数控技术张永春第1章

《数控技术》课件•授课对象：机械类高职高专学生适用教材：《数控技术》彭永忠张永春编著目录•第1章数控技术概述•第2章数控机床的机械结构•第3章数控编程基础•第4章数控车床程序的编制及操作•第5章数控铣床及加工中心程序的编制及操作•第6章自动编程加工北京航空航天大学出版社第1章数控机床概述1.1数控技术的基本概念1.2数控机床的组成、工作原理及特点1.3数控机床的分类1.4数控机床的发展趋势1.1数控技术的基本概念•数控技术:是根据设计和工艺要求，用计算机对产品加工过程进行数字化信息处理与控制，达到生产自动化、提高综合效益的一门技术。•数控机床:是指采用数控技术控制的机床。详言之，就是用规定的指令和代码将零件加工信息编制成程序，送入数控系统，数控系统经过译码、运算处理，将程序“翻译”为电脉冲信号，来控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需要的工件的一类机床即为数控机床。1.1.1数控机床的诞生•为了解决复杂零件的自动化加工问题，1949年美国帕森公司（ParsonsCo）和麻省理工学院（MIT）合作，于1952年3月研制成功了世界上第一台有信息存储和处理功能的新型机床——三坐标立式数控铣床。它的产生，标志着数控机床的诞生，从此数控技术随着计算机技术和微电子技术的发展而迅速发展起来，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代。1.1数控技术的基本概念•第一代电子管数控系统：1952年～1959年，电路采用的是电子管元件，数控装置体积比机床本体还要大，运算速度慢。•第二代晶体管数控系统：1959年～1965年，用晶体管取代电子管，运算速度较快，价格较便宜。•第三代集成电路数控系统：1965年～1970年，出现了集成电路取代晶体管，数控系统的可靠性有效提高，生产成本也显著降低。•以上三代数控系统都属于“硬连接”数控，系统的主要功能由硬件控制实现，灵活性差，可靠性难以保证。•第四代小型计算机数控系统：1970年～1974年，数控系统的许多功能可以通过软件来实现，开创了计算机数控（CNC）的新纪元。但它的价格昂贵，主要用于一些科研院所。1.1.2数控机床的发展过程1.1数控技术的基本概念•第五代微型计算机数控系统：从1974年开始，以微处理器为核心构成了第五代数控系统——微型计算机数控系统，才真正使计算机数控系统得到了快速发展和广泛应用。它的功能强、运算速度快、可靠性高，而且价格便宜，较好的满足了数控机床发展的要求。•第六代PC数控系统：20世纪80年代，通用化的个人计算机PC(PersonalComputer)得到了迅速发展，开始在全世界范围内普及和应用，由此催生了第六代数控系统——PC数控系统。1.1数控技术的基本概念•在我国，采取“引进、消化、吸收、创新”等方式，近年来，数控技术与装备得到了长足的发展。我国从1958年开始研制数控机床，60年代研制出了数控壁锥铣床、数控非圆齿轮插齿机等设备；70年代针对航空工业等加工复杂形状零件的需要，从1973年以来组织了数控机床攻关会战，经过3年努力，到1975年已试制生产了40多个品种、300多台数控机床。据国家统计局的资料，从1973-1979年，7年内全国累计生产数控机床4108台（其中约3/4以上为数控线切割机床）。进入80年代，我国自主开发了华中Ⅰ号、中华Ⅰ号、航天Ⅰ号和蓝天Ⅰ号4种系统，基本上掌握了关键技术.1.1.3我国数控机床的发展过程1.2数控机床的组成、工作原理及特点•数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服系统和测量反馈系统、机床主体和其他辅助装置（如图1-1）。1.2.1数控机床的组成图1-1数控机床的组成1.2数控机床的组成、工作原理及特点•1．程序载体：将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元。•2．数控装置：数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNC形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称软件数控CNC系统是一种位置控制系统，它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件加工出所需要的零件。因此，数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。而所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理地组织，使整个系统协调地进行工作。•1.2数控机床的组成、工作原理及特点•（1）输入装置：将数控指令输入给数控装置，根据程序载体的不同，相应有不同的输入装置。目前主要有键盘输入、磁盘输入、CAD/CAM系统直接通信方式输入和连接上级计算机的DNC(直接数控)输入，现仍有不少系统还保留有光电阅读机的纸带输入形式。有：1）纸带输入方式；2）MDI手动数据输入方式；3）采用DNC直接数控输入方式。•（2）信息处理：输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。1.2数控机床的组成、工作原理及特点（3）输出装置：输出装置与伺服机构相联。输出装置根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲，并把它送到各坐标的伺服控制系统，经过功率放大，驱动伺服系统，从而控制机床按规定和要求运动。3．伺服驱动系统测量反馈系统：机床伺服系统是数控系统的执行部分，是以机床移动部件（工作台或刀架）的位置和速度作为控制量的自动控制系统。由驱动装置和执行机构组成，包括速度控制装置、位置控制装置、驱动伺服电机和相应的机械传动装置等。其功能是接受数控装置输出的脉冲信号指令，使机床上的移动部件作相应的运动。每一个脉冲信号指令使机床移动部件产生的位移量称为脉冲当量，通常脉冲当量为0.01mm/脉冲或0.001mm/脉冲。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机等组成。常用的电动机主要有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。1.2数控机床的组成、工作原理及特点•4．机床主体：机床主体是数控机床的骨架。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。