数控技术第1章.ppt

第1章数控机床概述 制造业面临的竞争和挑战 消费观念的变化消费者的行为更具选择性顾客化产品 批量生产的产品逐步被个性化 多样化产品所代替制造业 服务 产品生产与产品服务的界限越来越模糊 不满足感增加 新三年 旧三年 缝缝补补又三年 的观念逐步消失对生产及产品的影响产品订货批量下降 单件 小批产品寿命周期减短 5 10年 3 5年甚至更短产品生产周期缩短数控机床就是为了解决单件 小批量 特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的 1 1数控机床的产生与发展 定义 数控技术 简称数控 NumericalContrl 它是利用数字化的信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法 用数控技术实施加工控制的机床 或者说装备了数控系统的机床称为数控 NC 机床 在20世纪40年代 汽车 飞机和航空制造工业发展迅速 原来的加工设备已无法承担复杂型面零件的加工 第一台数控机床是1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院 MIT 合作研制的三坐标数控铣床 它综合应用了电子计算机 自动控制 伺服驱动 精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果 可用于加工复杂曲面零件 数控机床的发展先后经历了电子管 1952年 晶体管 1959年 小规摸集成电路 1965年 大规模集成电路及小型计算机 1970年 和微处理机或微型机算机 1974年 等五代数控系统 当前数控机床的发展方向 1 高速 高的主轴转速 高的进给速度 高的换刀速度 2 高精度 微米级到亚纳米级 3 高可靠性 4 复合化工件在一次装夹后 可完成多工序 多表面的复合加工 5 智能化引进了自适应控制技术 自适应控制 AdaptiveControl 简称AC 技术是能调节在加工过程中所测得的工作状态特性 且能使切削过程达到并维持最佳状态的技术 6 柔性与集成化数控单机 加工中心 FMS CIMS 1 2数控机床的组成及特点 早期的数控机床系统采用数字逻辑电路构成 即由硬件实现逻辑控制 称为硬件数控系统 所以数控机床也称为NC机床 硬件数控系统经历了电子管 晶体管 集成电路的发展过程 现在采用计算机或微机的数控系统称为计算机数控系统 简称 CNC 所以现在的数控机床也称CNC机床 数控机床 就是用数控技术实时加工控制的机床 数控机床是集机 电 液 气 光高度一体化的产品 组成 数控机床由控制介质 输入输出装置 数控装置 伺服驱动装置 检测装置和机床主体组成 1 控制介质存储着加工零件所需要的全部操作信息 数控系统通过这些信息来控制机床动作和加工零件 2 输入输出装置输入输出装置主要实现程序编制 程序和数据的输入以及显示 存储和打印 3 数控装置是数控系统的核心 接受来自输入装置的程序和数据 并进行编译 运算和逻辑处理 最终将信号输出给伺服系统 4 伺服驱动装置是连接数控系统和机床主机的关键部分 它接受来自数控系统的指令 驱动数控机床上的执行件实现预期的运动 5 检测装置将数控机床各坐标轴的实际速度和位移检测出来 经反馈系统输入到机床的数控装置中 6 机床主体机床主体主要指用于完成各种切削加工的机械部分 包括床身 立柱 主轴 进给机构等 数控机床的特点1 适应性强 2 加工精度高 质量稳定 3 生产效率高 经济效益好 4 减轻操作者的劳动强度 操作简单 5 有利于生产管理的现代化 6 有故障诊断和监控能力 但另一方面 数控机床在使用中也暴露出一些问题 主要有 1 造价较高 使用不当会增加制造成本 2 调试和维修比较复杂 需要专门的技术人员 3 对编程人员的技术水平要求较高 1 3数控机床分类1 按机械加工的控制运动方式分类2 按伺服系统的控制方式分类3 按工艺用途分类 1 按机械加工的控制运动方式分类 1 点位控制数控机床 只要求刀具能最终准确到达目标位置 而不控制点与点之间的运动轨迹 有数控钻床 数控镗床 数控冲床等 2 直线控制数控机床 要保证点与点之间的准确定位 而且要控制两相关点之间的位移速度和路线 其路线一般是由平行于各坐标轴或与坐标轴成45 夹角的直线 有简易数控车床 简易数控铣床等 铣削直线控制 3 轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床的数控系统能同时控制2 5个坐标轴联动 可以使刀具和工件按平面直线 曲线或空间曲面轮廓进行相对运动 加工出任何形状的复杂零件 有数控车床 数控铣床 加工中心等 2 按伺服系统的控制方式分类 1 开环控制数控机床开环数控系统 没有位置测量装置 信号流是单向的 数控装置 进给系统 原理介绍 特点 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结构简单 工作稳定 调试方便 维修简单 价格低廉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 