1、数控技术,穆 瑞 iris_,数控技术简介,数控、数控机床与数控加工 数字控制：是以数字化信号对机构的运动 过程进行控制的一种方法。简称为数控（NC） 数控机床：指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。 数控加工：泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。,数控装备（Numerical Control Machine Tools） 是采用数控技术对机械的工作过程进行自动控制的一类装备。其中数控机床是数控技术应用的经典例子。计算机数控系统（Computer Numerical Control CNC ）是以计算机为核心的数控系统。,数控技术简介,The first successful N/C m
2、achine, funded by the Air Force, was demonstrated by the Massachusetts Institute of Technology in 1952. It was a “retrofitted“ Cincinnati milling machine (Figure 1.15). It had the ability to coordinate the axis motions to machine a complex surface. The first “commercial“ N/C machines were shown at t
3、he 1955 National Machine Tool Show.,第一台数控机床,数控机床与普通机床比较：数控机床在普通机床基础上增加了对机床运动和动作自动控制 的功能部件，使数控机床能够自动完成 对零件加工的全过程。,不同加工方式示例,成型零件,数控技术简介,成形车刀,数控技术简介,仿 型 加 工,靠模板,数控技术简介,数控技术简介,采用数控机床加工零件时,只需要将零件图形和 工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序 代码输入到机床控制系统中，数控机床便按照事先编 好的加工程序,自动地对被加工零件进行加工.,数控技术简介,数控系统与数控装备的组成,数控技术简介,数控加工原理,数控
4、加工与传统加工的比较,工艺分析,数控加 工程序,工序卡,传统加工,数控加工,传统加工与数控加工的比较图,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。,零件图 数控系统 机床,数控加工原理,数控加工原理,数控加工中数据转换过程,数控加工原理,1、译码(解释) 译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用ASCII码）表达的零件加工程序，以程序段为
5、单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式）。该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度；主轴转速；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。,2、刀补处理(计算刀具中心轨迹) 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。,数控加工原理,数控加工原理,3、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，圆弧等）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
6、移指令（X1、Y1、），并送给进给伺服系统，实现成形运动。,插补：刀具不能严格按照要求加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线。,数控加工原理,数控加工原理,4、 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。,数控机床的分类,数控机床规格繁多。可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是以下面4种方法来分类的。 1. 按工艺用途分类 2. 按运动轨迹分类 3. 按伺服系统的控制方式分类 4.
7、 按数控装置分类,数控机床的分类 -按工艺用途分类,一般数控机床：车铣镗钻磨等，功能与通用机床相似；但是可以加工复杂形状的零件。数控加工中心：在数控铣、镗、钻床的基础上增加了自动换刀装置。带刀库，一次装夹后可完成多工序加工。 多坐标数控机床：坐标轴大于3，能加工复杂形状零件。,数控机床的分类 -按运动轨迹分类,点位控制数控机床：点点位置精确控制，保证的是定位精度，以慢快慢的运动方式， 如：钻床、冲床、测量机等,点位控制数控系统 能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动； 对轨迹不作控制要求； 运动过程中不进行任何加工。 适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。,数控机床的分
8、类 -按运动轨迹分类,点位直线控制数控机床：位置控制+速度和路线控制，只能沿某个坐标轴方向（平行或45）切削加工,点位直线控制机床可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。,数控机床的分类 -按运动轨迹分类,轮廓控制数控机床：每点的位置+速度+路线控制，可对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制,轮廓控制机床：它又称连续控制机床控制几个进给轴同时协调运动(坐标联动)，可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜
