数控加工工艺课件第1章概论.ppt

第一章概论 第一节数控机床的基本知识 一 数控机床的产生随着社会生产和科学技术的不断进步 各类工业新产品层出不穷 机械制造产业作为国民工业的基础 其产品更是日趋精密复杂 特别是在宇航 航海 军事等领域所需的机械零件 精度要求更高 形状更为复杂且往往批量较小 加工这类产品需要经常改装或调整设备 普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求 同时 随着市场竞争的日益加剧 企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率 提高产品质量及降低生产成本 一种新型的生产设备 数控机床就应运而生了 二 数控机床的发展简况 1952年 美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床 半个世纪以来 数控技术得到了迅猛的发展 加工精度和生产效率不断提高 数控机床的发展至今已经历了两个阶段和五代 第1代数控机床 1952年 1959年采用电子管元件构成的专用数控装置 NC 第2代数控机床 从1959年开始采用晶体管电路的NC系统 第3代数控机床 从1965年开始采用小 中规模集成电路的NC系统 以上三代都是采用专用计算机的硬逻辑数控系统 装有这类数控系统的机床为硬件数控机床 简称NC机床 第4代数控机床 从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统 CNC 第5代数控机床 从1974年开始采用微型计算机控制的系统 MNC 三 数控机床的基本概念 一 数控机床的概念数控 NumericalControl NC 数控是采用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的方法 即硬件数控 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 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 它是数控技术典型应用的例子 国际信息处理联盟定义 是一种装了程序控制系统的机床4 数控系统 NumericalControlSystem 实现数字控制的装置 5 计算机数控系统 ComputerNumericalControlCNC 以计算机为控制核心的数字控制系统 即软件数控 6 计算机直接控制技术 DNC 二 数控机床的特点 加工精度高生产效率高减轻劳动强度改善劳动条件有利于生产管理 三 数控系统与数控机床组成 数控机床一般由控制介质 数控装置 伺服系统 测量装置和机床本体组成 1 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 1 穿孔纸带 2 磁带 磁盘等存储介质 3 直接由DNC系统将程序传输给机床数控系统 目前常用这种方式 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 表1控制介质和输入输出设备表 2 数控装置数控装置是数控机床的中枢 在普通数控机床中一般由输入装置 存储器 控制器 运算器和输出装置组成 数控装置接收输入介质的信息 并将其代码加以识别 储存 运算 输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统 进而控制机床动作 在计算机数控机床中 由于计算机本身即含有运算器 控制器等上述单元 因此其数控装置的作用由一台计算机来完成 3 伺服系统伺服系统是位置控制系统 是数控装置与机床本体间的联系环节 其作用是把来自数控装置的运动指令 脉冲信号 转换成机床移动部件的运动 使工作台和主轴按规定的轨迹运动 脉冲当量 相对于每个脉冲信号 机床移动部件的位移 常见的有 0 01mm 0 005mm 0 001mm 伺服单元 伺服电动机和测量装置伺服单元和伺服电动机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 4 机床主机机床 数控机床的主体 是实现制造加工的执行部件 组成 床身 箱体 导轨 主轴 进给机构等机械部件 四 数控机床控制的对象 主轴运动进给运动输入 输出 I O 五 数控机床插补控制 插补是指在被加工轨迹的起点和终点之间 插进许多中间点 并进行数据点的密化工作 然后用已知线型逼近 通常把数控机床上刀具运动轨迹是直线的加工 称为直线插补 刀具运动轨迹是圆弧的加工 称为圆弧插补 数控加工轨迹控制原理逼近处理图为欲加工的圆弧轨迹L 起点为P0 终点为Pe CNC装置首先对圆弧进行逼近处理 系统按插补时间 t和进给速度F的要求 将L分割成若干短直线 L1 L2 Li 这里 Li F t i 1 2 F 用户给定的进给速度 t 数控系统插补周期 用直线 Li逼近圆弧存在着逼近误差 但只要 足够小 Li足够短 总能满足零件的加工要求 当F为常数时 而 t对数控系统而言恒为常数 则 Li的长度也为常数 L 只是其斜率与其在L上的位置有关 插补运算将 Li分解为X轴及Y轴移动分量 Xi和 Yi 在 ti时间内 要求满足 且有 Fx Xi tiFy Yi ti Li的斜率和F的分量Fx Fy以及比值Fx Fy都在不断变化 四 数控机床技术发展趋势 高速 高效加工高精密 超精密加工高可靠性工序复合化和复合加工智能化 网络化 柔性化和集成化并联机床技术 1 高速 高效加工高速CPU芯片主轴高速化 采用电主轴采用全数字交流伺服机床动 静态性能的改善 在分辨率为1 m时 快进速度达240m min 可获得复杂型面的精确加工加速度达2g主轴转速已达200 000r min换刀速度少于1s 2高精密 超精密加工提高机械的制造和装配精度 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1000000脉冲 转的内藏位置检测器 其位置检测精度能达到0 01 m 脉冲 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法 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 研究表明 综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60 