機床數(shù)控技術(shù)及編程概述

機床數(shù)控技術(shù)及編程概述機床數(shù)控技術(shù)及編程12/20/2023課程內(nèi)容第1章概述第2章數(shù)控裝置的輪廓控制原理第3章數(shù)控機床的程序編制第4章計算機數(shù)字控制裝置第5章位置檢測裝置第6章伺服驅(qū)動系統(tǒng)12/20/2023第一章概論1.1基本概念1.2數(shù)控機床的組成及分類1.3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展12/20/2023目標掌握數(shù)控機床掌握數(shù)控機床的組成及各部分的作用與功能了解數(shù)控機床的分類了解數(shù)控機床的特點了解數(shù)控機床及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展12/20/20231.1基本概念1.1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生第1章概論以前的加工方式是怎樣的？什么促使了數(shù)控機床的產(chǎn)生？12/20/2023第1章概論※精度高※形狀復(fù)雜※批量小※改型頻繁☆計算機的出現(xiàn)為人們改進加工設(shè)備提供了新的思路和技術(shù)保障☆12/20/2023第1章概論內(nèi)在動力：迫切需要一種精度高、柔性好的加工設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)：電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)12/20/2023第1章概論數(shù)控機床的產(chǎn)生1948年，美國帕森斯（ParsonsCo.）公司在研制加工直升飛機葉片輪廓檢查用樣板的機床時，提出了數(shù)控機床的初始設(shè)想。12/20/2023第1章概論數(shù)控機床的產(chǎn)生1952年在美國成功研制出第一臺三坐標直線插補連續(xù)控制數(shù)控銑床。1955年進入實用階段。12/20/2023第1章概論數(shù)控機床有哪些與傳統(tǒng)機床不同的特點？什么是數(shù)控？12/20/2023第1章概論數(shù)控（NumericalControl,簡稱NC）：利用數(shù)字化信息來實現(xiàn)自動控制的方法。數(shù)控機床（NumericalControlMachineTools）:綜合應(yīng)用了自動控制、計算機技術(shù)、精密測量和機床結(jié)構(gòu)等方面的最新成就的一種計算機或?qū)Ｓ糜嬎阊b置控制的高效自動化機床。1.1.2數(shù)控的基本概念12/20/2023提高加工精度提高生產(chǎn)效率提高加工零件的適應(yīng)性、靈活性減輕工人勞動強度提高生產(chǎn)管理水平第1章概論1.1.3數(shù)控機床的特點12/20/20231.2數(shù)控機床的組成及分類1.2.1數(shù)控機床的組成第1章概論控制介質(zhì)數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)機床測量裝置12/20/2023第1章概論控制介質(zhì)：在人和數(shù)控機床之間建立某種聯(lián)系的媒介物。把加工零件所需的動作及刀具相對于工件的位置等信息，用數(shù)控裝置所能接受的數(shù)字和文字代碼來表示，并把這些代碼儲存在控制介質(zhì)上。穿孔卡穿孔帶磁帶磁盤12/20/2023數(shù)控裝置：是數(shù)控機床的中樞，接收輸入介質(zhì)的信息，通過對代碼的識別、存儲和運算等操作，最終輸出指令脈沖驅(qū)動伺服系統(tǒng)進而控制機床動作。第1章概論數(shù)控裝置所具備的主要功能：多坐標控制多種函數(shù)的插補多種程序輸入功能信息轉(zhuǎn)換功能補償功能多種加工方式選擇故障診斷功能顯示功能通訊和聯(lián)網(wǎng)功能12/20/2023伺服系統(tǒng)：把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換為機床移動部件的運動，使工作臺（或溜板）精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動。第1章概論脈沖當(dāng)量：相對于每個脈沖信號，機床移動部件的位移量。常用脈沖當(dāng)量：0.01mm/脈沖，0.005mm/脈沖，0.001mm/脈沖常用的伺服驅(qū)動元件：功率步進電機，電液伺服馬達，直流伺服電機，交流伺服電機伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機床的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素之一12/20/2023第1章概論機床：執(zhí)行機構(gòu)傳動鏈較短動態(tài)特性好傳動效率高采用了高性能的主軸及進給伺服系統(tǒng)機床的動態(tài)剛度，阻尼精度，耐磨性以及抗熱變形性能都較高采用一些高效傳動件。如：滾珠絲桿螺母副、直線滾動導(dǎo)軌等12/20/2023第1章概論1.2.2數(shù)控機床的分類按工藝用途分類按控制系統(tǒng)對運動軌跡的控制方式分類按伺服系統(tǒng)的控制方式分類按數(shù)控裝置分類按功能水平分類普通數(shù)控機床數(shù)控加工中心多坐標數(shù)控機床成型機特種加工點位控制數(shù)控機床點位直線數(shù)控機床輪廓控制數(shù)控機床開環(huán)控制閉環(huán)控制半閉環(huán)控制開環(huán)補償型控制硬線數(shù)控軟線數(shù)控經(jīng)濟型中檔型高檔型3軸數(shù)控銑床曲面加工12/20/2023數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標控制軸數(shù)

