数控原理与数控机床许 PPT课件

课程简介 Introduction 本课程介绍 数控机床控制原理机床数控系统是一个普通的自动控制系统 人是一个天然的自动控制系统 他们之间的原理是相通的 加工程序 工作任务 数控装置 大脑 反馈装置 眼睛 伺服装置 四肢 机床本体 被控对象 1 课程主要任务 三大项目 通过对数控原理和典型数控系统的分析和介绍 使同学们了解数控装置 伺服系统 检测装置 可编程控制器在数控机床上的功能和应用 常见数控机床的机械结构特点 五大项目1 坐标轴位置的控制 CNC 2 主轴转速的控制 SP 3 辅助装置的控制 PLC 4 检测装置5 机床结构特点 2 第1章绪论 1 1机床数字控制的基本概念1 2数控系统的组成及分类1 3数控系统的发展 3 1 1机床数字控制的基本概念 一 数控机床的概念数控 NumericalControl 数字控制是一种自动控制技术 是用数字化信号对控制对象的工作过程进行自动控制的一种方法 数控机床 NCMachine 数控机床就是采用了数控技术的机床 或装备了数控系统的机床 数控系统数控系统是一种程序控制系统 它能自动完成信息的输入 译码 逻辑运算 从而控制机床的运动和加工过程 4 数控程序 NCProgram 输入数控系统中的 使数控机床执行一个确定的加工任务的 具有特定代码和其它符号编码的一系列指令 数控编程生成用数控机床进行零件加工的数控程序的过程 数控加工根据零件图样及工艺要求等原始条件编制零件数控加工程序 输入数控系统 控制数控机床中刀具与工件的相对运动 从而完成零件的加工 5 二 数控技术的优点和缺点优点 1 加工精度高 重复精度高缺点 1 起点投资高2 生产率高 2 3倍 2 电子设备维护要求高3 设备的柔性高 适应范围广 3 操作人员要求高4 经济效益高5 劳动强度降低6 可加工很复杂的型面 数控技术不依附于数控机床 但它却是随数控机床发展起来的 因此数控技术多指机床数控技术 6 数控机床综合应用了计算机技术 自动控制技术 传感测量技术 光机电技术 精密机械的设计制造技术等各方面现代科技各方面的最新成果 是现代制造业的主要加工装备 也是数控技术的重要应用方面 数控机床是制造机器的机器 是先进的 母机 7 1 2数控系统的组成及分类 数控机床由加工程序 输入装置 数控系统 伺服系统 辅助控制装置 反馈系统以及机床本体等部分组成 数控机床的组成用框图表示如下 一 数控机床的组成 8 1 程序编制及程序载体数控程序由数控机床自动加工零件所需工作指令组成 包含切削过程中所必需的机械运动 零件轮廓尺寸 工艺参数等加工信息 编制程序的工作可以人工进行 也可以在数控机床以外用计算机自动编程系统来完成 对于几何形状比较简单的零件 程序段不多 可以采用手工编程 对于比较复杂特别是空间曲面零件 由于手工编程繁琐而费时 且易出错 需采用自动编程的方法 常用的程序载体有穿孔纸带 磁卡 磁盘 光盘等 程序载体我们称它为控制介质 9 CNC机床在进行加工前 必须接受由操作人员输入的零件加工程序 然后才能根据输入的加工程序进行加工控制 从而加工出所需的零件 在加工过程中 操作人员要向机床数控装置输入操作命令 数控装置要为操作人员显示必要的信息 如坐标值 报警信号等 此外 输入的程序有时并非全部正确 还需要编辑 修改和调试 以上工作都是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程 要进行信息交流 CNC系统中就必须具备必要的交互设备 即输入 输出装置 输入装置的作用是将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号并传送至数控装置的存储器 根据程序控制介质的不同 输入装置可以是光电阅读机 录放机或软盘驱动器 最早使用光电阅读机对穿孔纸带进行阅读 之后大量使用磁带机和软盘驱动器 有些数控机床不用任何程序存储载体 而是将程序清单的内容通过数控装置上的键盘 用手工的方式输入 也可以用通信方式将数控程序由编程计算机直接传送至数控装置 2 输入 输出装置 10 3 数控装置 很可靠的计算机加数控软件 数控装置是数控机床的核心 