第5章 数控机床及工业机器人

第1节 数控机床,一、数控机床数字控制(NC，Numerical Control)，是用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。计算机数控(CNC，Computeriaed Numerical Control)是指用计算机实现部分或全部基本数控功能。其被控对象可以是各种生产过程或设备。数控机床是一种采用计算机，利用数字化信息进行控制，具有高附加值的技术密集型机电一体化产品。,第5章 数控机床及工业机器人,数字控制技术在许多领域得到应用，在机械工业中应用更广，如数控机床、数控切割机、数控绘图仪等，特别是数控机床已成为组成现代机械制造生产系统，实现设计、制造、检验与生产管理等全部生产过程自动化的基本设备。数控机床是具有高附加值的技术密集型产品，它集于机械制造、计算机、微电子、现代控制及精密测量等多种技术于一体，实现了高度的机电一体化。,二、数控机床的发展,1952年，世界第一台数控机床在美国问世；随着自动化技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及机械制造技术的发展，数控机床得到迅速发展。我国的数控机床起步于1958年。到1985年数控机床品种累计达80多种，进入实用阶段。1991年以来我国一方面从发达国家购进计算机数控系统，一方面自主研发、设计、制造中、高档计算机数控系统，取得了可喜的成果。数控产品覆盖了车、铣、镗、磨、加工中心及齿轮机床、柔性制造单元等，品种达300多种。目前中、低档计算机数控系统已经达到小批量生产能力。,用普通金属切削机床加工零件，是由操作者根据图纸要求，手动控制机床操作系统，不断改变刀具与工件相对运动参数(位置、速度等)，使刀具从工件上切除多余材料，最终获得符合技术要求的尺寸、形状、表面质量及位置要求的零件。在数控机床上加工零件，是将加工过程所需的各种操作及零件的形状、尺寸按规定的代码编写出数控加工程序，输入到数控装置中，由数控装置处理和运算，并控制伺服驱动系统，实现刀具和工件间的相对运动，完成零件的加工。,三、数控机床加工零件,数控机床和普通机床的不同点： 1.在数控机床上加工零件是将加工过程所需的各种操作以及零件的形状、尺寸按规定的编码方式写成数控加工程序，输入到数控装置中。再由数控装置对这些输入的信息进行处理和运算，并控制伺服驱动系统，使坐标轴协调移动，从而实现刀具与工件的相对运动，完成零件加工。当被加工工件改变时，除了重新装夹工件和更换刀具外，只要更换零件加工程序。,2.为加工出符合要求的零件轮廓，数控装置必须具有插补功能。插补功能是在进行曲线轮廓加工时，只要知道曲线的种类、起点、终点以及速度等信息后，就可以根据给定的数学函数(如直线函数)，在起点和终点之间确定一些中间点，以达到数据点密化的功能。 3.处理插补的算法就是插补运算。插补算法是数控加工技术中的一个基本问题。为满足数控机床在控制过程中的快速和精确要求，采用既简单又精确的插补算法十分重要。,目前常用的插补算法有两大类： 以脉冲形式输出的脉冲增量法，它适合于以步进电动机作为驱动元件的开环伺服驱动系统； 以数字量形式输出的数字增量法，适合于以交、直流伺服电动机作为驱动元件的闭环(或半闭环)伺服驱动系统。,4.要实现数控加工必须：具有一个既能接受零件图样加工要求信息，又能按照一定的数学模型进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令的数字计算机，即控制装置；具有能够快速响应，并具有足够功率的伺服驱动装置；具有能够满足上述加工方式的机床主机，辅助装置和刀具。,四、发展、使用数控机床,近代大工业生产中，大量采用刚性自动化。如在轻工、汽车工业、军工等生产中，多采用普通机床加专用夹具或组合机床自动线、生产流水线。刚性生产线适合大批量零件的生产，但制造过程较难，更换产品、修改生产工艺需要较长的时间和较多的费用。20世纪80年代以来，产品更新换代迅速，中、小批量零件的生产越来越多。随着高新技术的发展、航空航天工业、汽车工业及消费品生产的高速增长，复杂零件越来越多，精度要求也越来越高。传统的刚性自动化已不能满足要求，使柔性加工的重要性更加突出，柔性自动化也就迅速发展起来。数控机床是发展柔性生产的基础，是柔性自动化的最重要的设备。,1.与普通机床相比，数控机床具有的优点：,数控机床可以加工出普通机床难以加工或不能加工的复杂型面；数控机床按预先编写的零件加工程序自动加工，加工精度还可以利用软件进行校正和补偿，因此可以获得高的加工精度和重复精度；与普通机床加工相比，在数控机床上加工可提高生产率23倍，对于一些复杂零件，生产率可提高十几倍甚至几十倍等等。缩短生产周期；节省时间、厂房面积；加速资金周转，提高经济效益；减轻劳动强度；实现精确的成本核算、生产进度安排。,2.数控机床与普通机床的性能比较列表,五、数控机床的组成,数控机床主要由CNC系统和机床主机(辅助装置)组成。CNC系统由程序、输入输出（I/O）设备、CNC装置及主轴、进给驱动装置组成。,数控机床组成框图,(一) CNC 系统,CNC 系统由程序、输入输出(I/O)设备、CNC 装置及主轴、进给控制单元组成。数控机床按预先编写好的零件加工程序进行自动加工。零件加工程序是 CNC 系统的重要组成部分。输入输出设备主要用于零件加工程序的编制、存储、打印、显示等。简单的输入输出设备只包括键盘、米字管和数码管等。