数控技术第1章课件.ppt

1、数 控 技 术第第1 1章章 绪绪 论论1.11.1数控机床数控机床1.1.1 1.1.1 数控技术与数控机床数控技术与数控机床 什么是数控？什么是数控？数控是数字控制（数控是数字控制（Numerical controlNumerical control）的简称，是近代发展起来的用数字化信息的简称，是近代发展起来的用数字化信息进行控制的自动控制技术。进行控制的自动控制技术。在在机床机床领域是指用数字化信号对机床领域是指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。运动及其加工过程进行控制的一种方法。金属切削机床及其它各类机床，如线切割金属切削机床及其它各类机床，如线切割机床、三坐标测量

2、机等机床、三坐标测量机等 采用数字控制技术的控制系统称为数采用数字控制技术的控制系统称为数控系统，装备了数控系统的机床称为控系统，装备了数控系统的机床称为“数数控机床控机床”或或“NCNC机床机床”。CNCCNCNCNC数控装置伺服系统加工程序零件图 数控系统 机床1.1.2 1.1.2 数控机床的组成数控机床的组成输入输入设备设备计算机计算机数字控数字控制装置制装置（CNC装置）装置）可编程控可编程控制器制器（PLC）主轴伺主轴伺服单元服单元进给伺进给伺服单元服单元输出输出设备设备主轴电机主轴电机进给电进给电动机动机位置检位置检测装置测装置机机床床本本体体操作操作面板面板1.1.3 1.1.

3、3 数控机床加工特点数控机床加工特点 柔性好柔性好零件加工精度高，加工质量稳定零件加工精度高，加工质量稳定可加工复杂形状的零件可加工复杂形状的零件生产效率高生产效率高易于建立计算机通讯网络易于建立计算机通讯网络 所谓的柔性即适应性，是指数控机床所谓的柔性即适应性，是指数控机床随生产对象变化而变化的适应能力。随生产对象变化而变化的适应能力。数控系统取代了通用机床的手工操作，数控系统取代了通用机床的手工操作，具有充分的柔性，只要重新编制零件程序，具有充分的柔性，只要重新编制零件程序，更换相应工装，就能加工出新的零件。更换相应工装，就能加工出新的零件。因而用数控机床生产，准备周期短，因而用数控机床生

4、产，准备周期短，灵活性强，特别适合小批量、单件零件的灵活性强，特别适合小批量、单件零件的加工，有利于产品的升级和新产品的试制。加工，有利于产品的升级和新产品的试制。1 1）数控机床有较高的加工精度，而且加）数控机床有较高的加工精度，而且加工精度不受零件形状复杂程度的影响。工精度不受零件形状复杂程度的影响。2 2）数控机床是按预先编制好的加工程序）数控机床是按预先编制好的加工程序进行工作的，加工过程中无须人的参与与进行工作的，加工过程中无须人的参与与调整，消除了操作者的人为误差，提高了调整，消除了操作者的人为误差，提高了同批零件加工的一致性，使产品加工质量同批零件加工的一致性，使产品加工质量稳定

5、。稳定。3 3）数控机床可以通过在线自动补偿（实）数控机床可以通过在线自动补偿（实时补偿）技术消除或减少热变形、力变形时补偿）技术消除或减少热变形、力变形和刀具磨损的影响，使加工精度的一致性和刀具磨损的影响，使加工精度的一致性得到了保证。得到了保证。当然数控机床在某些方面也有不足之处：当然数控机床在某些方面也有不足之处：1 1）数控机床价格较贵，设备初期投资大，）数控机床价格较贵，设备初期投资大，加工成本高。加工成本高。2 2）技术复杂，增加了电子设备的维护，）技术复杂，增加了电子设备的维护，维修困难。维修困难。3 3）对工艺和编程要求较高，加工中难以）对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，对

6、操作人员的技术水平要求较高。调整，对操作人员的技术水平要求较高。由于系统本身的复杂性，增加了维修由于系统本身的复杂性，增加了维修的技术难度和维修费用。的技术难度和维修费用。由于数控机床的上述特点，数控机床最适由于数控机床的上述特点，数控机床最适合加工以下零件：合加工以下零件：1 1）几何形状复杂的零件）几何形状复杂的零件2 2）多品种、小批量生产的零件）多品种、小批量生产的零件 3 3）必须严格控制公差的零件。）必须严格控制公差的零件。4 4）贵重的、不允许报废的关键零件。）贵重的、不允许报废的关键零件。1.1.4 1.1.4 数控机床的主要性能指标数控机床的主要性能指标 精度精度定位精度定位

