现代制造技术导论四上传用PPT课件

第四章机床数控技术 吴祖育 秦鹏飞主编 数控机床 上海科技技术出版社 2002 4 1数控技术的产生与发展 4 1 1概述 最先应用于机床的数控技术己发展成为工业柔性自动化的一项重要的基础技术 它最广泛地应用于各类机床的控制 应用于 机器人自动化生产线军事等领域其制造及应用水平也反映了一个国家的机械与电子工业的水平 数控加工与传统加工的比较 第一章数控技术概述 4 1数控技术的产生与发展 4 1 1概述 4 1数控技术的产生与发展 4 1 1概述 机床的控制数控加工的基本设想就是将加工零件的几何信息和工艺信息数字化 几何信息 运动控制工艺信息 逻辑控制 数字化 4 1数控技术的产生与发展 4 1 2数控技术的发展历程 第一代 电子管 采用数字控制技术进行机械加工 最早可追溯到1952年 美国麻省理工学院研制出一台三坐标联动 利用脉冲乘法器原理的数控铣床 它使用的电子元件是电子管 这就是第一代数控的开始 第二代 晶体管 1959年晶体管元件出现 数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板 从而跨入第二代 1959年3月 克耐 杜列克公司 Keaney TreckerCorp 发明了带有自动换刀装置的数控机床 称为 加工中心 MC 第三代 小规模集成电路 1965年 出现了小规模集成电路 由于它体积小 功耗低 使数控系统的可靠性大大提高 数控系统发展到第三代 以上三代 都采用专门设计的硬件逻辑数控系统 这类数控系统通常简称为NC 4 1数控技术的产生与发展 4 1 2数控技术的发展历程 第四代 CNC 随着计算机技术的发展 计算机的价格急剧下降 数控的基本功能主要由系统程序实现 这种数控系统称软件数控或计算机数控 CNC 1970年美国首次推出了这种系统 称为第四代数控系统 1974年美 日等国研制出以微处理器为核心的数控系统 这以后 微处理器数控系统的数控机床得到飞速发展和广泛应用 4 1数控技术的产生与发展 4 1 2数控技术的发展历程 DNC60年代末 出现了用一台主计算机控制与管理数台数控机床进行多种零件 多种工序的自动加工 这就是所谓的计算机群控系统 即直接数控 DNC DirectNumericalControl 随后 把物流储运的自动化纳入DNC系统中 就构成了最初的FMS FlexibleManufacturingSystem柔性制造系统 DNC为FMS奠定了控制基础 之后各国对具有柔性的加工生产线相继进行研究和应用 又出现了柔性制造单元FMC和计算机集成制造系统 CIMS 为适应这些技术的发展 数控系统的计算机实时通信功能和人机界面功能得到不断完善 4 1数控技术的产生与发展 4 1 2数控技术的发展历程 NGC1987年美国政府资助进行了NGC NextGenerationController 项目 开始研究开放结构数控系统 这种开放结构数控系统建立在统一风格和标准的系统平台上 具有模块化 可重新配置的特点 可运行于各种不同的系统平台上 开放结构数控系统能根据用户的特殊需求进行配置 除能应用在机床上外 还能应用在机器人 冶金 纺织 印刷 军事等行业的运动控制中 它的内涵可以扩展 融入其他的控制技术 也可以作为单项控制技术融入工厂自动化系统中 数控技术的这些发展使数控系统从早期仅仅解决单机柔性自动化加工问题发展到能适应现代生产系统和控制系统配置需要的系统级控制器 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 数控机床的品种很多 涉及的专业技术也很广 它可以从不同的角度进行分类 按用途分类 金属切削类数控系统金属切削类数控系统有数控车床 数控铣床 数控钻床 数控镗床 数控磨床 加工中心等 加工中心 MC ManufactureCentre 是带有刀库和自动换刀装置的多工序的数控机床 它可以对一次装夹的工件进行车 铣 镗 钻 铰 攻螺纹等多工序加工 加工中心有效地避免了零件多次装夹造成的定位误差 减少了机床台数和占地面积 大大提高了加工精度 生产效率和自动化程度 金属成型类数控系统金属成型类数控系统有数控折弯机 数控弯管机 数控压力机等 数控特种加工机床 数控立式铣床 卧式数控铣床 车床 磨床 数控车床 三维数控钻床图片 加工中心图片 立式加工中心图片 数控折弯机图片 数控剪板机图片 数控电火花加工机床图片 数控线切割加工机床图片 数控激光切割设备 数控三坐标测量机图片 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按运动方式分类 点位控制系统只控制刀具相对于工件的定位点的坐标位置从某一工作位置移动到另一工作位置的过程中不进行加工对轨迹无要求 仅要求定位的准确性 