第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)

第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)2023/12/26第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)前言一、本課程性質(zhì)二、為什么要學(xué)習(xí)本課程三、本課程要求四、本課程內(nèi)容第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)課程性質(zhì)：本課程是機(jī)械類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主要專(zhuān)業(yè)選修課。它以數(shù)控機(jī)床為對(duì)象，研究數(shù)字控制系統(tǒng)的工作原理、組成及其在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生掌握數(shù)控技術(shù)的基本原理和基礎(chǔ)知識(shí)；掌握CNC數(shù)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和數(shù)控加工插補(bǔ)原理；理解并掌握數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)裝置的工作原理；具備數(shù)控加工工藝的初步分析能力，以及運(yùn)用數(shù)控加工編程知識(shí)進(jìn)行手工編程的能力。課程學(xué)時(shí)：56教材：李恩林主編.數(shù)控技術(shù)原理及應(yīng)用，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009授課方式：課堂教學(xué)+實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式：期末考試（70%）+平時(shí)（30%）一、本課程性質(zhì)及考核方式第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)是先進(jìn)制造技術(shù)內(nèi)容之一是制造裝備數(shù)字化的主要內(nèi)容是柔性自動(dòng)化的基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來(lái)越普及數(shù)控機(jī)床應(yīng)用人才需求量大且迫切數(shù)控技術(shù)適用領(lǐng)域廣泛是機(jī)械工程領(lǐng)域的人才必備的專(zhuān)業(yè)知識(shí)二、為什么要學(xué)習(xí)本課程？第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)

藍(lán)領(lǐng)：機(jī)床操作

銀領(lǐng)（灰領(lǐng)）：工藝設(shè)計(jì)與編程，維修，數(shù)控改造

金領(lǐng)（白領(lǐng)）：管理金領(lǐng)銀領(lǐng)藍(lán)領(lǐng)社會(huì)急需的數(shù)控加工人才類(lèi)型：第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)三、本課程要求要求不缺課，認(rèn)真聽(tīng)課，課前預(yù)習(xí)，課后復(fù)習(xí)認(rèn)真實(shí)驗(yàn)，按時(shí)獨(dú)立完成作業(yè)，積極參加課堂討論有問(wèn)題及時(shí)答疑并反饋信息廣泛查閱參考資料充分利用實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放條件真正學(xué)到知識(shí)和本領(lǐng)。第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)四、本課程內(nèi)容數(shù)控技術(shù)的概念、發(fā)展方向，數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)，特點(diǎn)及優(yōu)越性；插補(bǔ)原理數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)及檢測(cè)裝置數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床的加工工藝數(shù)控機(jī)床編程基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床編程技術(shù)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)組成及其基本原理第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的加工對(duì)象第四節(jié)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié)數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)組成及其基本原理