CNC最多可以控制多少坐標軸（包括直線軸和回轉(zhuǎn)軸）聯(lián)動軸數(shù)

CNC可同時控制且按一定規(guī)律完成一定軌跡插補的協(xié)調(diào)運動的坐標軸數(shù)

插補功能

插補直線、圓弧、拋物線、橢圓、正弦曲線、螺旋曲線、樣條函數(shù)等，甚至可對曲面直接插補。插補坐標系也從直角坐標系擴展到極坐標系、

圓筒坐標系。第1章概論12/20/2023數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標機床坐標軸可達到的控制精度，即CNC每發(fā)出一個脈沖，坐標軸移動的距離

定位精度實際位置與指令位置的一致程度，不一致量為誤差；重復(fù)精度在相同條件下，操作方法不變，進行規(guī)定次數(shù)操作所得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。脈沖當(dāng)量（分辨率）定位精度與重復(fù)精度第1章概論12/20/2023數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標行程和插補范圍—CNC的控制范圍和加工范圍

進給速度和調(diào)節(jié)范圍進給速度—刀具每分鐘切削進給距離；最大進給速度—CNC在一定精度條件下所能達到的最大加工速度；最大快進速度—不加工的最大移動速度；速度調(diào)節(jié)—通過操作面板上的進給倍率開關(guān)調(diào)整，調(diào)節(jié)范圍一般是10%-120%，每檔間隔10%第1章概論12/20/2023數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標主軸轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)范圍

主軸轉(zhuǎn)速—主軸每分鐘的轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)—通過操作面板上的主軸倍率開關(guān)調(diào)整，調(diào)節(jié)范圍一般是50%?120%，每檔間隔5%；主軸恒線速—保證諸如車床端面切削的恒定切削速度。單位mm/min，第1章概論12/20/2023數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標刀具管理和刀具補償T指令—CNC從刀庫中選擇刀具刀具半徑補償、長度補償、刀具壽命管理、自動刀具測量等準備功能（G功能）用來指令機床動作的方式功能輔助功能（M功能）規(guī)定主軸的起停、轉(zhuǎn)向，冷卻液的通斷，刀庫的起停等第1章概論12/20/2023數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標操作功能

程序段跳步、機械閉鎖、輔助功能閉鎖、單段、試運行、錄返、示教等。開關(guān)量接口

M、S、T功能以BCD碼形式輸出；機床其它開關(guān)量信號，如急停、循環(huán)起動、進給保持等。字符圖形顯示自診斷功能通信與通信協(xié)議第1章概論12/20/2023第1章概論1.3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展從1952年至今，數(shù)控機床按照控制機的發(fā)展，已經(jīng)歷了六代。1952年試制成功的世界上第一臺數(shù)控機床是一臺三坐標數(shù)控立式銑床，采用的是脈沖乘法器原理，其數(shù)控系統(tǒng)全部采用電子管元件，我們稱之為第一代數(shù)控系統(tǒng)。1959年，由于在計算機行業(yè)中研制出晶體管元件，因而在數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板，從而跨入了第二代。1959年3月，美國發(fā)明了帶有自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為“加工中心”。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。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。以上三代，都是采用專用控制的硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)（NC）。1967年，出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)（FMS）。由計算機作控制單元的數(shù)控系統(tǒng)（CNC）——數(shù)控機床的第四代。1974年，美、日等國的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)（MNC）?！獢?shù)控機床的第五代。1990年開始，出現(xiàn)了采用工控PC機的開放式CNC系統(tǒng)?！獢?shù)控機床的第六代。

12/20/2023我國第一臺數(shù)控機床12/20/2023立式數(shù)控車床立式數(shù)控銑床12/20/2023臥式數(shù)控銑床龍門數(shù)控銑床滑枕立式加工中心12/20/2023固定立柱立式加工中心固定立柱立式加工中心12/20/2023第1章概論隨著計算機技術(shù)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控制智能化功能復(fù)合化交互網(wǎng)絡(luò)化12/20/2023第1章概論趨勢——運行高速化

