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1、精选优质文档-倾情为你奉上目 录第1章 数控技术概述1.1 数控机床的基本概念1.1.1 学习要求1. 理解计算机数控的概念；2. 了解数控机床的产生、发展；重点：数控技术、数控机床的概念1.1.2 主要内容1. 数控机床的产生和发展随着科技与生产的发展，机械产品日益精密复杂，更新换代日趋频繁，要求加工设备具有更高的精度和效率；另外，在产品加工过程中，单件小批量生产的零件约占机械加工总量的80%以上，加工这种品种多、批量少、形状复杂的零件也要求通用性和灵活性较高的加工设备。数控机床是为了解决复杂型面零件加工的自动化而产生的。1948年，美国PARSONS公司在研制加工直升飞机叶片轮廓用检查样板
2、的机床时，首先提出了数控机床的设想，在麻省理工学院的协助下，于1952年试制成功世界上第一台数控机床样机。后又经过三年时间的改进和自动程序编制的研究，数控机床进入实用阶段，市场上出现了商品化数控机床。1958年，美国KEANEY & TRECKER公司在世界上首先研制成功带有自动换刀装置的加工中心。数控机床共经历了五代： 现今的数控机床就是在上世纪70年代发展起来的一种新型数控技术。2. 我国数控机床发展概况我国于1958年开始研制数控机床，到60年代末和70年代初，简易的数控机床已在生产中广泛使用。它们以单板机作为控制核心，多以数码管作为显示器，用步进电动机作为执行元件。80年代初，由于引进
3、了国外先进的数控技术，使我国的数控机床在质量和性能上都有了很大的提高。它们具有完备的手动操作面板和友好的人机界面，可以配直流或交流伺服驱动，实现半闭环或闭环的控制，能对24轴进行联动控制，具有刀库管理功能和丰富的逻辑控制功能。90年代起，我国向高档数控机床方向发展。一些高档数控攻关项目通过国家鉴定并陆续在工程上得到应用。 航天I型、 华中型、华中-2000型等高性能数控系统，实现了高速、高精度和高效经济的加工效果，能完成高复杂度的五坐标曲面实时插补控制，加工出高复杂度的整体叶轮及复杂刀具。3. 数控技术基本概念在加工机床中得到广泛应用的数控技术是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数
4、字化运算、处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高新技术。当前已有大量机械加工装备采用了数控技术，其中最典型而应用面最广的是数控机床。为了便于后面的讨论，下面给出数控技术、数控系统、计算机数控系统（CNC）和数控机床几个概念的定义：数字控制（Numerical Control）技术：简称数控（NC）技术，指用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。计算机数控技术称为CNC。数控系统：指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成系统，它是数控技术的载体；数控机床： 用数字技术实施加工控制的机床。1.2数控机床的组成和分类1.2.1 学习要求 1. 了解数控机床的组成
5、；2. 掌握数控机床的分类；重点：掌握按伺服系统及按运动控制方式的分类方法1.2.2 主要内容1. 数控机床的组成主要由以下几个部分组成，如图1-1所示。图中虚线框部分为，即CNC系统，其中各方框为其组成模块，代箭头的连线表示各模块间的信息流向。图右边的实线框部分为计算机数控系统的控制对象-机床部分。下面将分别介绍各模块的功能。1）操作面板（控制面板）: 它是操作人员与（系统）进行交互的工具，一方面，操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，另一方面，操作人员也可以通过它了解或查询数控机床（系统）的运行状态。它是数控机床的一个输入输出部件，是数控机床的
6、特有部件。它主要由按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器等部分组成，如图1-2所示.2）控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介。输入输出设备是CNC系统与外部设备进行信息交互装置。零件加工程序是交互的主要信息。它们的作用是将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统、或将CNC系统中已调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。常用的控制介质有穿孔纸带（对应的输入输出设备分别是纸带阅读机和纸带穿孔机）、磁带（对应的输入输出设备是录音机）、磁盘（对应的输入输出设备是磁盘驱动器）。除此之外，还可采用通信方式进行信息交换，现代一般都具有
7、利用通信方式进行信息交换的能力。这种方式是实现CAD/CAM集成、FMS和CIMS的基本技术。目前在数控机床上常采用的方式有：串行通讯（RS232等串口）、自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）、网络技术（internet，LAN等）。3）计算机数控（CNC）装置（或CNC单元）： 计算机数控（CNC）装置是的核心。其主要作用是根据输入的零件加工程序或操作者命令进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，完成零件加工程序或操作者命令所要求的工作。所有这些都是由CNC装置协调配合，合理组织进行的，从而使整个系
8、统能有条不紊地工作。它主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、扩展功能模块以及相应的控制软件等模块组成。4）伺服单元、驱动装置和测量装置： 伺服单元和驱动装置是指主轴伺服驱动装置和主轴电机、进给伺服驱动装置和进给电机；测量装置是指位置和速度测量装置，它是实现速度闭环控制（主轴、进给）和位置闭环控制（进给）的必要装置。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制量为速度。进给伺服系统的主要作用是实现零件加工的成形运动，其控制量为速度和位置。能灵敏、准确地跟踪CNC装置的位置和速度指令是它们的共同特点特征。5）PLC、机床I/O电路和装置PLC (Programmable
