数控技术的基本知识 和现代数控的发展方向 哈尔澳工业大学机电学院 教控技术研究空 2004年5月12日
数控技术的基本知识 和现代数控的发展方向 哈尔滨工业大学机电学院 数控技术研究室 2004年5月12日
第一部分数控技术的基本概念 1.1数控与数控机床1.概念 ◆数控:数字控制(NC- Numerical contro),以数字化信 息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。NC已成为 数控加工的专用术语。 ◆数控技术:用数控机床(数控设备)进行自动化加工的 种技术,它综合应用了多种学科的知识。 ◆数控机床:是实现柔性自动化的关键设备,是柔性自动生 产系统的基本单元。 ●数控技术是现代先进制造技术的基础,其技术水平和普及 程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。 ●cNC与CAD/ CAM/CAPP/关系:通讯 CAD:计算机辅助设计( Computer Aided design) CAM:计算机辅助制造( Computer Aided maunfacturing) CAE:计算机辅助工程 Computer Aided Engineering)
第一部分 数控技术的基本概念 1.1 数控与数控机床 1.概念 ◆数控: 数字控制（NC — Numerical Control）,以数字化信 息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。NC已成为 数控加工的专用术语。 ◆数控技术：用数控机床（数控设备）进行自动化加工的一 种技术，它综合应用了多种学科的知识。 ◆数控机床：是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生 产系统的基本单元。 ●数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及 程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。 ●CNC与CAD/CAM/CAPP /关系 : 通讯 ▼CAD :计算机辅助设计(Computer Aided Design) ▼CAM:计算机辅助制造(Computer Aided Maunfacturng) ▼CAE :计算机辅助工程(Computer Aided Engineering)
初 详 生 制 步分订细制产 机器人编程 装检 设括折设 准 C 设编 加 计我计图备计程 造工配验品 CAPP CAE CAD CAM CAD/CAM CADICAM/CAE 广义CAD 广义CAM 义 CAD/CAM CAD CAM CAE范畴划分 ●CNC与现代先进制造系统关系:CNC用在制造系统中 CNC: DNC-FMC- FMS-CIMS-FA 并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、 绿色制造、纳米制造、高速加工等等
CAD CAM CAE 范畴划分 ●CNC与现代先进制造系统关系: CNC用在制造系统中 CNC： DNC – FMC – FMS – CIMS – FA 并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、 绿色制造、纳米制造、高速加工等等。 初 步 设 计 分 析 模 拟 详 细 设 计 制 图 生 产 准 备 工 艺 设 计 N C 编 程 机 器 人 编 程 制 造 N C 加 工 装 配 检 验 产 品 CAE CAD CAM CAD/CAM CAD/CAM/CAE 广义CAD 广义CAM 广义CAD/CAM CAPP
2数控技术产生的原因 ■高精度、高效率; ■刚性自动化不能满足的要求(手工、小规模、大规模生产); ■柔性自动化(多品种、变批量)、复杂零件的加工(多坐 标加工); 计算机技术的发展。 3数控技术的发展历史 ■1952年,第一代电子管数控系统; ■1959年,第二代晶体管数控系统。随之岀现刀库,机械手、 加工中心; ■1960年,第三代集成电路数控系统,硬逻辑数控系统(称为 NC ■1970年,第四代小型计算机数控(CNC); ■1974年,第五代微型计算机数控(MNC,统称CNC); ■1980年后,FMS、FMC、CIMS、开放式数控( open NC)系 统、智能制造系统(IMS)大发展。 1990年后,高速加工,纳米制造
2.数控技术产生的原因 ■高精度、高效率； ■刚性自动化不能满足的要求（手工、小规模、大规模生产）； ■柔性自动化（多品种、变批量）、复杂零件的加工（多坐 标加工）； ■计算机技术的发展。 3.数控技术的发展历史 ■1952年，第一代电子管数控系统； ■1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、 加工中心； ■1960年，第三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统（称为 NC； ■1970年，第四代小型计算机数控（CNC ）； ■1974年，第五代微型计算机数控（MNC，统称CNC） ； ■1980年后，FMS、FMC、CIMS、开放式数控（open NC）系 统、智能制造系统（IMS）大发展。 ■1990年后,高速加工，纳米制造
12数控机床的工作原理 1.机床数字控制的原理 将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代 码和格式编写成加工程序,然后将程序输入数控装置,按照程 位移动,其合成运动实现了力具与上件的相对运动,完成零件 的加工 最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理,即轨 迹控制原理(插补原理)。 ◆点位控制:严格控制点到点的距离,不严格要求路径,运 动中不加工。X 图1.1点位控制
1.2 数控机床的工作原理 1.机床数字控制的原理 将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代 码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程 序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单 位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件 的加工。 最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理，即轨 迹控制原理（插补原理）。 ◆点位控制：严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运 动中不加工。 X Y O 1 P Q 2 3 图1.1点位控制