这类数控机床主要有数控钻床 数控镗床 数控冲床和数控测量机等 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按运动方式分类 点位控制系统 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按运动方式分类 直线控制系统除有定位要求外 还要求进给运动沿平行于坐标轴的方向直线移动进行切削加工或者控制两个坐标轴以同样的速度同时运动 沿45 斜线进行切削加工 直线控制的数控车床 只有两个坐标轴 可用于台阶轴的加工 直线控制的数控铣床 有三个坐标轴 可用于平面铣削加工 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按运动方式分类 轮廓控制系统同时控制两个以上的坐标轴联动刀具和工件按平面任意直线 曲线或空间曲面轮廓进行相对运动 能加工出任何形状的复杂零件 在加工中 需要不断地进行插补运算与相应的速度和位置控制 现代大部分数控系统都属于这类系统 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按运动方式分类 轮廓控制系统 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按伺服控制方式分类 开环控制系统开环控制系统就是不具有任何被控量实际值反馈的数控系统 这种系统通常使用步进电机作为执行机构 数控装置根据所要求的进给速度和位移 向环形分配器输出一定频率和数量的进给指令脉冲 经过驱动电路放大后 每一个进给脉冲驱动步进电机旋转一个步距角再经过传动系统转换成工作台的一个当量位移 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按伺服控制方式分类 开环控制系统 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按伺服控制方式分类 开环控制系统由于对运动部件的实际位移量不进行检测 因而不能进行运动误差的校正 使得开环控制系统精度较低 响应速度低 且功率也不能太大 当输入较高的脉冲频率时 容易产生失步 难以实现运动部件的快速控制 但开环控制系统结构简单 运行平稳 成本低 使用维护方便 被广泛应用于经济型数控机床上 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按伺服控制方式分类 闭环控制系统和半闭环控制系统闭环和半闭环数控系统具有位置和速度检测元件数控装置将位移指令与位置检测元件检测到的实际位置进行实时比较 其差值与数控装置给定的指令速度按一定的关系转换得到伺服驱动系统的速度指令 同时 速度检测元件将测得的实际速度反馈信号与该速度指令相比较 以对电机的转速进行实时校正 利用这种位置控制和速度控制的双回路控制 可以获得比开环控制系统精度更高 响应速度更快 驱动功率更太的特性指标 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按伺服控制方式分类 闭环控制系统和半闭环控制系统 4 2数控机床的结构及分类 4 2 1数控机床的分类 按伺服控制方式分类 闭环控制系统和半闭环控制系统闭环和半闭环控制系统的区别在于检测被控量实际值的方法不同 闭环控制系统采用直接测量移动部件输出的被控量作为反馈量 如采用光栅尺来直接检测移动部件的直线位移这一被控量 而半闭环控制系统则采用间接测量被控量作为反馈量 如测量电机或丝杠的角位移来间接测量移动部件的直线位移这一被控量 由于角位移和直线位移之间多了一个不在控制环路内的机械传动环节 因而半闭环控制系统比闭环控制系统精度低 但角位移检测元件比直线位置检测元件结构简单 安装方便 稳定性好 价格便宜 且控制系统容易调整 所以应用非常广泛 4 2数控机床的结构及分类 4 2 2数控机床的基本结构 数控立铣的结构 机床本体x y z轴伺服电机x y z轴检测元件主轴驱动装置伺服驱动装置数控装置其他辅助执行元件被加工工件的信息以数控加工程序的形式通过数控装置的面板或通信接口输入到数控装置 数控装置经译码 运算后将运动指令输出到伺服装置 并驱动伺服电机精确运动形成机床的x y z 坐标运动 逻辑控制指令输出到机床的其他执行元件 继电器 电磁阀 主轴控制器等 检测元件将坐标轴的实际位置和速度反馈给数控装置或伺服装置并与指令值进行比较和调节 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 数控机床的组成与工作原理 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 1 