【數(shù)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(xué)遼陽校區(qū)機械系 謝寶玲 2005.7.14,10.07.2020,.,2,第一章數(shù)控機床的基本知識,數(shù)控機床的出現(xiàn)和發(fā)展 數(shù)控機床的工作原理及基本組成 數(shù)控機床的分類 數(shù)控機床的加工原理 數(shù)控機床的特點和應(yīng)用范圍 典型數(shù)控系統(tǒng)簡介,10.07.2020,.,3,1.1.1 數(shù)控機床的出現(xiàn)和發(fā)展 數(shù)控機床（Numerical Control Machine Tools）是用數(shù)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(shù)控機床。 數(shù)控機床是在機械制造技術(shù)和控制技術(shù)的基礎(chǔ)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(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出采用數(shù)字脈沖控制機床的設(shè)想。,第1章數(shù)控機床的基本知識,1.1 數(shù)控機床的出現(xiàn)和發(fā)展,10.07.2020,.,4,第一代:1949年，該公司與美國麻省理工學(xué)院（MIT）開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床，當(dāng)時的數(shù)控裝置采用電子管元件。,第二代:1959年，數(shù)控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現(xiàn)帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為加工中心（ MC Machining Center），使數(shù)控裝置進入了

3、第二代。,第三代: 1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)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(shù)控機床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。,以上三代數(shù)控系統(tǒng)都是采用專用控制硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng),稱為普通數(shù)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(dǎo)體存貯器的微型計算機數(shù)控裝置（簡稱MNC），這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。,第四代:60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數(shù)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(shù)控系統(tǒng)（簡稱 CNC），使數(shù)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(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進行人機對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數(shù)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(shù)控機床的工作原理及基本組成,1.2.1 數(shù)控機床的工作原理 數(shù)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(shù)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(shù)控裝置中.數(shù)控裝置再將程序(代碼)進行譯碼、運算，向機床各個坐標(biāo)的伺服機構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號，驅(qū)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(shù)控機床的組成,10.07.2020,.,8,10.07.2020,.,9,數(shù)控系統(tǒng)功用:接受數(shù)控裝置送來的脈沖信號,經(jīng)過數(shù)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(shù)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(shù)控機床特有部件。,10.07.2020,.,11,10.07.2020,.,12,2、控制介質(zhì)與輸入輸出設(shè)備 程序的存儲介質(zhì)是記錄零件加工程序的媒介，如：紙帶（八單位標(biāo)準穿孔紙帶）、

6、磁帶或磁盤。 輸入、輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外部設(shè)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(zhì)上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。 數(shù)控機床常用的控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備見表1：,10.07.2020,.,13,表1 控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備表,10.07.2020,.,14,3、通訊 現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)除采用輸入輸出設(shè)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(xiàn)CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。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(wǎng)絡(luò)技術(shù)（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(yīng)的控制軟件。 作用：根據(jù)輸入的零件加工程序進行相應(yīng)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(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動裝置和PLC等)，所有這些工作是由CNC裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調(diào)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(qū)動裝置和測量裝置 伺服單元和驅(qū)動裝置 主軸伺服驅(qū)動裝置和主軸電機 進給伺服驅(qū)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(xiàn)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(xiàn)零件加工的成形運動（速度和位置控制）。 主軸運動指令，實現(xiàn)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(guān)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(xiàn)I/O控制的執(zhí)行部件(由繼電器、電磁閥、行程開關(guān)、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(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號

9、，控制輔助裝置完成機床相應(yīng)的開關(guān)動作 接受操作面板和機床側(cè)的I/O信號，送給CNC裝置，經(jīng)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(shù)控系統(tǒng),10.07.2020,.,19,7、機床本體 機床：數(shù)控機床的主體，是實現(xiàn)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(yīng)的傳動機構(gòu)）、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(shù)控加工的特點及應(yīng)用,1數(shù)控加工的優(yōu)點,（1）柔性好 （2）加工精度高 （3）能加工復(fù)雜型面

10、（4）生產(chǎn)效率高 （5）勞動條件好 （6）有利于生產(chǎn)管理 （7）易于建立計算機通信網(wǎng)絡(luò),10.07.2020,.,21,（1）數(shù)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(shù)復(fù)雜，增加了電子設(shè)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(diào)整，對操作人員的技術(shù)水平要求較高。,3數(shù)控加工技術(shù)的主要應(yīng)用對象,圖1.3 各種機床的使用范圍,2數(shù)控加工的不足之處,10.07.2020,.,22,（1）幾何形狀復(fù)雜的零件 （2）多品種小批量生產(chǎn)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(guān)鍵零件。,圖1.4 各種機床的加工批量與成本的關(guān)系,10.07.2

11、020,.,23,1.3數(shù)控機床的分類,1.3.1按加工方式分類,1. 切削機床類。如數(shù)控車床、銑床、鏜床、鉆床和加工中心等。 2.成型機床類。如數(shù)控沖壓機、彎管機、折彎機等。 3.特種加工機床類。如數(shù)控電火花、線切割、激光加工機床等。 4.其它機床類。如數(shù)控等離子切割、火焰切割、點焊機、三坐標(biāo)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(shù)控機床,點位控制是指數(shù)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(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標(biāo)

