数控技术基础与应用课件1.ppt

上午2时21分 数控技术基础与应用 1 数控技术基础与应用 西安思源学院机电系数控技术教研室 上午2时21分 数控技术基础与应用 2 1 产生背景从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有 自动机床组合机床专用自动生产线它们存在固有的缺点 初始投资大准备周期长柔性差 主轴承盖加工数控组合机床 轴承盖加工自动线 1 1数控机床的产生于发展 上午2时21分 数控技术基础与应用 3 上述方法仅适用批量较大的零件生产 然而 随着市场竞争的日趋激烈产品更新换代周期缩短 批量大的产品越来越少 而小批量产品的生产所占的比重越来越大 约占总加工量的80 以上 在航空 航天 重型机床以及国防部门尤其如此 因此 迫切需要一种精度高 柔性好的加工设备来满足上述需求 这是机床数控技术产生和发展的内在动力 另一方面 电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础 这是机床NC技术产生和发展的可能性 NC技术正是在这种背景下诞生和发展起来的 它极其有效地满足了上述要求 为小批量 精密复杂的零件生产提供了自动化加工手段 它的产生给自动化技术带来了新的概念 推动了加工自动化技术的发展 1 2数控加工的基本知识 上午2时21分 数控技术基础与应用 4 数控加工与传统加工的比较 工艺分析 数控加工程序 工序卡 传统加工 数控加工 图2传统加工与数控加工的比较图 第一章数控技术概述 上午2时21分 数控技术基础与应用 5 1 1数控技术的基本概念与特点 二数控技术的特点提高加工精度提高生产效率改善工作条件有利于生产管理便于实现自动化便于实现网络化便于实现智能化 上午2时21分 数控技术基础与应用 6 1 2数控加工的基本知识 数字控制 NumericalControl NC数控技术 用数字信号控制机床的技术 数控机床 装备了数控系统的机床 上午2时21分 数控技术基础与应用 7 1 数字控制 NumericalControlNC 是一种借助数字 字符或其它符号对某一工作过程 如加工 测量 装配等 进行可编程控制的自动化方法 2 数控技术 NumericalControlTechnology 采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术 1 2 1数控加工的基本术语 上午2时21分 数控技术基础与应用 8 3 数控机床 NumericalControlMachineTools 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床 它数控技术典型应用的例子 4 数控系统 NumericalControlSystem 实现数字控制的装置 5 计算机数控系统 ComputerNumericalControlCNC 以计算机为核心的数控系统 1 2 1数控加工的基本术语 上午2时21分 数控技术基础与应用 9 2 发展沿革1952研制了世界第一台三坐标立式数控铣床 50 60年代 发展到NC 硬件数控 阶段 70年代 发展到CNC 计算机数控 阶段 80年代 出现高速高精度CNC的开发和应用阶段 90年代 基于PC的开放式CNC的开发与应用 当代 也主要是基于PC的CNC开放式系统 软件有所提高 1 2数控加工的基本知识 2020年1月24日 数控技术基础与应用 10 1 2数控技术的产生与发展 一 数控技术的产生1948年 麻省理工学院 帕森斯公司研制1952年 世界第一台三坐标数控铣床诞生1955年 投入实用阶段注 该数控机床是在1946年计算机问世的前提下诞生的 数控系统由电子管构成且为硬线数控系统 上午2时21分 数控技术基础与应用 11 1952年 第一台数控机床在MIT问世 成为世界机械工业史上一件划时代的事件 推动了自动化的发展 当时控制程序是记录在纸带上的字符和数字 故称数字控制机床 1955年 第一台商业数控机床在美国全国机床展览会上展出 图第一台数控机床 上午2时21分 数控技术基础与应用 12 1 4 1数控技术的产生与发展计算机技术的每一点进步都在推动数控技术向前发展 六代 1电子管 1952 ParsonsCorp MIT 美空军后勤司令部合作 第一台立式铣 2晶体管 印刷电路 1959 晶体管元件的出现使电子设备的体积大大减小 数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板 K T开发第一台加工中心MILWAUKEE MATIC 3小规模集成电路 1965 由于它体积小 功耗低 使数控系统的可靠性得以进一步提高 1967英国最初的FMS 4通用小型计算机 1970 在美国芝加哥国际机床展览会上 首次展出了一台以通用小型计算机作为数控装置的数控系统 特征为许多数控功能由软件完成 5微处理器 1974 开始出现的以微处理器为核心的数控系统被人们誉为第五代数控系统 近30年来 装备微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用 6基于PC PC BASED 的数控 20世纪80年代 基于PC开发式数控系统 1 4数控技术的发展 上午2时21分 数控技术基础与应用 13 1 2数控技术的产生与发展 二 数控技术的发展从NC发展到CNCMC 加工中心 的发展DNC 直接数字控制 的发展FMC 柔性制造单元 的发展FMS 柔性制造系统 的发展CIMS 计算机集成制造系统 的发展IMS 智能制造系统 的发展 上午2时21分 数控技术基础与应用 14 1 2数控技术的产生与发展 六五 1981 1985年 引进国外技术 七五 1986 1990年 消化吸收 八五 1991 1995年 科技攻关 九五 1996 2000年 产业化攻关 三 我国数控技术的发展1958年 开始进行数控机床研制 JCS 018 富有成效的研制四阶段 上午2时21分 数控技术基础与应用 15 1 2数控技术的产生与发展 所取得的成果 达到当时世界先进水平 华中 型 数控系统 华中科技大学 中华 型 数控系统 珠峰数控公司 蓝天 型 数控系统 航天 型 数控系统 上午2时21分 数控技术基础与应用 16 1 4 2数控技术发展趋势1 高速高精度 机床向高速化方向发展 可充分发挥现代刀具材料的性能 可大幅度提高加工效率 降低加工成本 提高零件的表面加工质量和精度 上世纪90年代以来 高速主轴单元 电主轴 转速15000 100000r min 高速且高加 减速度的进给运动部件 快移速度60 120m min 切削进给速度高达60m min 高性能伺服系统以及工具系统都出现了新的突破 图切削速度的发展 上午2时21分 数控技术基础与应用 17 现代科学技术的发展 