1、計算機數(shù)控技術(shù),主講：機械工程及自動化系 王 雯,歡迎同學(xué)們,Mechanics,Mechatronics,+,Electronics,=,感官,外界信息,內(nèi)臟,手、足,頭腦,骨骼,食物,排泄,肌肉,眼、耳,行動,血液、神經(jīng),計算機,動力源,機構(gòu),傳感器,執(zhí)行 元件,接口,控制,動力,構(gòu)造,計測,操作,信息傳輸,2,3,4,5,圖片,6,圖片,圖片,1.課堂教學(xué)部分,2.1 數(shù)控加工編程的基礎(chǔ)知識 2.2 手工編程的數(shù)學(xué)處理 3.3 編程實例,第一章 數(shù)控技術(shù)概述 (2學(xué)時),1.1 數(shù)控技術(shù)基本概念 1.2 數(shù)控系統(tǒng)的分類 1.3 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展,第二章 數(shù)控加工編程技術(shù)基礎(chǔ) (4學(xué)時

2、),3.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成及功能 3.2 數(shù)控裝置的硬件體系結(jié)構(gòu) 3.3 計算機數(shù)控裝置的I/O設(shè)備及其接口,第三章 計算機數(shù)控系統(tǒng)硬件技術(shù) （4學(xué)時）,4.1 數(shù)控系統(tǒng)軟件組成及結(jié)構(gòu)特點 4.2 刀具半徑補償 4.3 插補原理與程序設(shè)計 4.4 速度與加速度控制,第四章 計算機數(shù)控系統(tǒng)軟件技術(shù) （8學(xué)時）,1.課堂教學(xué)部分,第六章 數(shù)控技術(shù)應(yīng)用實例 （2學(xué)時）,第五章 數(shù)控伺服系統(tǒng)及檢測技術(shù) （8學(xué)時）,5.1 伺服系統(tǒng)概述 5.2 常用檢測裝置 5.3 常用伺服驅(qū)動系統(tǒng),6.1 機床數(shù)控系統(tǒng) 6.2 機器人數(shù)控系統(tǒng),1.課堂教學(xué)部分,2.實驗教學(xué)部分 （4學(xué)時）,1、開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本

3、認知及實驗系統(tǒng)的基本操作 2、插補原理實現(xiàn) 3、數(shù)控代碼編程實驗,教材: 數(shù)控技術(shù)（修訂版），嚴育才、張福潤主編， 清華大學(xué)出版社，2012.7 第1版,數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用，解乃軍，仲高艷主編，科學(xué)出版社，2014.6第1版 機床數(shù)控技術(shù)與系統(tǒng)，蒙斌主編，機械工業(yè)出版社，2015.2第1版,http:/www.c- 中國數(shù)控機床網(wǎng) 中國數(shù)控世界 數(shù)控工作室,主要參考資料（圖書館分類號TG659）,數(shù)控技術(shù)網(wǎng)站,第一章 數(shù)控技術(shù)概述,1.1 數(shù)控技術(shù)基本概念 1.2 數(shù)控系統(tǒng)分類 1.3 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展,目 標,掌握數(shù)控機床的組成及各部分的作用與功能 掌握數(shù)控機床的工作原理 了解數(shù)控機床的分類

4、 了解數(shù)控機床的特點 了解數(shù)控機床及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,第一章 數(shù)控技術(shù)概述,1.1 數(shù)控技術(shù)基本概念,數(shù)字控制（NC Numerical Control）,計算機數(shù)字控制（CNC Computer Numerical Control） 用計算機實現(xiàn)部分或全部基本數(shù)控功能。,以數(shù)字量作為控制信息量,機床數(shù)控技術(shù),數(shù)控機床,以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的技術(shù),采用數(shù)字化信息控制的機床,（Numerical Control Machine Tools） 是一種采用計算機，利用數(shù)字化信息進行控制的高效、 自動化加工機床，是具有高附加值的技術(shù)密集型機電一體化設(shè)備。,數(shù)控系統(tǒng)-（Numerical Contr