一般的输入输出设备除了人机对话编程键盘和阴极射线管(CRT)显示器或液晶显示器(LCD)外，还包括纸带、磁带或磁盘输入机、穿孔机和电传机等。高级的输入输出设备还包括自动编程机、CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)系统。,1. CNC 装置是 CNC 系统的核心，由三部分组成，即计算机(包括硬件和软件)、可编程序控制器(PLC)和接口电路。,2.输入输出设备主要用于零件加工程序的编制、存储、显示、打印等。 3.在数控机床中，有主轴驱动系统和进给驱动系统。主轴驱动装置由主轴控制单元、交直流主轴电动机与速度检测元件组成。进给驱动装置由进给控制单元、进给伺服电动机与检测元件组成。,(二) 主机,和普通机床类似也有床身、立柱、主轴、工作台等关键部件，但在设计上有一些变化。数控机床是一种高度自动化的机床，零件加工完全按照零件加工程序自动完成。可同时进行粗、精加工，既可进行大切削量的粗加工，以获得高效率，也可进行半精加工和精加工，以获得高的加工精度。要求数控机床具有大功率和高精度。数控机床的主轴转速和进给速度远高于同规格的普通机床。高速度是数控机床的一大特点。可在高负荷下长时间无故障工作，因而应具有高可靠性。可靠性对于用于柔性制造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS)的数控机床尤其重要。,为了满足数控机床高自动化、高效率、高精度、高速度、高可靠性的要求，机械结构具有的特点： 1.高刚度和高抗振性机床刚度是机床的性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力。机床刚度分为静刚度和动刚度。 提高机床静刚度和固有频率，改进机床结构的阻尼特性是提高机床动刚度和抗振性的有效方法。通过机床结构、筋板的合理布局，例如加大主轴的支承轴径，缩短主轴端部的受力悬伸段，床身采用钢板焊接结构等方法来提高刚度。采用新材料，特殊结构也可以提高动刚度和抗振能力。,2.减小机床热变形为了减小热变形，常采取的措施： 采用热对称结构及热平衡措施；对于发热部件(如主轴箱、静压导轨液压油等)采取散热、风冷、液冷等控制温升；对切削部位采取强冷措施。 专门采用热位移补偿，即预测热变形规律，建立数学模型，存入计算机，进行实时补偿。,3.高效率、无间隙、低摩擦传动为保证数控机床在高速下运行平稳、具有高定位精度，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有高灵敏度、低摩擦阻力、无间隙以及高寿命等特点，为此，数控机床的导轨多采用采用滚动导轨、静压导轨、滚珠丝杠、塑料滑动导轨等。4.简化的机械传动结构采用高性能、宽调速范围的交、直流主轴电动机和伺服电动机，使主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化，提高传动精度和可靠性。,（三）辅助装置必要的辅助装置包括：电器、液压、气动元件及系统；冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等装置；交换工作台，数控转台，数控分度头；刀具及其监控检测装置等。,六、数控机床的分类,(一)按照能够控制刀具与工件间相对运行的轨迹 按此分类方法，可把数控机床分为两大类： 1.点位控制(或位置控制)数控机床只能控制工作台(或刀具)从一个位置(点)精确地移动到另一个位置(点)，在移动过程中不进行加工，各个运动轴可以同时移动，也可以依次移动。如数控镗床、钻床、冲床。这类数控机床工作台(或刀具)运动控制示意图如图 5-2(a)所示。,2.轮廓控制数控机床能同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制，不仅控制轮廓的起点和终点，而且还要控制轨迹上每一点的速度和位置，因而能够加工曲线(或曲面)。 如数控车床、铣床、磨床、电加工机床和加工中心等。 这类数控机床工作台(或刀具)运动轨迹控制示意图如图5-2(b)所示。,(二)按照伺服驱动系统的控制方式分类,有闭环控制和开环控制两种基本控制方式。 1.开环控制数控机床 这类数控机床不带位置检测反馈装置。CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路的功率放大，驱动步进电动机转动，再经传动机构带动工作台移动。,即每给电动机一个电脉冲，它就向前走一步，可能很小的一步，如只转了2度，是很小的一个角度。我们可以把步进电动机一共转多少度，事先计算好，理论上，工作台就能达到预定的位置，可以计算的很精确，然后就给他这些电脉冲。但是，工作台是否就转到所需要的位置呢？事实上是有误差的，主要是由于齿轮传动中，齿轮有间隙带来的误差；还可能是齿轮装配过程中有偏心带来的误差；甚至是螺母的装配也可能带来误差。因此开环控制没有考虑到这些传动链带来的误差，虽然脉冲计算的很精确，但由于上述原因仍存在误差。,开环控制的数控机床工作较稳定，反应快，调试方便，维修简单，但控制精度和速度都比较低，这类数控机床多为经济型。,2.闭环控制数控机床这类数控机床带有位置检测反馈装置。位置检测装置安装要机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置，并与CNC装置的指令位置进行比较，用差值进行控制。闭环控制数控机床由于能够减小乃至于消除由于传动部件制造、装配所带来的误差，因而可以获得很高的加工精度。