包括微型计算机 各种接口电路硬件及相应的软件 它能完成信息的输入 存储 变换 插补运算以及各种控制功能 数控装置接受输入装置送来的脉冲信号 经过编译 运算和逻辑处理后 输出各种信号和指令来控制机床的各个部分 并按程序要求实现规定的 有序的动作 输出 主运动信号 速度 位置指令 辅控信号 换刀 冷却液和润滑液的控制 主轴的起停 加紧和松开 输入 位置 温度 压力等信号 11 数控装置具备的功能有 多坐标控制 实现多种函数的插补 信息转换功能 如英制 公制转换 坐标转换 绝对值 增量值转换 补偿功能 如刀具半径补偿 长度补偿 传动间隙补偿 螺距误差补偿 多种加工方式选择 如可以实现各种加工循环 重复加工 具有故障自诊断功能 通信和联网功能等 多种程序输入功能 人机对话 手动数据输入 由上级计算机及其他计算机输入设备的程序输入 以及编辑和修改功能 显示功能 12 4 伺服驱动装置 伺服驱动装置包括主轴伺服驱动装置和进给伺服驱动装置两部分 伺服驱动装置由驱动电路和伺服电动机组成 并与机床上的机械传动部件组成数控机床的主传动系统和进给传动系统 主轴伺服驱动装置接收来自PLC的转向和转速指令 经过功率放大后驱动主轴电动机转动 进给伺服驱动装置在每个插补周期内接收数控装置的位移指令 经过功率放大后驱动进给电动机转动 同时完成速度控制和反馈控制功能 根据所选电动机的不同 伺服驱动装置的控制对象可以是步进电动机 直流伺服电动机或交流伺服电动机 伺服驱动装置有开环 半闭环和闭环之分 由于主轴的运动没有进给轴的要求高 因此 有时普通数控车 铣床的主轴电机不是伺服电动机 而是普通电动机 13 5 辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接受数控装置输出的主运动换向 变速 起停 刀具的选择和交换 以及其他辅助装置动作等指令信号 经过必要的编译 逻辑判断和运算 经功率放大后直接驱动相应的驱动源 带动机床的机械部件 液压 气动装置等完成相应指令规定的动作 如工件的装夹 刀具的更换 切削液的开关等一些辅助功能 它接收机床操作面板和来自数控装置的指令 一方面通过接口电路直接控制机床的动作 另一方面通过伺服驱动装置控制主轴电动机的转动 14 6 反馈系统测量元件将数控机床各坐标轴的位移指令值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中 数控装置对反馈回来的实际位移值与设定值进行比较 并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令 7 机床本体与传统的机床比较 数控机床本体仍然由主传动装置 进给传动装置 床身 工作台 辅助运动装置 液压气动系统 润滑系统以及冷却系统等组成 但数控机床的整体布局 外观造型 传动系统 刀具系统的结构和操作结构等方面都发生了很大的改变 主要是为了满足数控系统对数控机床的要求 15 二 数控系统的分类 1 按工艺用途分类1 金属切削类数控机床这类数控机床如数控车床 数控铣床 数控镗床 数控磨床 数控钻床 数控齿轮加工机床 加工中心等 尽管这些机床在加工工艺方面存在很大差异 具体的控制方法也各不相同 但它们都适合于单件 小批量和多品种的零件加工 具有很高的生产率和自动化程度 16 2 金属成型类数控机床这类数控机床如数控折弯机 数控弯管机 数控冲床等 3 数控特种加工及其他类型机床这类数控机床如数控线切割机床 数控火焰切割机 数控三坐标测量机 数控电火花加工机床等 17 2 按运动轨迹分类1 点位控制这类机床只控制运动部件从一个位置到另一个位置的准确定位 不管中间的移动轨迹如何 在移动的过程中不进行切削加工 对两点之间的移动速度及运动轨迹没有严格要求 但通常为了提高加工效率 一般先快速移动 在以慢速接近终点 常见的有数控钻床 数控坐标镗床 数控冲床等 18 2 点位直线控制这类机床的特点是运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或45 的直线轨迹运动的直线切削加工运动 常见的有简易数控车床 数控镗铣床等 19 3 