數(shù)控機床與數(shù)控編程技術(shù)課件

數(shù)控機床與數(shù)控編程技術(shù)單位：機電工程系濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控機床與數(shù)控編程技術(shù)單位：機電工程系濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)一、舊課復(fù)習(xí)

1、數(shù)控機床主要由哪幾部分組成？

2、數(shù)控車床和數(shù)控銑床的切削運動有何區(qū)別？

3、與傳統(tǒng)機械加工方法相比，數(shù)控加工有哪些特點?

課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)一、舊課復(fù)習(xí)

課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)二、新課的教學(xué)內(nèi)容

計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成

計算機數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalControl）是數(shù)控機床的核心部分，主要由計算機數(shù)控裝置（CNC）、伺服驅(qū)動裝置、位置檢測裝置、可編程控制器PLC和接口電路組成。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)二、新課的教學(xué)內(nèi)容計算機數(shù)控課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)伺服系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)伺服系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

圖2-1計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成

課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

圖2-1計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成

課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

(一)計算機數(shù)控裝置從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件（各運動軸）的位移量為控制對象并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。1.CNC裝置的組成課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(一)計算機數(shù)控裝置從自動控課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

（1）

CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)構(gòu)圖2-2CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)構(gòu)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)I/O設(shè)備計算機主板顯示卡功能模板m功能模板1電子盤多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模塊主軸控制模板機床I/O控制面板速度控制單元1速度控制單元n功能驅(qū)動1功能驅(qū)動m…………系統(tǒng)總線（BUS）標準PC計算機CNC裝置CNC系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-3CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)I/O設(shè)備計算機主板顯示卡功能模板m功能模板1電子盤課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)從本質(zhì)特征來看，CNC系統(tǒng)軟件是具有實時性和多任務(wù)性的專用操作系統(tǒng)，從功能特征來看，該操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。它是CNC系統(tǒng)活的靈魂。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-4所示。（2）

CNC系統(tǒng)軟件的功能結(jié)構(gòu)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)從本質(zhì)特征來看，CNC系統(tǒng)軟件是課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-4CNC系統(tǒng)軟件系統(tǒng)功能框圖課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-4CNC系統(tǒng)軟件系統(tǒng)功課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)CNC裝置的系統(tǒng)軟件在系統(tǒng)硬件的支持下，合理地組織、管理整個系統(tǒng)的各項工作，實現(xiàn)各種數(shù)控功能，使數(shù)控機床按照操作者的要求，有條不紊地進行加工。

CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺，如圖2-5所示。（3）

CNC硬件軟件的作用和相互關(guān)系課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)CNC裝置的系統(tǒng)軟件在系統(tǒng)硬件的課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-5CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機床機器人測量機

......課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-5CNC系統(tǒng)平臺硬件操作課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)2.

CNC裝置的工作過程圖2-6CNC裝置的工作過程課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)2.CNC裝置的工作過程圖2-課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)3.

CNC裝置可執(zhí)行的功能

1）CNC裝置中使用了計算機，用存放在存儲器中的軟件來實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能。

2）CNC裝置的功能一般包括基本功能和選擇功能?；竟δ苁荂NC系統(tǒng)必備的數(shù)控功能，選擇功能是供用戶根據(jù)機床特點和工作途徑進行選擇的功能。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)3.CNC裝置可執(zhí)行的功能①控制功能⑥主軸功能