5、ol System） 采用數(shù)控技術(shù)的自動控制系統(tǒng)。,1.1 數(shù)控技術(shù)基本概念,可用不同字長表示不同精度的信息; 利用算術(shù)運算進行復(fù)雜的信息處理; 利用邏輯運算實現(xiàn)按不同指令進行不同方式的 信息處理； 用軟件實現(xiàn)柔性加工；,數(shù)字控制系統(tǒng)的特點：,1.1 數(shù)控技術(shù)基本概念,圖片,20,計算機數(shù)控系統(tǒng),機 床 本 體,輔 助 裝 置,程 序,輸入 設(shè)備,輸出 設(shè)備,數(shù) 控 裝 置 （CNC）,主軸伺 服單元,進給伺 服單元,主軸 電機,進給 電機,強電控 制裝置,檢測 裝置,PLC,1.1.1 數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機床的組成,1.1.2 數(shù)控設(shè)備的工作原理（數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程）,譯 碼,刀 補 處 理

6、,插 補 處 理,PLC控制,進給伺服系統(tǒng),切削運動、 機床I/O裝置,成 形 運 動,加 工程序,1.1.2 數(shù)控設(shè)備的工作原理（數(shù)控加工中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程）,S,提高基礎(chǔ)件靜、動剛度 減小熱變形 減小運動副摩擦，提高傳動精度 提高精度保持性 減少輔助時間 良好宜人操作和安全性 宜人造型,1.1.3 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點與性能要求,對數(shù)控機床結(jié)構(gòu)性能的基本要求,提高數(shù)控機床結(jié)構(gòu) 性能的主要措施,1.1.3 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點與性能要求,提高靜、動剛度 結(jié)構(gòu)形式,封閉箱體形狀 隔板、加強筋 局部連接,無懸伸工作臺：改善工作臺承載條件；,1.1.3 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點與性能要求,結(jié)構(gòu)布局,框架對稱結(jié)構(gòu)

7、：有利于合理分配結(jié)構(gòu)受力和變形,并聯(lián)機床：提高結(jié)構(gòu)剛度；,整體混凝土床身,1.1.3 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點與性能要求,結(jié)構(gòu)材料,鋼板焊接結(jié)構(gòu),保留鑄件砂芯,采用滾動傳動副 貼塑導(dǎo)軌 無隙齒輪傳動,簡化的機械傳動結(jié)構(gòu),1.1.3 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點與性能要求,減小熱變形,減熱、散熱、隔熱 熱對稱結(jié)構(gòu) 加工精度敏感方向垂直于熱變形方向 熱變形補償,減小運動副摩擦，提高傳動精度,1.1.4 數(shù)控機床的特點,機械結(jié)構(gòu)簡單、傳動鏈較短 生產(chǎn)效率高 高的加工精度、穩(wěn)定的加工質(zhì)量 能加工復(fù)雜型面 工序集中，一機多用 降低勞動強度，改善生產(chǎn)環(huán)境 便于生產(chǎn)進度安排和成本核算 是實現(xiàn)柔性自動加工和CAM的基礎(chǔ) 機械

8、結(jié)構(gòu)有較高的動態(tài)剛度及耐磨性、熱變形小 加工中心帶刀庫、自動換刀裝置 采用各種輔助裝置：冷卻、排屑、防護、潤滑、儲運等裝置,1.1.5 數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標,控制軸數(shù) CNC最多可以控制多少坐標軸 （包括直線軸和回轉(zhuǎn)軸）,聯(lián)動軸數(shù) CNC可同時控制且按一定規(guī)律完成一定軌跡 插補的協(xié)調(diào)運動的坐標軸數(shù),插補功能 插補直線、圓弧、 拋物線、橢圓、正弦曲線、 螺旋曲線、樣條函數(shù)等，甚至可對曲面直接插補。 插補坐標系也從直角坐標系擴展到極坐標系、 圓筒坐標系。,第一章 概論,30,機床坐標軸可達到的控制精度，即CNC每發(fā)出一個脈沖， 坐標軸移動的距離,定位精度 實際位置與指令位置的一致程度，不一致量為誤

9、差； 重復(fù)精度 在相同條件下，操作方法不變，進行規(guī)定次數(shù)操作所 得到的連續(xù)結(jié)果的一致程度。,第一章 概論,脈沖當(dāng)量（分辨率）,定位精度與重復(fù)精度,1.1.5 數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標,31,1.1.5 數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標,行程和插補范圍 CNC的控制范圍和加工范圍,進給速度和調(diào)節(jié)范圍 進給速度刀具每分鐘切削進給距離； 最大進給速度 CNC在一定精度條件下所能達到的 最大加工速度； 最大快進速度 不加工的最大移動速度； 速度調(diào)節(jié) 通過操作面板上的進給倍率開關(guān)調(diào)整， 調(diào)節(jié)范圍一般是10%-120%，每檔間隔10%,第一章 概論,32,1.1.5 數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標,主軸轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)范圍 主軸轉(zhuǎn)速主軸