轮廓控制这类数控机床能够对两个或两个以上的运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制 可以进行曲线或曲面的加工 控制X Y坐标 控制Y Z和Z X坐标 20 轮廓控制数控机床 1 平面轮廓加工的数控机床2 空间轮廓加工的数控机床 1 2坐标联动用 行切法 加工 2 2坐标半联动加工 3 3坐标联动加工 4 4坐标联动加工 5 5坐标联动加工 21 1 3 3 按伺服系统分类1 开环数控机床开环控制数控机床的特点是其控制系统不带反馈装置 通常使用步进电机作为伺服执行机构 开环控制系统结构简单 制造成本低 系统对移动部件的实际位移量不进行测量 也不进行误差校正 开环系统仅适用与加工精度要求不是很高的中小型数控机床 具有结构简单 价格低廉 调试方便等优点 但通常输出的扭矩值大小受到限制 而且当输入的频率较高时 容易产生失步 难以实现运动部件的控制 22 开环控制机床图例 23 2 闭环数控机床这类机床带有检测装置 直接对工作台的位移量进行测量 该系统可以消除包括工作台传动链在内的运动误差 定位精度高 调节速度快 但调试工作比较困难 制造成本高 适用于精度要求很高的数控机床 24 相比于开环数控机床 闭环数控机床精度更高 速度更快 驱动功率更大 但是 这类机床价格昂贵 对机床结构及传动链依然提出了严格的要求 传动链的刚度 间隙 导轨的低速运动特性 机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试困难 闭环系统设计和调整得不好 很容易造成系统的不稳定 所以 闭环控制数控机床主要用于一些精度要求很高的镗铣床 超精车床 超精磨床等 25 3 半闭环数控机床这类数控机床是在进给电动机的轴端安装角位移测量元件 通过测量电动机轴的旋转角位移并经过一定的换算来代替测量工作台的直线位移 这类系统未将丝杆螺母副 齿轮传动副等传动误差包含在控制系统中 其精度介于开环和闭环之间 但调试却比较方便 得到广泛的应用 26 1 3 4 按控制系统功能水平分按控制系统的功能水平 可以把数控机床分为经济型 普及型 高级型三类 主要由技术参数 功能指标 关键部件的功能水平来决定 这些指标具体包括CPU性能 分辨率 进给速度 伺服性能 通信功能 联动轴数等 1 经济型数控机床这类数控机床通常为低档数控机床 一般采用8位CPU或单片机控制 分辨率为10 m 进给速度为8 15m min 采用步进电机驱动 低档数控机床最多联动轴数为二轴或三轴 具有简单CRT字符显示或数码管显示功能 无通信功能 27 2 普及型数控机床这类数控机床通常为中档数控机床 一般采用16位或更高性能的CPU 分辨率在1 m以内 进给速度为15 24m min 采用交流或直流伺服电机驱动 联动轴数为3 5轴 有较齐全的CRT显示及很好的人机界面 大量采用菜单操作 不仅有字符 还有平面线性图形显示功能 人机对话 自诊断等功能 具有RS232或DNC接口 通过DNC接口 可以实现几台数控机床之间的数据通信 也可以直接对几台数控机床进行控制 28 3 高级型数控机床这类数控机床通常为高档数控机床 一般采用32位或64位CPU 并采用精简指令集RISC作为中央处理单元 分辨率可达0 1 m 进给速度为15 100m min 采用数字化交流伺服电机驱动 联动轴数在五轴以上 有三维动态图形显示功能 高档数控机床具有高性能通信接口 具备联网功能 通过采用MAP 制造自动化协议 等高级工业控制网络或Ethernet 以太网 可实现远程故障诊断和维修 为解决不同类型不同厂家生产的数控机床的联网和数控机床进入FMS 柔性制造系统 和CIMS 计算机集成制造系统 等制造系统创造了条件 29 上述这种分类方式没有严格的界限 经济型数控是相对于标准数控而言的 在不同时期 不同国家的含义是不一样的 区别于经济型数控 把功能比较齐全的数控系统称为全功能数控 也称为标准型数控 30 1 3数控技术的发展1 数控技术的发展史从1952年世界上第一台数控铣床问世至今50多年中 随着微电子技术的不断发展 特别是计算机技术的发展 数控系统经历了从硬线数控到计算机数控两个阶段和从电子管数控到基于个人计算机平台的数控共五代的发展 