②準備功能⑦輔助功能③插補功能⑧字符顯示功能④進給功能⑨自診斷功能⑤刀具功能⑩補償功能及固定循環(huán)功能功能如下：①控制功能⑥主軸功能

②準備功能課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

4.CNC裝置的特點（1）具有靈活性 與NC裝置相比，靈活性是CNC裝置的主要特點，只要改變系統(tǒng)軟件，就可以改變和擴展其功能。（2）具有通用性 在CNC裝置中，硬件有多種通用的模塊化結(jié)構(gòu)，而且易于擴展，主要依靠系統(tǒng)軟件變化來滿足機床的各種不同要求。（3）可靠性高 CNC裝置的零件程序在加工前被一次送入存儲器，并經(jīng)過檢查后方可調(diào)用。許多功能由軟件實現(xiàn)，硬件結(jié)構(gòu)大大簡化，特別是采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，使可靠性得到很大提高。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)4.CNC裝置的特點（1）具（4）具有豐富的數(shù)控功能 CNC裝置利用計算機的計算能力，可以實現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)控功能，如高次曲線插補、動態(tài)圖形顯示、各種補償功能等。（5）使用維修方便 由于CNC裝置具有診斷功能，使維修變得容易。又由于具有編程功能，使編程變得簡單。這些都表現(xiàn)出較好的使用性。（6）基于PC平臺的CNC可以縮短數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和升級周期，計算機發(fā)展的新技術(shù)只要用戶需要，都可以移植到數(shù)控系統(tǒng)當中。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（4）具有豐富的數(shù)控功能課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

(二)數(shù)控機床的檢測裝置

位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使著向消除偏差的方向運動直至偏差等于零為止。為此，對位置檢測裝置提出如下要求：

1、概述課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(二)數(shù)控機床的檢測裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(1)在機床工作臺移動范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求。通常要求檢測元件的分辨度（即檢測的最小位移量）在0.0001~0.01mm之內(nèi)，測量精度在±0.01~±0.02mm以內(nèi)。運動速度為0~24m/min。(2)在機床的工作環(huán)境下，能可靠地工作，亦即受溫度影響小，抗干擾能力強，并能長期保持精度。(3)使用、維護簡單方便，成本低。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(1)在機床工作臺移動范圍內(nèi)，課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置分位移、速度和加速度三種類型，數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置基本分為直線型和旋轉(zhuǎn)型兩大類。直線型位置檢測裝置用來檢測運動部件的直線位移量，旋轉(zhuǎn)型位置檢測裝置用來檢測回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動位移量。2.位置檢測裝置的分類課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置分位移、課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-7常用的位置檢測裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-7常用的位置檢測裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)精度：精度主要由精密度（反映隨機誤差）和準確度（反映系統(tǒng)誤差）來決定。數(shù)控傳感器要滿足高精度和高速時測量的要求。分辨率：是指所能測到的最小位移量，分辨率的提高對提高零件的加工精度、提高運行平穩(wěn)性都很重要，高分辨率傳感器已能滿足亞微米和角秒級設(shè)備的要求。測量范圍的量程：傳感器的測量范圍要滿足系統(tǒng)的要求，并留有余地。其他指標：對測量裝置還要求工作可靠、抗干擾性強、使用維護方便、成本低等

3.數(shù)控檢測裝置的性能指標及要求課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)精度：精度主要由精密度（反映隨機課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）旋轉(zhuǎn)變壓器：旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測量元件，它是一種小型交流電機。在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，激磁頻率通常為400H、500H、1000H、3000H、5000H，其結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，工作可靠。3.常用的位置檢測裝置：課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）旋轉(zhuǎn)變壓器：旋轉(zhuǎn)變課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變成電信號（極為普遍）。即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向滑尺通以交流激磁電壓，則在滑尺中產(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應(yīng)，在定尺上感出感應(yīng)電壓，當滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）。2、感應(yīng)同步器測量裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)利用電磁耦合原理，將課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-8直線感應(yīng)同步器課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-8直線感應(yīng)同步器課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