數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來(lái)越高的要求，迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動(dòng)化機(jī)床。數(shù)字控制(NumericalControl，簡(jiǎn)稱(chēng)NC或數(shù)控)機(jī)床，就是在這樣的背景下誕生與發(fā)展起來(lái)的。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動(dòng)化加工手段。第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展介紹1948年，美國(guó)人JohnParsons提出設(shè)想;1952年，試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床；1952~1959：第一代電子管數(shù)控系統(tǒng)；1959~1965：第二代晶體管數(shù)控系統(tǒng)；1965~1970：第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)；1970~1974：第四代大規(guī)模集成電路及小型通用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；1974~：第五代微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；20世紀(jì)末~：第六代基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。第一階段NC第二階段CNC體積減小，功能性能提高10第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)NC與CNCNC——簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控（NC），是采用數(shù)字指令信號(hào)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品或設(shè)備進(jìn)行控制的一種自動(dòng)控制技術(shù)。早期采用硬件數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)控，屬于早期數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控裝置功能由邏輯電路實(shí)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)通用性、靈活性較差，維修成本高。CNC——現(xiàn)代采用微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)控，稱(chēng)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)計(jì)算機(jī)數(shù)控（ComputerNumericalControl，CNC）。以微型計(jì)算機(jī)或小型計(jì)算機(jī)為控制單元，數(shù)控裝置功能幾乎全由軟件實(shí)現(xiàn)，硬件具有通用性。CNC是先進(jìn)制造技術(shù)或生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)柔性自動(dòng)化（FMS）計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）1111第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字控制技術(shù)（NC）數(shù)字控制技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控（NC）：采用數(shù)字指令信號(hào)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品或設(shè)備進(jìn)行控制的一種自動(dòng)控制技術(shù)。數(shù)控技術(shù)與傳統(tǒng)的設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)的顯著區(qū)別：坐標(biāo)控制——采用數(shù)字指令信號(hào)對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控加工的過(guò)程1.根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫(xiě)程序單，并把它記錄在載體上；2.把程序載體上的程序通過(guò)輸入裝置輸入到CNC單元中去；3.CNC單元將輸入的程序經(jīng)過(guò)處理之后，向機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)；4.伺服系統(tǒng)根據(jù)CNC單元發(fā)出的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件，并控制必要的輔助操作；5.通過(guò)機(jī)床機(jī)械部件帶動(dòng)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工出要求的工件；6.檢測(cè)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)反饋裝置反饋給CNC單元，以減小加工誤差。13第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控加工的過(guò)程14第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控系統(tǒng)的工作過(guò)程15第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控技術(shù)的基本原理將被控設(shè)備末端執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)（或多個(gè)末端執(zhí)行部件的合成運(yùn)動(dòng)）納入到適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系中，將所要求的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分解成各坐標(biāo)軸的簡(jiǎn)單直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并用一個(gè)滿足精度要求的基本長(zhǎng)度單位（BasicLengthUnit，BLU）對(duì)各坐標(biāo)軸進(jìn)行離散化，由電子控制裝置（即數(shù)控裝置）按數(shù)控程序規(guī)定的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)律，產(chǎn)生與基本長(zhǎng)度單位對(duì)應(yīng)的數(shù)字指令脈沖，對(duì)各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，并通過(guò)伺服執(zhí)行元件加以驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)所要求的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。16第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床由控制介質(zhì)、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、反饋裝置、輔助裝置和機(jī)床本體6部分組成。17第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)按數(shù)控裝置類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)按伺服控制方式進(jìn)行分類(lèi)按數(shù)控系統(tǒng)功能水平進(jìn)行分類(lèi)按加工工藝及用途進(jìn)行分類(lèi)按硬軟件進(jìn)行分類(lèi)18第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)按數(shù)控裝置類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)1．點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床對(duì)于一些孔加工用數(shù)控機(jī)床，只要求獲得精確的孔系坐標(biāo)定位精度，而不管從一個(gè)孔到另外一個(gè)孔是按照什么軌跡運(yùn)動(dòng)。如圖所示點(diǎn)位控制數(shù)控鉆床加工。19第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)按數(shù)控裝置類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)2．直線控制數(shù)控機(jī)床某些數(shù)控機(jī)床不僅要求具有準(zhǔn)確定位的功能，而且要求從一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間按直線移動(dòng)，并能控制位移的速度。如圖所示直線控制切削加工。20第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)3．輪廓控制數(shù)控機(jī)床更多的數(shù)控機(jī)床具有輪廓控制的功能，即可以加工具有曲線或者曲面的零件。如圖所示輪廓控制銑削示意圖。按數(shù)控裝置類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)21第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)二坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床主要用于加工二維平面輪廓；三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床主要用于加工三維立體輪廓；四坐標(biāo)和五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床主要用于加工空間復(fù)雜曲面或一些高精度、難加工的特殊型面聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸數(shù)數(shù)控機(jī)床相關(guān)事情：東芝事件22第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)1．開(kāi)環(huán)控制數(shù)控機(jī)床這類(lèi)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)將零件的程序處理后，輸出數(shù)字指令信號(hào)給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有來(lái)自位置傳感器的反饋信號(hào)。如圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。按伺服控制方式進(jìn)行分類(lèi)23第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)2．閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床這類(lèi)機(jī)床可以接受插補(bǔ)器的指令，而且隨時(shí)接受工作臺(tái)測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)，根據(jù)其差值不斷進(jìn)行誤差修正。如圖閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。按伺服控制方式進(jìn)行分類(lèi)24第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)3．半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及工作臺(tái)，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性。如圖半閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。按伺服控制方式進(jìn)行分類(lèi)25第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)根據(jù)一些功能及指標(biāo)，可以把數(shù)控機(jī)床分為低、中、高檔三類(lèi)。按數(shù)控系統(tǒng)功能水平進(jìn)行分類(lèi)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床（低檔）——簡(jiǎn)易數(shù)控，脈沖當(dāng)量：0.001-0.01mm