这类数控机床伺服系统的设计和调试都具有较大的难度，精度要求很高的数控机床，一般采用这种控制方式。,3.半闭环控制数控机床将检测元件安装在电动机的端头或丝杠的端头，则为半闭环控制数控机床。由于半闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及工作台，所以可获得比较稳定的控制特性。其控制精度虽不如闭环控制数控机床，但调试比较方便，被广泛采用。,注意：开环用的是步进电动机，闭环用的是交流或直流侍服电动机。,(三) 按照加工方式分类,1.金属切削类 属于此类的有数控车床、钻床、铣床、镗床、磨床、齿轮加工机床和加工中心等。 加工中心是目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床，分铣镗类加工中心和车削中心。主要用于箱体类零件和复杂曲面零件加工，能进行铣、镗、钻、攻丝等工序。它具有刀库，能自动更换刀具，工件一次装夹后，能自动完成或接近完成工件各面的所有加工工序。自动换刀装置是加工中心的基本特征，其投资占到整机投资的30%50%。加工中心的故障有50%以上与自动换刀装置有关。,盘式刀库,链式刀库,加工中心由于工序高度集中，显著减少了原来需要多台机床顺序加工带来的工件装夹、调整、机床间工件运送等操作，使加工效率比普通数控机床更高，显示了明显的经济效果，同时避免了多次装夹带来的加工误差，工件各加工面之间的相对位置精度高。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产中。,车削中心主要加工轴类零件，是在车床基础上发展起来的。它一般具有C轴控制(具有位置控制功能的附加主轴驱动控制)，除可进行车削、镗削外，还可进行端面和周面上任意部位的钻、铣和攻丝加工。有的还可进行各种曲面的铣削加工。这类加工中心也有刀库，根据加工工件的需要，配置相应的动力或非动力刀具。,2.金属成型类包括数控折弯机、弯管机、冲床、回转压力机等 3.特种加工类数控特种加工机床包括数控线切割机床、电火花加工机床及激光切割机等。4.其他类如数控火焰切割机床、三坐标测量机等。 如从国外进口的汽车，外观、造型非常漂亮，如何把这些数据输入到计算机中，这时就可以用一个三坐标测量机逐点测量，之后把这些数据输入到计算机中，通过计算机软件就可以把汽车的外形完全模拟出来。,YBK 6140数控车床,卧式加工中心,数控机床,立式加工中心,数控机床,(四)按照CNC装置的功能水平分类,按照CNC装置的功能水平，把数控机床分为高、中、低(经济型)三档。就目前的发展水平，大体上可从分辨率、进给速度、伺服系统、同时控制轴数(联动轴数)、通信功能、显示功能、有无PLC及主CPU水平等几方面加以区分。,表5-1按CNC装置功能水平分类表,第一点主要区别,第二点主要区别,七、数控机床的再生改造,数控机床技术改造应该考虑的问题：1.正确估计待改造的数控机床的价值。 在再生改造时，必须仔细分析哪些部分可以利用，哪些部分必须更新，剩余价值还有多少。一般要求可利用的部分其剩余价值不应低于总价值的1/3。 剩余价值较大的通常是机械部分及配套附件，数控系统往往都需要更新。,2.设备技术改造应该力求投资不超过同类新设备购置费的4060%。3.再生改造应该全面配套，避免只进行局部改造在改造方案中，必须对机床各主要部件的工作寿命进行综合平衡，技术参数要相互匹配。4.设备改造要根据企业的生产需要、自身的经济能力，确定合理的科学的再生改造目标，而不要盲目追求一流水平。,七、数控机床的特点,1.能加工复杂型面； 2.更高的精度和稳定的质量； 3.很高的生产率； 4.广泛的适应性； 5.一机多用； 6.可以大大减少在制品数量，提高经济效益； 7.可以改善生产环境，大大减轻操作者的劳动强度； 8.可实现精确的成本核算和生产进度安排； 9.是实现柔性自动加工的主要设备，也是发展柔性生产和计算机集机制造的基础。,四、数控机床的特点,1. 能加工一般机床难以加工或不能加工的复杂型面如复杂型面模具、整体涡轮、发动机叶片等复杂零件。 2. 可获得更高的精度和稳定的质量。数控机床按预先编写的程序自动加工，没有人为干扰，且加工精度还可以利用软件进行校正和补偿，因此可获得高的加工精度和重复精度。,3. 具有高的生产率。与普通机床相比可提高生产率23 倍，对于一些复杂零件的加工，生产率可提高十几倍甚至几十倍。 4. 具有广泛的适应性和较大的灵活性。一般借用通用夹具，只需更换程序，即可适应不同零件的加工。几乎不需要专用的工装夹具，因而可大大缩短生产周期。 5. 一机多用。数控机床，特别是可自动换刀的加工中心，工件一次装卡几乎能完成其全部加工部位的加工。可以替代 57 台普通机床，既节省了劳动力，也节省了工序间的运输、测量和装卡等辅助时间，还节省了厂房面积。,6. 可以大大减少在制品数量，从而可加速流动资金的周转，提高经济效益。 7. 可以改善生产环境，大大减轻操作者的劳动强度。 8. 可实现精确的成本核算和生产进度安排。 9. 是实现柔性自动加工的主要设备，也是发展柔性生产和计算机集成制造的基础。,第2节 CNC装置,一、CNC装置所具备的功能 1.组成： CNC装置是CNC系统的核心部件，由三部分组成，即计算机(硬件和软件)、可编程序控制器(PLC)和接口电路。 2.功能：在CNC系统中，CNC装置的功能是：根据输入的零件加工程序、数据和参数，完成数值计算和逻辑判断，进行输入、输出控制。,具体地说，CNC装置应具备的功能： 控制功能指能够控制的轴数及同时控制(即联动)的轴数。