9、 Logic Controller)： 用于完成与逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制，它由硬件和软件组成；机床I/O电路和装置实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；它们共同完成以下任务：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作。6）机床本体机床是的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具
10、自动交换系统 工件自动交换系统）和辅助装置（如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等）组成。数控机床机械部件的组成。与普通机床相似，但传动结构和变速系统较为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求高。2. 数控机床的分类1）按机械加工的运动轨迹分类点位控制数控机床：这类数控机床仅能控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动，从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置，然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工。特点：在整个移动过程中不进行切削加工，因此对运动轨迹没有任何要求，但要求坐标位置有较高的定位精度。点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系，这类机床主要有数控钻床、印刷电路板钻孔机、数控镗床、数控冲
11、床、三坐标测量机等。直线控制数控机床:这类数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内调节。早期，简易两坐标轴数控车床，可用于加工台阶轴。简易的三坐标轴数控铣床，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控，驱动动力头带着多轴箱轴向进给进行钻镗加工，它也可以算作一种直线控制的数控机床。值得一提的是现在仅仅具有直线控制功能的数控机床已不多见。轮廓控制数控机床:这类数控机床具有控制几个坐标轴同时协调运动，即多坐标轴联动的能力，使刀具相对于工件按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的功能。可实现联动加工是
12、这类数控机床的本质特征。这类数控机床有数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面形状零件的数控机床。现代的数控机床基本上都是这种类型。若根据其联动轴数还可细分为：2轴联动数控机床、3轴联动数控机床、4轴联动数控机床、5轴联动数控机床。2) 按伺服系统的控制原理分类按的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环和闭环数控机床，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。开环控制数控机床:由图1-3可知开环进给伺服系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。但由于无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动
13、机构的性能和精度。这类系统一般以功率步进电机作为伺服驱动元件，具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床和旧机床的数控化改造。半闭环控制系统的数控机床:由图1-4可知，半闭环数控系统的位置检测点是从驱动电机（常用交直流伺服电机）或丝杠端引出，通过检测电机和丝杠旋转角度来间接检测工作台的位移量，而不是直接检测工作台的实际位置。由于在半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。另外，由于在位置环内各组成环节的误差可得到某种程度的纠正，而
14、位置环外的各环节如丝杠的螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差均难以消除。因此，其精度比开环要好，比闭环要差。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。闭环控制数控机床:闭环的位置检测点如图1-5的粗实线所示，它直接对工作台的实际位置进行检测从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。因而，该系统对其组成环节的精度、刚性和动态特性等都有较高
15、的要求，故价格昂贵。这类系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。3) 按功能水平分类数控机床按数控系统的功能水平可分为低、中、高三档。这种分类方式，在我国用的很多。低、中、高档的界限是相对的，不同时期的划分标准有所不同，就目前的发展水平来看，一般开环、步进电动机系统，2轴联动机床多为低档；采用半闭环直流或交流伺服系统，联动轴数在35轴的机床多为中档；采用闭环直流或交流伺服系统，联动轴数在35轴，且分辨率=0.1m的多为高档。4) 按工艺用途分类数控机床按不同工艺用途分类可分成数控金属切削机床、数控金属成型机床以及特种加工机床等。其中金属切削机床有数控的车床、