10、每分鐘的轉(zhuǎn)速； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過操作面板上的主軸倍率開關(guān)調(diào)整， 調(diào)節(jié)范圍一般是50%120%，每檔間隔5%； 主軸恒線速保證諸如車床端面切削的恒定切削速度。 單位mm/min，,第一章 概論,33,1.1.5 數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標,刀具管理和刀具補償 T指令CNC從刀庫中選擇刀具 刀具半徑補償、長度補償、刀具壽命管理、自動刀具測量等,第一章 概論,準備功能（G功能）用來指令機床動作的方式功能,輔助功能（M功能） 規(guī)定主軸的起停、轉(zhuǎn)向，冷卻液的通斷，刀庫的起停等,34,1.1.5 數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)指標,操作功能 程序段跳步、機械閉鎖、輔助功能閉鎖、單段、試運行、錄返、示教等。,開關(guān)量接口 M、S、T

11、功能以BCD碼形式輸出；機床其它開關(guān)量信號， 如急停、循環(huán)起動、進給保持等。 字符圖形顯示 自診斷功能 通信與通信協(xié)議,第一章 概論,35,1.2 數(shù)控機床的分類,特種加工類：數(shù)控線切割機、電火花加工機、激光加工機等。,1.2.1 按加工方式分類,切削加工類：如數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床、 加工中心、數(shù)控齒輪加工機床、FMC等。,成型加工類：數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機等。,其它類型：數(shù)控裝配機、數(shù)控測量機、機器人等。,切削加工類,1.2.1 按加工方式分類,2成型加工類,3特種加工類,4 其它加工類,1.2.1 按加工方式分類,點位控制（Point to Point Control）或 位置控制

12、 （Positioning Control）數(shù)控機床,輪廓控制（Contouring Control） 數(shù)控機床,1.2.2 按能夠控制刀具與工件間相對運動軌跡分類,開環(huán)進給伺服系統(tǒng),閉環(huán)進給伺服系統(tǒng),半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng),1.2.3 按伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制方式分類,按有無反饋分,1.2.4 按CNC功能水平分類,第一臺數(shù)控機床（1952）NC（電子管晶體管SSI ） CNC （LSI ）MNC （ULSI） FMS CIMS 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代 現(xiàn)代 1955 1959 1965 1970 1974 1990 1998 電子管 晶體管 SSI LSI ULSI Pc-

13、based 并聯(lián)機床 1.3.2 我國數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 （虛擬機床） 1958年我國開始研究數(shù)控技術(shù)。幾十年來，經(jīng)歷了發(fā)展、停滯、引進技術(shù)及消化吸收等幾個階段。 1958年開始，我國有上百家高校、研究所、工廠開展了NC機床研究和試制。,1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,1.3.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展過程,至1989年底品種超過300種，數(shù)控車床占40% 加工中心占27%,1962年 研制成功晶體管數(shù)控系統(tǒng)，線切割機、外 圓齒輪插齒機,1972年 研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng),1980年 引進了日本70年代末期水平微處理器和直流伺服拖動技術(shù),目前我國數(shù)控機床（包括經(jīng)濟型、中、低檔數(shù)控機床） 能提供產(chǎn)品的有

14、1500多種。出口量世界第一。 2014年我國數(shù)控機床產(chǎn)量達到39.1萬臺,1.3.2 我國數(shù)控機床的發(fā)展趨勢,我國數(shù)控技術(shù)的“四個差距”,1、市場占有率低，品種覆蓋率小，沒有形成規(guī)模生產(chǎn) 2、成套性差，伺服、主軸不配套 3、外觀質(zhì)量稍差，可靠性相對差，商品化程度不足 4、名牌效應(yīng)差，用戶信心不足,44,高精度 超精密加工進入了納米（0.001m ）級； 機床回轉(zhuǎn)精度達0.01m ； 加工圓度為0.1m ； 表面粗糙度為Ra=0.03m ；,實例： 液浮陀螺球面的球度 0.2-0.5m ； 空對空導(dǎo)彈紅外接受器的非球面反射鏡的形狀誤差 0.1-0.3m ； 激光打印機的平面反射鏡和錄像機磁頭的

