1、1,Numerical Control Technique,數(shù) 控 技 術(shù),2,第一章 數(shù)控技術(shù)概述,第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床簡介,第二節(jié) 數(shù)控機(jī)床的控制原理和組成,第三節(jié) 數(shù)控機(jī)床分類,第四節(jié) 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的發(fā)展,3,第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床簡介,一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展,數(shù)控機(jī)床是為了解決單件、小批量，特別是復(fù)雜型面零件加工的自動(dòng)化并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生。1952 年美國 PARSONS 公司與麻省理工學(xué)院（ MIT ）合作研制了第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床。,計(jì)算機(jī)數(shù)值控制系統(tǒng)（Computerized Numerical Control System，簡稱CNC）,數(shù)值控制，數(shù)控（Numerical Co

2、ntrol，簡稱NC）,數(shù)控機(jī)床（Numerical Control Machine Tools）,4,第一節(jié) 數(shù)控機(jī)床簡介,一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展,第一代數(shù)控（19521959年）： 采用電子管構(gòu)成的硬件數(shù)控系統(tǒng)（NC）；,第二代數(shù)控（19591965年）： 采用晶體管電路為主的硬件數(shù)控系統(tǒng)；,第三代數(shù)控（1965年開始）： 采用小、中規(guī)模集成電路的硬件數(shù)控系統(tǒng)；,第四代數(shù)控（1970年開始）： 采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)；,第五代數(shù)控（1974年開始）： 采用微型計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)；,第六代數(shù)控（1990年開始）： 采用工業(yè)PC機(jī)的通用CNC系統(tǒng)。,硬件數(shù)控,軟件數(shù)控,

3、5,一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展,數(shù)控（NC）； 計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC，Computer Numerical Control）； 加工中心（MC，Machine Center）； 直接數(shù)字控制（DNC，Direct Numerical Control）； 自適應(yīng)控制（AC，Adaptive Control）； 柔性制造系統(tǒng)（FMS，F(xiàn)lexible Manufacturing System）； 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）等。,數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷了,6,代表性的廠家有： 日本的法那克（FANUC）公司、 （1977年540

4、0多臺(tái)，1988年50000臺(tái)，居世界第一位 ） 德國的西門子（SIEMENS）公司、 美國的A-B（ALLEN-BRADLEY）公司 意大利的A-BOSZA公司等。,數(shù)控系統(tǒng) FANUC 0i-TC FANUC 0i-MC,一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展,向高速度、高精度方向發(fā)展,向柔性化、功能集成化方向發(fā)展,向高可靠性方向發(fā)展,向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展,向造型宜人化方向發(fā)展,7,二、數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn),2. 生產(chǎn)效率高、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定。,1. 能適應(yīng)不同零件的自動(dòng)加工。,3. 加工能力強(qiáng)。,4. 工序集中，一機(jī)多用。,5. 數(shù)控機(jī)床是一種高技術(shù)的設(shè)備。,數(shù)控技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電機(jī)、電氣

5、傳動(dòng)、測量、監(jiān)控、機(jī)械制造等學(xué)科領(lǐng)域最新成果而形成的一門交叉科學(xué)技術(shù)。,8,第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的控制原理和組成,一、數(shù)控機(jī)床的控制原理,數(shù)控機(jī)床是用數(shù)字化的信息來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的，將與加工零件有關(guān)的信息，用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號組成的代碼，按一定的格式編成加工程序單，將加工程序通過控制介質(zhì)輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置經(jīng)過分析處理后，發(fā)出各種與加工程序相對應(yīng)的信號和指令控制機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)加工。,9,二、數(shù)控機(jī)床的組成,10,（一） 程序編制及程序載體,數(shù)控程序是數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工零件的工作指令。,加工程序可以用手動(dòng)輸入法輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，也可以存儲(chǔ)在程序載體上。載體有穿孔紙帶、磁卡、磁盤等。,在數(shù)控機(jī)床上

6、加工零件，首先要對圖樣上零件的幾何形狀、尺寸和技術(shù)條件進(jìn)行工藝分析，并在此基礎(chǔ)上確定加工順序和走刀路線，確定主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的工藝參數(shù)，確定加工過程中的各種輔助操作，之后用標(biāo)準(zhǔn)格式和代碼編制出零件的加工程序。,11,（二）輸入裝置,光電閱讀機(jī)、錄放機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、,編程計(jì)算機(jī)（通訊方式）。,MDI （ Manual Data Input）、,12,（三） 數(shù)控裝置及強(qiáng)電控制裝置,數(shù)控裝置是數(shù)控?cái)?shù)控機(jī)床的核心。,強(qiáng)電控制裝置是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。,13,（四） 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及位置檢測裝置,伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置是指主軸伺服裝置和主軸電機(jī)、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給電機(jī)。測量裝