9、率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。,按进给伺服系统的类型分类 按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，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。,数控机床的分类 -按伺服系统的控制方式分类,开环控制数控机床,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机构的性能和精度。 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、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。,半闭环数
10、控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。,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。 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。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。,全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。,数控机床的分类 -按伺服系统的
11、控制方式分类,闭环控制数控机床,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。 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。 该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。,数控机床的分类 按数控装置分类,硬件数控机床（NC）速度快，但功能扩展性和灵活性差软件控制数控机床（CNC）主要功能由软件实现，软件模块化，便于扩展,数控机床的特点,适应性强，适合加工单件小批量、复杂零件 加工零件一致性好、重复精度高 高自动化、高效率 只要改变程序就
12、可改变加工件，不需要大量复杂工装夹具 可以采用复合工艺 有利于生产管理的现代化,插补原理,插补概述：用户在零件加工程序中，一般仅提供描述该线形所必须的相关参数，如对直线，提供其起点和终点坐标；对圆弧，提供起终点坐标、圆心坐标及顺逆圆的信息。然而这些信息不能满足控制机床的执行部件运动（步进电机、交直流伺服电机）的要求。因此，为了满足按执行部件运动的要求来实现轨迹控制，必须在已知的信息点之间实时计算出满足线形和进给速度要求的若干中间点。这就是数控系统的插补概念。,插补定义,插补定义：是指在轮廓控制系统中，根据给定的进给速度和轮廓线形的要求，在已知数据点之间插入中间点的方法，这种方法称为插补方法。每
13、种方法又可能用不同的计算方法来实现，这种具体的计算方法称之为插补算法。插补的实质就是数据点的密化。,逐点比较法,一、逐点比较法直线插补 1. 基本原理在刀具按要求轨迹运动加工零件轮廓的过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具向减小误差的方向进给。其算法最大偏差不会超过一个脉冲当量。每进给一步需要四个节拍：,逐点比较法插补,插补规则 当F0，则沿+X方向进给一步 当F0，则沿+Y方向进给一步。,O,A(Xe,Ye),M(Xi,Yj),X,Y,F0,F0,F=0,一、逐点比较法直线插补,偏差判别函数,当M在OA上，即F=0时；,当M在OA上方，
14、即F0时；,当M在OA下方，即F0时；,逐点比较法插补,当Fi,j 0新加工点坐标为: Xi+1= Xi +1, Yj+1=Yj新偏差为: Fi+1,j=XeYj-(Xi +1) Ye = Fi,j -Ye,当Fi,j 0新加工点坐标为: Xi+1= Xi, Yj+1=Yj+1新偏差为: Fi,j+1=Xe (Yj+1) - Xi Ye Fi,j +Xe,终点判别方法：设置减法计数器(XeX ，Ye Y; 或Xe+ Ye ; 或 max(Xe, Ye) )，进给一步减1，直至减到0为止,偏差判别函数的递推形式设当前切削点M(Xi,Yj)的偏差为F=Fi,j=XeYj-XiYe 则根据偏差公式,
15、逐点比较法,逐点比较法直线插补 算法分析（第 象限） 偏差判别,P(xi,yj),F0,F0,直线上,直线上方,直线下方,偏差判别函数,逐点比较法,一、逐点比较法直线插补 算法分析（第 象限） 坐标进给,F0,F0,直线上,直线上方,直线下方,+x或+y方向,+x方向,+y方向,新偏差计算,+x进给：,+y进给：,逐点比较法,一、逐点比较法直线插补 算法分析（第 象限） 终点比较 用Xe+Ye作为计数器，每走一步对计数器进行减1计算，直到计数器为零为止。,总结,逐点比较法插补,逐点比较法直线插补示例,逐点比较法插补,四个象限直线插补计算,逐点比较法插补,第一象限直线插补程序框图,逐点比较法插补