对机械加工高精度的提出了新的要求 普通的加工精度提高了一倍 达到5微米 精密加工精度提高了两个数量级 超精密加工精度进入纳米级 0 001微米 主轴回转精度要求达到0 01 0 05微米 加工圆度为0 1微米 加工表面粗糙度Ra 0 003微米等 近10多年来 普通级数控机床的加工精度已由 10 m提高到 5 m 精密级加工中心的加工精度则从 3 5 m 提高到 1 1 5 m 19931994199519961997年度Ra 表面粗糙度 um 加工误差 um Vf 进给速度 mm min Vc 切削速度 m min 图1 8数控机床的高速化对加工质量的影响 1 2数控技术发展趋势 上午2时21分 数控技术基础与应用 18 工艺分析 数控加工程序 工序卡 传统加工 数控加工 传统加工与数控加工的比较图 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 19 数控加工过程示意图 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 20 数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤 根据被加工零件的图样与工艺方案 用规定的代码和程序格式编写加工程序所编写程序指令输入数控装置数控装置将程序 代码 进行译码 运算之后 向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号 以驱动机床的各运动部件 并控制所需要的辅助动作 最后加工出合格的零件 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 21 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 数控机床的组成与工作原理 上午2时21分 数控技术基础与应用 22 操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具 组成 按钮站 状态灯 按键阵列 功能与计算机键盘一样 和显示器 它是数控机床特有部件 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 23 控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置 交互的信息通常是零件加工程序 即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上 数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 24 表1控制介质和输入输出设备表 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 25 通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外 一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力 它们是实现CAD CAM的集成 FMS和CIMS的基本技术 采用的方式有 串行通讯 RS 232等串口 自动控制专用接口和规范 DNC方式 MAP协议等 网络技术 internet LAN等 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 26 CNC装置 CNC单元 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 如运动轨迹处理 机床输入输出处理等 然后输出控制命令到相应的执行部件 伺服单元 驱动装置和PLC等 所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合 合理组织 使整个系统有条不紊地进行工作的 CNC装置是CNC系统的核心 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 27 伺服单元 驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机测量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 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 28 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 它由硬件和软件组成 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 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 29 机床机床 数控机床的主体 是实现制造加工的执行部件 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 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 30 按工艺用途分类切削加工类 数控镗铣床 数控车床 数控磨床 加工中心 数控齿轮加工机床 FMC等 成型加工类 数控折弯机 数控冲裁机等 特种加工类 数控线切割机 电火花加工机 激光加工机等 其它类型 数控装配机 数控测量机 机器人等 数控机床的分类 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 31 一 按加工工艺方法分类1 一般数控机床切削加工类 捷克托斯数控镗床 CKA6150数控车床 哈挺数控磨床 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 32 成型加工类 数控折弯机 数控弯管机 数控型材弯弧机 1 3数控机床的分类 内容讲解 上午2时21分 数控技术基础与应用 33 特种加工类 火花成型 线切割机 火花小孔 激光加工 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 34 其它类型 三坐标测量机 CNC影像仪 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 35 德马吉立式加工中心 2 带自动换刀装置的数控机床 加工中心 卧式加工中心 德马吉万能车削中心 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 36 