数控的技术讲义提纲1.docx

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数控的技术讲义提纲1

山西省干部自主选学系列培训班资料

《数控技术》专题讲义提纲专题编号（AXXX）

机械工程学院

董长双

2010．7

山西省干部自主选学系列培训班资料第1页

一、前言

数控技术是使用计算机对整个机械机械加工过程进行信息处理与控制，达到生产过程自动化的一门技术。

是FMS、CIMS的技术基础。

数控机床是当代机械制造业的主流装备。

数控技术范围复盖很多领域：

（1）机械制造技术；

（2）信息处理、加工、传输技术；

（3）自动控制技术；

（4）伺服驱动技术；

（5）传感器技术；

（6）微电子技术；

（7）软件技术等。

二、数控技术的产生

20世纪40年末，JohnparsonsandFrankstulen提出了数控加工思想。

parsonscorporation,airfoil±0.0015inch（±0.038mm）

1951年4月，美国空军和MIT伺服实验室签协议，研发数控机床。

1952年3月，第一台数控机床在MIT问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

当时控制程序是记录在纸带上的字符和数字，故称数字控制机床。

1955年，第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出。

1959年，KeaneyandTrecherCorp.研制了第一台加工中心（MC）,加工中心是具有刀库和自动换刀装置的数控机床。

1967年，MollinCorp.研制了第一台柔性制造系统（FMS）。

柔性制造系统是由加工系统（若干台数控机床和加工中心）、物料运送及管理系统和计算机管理系统组成的自动加工线。

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三、数字控制与数控机床基本概念与分类

（一）基本概念

数字控制（NC，numericalcontrol）GB8129-87,用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。

数控系统（NCsystem）：

实现数控技术的机电控制设备；

数控机床：

装备了数控系统的机床。

机床：

机床是从金属的毛坯上切削掉多余的材料，使工件具有要求的形状和尺寸，取得规定的精度和光洁度。

普通机床：

人工手动操作的机床。

机床类别及代号：

（JB1838-85）

车床（C）钻床（Z）镗床（T）磨床（M）齿轮加工机床（Y）螺纹加工机床（S）铣床（X）刨插床（B）拉床（L）特种加工机床（D）锯床（G）其他加工机床（Q）

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（二）数控机床加工过程

首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。

数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。

数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。

（三）计算机数控CNC

一种控制系统，它自动读入载体上的数字信息，经过码，控制机床运动。

整个系统包括信息输入、运算和控制、进给伺服驱动和主轴驱动以及机电接口等。

其中运算和控制部分，是数控系统的核心,称为数控装置NCU以计算机系统为主构成的数控系统，运算和控制部分是一个专用的计算机，也称为计算机数控CNC。

数控装置有时也简称为数控系统。

数控机床的组成

图是数控机床的组成框图。

除了机床本体以外的部分统称为数控系统，数控装置是数控系统的核心。

1．输入/输出设备

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2．数控装置

3．伺服单元

4．PLC及接口

5．机床本体

6．测量装置

伺服单元和驱动装置

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

位置和速度测量装置。

以实现进给伺服系统的闭环控制。

作用：

保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：

进给运动指令：

实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。

主轴运动指令：

实现零件加工的切削运动（速度控制）

PLC（ProgrammableLogicController）：

用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；

1969年，美国数字设备公司（DEC-DigitalEquipmentCorporation）研

制出世界第1台PLC，并在GM公司汽车自动装配线上试用成功。

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；

功能：

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系统的工作状态和机床的动作。

数控机床的特点

优点

1． 适应性强；

2． 加工精度高、质量稳定；

3． 生产效率高、经济效益好；

4． 减轻操作者的劳动强度、操作简单；

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5．有利于生产管理的现代化；

6.具有故障诊断和监控能力；

问题：

1．造价较高；

2．调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员；

3．对编程人员的技术水平要求较高。

（四）数控机床的分类

从不同的角度对数控机床进行分类，常见的有以下几种分类方法：

按运动控制轨迹分类：

1.点位控制数控机床

2.直线控制数控机床

3.轮廓控制数控机床

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按伺服系统的类型分类

1．开环控制数控机床

2．闭环控制数控机床

3．半闭环控制数控机床

按工艺用途分类

1切削加工类：

如数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。

2成型加工类：

数控折弯机、数控弯管机、数控冲压机等。

3特种加工类：

数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。

4其它类型：

数控装配机、数控测量机、机器人等。

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按联动轴数分

2轴联动（平面曲线）

3轴联动（空间曲面，球头刀）

4轴联动（空间曲面）

5轴联动及6轴联动（空间曲面）。

联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。

按功能水平分类

1.高级型数控系统

2.普及型数控系统

3.经济型数控系统

性能

类别

CPU位数

联动轴数

分辨率

（μm）

进给速度

（m/min）

其它

高级型

32

5

=<0.1

>=24,（1μm）；

>=10,（0.1μm）

三维动态，MAP,

数字交流伺服

普及型

16

<5,3

>0.1,<10

<24,（1μm）；

<10,（0.1μm）

字符/图形

交流伺服

经济型

8/16

<3

<10

<8

字符,步进电机

四、数控机床的选型

机床类型的选择

3种机床的适用范围

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数控机床性能参数及其选择

数控装置的性能指标反映了数控系统的基本性能，是选择数控系统的主要依据，概括起来如下:

1．控制轴数和联动轴数

2.插补功能（一般数控机床具有圆弧和直线插补功能）

3．脉冲当量（控制分辨率）（一般0.001mm精密，0.0001mm）

4．定位精度和重复精度（一般定位精度±0.01mm,重复精度±0.005mm；最高可达定位精度±0.001mm重复精度±0.0005mm

5．行程

6．主轴转速和进给速度及其调节范围（一般S:

5000~10000r/min;F:

15~30m/min）

7.刀库容量和换刀时间（一般16~60把，大型100把以上，换刀时间国内10~20s，国外4~5s）

8．误差补偿功能

9.通信方式

10.故障诊断功能

以上性能指标可以作为选择数控装置时参考，用户应该根据实际需要，综合考虑性能和价格，作出最经济实用的选择。

五、数控技术的发展

计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向前发展。

“六代”

1电子管，1952，ParsonsCorp.,MIT,美空军后勤司令部合作，第一台立式铣；（292电子管）

2晶体管、印刷电路，1959，晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小，数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，K&T开发第一台加工中心

MILWAUKEE-MATIC。

3小规模集成电路,1965,由于它体积小、功耗低，，使数控系统的可靠性得以进一步提高。

1967英国最初的FMS.

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4通用小型计算机,1970，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统，特征为许多数控功能由软件完成。

5微处理器，1974，开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统，近30年来，装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用。

6基于PC（PC-BASED）的数控,20世纪80年代，基于PC开发式数控系统。

数控技术发展趋势

1．高速高精度

机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，可大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度。

　　上世纪90年代以来，高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能伺服系统以及工具系统都出现了新的突破。

高速切削加工

1931年德国切削物理学家萨洛蒙提出高速切削理论。

在常规的切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高。

对于每一种工件材料，存在一个速度范围，在这个范围内，由于切削速度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。

但是，当切削速度进一步提高，超过这个范围后，切削温度反而降低。

同时切削力也会大幅度下降。

通常把切削速度比常规切削速度高出5~10倍以上的切削叫做高速切削。

车削:

700~7000m/min;

铣削：

300~6000m/min;

钻削：

200~1100m/min;

磨削：

150~360m/s;

2．智能化

1）智能化适应控制技术（随加工过程切削条件的变化，自动地调整切削用量，实现加工过程最佳化）

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智能化适应控制下的进给速率

（2）自动编程技术

（3）具有故障自动诊断功能

3开放式数控系统

传统的数控系统都是专门、具有不同的编程语言、非标准人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等特征，造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。

为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。

概念最早见于1987年美国NGC（NextGenerationController）计划，NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。

一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。

4网络化数控技术

外部网络化管理与控制。

内部网络化功能模块的网络化。

 5提高数控系统的可靠性

数控系统平均无故障时间大于10000-30000（小时）。

电子与电气元件高集成、抗干扰，零部件制造专业化标准化。

6.CAD/CAM/CNC一体化，实现数字化制造

数字制造就是用数字的方式来存储、管理和传递制造过程中的所有信息。

在计算机世界

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里，可以产生各种各样的信息，并把物理过程虚拟化；DNC还可以对CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序进行传送和分级管理。

DNC技术使CNC与通信网络联系在一起,还可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。

现在的问题是，如何把这些信息从计算机“下载”到生产线，在生产过程中利用这些信息控制机器，生产出合格产品；这个全过程就是数字制造。

六、数控程序的编制

数控加工程序编制：

从零件图纸到制成控制介质的全过程。

将零件的加工信息：

加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数（F、S、T）及辅助动作（M（变速、换刀、冷却液启停、工件夹紧松开等））等，用规定的文字、数字、符号组成的代码按一定的格式编写加工程序单，并将程序单的信息变成控制介质的整个过程。

编程方法：

1.手工编程:

整个编程过程由人工完成。

对编程人员的要求高（不仅要熟悉数控代码和编程规则，而且还必须具备机械加工工艺知识和数值计算能力）。

手工编程所占用的时间与数控机床加工该零件所占用的时间为30：

1。

手工编程适用于：

几何形状不太复杂的零件。

2.自动编程：

编程人员只要根据零件图纸的要求，按照某个自动编程系统的规定，将零件

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的加工信息用较简便的方式送入计算机，由计算机自动进行程序的编制，编程系统能自动打印出程序单和制备控制介质。

自动编程方法：

1）语言式自动编程：

APT（自动编程工具）

（1）几何描述；

（2）运动描述；（3）后处理描述；（4）辅助描述。

2）CAD/CAM（计算机辅助设计、计算机辅助制造）图形交互编程：

（UG,pro/E等）

程序结构与格式:

N001G01X100Y-50F100S650T03M03

N001:

程序段号；

G01：

准备功能（确定机床如何运动、设定坐标系、平面选择、插补、

刀具补偿、固定循环等）；

X100Y-50：

尺寸字；

F100：

进给功能；

S650：

主轴功能；

T03：

刀具功能；

M03：

辅助功能（控制机床各种辅助动作及开关状态，主轴转、停，冷却液开、关，工件夹紧、松开等）。