7、精度分辨率分辨率重复定位精度重复定位精度可控轴数与联动轴数可控轴数与联动轴数运动性能指标运动性能指标主轴转速主轴转速行程行程进给速度进给速度1.2 1.2 数控机床的分类数控机床的分类 1.2.1 1.2.1 按工艺用途分类按工艺用途分类 金属切削类机床金属切削类机床 数控车、钻、铣、磨床、数控车、钻、铣、磨床、镗及加工中心。镗及加工中心。金属成型类机床金属成型类机床特种加工机床特种加工机床其他类型的其他类型的数控设备数控设备数控折弯机、组合冲床、弯数控折弯机、组合冲床、弯管机、回转头压力机等。管机、回转头压力机等。数控线切割、电火花加工、火数控线切割、电火花加工、火焰切割机、激光切割机床、专

8、焰切割机、激光切割机床、专用组合机床等。用组合机床等。自动装配机、三坐标测量机、自动装配机、三坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。自动绘图机和工业机器人等。1.2.2 1.2.2 按功能水平分类按功能水平分类低档中档高档分辨率和进给速度10m 815 m/min1m 1524m/min0.1m 15100 m/min伺服进给类型开环半闭环闭环联动轴数23轴35轴5轴以上通信功能无RS232或DNCMAP显示功能字符二维三维内置PLC无有有主CPU8或1632641.2.3 1.2.3 按机床控制的运动轨迹分类按机床控制的运动轨迹分类 1 1点位控制数控机床点位控制数控机床 2 2直线控制数控

9、机床直线控制数控机床3 3轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床 1.2.4 1.2.4 按伺服系统的控制方式分类按伺服系统的控制方式分类 1 1开环控制数控机床开环控制数控机床2 2闭环控制数控机床。闭环控制数控机床。（1 1）全闭环控制）全闭环控制（2 2）半闭环控制半闭环控制1.3 1.3 数控机床的产生和发展数控机床的产生和发展1.3.1 1.3.1 数控机床的产生和发展数控机床的产生和发展发展的基础发展的基础普通机床普通机床发展的原始动力发展的原始动力军事工业需求军事工业需求发展的动力发展的动力民用工业对高精度、高效民用工业对高精度、高效率、柔性化及批量生产的要求率、柔性化及批量生产的要求

10、发展的技术基础发展的技术基础电子技术和计算机技电子技术和计算机技术的飞速发展术的飞速发展 促进发展的动力促进发展的动力二战后的军备二战后的军备竞赛。竞赛。19481948年年，美国帕森（，美国帕森（ParsonsParsons）公司）公司在研制加工直升机螺旋桨叶片轮廓用检查在研制加工直升机螺旋桨叶片轮廓用检查样板的机床时，首先提出计算机控制机床样板的机床时，首先提出计算机控制机床的设想。的设想。19491949年年在麻省理工学院（在麻省理工学院（MITMIT）的）的协助下开始数控机床的研究；协助下开始数控机床的研究；19521952年年研制成了第一台三坐标直线研制成了第一台三坐标直线插补立式数

11、控铣床。插补立式数控铣床。这是第一代数控系统，即这是第一代数控系统，即电子管电子管时代。时代。标志着数控机床的产生标志着数控机床的产生。19591959年年，数控技术的发展进入第二，数控技术的发展进入第二代代晶体管时代晶体管时代。19591959年年，美国克耐，美国克耐杜列克公司成功杜列克公司成功开发了带有自动换刀装置的数控机床，称开发了带有自动换刀装置的数控机床，称为为“加工中心加工中心”。19601960年年开始，开始，美美国、国、德德国、国、日日本等开本等开始开发、生产和使用数控机床，数控技术始开发、生产和使用数控机床，数控技术进入进入实用阶段实用阶段 。19651965年年，数控系统从

12、而发展到第三，数控系统从而发展到第三代代集成电路时代集成电路时代。以上三代数控机床的控制系统都是靠以上三代数控机床的控制系统都是靠硬件实现的，是数控系统发展的第一阶段，硬件实现的，是数控系统发展的第一阶段，称之为普通数控系统（称之为普通数控系统（NCNC）。）。19701970年年小型计算机开始用于数控系统，小型计算机开始用于数控系统，称之为第四代，数控系统的发展进入称之为第四代，数控系统的发展进入第二第二阶段阶段，即计算机数字控制（，即计算机数字控制（CNCCNC）阶段。）阶段。19741974年年微处理器开始用于数控系统，微处理器开始用于数控系统，数控系统发展到数控系统发展到第五代第五代，

13、即微型机数控，即微型机数控（MNCMNC）系统。）系统。从从9090年代年代开始，基于个人计算机开始，基于个人计算机（PCPC）平台的数控系统应运而生，数控）平台的数控系统应运而生，数控系统的发展进入系统的发展进入第六代第六代。1.3.2 1.3.2 我国数控机床的发展概况我国数控机床的发展概况 19581958年年，由清华大学和北京第一机床，由清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。厂合作研制了我国第一台数控铣床。19661966年年研制成功晶体管并用于数控系研制成功晶体管并用于数控系统；统；19721972年年研制成功集成电路数控系统，研制成功集成电路数控系统，出现了线切割机