1 1952年美国研制出第一代数控机床 其数控系统采用电子管 继电器 模拟电路组成 体积庞大 价格昂贵 31 2 1959年数控系统中开始广泛采用晶体管和印刷电路板 数控系统跨入第二代 第二代数控系统体积缩小 成本有所下降 从1960年开始 其他一些工业国家如德国 日本等都陆续开发 生产并使用了数控机床 32 3 1965年出现了小规模集成电路 数控系统发展到第三代 第三代数控系统不仅体积小 功率消耗少 且可靠性提高 价格进一步下降 1967年 英国首先把几台数控机床联结成具有柔性的加工系统 这就是最初的柔性制造系统 FMS 之后 美国 日本也相继进行了开发和应用 以上这三代数控系统主要由电路的硬件和连线组成 称为硬线数控系统 具有很多硬件和连线特点 电路复杂 可靠性不高 装有这类数控系统的机床称为普通数控机床 NC 33 4 随着计算机技术的发展 小型计算机的价格急剧下降 小型计算机开始取代专用数控计算机 使数控系统进入了以小型计算机化为特征的第四代 数控的许多功能由软件程序来实现 1970年 这种系统首次出现在美国芝加哥国际机床展览会上 34 5 1974年 以微处理器为核心的数控系统问世 标志着数控系统进入第五代 30多年来 微处理器数控系统的数控机床得到了飞速的发展和广泛的应用 6 1990年开始 数控系统转向基于pc机 进入到第六代 第四 五 六代数控系统主要由计算机硬件和软件组成 通常称为计算机数控系统 CNC 又由于其利用存储在存储器里的软件控制系统工作 因此也称为软件数控系统 这种系统容易扩大功能 柔性好 可靠性高 35 数控系统经过50多年的不断发展 功能越来越完善 使用越来越方便 可靠性越来越高 性能价格比越来越好 以FANUC为例 1991年开发成功的FS15系统与1971年开发的FS220系统相比 体积只有后者的1 10 加工精度提高了10倍 可靠性提高了30倍以上 新一代数控系统技术水平的提高 促进了数控机床性能的提高 数控机床的控制轴数已从单轴的点位控制 两轴联动发展到五轴以上的联动 许多数控机床具有自适应控制 自动检测 软件精度补偿 自动换刀 自动交换工件 动态加工图像显示 现场编程 机床故障自诊断等功能 某些机床还带有自动监控刀具破损 磨损 切削振动 主轴功率超载监控等装置 36 2 数控机床和数控系统的发展趋势1 高速化速度和精度是数控机床的两个重要指标 它直接关系到加工效率和产品质量 高速切削可以减小切削深度 有利于克服机床振动 降低传入零件的热量及减小热变形 从而提高加工精度 改善加工表面质量 新一代高速数控机床的车削和铣削的切削速度已达到5000 8000m min以上 主轴转速在30000r min以上 有的高达100000r min 数控机床能在极短时间内实现升速和降速 以保持很高的定位精度 工作台的移动速度 在分辨率为1 m时 可达100m min以上 在分辨率为0 1 m时 可达240m min以上 自动换刀时间在1秒以内 工作台交换时间在2 5秒以内 并且高速化的趋势有增无减 37 目前 数控系统采用更高位数 频率的处理器 以提高系统的运算速度 采用超大规模的集成电路和多微处理器机构 以提高系统的数据处理能力 采用直线电机直接驱动工作台的直线伺服进给方式 使其高速度和动态响应特性相当优越 为适应超高速加工的要求 数控机床采用主轴电机与机床主轴合二为一的结构形式 实现了变频电动机与机床主轴的一体化 主轴电机的轴承采用磁浮轴承 液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形式 目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用 38 2 高精度化数控系统带有高精度的位置检测装置 并通过在线自动补偿 实时补偿 技术来消除或减少热变形 力变形和刀具磨损的影响 使加工一致性的精度得到保证 进一步提高了定位精度 普通数控加工的尺寸精度通常可达5 m 精密级加工中心的加工精度通常可达1 m 最高的尺寸精度可达0 01 m 随着现代科学技术的发展 对超精密加工技术不断提出新的要求 