12、鏜床等。,10.07.2020,.,25,2.點位直線控制數(shù)控機床,如圖 1-6 所示，點位直線控制是指數(shù)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(shù)控銑床、數(shù)控車床和數(shù)控磨床等,10.07.2020,.,26,3.輪廓控制數(shù)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(biāo)方向的聯(lián)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(shù)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(xié)調(diào)各坐標(biāo)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(shù)控銑床、

13、數(shù)控車床、數(shù)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(shù)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(qū)動線路和步進電機組成，如圖 1-8 所示。數(shù)控裝置經(jīng)過控制運算發(fā)出脈沖信號，每一脈沖信號使步進電機轉(zhuǎn)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(gòu)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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)試維修的難度較大，常用于高精度和大型數(shù)控機床。,10.07.2020,.,29,特點：精度高，采用交流或直流伺服驅(qū)動及伺服電機，有直線位移、速度檢測裝置，價格貴，調(diào)試困難,閉環(huán)控制的數(shù)控機床,10.07.2020,.,30,3.半閉環(huán)控制數(shù)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(gòu)中裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服機構(gòu)的 滾珠絲杠轉(zhuǎn)角間接檢測移動部件的位移，然后反饋到數(shù)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(gòu)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(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機床所采用。,10.07.2020,.,31,半閉環(huán)控制的數(shù)控機床特點：精度較高，采用交流或直流伺服驅(qū)動及伺服電機，有角位移、角速度檢測裝置，結(jié)構(gòu)緊湊,10.07.2020,.,32,1.3.4按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平分類,10.07.2020,.,33,1.3.5 按聯(lián)動軸數(shù)分 數(shù)控系統(tǒng)控制幾個坐標(biāo)軸按需要的函數(shù)關(guān)系同時協(xié)調(diào)運動，稱為坐標(biāo)聯(lián)動，按照聯(lián)動軸數(shù)可以分為：,2、兩軸半聯(lián)動 在兩軸的基礎(chǔ)上增加了Z軸的移動

16、，當(dāng)機床坐標(biāo)系的X、Y軸固定時，Z軸可以作周期性進給。兩軸半聯(lián)動加工可以實現(xiàn)分層加工。,1、兩軸聯(lián)動 數(shù)控機床能同時控制兩個坐標(biāo)軸聯(lián)動，適于數(shù)控車床加工旋轉(zhuǎn)曲面或數(shù)控銑床銑削平面輪廓。,10.07.2020,.,34,4、多坐標(biāo)聯(lián)動 數(shù)控機床能同時控制四個以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動。多坐標(biāo)數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高、程序編制復(fù)雜，適于加工形狀復(fù)雜的零件，如葉輪葉片類零件。 通常三軸機床可以實現(xiàn)二軸、二軸半、三軸加工；五軸機床也可以只用到三軸聯(lián)動加工，而其他兩軸不聯(lián)動。,3、三軸聯(lián)動 數(shù)控機床能同時控制三個坐標(biāo)軸的聯(lián)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(shù)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(zhuǎn)換成刀補處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式）。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標(biāo)值；進給速度；主軸轉(zhuǎn)速；G代碼；M代碼；刀具號；子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。,1.4.1 術(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(nèi)位移指令（X1、Y1、），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)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(shù)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(shù)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(dāng)F為常數(shù)時，而t對數(shù)控系統(tǒng)而言恒為常數(shù)，則Li的長度也為常數(shù)L，只是其斜率與其在L上的位置有關(guān)。,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(nèi)），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(nèi)的和作為指令輸出給Y軸，以控 制它們聯(lián)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(nèi)移動量，就可以實現(xiàn)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(biāo)值，以控制機床各坐標(biāo)軸的運動，這種計算中間點坐標(biāo)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(jié)果僅產(chǎn)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(shù)字積分法,包括脈沖增量插補和數(shù)據(jù)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(jié)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(dāng)量，其可做直線插補和圓弧插補。 四步：偏差判別坐標(biāo)進給偏差計算終點判別 數(shù)字積分法：采用數(shù)字微分分析器，用數(shù)學(xué)邏輯電路來實現(xiàn)積分運算。 是由曲線方程產(chǎn)生運動信息的方法，通過對速度分量進行數(shù)字積分來確定刀具位移，使刀具沿穩(wěn)定軌跡運動。,2）數(shù)據(jù)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(shù)控系統(tǒng)簡介,1.5.1FANUC公司的主要

22、數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(shù)控系統(tǒng),1SINUMERIK 802S/C,2SINUMERIK802D,4SINUMERIK 840D,3SINUMERIK 810D,10.07.2020,.,48,1.5.3FAGOR公司的數(shù)控系統(tǒng),1CNC8070,28055系列數(shù)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(biāo)準系列