統(tǒng)包括作業(yè)計(jì)劃，加工系統(tǒng)和物流系統(tǒng)的調(diào)度與自動(dòng)控制，4、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMS采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)將制造工廠全部生產(chǎn)活動(dòng)所需的各種分散的自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)地集成起來(lái) 。CIMS將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助管理集成在一起 。9/26/2022224、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMS采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)將制造工廠1-3 數(shù)控機(jī)床的工作原理和組成一、組成9/26/2022231-3 數(shù)控機(jī)床的工

11、作原理和組成一、組成9/24/202程序編制輸入裝置數(shù)控裝置CNC伺服驅(qū)動(dòng)及位置檢測(cè)輔助控制即強(qiáng)電控制裝置機(jī)床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)輔助動(dòng)作機(jī)構(gòu)圖1-1 數(shù)控機(jī)床的組成框圖9/26/202224程序編制輸入裝置數(shù)控裝置CNC伺服驅(qū)動(dòng)及位置檢測(cè)輔助控制即強(qiáng)9/26/2022259/24/202225（一）程序編制及程序載體 數(shù)控程序是數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工零件的工作指令。即把加工零件的所有運(yùn)動(dòng)、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息，按規(guī)定的方法、格式和代碼，所編制的程序。 程序載體存放程序以便輸入到數(shù)控裝置的裝置。（二）輸入裝置 將所輸入的程序載體上的數(shù)控程序變成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，傳送并存入數(shù)控裝置內(nèi)。 （三）數(shù)

12、控裝置及強(qiáng)電控制裝置 數(shù)控裝置是接受輸入裝置送來(lái)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出指令控制機(jī)床的各個(gè)部分，按程序動(dòng)作的裝置。9/26/202226（一）程序編制及程序載體 數(shù)控程序是數(shù)控機(jī)床自 （四）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及位置監(jiān)測(cè)裝置（五）機(jī)床的機(jī)械部件 強(qiáng)電控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。其主要作用是編譯、判斷和功率放大。 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，并與機(jī)床的執(zhí)行部件和機(jī)械傳動(dòng)部件組成數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)。 機(jī)械部件包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件、床身、冷卻、定位夾緊裝置等。9/26/202227 （四）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及位置監(jiān)測(cè)裝置（五）機(jī)床的機(jī)

13、械部件 二、工作原理圖1-2 數(shù)控機(jī)床的工作原理圖編程手冊(cè)加工圖樣編程機(jī)穿孔機(jī)或存儲(chǔ)裝置穿孔帶、磁盤(pán)等輸入裝置數(shù)控裝置隨動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng) 機(jī)床9/26/202228二、工作原理圖1-2 數(shù)控機(jī)床的工作原理圖編程手冊(cè)加工圖樣編 1-4 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi) 一、 按機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡分類(lèi) 1.點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 為點(diǎn)到點(diǎn)控制，只要刀具從某一位置向另一位置移動(dòng)時(shí)，不管中間的軌跡如何，只要刀具最后能正確到達(dá)目標(biāo)位置的控制方式，稱(chēng)為點(diǎn)位控制。這類(lèi)機(jī)床有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控沖剪床等。9/26/202229 1-4 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi) 圖1-3 點(diǎn)位控制加工原理圖9/26/202230圖1-3 點(diǎn)位控制加工原理圖9/24

14、/202230 2. 直線控制數(shù)控機(jī)床圖1-4 直線控制的加工原理圖 除點(diǎn)到點(diǎn)的準(zhǔn)確位置之外，還要保證兩點(diǎn)之間移動(dòng)的軌跡是直線，而且對(duì)移動(dòng)的速度也要進(jìn)行控制，以便適應(yīng)隨工藝因素變化的不同需要。 簡(jiǎn)易數(shù)控車(chē)床、數(shù)控鏜銑床，一般有23個(gè)可控坐標(biāo)軸，但同時(shí)控制的坐標(biāo)軸只有一個(gè)。9/26/202231 2. 直線控制數(shù)控機(jī)床圖1-4 直線控制的 3. 輪廓控制的數(shù)控機(jī)床 能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移及速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，因而可進(jìn)行曲線或曲面的加工。圖1-5 2軸控制，同時(shí)控制兩個(gè)坐標(biāo)9/26/202232 3. 輪廓控制的數(shù)控機(jī)床 3軸聯(lián)動(dòng)，(3軸控制)4軸控制 圖1-6 多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的