16、,二、逐点比较法圆弧插补,当M(Xi,Yi)在圆弧上，则F=0； 当M(Xi,Yi)在圆弧外，则F0； 当M(Xi,Yi)在圆弧内，则F0；,插补规则当F0，则沿-X方向进给一步当F0，则沿+Y方向进给一步,偏差判别式,逐点比较法,二、逐点比较法圆弧插补（第 象限逆圆弧） 偏差判别,圆弧上,圆弧外,圆弧内,偏差判别函数,P(x0,y0),F0,F0,逐点比较法,二、逐点比较法圆弧插补（第 象限逆圆弧） 坐标进给,圆弧上,圆弧外,圆弧内,新偏差计算,F0,F0,- x或+ y方向,- x方向,+ y方向,P(x0,y0),逐点比较法,二、逐点比较法圆弧插补（第 象限逆圆弧） 终点比较 用(X0-
17、Xe)+(Ye-Y0 )作为计数器，每走一步对计数器进行减1计算，直到计数器为零为止。 总结,逐点比较法插补,当Fi,j 0新加工点坐标为: Xi+1= Xi -1, Yj+1=Yj新偏差为:,当Fi,j 0新加工点坐标为: Xi+1= Xi, Yj+1=Yj+1新偏差为:,终点判别方法：| Xe- X0| + | Ye - Y0|,偏差判别函数的递推形式设当前切削点M(Xi,Yi)的偏差为则根据偏差公式,逐点比较法插补,逐点比较法圆弧插补示例,逐点比较法插补,逐点比较法插补,四象限圆弧插补进给方向偏差大于等于零向圆内进给，偏差 小于零向圆外进给,逐点比较法插补,四象限圆弧插补计算表,逐点比较
18、法插补,第一象限逆圆弧插补程序框图,逐点比较法,逐点比较法总结 判别：判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏差状况。 进给：根据判断结果，控制相应坐标轴的进给方向。 运算：按偏差计算公式重新计算新位置的偏差值。 比较：若已经插补到终点，结束插补计算，否则重复上述过程。,思考问题：1. 不同象限的直线、圆弧插补算法相同吗？2. 同一象线的逆时针圆弧和顺时针圆弧插补算法一样吗？,逐点比较法,数控技术的发展动向,数控技术的发展动向,一、产生背景 从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有： 自动机床； 组合机床； 专用自动生产线。,数控机床的发展动向,这些设备的使用大大地提高了机械加工自动化地程度，
19、提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点： 初始投资大； 准备周期长； 柔性差。,数控技术的发展动向,数控技术产生和发展的内在动力：市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好加工设备来满足上述需求。 数控技术产生和发展的技术基础：电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。 数控技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。,数控技术的发展动向,二、发展沿革 1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座
20、标数控机床。 1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。 从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。,数控技术的发展动向,第一代：1955年 NC系统以电子管组成，体积大，功耗大。 第二代：1959年 NC系统以晶体管组成，广泛采用印刷电路板。 第三代：1965年 NC系统采用小规模集成电路作为硬件，其特点是体积小，功耗低，可靠性进一步提高。以上三代NC系统，由于其数控功能均由硬件实现，故历史上又称其为“硬线NC”,数控技术的发展动向,第四代：1970年 NC系统采用小型计算机取代专用计算机，其部分功能由软件实现，它具有价格低，可靠性高和功能多等特点。 第五代
21、：1974年 NC系统以微处理器为核心，不仅价格进一步降低，体积进一步缩小，使实现真正意义上的机电一体化成为可能。这一代又可分为六个发展阶段：,数控技术的发展动向,1974年：系统以位片微处理器为核心，有字符显示，自诊断功能。 1979年：系统采用CRT显示，VLIC，大容量磁泡存储器，可编程接口和遥控接口等。 1981年：具有人机对话、动态图形显示、实时精度补偿功能。 1986年：数字伺服控制诞生，大惯量的交直流电机进入实用阶段。 1988年：采用高性能32位机为主机的主从结构系统。,1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益
22、缩短。 20世纪末21世纪初：开放式系统规范（NGC、OMAC、OSACA、OSEC)和数控系统新标准（STEP-NC等）相继开展研究和开发。它是数控技术发展的又一个里程碑。,数控技术的发展动向,数控技术的发展动向,三、发展趋势 进入20世纪90年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展,运行高速化 加工高精化 功能复合化 控制智能化 体系开放化 驱动并联化 交互网络化,数控技术的发展动向,速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。因为它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。,如图所示，被加工圆弧的起点坐标为（4，0），终点坐标为（0，4），请写出逐点比较法插补计算过程，并在图中添加轨迹。,本章作业,参考文献,何雪明，吴晓光，常兴. 数控技术，华中科技大学出版社，2006 明兴祖，熊显文. 数控技术，清华大学出版社，2008 王爱玲，李梦群，冯裕强. 数控加工理论与实用技术，机械工业出版社，2009,