光柵用于數(shù)控機床作為檢測裝置，已有幾十年的歷史，用以測量長度、角度、速度、加速度、振動和爬行等。它是數(shù)控機床閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的一種檢測裝置。光柵主要是利用莫爾條紋實現(xiàn)的，使莫爾條紋的整體反映。它有兩個作用：一是可以把信號放大，二是對誤差有均化作用。3、光柵位置檢測裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)光柵用于數(shù)控機床課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-9光柵條紋圖2-10莫爾條紋示意圖課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-9光柵條紋圖2-10課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-11光柵測量系統(tǒng)簡圖課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-11光柵測量系統(tǒng)簡圖直線光柵尺的主要技術(shù)指標：精度等級：分辨率：測量長度：最大30m零參考點：可選擇一個或多個允許最大運動速度：120m/min安裝方式：快速安裝課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)直線光柵尺的主要技術(shù)指標：課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)光電編碼器是用來測量旋轉(zhuǎn)運動的角位移，它是利用光電原理把機械角位移變成脈沖電信號，是一種使用廣泛的角位移傳感器。按輸出信號與對應(yīng)位置關(guān)系分類：分別有增量式光電編碼器、絕對式光電編碼器和混合式光電編碼器。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)光電編碼器是用來測量旋轉(zhuǎn)運動的角位移，它是利用光電原理把機械課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)增量式光電編碼器圖2-12增量式光電編碼器工作原理圖課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)增量式光電編碼器圖2-12增課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)編碼盤測量裝置

圖2-13碼盤課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)編碼盤測量裝置

圖2-13碼課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)脈沖數(shù)/每轉(zhuǎn)刻線精度1/10柵距最大速度12000RPm零參考點每轉(zhuǎn)一個最大頻率200KHz輸出信號方波/正弦波光電編碼器的主要技術(shù)指標：課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)光電編碼器的主要技術(shù)指標：課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

磁尺位置檢測裝置是由磁性標尺、磁頭和檢測電路組成。利用錄磁的原理將一定周期變化的方法，正弦波或脈沖電信號，用錄磁磁頭記錄在磁性標尺的磁膜上，作為測量的基準。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標尺上的磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過檢測電路處理后，用以計量磁頭相對磁尺之間的位移量。

特點：對使用環(huán)境的條件要求較低，對周圍磁場的抗干擾能力較強，在油污、粉塵較多的地方使用有較好的穩(wěn)定性。

磁尺測量裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)磁尺位置檢測裝置是由磁課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-14讀取磁頭課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-14讀取磁頭課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

(三)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置1.伺服系統(tǒng)的概念伺服系統(tǒng)完成機床移動部件的位置和速度控制。它接收計算機的插補命令，將插補脈沖轉(zhuǎn)換為機械位移。

CNC裝置是數(shù)控機床發(fā)布命令的“大腦”，而伺服驅(qū)動則為數(shù)控機床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”，它能夠準確的執(zhí)行來自CNC裝置的運動指令。驅(qū)動裝置由驅(qū)動部件和速度控制單元組成。驅(qū)動部件由交流或直流電動機、位置監(jiān)測元件及相關(guān)的機械傳動和運動部件組成。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(三)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置38課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）可逆運行在加工過程中，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時都可能實現(xiàn)正傳和反轉(zhuǎn)，同時要求在方向變化時，不應(yīng)有反向間隙和運動的損失。（2）速度范圍寬為適應(yīng)不同的加工條件，數(shù)控機床的進給速度需要在很寬的范圍內(nèi)無級變速，這就要求伺服電機有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。2.數(shù)控機床對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）可逆運行2.數(shù)控機床對伺39課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（3）具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)定性要求伺服系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)與動態(tài)負載特性，即在負載變化時，應(yīng)使進給速度保持恒定。（4）響應(yīng)快速并無超調(diào)為了保證輪廓切削形狀精度和表面粗糙度，要求跟蹤指令信號響應(yīng)要快。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（3）具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)40課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（5）高精度為滿足數(shù)控加工精度的要求，關(guān)鍵是保證數(shù)控機床的定位精度和進給跟蹤精度，這也是伺服系統(tǒng)靜態(tài)特性與動態(tài)特性指標是否優(yōu)良的具體表現(xiàn)。（6）低速大轉(zhuǎn)矩數(shù)控機床的加工特點是在低速時進行重切削，因此要求伺服系統(tǒng)在低速時進給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（5）高精度41課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)3.伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類（1）按用途：