控制的轴数有2轴、3轴、4轴、5轴，可多达24轴。同时控制轴数可以是2轴、3轴直至6轴。 准备功能，也称G功能。包括机床基本移动、平面选择、 坐标设定、刀具补偿、程序暂停、基准点返回、固定循环、米英制转换等。,插补功能现代 CNC 装置多通过软件或软、硬件相结合实现插补功能。为了满足实时性要求，常把插补分成二步完成，即粗插补和精插补。CNC装置能够完成直线插补，圆弧插补，还可以完成极坐标插补、螺旋线插补、抛物线插补、正弦插补、指 数函数插补、渐开线插补、圆柱面插补及样条插补等。 进给功能包括切削进给速度(每分钟进给量)、同步进给速度(主轴每转的进给量) 、快速进给及进给率(0%200% 变化，每档10%) 。,主轴功能。包括主轴每分钟转数的设定，正、反转及准停等。 辅助功能。包括主轴的起、停，冷却液的通、断，刀具交换的起、停等。选刀及工作台分度功能。 固定循环功能。用于螺纹加工、钻孔、深孔钻削、镗孔及攻丝等工序。固定循环程序相当于一个指令束，可以大求减少程编工作量。 补偿功能。包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。, 字符、图形显示功能。配置 CRT或LCD显示器，实现零件程序、参数显示，刀具位置显示，机床状态及报警显示等。有些CNC装置还可以进行刀具轨迹的静态和动态图形显示及三维图形显示。 诊断功能。随时检查不正确事件的发生，出现故障可显示、查询和定位。 通信功能。备有串行通信接口，DNC接口，有的 CNC 装置还配有网卡，可方便地接入 MAP工业局域网、以太网等。, 在线自动编程功能。有些CNC装置具有会话式自动编程功能、蓝图编程功能、参数编程功能或几何工艺语言(GTL)编程功能。有的自动编程系统可以自动选择刀具和切削刀量，使编程变得十分方便。以上所述各功能中、前8个功能属于CNC装置的基本功能配置，而后5个功能属于选择功能，可根据需要加以选用。,3.功能分类：（1）基本功能：控制功能、准备功能、插补功能、进给功能、主轴功能、辅助功能、刀具和工作台分度功能、字符显示功能、诊断功能属于数控机床必备的基本功能，价格比较便宜；（2）选择功能：补偿功能、固定循环功能、图形显示功能、通信功能及在线自动编程功能属于选择功能，用户可根据需要加以选用。价格比较贵。,二、CNC装置的硬件结构首先强调微处理器是CNC装置的核心。大家知道，所有计算机的核心是CPU，CPU由运算器、控制器两部分组成，而CPU的品质决定了CNC装置的档次。所以它的品质主要由主频和字长来表示，如我们买计算机都关心它的主频是多少，字长是16位还是32位的，这些都决定了计算机的运算速度。总线是CNC装置各部分之间传送信息的公共通道。信息有三种，所以总线分为数据总线、地址总线和控制总线，分别传递数据、地址和控制信号的。,为了使不同的设备连接在一起，协调的工作，必须对设备的连接做统一的规定和必要的约束，这种约束就叫接口协议，能够实现接口协议的硬件设备就是接口电路，简称接口。如数码相机要想与计算机相连，就需要一根数据线，如果没有数据线和接口就不能传递相应的数据和信号。CNC装置的接口包括两个方面：一个是与机床侧的信号输入输出接口，另一个是与上位计算机的通信接口及与标准输入输出设备的接口。什么是上位机呢？就是数控机床本身CNC的上一层管理和控制机床和相应的辅助设备就是上位机。数控机床要和上位机连接，进行通信，以便上位机了解下面每一台机床的具体工作进度，做科学合理的调度。,CNC装置从物理结构来说，有单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置两种。 (一)单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置 1.单微处理器结构CNC装置 单微处理器CNC装置只有一个微处理器，或虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制总线，而其他微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，各微处理器组成主从结构。,单微处理器结构的CNC装置几乎都采用以总线为中心的计算机结构。CPU 通过总线与存储器（RAM、EPROM）、可编程控制器PLC、位置控制器及各种接口相连。单微处理器CNC装置中微处理器（CPU）是核心；总线是CNC装置各部分之间传送信息的公共通道。,按照印刷电路插接方式的不同，单微处理器结构的 CNC 装置可分为：大板结构：CNC装置由主板和辅助功能板(卡)组成。)主板为大印刷电路板，CNC装置的主要功能都集在这块板上。)辅助功能板为小印刷电路板，如PLC板、I/O控制板、CRT显示控制板、附加存储板等。辅助功能板插在主板的插槽内，受主板驱动。,模块化结构。是将CNC装置的硬件按功能划分成模板，每个功能模块都制成尺寸相同的印刷电路板，称为功能模板。 )采用标准总线作为母版，将各功能模板插在母板上。)全部数控功能，包括数据存储、插补运算、输入输出控制、显示等都由一个微处理器完成，整个CNC装置的功能将受到 CPU字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的影响。它的功能是有限的。,2.多微处理器结构CNC装置特点：与单微处理器结构CNC装置相比，运算速度更高，更适合于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控要求；具有良好的适应性和扩展性。