2 闭环控制数控机床 半闭环数控系统 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 特点 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 全闭环控制数控机床 全闭环数控系统 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 特点 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 3 按工艺用途分类 金属切削类数控机床 数控车床 数控钻床 数控铣床 数控磨床 数控镗床及加工中心 这些机床都适用于单件 小批量和多品种的零件加工 具有很好的加工尺寸的一致性 很高的生产率和自动化程度 以及很高的设备柔性 数控车床 能自动控制完成对轴类与盘类零件内外圆柱面 圆锥面 圆弧面 螺纹等切削加工 并能进行切槽 钻孔 扩孔和铰孔等工作 CNC车床由机床主轴带动工件旋转实现主运动 刀具并不旋转 切削刀具安装的转塔刀架或四方刀架上 沿平行主轴轴向 Z 和垂直主轴轴线的横向 X 两个方向的导轨 相对工件进给移动 图1 8全功能数控车床HM 077外形和结构组成1 主轴电机2 主轴箱3 排屑器4 卡盘5 防护罩6 尾座7 刀架8 床鞍滑板9 床身10 操作面板 卧式数控车削中心 立式数控车床 立式数控车床加工零件 卧式数控车床加工零件 数控车床的进给系统与传统通用车床的进给系统在结构上存在着本质上的差别 传统卧式车床主轴的运动经过挂轮架 进给箱 溜板箱传到刀架 实现纵向和横向进给运动 传动路线长 传动精度低 而数控车床是采用伺服电动机 经滚珠丝杠传到滑板和刀架 实现Z向 纵向 和X向 横向 进给运动 传动路线短 传动精度高 数控铣床 常主要设计为轮廓加工和孔加工的具有铣镗功能的数控机床 它可以进行平面铣削 型腔铣削 外形轮廓铣削 三维及三维以上复杂型面铣削 还可进行钻削 镗削 螺纹切削等孔加工 加工中心 柔性制造单元等都是在数控铣床的基础上产生和发展起来的 主轴在空间处于垂直状态的 称为立式数控铣床 主轴在空间处于水平状态的 称为卧式数控铣床 图1 9立式数控铣床图图1 10卧式数控铣床 龙门式加工中心机床 加工中心机床加工的典型零件 加工中心 MachiningCenter 是适应省力 省时和节能的时代要求而迅速发展起来的自动换刀数控机床 相对那些普通数控机床更具有灵活性和适应性 并且效率更高 工艺能力更强 自动化程度更高 图1 11JCS 018A型加工中心 机床能进行X Y Z三个坐标轴联动加工 机床有刀库 可装各类钻 铣类刀具并自动换刀 图1 11JCS 018A型加工中心 车削加工中心车削加工中心以车削为主 主体是数控车床 机床上配备有转塔式刀库或由换刀机械手和链式刀库组成的大容量刀库 车削加工中心还配置有铣削动力头 镗铣加工中心镗铣加工中心 它将数控铣床 数控镗床 数控钻床的功能聚集在一台加工设备上 且增设有自动换刀装置 镗铣加工中心是机械加工行业应用最多的一类数控设备 其工艺范围主要是铣削 钻削和镗削 2 金属成型类数控机床金属成型类数控机床有数控冲床 数控压力机 数控折弯机 数控弯管机等 3 数控特种加工机床数控特种加工机床包括数控线切割机床 数控电火花加工机床 数控火焰切割机 数控激光切割机床 专用组合机床等 4 数控综合加工机这类数控机床是将多种类型机床功能集于一身 其加工范围 对零件加工的适应性更强 它包括车 铣 铣 车类综合加工机 甚至可以在零件的一次装夹中完成 车 铣 局部淬火 磨削等加工工序 使加工工序高度集中 是数控机床的一个发展方向 5 多杆并联机 数控车铣综合加工机 1 4数控机床的坐标系1 4 1坐标轴的命名 按照国际标准ISO841规定 数控机床的坐标轴采用右手直角笛卡尔坐标系进行命名 该坐标系中 有三个互相垂直的坐标 X Y Z坐标 三个坐标的交点为坐标系的原点 坐标轴的命名规定 1 坐标系中的各个坐标轴与机床的主要导轨相平行 2 A B C分别表示绕X Y Z的轴线或绕与X Y Z轴线相平行的轴的转动 其正方向用右手螺旋定则确定 3 加工过程中不论是刀具移动还是工件移动 一律假定工件静止不动 而刀具在移动 并规定刀具远离工件的运动方向为坐标轴的正方向 1 4 2 机床坐标系的确定方法 确定机床坐标轴时 一般先确定Z轴 再确定X轴和Y轴 1 Z轴 规定平行于机床主轴的轴线作为Z轴 刀具远离工件的方向为Z轴的正方向 2 X轴 规定X轴位于水平面内 垂直于Z轴并平行于工件装夹面 对于工件旋转的机床 如车床 X轴在工件的径向并平行于横向拖板 刀具离开工件旋转中心的方向是X轴的正方向 对于刀具旋转的机床 若Z轴是水平的 如卧式铣床 镗床等 则从刀具 主轴 后端向工件方向看 X轴的正方向指向右边 若Z轴为垂直的 如立式铣床 钻床等 面对刀具 主轴 向立柱方向看 X轴的正方向指向右边 3 Y轴 Y轴方向根据已选定的Z X轴按右手直角笛卡尔坐标系来确定 4 A B