《CNC原理简介》PPT课件.ppt

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力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),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。,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。,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。,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：l0、l1、l2、li等线段。 用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差相当 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,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（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）。,为什么不用数学函数直接插补？ 计算费时间 ，不能满足实时控制的要求； 有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式； 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：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,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 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。,2）按伺服系统的控制类型分类 开环控制的数控机无反馈信号 全闭环控制的数控机床从机床侧反馈,如带光栅尺 半闭环控制的数控机床从马达侧反馈,如但编码器 3）按工艺方法分类 金属切削类数控机床： 数控车床，数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加 工中心等。 金属成型类及特种加工类数控机床:冲床,电加工,水刀机 4）按功能水平分类： 高、中、低档（亦称经济型） 5）按驱动方式分类 步进式 用脉冲驱动步进马达 直流伺服 交流电整流成可控制的直流电来控制直流马达 交流伺服 交流电整流成在逆变成可控制幅值和频率的交流来带动交流马达 直线电机 直线电机是一种通过将封闭式磁场展开为开放式磁场，将电能直接转化为直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置,直线电机的结构,直线电机的结构可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，并将电机的圆周展开成直线而形成的。其中定子相当于直线电机的初级，转子相当于直线电机的次级，当初级通入电流后，在初次级之间的气隙中产生行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动。 近几年来，世界上一些发达国家开始将直线电机技术应用于数控机床直线运动驱动系统中，代替传统的伺服电机+滚珠丝杠副驱动系统，取得了巨大的成功。,直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较,1.高速响应 由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。 2. 精度 直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。 3. 动刚度高 由于“直接驱动“，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。 4. 速度快、加减速过程短 由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述“零传动“的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达210g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0.10.5g。 5. 行程长度不受限制 在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。 6. 运动动安静、噪音低 由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。 7. 效率高 由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高,第二部分 数控机床控制系统（CNC） 2.1 CNC系统的组成 CNC系统由“数控装置”、“伺服系统”和系统程序组成。 数控装置（专用计算机）：硬件和软件组成。 伺服系统：检测装置、驱动装置和伺服电机组成。 2.1.1 数控装置的硬件组成及功能 1.数控装置的硬件包括： 微机基本系统：CPU、总线、存储器、I/O设备等 数控接口组件：进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件 手摇脉冲发生器接口组件等。 接口：人机界面接口、通讯接口、机电接口 辅助功能（M）控制接口等 2.硬件功能： 与软件一起接收输入信息（程序）、经过译码、轨迹计算（速 度计算）、补偿计算、加/减处理和插补运算，给各个坐标的 伺服驱动器分配速度、位移指令，完成数控加工任务。,3.硬件具体组成 微机基本系统 人机界面接口:键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器 通讯接口、 RS232、RS485串行接口、网络接口 进给轴位置控制接口 主轴控制接口 辅助功能（M 指令）控制接口,图4 单CPU数控装置,2.1.2 数控装置软件的基本组成和功能 软件由控制功能程序、管理功能程序组成 1.控制功能程序-实时性强,用于进给坐标的位置控制，中断完成; 译码; 预处理（刀补和速度处理）； 插补； 位控； 2.管理功能程序-实时性稍差，但要保证控制软件数据的供给传 递，具体见图。,图5 数控装置软件组成,数控系统的插补原理简介,第三部分 数控机床的结构簡介 3. 1 机床本体 机床本体也称主机，它包括: 主运动部件:主轴箱及主轴； 进给运动部件：进给传动件、工作台、刀架、导轨等； 基础部件：支撑部件，如：底座、床身、立柱等； 特殊部件：刀库、自动换刀装置和托