進給、主軸、刀具交換、托盤交換等實現(xiàn)高速化，并具有高加（減）速度。

進給率高速化：在分辨率為0.1m時，F(xiàn)max=24m/min，可獲得復(fù)雜型面的精確加工；在程序段長度為1mm時，F(xiàn)max=30m/min，并且具有1.5g的加減速率；12/20/2023第1章概論在高效加工中心上達到90m/min的快移速度和1g的加速度。直線電機作為高效驅(qū)動元件正被廣為應(yīng)用，尤其在激光切割和高速加工中。12/20/2023第1章概論換刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作臺（托盤）交換速度6.3秒。主軸高速化：采用電主軸（內(nèi)裝式主軸電機），主軸電機的轉(zhuǎn)子軸就是主軸部件。主軸最高轉(zhuǎn)速達40000～50000r/min。主軸轉(zhuǎn)速的最高加（減）速為1.0g，即僅需1.8秒即可從0提速到15000r/min。12/20/2023第1章概論趨勢——加工高精化提高機械的制造和裝配精度；提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度；采用誤差補償技術(shù)。IC制造裝備、納米控制。

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；采用高分辨率位置檢測裝置，提高位置檢測精度（日本交流伺服電機已有裝上106脈沖/轉(zhuǎn)的內(nèi)藏位置檢測器，其位置檢測精度能達到0.01m/脈沖）位置伺服系統(tǒng)采用前饋控制與非線性控制等方法。采用誤差補償技術(shù)：采用反向間隙補償、絲桿螺距誤差補償和刀具誤差補償?shù)燃夹g(shù);設(shè)備的熱變形誤差補償和空間誤差的綜合補償技術(shù)。研究表明，綜合誤差補償技術(shù)的應(yīng)用可將加工誤差減少60％～80％。三井精機的JidicH5D型超精密臥式加工中心的定位精度為±0.1m。12/20/2023第1章概論趨勢——控制智能化隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，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，體現(xiàn)在：加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)：通過監(jiān)測主軸和進給電機的功率、電流、電壓等信息，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。加工參數(shù)的智能優(yōu)化:將零件加工的一般規(guī)律、特殊工藝經(jīng)驗，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”，獲得優(yōu)化的加工參數(shù)，提高編程效率和加工工藝水平，縮短生產(chǎn)準備時間。使加工系統(tǒng)始終處于較合理和較經(jīng)濟的工作狀態(tài)。智能化交流伺服驅(qū)動裝置：自動識別負載、自動調(diào)整控制參數(shù)，包括智能主軸和智能化進給伺服裝置，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳運行。目前已開發(fā)出自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電火花加工系統(tǒng)。日本大隈公司的7000系列數(shù)控系統(tǒng)具有人工智能自動編程功能。12/20/2023趨勢——控制智能化第1章概論

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。智能故障自修復(fù)技術(shù)：根據(jù)診斷故障原因和部位，以自動排除故障或指導(dǎo)故障的排除技術(shù)。集故障自診斷、自排除、自恢復(fù)、自調(diào)節(jié)于一體，貫穿于全生命周期。智能故障診斷技術(shù)在有些數(shù)控系統(tǒng)中已有應(yīng)用，智能化自修復(fù)技術(shù)還在研究之中。12/20/2023第1章概論INC(IntelligentNC)研究機構(gòu)日本京都大學(xué)、大阪機工、三菱電機、MAZAK等

具體目標實現(xiàn)安全、高效、高速加工的智能化數(shù)控機床系統(tǒng)特征數(shù)控系統(tǒng)各種控制參數(shù)自適應(yīng)數(shù)控機床加工條件自適應(yīng)加工過程數(shù)據(jù)采集及自律學(xué)習(xí)12/20/2023第1章概論趨勢——功能復(fù)合化復(fù)合化：在一臺設(shè)備上實現(xiàn)多種工藝步驟的加工，縮短加工鏈車銑復(fù)合—車削中心；鏜銑鉆復(fù)合—加工中心、五面加工中心；銑鏜鉆車復(fù)合—復(fù)合加工中心；可更換主軸箱的數(shù)控機床—組合加工中心；集車削和激光加工于一體的機床；測量/制造復(fù)合，在加工后對工件進行在線測量多功能復(fù)合化機床消除了車床、銑床、磨床、激光設(shè)備等之間的傳統(tǒng)差異。12/20/2023