C的转向 选定X Y Z坐标轴后 根据右手螺旋定则来确定A B C三个转动的正方向 图1 13卧式车床图1 14立式铣床图1 16卧式铣床 1 4 2机床坐标系与工件坐标系1 机床坐标系与机床原点 机床坐标系 是机床上固定的坐标系 机床坐标系的原点又叫机床原点O 机械原点 是数控机床进行加工运动的基准参考点 工件坐标系与工件原点工件坐标系 WorkpieceCoordinateSystem 固定于工件上的笛卡尔坐标系 是编程人员在编制程序时用来确定刀具和程序起点的 该坐标系的原点可由编程人员根据工件加工时的具体情况确定 工件原点Op 程序原点 是指零件被装夹好后 相应的编程原点在机床坐标系中的位置 对一般零件 工件坐标系即为编程坐标系 工件原点亦即编程原点 对于车床 一般编程时 数控车床的工件坐标系原点建立在工件右 或左 端面和主轴轴心线的交点处 即右 或左 端面的中心 数控铣床的工件坐标系原点建立在工件上表面几何中心处或上表面与某侧端面的交点处 数控加工时 必须测量出工件坐标系原点 即工件原点 3 机床坐标系与工件坐标系的关系 机床坐标系与工件坐标系的相应坐标轴一般相平行 方向也相同 但原点不同 工件原点与机床原点间的距离称为工件原点偏置 加工时 这个偏置值需预先输入到数控系统中 自动的附加到工件坐标系上 使数控系统可按机床坐标系确定加工时的坐标值 1 绝对坐标系所有坐标值均从坐标原点计量的坐标系即为绝对坐标系 所用的编程指令称为绝对指令 绝对坐标常用X Y Z代码表示 2 增量坐标系运动轨迹的终点坐标值相对于起点计量的坐标系称为增量坐标系 其坐标原点是移动的 所用的编程指令称为增量指令 增量坐标常用U V W代码表示 1 5数控机床的插补 控制 原理 所谓插补是指数据点密化的过程 在对数控系统输入有限坐标点 例如起点 终点 的情况下 计算机根据线段的特征 直线 圆弧 椭圆等 运用一定的算法 自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据 从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配 完成整个线段的轨迹运行 使机床加工出所要求的轮廓曲线 大多数CNC系统一般都具有直线和圆弧插补功能 对于非直线或圆弧组成的轨迹 可以用小段的直线或圆弧来拟合 1 5 1脉冲增量插补 该插补算法主要为各坐标轴进行脉冲分配计算 其特点是每次插补的结束仅产生一个行程增量 以一个个脉冲的方式输出给步进电动机 在数控系统中 一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做脉冲当量 通常用 表示 基准脉冲插补通常有以下几种方法 逐点比较法 数字积分法 比较积分法 矢量判断法 最小偏差法 数字脉冲乘法器法等 适用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统 逐点比较插补法的原理及用法 1 基本原理每给x或y坐标方向一个脉冲后 使加工点沿相应方向产生一个脉冲当量的位移 然后对新的加工点所在的位置与要求加工的曲线进行比较 根据其偏离情况决定下一步该移动的方向 以缩小偏离距离 使实际加工出的曲线与要求的加工曲线的误差为最小 2 工作节拍逐点比较插补法的一个插补循环包括四个节拍 偏差判别判别加工点对规定曲线的偏离位置 决定进给方向 进给根据偏差判别结果 控制刀具相对于工件轮廓进给一步 即向给定的轮廓靠拢 减少偏差 偏差计算计算新的加工点对规定曲线的偏差 作为下一步偏差判别的依据 终点判别判断刀具是否到达加工终点 若到达终点 停止插补 否则再回到第一个工作节拍 一般来说 逐点比较法插补过程可按以下四个步骤进行 图3 3逐点比较法工作循环图 偏差判别 根据刀具当前位置 确定进给方向 坐标进给 使加工点向给定轨迹趋进 即向减少误差方向移动 偏差计算 计算新加工点与给定轨迹之间的偏差 作为下一步判别依据 终点判别 判断是否到达终点 若到达 结束插补 否则 继续以上四个步骤 如图3 3所示 3 直线插补图1 4所示第一象限直线OE 起点O为坐标原点 用户编程时 给出直线的终点坐标E Xe Ye 直线方程为XeY XYe 0 1 1 直线OE为给定轨迹 P X Y 为动点坐标 动点与直线的位置关系有三种情况 动点在直线上方 直线上 直线下方 1 若P1点在直线上方 则有XeY XYe 0YE Xe Ye 2 若P点在直线上 则有P1XeY XYe 0P X Y 3 若P2点在直线下方 则有P2XeY XYe 0OX因此 可以构造偏差函数为图3 4动点与直线位置关系 1 2 对于第一象限直线 其偏差符号与进给方向的关系为F 0时 表示动点在OE上 如点P 可向 X向进给 也可向 Y向进给 F 0时 表示动点在OE上方 如点P1 应向 X向进给 F0的情况一同考虑 插补工作从起点开始 走一步 算一步 判别一次 再走一步 当沿两个坐标方向走的步数分别等于Xe和Ye时 停止插补 下面将F的运算采用递推算法予以简化 动点Pi Xi Yi 的Fi值为 若F