结构：多微处理器结构CNC装置多采用模块化结构，每个功能模块分管各自的任务。采用模块化结构，采取积木方式组成CNC装置，发生故障时可及时更换模块。,分类：模块化结构的多微处理器结构CNC装置中的基本功能模块一般有六种。（1）CNC管理模块。（2）CNC插补模块。（3）位置控制模块。（4）存储器模块。（5）PLC模块。（6）指令、数据的输入输出及显示模块。,模块之间结构分类：多微处理器CNC装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。共享总线结构系统配置灵活，结构简单，容易实现，造价低，因此经常被采用。缺点是由于各主模块使用总线时会引起“竞争”，而使信息传输效率降低，总线一旦出现故障会影响全局。,共享存储器结构采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互联和通信。需要多个端口，由专门的多端口控制逻辑电路，解决访问的冲突问题。显然这种结构专用性太强，功能扩展比较困难，并且多端口存储器不易制造。,3.单微处理器结构与多微处理器结构CNC装置的区别：单微处理器结构CNC装置只有一个微处理器能够控制总线，占有总线资源，而多微处理器结构CNC装置有多个微处理器。单微处理器结构CNC装置采用以总线为中心的计算机结构，而多微处理器结构CNC装置各模块之间的互连和通信除了采用共享总线结构外，还采用共享存储器结构。单微处理器结构CNC装置有大板和模块两种结构形式，而多微处理器结构CNC装置都采用模块化结构形式。,单微处理器结构CNC装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制，用于控制功能不十分复杂的数控机床中。多微处理器结构CNC装置适合多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的数控机床。与单微处理器结构CNC装置相比，多微处理器结构CNC装置具有更好的适应性和扩展性。使故障对系统的影响更低。,(二)专用CNC装置与开放式CNC装置1.特点：(1)专用型CNC装置结构紧凑、布局合理、技术成熟，在制造业中得到广泛应用。(2)采用封闭式的体系结构，系统硬件是专用的，组成系统的功能板及其之间的连接方式都是专门设计而不能通用；(3)系统的软件结构也是专用的，细节对外不公开，不能提供给用户。所以带来很大的不便。,2.CNC装置开放化的体现：(1)系统组成内部的开放化，即系统内部硬、软的公开化。这样，不仅降低了开发成本，而且还能开发出理想的、适合用户需求的各种功能。(2)系统组成各部分之间的开放化，即各组成部分(如CNC、伺服驱动、主轴驱动等)之间的接口标准化。这样就可以从众多的组件生产厂家中选择最佳组件构成整机。,3.开放式CNC装置(即PC(Personal Computer)NC系统)的组成方式分类：(1)PC连接型CNC。这是一种将现有CNC与PC通过串行通信连接起来的一种形式。其优点是易实现，CNC部分几乎可以不加改动，也可以使用通用软件；其缺点是CNC部分不能实现开放化，系统响应速度慢。(2)PC内藏型CNC。即在CNC内部加装PC，PC与CNC之间通过专用总线连接。这种结构形式的优点是CNC部分几乎可以不加改动地使用，数据传输快，系统响应快；缺点是不能直接使用通用PC。,(3)CNC内藏型PC。即在通用PC的扩展槽中插入专用CNC，专用CNC具有包括加工轨迹生成等几乎所有的CNC处理功能。这种结构形式的优点是能够充分保证系统性能，软件通用性强而且编程处理灵活；缺点是很难利用现有的CNC资源和系统的可靠性。(4)全软件型NC。即CNC的全部功能都由PC完成。优点是硬件通用性强，编程处理灵活；缺点是在通用PC上较难实现实时处理，较难保证系统性能，而且难以利用现有CNC资源。,三、CNC装置的软件(一)CNC装置的控制流程 控制分类：(1)实现各坐标轴运行的“数字控制”，即NC控制；(2)完成各种应答动作的“顺序控制”，或称辅助控制。 控制流程：机床所需要的各种控制指令、参数以及加工数据通过输入设备送入 CNC 的存储装置中。加工时再从存储器调出，按程序段进行译码，将零件加工程序转变成为 CNC 装置能够接受的代码。, 译码后的信息流程：译码后分为两路：,1.低速辅助信息(1)辅助功能M(主轴起、停，冷却液通、断，刀具更换等)；(2)主轴转速功能S(主轴转速设定)；(3)刀具功能 T(刀具选择)。低速辅助信息由 PLC 处理和输出，实现辅助控制。,2.高速轨迹信息（数字控制信息）(1)刀具补偿处理(将零件轮廓轨迹转换为刀具中心轨迹)；(2)进给速度处理(各运动坐标分速度的计算和限速处理)。通过函数计算。刀具补偿处理简单的说，刀具在加工处理过程中，刀具本身也要磨损，尺寸发生变化，因此，需要不断的对加工过程进行计算，对刀具的磨损进行补偿，所以，要求计算的难度比较大，数量也较多，更要求计算及时。因此，高速轨迹信息经过预处理后再进行插补和位置控制，经过控制伺服系统实现坐标轴的协同运动，以实现NC控制。,（二）CNC装置的多任务并行处理,图5-10 CNC装置所完成的任务,1.任务种类：CNC装置的系统软件除了要执行必要的控制任务外，还必须具有管理任务。2.控制任务内容：控制任务包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等，这类任务要求很强的实时性；3.