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)主要有兩種：一種是進給伺服系統(tǒng)，它控制機床各坐標軸的切削進給運動，以直線運動為主；另一種是主軸伺服系統(tǒng)，它控制主軸的切削運動，以旋轉(zhuǎn)運動為主。本章只介紹第一種伺服系統(tǒng)。（2）按控制原理可分為：開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)3.伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類（3）按使用的執(zhí)行元件可分為：步進電機驅(qū)動系統(tǒng)、直流伺服電動機和交流伺服電動機。（4）按控制量的性質(zhì)：位置伺服系統(tǒng)和速度伺服系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（3）按使用的執(zhí)行元件可分為：課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）步進電機概念：步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的驅(qū)動元件。給一個電脈沖信號，步進電動機就回轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，所以稱為步進電動機。有由于它輸入的是脈沖電流，也稱為脈沖電動機。是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。特點：控制簡單、運動可靠、價格較低，但精度低且切削力小，常用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。4.常用伺服電機課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）步進電機4.常用伺服電機課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)分類：按工作原理分為反應(yīng)式、電磁式、永磁式等類型；按使用場合分為功率步進電機和控制步進電機；按相數(shù)可分為三相、四相和五相；按使用頻率分為高頻步進電機和低頻步進電機。要求：能夠迅速啟動，可正反轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)及在很廣的范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，運轉(zhuǎn)過程中不丟步，輸出轉(zhuǎn)矩大，可直接帶動負載。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)分類：按工作原理分為反應(yīng)式、電磁直流伺服電動機具有很多優(yōu)點，但它由于裝有電刷和換向片，尺寸較大且必須定期維修，特別是受換向器限制，容量較小，電樞電壓較低，很多特性參數(shù)隨速度而變化，因而限制了直流伺服電動機高速度、大容量的發(fā)展。因為直流電機具有良好的調(diào)速性，因此以往（20世紀70年代到80年代）的數(shù)控機床的半閉環(huán)，閉環(huán)控制系統(tǒng)的伺服驅(qū)動大都采用直流伺服電動機。直流伺服電動機的主要缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電刷維護不方便，需要交流變直流，此品種的生命周期并不長。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（2）直流伺服電機直流伺服電動機具有很多優(yōu)點，但它由于裝有電刷和換向片，尺寸較課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)交流伺服電動機具備調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速、精度高、動態(tài)響應(yīng)快以及良好的技術(shù)性能。交流伺服電動機采用全封閉無刷構(gòu)造，不需要定期檢查維修。。交流伺服電動機提高其性能的關(guān)鍵在于解決對交流電動機的控制與驅(qū)動，目前采用的是一種新的控制方法，利用微機對交流電動機作矢量變換控制。這種交流變頻調(diào)速系統(tǒng)控制可獲得與直流電動機相同的調(diào)速性能。（3）交流伺服電機課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)交流伺服電動機具備調(diào)速范圍寬、穩(wěn)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)三、實訓(xùn)內(nèi)容到數(shù)控機加工基地，觀察機床的數(shù)控系統(tǒng)的組成。四、課堂小結(jié)

通過本次課的教學(xué)，必須熟練掌握計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成，了解各部分的特點及公用。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)三、實訓(xùn)內(nèi)容到數(shù)控機加工基地，觀數(shù)控機床與數(shù)控編程技術(shù)單位：機電工程系濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控機床與數(shù)控編程技術(shù)單位：機電工程系濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)一、舊課復(fù)習(xí)

1、數(shù)控機床主要由哪幾部分組成？

2、數(shù)控車床和數(shù)控銑床的切削運動有何區(qū)別？

3、與傳統(tǒng)機械加工方法相比，數(shù)控加工有哪些特點?