14、、数控铣床等产品。出现了线切割机、数控铣床等产品。但由于历史的原因，一直没有取得实质性但由于历史的原因，一直没有取得实质性成果。数控机床的品质和数量都很少，稳定性成果。数控机床的品质和数量都很少，稳定性和可靠性也比较差，只在一些复杂的、特殊的和可靠性也比较差，只在一些复杂的、特殊的零件加工中使用。零件加工中使用。2020世纪世纪8080年代初年代初，国内先后从，国内先后从日本、德国、日本、德国、美国美国等国引进了一些等国引进了一些CNCCNC装置及主轴、伺服系装置及主轴、伺服系统的生产技术，这些数控系统性能比较完善，统的生产技术，这些数控系统性能比较完善，稳定性和可靠性都比较好，在数控机床上采

15、用稳定性和可靠性都比较好，在数控机床上采用后，得到了用户的认可，从而结束了数控机床后，得到了用户的认可，从而结束了数控机床发展徘徊不前的局面，推动了数控机床的发展。发展徘徊不前的局面，推动了数控机床的发展。到到2020世纪世纪9090年代初，国内的数控机床及数年代初，国内的数控机床及数控系统的生产具有了一定的规模。控系统的生产具有了一定的规模。20032003年开始，年开始，中国已成为全球最大的机床消费国，也是世界中国已成为全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。上最大的数控机床进口国。1 1国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小小 国产数控机

16、床的发展经历了国产数控机床的发展经历了3030年跌宕起伏，年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，覆盖超重型机床、已经由成长期进入了成熟期，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，高技术机床等领域，产品种类产品种类可与日、德、意、可与日、德、意、美等国并驾齐驱。美等国并驾齐驱。特别是在五轴联动数控机床、超重型数控特别是在五轴联动数控机床、超重型数控机床、立式和卧式加工中心、数控车床、数控机床、立式和卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域，部分技术已经达到世界先齿轮加工机床领域，部分技术已经达到世界先进水平。进水平。2

17、 2国产数控机床存在的问题国产数控机床存在的问题 由于国内技术水平和工业基础还比较落后，由于国内技术水平和工业基础还比较落后，数控机床的性能、水平和可靠性与工业发达国数控机床的性能、水平和可靠性与工业发达国家相比，差距还是很大，尤其是数控系统的控家相比，差距还是很大，尤其是数控系统的控制可靠性还较差，数控产业尚未真正形成，制可靠性还较差，数控产业尚未真正形成，核核心技术严重缺乏心技术严重缺乏。数控机床的数控机床的核心技术核心技术数控系统，包括显数控系统，包括显示器、伺服控制器、伺服电机和各种开关、传示器、伺服控制器、伺服电机和各种开关、传感器，感器，90%90%需要国外进口。国内能做的中、高需

18、要国外进口。国内能做的中、高端数控机床，更多处于端数控机床，更多处于组装和制造组装和制造环节，普遍环节，普遍未掌握核心技术未掌握核心技术。国产数控机床的关键零部件。国产数控机床的关键零部件和关键技术主要依赖进口，国内真正大而强的和关键技术主要依赖进口，国内真正大而强的企业并不多。企业并不多。目前世界最大的目前世界最大的3 3 家厂商是：日本发那科、家厂商是：日本发那科、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内有华中数控、航天数控、西班牙凡高等。国内有华中数控、航天数控、广州数控等。广州数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质国内的数

19、控系统刚刚开始产业化、水平质量一般，高档次的系统全都是进口。量一般，高档次的系统全都是进口。数控功能部件是另外一个薄弱环节。国产数控功能部件是另外一个薄弱环节。国产数控机床的主要故障大多出在功能部件上，它数控机床的主要故障大多出在功能部件上，它是影响国产数控机床使用的主要根源。是影响国产数控机床使用的主要根源。特别是数控特别是数控刀具滞后现象刀具滞后现象反映相当强烈。反映相当强烈。国产数控刀具在寿命、可靠性等方面差距明显，国产数控刀具在寿命、可靠性等方面差距明显，无论在品种、性能和质量上都远远不能满足用无论在品种、性能和质量上都远远不能满足用户要求。户要求。1.3.3 1.3.3 数控机床的发