新材料 新零件的出现以及更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺 发展新型超精密加工机床 完善现代超精密加工技术 是适应现代科技必由之路 39 3 多功能化数控机床的发展已经模糊了粗 精加工工序的概念 加工中心的出现打破了传统的工序界限和分开加工的工艺规程 配有自动换刀机构 刀库容量可达100把以上 的各类加工中心 能在同一台机床上同时实现铣削 镗削 钻削 车削 铰孔 扩孔 攻螺纹等多种工序加工 现代数控机床还采用了多主轴 多面体切削 即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工 减少了在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间 近年来 又相继出现了许多跨度更大的功能集中的超复合化数控机床 40 4 智能化随着人工智能在计算机领域中的应用 数控系统引入了自适应控制 模糊系统和神经网络的控制机理 使新一代数控系统具有自动编程 模糊控制 前馈控制 学习控制 自适应控制 工艺参数自动生成 三维刀具补偿 运动参数动态补偿等功能 而且人机界面极为友好 并具有故障诊断专家系统 使自诊断和故障监控功能更加完善 41 5 高柔性化数控机床在提高单机柔性化的同时 正朝着单元柔性化和系统柔性化方向发展 柔性制造系统 FMS 是一种在批量生产下 高柔性和高自动化程度的制造系统 它综合了高效 高质量及高柔性的特点 解决了长期以来中小批量以及中大批量 多品种产品生产自动化的技术难题 为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求 数控系统具有远距离串行接口 甚至可以联网 实现了数控机床之间的数据通信 也可以直接对多台数控机床进行控制 42 6 可靠性最大化数控机床的可靠性一直是用户最关心的指标 数控系统继续向高集成度方向发展 以减少元器件的数量来提高可靠性 同时使系统更加小型化 微型化 利用多CPU的优势 实现故障自动排除 增强可靠性 此外 数控机床也在朝着模块化 专门化 个性化方向发展 数控机床结构模块化 以适应数控机床多品种 小批量加工零件的特点 数控功能专门化 以使机床性能价格比显著提高 个性化也是近几年来数控机床特别明显的发展趋势 43 3先进制造系统简介 数字控制系统数字控制系统 DNC系统 是用一台计算机直接控制多台机床进行零件加工或装备的系统 又称群控系统 它在20世纪60年代末开始出现 在DNC系统中 基本保留了原来各数控机床的CNC系统 并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络 实现了分级控制管理 DNC系统具有如下特点 具有计算机集中处理和分时控制的能力 具有现场自动编程和对零件程序进行编辑和修改的能力 使编程与控制相结合 而且零件程序存储容量大 具有生产管理 作业调度 工况显示监控和刀具寿命管理的能力 44 1 间接型DNC系统间接型DNC系统配有集中管理和控制的中央计算机 并在中央计算机和数控机床的数控装置之间加有通信接口 如图1 8所示 各机床的数控装置依然承担着原来的控制功能 中央计算机配备的大容量外存储器中存放着每台数控机床所需的零件加工计划和加工程序 可适时调至计算机的内存中 计算机根据需要以中断方式向发出请求的某台数控机床的通信接口传送所需的加工程序 间接型DNC系统比较容易建立 由于机床的数控装置未简化 硬件成本较高 45 2 直接型DNC系统在直接型DNC系统中 数控机床不再配备数控装置 只需配置一个简单的机床控制器 MachineControlUnit MCU 用于数据传输 驱动控制和手工操作 原来由数控装置完成的插补运算由中央计算机或接口电路完成 如图1 9所示 直接控制型DNC系统的数控机床 其控制功能主要由计算机软件执行 所以灵活性大 适应性强 可靠性也比较高 但是投资比较大 46 图1 8间接型DNC系统 47 图1 9直接型DNC系统 48 为满足现代生产中的多品种 中小批量 产品更新换代周期快的要求 出现许多先