課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)一、舊課復(fù)習(xí)

課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)二、新課的教學(xué)內(nèi)容

計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成

計算機數(shù)控系統(tǒng)（ComputerNumericalControl）是數(shù)控機床的核心部分，主要由計算機數(shù)控裝置（CNC）、伺服驅(qū)動裝置、位置檢測裝置、可編程控制器PLC和接口電路組成。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)二、新課的教學(xué)內(nèi)容計算機數(shù)控課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)伺服系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)伺服系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

圖2-1計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成

課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

圖2-1計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成

課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

(一)計算機數(shù)控裝置從自動控制的角度來看，CNC系統(tǒng)是一種位置（軌跡）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件（各運動軸）的位移量為控制對象并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。從外部特征來看，CNC系統(tǒng)是由硬件（通用硬件和專用硬件）和軟件（專用）兩大部分組成的。1.CNC裝置的組成課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(一)計算機數(shù)控裝置從自動控課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

（1）

CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)構(gòu)圖2-2CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)構(gòu)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)I/O設(shè)備計算機主板顯示卡功能模板m功能模板1電子盤多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模塊主軸控制模板機床I/O控制面板速度控制單元1速度控制單元n功能驅(qū)動1功能驅(qū)動m…………系統(tǒng)總線（BUS）標準PC計算機CNC裝置CNC系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-3CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)I/O設(shè)備計算機主板顯示卡功能模板m功能模板1電子盤課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)從本質(zhì)特征來看，CNC系統(tǒng)軟件是具有實時性和多任務(wù)性的專用操作系統(tǒng)，從功能特征來看，該操作系統(tǒng)由CNC管理軟件和CNC控制軟件兩部分組成。它是CNC系統(tǒng)活的靈魂。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-4所示。（2）

CNC系統(tǒng)軟件的功能結(jié)構(gòu)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)從本質(zhì)特征來看，CNC系統(tǒng)軟件是課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-4CNC系統(tǒng)軟件系統(tǒng)功能框圖課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-4CNC系統(tǒng)軟件系統(tǒng)功課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)CNC裝置的系統(tǒng)軟件在系統(tǒng)硬件的支持下，合理地組織、管理整個系統(tǒng)的各項工作，實現(xiàn)各種數(shù)控功能，使數(shù)控機床按照操作者的要求，有條不紊地進行加工。

CNC系統(tǒng)的硬件和軟件構(gòu)成了CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)平臺，如圖2-5所示。（3）

CNC硬件軟件的作用和相互關(guān)系課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)CNC裝置的系統(tǒng)軟件在系統(tǒng)硬件的課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-5CNC系統(tǒng)平臺硬件操作系統(tǒng)管理軟件應(yīng)用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設(shè)備

機床機器人測量機

......課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-5CNC系統(tǒng)平臺硬件操作課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)2.

CNC裝置的工作過程圖2-6CNC裝置的工作過程課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)2.CNC裝置的工作過程圖2-課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)3.

CNC裝置可執(zhí)行的功能

1）CNC裝置中使用了計算機，用存放在存儲器中的軟件來實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能。

2）CNC裝置的功能一般包括基本功能和選擇功能。基本功能是CNC系統(tǒng)必備的數(shù)控功能，選擇功能是供用戶根據(jù)機床特點和工作途徑進行選擇的功能。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)3.CNC裝置可執(zhí)行的功能①控制功能⑥主軸功能

