现代制造系统 教学课件 ppt 作者 罗振璧 朱耀祥 等编著 第三章 机床的数控技术及编程基础

第一节 数字控制的基础 第二节 计算机数字控制 第三节 自适应控制,第三章 机床的数控技术及编程基础,第一节 数字控制的基础,一、数字控制的定义 二、数控加工原理 三、数控(NC)系统的组成与分类 四、有关数字控制的名词术语 五、数控编程 六、计算机辅助零件程序编制 七、CAD/CAM用的NC零件编程 八、计算机自动零件编程,一、数字控制的定义,数字控制(NC，Numerical Control)是借助于数字、字符和其他符号控制加工、处理与装配等设备的一种可编程的自动化方法。因此，数字控制定义为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。,二、数控加工原理,1.运动控制 2.坐标系,1.运动控制,(1)点位控制(位置控制)。 (2)直线切削控制。 (3)轮廓控制。,(1)点位控制(位置控制),点位控制系统的功能是使机床工作台或主轴运动到规定的位置，以实现在该位置点上的加工作业。其运动路径与运动速度是次要的，保证达到预定位置的精确度是主要的。,图3-1 点位控制,(2)直线切削控制。,图3-2 直线切削控制,(3)轮廓控制。,图3-3 曲线数控加工原理,2.坐标系,(1)标准坐标系。 (2)坐标轴。 (3)绝对坐标系与相对(增量)坐标系。,(1)标准坐标系。,图3-4 右手坐标系统,右手的大拇指、食指和中指互相垂直时,拇指的方向为X轴的正方向,食指为Y轴的正方向,中指为Z轴的正方向.以X、Y、Z坐标轴线或以与X、Y、Z坐标轴平行的坐标轴线为中心旋转的圆周进给坐标轴分别以A、B、C表示,其正方向由右手螺旋法则确定.,(1)标准坐标系。,机床坐标系各坐标轴确定的顺序,先确定Z轴:与主轴轴线平行或重合的坐标轴为Z轴,以刀具远离工件的方向为正向. 再确定X轴:平行于工件装夹面,与Z轴垂直的水平方向的坐标轴为X轴,以刀具远离工件的方向为正向. 最后确定Y轴:当X轴和Z轴确定以后,利用右手法则确定Y轴及其正方向.,图3-5 机床坐标系,(1)标准坐标系。,机床坐标系,图3-6 机床坐标系2,(1)标准坐标系。,14,模块二 数控机床结构及主要部件,立式数控铣床坐标系,+,+,+,0,(2)坐标轴。,以Z轴为与机床主轴平行的坐标轴。多主轴机床，选取垂直于工件装夹面的主要主轴为Z轴。Z轴的正方向定义为从工件到刀具夹持的方向。 X轴是平行于工件装卡面的水平轴，并以平行于主要切削的方向为正方向。 Y轴按右手法则确定其正方向。 旋转坐标轴A、B、C的正方向对应于X、Y、Z轴的正方向，其回转方向(顺、逆时针)按右手螺纹前进方向法确定。,(2)坐标轴。,坐标轴确定的方法及步骤 Z轴 一般取产生切削力的主轴轴线为Z轴，刀具远离工件方向为正向，图2.2所示为车床坐标轴，图2.3所示为铣床坐标轴。,图3.7 车床坐标轴,(2)坐标轴。,图3.8 铣床坐标轴 a)立式 b)卧式,(2)坐标轴。,X轴 一般位于平行工件装卡面的水平面内。对工件作回转切削运动的机床（车床、磨床），在水平面内取垂直工件回转轴线（Z轴）的方向为X轴，刀具远离工件方向为正向，如图3.7所示。 对刀具作回转切削运动的机床（铣床、镗床），当Z轴竖直（立式）时，人面对主轴，向右为正X方向，如图3.8a所示；当Z轴水平（卧式）时，则向左为正X方向，如图3.8b所示。,(2)坐标轴。,Y轴 根据已确定的X、Z轴，按右手直角坐标系确定。 A、B、C轴 此三轴为回转进给运动坐标。根据已确定的X、Y、Z轴，用右手螺旋法则来确定。 附加坐标 若机床除有X、Y、Z（第一组）主要直线运动外，还有平行于它们的坐标运动，则分别命名为U、V、W。,(3)绝对坐标系与相对(增量)坐标系。,图3-9 绝对坐标系与相对坐标系 a)绝对坐标系XOY b)相对坐标系UV,(3)绝对坐标系与相对(增量)坐标系。