7、置是指位置和速度測量裝置。,伺服驅(qū)動(dòng)電路,伺服電機(jī),步進(jìn)電機(jī),電液馬達(dá),直流伺服電機(jī),交流伺服電機(jī),測量裝置,旋轉(zhuǎn)變壓器,編碼器,磁柵,感應(yīng)同步器,光柵,14,（五）機(jī)床的機(jī)械部件,主要由主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件、支承件以及特殊裝置和輔助裝置組成。,機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)部件（主軸）,進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件(工作臺(tái)、拖板),基礎(chǔ)部件：,底座、立柱、滑鞍、導(dǎo)軌,輔助動(dòng)作機(jī)構(gòu)：,冷卻、潤滑、刀具交換、,單獨(dú)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),傳動(dòng)鏈短，結(jié)構(gòu)簡單,排屑系統(tǒng)、防護(hù)、對刀儀,15,第三節(jié)數(shù)控機(jī)床分類,一、按數(shù)控機(jī)床的加工功能分類,二、按所用進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類,三、按所用數(shù)控裝置類型分類,補(bǔ)充分類,四、按功能水平分類,五、按工

8、藝方法分類,16,一、按數(shù)控機(jī)床的加工功能分類,（一）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床,（二） 直線控制數(shù)控機(jī)床,（三） 輪廓控制數(shù)控機(jī)床,17,（一）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床,點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床用于加工平面內(nèi)的孔系，它控制在加工平面內(nèi)的兩個(gè)坐標(biāo)軸帶動(dòng)刀具與工件相對運(yùn)動(dòng)從一個(gè)坐標(biāo)位置快速移動(dòng)到下一個(gè)坐標(biāo)位置，然后控制第三個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行鉆鏜切削加工。,（Positioning Control）,點(diǎn)位控制,點(diǎn)到點(diǎn)控制（Point to Point Control）,18,（一）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床,確保準(zhǔn)確的定位，系統(tǒng)在高運(yùn)行后，一般采用三級減速，以減小定位誤差。,坐標(biāo)鉆床、坐標(biāo)鏜床以及沖床,19,（二） 直線控制數(shù)控機(jī)床,直

9、線控制數(shù)控機(jī)床可控制刀具或工作臺(tái)以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給速度，沿著平行于坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行直線移動(dòng)和切削加工，進(jìn)給速度根據(jù)切削條件可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。,直線切削控制（Strait Cut Control）,平行切削控制（Parallel Cut Control）,20,（二）直線控制數(shù)控機(jī)床,簡易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床,21,（三） 輪廓控制數(shù)控機(jī)床,1. 平面輪廓加工的數(shù)控機(jī)床,輪廓控制（Contouring Control） 又稱連續(xù)軌跡控制（Continuous Path Control）,數(shù)控銑床、加工中心,22,（1）2 坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)用 “行切法”,2. 空間輪廓加工的數(shù)控機(jī)床,空間輪廓曲面,兩軸半數(shù)控

10、銑床,球頭銑刀,X軸 、Z軸聯(lián)動(dòng),Y取值：,銑刀的刀頭半徑,零件表面光潔度要求,Y軸: 單獨(dú)控制 周期進(jìn)給,23,（2）3 坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工,2. 空間輪廓加工的數(shù)控機(jī)床,內(nèi)循環(huán)滾珠螺母反向器：,滾道母線SS (空間曲線),數(shù)控銑床：,三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng),把空間曲線分成很多小曲線段:,空間直線段,逼近,三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)算,24,（3）4坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工,2. 空間輪廓加工的數(shù)控機(jī)床,x1,x2,x3,飛機(jī)大梁 側(cè)面：,直紋扭曲面,四坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)機(jī)床 圓柱銑刀,周邊銑削,X 、Y、Z直線進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng),刀具繞旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸A軸擺動(dòng),刀具與工件型面 在全長上始終貼合,25,（4）5 坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工,很大的球面零件：,潛水艇螺旋