②準備功能⑦輔助功能③插補功能⑧字符顯示功能④進給功能⑨自診斷功能⑤刀具功能⑩補償功能及固定循環(huán)功能功能如下：①控制功能⑥主軸功能

②準備功能課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

4.CNC裝置的特點（1）具有靈活性 與NC裝置相比，靈活性是CNC裝置的主要特點，只要改變系統(tǒng)軟件，就可以改變和擴展其功能。（2）具有通用性 在CNC裝置中，硬件有多種通用的模塊化結(jié)構(gòu)，而且易于擴展，主要依靠系統(tǒng)軟件變化來滿足機床的各種不同要求。（3）可靠性高 CNC裝置的零件程序在加工前被一次送入存儲器，并經(jīng)過檢查后方可調(diào)用。許多功能由軟件實現(xiàn)，硬件結(jié)構(gòu)大大簡化，特別是采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，使可靠性得到很大提高。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)4.CNC裝置的特點（1）具（4）具有豐富的數(shù)控功能 CNC裝置利用計算機的計算能力，可以實現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)控功能，如高次曲線插補、動態(tài)圖形顯示、各種補償功能等。（5）使用維修方便 由于CNC裝置具有診斷功能，使維修變得容易。又由于具有編程功能，使編程變得簡單。這些都表現(xiàn)出較好的使用性。（6）基于PC平臺的CNC可以縮短數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和升級周期，計算機發(fā)展的新技術(shù)只要用戶需要，都可以移植到數(shù)控系統(tǒng)當中。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（4）具有豐富的數(shù)控功能課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

(二)數(shù)控機床的檢測裝置

位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使著向消除偏差的方向運動直至偏差等于零為止。為此，對位置檢測裝置提出如下要求：

1、概述課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(二)數(shù)控機床的檢測裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(1)在機床工作臺移動范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求。通常要求檢測元件的分辨度（即檢測的最小位移量）在0.0001~0.01mm之內(nèi)，測量精度在±0.01~±0.02mm以內(nèi)。運動速度為0~24m/min。(2)在機床的工作環(huán)境下，能可靠地工作，亦即受溫度影響小，抗干擾能力強，并能長期保持精度。(3)使用、維護簡單方便，成本低。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(1)在機床工作臺移動范圍內(nèi)，課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置分位移、速度和加速度三種類型，數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置基本分為直線型和旋轉(zhuǎn)型兩大類。直線型位置檢測裝置用來檢測運動部件的直線位移量，旋轉(zhuǎn)型位置檢測裝置用來檢測回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動位移量。2.位置檢測裝置的分類課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置分位移、課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-7常用的位置檢測裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-7常用的位置檢測裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)精度：精度主要由精密度（反映隨機誤差）和準確度（反映系統(tǒng)誤差）來決定。數(shù)控傳感器要滿足高精度和高速時測量的要求。分辨率：是指所能測到的最小位移量，分辨率的提高對提高零件的加工精度、提高運行平穩(wěn)性都很重要，高分辨率傳感器已能滿足亞微米和角秒級設(shè)備的要求。測量范圍的量程：傳感器的測量范圍要滿足系統(tǒng)的要求，并留有余地。其他指標：對測量裝置還要求工作可靠、抗干擾性強、使用維護方便、成本低等

3.數(shù)控檢測裝置的性能指標及要求課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)精度：精度主要由精密度（反映隨機課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）旋轉(zhuǎn)變壓器：旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測量元件，它是一種小型交流電機。在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，激磁頻率通常為400H、500H、1000H、3000H、5000H，其結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，工作可靠。3.常用的位置檢測裝置：課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）旋轉(zhuǎn)變壓器：旋轉(zhuǎn)變課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變成電信號（極為普遍）。即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向滑尺通以交流激磁電壓，則在滑尺中產(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應(yīng)，在定尺上感出感應(yīng)電壓，當滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）。2、感應(yīng)同步器測量裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)利用電磁耦合原理，將課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-8直線感應(yīng)同步器課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-8直線感應(yīng)同步器課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