,图3-10 CNC机床组成简图,三、数控(NC)系统的组成与分类,1.NC系统的组成 2.分类,1.NC系统的组成,(1)主机。 (2)CNC装置。 (3)驱动装置。 (4)NC机床的辅助装置。 (5)编程机。,1.NC系统的组成,2.分类,(1)按运动控制分类。主要分成点位控制、直线(切削)控制和轮廓控制三类。,点位控制数控机床: 它控制机床移动部件由一个点准确地移动到另一个点,而对运动轨迹没有严格要求.在移动和定位过程中刀具不进行任何切削加工.如数控钻床等.,图3-11 点位控制钻孔加工示意图,2.分类,(1)按运动控制分类。主要分成点位控制、直线(切削)控制和轮廓控制三类。,直线控制数控机床: 刀具相对于工件的移动轨迹是平行于机床某一坐标轴或者与坐标轴成45度夹角的直线,刀具在移动过程中进行切削.早期的数控车床、数控铣床等使用这类控制系统.,图3-12 点位直线控制切削加工示意图,2.分类,(1)按运动控制分类。主要分成点位控制、直线(切削)控制和轮廓控制三类。,轮廓控制(连续控制)数控机床: 能控制两个或两个以上的坐标轴,对坐标轴的方向、行程、运动速度进行严格连续控制,可加工由任意斜线、曲线和曲面组成的复杂零件.,图3-13 轮廓控制数控机床的加工示意图,2.分类,(2)按控制回路分类。可分为开环(伺服)系统、闭环(伺服)系统与半闭环（伺服）系统。,图3-14 伺服控制系统分类 a)开环伺服系统 b)闭环与半闭环伺服系统,2.分类,(2)按控制回路分类。可分为开环(伺服)系统、闭环(伺服)系统与半闭环（伺服）系统。,A.开环伺服系统数控机床: 它没有位置检测装置和反馈装置,不能对移动工作台实际移动距离进行位置测量和反馈,其移动部件的位移精度主要决定于进给传动系统各有关零件的制造精度.,图3-15 开环伺服系统数控机床,2.分类,(2)按控制回路分类。可分为开环(伺服)系统、闭环(伺服)系统与半闭环（伺服）系统。,B.闭环伺服系统数控机床: 有位置测量和反馈装置,加工中将工作台实际位移量的检测结果反馈给数控装置,并与输入的指令进行比较、校正，直至误差值为零.其特点是加工精度高,但结构复杂,设计和调试较困难.,图3-16 闭环伺服系统数控机床,2.分类,(2)按控制回路分类。可分为开环(伺服)系统、闭环(伺服)系统与半闭环（伺服）系统。,C.半闭环伺服系统数控机床: 其位置检测装置不直接测量机床工作台的位移量,而是通过检测丝杆转角,间接地测量工作台的位移量,并反馈给数控装置进行位置校正.在精度要求适中的中小型数控机床上,半闭环控制得到了广泛的应用.,图3-17 半闭环伺服系统数控机床,2.分类,(3)按同时控制(联动)的坐标轴数分类。有相当多的现代NC机床或系统，要求同时控制两个或两个以上的坐标轴。,1.两轴联动数控机床: 数控机床能同时控制两个坐标轴联动,可用于加工各种回转体零件.如数控车床 2.两轴半联动数控机床: 数控机床有三个坐标轴,能做三个方向的运动,但数控装置只能同时控制两个坐标轴,第三轴只能作等距周期运动,可加工空间曲面.,图3-18 两轴联动数控机床,图3-19 两轴半联动数控机床,2.分类,(3)按同时控制(联动)的坐标轴数分类。有相当多的现代NC机床或系统，要求同时控制两个或两个以上的坐标轴。,3.三轴联动数控机床: 数控机床能同时控制三个坐标轴联动,可用于加工曲面零件，如数控铣床 4.多轴联动数控机床: 数控机床能同时控制三个以上坐标轴联动,可使刀具轴线方向在一定的空间内任意控制,主要用于加工异形复杂的零件.,图3-20 三轴联动数控机床,图3-21 多轴联动数控机床,2.分类,(4)按伺服驱动装置分类。可划分为液压驱动、气动、直流伺服、交流伺服等。 (5)按定位坐标分类。可分为绝对坐标系统与增量坐标系统。 (6)按数控装置分类。可分为硬件式NC系统和软件式NC系统 (7)按加工类型分类。可分为金属切削类、金属成形类、特种加工类和其他类。,四、有关数字控制的名词术语,)(自)适应控制。