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 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 2 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 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 表1控制介质和输入输出设备表 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 2 控制介质与输入输出设备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 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 3 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 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 4 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 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 5 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 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 6 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 目前已模块化生产 分为六大块 1 3数控机床的工作原理与数控系统的分类 4 2数控机床的结构及分类4 2 3数控装置的组成原理和主要功能 4 3数控加工编程 4 3 1数控加工编程的概念 数控加工程序的编制就是将零件的工艺过程 工艺参数 刀具位移量及位移方向 其他辅助动作 刀具选择 冷却剂 工件夹紧等开关量 按运动顺序和所用数控系统规定的坐标系和指令代码及程序格式编成加工程序单 经校核 试切无误后 制备在可存储的介质 称控制介质 上 然后再由相应的阅读器将程序输人数控装置中 从而控制数控设备运行 这一过程称为数控加工程序的编制 理想的加工程序 不仅应保证加工出符合图纸要求的合格零件 而且应能使数控设备效能得到合理的应用和充分的发挥 4 3数控加工编程 4 3 2数控加工编程的有关规定 数控机床坐标轴系及运动方向根据ISO国际标准 坐标系采用右手直角笛卡儿坐标系 如图4 7所示 它规定了直角坐标x y z三者的关系及正方向用右手定则来确定 其围绕x y z各轴的旋转轴及其正方向为 A B C 且分别用右螺旋法则判定 4 3数控加工编程 4 3 2数控加工编程的有关规定 数控机床坐标轴系及运动方向 4 3数控加工编程 4 3 2数控加工编程的有关规定 数控加工代码及其功能一个完整的数控加工程序由若干程序段组成 每个程序段是由一个或若干个字组成 每个字又由字母和数字数据 包括符号 组成 每个字表示了一种功能 每个字都由字母开头 4 3数控加工编程 4 3 2数控加工编程的有关规定 数控加工代码及其功能ISO标准规定的地址字母意义如表4 1所示 4 3数控加工编程 4 3 2数控加工编程的有关规定 数控加工代码及其功能准备功能G代码定义了数控系统的加工运动和插补方式的功能 它由地址G和后面的两位数字组成 表4 2为常用的G代码表 4 3数控加工编程 4 3 2数控加工编程的有关规定 程序结构与格式例如 某一加工程序 1N001G01X8000Z 3000F0 2S300T0101M03LFN002X12000Z 6000LF N100G00X50000Z20000M02 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 编程中的坐标系与基准点在编程与加工时 需要确定机床坐标系 工件坐标系 刀具起点三者的位置数据才能加工 机床坐标系 机床零点与参考点 机床零点 M 即机床基本坐标系的原点 它平行于机床标准坐标系且是一个被确定的点 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 编程中的坐标系与基准点机床坐标系 机床零点与参考点 机床参考点又称机械原点 R 它指机床各运动部件在各自的正向自动推至极限的一个固定点 由限位开关精密定位 至参考点时所显示的数值则表示参考点与机床零点间的工作范围 该数值即被记忆在CNC系统中并在系统中建立了机床零点 作为系统内运算的基准点 也有机床在返回参考点 又称 回零 