20、展趋势及研究方向数控机床的发展趋势及研究方向1 1高速高精加工技术高速高精加工技术 进给速度和快速进给速度：进给速度和快速进给速度：100100240m/min240m/min 数控金切机床的加工精度：数控金切机床的加工精度：丝级（丝级（0.01mm0.01mm）提升到微米级）提升到微米级（0.001mm0.001mm），有些品种已达），有些品种已达0.05m0.05m左左右。右。超精密数控机床微细切削和磨削加工：超精密数控机床微细切削和磨削加工：精度可稳定达精度可稳定达0.05m0.05m左右，形状精左右，形状精度可达度可达0.01m0.01m左右。左右。采用光、电、化学等能源的特种加采用光

21、、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（工精度可达到纳米级（0.001m0.001m）。）。通过机床结构设计优化、机床零部件通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。纳米级超精加工时代。2 2 复合加工复合加工 “一台机床就是一个加工厂一台机床就是一个加工厂”“一次装卡，完全加工一次装卡，完全加工

22、”什么是复合机床？什么是复合机床？多功能复合加工数控机床简称，或称多功能复合加工数控机床简称，或称为多功能加工或完全加工机床。为多功能加工或完全加工机床。复合机床的复合机床的含义含义：是在台机床上实现或尽可能完成从是在台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。毛坯至成品的全部加工。从从2020世纪世纪7070年代以来，出现了镗铣年代以来，出现了镗铣加工的加工中心和车削中心。加工的加工中心和车削中心。3 3可靠性可靠性 数控机床的数控机床的故障率故障率一直是影响数控机一直是影响数控机床品质的一个重要问题。床品质的一个重要问题。通常用平均无故障时间（以通常用平均无故障时间（以MTBFMTBF

23、表表示）的长短来衡量它的可靠性。示）的长短来衡量它的可靠性。数控机床与传统机床结构比较：数控机床与传统机床结构比较：增加了数控系统、伺服控制单元以及增加了数控系统、伺服控制单元以及自动化功能部件和相应的监控装置等，应自动化功能部件和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压、气动元件和机电用了大量的电气、液压、气动元件和机电装置。装置。结果：结果：导致出现失效概率的增大。导致出现失效概率的增大。措施：措施：进行可靠性设计。进行可靠性设计。4 4智能化、开放式、网络化成为当代数智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势控系统发展的主要趋势（1 1）智能化智能化 1 1）应用自适应控制技术

24、应用自适应控制技术 2 2）引入专家系统指导加工引入专家系统指导加工 3 3）引入故障诊断专家系统引入故障诊断专家系统 （2 2）开放式开放式 所谓开放式数控系统就是数控系统的所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，可方便地将用户的特殊厂家和最终用户，可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的品牌产品。统，形成具有鲜明个性的品牌产品。（3 3）网络化）网络化 （4 4）并联

25、机床）并联机床 并联机床（并联机床（Parallel Machine ToolsParallel Machine Tools）是世界上近年来逐渐兴起的一种新型制造是世界上近年来逐渐兴起的一种新型制造设备，又称并联结构机床（设备，又称并联结构机床（Parallel Parallel Structured Machine ToolsStructured Machine Tools）、虚拟轴机床）、虚拟轴机床（Virtual Axis Machine ToolsVirtual Axis Machine Tools），也称为），也称为六条腿机床、六足虫（六条腿机床、六足虫（HexapodsHexapo

26、ds）。）。国际上一般称为国际上一般称为Parallel Kinematic Parallel Kinematic MachineMachine（PKMPKM）。）。并联机床是基于空间并联机构并联机床是基于空间并联机构StewartStewart平台平台原理开发的，是并联机器人机构与机床结合的原理开发的，是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和计算机软硬技术和CAD/CAMCAD/CAM技术高度结合的技术高度结合的高科技产品。高科技产品。传统的串联机构机床，是属于数学简单而传统的串联机构机床，是属于数学简单而机

27、构复杂的机床，并联机构机床则机构简单而机构复杂的机床，并联机构机床则机构简单而数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学复杂，整个平台的运动牵涉到相当庞大的数学运算，可实现多坐标联动数控加工、装配数学运算，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工。工。这种新型机床完全打破了传统机床结这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨的刀具导向方构的概念，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，大大提高式，采用了多杆并联机构驱动，大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都了机床的刚度，使加工精度和加工

28、质量都有较大的改进。有较大的改进。由于这种机床具有高刚度、高承载能由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度以及重量轻、机械结力、高速度、高精度以及重量轻、机械结构简单、制造成本低、标准化程度高等优构简单、制造成本低、标准化程度高等优点，在许多领域都得到了成功的应用，因点，在许多领域都得到了成功的应用，因此受到学术界的广泛关注。此受到学术界的广泛关注。并联机床有着巨大的市场潜力，但目并联机床有着巨大的市场潜力，但目前其加工精度还不能与传统高精度机床相前其加工精度还不能与传统高精度机床相比拟，还有许多问题需要深入研究，这为比拟，还有许多问题需要深入研究，这为机床行业带来了新的机遇和挑战。机床行业带来了新的机遇和挑战。