管理任务内容：包括人机界面管理、程序的输入输出、显示、诊断等。相对于控制任务而言，管理任务的特点是实时性要求不高。,4.并行处理：在许多情况下，CNC装置中的控制和管理的某些任务必须同时进行，即并行处理。例如，当CNC装置工作在加工状态时，为了使操作人员及时了解CNC系统的工作状态，显示和控制任务必须同时进行。如为保证加工的连续性，即各个程序段间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理任务需要和插补任务同时执行，插补任务又要和位置控制任务同时进行。,图5-11 多任务并行处理示意图,四、可编程序控制器(一)PLC概述 1.PLC 的组成PLC 实质上是一种专用工业控制计算机，其组成包括硬件和软件两部分。 硬件组成：PLC硬件包括基本组成部分、I/O扩展部分和外部设备三大部分。基本组成部分是构成PLC的最小系统，包括CPU及存储器、输入接口、输出接口、电源等。,(1)基本组成部分CPU：输入输出处理、程序解算、通讯处理等。存储器：其中系统存储器存放 PLC 的系统软件；而用户存储器存放用户程序和 I/O状态输入接口、输出接口（I/O接口）： 输入接口将采集到的开关和现场设备信号送给 CPU ，解算后将控制信号经输出接口转换成电压或电流信号驱动现场设备。电源,（2）I/O扩展部分当用户所需要的输入、输出点数超过基本系统的输入输出点数时，由 I/O扩展部分扩大系统的总点数。（3）外部设备是开发 PLC控制系统的辅助设备，主要包括：编程器、 EPROM 写入器 、磁带机、打印机、监视器等。, 软件组成：PLC 软件包括系统软件和应用软件两部分。(1)系统软件由生产厂家编制，用于管理、协调PLC 各部分的工作，通常被固化在ROM(只读)(2)应用软件是用户根据控制的需要，用 PLC 语言编写的程序。应用软件一般存在 RAM中，并使用锂电池进行掉电保护；不经常变化的应用软件可以固化在 PLC提供EPROM 模块中。PLC 插上装有用户程序的 EPROM 模块时，PLC优先执行EPROM 模块中的程序；而 PLC 机不插上装有用户程序的 EPROM 模块时，PLC 执行 RAM 区的用户程序。,2.PLC的基本技术指标(1)存储器容量。一般用K字节（KB）、K位来表示。在PLC中，程序指令按“步”存放。一“步”占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节，因此，如果有一个PLC内存容量为1000步，可以推知其内存约为2000字节。(2)扫描速度。一般以执行1000步指令所需要的时间来衡量，单位是ms/K，或s/步。(3)I/O点数。I/O点数是指PLC外部输入、输出端子总数，这是PLC最重要的一项技术指标。(4)编程语言。编程语言的指令条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标，指令越多，编程功能越强。,这里要强调三个方面：（1）PLC的基本技术指标中没有CPU的主频和字长，和计算机是不一样的；（2）I/O点数是PLC最重要的一项技术指标；（3）衡量PLC软件功能强弱的主要指标是编程语言的指令条数。,3.PLC的特点PLC作为一种新型的工业控制器具有以下特点：（1）控制程序可变，具有良好的柔性。当生产工艺改变或生产设备更新时，无须改变硬件而只要改变相应的程序即可。（2）采用面向过程的语言，编程方便。目前大多数PLC都使用清晰直观的梯形图指令RLL语言或图形化编程语言SFC。这些和电路图是相对应的。,（3）功能完善。现代PLC不仅具有逻辑运算、算术运算、定时、计数及顺序控制等基本功能，还可以提供数据传送、矩阵处理、PID调节、ASCII码操作、远程I/O、运动控制、网络通信等高级功能，还可以使用高级语言（C语言、BASIC语言等）编写子程序嵌入到PLC程序中执行。（4）扩充方便，配置灵活。当前PLC系统提供了各种不同功能的模块和扩充单元，I/O点数可以从几十点直到上万点，甚至可以构成适应网络相互通信的多主机分布式控制系统。,(5)系统构成简单，安装调试方便。需要组成系统时，用简单的编程方法将程序写入存储器内，接上相应的输入输出，便可构成一个完整的控制系统。它的输出可以直接驱动执行机构，从而大大地简化了硬件接线。由于采用了模块化结构，也使维修工作更加方便。(6)可靠性高。可编程控制器使用大规模集成电路，和具有很多触点的继电器系统比较，可靠性要高得多。而且在PLC的设计中采用了容错技术。两个主要衡量指标：平均无故障时间（MTBF）超过20000小时，平均修复时间（MTTR）则小于10分钟。另外，在PLC的输出输入中采用屏蔽、滤波、隔离、电源调整等措施，大大提高了抗工业环境干扰的能力。,（二）PLC在数控机床中的应用在中、高档数控机床中，PLC 是CNC装置的重要组成部分。作用是：接受来自零件加工程序的开关功能信息（M、S、T 即辅助功能、主轴转速功能和刀具功能）、机床操作面板上的开关量信号，进行逻辑处理，完成输出控制功能，实现各功能以及操作方式的连锁。数控机床使用的PLC有内装型和独立型。,1.内装型PLC的特点：（1）其性能指标由所属CNC装置的性能规格确定。它的硬件和软件被作为CNC装置的基本功能统一设计，具有结构紧凑、适配性强等优点。（2）它有与CNC共用微处理器和具有专用微处理器两种类型。前者利用CNC微处理器的余力来发挥PLC的功能，I/O点数较少；后者由于有独立的微处理器，多用于顺序程序复杂，动作速度要求快的场合。