时 显示为零 X0 Y0 Z0 则表示该机床零点被建立在参考点上 实际上 机床参考点是机床上最具体的一个机械固定点 而机床零点只是系统内的运算基准点 其处于机床何处无关紧要 每次回零时所显示的数值必须相同 否则加工有误差 参考点在机械出厂时已调定 用户一般不作变动 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 编程中的坐标系与基准点机床坐标系 机床零点与参考点 机床参考点 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 编程中的坐标系与基准点工件零点 P 工件坐标系 工件零点即工件坐标系的原点 编程时 一般选择工件图样上的设计基准作为编程零点 例如回转体零件的端面中心 非回转体零件按的角边 对称图形的中心 作为几何尺寸绝对值的基准 这种在工件上以编程零点建立的坐标系称为工件坐标系 其坐标轴及方向与机床坐标系一致 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 编程中的坐标系与基准点刀位点与起刀点 刀位点 用于确定刀具在机床坐标系中位置的刀具上的特定点 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 编程中的坐标系与基准点刀位点与起刀点 起刀点是指刀具起始运动的刀位点 亦即程序开始执行时的刀位点 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 编程中的坐标系与基准点起刀点与对刀点 当用夹具时 常用与工件零点有固定联系尺寸的圆柱销等进行对刀 则用对刀点作为起刀点 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 编程中的坐标系与基准点对刀点的选择原则如下 在实际加工中 对于增量坐标编程的数控机床 对刀点可选在零件中心孔上或垂直平面的交线上 对绝对坐标编程的数控机床 对刀点可选在机床坐标系的原点上 或距原点为确定值的点上 在零件安装时 零件坐标系应与机床坐标系有确定的关系 零件加工前该数据应输人机床控制系统中 在用不同的刀具加工同一个零件时 各刀具的对刀精度直接影响加工精度 选择找正方法时 应与零件加工精度相适应 换刀点对于数控车床 数控镗铣床 加工中心等对刀加工的数控机床 编程时应考虑不同工序间的换刀位置 这就提出了 换刀点 的设置问题 加工过程中为了避免换刀时刀具与工件或夹具碰撞 换刀点常设在远离被加工零件处 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 工艺处理在编制数控加工程序时 首先根据被加工零件的形状 尺寸及公差 表面质量 材料等技术要求 制订满足这些要求的加工方法与走刀路线等等工艺过程 在数控机床上加工的零件 往往是一些比较复杂的零件 各种工艺因素比较多 如数控机床的选取 毛坯的选取或设计 零件的加工方案与加工路线 切削量及刀具的选取 装夹方法及夹具的选取 工艺参数的确定等 都应在加工程序的编制中反映出来 另外 在对零件编程时 应选定一个编程坐标系 其原点就称程序原点或编程原点 其原点应按它的设计或工艺基准选取 当零件被装夹在机床上加工时 应把零件的编程原点与机床原点统一起来 也就是必须知道两者间精确的坐标关系 在实际调整中还应考虑对刀点 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 数学处理一个零件的轮廓可能由许多不同的几何元素组成 例如直线 圆弧 二次曲线等 各相邻几何元素之间的连接点称为 基点 如直线与直线及直线与圆弧的交点或切点 圆弧与二次曲线的交点或切点等 在相邻基点间只能是一个几何元素 数控加工编程的数学处理 就是计算零件轮廓的基点坐标值 使基点间的几何元素能用数控加工 G 指令编程 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 数学处理由于数控插补指令只有直线 圆弧等少数几种几何元素 对于非圆弧曲线只能采用直线逼近或圆弧逼近的方法 根据允许的编程误差 可将这类曲线分割成若干段 用直线或圆弧来代替 逼近 这些曲线段 并使这些直线或圆弧与被逼近的曲线每小段的误差都不大于编程误差 这些直线或圆弧与被逼近曲线的交点称为 节点 这样 数学处理的任务就是计算节点的坐标值 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 数学处理节点数目及其坐标值主要取决于曲线的特性 逼近线段的形状及允许的逼近误差值 采用直线还是圆弧作为逼近线段 主要根据是在保证逼近精度的前提下 使节点数目尽量少 即程序段数目少 计算简单 