【數控機床教材】概論PPT課件

1、10.07.2020,.,1,機床編程與加工,第一章,沈陽工業(yè)大學遼陽校區(qū)機械系 謝寶玲 2005.7.14,10.07.2020,.,2,第一章數控機床的基本知識,數控機床的出現和發(fā)展 數控機床的工作原理及基本組成 數控機床的分類 數控機床的加工原理 數控機床的特點和應用范圍 典型數控系統(tǒng)簡介,10.07.2020,.,3,1.1.1 數控機床的出現和發(fā)展 數控機床（Numerical Control Machine Tools）是用數字代碼形式的信息（程序指令），控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數控機床。 數控機床是在機械制造技術和控制技術的基礎上發(fā)展起來的

2、，其過程大致如下 ：,1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以適應，于是提出采用數字脈沖控制機床的設想。,第1章數控機床的基本知識,1.1 數控機床的出現和發(fā)展,10.07.2020,.,4,第一代:1949年，該公司與美國麻省理工學院（MIT）開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標數控銑床，當時的數控裝置采用電子管元件。,第二代:1959年，數控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現帶自動換刀裝置的數控機床，稱為加工中心（ MC Machining Center），使數控裝置進入了

3、第二代。,第三代: 1965年，出現了第三代的集成電路數控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數控機床品種和產量的發(fā)展。,以上三代數控系統(tǒng)都是采用專用控制硬件邏輯數控系統(tǒng),稱為普通數控系統(tǒng),即NC系統(tǒng).,10.07.2020,.,5,第五代:1974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數控裝置（簡稱MNC），這是第五代數控系統(tǒng)。,第四代:60年代末，先后出現了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數控系統(tǒng)（簡稱 DNC），又稱群控系統(tǒng)；采用小型計算機控制的計算機數控系統(tǒng)（簡稱 CNC），使數控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。,20世紀80年代初，

4、隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，出現了能進行人機對話式自動編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。,10.07.2020,.,6,1.2數控機床的工作原理及基本組成,1.2.1 數控機床的工作原理 數控機床加工零件,首先要將被加工零件的圖樣及工藝信息數字化,用規(guī)定的代碼和程序式編寫加工程序,然后將所編寫程序指令輸入到機床的數控裝置中.數控裝置再將程序(代碼)進行譯碼、運算，向機床各個坐標的伺服機構和輔助控制裝置發(fā)出信號，驅動機床各運動部件，控制所需要的輔助運動，最后加工出合格零件。,10.07.202

5、0,.,7,1.2.2 數控機床的組成,10.07.2020,.,8,10.07.2020,.,9,數控系統(tǒng)功用:接受數控裝置送來的脈沖信號,經過數控系統(tǒng)的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信息和指令，控制機床各部分進行規(guī)定的動作。,10.07.2020,.,10,1、操作面板 它是操作人員與數控裝置進行信息交流的工具。 組成：按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計算機鍵盤一樣）和顯示器；。 它是數控機床特有部件。,10.07.2020,.,11,10.07.2020,.,12,2、控制介質與輸入輸出設備 程序的存儲介質是記錄零件加工程序的媒介，如：紙帶（八單位標準穿孔紙帶）、

6、磁帶或磁盤。 輸入、輸出設備是CNC系統(tǒng)與外部設備進行交互裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將編制好的記錄在控制介質上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或將調試好了的零件加工程序通過輸出設備存放或記錄在相應的控制介質上。 數控機床常用的控制介質和輸入輸出設備見表1：,10.07.2020,.,13,表1 控制介質和輸入輸出設備表,10.07.2020,.,14,3、通訊 現代的數控系統(tǒng)除采用輸入輸出設備進行信息交換外，一般都具有用通訊方式進行信息交換的能力。它們是實現CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術。采用的方式有： 串行通訊（RS-232等串口）、 自動控制專用接口和規(guī)范（DNC

7、方式等） 網絡技術（internet等）。,10.07.2020,.,15,4、 CNC裝置(CNC單元) 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的控制軟件。 作用：根據輸入的零件加工程序進行相應的處理（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的執(zhí)行部件(伺服單元、驅動裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內硬件和軟件協調配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作的。CNC裝置是CNC系統(tǒng)的核心,10.07.2020,.,16,5、 伺服單元、驅動裝置和測量裝置 伺服單元和驅動裝置 主軸伺服驅動裝置和主軸電機 進給伺服驅動裝置和

8、進給電機 測量裝置 位置和速度測量裝置。以實現進給伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。 作用 保證靈敏、準確地跟蹤CNC裝置指令： 進給運動指令：實現零件加工的成形運動（速度和位置控制）。 主軸運動指令，實現零件加工的切削運動（速度控制）,10.07.2020,.,17,6、PLC、機床I/O電路和裝置 PLC (Programmable Logic Controller)：用于完成與邏輯運算有關順序動作的I/O控制，它由硬件和軟件組成； 機床I/O電路和裝置：實現I/O控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關、接觸器等組成的邏輯電路； 功能： 接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉換成對應的控制信號

