____!数控第章绪论.ppt

1,数控技术教学课件,长春理工大学2012.02,数控技术教学课件,2,3,机床数控技术的基本概念数控机床的工作流程数控机床的组成与分类数控机床的特点及适用范围数控技术的发展趋势,主要内容,4,主要内容,自从上20世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化；数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，CAD/CAM，FMS（柔性制造系统）和CIMS（计算机集成制造系统）、敏捷制造和智能制造等，都建立在数控技术之上；,1.1数控技术的基本概念,5,数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；是国家的战略技术，基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。,6,主要内容,1.什么是数控？即数字控制（NumericalControl）简称，是指利用数字化信息进行控制，其控制对象可以是各种生成过程。2.什么是机床数控技术?用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种技术。3.什么是数控机床(NumericalControlMachineTools）数控机床是一个装有数字控制系统的机床，该系统能够处理加工程序,控制机床自动完成各种加工运动和辅助运动。4.数控机床控制的实现需求？1）几何信息描述刀具和工件间的相对运动2）用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数,7,零件图数控系统机床,上述几何信息和工艺信息按一定的格式形成加工文件（即数控加工程序）存放在信息载体上（如磁盘、穿孔纸带、磁带等），然后由机床上的数控系统读入（或直接通过数控系统的键盘输人，或通过通信方式输入），通过对其译码，从而使机床动作和加工零件。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。,1.2数控机床的工作流程,8,工艺处理,加工图纸,数学处理,编程手册,数控编程,程序仿真,输入装置,加工程序,毛坯或半成品,数控系统,数控机床,程序编制,成品,译码、数据处理、插补、伺服驱动,N5G01G41X100.0Y100.0D01F100M08;,1.2数控机床的工作流程,9,1）数控编程根据加工路线、工艺参数、刀位数据及数控系统规定的功能指令代码及程序段格式，编写数控加工程序。程序编完后，可存放在控制介质（如软盘、磁带）上。,10,2）程序输入数控加工程序通过输入装置输入到数控系统。目前采用的输入方法主要有软驱、USB接口、RS232C接口、MDI手动输入、分布式数字控制（DirectNumericalControl，DNC）接口、网络接口等。数控系统一般有两种不同的输入工作方式：一种是边输入边加工，DNC即属于此类工作方式；另一种是一次将零件数控加工程序输入到计算机内部的存储器，加工时再由存储器一段一段地往外读出，软驱、USB接口即属于此类工作方式。,11,3）译码数控系统按一个程序段为单位，按照一定的语法规则把数控程序解释、翻译成计算机内部能识别的数据格式，并以一定的数据格式存放在指定的内存区内。在译码的同时还完成对程序段的语法检查。一旦有错，立即给出报警信息。,12,4）数据处理数据处理程序一般包括刀具补偿、速度计算以及辅助功能的处理程序。刀具补偿有刀具半径补偿和刀具长度补偿。刀具半径补偿的任务是根据刀具半径补偿值和零件轮廓轨迹计算出刀具中心轨迹。,13,5）插补插补的任务就是通过插补计算程序，根据程序规定的进给速度要求，完成在轮廓起点和终点之间的中间点的坐标值计算，也即数据点的密化工作。,14,6）伺服控制与加工伺服系统接受插补运算后的脉冲指令信号或插补周期内的位置增量信号，经放大后驱动伺服电机，带动机床的执行部件运动，从而加工出零件。,15,二、数控机床的工作流程,数控程序编制,2程序输人,3译码,4数据处理（刀具补偿等）,5插补,6位置控制和机床加工,数控装置,控制机床运动完成零件加工,1程序编制,16,主要内容,数控机床,机床本体,数控系统,外围技术,数控装置,伺服驱动装置,测量反馈装置,工具系统,编程技术,管理技术,Machinetool,MachineControlunit,Servo-driveunit,FeedbackTransducer,1.2数控机床的组成,17,机床本体完成各种切削加工的机械部分,机床本体组成,-主运动部件、进给运动部件-支承件（立柱、床身等）-特殊装置-辅助装置,18,机床本体,19,主要内容,数控系统（NumericalControlSystem）是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。,计算机数控系统（ComputerNumericalControl，CNC）是以计算机为核心的数控系统。,20,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,装置,21,主要内容,操作面板人机交互,22,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,装置,23,主要内容,输入输出装置可以通过多种方式获得数控加工程序:穿孔纸带MDI（ManualDataInput）方式软驱USB接口RS232C接口DNC接口,24,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,装置,1.2数控技术组成,25,主要内容,组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理，然后输出控制命令到伺服驱动装置和PLC。