全功能數(shù)控機(jī)床（中檔）——普及型數(shù)控機(jī)床，脈沖當(dāng)量：0.1-1μm

高檔型數(shù)控機(jī)床（高檔）——五軸以上聯(lián)動(dòng)控制、高度柔性、超高速、超精密,脈沖當(dāng)量：<0.1

μm26第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控機(jī)床分類(lèi)27第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)1.金屬切削類(lèi)數(shù)控機(jī)床如數(shù)控車(chē)床、加工中心、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床等。2.金屬成形類(lèi)數(shù)控機(jī)床如數(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)等。3.數(shù)控特種加工機(jī)床如數(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)等。4.測(cè)量、繪圖的類(lèi)數(shù)控機(jī)床如數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、數(shù)控對(duì)刀儀、數(shù)控繪圖儀等。按加工工藝及用途進(jìn)行分類(lèi)28第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控車(chē)床數(shù)控車(chē)削中心第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控立式倒置主軸車(chē)床數(shù)控立式車(chē)床第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)立式加工中心機(jī)床臥式加工中心機(jī)床第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控磨床數(shù)控沖床第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控激光切割機(jī)床三維數(shù)控激光加工機(jī)床第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控滾齒機(jī)數(shù)控折彎?rùn)C(jī)第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)電火花成型機(jī)床數(shù)控線切割機(jī)床第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)1.硬件式數(shù)控系統(tǒng)（NC系統(tǒng)）屬于早期數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控裝置功能由邏輯電路實(shí)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)通用性、靈活性較差，維修成本高。2.軟件式數(shù)控系統(tǒng)（CNC系統(tǒng)）以微型計(jì)算機(jī)或小型計(jì)算機(jī)為控制單元，數(shù)控裝置功能幾乎全由軟件實(shí)現(xiàn)，硬件具有通用性。按軟硬件進(jìn)行分類(lèi)37第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)1.數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)2.數(shù)控機(jī)床的使用范圍第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的加工對(duì)象38第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)1.可以加工具有復(fù)雜型面的工件；2.加工精度高，尺寸一致性好；3.生產(chǎn)效率高;4.可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度；5.經(jīng)濟(jì)效益明顯；6.可以精準(zhǔn)計(jì)算成本和安排生產(chǎn)進(jìn)度；7.數(shù)控加工是CAD/CAM技術(shù)和先進(jìn)制造的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)39第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)1.多品種、小批量的零件或新產(chǎn)品試制零件；2.幾何形狀復(fù)雜的零件；3.須進(jìn)行多工序的零件;4.普通機(jī)床加工時(shí)，需昂貴工裝的零件；5.對(duì)精度要求高的零件；6.需多次修改的零件；7.不允許報(bào)廢的昂貴關(guān)鍵零件；8.需要最短生產(chǎn)周期的零件。數(shù)控機(jī)床的使用范圍40第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向

1948年，美國(guó)人JohnParsons提出設(shè)想；1952年，試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床；1952~1959：第一代電子管數(shù)控系統(tǒng)；1959~1965：第二代晶體管數(shù)控系統(tǒng)；1965~1970：第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)；1970~1974：第四代大規(guī)模集成電路及小型通用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；1974~：第五代微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；20世紀(jì)末~：第六代基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。第一階段NC第二階段CNC柔性自動(dòng)化體積減小，功能性能提高第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)第一階段：1958-1979，封閉式發(fā)展階段

第二階段：“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系階段第三階段：“八五”后期和“九五”期間，實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段

目前：國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)50％，配置的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)到了10％；數(shù)控機(jī)床的普及率迅速提高，數(shù)控機(jī)床擁有率目前已接近3%我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的三個(gè)階段第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)高速度化：充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工質(zhì)量和精度，適應(yīng)制造業(yè)對(duì)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本生產(chǎn)的廣泛需求；目前，電主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)15,000～100,000r/min、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件快移速度達(dá)60～120m/min，切削進(jìn)給速度達(dá)60m/min。高精度化：近10多年來(lái)，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密級(jí)加工中心的加工精度則從±3～5μm提高到±1～1.5μm，超精密數(shù)控機(jī)床加工精度已開(kāi)始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

多功能化：工序高度集中，減少工序間轉(zhuǎn)換時(shí)間；5軸聯(lián)動(dòng)5面加工數(shù)控機(jī)床是典型的多功能化數(shù)控機(jī)床；數(shù)控五面加工龍門(mén)銑床，可使生產(chǎn)周期縮短至非數(shù)控機(jī)床的16%，使切削時(shí)間比率由17%增至70%，大大提高了機(jī)床的利用率；具有通信、網(wǎng)絡(luò)功能。智能化：與人工智能相結(jié)合；模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載并自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整參數(shù)、自診斷和故障監(jiān)控專(zhuān)家系統(tǒng)；更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)智力的延伸。

第一章數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)高可靠性：基于硬件質(zhì)量提高；硬件結(jié)構(gòu)采取模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，使數(shù)控系統(tǒng)具有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展