9、，控制輔助裝置完成機床相應的開關動作 接受操作面板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機床的動作。,10.07.2020,.,18,計算機數控系統(tǒng),10.07.2020,.,19,7、機床本體 機床：數控機床的主體，是實現制造加工的執(zhí)行部件。 組成：由主運動部件、進給運動部件（工作臺、拖板以及相應的傳動機構）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動交換系統(tǒng) 工件自動交換系統(tǒng)）和輔助裝置（如排屑裝置等）。,10.07.2020,.,20,1.2.3 數控加工的特點及應用,1數控加工的優(yōu)點,（1）柔性好 （2）加工精度高 （3）能加工復雜型面

10、（4）生產效率高 （5）勞動條件好 （6）有利于生產管理 （7）易于建立計算機通信網絡,10.07.2020,.,21,（1）數控機床價格較貴，加工成本高，提高了起始階段的投資。 （2）技術復雜，增加了電子設備的維護，維修困難。 （3）對工藝和編程要求較高，加工中難以調整，對操作人員的技術水平要求較高。,3數控加工技術的主要應用對象,圖1.3 各種機床的使用范圍,2數控加工的不足之處,10.07.2020,.,22,（1）幾何形狀復雜的零件 （2）多品種小批量生產的零件 （3）必須嚴格控制公差的零件 （4）貴重的、不允許報廢的關鍵零件。,圖1.4 各種機床的加工批量與成本的關系,10.07.2

11、020,.,23,1.3數控機床的分類,1.3.1按加工方式分類,1. 切削機床類。如數控車床、銑床、鏜床、鉆床和加工中心等。 2.成型機床類。如數控沖壓機、彎管機、折彎機等。 3.特種加工機床類。如數控電火花、線切割、激光加工機床等。 4.其它機床類。如數控等離子切割、火焰切割、點焊機、三坐標測量機等。,10.07.2020,.,24,1.3.2 按控制系統(tǒng)功能分類,1.點位控制數控機床,點位控制是指數控系統(tǒng)只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑不需控制。特別是在移動過程中不進行加工，如圖 1-5 所示。采用這類控制的有數控鉆床、數控鏜床和數控坐標

12、鏜床等。,10.07.2020,.,25,2.點位直線控制數控機床,如圖 1-6 所示，點位直線控制是指數控系統(tǒng)除控制直線軌跡的起點和終點的準確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有數控銑床、數控車床和數控磨床等,10.07.2020,.,26,3.輪廓控制數控機床,亦稱連續(xù)軌跡控制，如圖 1-7 所示，能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標方向的聯合運動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協調各坐標方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度。采用這類控制的有數控銑床、

13、數控車床、數控磨床和加工中心等。,10.07.2020,.,27,1.3.3按伺服控制方式分類,1.開環(huán)控制數控機床,開環(huán)控制系統(tǒng)是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)，由步進電機驅動線路和步進電機組成，如圖 1-8 所示。數控裝置經過控制運算發(fā)出脈沖信號，每一脈沖信號使步進電機轉動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。 這種伺服機構比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。,10.07.2020,.,28,2.閉環(huán)控制數控機床,如圖 1-9 所示，閉環(huán)控制系統(tǒng)是在機床移動部件位置上直接裝有直線位置檢測裝置，直接對工作臺的實際位移量進行檢測，將檢測到的實際位移反饋到數控裝置

14、的比較器中，與輸入的原指令位移值進行比較，用比較后的差值控制移動部件作補充位移，直到差值消除時才停止移動，達到精確定位的控制系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)的定位精度高于半閉環(huán)控制，但結構比較復雜，調試維修的難度較大，常用于高精度和大型數控機床。,10.07.2020,.,29,特點：精度高，采用交流或直流伺服驅動及伺服電機，有直線位移、速度檢測裝置，價格貴，調試困難,閉環(huán)控制的數控機床,10.07.2020,.,30,3.半閉環(huán)控制數控機床,如圖 1-10 所示，半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機構中裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服機構的 滾珠絲杠轉角間接檢測移動部件的位移，然后反饋到數控裝置的比較

15、器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，使移動部件補充位移，直到差值消除為止的控制系統(tǒng)。 這種伺服機構所能達到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機構，為大多數中小型數控機床所采用。,10.07.2020,.,31,半閉環(huán)控制的數控機床特點：精度較高，采用交流或直流伺服驅動及伺服電機，有角位移、角速度檢測裝置，結構緊湊,10.07.2020,.,32,1.3.4按數控系統(tǒng)的功能水平分類,10.07.2020,.,33,1.3.5 按聯動軸數分 數控系統(tǒng)控制幾個坐標軸按需要的函數關系同時協調運動，稱為坐標聯動，按照聯動軸數可以分為：,2、兩軸半聯動 在兩軸的基礎上增加了Z軸的移動