它是指能在(切削)条件变化时自动改变控制参数，达到有效利用机床的一种控制方式。 )开环系统。不把控制对象的输出同输入(数控装置输出的指令信号)比较，即没有反馈功能的控制系统。 )闭环系统。有功率放大和反馈功能，把控制对象输出与数控装置输出的指令信号比较，修正输出的控制系统。 )反馈。控制系统中某一级的信息向其前级的传递称为反馈。 )点位控制。只要求被控对象(如机床上的刀具)达到工件上给定目标位置的控制方式，又称点到点控制或位置控制。其进给速度不由控制输入决定。 )轮廓控制。同时控制两个或两个以上独立坐标轴运动，即联动轴数的控制方式。在这种控制方式下，机床的刀具与工件的运动轨迹连续不断被控制，又称连续轨迹控制。在这种控制系统中，点位和进给速度均需控制，它们由控制输入决定。,四、有关数字控制的名词术语,7)误差。是指实测值(观测值或计算值)与真值(理论值或给定值)之差。 8)精密度。它是实测值相对于真值(常用实测值的算术均值代替)的分散程度，常用实测值与其均值差的均方根表达。某一线性坐标轴的精密度等于1/2控制分辨率与机械误差之和。 9)定位精度。它是实际位置与指令规定位置的偏离程度。它是位置(点位)控制的精度指标。 10) 重复定位精度。是指在同一条件下，操作(测定)方法不变，进行规定次操作(测定)所得的各结果之间的一致程度。 11)制造自动化协议。它是工厂局域网络用的协议标准的集合。 12)可靠性。可靠性的一般含义是“起作用的程度”。 13)零点。 14)机床零点。机床坐标系的原点。 15)分辨率。是指两个相邻分散细节间可以分辨的最小间隔，如可测量的最小增量、可控制的最小位移增量。,五、数控编程,1.程序编制的目的、步骤与方法 2.编程用的程序存储介质(控制介质) 3.符号代码 4.常用程序编制指令、程序结构与格式,1.程序编制的目的、步骤与方法,(1)NC零件加工程序编制的目的。 (2)编程的步骤。 (3)编程方法,(1)NC零件加工程序编制的目的。,编程的目的是为获取加工出符合图样要求的零件，而又充分发挥NC机床的功能及其加工效能的零件加工程序。因为NC机床价格贵，不充分发挥其效能就是浪费。不合格的零件加工程序不仅无法保证NC机床加工出合格品和无法充分利用NC机床的功能，发挥其效能，而且还可能造成机床故障，产生废次品，甚至出现人身或设备事故。,(2)编程的步骤。,1)编程准备。 2)分析零件图样，进行工艺处理。 3)数学处理。 4)编写零件加工程序单。 5)制作控制介质。 6)检验程序。,(3)编程方法,1)手工编制程序。 2)自动程序编制。,1)手工编制程序。,上述编制零件加工程序各步骤所涉及的工作均由人工完成，称为手工编制程序。 在复杂零件编程中，因程序量大、计算繁琐、易于出错、较难校对，故不适用手工编制。统计表明：手工编程与加工时间之比平均为301。为缩短生产准备周期，提高编程的速度和质量，多采用自动编制程序法。,1)手工编制程序。,手工编程的步骤,零件图分析,确定加工工艺,数值计算,编写程序单,程序输入,程序校验和首件试切,正式加工,图3-22 手工编程的步骤,2)自动程序编制。,又称计算机辅助零件程序编制，它采用计算机或编程机进行数控机床程序编制，即由计算机(编程机)自动完成数值计算和零件加工程序单编写，并自动输出打印的加工程序单，将程序记录在穿孔纸带或其他控制介质上。 自动编程的主要类型有： 数控语言编程（如语言）、图形交互式编程（如软件）和实物模型式自动编程,2.编程用的程序存储介质(控制介质),(1)穿孔纸带。 (2)磁带。 (3)外围存储设备。,(1)穿孔纸带。,图3-23 根据EIA标准的数控穿孔纸带格式(EIA RS237),(2)磁带。,图3-24 磁带,(3)外围存储设备。,在CNC系统中，用微型计算机代替MCU(机器控制单元)，NC零件程序可存入微机的存储器。在群控中，采用大容量计算机同时控制多台NC机床设备，其NC零件程序可