CNC装置是CNC系统的核心。,计算机数控装置,26,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,设备,27,主要内容,伺服系统接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件主轴伺服单元和主轴电机进给伺服单元和进给电机测量反馈装置位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：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）,28,主要内容,数控系统组成,机床I/O电路和装置,检测装置,主轴驱动装置,进给驱动装置,主轴伺服单元,进给伺服单元,计算机,数控,装置,操作面板,PLC,计算机数控系统,机,床,辅助控制机构,进给传动机构,主运动机构,输入输出,设备,29,主要内容,PLC、机床I/O电路和装置-PLC(ProgrammableLogicController)用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制；-机床I/O电路和装置实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路）;-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；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。,30,主要内容,适应性、灵活性好精度高、质量稳定生产效率高劳动强度低、劳动条件好有利于现代化生产与管理使用、维护技术要求高,1.4数控机床的特点与分类,数控机床的特点:,31,主要内容,数控机床的分类(Types),1.4数控机床的特点与分类,32,主要内容,1、点位控制(PointtoPointControlSystems),一、按运动控制方式分类:,仅实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。,33,主要内容,2、直线控制不仅要求控制点到点的精确定位，而且要求机床工作台或刀具（刀架）以给定的进给速度，沿平行于坐标轴的方向或与坐标轴成45角的方向进行直线移动和切削加工。,34,主要内容,3、轮廓控制(ContouringControlSystems)对多个坐标轴同时进行控制，使之协调运动(坐标联动)，使刀具相对工件按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工。可加工曲面、叶轮等复杂形状的零件,35,主要内容,两坐标加工,二轴半或三坐标加工,四坐标加工,五坐标加工,36,主要内容,1、开环控制(Open-LoopServo-Drive),二、按伺服系统的控制原理分类:,数控装置,37,主要内容,特点:没有位置检测装置，信号单向。结构简单，制造成本较低，价格便宜,精度一般不高。用于经济型数控车、铣、线切割机床。,电机,机械执行部件,A相、B相C相、,f、n,CNC插补指令,脉冲频率f脉冲个数n换算,脉冲环形分配变换,功率放大,38,2、半闭环控制(Half-Closed-LoopServo-Drive),速度控制,电路,工作台,伺服电机,位置比较,电路,指令脉冲,速度反馈,位置反馈,检测元件,39,主要内容,特点:带有位置检测装置，常安装在伺服电机上或丝杠的端部;不包括丝杠螺母副及机床工作台导轨副等大惯量环节，因此可以获得稳定的控制特性，而且调试比较方便，价格也较全闭环系统便宜。,40,主要内容,3、闭环控制(Closed-LoopServo-Drive),特点:带有位置检测装置,安装在机床刀架或工作台等执行部件上;系统稳定性受到影响,调试困难,且结构复杂、价格昂贵。,41,主要内容,1、经济型数控机床步进电机实现的开环驱动，功能简单、价格低廉、精度中等，能满足加工形状比较简单的直线、圆弧及螺纹加工。一般控制轴数在3轴以下，脉冲当量（分辨率）多为0.01mm，快速进给速度在10mmin以下。,三、按功能水平分类:,42,主要内容,2、中档型数控机床采用交流或直流伺服电机实现半闭环驱动，能实现4轴或4轴以下联动控制，脉冲当量为1m，进给速度为15-24mmin，一般采用16位或32位处理器，具有RS232C通信接口、DNC接口和内装PLC，具有图形显示功能及面向用户的宏程序功能。,43,主要内容,3、高档型数控机床采用交流伺服电机形成闭环驱动，开始采用直线伺服电机，能实现5轴以上联动，脉冲当量（分辨率）为0.1-1m，进给速度可达100mmin以上。一般采用32位以上微处理器，形成多CPU结构。编程功能强，具有智能诊断、联网和通信功能。,44,主要内容,分为：金属切削数控机床、金属成形数控机床、特种加工数控机床。也可分为：普通数控机床（指加工用途、加工工艺单一的机床）和加工中心（指带有自动换刀装置、能进行多工序加工的机床）。