数控机床主体具有如下结构特点：•（1）采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。•（2）广泛采用高性能的主轴伺服驱动和进给伺服驱动装置，使数控机床的传动链缩短，简化了机床机械传动系统的结构。•（3）采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和运动部件，如滚珠丝杠螺母副、塑料滑动导轨、直线滚动导轨、静压导轨等。1.2数控机床的组成、工作原理及特点5．辅助装置：辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括：气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头、防护装置、照明等。1.2.2数控机床的工作过程1.准备阶段2.编程阶段3.准备信息载体4.加工阶段图1-2数控机床的加工过程1.2数控机床的组成、工作原理及特点•1.加工精度高，质量稳定•2.对产品改型的适应性强•3.生产效率高•4.能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工•5.有利于制造技术向综合自动化方向发展•6.监控功能强，具有故障诊断的能力•7.减轻工人劳动强度、改善劳动条件1.2.3数控机床的特点1.2数控机床的组成、工作原理及特点1.2.4数控机床适合加工的零件（1）生产批量小的零件；（2）需要进频繁改型的零件；（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）普通机床加工无法保证尺寸的零件；（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。图1-3数控机床的适用范围1.3数控机床的分类•1.3.1按工艺用途分类•1.一般数控机床•切削加工类：如数控车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床等。•成型加工类：如数控压力机、数控冲床、数控弯管机、数控折弯机等。•特种加工类：数控电火花加工机床、线切割机床、激光加工机等。•其它类型：如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。•2.加工中心•配备有刀库和自动换刀装置的数控机床称为数控加工中心，其特点是在同一台数控设备上可进行车、铣、镗、钻等多种工序的加工。1.3数控机床的分类1.3.2按运动轨迹分类•1.点位控制系统•其特点是刀具相对工件的移动过程中，不进行切削加工，对定位过程中的运动轨迹没有严格要求，只要求从一坐标点到另一坐标点的精确定位。如数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机和数控测量机等。如图l-4a所示。图1-4数控系统控制方式1.3数控机床的分类•2.直线控制系统•这类控制系统的特点是除了控制起点与终点之间的准确位置外，而且要求刀具由一点到另一点之间的运动轨迹为一条直线，并能控制位移的速度，因为这类数控机床的刀具在移动过程中要进行切削加工。直线控制系统的刀具切削路径只沿着平行于某一坐标轴方向运动，或者沿着与坐标轴成一定角度的斜线方向进行直线切削加工。如图l-4b所示。采用这类控制系统的机床有数控车床、数控铣床等。同时具有点位控制功能和直线控制功能的点位／直线控制系统，主要应用在数控镗铣床、加工中心机床上。•3.轮廓控制系统•也称连续控制系统。其特点是能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点位置，而且要控制两点之间每一点的位置和速度，使机床加工出符合图纸要求的复杂形状（任意形状的曲线或曲面）的零件。它要求数控机床的辅助功能比较齐全。CNC装置一般都具有直线插补和圆弧插补功能。如数控车床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心、数控电加工机床、数控绘图机等都采用此类控制系统。1.3数控机床的分类•1.3.3按伺服系统的控制方式分类•1.开环伺服系统•这种控制方式不带位置测量元件。数控装置根据信息载体上的指令信号，经过控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构(如工作台)移动或转动。图1-5为开环控制系统的框图。这种控制方式没有来自位置测量元件的反馈信号，对执行机构的动作情况不进行检查，指令流向为单向，因此被称为开环控制系统。步进电动机伺服系统是最典型的开环控制系统。这种控制系统的特点是系统简单，调试维修方便，工作稳定，成本较低。由于开环系统的精度主要取决于伺服元件和机床传动元件的精度、刚度和动态特性，因此控制精度较低。目前在国内多用于经济型数控机床，以及对旧机床的改造。1.3数控机床的分类•图l-5开环控制系统框图1.3数控机床的分类2.闭环伺服系统•这是一种自动控制系统，其中包含功率放大和反馈，使输出变量的值响应输入变量的值。数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，即没有位置反馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转动，经过齿轮、滚珠丝杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。装在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量后，反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制。若两者存在差值，经放大器放大后，再控制伺服驱动电动机转动，直至差值为零时，工作台才停止移动，这种系统称为闭环伺服系统。图1-6为闭环控制系统框图。闭环伺服系统的优点是精度高、速度快。主要用在精度要求较高的数控镗铣床、数控超精车床、数控超精镗床等机床上。1.3数控机床的分类图l-6闭环控制系统框图1.3数控机床的分类•3.半闭环伺服系统•这种控制系统不是直接测量工作台的位移量，而是通过旋转变压器、光电编码盘或分解器等角位移测量元件，测量伺服机构中电动机或丝杠的转角，来间接测量工作台的位移。这种系统中滚珠丝杠螺母副和工作台均在反馈环路之外，其传动误差等仍会影响工作台的位置精度，故称为半闭环控制系统。图1-7为半闭环控制系统框图。半闭环伺服系统介于开环和闭环之间，由于角位移测量元件比直线位移测量元件结构简单，因此装有精密滚珠丝杠螺母副和精密齿轮的半闭环系统被广泛应用。目前已经把角位移测量元件与伺服电动机设计成一个部件，使