15、原理圖 5軸聯(lián)動(dòng)加工 5軸聯(lián)動(dòng)加工9/26/202233 3軸聯(lián)動(dòng)，(3軸控制)4軸控制 圖1-6 多軸聯(lián) 二 、按伺服系統(tǒng)分類(lèi)1. 開(kāi)環(huán)伺服數(shù)控機(jī)床 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋的控制系統(tǒng). 其特點(diǎn):開(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調(diào)試、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)部件的誤差沒(méi)有補(bǔ)償和校正，所以精度低。一般適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊機(jī)床數(shù)控化改造。9/26/202234 二 、按伺服系統(tǒng)分類(lèi)1. 開(kāi)環(huán)伺服數(shù)控機(jī)床 圖1-7開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)9/26/202235圖1-7開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)9/24/2022351）在機(jī)床移動(dòng)部件上直接裝有位置檢測(cè)裝置，將測(cè)量的結(jié)果直接反饋到數(shù)控裝置中，與輸入指令進(jìn)行比較控制

16、，使移動(dòng)部件按照實(shí)際的要求運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)精確定位，原理如下圖所示，因?yàn)榘褭C(jī)床工作臺(tái)納入了位置控制環(huán)，故稱(chēng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)。2）該系統(tǒng)定位精度高、調(diào)節(jié)速度快。該系統(tǒng)調(diào)試工作困難。系統(tǒng)復(fù)雜并且成本高，故適用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床，如精密數(shù)控鏜銑床、超精密數(shù)控車(chē)床等。2. 閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床9/26/2022361）在機(jī)床移動(dòng)部件上直接裝有位置檢測(cè)裝置，將測(cè)量的結(jié)果直接反圖1-8閉環(huán)控制系統(tǒng)9/26/202237圖1-8閉環(huán)控制系統(tǒng)9/24/202237 1）半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的絲杠上裝有角位移測(cè)量裝置，通過(guò)檢測(cè)絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測(cè)移動(dòng)部件的位移，反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，由于慣性較大的機(jī)床移動(dòng)部件不

17、包括在檢測(cè)范圍之內(nèi)，因而稱(chēng)作半閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1-7所示。 2）系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，可獲得穩(wěn)定的控制特性。機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差，可用補(bǔ)償?shù)霓k法消除，可獲得滿(mǎn)意的精度。中檔數(shù)控機(jī)床廣泛采用半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 3. 半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床 9/26/202238 1）半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的絲杠上裝有角位移測(cè)量裝置圖1-9半閉環(huán)控制系統(tǒng)9/26/202239圖1-9半閉環(huán)控制系統(tǒng)9/24/202239 三、 按加工工藝類(lèi)型的分類(lèi) 1. 普通數(shù)控機(jī)床 2. 數(shù)控加工中心 3 金屬成型類(lèi)數(shù)控機(jī)床 這類(lèi)數(shù)控機(jī)床和傳統(tǒng)的通用機(jī)床一樣，有車(chē)、銑 、鉆、鏜、磨床等，與通用機(jī)床不同的是他能加工具有復(fù)

18、雜形狀的零件。 這是一種在普通數(shù)控機(jī)床上加裝一個(gè)刀具庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置而構(gòu)成的數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)。9/26/202240 三、 按加工工藝類(lèi)型的分類(lèi) 1. 4. 數(shù)控特種加工機(jī)床 數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光切割機(jī)床。9/26/202241 4. 數(shù)控特種加工機(jī)床 數(shù)控線切割機(jī)四、 按用數(shù)控裝置的類(lèi)型分類(lèi) 1、硬件式數(shù)控機(jī)床 2、軟件式數(shù)控機(jī)床使用硬件式數(shù)控裝置。改變或增、減控制、運(yùn)算功能時(shí)，需要改變數(shù)控裝置的硬件電路。通用性、靈活性差，制造周期長(zhǎng)，成本高。使用計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。主要功能由系統(tǒng)軟件來(lái)完成。無(wú)需改變系統(tǒng)硬件，只需改變系統(tǒng)軟件，即可改變系統(tǒng)功能。9/26/202242四、 按用數(shù)控裝置的類(lèi)型分類(lèi) 1、硬件式數(shù)五、 按用數(shù)控裝置的功能水平分類(lèi)可以根據(jù)一些功能