16、，當機床坐標系的X、Y軸固定時，Z軸可以作周期性進給。兩軸半聯動加工可以實現分層加工。,1、兩軸聯動 數控機床能同時控制兩個坐標軸聯動，適于數控車床加工旋轉曲面或數控銑床銑削平面輪廓。,10.07.2020,.,34,4、多坐標聯動 數控機床能同時控制四個以上坐標軸的聯動。多坐標數控機床的結構復雜，精度要求高、程序編制復雜，適于加工形狀復雜的零件，如葉輪葉片類零件。 通常三軸機床可以實現二軸、二軸半、三軸加工；五軸機床也可以只用到三軸聯動加工，而其他兩軸不聯動。,3、三軸聯動 數控機床能同時控制三個坐標軸的聯動，用于一般曲面的加工，一般的型腔模具均可以用三軸加工完成。,10.07.2020,.

17、,35,10.07.2020,.,36,1.4 數控加工原理,1、 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，以程序段為單位轉換成刀補處理程序所要求的數據結構（格式）。該數據結構用來描述一個程序段解釋后的數據信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標值；進給速度；主軸轉速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調用處理等數據或標志的存放順序和格式。,1.4.1 術語,10.07.2020,.,37,2、 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

18、心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉換的程序。,10.07.2020,.,38,3、 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內位移指令（X1、Y1、），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現成形運動。 這個過程將在下面進一步敘述。,10.07.2020,.,39,1.4.2 數控加工軌跡控制原理 1、 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。,10.07.2020,.,40,系統(tǒng)按插補時間t和進給速度F的要求，將 L分割成若干短直線 L1，L2，Li，

19、 這里： Li = Ft （i=1，2，） F：用戶給定的進給速度 t：數控系統(tǒng)插補周期,10.07.2020,.,41,用直線Li逼近圓弧存在著逼近誤差，但只要足夠?。↙i足夠短），總能滿足零件的加工要求。 當F為常數時，而t對數控系統(tǒng)而言恒為常數，則Li的長度也為常數L，只是其斜率與其在L上的位置有關。,10.07.2020,.,42,2、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），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。,10.07.2020,.,43,將計算出在

20、ti 時間內的和作為指令輸出給Y軸，以控 制它們聯動。即： Xi X 軸； Yi Y 軸 只要能連續(xù)自動地控制X，Y 兩個進給軸在ti時間 內移動量，就可以實現曲線輪廓零件的加工。,10.07.2020,.,44,3、 插補運算的概念和分類,插補運算：在規(guī)定的加工輪廓起點和終點之間計算出多個中間點的坐標值，以控制機床各坐標軸的運動，這種計算中間點坐標值的過程常稱為插補運算。,1）脈沖增量插補：特點是每次插補的結果僅產生一個行程增量，以一個個脈沖的方式輸出給步進電機，適用于中等精度和中等速度要求的CNC系統(tǒng)。 包括逐點比較法和數字積分法,包括脈沖增量插補和數據采樣插補,10.07.2020,.,

21、45,逐點比較法：被控制對象在按要求的軌跡運動時，每走一步都要和要求的軌跡比較，由比較結果決策下一步移動的方向，特點是運動直觀，插補誤差小于一個脈沖當量，其可做直線插補和圓弧插補。 四步：偏差判別坐標進給偏差計算終點判別 數字積分法：采用數字微分分析器，用數學邏輯電路來實現積分運算。 是由曲線方程產生運動信息的方法，通過對速度分量進行數字積分來確定刀具位移，使刀具沿穩(wěn)定軌跡運動。,2）數據采樣插補是采用時間分割法，將編程時給定的進給速度分割成插補采樣周期的進給段（稱做輪廓步長）然后再進行插補計算得出進給量。,10.07.2020,.,46,1.5典型數控系統(tǒng)簡介,1.5.1FANUC公司的主要

22、數控系統(tǒng),1高可靠性的power Mate 0系列,2普及型CNC0-D系列,4高性/價比的0i系列,5具有網絡功能CNC16i/18i/21i系列,6. 個性化CNC16/18/160/180系列,3全功能型的0-C系列,10.07.2020,.,47,1.5.2SIEMENS公司的主要數控系統(tǒng),1SINUMERIK 802S/C,2SINUMERIK802D,4SINUMERIK 840D,3SINUMERIK 810D,10.07.2020,.,48,1.5.3FAGOR公司的數控系統(tǒng),1CNC8070,28055系列數控系統(tǒng),48040/8055-i/8055TCO/MCO系列,58040/8055-i/8055TC/MC系列,68025/8035系列,38040/8055-i標準系列