11、槳,端銑刀五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)機(jī)床,刀具的端面,切削點(diǎn)處的切平面,刀具的軸線,工件輪廓在切削點(diǎn)處的法線 n,相平行,相重合,切削點(diǎn)的坐標(biāo),工件輪廓在切削點(diǎn)處的法線 n,變化,切削點(diǎn)變化,刀位點(diǎn)坐標(biāo),刀軸線方向,X 、Y、Z直線進(jìn)給軸聯(lián)動(dòng),兩個(gè)繞旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng),26,二、按所用進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型分類,（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床,這類沒有位置測量反饋裝置的數(shù)控機(jī)床稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床。,結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，價(jià)格便宜。,特點(diǎn),位移精度一般不高。,27,（2）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床,這類伺服系統(tǒng)未將絲杠螺母副等傳動(dòng)裝置包含在閉環(huán)反饋系統(tǒng)中而稱之為半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。,特點(diǎn),有相當(dāng)高的精度且調(diào)

12、試比較方便，價(jià)格比全閉環(huán)系統(tǒng)便宜 ，廣泛應(yīng)用。,28,（3）閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床,特點(diǎn),定位精度高、調(diào)節(jié)速度快。系統(tǒng)復(fù)雜和成本高，故適用于精度要求很高的數(shù)控機(jī)床。,這類伺服控制系統(tǒng)因把機(jī)床工作臺(tái)納入了位置控制環(huán)而稱為閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。,29,三、按所用數(shù)控裝置類型分類,（一） 硬線數(shù)控機(jī)床 NC 機(jī)床,（二）計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床 CNC 機(jī)床,30,四、按功能水平分類,分類補(bǔ)充,可以分為經(jīng)濟(jì)型、中檔型和高檔型三種類型。, 分辨率和進(jìn)給速度 分辨率為10m、進(jìn)給速度在815mmin的為低檔；分辨率為1m、進(jìn)給速度在1524mmin 的為中檔；分辨率為0.11m、進(jìn)給速度在15100mmin的為高檔

13、。 伺服進(jìn)給類型 采用開環(huán)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的為低檔；中、高檔的則采用半閉環(huán)或閉環(huán)的直流伺服系統(tǒng)或交流飼服系統(tǒng)。, 聯(lián)動(dòng)軸數(shù) 低檔數(shù)控機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸數(shù)一般不超過3軸；而中高檔的則為35軸。,31, 通信能力 低檔數(shù)控一般無通信能力中檔的可以有RS232C或直接數(shù)控（DNC）或網(wǎng)絡(luò)接口；高檔的可以有網(wǎng)絡(luò)接口或制造自動(dòng)化協(xié)議（Manufacturing Automation Protocol，簡稱MAP）通信接口，具有聯(lián)網(wǎng)功能。, 顯示功能 低檔一般只有單色CRT字符顯示；而中檔的則具有較齊全的CRT顯示，甚至LCD顯示，高檔的具有圖形用戶界面，能進(jìn)行加工仿真檢驗(yàn)。, 內(nèi)裝PLC 低檔數(shù)控一般無PL

14、C，而中、高檔的都有內(nèi)裝PLC。 主CPU 低檔數(shù)控一般采用8bit CPU，中、高檔的已經(jīng)逐步由16bit CPU向32bit CPU過渡，國外一些新的數(shù)控系統(tǒng)甚至已選用了64bit CPU。,32,五、按工藝方法分類, 金屬切削數(shù)控機(jī)床 金屬切削數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床品種一樣，有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、帶有刀庫和能實(shí)現(xiàn)多工序加工的銑鏜加工中心和車削中心。銑鏜加工中心主要完成銑、鏜、鉆、攻絲等工序的加工；車削中心以完成各種車削加工為主，也能完成銑平面、銑鍵槽及鉆橫孔等工序。, 金屬成型數(shù)控機(jī)床 金屬成形數(shù)控機(jī)床是指使用擠、沖、壓、拉等成形工藝的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控壓力機(jī)、折彎機(jī)、彎管

15、機(jī)、旋壓機(jī)等。, 特種加工數(shù)控機(jī)床 特種加工數(shù)控機(jī)床主要指數(shù)控線切割機(jī)、電火花成形機(jī)、火焰切割機(jī)、激光加工機(jī)等。,33,第四節(jié) 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的 發(fā)展及其技術(shù)水平,一、概述,（一）數(shù)控裝置,（二）進(jìn)給伺服系統(tǒng),（三）程序編制,（四）工況檢測、監(jiān)控和故障診斷,（五）采用功能強(qiáng)的PLC,（六）機(jī)床的主機(jī),（CPU、智能接口、人機(jī)界面、高集成芯片）,（伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、位置檢測裝置）,（自動(dòng)編程、在線編程、數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)）,（32位微處理器、PC編程）,（主運(yùn)動(dòng)部件、加工功能、合理結(jié)構(gòu)）,（報(bào)警信號、自診斷）,34,二、直接數(shù)字控制系統(tǒng),（Direct Numerical Control）,