,（3）它与CNC其它电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。（4）内装型PLC的硬件电路可与CNC其他电路制作在同一块印刷电路板上，也可以单独制成一块附加印刷电路板，供用户选择。（5）内装型PLC使用CNC装置本身的I/O接口电路。（6）采用内装型PLC造价低，具有较高的性能、价格比。,2.独立型PLC的特点：（1）可根据数控机床对控制功能的要求灵活选购或自行开发。（2）有自己的I/O接口电路，PLC本身采取模块化结构。（3）可以扩大CNC的控制功能，可以形成两个以上的附加轴控制。（4）在性能、价格比上不如内装型PLC。,3.运用情况：总的来看，单微处理器的CNC装置采用内装型PLC为多，而独立型PLC主要用在多微处理器CNC装置，FMC或FMS、CIMS中，具有较强的数据处理、通信和诊断功能，成为CNC与上级计算机联网的重要设备。单机CNC系统中的内装型和独立型PLC的作用是一样的，主要是协助CNC装置实现低速辅助信息的控制。,4.内装型PLC和独立型PLC之间的区别：（1）内装型PLC的硬件和软件被作为CNC装置的基本功能统一设计，其性能指标由所属的CNC装置的性能、规格确定。而独立型PLC是根据数控机床对控制功能要求进行灵活选购或自行开发单独的PLC机。（2）内装型PLC可以与CNC共用一个微处理器，而独力型PLC不能与CNC共用一个微处理器。,（3）内装型PLC与CNC其它电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。而独立型PLC本身采用模块化结构，单独装在插板式笼箱内，I/O点数可通过I/O模块或插板的增减灵活配置。（4）内装型PLC对外没有单独配置的I/O接口电路，而是使用CNC装置本身的I/O接口电路。而独立型PLC有自己的I/O接口电路，PLC与CNC装置、PLC与机床侧都通过I/O接口电路连接。（5）独立型PLC可以扩展CNC的控制功能，可以形成两个以上的附加轴控制。而内装型PLC不可以。（6）在性能、价格比上，内装型PLC高于独立型。,（三）PLC在工业控制中应用简述（了解的内容）PLC除了在CNC中使用外，还广泛用于冶金、机械、汽车制造、石油化工、能源交通乃至娱乐等各行业。 1.PLC的应用类型（1）顺序控制和开关逻辑控制类型。这是最基本控制方式，已取代了传统的继电器。（2）闭环过程控制类型：一个具有PID（比例、微分、积分）控制能力的PLC可用于过程控制，把变量保持在设定值上。,（3）组合数字控制类型。在机械加工中，将具有数据处理功能的PLC和CNC组成一体，实现数字控制。（4）组成多级控制系统类型。基层由中小型PLC和CNC等控制设备组成，中层由大型PLC进行单元控制与监督，上层由上位计算机做总体管理。（5）选用PLC可对具有3-6个自由度的机器人进行控制。,2.PLC在位置控制中的应用（1）PLC制造厂商提供电动机的单轴或多轴位置控制模块。位置控制模块即可根据来自现场的监测信号和PLC的命令来调整控制输出，移动一轴或数轴到达目标位置。特别适用于机床的点位直线伺服控制。（2）总体来说，可编程序控制器是一种新型自动化控制装置。最早用于代替传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑运算、定时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。近年来，PLC把计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，发展成新型的工业控制器，其控制功能已远远超过逻辑控制的功能。,五、CNC装置的选择1.根据数控机床的加工类别，有针对性的选择。2.根据数控机床的设计指标和性价比进行选择。3.具备基本功能的CNC装置相对便宜，而带有选择功能的CNC装置比较贵。所以，对于选择功能，需要的再选。4.一次考虑周全，不要遗漏。,第三节数控机床的伺服驱动系统,一、概述伺服驱动系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。对于数控机床，如果说CNC装置是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的“指挥机构”，那么伺服系统便是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，能够准确地执行由CNC装置发出的运动命令。伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标，均取决于进给伺服系统的特性。,（一）伺服驱动系统的分类1.按控制对象和使用目的的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。（1）进给伺服系统用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪、定位系统，它包括速度控制和位置控制。（2）主轴伺服系统用于控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般只以速度控制为主。,(3)辅助伺服系统用在各类加工中心或多功能数控机床中，用来控制刀库、料库等辅助系统，一般多采用简易的位置控制。