点位控制数控系统仅能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 二 按控制系统功能特点分类 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 37 上午2时21分 数控技术基础与应用 38 点位直线控制数控系统点位直线控制数控机床的特点是机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确移动定位 而且能够实现平行坐标轴方向的直线切削加工运动 点位直线数控机床虽然扩大了点位控制数控机床的工艺范围 但它的应用仍然受到了很大的限制运动过程中不进行任何加工 适用范围 简易数控车床 数控铣镗床 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 39 轮廓控制数控系统轮廓控制 连续控制 系统 具有控制几个进给轴同时谐调运动 坐标联动 使工件相对于刀具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的数控系统 适用范围 数控车床 数控铣床 加工中心等用于加工曲线和曲面的机床 现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 40 上午2时21分 数控技术基础与应用 41 三 按伺服系统的特点分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统 在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 42 开环数控系统没有位置测量装置 信号流是单向的 数控装置 进给系统 故系统稳定性好 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 43 无位置反馈 精度相对闭环系统来讲不高 其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件 这类系统具有结构简单 工作稳定 调试方便 维修简单 价格低廉等优点 在精度和速度要求不高 驱动力矩不大的场合得到广泛应用 一般用于经济型数控机床 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 44 半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示 是从驱动装置 常用伺服电机 或丝杠引出 采样旋转角度进行检测 不是直接检测运动部件的实际位置 位置控制调节器 速度控制调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元 速度控制单元 CNC插补指令 实际位置反馈 实际速度反馈 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 45 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 46 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节 因此可获得稳定的控制性能 其系统的稳定性虽不如开环系统 但比闭环要好 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除 因此 其精度较闭环差 较开环好 但可对这类误差进行补偿 因而仍可获得满意的精度 半闭环数控系统结构简单 调试方便 精度也较高 因而在现代CNC机床中得到了广泛应用 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 47 全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示 直接对运动部件的实际位置进行检测 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 48 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 49 从理论上讲 可以消除整个驱动和传动环节的误差 间隙和失动量 具有很高的位置控制精度 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性 刚性和间隙都是非线性的 故很容易造成系统的不稳定 使闭环系统的设计 安装和调试都相当困难 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床 超精车床 超精磨床以及较大型的数控机床等 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 50 按联动轴数分2轴联动 平面曲线 3轴联动 空间曲面 球头刀 4轴联动 空间曲面 5轴联动及6轴联动 空间曲面 联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂 四 按控制系统的功能水平分类 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 51 图不同联动轴数所能加工的型面 a 二轴联动 b 二轴半联动 c 三轴联动 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 52 图五轴联动铣削曲面零件 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 53 图六轴加工中心坐标示意图 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 54 按数控系统类型分类经济型数控系统 又称简易数控系统 这一档次的数控机床仅能满足一般精度要求的加工 能加工形状较简单的直线 斜线 圆弧及带螺纹的零件 采用的微机系统为单板机或单片机系统 具有数码显示 CRT字符显示功能 机床进给由步进电动机实现开环驱动 控制的轴数和联动轴数在3轴或3轴以下 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 55 普及型数控系统 通常称之为全功能数控系统 这类数控系统功能较多 除了具有一般数控系统的功能以外 还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等 采用的微机系统为16位或32位微处理机 具有RS 232C通信接口 机床的进给多用交流或直流伺服驱动 一般系统能实现4轴或4轴以下联动控制 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 