数控技术绪论讲义.

电主轴
将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的 内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分 电动机与主轴融合在一起 —— ―零传动”
第一章 绪论
4 检测装置
将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，反馈给 CNC装置，与指令值比较产生误差信号 ，从而调整机 床运动。
安装：机床的工作台或丝杠上
常用检测装置 光栅、感应同步器、磁栅（线位移/工作台/闭环） 光电编码器，旋转变压器（角位移/丝杆/半闭环）
特点：
结构简单、价格低廉、工作稳定，调试方便
维修简单，但精度不高，功率不大。
适用：经济型数控机床
第一章 绪论
半闭环控制系统
伺服 放大器
工作台
数控装置
伺服电动机
位置检测/角位移 编码器）
（
第一章 绪论
位置检测装置安装在电动机或丝杠轴端，测选择角度（用光电编 码器、旋转变压器 ） 驱动元件——伺服电机 环路内不包括或只包括少量机械传动环节，so 稳定性好于全闭环
交流伺服 直线伺服
主导地位 一种直接驱动方式（Direct Drive） ―零传动” 性能优异：加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍， 进给速度是传统的4～5倍 理想驱动模式
第一章 绪论
3.伺服系统
6）主轴伺服系统 早期 现代 变频器 （主轴旋转运动）
三相感应同步电动机＋多级变速箱 交流主轴驱动系统 对主轴转速控制

丝杠存在间隙，误差难以消除（螺距误差和齿轮间隙）——可采 用软件补偿
结构简单、调试方便、精度也较高 在现代CNC机床中得到了广泛应用
第一章 绪论
闭环控制系统系统