光柵用于數(shù)控機床作為檢測裝置，已有幾十年的歷史，用以測量長度、角度、速度、加速度、振動和爬行等。它是數(shù)控機床閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的一種檢測裝置。光柵主要是利用莫爾條紋實現(xiàn)的，使莫爾條紋的整體反映。它有兩個作用：一是可以把信號放大，二是對誤差有均化作用。3、光柵位置檢測裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)光柵用于數(shù)控機床課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-9光柵條紋圖2-10莫爾條紋示意圖課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-9光柵條紋圖2-10課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-11光柵測量系統(tǒng)簡圖課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-11光柵測量系統(tǒng)簡圖直線光柵尺的主要技術(shù)指標：精度等級：分辨率：測量長度：最大30m零參考點：可選擇一個或多個允許最大運動速度：120m/min安裝方式：快速安裝課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)直線光柵尺的主要技術(shù)指標：課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)光電編碼器是用來測量旋轉(zhuǎn)運動的角位移，它是利用光電原理把機械角位移變成脈沖電信號，是一種使用廣泛的角位移傳感器。按輸出信號與對應(yīng)位置關(guān)系分類：分別有增量式光電編碼器、絕對式光電編碼器和混合式光電編碼器。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)光電編碼器是用來測量旋轉(zhuǎn)運動的角位移，它是利用光電原理把機械課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)增量式光電編碼器圖2-12增量式光電編碼器工作原理圖課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)增量式光電編碼器圖2-12增課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)編碼盤測量裝置

圖2-13碼盤課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)編碼盤測量裝置

圖2-13碼課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)脈沖數(shù)/每轉(zhuǎn)刻線精度1/10柵距最大速度12000RPm零參考點每轉(zhuǎn)一個最大頻率200KHz輸出信號方波/正弦波光電編碼器的主要技術(shù)指標：課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)光電編碼器的主要技術(shù)指標：課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

磁尺位置檢測裝置是由磁性標尺、磁頭和檢測電路組成。利用錄磁的原理將一定周期變化的方法，正弦波或脈沖電信號，用錄磁磁頭記錄在磁性標尺的磁膜上，作為測量的基準。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標尺上的磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過檢測電路處理后，用以計量磁頭相對磁尺之間的位移量。

特點：對使用環(huán)境的條件要求較低，對周圍磁場的抗干擾能力較強，在油污、粉塵較多的地方使用有較好的穩(wěn)定性。

磁尺測量裝置課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)磁尺位置檢測裝置是由磁課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-14讀取磁頭課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)圖2-14讀取磁頭課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)

(三)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置1.伺服系統(tǒng)的概念伺服系統(tǒng)完成機床移動部件的位置和速度控制。它接收計算機的插補命令，將插補脈沖轉(zhuǎn)換為機械位移。

CNC裝置是數(shù)控機床發(fā)布命令的“大腦”，而伺服驅(qū)動則為數(shù)控機床的“四肢”，是一種“執(zhí)行機構(gòu)”，它能夠準確的執(zhí)行來自CNC裝置的運動指令。驅(qū)動裝置由驅(qū)動部件和速度控制單元組成。驅(qū)動部件由交流或直流電動機、位置監(jiān)測元件及相關(guān)的機械傳動和運動部件組成。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)(三)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置86課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）可逆運行在加工過程中，根據(jù)加工軌跡的要求，隨時都可能實現(xiàn)正傳和反轉(zhuǎn)，同時要求在方向變化時，不應(yīng)有反向間隙和運動的損失。（2）速度范圍寬為適應(yīng)不同的加工條件，數(shù)控機床的進給速度需要在很寬的范圍內(nèi)無級變速，這就要求伺服電機有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的調(diào)速特性。2.數(shù)控機床對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（1）可逆運行2.數(shù)控機床對伺87課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（3）具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)定性要求伺服系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)與動態(tài)負載特性，即在負載變化時，應(yīng)使進給速度保持恒定。（4）響應(yīng)快速并無超調(diào)為了保證輪廓切削形狀精度和表面粗糙度，要求跟蹤指令信號響應(yīng)要快。課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（3）具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)88課題二數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)（5）高精度為滿足數(shù)控加