,四、按工艺方法分:,45,主要内容,按工艺方法分,数控车床,46,主要内容,按工艺方法分,数控车床,47,主要内容,按工艺方法分,数控车床,双主轴,48,主要内容,按工艺方法分,数控车床,双主轴、双刀塔CNC车床结构示意,49,主要内容,按工艺方法分,双主轴、3刀塔的复合加工CNC车床,50,主要内容,数控铣床,51,主要内容,加工中心,52,主要内容,按工艺方法分,数控加工示例:,磨削,53,主要内容,数控机床的适用范围,通用机床,专用机床,数控机床,零件复杂程度,零件批量,小批量产品产品品种的变换频繁加工方法的区别大生产效率高,54,主要内容,第一代数控（1952-1959年）：采用电子管构成的硬件数控系统；第二代数控（1959-1965年）：采用晶体管电路为主的硬件数控系统；第三代数控（1965年开始）：采用小、中规模集成电路的硬件数控系统；第四代数控（1970年开始）：采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统；第五代数控（1974年开始）：采用微型计算机控制的系统；第六代数控（1990年开始）：采用工控PC机的通用CNC系统。,硬件数控,软件数控,1.5数控技术的发展趋势,55,1.5数控技术的发展趋势,运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化驱动并联化交互网络化,56,主要内容,1.运行高速化,主轴高速化：采用电主轴（内装式主轴电机），即主轴电机的转子轴就是主轴部件。主轴最高转速达200000r/min以上主轴转速的最高加（减）速为1.0g以上换刀速度0.9秒（刀到刀）2.8秒（切削到切削）工作台（托盘）交换速度,1.5数控技术的发展趋势,57,主要内容,2.加工高精化：提高机械设备的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本交流伺服电机已有装上106脉冲/转的内藏位置检测器，其位置检测精度能达到0.01m/脉冲）；位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。,1.5数控技术的发展趋势,58,主要内容,采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术;设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080。,1.5数控技术的发展趋势,59,主要内容,3.功能复合化,工件自动装卸、工件自动定位；刀具自动对刀；工件自动测量与补偿；集钻、车、镗、铣、磨为一体的“万能加工机床”等。,1.5数控技术的发展趋势,60,主要内容,镗铣钻复合加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；车铣复合车削中心（ATC，动力刀头）；铣镗钻车复合复合加工中心（ATC，可自动装卸车刀架）；铣镗钻磨复合复合加工中心（ATC，动力磨头）；可更换主轴箱的数控机床组合加工中心；,1.5数控技术的发展趋势,61,主要内容,4.控制智能化,配置各种微型传感器，具有监控和误差自动补偿功能。,1.5数控技术的发展趋势,“不仅有体力，而且有头脑，自己管理自己”,62,主要内容,1.5数控技术的发展趋势,自主管理,63,主要内容,1.5数控技术的发展趋势,设计巧妙的5杆并联机构,电滚珠丝杠,电主轴,64,6.交互网络化,除有RS232C串行接口、RS422等接口外，还带有DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信和直接对几台数控机床进行控制。有的已配备与工业局域网（LAN）通信的功能，促进系统集成化和信息综合化，使远程操作和监控、遥控及远程故障诊断成为可能。,1.5数控技术的发展趋势,65,计算机直接数控系统(DNC)DNC定义：计算机直接数控系统(DNC)，也称计算机群控系统，就是使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。DNC特点：1)DNC技术使CNC与通信网络联系在一起；2)一台中央计算机为数台数控机床进行自动编程DNC对CAD/CAPP/CAM以及CNC的程序进行传送和分级管理；3)DNC技术可以传送维修数据，使用户与数控生产厂家直接通信；进而把制造厂家联系在一起，构成虚拟制造网络。,66,柔性制造系统(FMS)也叫计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。现已形成在自动化程度和规模上不同的多种层次和级别的柔性制造系统。(1)柔性制造单元（FMC）柔性制造的硬件基础(也是制造系统的基本级别）：带有自动换刀装置(AutomaticToolChanger，ATC)的数控加工中心。(2)柔性制造系统（FMS）特征：1)具有多台制造设备；2)具有一个物料运输系统；3)一台高级计算机自动多级控制与管理。组成：加工、物流、信息,67,计算机集成制造系统(CIMS)简介(1)CIMS的定义计算机集成制造系统（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。(2)CIMS的结构1)生产/制造系统；2)硬事务处理系统；3)技术设计系统；4)软事务处理系统；5)信息服务系统；6)决策管理系统,68,计算机集成制造系统(CIMS)简介,69,主要内容,1.5数控技术的发展趋势,新型功能部件,在传统机床中，电动机和机床部件是借助耦合元件，如皮带、齿轮和连轴节连接，实现部件所需的移动或旋转，“机”和“电”是分家的。机电一体化的功能部件是将电动机与机械部件集成为一体，如电主轴、直线电动机、电滚珠丝杆和力矩电动机等。机电一体化的功能部件简化了机床结构，提高机床的刚度和动态性能以及加工精度。,70,1.5数控技术的发展趋势,新型功能部件,电主轴,71,主要内容,1.5数控技术的发展趋势,新型功能部件,电主轴是主轴部件、驱动电动机和刀具自动夹紧机构的集成，结构比较复杂。电主轴不仅要借助精密的零部件保持较高的回转精度和刚度，还要发热少、热变形小，润滑和冷却以及热变形补偿是关键技术。万能铣头是大型45轴数控机床的主要部件之一，不