80 5 并联机床1 机床结构技术上的突破性进展当属20世纪90年代中期问世的并联机床 并联机床是机器人技术 机床结构技术 现代伺服驱动技术和数控技术相结合的产物 被称为 21世纪的机床 传统机床基本上都遵循笛卡尔直角坐标系的运动原理被设计制造出来 其结构为串联结构 存在悬臂部件 承受很大弯矩和扭矩 不容易获得高的结构刚度 另外 传统机床组成环节多 结构复杂 形成误差迭加 限制了加工精度和速度的提高 2 我国自主研发的并联机床样机 3 并联机床的优 缺点及发展热点 优点 进给速度快 精度高 刚性好 加速度高 安装 维修方便 局限 工作空间小 姿态能力差 运动特性和力特性非线性 目前研究热点 混联机床 五 数控系统的组成 数控系统一般由输入 输出装置 数控装置 可编程控制器 PLC 主轴驱动单元 进给驱动单元 位置检测装置和辅助控制装置组成 六 数控系统的工作过程 输入 译码 预计算 插补计算 输出 管理与诊断1 输入输入设备 阅读机 磁带机 磁盘 键盘输入方式 中断 有相应的中断服务程序功能 奇偶校验 操作数是否超限 字地址顺序 字地址格式 信息完整性 输入设备控制 将零件程序存入零件程序存储器 2 译码将输入的零件程序数据翻译成数控系统所能识别的语言 有硬件译码 并行 快 和软件译码 串行 相对慢一些 功能是把程序段中的各数据根据前后文字地址送到相应的缓冲寄存器中 每个字符译码过程 建立格式标志 确定存放地址 确定调用 数码转换次数 3 预计算减轻插补程序的负担 提高系统实时性 包括 刀具长度补偿计算 刀具半径补偿计算 象限 进给方向判断 进给速度换算 机床辅助功能判断等 进给速度的控制方法 程序延时法 占用CPU资源中断法 定时器中断时间分割法 闭环 半闭环加减速过程需要考虑 4 插补计算 插补 Interpolation 根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求 在轮廓的已知点之间 确定一些中间点的方法 这种方法称为插补方法或插补原理 插补算法 对应于每种插补方法 原理 的各种实现算法 插补功能是轮廓控制系统的本质特征 进行伺服控制当进给方向变化时 要进行反向间隙补偿处理进行丝杠螺距补偿机床辅助功能输出 5 输出 管理 只涉及CPU管理和外设管理诊断 1 运行中诊断用代码和检查内存格式检查双向传输数据检查清单校验2 停机诊断3 通信诊断 6 管理与诊断软件 七 数控机床 系统 分类 数控机床规格繁多 据不完全统计已有400多个品种规格 可以按照多种原则来进行分类 但归纳起来 常见的是以下面4种方法来分类的 1 按工艺用途分类2 按运动轨迹分类3 按伺服系统的控制方式分类4 按数控装置分类 1 按工艺用途分类 一般数控机床 车铣镗钻磨等 功能与通用机床相似 但是可以加工复杂形状的零件 数控加工中心 在数控铣 镗 钻床的基础上增加了自动换刀装置 带刀库 一次装夹后可完成多工序加工 多坐标数控机床 坐标轴大于3 能加工复杂形状零件 线切割机床电火花机床 2 按运动轨迹分类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 直线控制数控系统能实现点位控制数控系统的功能能实现沿平行某个坐标轴 如X Y Z 或两轴等速的方向进行加工 适用范围 数控车床 数控镗铣床 数控加工中心等 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 3 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 4 按进给伺服系统的类型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 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 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 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 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 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 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 第二节数控机床的有关功能规定 一 数控机床技术术语 一 DNC 计算机直接控制技术 由一台计算机控制一台或多台数控机床 二 FMS 柔性制造系统 1 柔性制造单元FMC 由加工中心 MC 与自动交换工件 AW APC 的装置所组成 2 核心 柔性 并不事先固定哪一台机床加工什么零件 而是根据需要 由系统调度由哪一台机床加工某一零件 特点 1 采用DNC方式控制两台或两台以上的数控加工中心 2 在机床上利用自动交换工作台或工业机器人等装置 实现自动上料与下料 3 各机床间有工件输送系统 物流系统 4 配有管理信息系统MIS 可提供刀具或机床的使用情况 以及系统运行状态 生产控制 产品识别 分配能力等信息 5 除机床自身配备的刀库以外 还要配备有供各台机床使用的刀库 6 配有自动化立体仓库 7 计算机集成制造系统 CIMS 二 数控机床程序编制的有关规定 略 三 数控机床的坐标的运动方向的规定 统一规定数控机床坐标轴及其运动的方向 可使编程方便 并使编出的程序对同类型机床有通用性 同时也给维修和使用带来极大的方便 ISO和我国都拟定了命名的标准 进给运动坐标系ISO和中国标准规定 数控机床的每个进给轴 直线进给 圆进给自由度 定义为坐标系中的一个坐标轴 数控机床坐标系统标准 右手笛卡儿坐标系统 基本坐标系 直线进给运动的坐标系 X Y Z 坐标轴相互关系 由右手定则决定 回转坐标 绕X Y Z轴转动的圆进给坐标轴分别用A B C表示 坐标轴相互关系由右手螺旋法则而定 坐标轴方向 定义为刀具相对工件运动的方向 编程时不必知道机床运动的具体配置 就能正确地进行编程 附加坐标轴 前述的X Y Z为主运动坐标系 即第一坐标系 是指最接近主轴的直线运动 如果数控机床的运动多于X Y Z三个轴 则一台机床上有平行于第一坐标系的第二组或第三组坐标系 就分别指定为U V W和P Q R 即其次接近主轴