15、平面度要求為0.04m ， 粗糙度為0.02m ； 高精度軸承的滾動體圓度要求小于0.5m ； 轎車氣缸的缸體和連桿兩端的圓孔的圓柱度要求1m,1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,高速進給，高響應(yīng)伺服 主軸高速回轉(zhuǎn)，高剛度，高速傳動，冷卻高速 FANUC FS15系列CNC，多個32位CPU進行分散控制和處理， 最小設(shè)定單位在 0.1m 時，進給速度可達24m/min； 最小設(shè)定單位在 1m 時，進給速度可達240m/min 日本新瀉鐵工所的V240立式MC主軸轉(zhuǎn)速高達50000RPM， 加工一個NAC55鋼模具，用陶瓷刀具只需求12MIN， 而在普通機床上需9小時；,高速度，高效率,1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)

16、展,瑞士IBAG公司生產(chǎn)電主軸 最高轉(zhuǎn)速140000RPM，最高功率100KW； 瑞士DIXI公司生產(chǎn)的5軸5面體MC 主軸轉(zhuǎn)速高達42000RPM，定位精度高達8m 工作臺及立柱均采用人造花崗巖， 剛性、穩(wěn)定性和精度保 持性均佳。,高速度，高效率,1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,工序復(fù)合化 一次安裝，完成多工序多表面加工。 刀庫，機械手，主軸箱庫，可交換工作臺； 功能復(fù)合化 車銑中心,復(fù)合化,1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,上一頁,下一頁,自適應(yīng)控制技術(shù) 專家系統(tǒng) 故障自診斷 智能化交流伺服驅(qū)動裝置,智能化,1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,小型化 LSI，新型TFT彩色液晶薄型顯示器和表面安裝技術(shù)， 三維立體裝配；

17、 SIEMENS推出的 SINUMERIK 840D CNC 體積為50316207（mm3）,高柔性化,1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,定義（IEEE）：具有在不同的工作平臺上均能實現(xiàn)系統(tǒng)功能、且可以與其他的系統(tǒng)應(yīng)用進行互操作的系統(tǒng)。 開放式數(shù)控系統(tǒng)特點： 系統(tǒng)構(gòu)件（軟件和硬件）具有標準化(Standardization)與多樣化( Diversification)和互換性(Interchangeability)的特征 允許通過對構(gòu)件的增減來構(gòu)造系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)“積木式”的集成。構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的；,開放式結(jié)構(gòu),1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,向未來技術(shù)開放：由于軟硬件接口都遵循公認的標準協(xié)議，只需少

18、量的重新設(shè)計和調(diào)整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容，這就意味著系統(tǒng)的開發(fā)費用將大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善并處于長生命周期；,標準化的人機界面：標準化的編程語言，方便用戶使用， 降低了和操作效率直接有關(guān)的勞動消耗；,開放式結(jié)構(gòu),1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,向用戶特殊要求開放：更新產(chǎn)品、擴充能力、提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足特殊應(yīng)用要求，給用戶提供一個方法，從低級控制器開始，逐步提高，直到達到所要求的性能為止。另外用戶自身的技術(shù)訣竅能方便地融入，創(chuàng)造出自己的名牌產(chǎn)品；,可減少產(chǎn)品品種，便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本， 增強市場供應(yīng)能力和競爭能力。,開

19、放式結(jié)構(gòu),1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,開放式數(shù)控裝置的概念結(jié)構(gòu),1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,微型化：微型加工 環(huán)?；?網(wǎng)絡(luò)化,制造系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)集成 遠程控制：異地制造 遠程診斷,1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究進展 美國：NGC( The Next Generation Work-station/Machine Controller)和OMAC(Open Modular Architecture Controller)計劃 歐共體：OSACA（Open System Architecture for Control within Automation Systems)計劃 日本：OSEC(Open System Environment for Controller)計劃 華中I型基于IPC的CNC開放體系結(jié)構(gòu) 航天I型CNC系統(tǒng)基于PC的多機CNC開放體系結(jié)構(gòu),1.3 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,1.3.3 N