注意：辅助伺服系统就是要求的简单的位置，即知道在哪里拿，在哪里放。但是，进给与主轴容易误解成，主轴的要求更高，这是不对的。主轴主要是速度控制为主，而进给要求在若干个坐标上运动，必须准确的达到协调配合，所以，是一种精密的运动，不但要求速度控制，而且有位置控制，这个位置不是简单的到达一点，而是x,y,z这些坐标都准确的满足曲面加工的要求，所以进给数据加式系统要求比较高，这样，在讨论到电机时就容易理解了。,2.按伺服系统调节理论，数控机床的进给伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统。3.按驱动部件的动作原理又可将其分为电液控制系统和电气控制系统。其中，电气控制系统又有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机驱动系统之分。4.按反馈比较控制方式，数控机床的进给伺服系统有脉冲比较、相位比较、幅值比较和全数字等伺服系统之分。,（二）数控机床对伺服驱动系统的要求（）总体要求：1.高精度。要求伺服系统准确定位，即定位误差特别是重复定位误差要小，并且伺服系统的跟随精度高，即跟随误差小。一般定位精度达到m级，高的要求达到0.010.005m。2.快速响应，无超调。加工过程中，为了提高生产率和保证加工质量，要求加（减）速度足够大，以便缩短伺服系统过渡过程时间。一般电动机速度从零变到最高速，或从最高速降至零，时间在200毫秒以下，甚至小于几十毫秒。,3.调速范围宽。为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围（至少达到1：1000，有些高性能系统已能达到1：100000），而且通常是无级调速。4.低速大转矩，而且具有较强的过载能力。5.可靠性高，对环境的适应性强，性能稳定，使有寿命长，平均无故障间隔时间（MBTF）长。,（）具体要求：1.数控机床的主轴驱动不同于进给驱动，主轴的工作运动通常为旋转运动。主轴驱动系统不仅应该具有宽的调速范围，而且能在尽可能宽的速度范围内保持恒功率输出。2.为了满足不同数控机床的加工要求，还对主轴驱动系统提出一些特殊要求，如：（1）为了能在数控车床等机床上加工螺纹，要求主轴驱动与进给驱动实行同步控制;,（2）为了保证端面加工的表面粗糙度，要求数控车床、磨床等机床的主轴驱动系统具有恒线速切削功能;（3）在加工中心上，由于自动换刀的需要，要求主轴驱动系统具有高精度的停位控制功能;（4）有的数控机床还要求主轴驱动系统具有角度的控制功能。,二、步进电动机及其驱动（一）步进电动机：原理：步进电动机是一种同步电动机，是一种将电脉冲信号转换成角位移（或直线位移）的执行元件。这种电动机，每施加一个电脉冲，其转轴就转过一个角度，称为一步。脉冲数增加，角(或直线)位移随之增加；脉冲频率高，电动机旋转速度就快，反之则慢；分配脉冲的相序改变，电动机便反转。步进电动机绕组所加电源既不是恒定直流，也不是正弦交流，而是脉冲电压，所以有时也称为脉冲电动机。,：分类：步进电动机的种类很多，有多种分类方法。若按工作原理分类，则可将步进电动机分为：反应式(磁阻式)、电磁式、永磁式和永磁感应子式步进电动机。其中反应式和永磁感应子式步进电动机比较常用。1.反应式步进电动机电动机定子有A、B、C三对磁极。在相应的磁极上绕有A、B、C三相控制绕组。,反应式步进电动机结构原理图,定子上有A、B、C三对磁极并绕有三相控制绕组。,（1）当A、B、C三对磁极的绕组依次轮流通过直流电时，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。首先，当A相绕组通电，B、C两相断电时，转子的齿1、3分别被定子磁极AA吸引而对齐。然后，A相断电，B相通电，于是转子的2、4两齿被定子磁极BB吸引，这时转子逆时针转了300.，接下去B相断电，C相通电，转子1、3齿与定子磁极C-C轴线对齐，转子又逆时针转过了300。,这种按ABCABCA顺序轮流通电的方式称为三相单三拍。“三相”是指定子有三相绕组A、B、C，“单”是指每次只有一相绕组单独通电，“三拍”是指经过三次经过切换控制绕组的通电状态为一个循环。每一拍，即输入一个脉冲信号，都使转子转过一个角度，称之为步距角s。即300。,（2）计算公式：齿距角：即相邻两齿所对应的空间角度 假设转子上有四个齿，齿宽与定子的极靴宽相等，相邻两齿所对应的空间角度为齿距角。 齿距角t为： 式中：Zr转子齿数。,输入一个脉冲信号转过的角度称为步距角s。计算公式： 式中： N运行拍数， N=mK； m步进电动机的相数； Zr步进电动机转子的齿数； K拍数与相数比例系数，如单拍时 K=1，单、双拍时 K=2。,实际上一般不会让大家计算m，k，往往直接给出运行拍数N，所以公式可记，也可不记。,(3)步进电动机也可采用三相单、双拍通电方式实际应用中三相单三拍运行方式稳定性不好，很少采用。同样的异步电动机可采用三相单、双拍通电方式。通电顺序为: AABBBCCCAA 三相绕组经过六次切换完成一个循环，因而称为六拍。在一个循环内既有一相绕组通电，又有二相绕组同时通电，称为“单、双拍”。,步进电动机三相六拍运行方式,（a）A相通电,（b）AB相通电,（c）B相通电,（d）BC相通电,首先A相励磁绕组通电，使转子1、3与A对齐(如图a)。然后 A、B两相同时通电，这时A相磁极拉着 1、3 两齿，B相磁极拉着 2、4两齿，使转子沿逆时针方向旋转15角。此时A、B两相的磁拉力正好平衡，转子处于图(b)的位置。接着只有B相