16、铣床、磨床与齿轮加工机床等；在数控金属成型机床中，有数控的冲压机、弯管机、裁剪机等；在特种加工机床中有数控的电火花切割机、火焰切割机、点焊机、激光加工机等。近年来在非加工设备中也大量采用数控技术，如数控测量机、自动绘图机、装配机、工业机器人等。1.2.3 典型例题1从数控系统控制功能来开 NC机床各分为几类，应用场合，试列举出各类机床的典型机床？答：分为轮廓控制数控系统，点位控制数控系统，直线控制数控系统。点位控制数控系统，仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动，适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。直线控制数控系统，能实现点位控制数控系统的功能，并且还能实现沿平行某
17、个坐标轴（如X、Y、Z）或两轴等速的方向进行加工；适用范围：数控镗铣床、数控组合机床等。轮廓控制数控系统，具有控制几个进给轴同时协调运动（坐标联动），使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。2试从控制精度、系统稳定性及经济性三方面，比较开环、闭环、半闭环系统的优劣？答：开环数控系统由于没有位置反馈，其控制精度相对闭环和半闭环系统来讲是较低的，故系统稳定性好、成本低； 闭环数控系统位置测量装置安装在机械执行部件上，直接对运动部件的实际位置进行检测的数控系
18、统。具有很高的位置控制精度。 但容易造成系统的不稳定，这类系统价格往往较高。 半闭环数控系统位置测量装置安装在驱动装置（常用伺服电机）或丝杠上，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。但由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好的精度。半闭环数控系统价格介于开环系统和闭环系统之间。1.3 数控机床的加工原理1.3.1 学习要求 1. 掌握数控加工过程；2. 掌握数据转换的流程以及各环节的作用；重点：数据转换各环节的作用1.3.2 主要内容1. 加工原理1）在数控机床上加工工件时，首先要根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的格式编写程序单，并且记录在程
19、序载体上；2）把程序载体上的程序通过输入装置输入到数控装置中去；3）数控装置将输入的程序经过一系列数据转换流程向机床各个坐标的伺服系统发出运动指令，同时向I/O模块发出I/O控制信号；4）伺服系统根据数控装置发出的信号，通过伺服执行机构(如步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机)，经传动装置(如滚珠丝杠螺母副等)，驱动机床各运动部件，使机床按规定的动作顺序、速度和位移量进行工作；I/O模块根据数控装置发出的I/O信号，控制机床的 从而制造出符合图样要求的零件。2. 数据转换过程CNC系统的主要任务就是如何将由零件加工程序表达的加工信息（几何信息和工艺信息），变换成各进给轴的位移指令、主轴转
20、速指令和辅助动作指令，控制机床的加工轨迹和逻辑动作，加工出符合要求的零件。其数据转换的过程包括：译码、刀补、插补、位置控制，以及IO控制，其具体功能如下：译码：将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。刀补处理：用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。插补计算 ：本模块以系统规定的插补周期t定时运行，它将由各种线形（直线，园弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在t内位移指令
21、（X1、Y1、），并送给进给伺服系统，实现成形运动。PLC控制：PLC控制是对机床动作的“顺序控制”。即以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，冷却、润滑系统等的运行等进行的控制。1.4 数控机床的特点及适用范围1.4.1 学习要求 1. 了解数控机床的特点和应用范围1.4.2 主要内容1. 数控机床应用的特点1） 加工精度高，产品质量稳定精度可达到0.0050.1mm。加工精度不受产品形状及其复杂程度的影响；自动化加工消除了人为误差，使同批产品加工质量更稳定。2） 劳动生产率高工序安
22、排可相对集中，辅助设备比较简单，节省了生产准备时间，可缩短产品改型生产周期。节省检验时间；加工不同零件时，只需更换控制载体，节省了设备调整时间。3） 加工零件的适应性强，灵活性好 数控机床具有多坐标轴联动功能，能加工形状复杂的零件，并可按零件加工的要求变换加工程序，不必对加工设备作复杂的调整即可变更加工任务。4） 减轻工人劳动强度数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的，操作者除了操作键盘、装卸零件、安装刀具、完成关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到相应的改善。5） 生产管理水平提高用数控机床加工零件，
23、能准确地计算零件的加工工时。并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化，便于实现计算机辅助制造。2. 数控机床适用范围数控机床是一种可编程的通用加工设备，但是因设备投资费用较高，还不能用数控机床完全替代其他类型的设备，因此，数控机床的选用有其一定的适用范围。图1-6可粗略地表示数控机床的适用范围。图1-6 数控机床的适用范围 一般而言，数控机床最适宜加工以下类型的零件： （1）生产批量小的零件(100件以下)； （2）需要进行多次改型设计的零件； （3）加工精度要求高、结构形状复杂的零件，如箱体类，曲线、曲面类零件； （4）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件； （5）价值昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出现差错而报废，将产生巨大的经济损失。1.4.3 自学练习1. 查阅相关资料，简要阐述数控技术的意义？专心-专注-专业