56 高档数控系统采用的微机系统为32位以上微处理机系统 机床的进给大多采用交流伺服驱动 除了具有一般数控系统的功能以外 应该至少能实现5轴或5轴以上的联动控制 具有三维动画图形功能和宜人的图形用户界面 同时还具有丰富的刀具管理功能 宽调速主轴系统 多功能智能化监控系统和面向用户的宏程序功能 还有很强的智能诊断和智能工艺数据库 能实现加工条件的自动设定 且能实现与计算机的联网和通信 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 57 基于PC的开放式数控系统用通用微机技术开发数控系统可以得到强有力的硬件与软件支持 这些软件和硬件的技术是开放式的 此时的通用微机除了具备本身的功能外 还具备了全功能数控系统的所有功能 1 3数控机床的分类 上午2时21分 数控技术基础与应用 58 工艺分析 数控加工程序 工序卡 传统加工 数控加工 传统加工与数控加工的比较图 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 59 数控加工过程示意图 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 60 数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤 根据被加工零件的图样与工艺方案 用规定的代码和程序格式编写加工程序所编写程序指令输入数控装置数控装置将程序 代码 进行译码 运算之后 向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号 以驱动机床的各运动部件 并控制所需要的辅助动作 最后加工出合格的零件 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 61 数控机床的基本组成 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 62 操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具 组成 按钮站 状态灯 按键阵列 功能与计算机键盘一样 和显示器 它是数控机床特有部件 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 63 控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置 交互的信息通常是零件加工程序 即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上 数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 64 表1控制介质和输入输出设备表 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 65 通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外 一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力 它们是实现CAD CAM的集成 FMS和CIMS的基本技术 采用的方式有 串行通讯 RS 232等串口 自动控制专用接口和规范 DNC方式 MAP协议等 网络技术 internet LAN等 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 66 CNC装置 CNC单元 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 如运动轨迹处理 机床输入输出处理等 然后输出控制命令到相应的执行部件 伺服单元 驱动装置和PLC等 所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合 合理组织 使整个系统有条不紊地进行工作的 CNC装置是CNC系统的核心 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 67 伺服单元 驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机测量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 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 68 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 它由硬件和软件组成 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 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 69 机床机床 数控机床的主体 是实现制造加工的执行部件 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 1 4数控机床的工作原理及组成 上午2时21分 数控技术基础与应用 70 1 数字控制 NumericalControlNC 是一种借助数字 字符或其它符号对某一工作过程 如加工 测量 装配等 进行可编程控制的自动化方法 2 数控技术 NumericalControlTechnology 采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术 1 5数控加工的基本术语 上午2时21分 数控技术基础与应用 71 3 数控机床 NumericalControlMachineTools 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床 它数控技术典型应用的例子 4 数控系统 NumericalControlSystem 实现数字控制的装置 5 计算机数控系统 ComputerNumericalControlCNC 以计算机为核心的数控系统 1 5数控加工的基本术语 上午2时21分 数控技术基础与应用 72 6 坐标联动 坐标轴的非独立运动 即 一个轴的运动要受到其它轴运动的制约 7 坐标联动加工 数控机床加工时的横向 纵向等进给量都是以轴坐标数据控制的 如 两坐标车床 三坐标铣床 五轴加工中心等 8 脉冲当量 相对于数控系统发出的每个进给脉冲信号 机床移动部件的位移量 也称为最小设定 移动 单位 数控机床根据其精度的不同 常用的脉冲当量为0 0lmm 0 005mm 及0 00