位置采样点——工作台，直接检测运动部件的实际位置， 精度高 （检测元件——光栅，磁栅，感应同步器） 驱动元件：伺服电机

闭环环路内包括机械传动环节多，易导致系统不稳定
数控机床
用数控技术实现加工控制的机床。
1-2 数控机床的组成
第一章 绪论
1-2 数控机床的组成
数控机床一般由机床本体、数控装置、伺服系统、测 量装置、输入输出设备和一些辅助装置组成。
辅助装置
输入 输出 设备
数控 装置
伺服 系统
机床 本体
测量反馈装置
第一章 绪论
1. 机床本体 — 主机
–机床：数控机床的主体，是完成切削运动、实 现制造加工的执行部件。
CNC装置 指令 变换与放大 大功率信号 驱动装置 分类： 脉冲式 模拟式
刀架或工 作台运动
交流伺服单元 直流伺服单元
第一章 绪论
3.伺服系统 4）驱动装置 组成： 电源 、电机 → 机械运动
作用：（电信号）放大信号 步进电机
直流伺服电机
交流伺服电机
第一章 绪论
3.伺服系统 5）进给伺服系统 （工作台或刀架）
第一章 绪论
6. 输入输出设备 1）键盘/显示器 显示器 ： 数码管 （七段显示器） 米字管
序
CRT显示器、液晶显示器 2）传统输入设备
纸带机 、光电阅读机、录放机、磁带机等
3）通讯 串行通讯 RS232C 直接通讯 DNC
第一章 绪论
1-3 机床数控的分类
按运动轨迹分类
按伺服系统分类
点位控制系统 直线控制系统 轮廓控制系统
轮廓控制相关的控制量 （ a、各坐标轴的进给量、进给方向和速度指令； b、主轴的变速等 ）
第一章 绪论
可编程控制器（PLC） 用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O开关量控制； 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
式网络传送数字伺服控制信息；
数控系统与上级主计算机间的通信； 与车间现场设备及I/O装置的通信，主要通过现场总线，如PROFIBUS
等进行通讯；
通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据； 通过因特网与另一个工厂交换制造数据。
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– 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。
控制信号： （开关量） — M、S、T等机床侧I/O信号（主轴正 反转、换刀、 限位、冷却开关、润滑开 关、工件装夹等） — 操作面板
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3.伺服系统——位置控制系统
1）组成 伺服单元 驱动装置
–组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、 拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、 床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统 工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置 等）。
–机床类型：车、铣、磨
第一章 绪论
2. 数控装置
数控机床的核心
- 组成： CPU、存储器（RAM/ROM）、总线、外围逻辑电路和与CNC 系统的其它部分联系的接口 - 功能： 将接收到的数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或 系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息 和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动 和动作。 包括： 开机初始化、程序输入、译码、数据处理（刀补、 速度计算、辅助功能处理）、插补、伺服控制、管 理程序等 - 控制信号：
闭环数控系统复杂、调试较难、成本高，一般恒温工 作，用于高精度设备的控制
第一章 绪论
按照CNC装置的功能水平分
第一章 绪论
1-4 数控系统的发展
2阶段7代
1952 1970
~
1970
至今
~
数控（NC）阶段
计算机数控 （CNC）阶段
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NC阶段 第一代: 1952年 ,电子管控制的第一台三坐标联动的铣床； 第二代:1959年,出现了晶体管控制的“加工中心”； 第三代:1965年,出现了小规模集成电路.使数控系统的可靠性得到了进 一步的提高； 第四代:1967年以计算机作为控制单元的数控制系统.FMS(Flexible Manufacturing System) ,柔性制造系统。
作用：以各坐标为控制对象，为控制切削进给运动， 提供切削转矩 要求： 定位精度
跟踪精度 加工精度 进给速度
第一章 绪论
3.伺服系统 进给伺服细分：
步进伺服系统： 结构简单，精度差 ，速度低 直流伺服：
控制简单，调速性能好 机械结构复杂、维护工作量大
——经济型数控机床
机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度－瓶颈
数控轮廓控制示意图
数控车床、数控铣床、数控线切割机 床、数控加工中心等，现代的数控机 床基本上都是装备的这种数控系统。
第一章 绪论
按伺服系统分类
开环控制系统 半闭环控制系统 闭环控制系统
第一章 绪论
开环控制系统
a、无反馈检测装置 （稳定性问题 ） b、驱动元件——步进电机 c、加工精度不高，精度主要取决于步进电机和机械传 动机构（丝杆）的性能和精度。
开环控制系统 半闭环控制系统 闭环控制系统
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点位控制系统
特点： 精确地控制刀具相对工件从一个 坐标点移动到另一个坐标点（点点） 移动时不切削 对轨迹,速度不作要求 “快速趋近，减速定位”方法实现 控制。
数控钻床点位控制示意图
应用： 数控钻床、镗床和冲床等。
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直线控制系统
第一章 绪论
3.伺服系统
CNC装置决定数控机 床功能强弱； 伺服系统决定数控机 床性能好坏；
2）作用
保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令,准确控制机床刀具或 工作台位置： –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）
3）伺服单元
不仅控制刀具或工作台从一个点准 确地移动到下一个点，而且保证在两点 之间的运动轨迹是一条直线的控制系统 a、点与点有位置、速度、轨迹要求 b、沿平行坐标轴方向切削
应用：
数控车床、数控镗铣床等。
数控铣床直线控制示意图
第一章 绪论
轮廓控制系统
对两个或两个以上的坐标轴同时进行 严格连续控制的系统 ，能加工曲面、凸 轮等复杂形状零件； 能控制整个加工过程每一点的速度与 位移量； 在运动中完成切削； 应用：
第五代:1970年,美国英特尔开发使用了微处理器.
第六代： PC数控 第七代： 开放式数控
数控系统的发展趋势 高速高精度 智能化 应用自适应控制技术 自动编程技术 具有故障自动诊断功能 应用模式识别技术 开放式数控系统
基于网络的数控系统
基于网络的数控系统
数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的 通信，主要通过SERCOS链
开环/闭环 开环：无位置检测，精度由步进电机和丝杠精度控制 闭环：有位置检测，精度主要取决于测量装置
第装置包括主轴运动部件的变速、 换向和启停指令，刀具的选择和交换指令， 冷却、润滑装置的启停工件和机床部件的 松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关 辅助动作。辅助控制装置的主要作用是 接收数控装置输出的开关量指令信号， 经过编译、逻辑判别和运算，再经功率 放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、 液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。
数控技术
第一章 绪论
1-1 数控技术的基本概念
1-2 数控机床的组成
1-3 机床数控的分类 1-4 数控系统的发展
第一章 绪论
1-1 数控技术的基本概念
数控技术(NC)
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(NCS)
利用数字控制技术实现的自动控制系统，自 动阅读输入载体上事先给定的数字量，并将 其译码，运算，从而控制刀具与工件的相对 运动，加工出所需要的零件。