16、分布式數(shù)字控制（Distributed Numerical Control 簡稱 DNC ),用一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)直接控制和管理一群數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工或裝配的系統(tǒng)，即形成分級連接和控制的制造系統(tǒng) 。,間接型系統(tǒng) 直接型系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)型,35,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造單元（Flexible Manufacturing Cell，簡稱 FMC ）,柔性是指能夠較容易地適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)功能，通過稍加調(diào)整或編程就可同時(shí)加工幾種不同的工件。,FMC是由一臺(tái)或兩臺(tái)數(shù)控加工中心、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)上下料裝置以及物料運(yùn)輸存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)成，它是實(shí)現(xiàn)單工序或雙工序加工的可變加工單元，同時(shí)系統(tǒng)還增

17、加了自動(dòng)檢測和監(jiān)控等功能。,36,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造單元（FMC ）,根據(jù)上下料裝置的不同，托盤（Pallet）搬運(yùn)式和工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot，簡稱IR）搬運(yùn)式兩大類型。,1加工中心機(jī)床 2托盤 3托盤座 4托盤交換裝置 5環(huán)形工作臺(tái),37,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造單元（FMC ）,機(jī)器人搬運(yùn)式FMC,FMC 具有規(guī)模小、成本低、占地面積小，便于擴(kuò)充等特點(diǎn)，相對于規(guī)模較大的FMS，由于投資小、風(fēng)險(xiǎn)小，技術(shù)上也容易實(shí)現(xiàn)，特別適于資金有限的中、小型企業(yè)。,38,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufac

18、turing System，簡稱FMS）,柔性制造系統(tǒng)是一個(gè)由中央計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化制造系統(tǒng)，是將若干臺(tái)數(shù)控機(jī)床、加工中心或其他直接參加產(chǎn)品零部件生產(chǎn)的自動(dòng)化設(shè)備，用一套自動(dòng)物料（包括工件和刀具）搬運(yùn)和存儲(chǔ)系統(tǒng)連接起來，由分布式多級計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的綜合管理與控制，在沒有固定加工順序和生產(chǎn)節(jié)拍情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)不停機(jī)調(diào)整，自動(dòng)完成不同的加工任務(wù)。FMS把高柔性、高效率、高質(zhì)量結(jié)合在一起，即能解決單件小批量生產(chǎn)自動(dòng)化問題，也能適應(yīng)大批量、多品種生產(chǎn)的自動(dòng)化問題。,39,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，簡稱FMS）,柔性制造系統(tǒng)

19、由加工、物流、信息流三個(gè)子系統(tǒng)組成，每一個(gè)子系統(tǒng)還可以有分系統(tǒng)。,40,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),一種較為典型的實(shí)例 FMS 結(jié)構(gòu)框圖,41,三、柔性制造單元與柔性制造系統(tǒng),6感應(yīng)線圈 7地平面 8磁力線 9導(dǎo)向電纜,自動(dòng)引導(dǎo)小車及原理圖（AGV）,42,四、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),（Computer Integrated Manufacturing System，簡稱CIMS）,美國人約瑟夫哈林頓1974年,發(fā)展分為三個(gè)階段，先是從NC機(jī)床入手，研究生產(chǎn)企業(yè)中如何將制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)相綜合。其次研究和開發(fā)CAD/CAM、制造資源計(jì)劃（MRP）和FMS，最后一個(gè)階段是開發(fā)CIMS。,CIMS是在柔性制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和現(xiàn)代管理科學(xué)的基礎(chǔ)上，將制造工廠的全部生產(chǎn)、經(jīng)營活動(dòng)所需的各種分布的自動(dòng)化分系統(tǒng)，通過新的生產(chǎn)管理模式、工藝?yán)碚摵陀?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地集成起來，以獲得適應(yīng)于多品種、中小批量生產(chǎn)的高效益、高柔性和高質(zhì)量的智能制造系統(tǒng)。,43,CIMS結(jié)構(gòu)圖,44,（1）管理信息分系統(tǒng)（Management Information System，簡稱 MIS）,（2）技術(shù)信息分系統(tǒng)（Technical Information System，簡稱TIS