◆轮廓控制 加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时,需要多坐标联动。 以平面(两维)的任意曲线L为例,要求刀具T沿(逼近)曲线 轨迹运动,进行切削加工。 如图2所示。将曲线L分割成:ll1l2…,l等线段 用直线(或圆弧)代替(逼近)这些线段,当逼近误差6相当 小时,这些折线段之和就接近了曲线。 X 12 10 图1,2轮廓控制 轮廓控制也称连续轨迹控制,它的特点是不仅对坐标的移动量 进行控制,而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控 制,以便加工出给定的轨迹
◆轮廓控制： 加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。 以平面（两维）的任意曲线L为例，要求刀具Τ沿（逼近）曲线 轨迹运动，进行切削加工。 如图1.2所示。将曲线L分割成：l 0、l 1、l 2 ……、l i等线段。 用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差δ相当 小时，这些折线段之和就接近了曲线。 轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的移动量 进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控 制，以便加工出给定的轨迹 11 12 13 15 16 δ △x △y 14 X 1O 1Y 1T 1L 图1.2轮廓控制
这种在允许的误差范围内,用沿曲线逼近函数的最小单位移动 量合成的分段运动(小线段、小圆弧)代替任意曲线运动,以得出 所需要的运动轨迹,是数控的基本构思之一。 插补( Interpo on) 是用被加工轨迹的有限信息(如起点和终点之间),计算插 进刀具运动的许多中间点,进行数据点的密化工作,然后用已知线 型(如直线、圆弧等)逼近。 插补有二层意义:基本线型的形成及如何分段逼近。 基本线型:由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物 线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直 接插补、纳米插补、光顺插补等,插补指令越多,越能实现复杂型 面的加工。 分段逼近:按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。 ◆插补分类:基准脉冲插补、数据采样插补(主要方法) ◆基点和节点 基点:在数控加工图纸中,基本线型的交点称为 节点:轮廓轨迹上的插入点(逼近线型与轮廓轨迹的交点)
: 这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动 量合成的分段运动（小线段、小圆弧）代替任意曲线运动，以得出 所需要的运动轨迹，是数控的基本构思之一。 ◆插补（Interpolation） 是用被加工轨迹的有限信息（如起点和终点之间），计算插 进刀具运动的许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线 型（如直线、圆弧等）逼近。 插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近。 基本线型：由插补指令完成。如直线插补、圆弧插补、抛物 线插补、螺旋线插补、极坐标插补、圆柱插补、样条插补、曲面直 接插补、纳米插补、光顺插补等，插补指令越多，越能实现复杂型 面的加工。 分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。 ◆插补分类：基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。 ◆基点和节点 基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点称为； 节点：轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）
◆为什么补用数学函数直接插补? ①计算费时间,不能满足实时控制的要求; ②有的被加工轮廓用列表点表示的,没用数学公式; ③数控加工时运动不能突变,要满足加速度的要求
◆为什么补用数学函数直接插补？ ① 计算费时间，不能满足实时控制的要求； ② 有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式； ③ 数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求
2.数控机床的控制 ●轨迹控制 ●开关量控制 1.3数控机床的组成及分类 1.数控机床的组成 ●数控系统:1/0接口、CNc装置、伺服系统、PLG ●机械主机:主运动机构、进给运动机构、辅助机 构、床身等 输入 数控装置 驱动装置 机床 测量反馈 图3数控机床的组成
2.数控机床的控制 ●轨迹控制 ●开关量控制 1.3 数控机床的组成及分类 1.数控机床的组成 ●数控系统：I/0接口、CNC装置、伺服系统、PLC ●机械主机：主运动机构、进给运动机构、辅助机 构、床身等 输入 数控装置 驱动装置 M 机床 G 测量反馈 图3 数控机床的组成
2.数控机床的应用 1)多品种变批量、单件小批量的自动化 2)柔性加工和柔性自动化 小批量而又轮番生产的零件; ◆几何形状复杂的零件 ◆在加工过程中必须进行多种工序加工的零件; ◆切削余量大的零件; ◆必须严格控制公差(公差带范围很小)的零件; ◆工艺设计会经常变化的零件; ◆贵重零件; ◆需全部检测的零件,等等。 3.数控机床的分类 )按控制运动的轨迹特点分类 ◆点位控制数控机床 ◆直线控制数控机床(单轴数控) ◆轮廓控制的数控机床ε分为两坐标联动,2.5坐标联动,三坐 标联动,四坐标联动,五坐标联动等数控机床。五坐标联动 是关键技术
2 .数控机床的应用 1）多品种变批量、单件小批量的自动化 2）柔性加工和柔性自动化 ◆小批量而又轮番生产的零件； ◆几何形状复杂的零件； ◆在加工过程中必须进行多种工序加工的零件； ◆切削余量大的零件； ◆必须严格控制公差（公差带范围很小）的零件； ◆工艺设计会经常变化的零件； ◆贵重零件； ◆需全部检测的零件，等等。 3 .数控机床的分类 1）按控制运动的轨迹特点分类 ◆点位控制数控机床 ◆直线控制数控机床(单轴数控) ◆轮廓控制的数控机床：分为两坐标联动，2.5坐标联动，三坐 标联动，四坐标联动，五坐标联动等数控机床。五坐标联动 是关键技术