对于曲率半径大的曲线用直线逼近较为有利 若曲率半径较小则用圆弧逼近较为合适 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 数学处理常用的节点计算方法有 等间距直线逼近法 等步长直线逼近法 等误差直线逼近法 圆弧和双圆弧逼近法 样条函数逼近法等 4 3数控加工编程 4 4 3数控加工编程方法 编程举例图4 8所示为一车削实例图 以下为编制的NC加工程序单 见P79程序清单 4 3数控加工编程 4 3 4计算机辅助数控加工编程 自动编程 为什么需要计算机辅助自动数控编程 加工编程对于编制外形不太复杂或计算量不大的零件程序 显得简便易行 但是对于许多复杂的零件如冲模 凸轮 非圆齿轮或多维空间曲面等 其手工编程变得极为困难 据统计 一般手工编程所需时间与数控加工时间之比约为30 1 因此快速而准确地编制程序就成为数控技术发展和应用中的一个重要环节 而计算机辅助编程正是针对这个问题而产生和发展起来的 4 3数控加工编程 4 3 4计算机辅助数控加工编程 自动编程 为什么需要计算机辅助自动数控编程 4 3数控加工编程 4 3 4计算机辅助数控加工编程 自动编程 计算机辅助自动数控编程的过程输入 零件几何信息 拓扑信息 工艺信息输入通用计算机 编程人员首先根据零件图样的技术要求 运用自动编程语言编写简短的零件加工源程序通过CAD CAM软件所生成图形前置处理 在自动编程软件的支持下 进行译码 轨迹计算 输出刀位文件后置处理 针对所用的数控机床进行后置处理 自动打印出加工程序单 还可通过计算机的通信接口 将后置处理的程序数据输给CRT屏幕或绘图仪 自动显示刀具运动轨迹或给出加工图形 用以检查自动编程的正确性 便于编程员及时修改编程中的错误 4 3数控加工编程 4 3 4计算机辅助数控加工编程 自动编程 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 运动控制功能机床数字控制的核心问题 就是如何控制刀具与工件的相对运动的轨迹符合规定要求 对于平面曲线的运动轨迹需要两个运动坐标协调的运动 对于空间曲线或立体曲面则要求三个以上运动坐标的协调运动 才能走出其轨迹 在数控加工时 只要按规定将信息送入数控装置就能进行控制 输入信息可以用直接计算的方法得出 如 v f x 的轨迹运动 可以按精度要求递增给出x值 然后按函数式算出y值 只要定出x的范围 就能得到近似的轨迹 正确控制x y向速比 就能走出精确的轨迹来 但是 对这种直接计算方法 曲线阶次越高 计算就越复杂 速比也越难控制 另外 还有一些用离散数据表示的曲线 曲面 列表曲线 曲面 又很难计算 所以数控加工不采用这种直接计算方法作为控制信息的输入 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 运动控制功能 插补直线和圆弧是简单的 基本的曲线 在机床上进行加工的各种工件轮廓大部分由直线和圆弧构成 对于直线和圆弧其输入数据是有限的 即对直线而言仅仅输入其起点和终点坐标值 而对圆弧除此之外再加圆心坐标值 那么如何自动实现从起点到终点的直线和圆弧的连续轨迹呢 这就是所谓 插补 Interpolation 问题 若加工对象由其他二次曲线和高次曲线组成 则可以采用一小段直线或圆弧来拟合 有些场合 需要抛物线或高次拟合 就可以满足精度要求 这种拟合的方法也是 插补 由此可见 插补的实质就是对输入的有限几何信息完成 数据密化 工作 即数控装置依据编程时的有限数据 按照一定方法生产基本线型 直线 圆弧等 并以此为基础完成所需要轮廓轨迹的拟合工作 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 运动控制功能 插补无论是普通数控 硬件数控NC 系统 还是计算机数控 CNC 系统 都必须有完成 插补 功能的部分 能完成插补工作的装置叫插补器 在NC系统中插补器由数字电路组成 称为硬件插补在CNC系统中 插补器功能由软件来实现 称为软件插补 所以 插补器是实现CNC轨迹运动控制功能最关键的部件或软件模块 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 运动控制功能 插补算法数控机床控制系统的中心工作是实现刀具与工件之间规定的相对几何运动的数字控制 其位置控制精度与允许运动速度的高低是数控机床的重要指标 实现位置控制包括两个方面 一是插补计算 二是位置伺服 根据位置控制单元的构成和工作原理不同 插补方法又分为两类 基准脉冲法 又称脉冲增量法时间分割法 也称为数据采样法或数字增量法 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 运动控制功能 插补算法基准脉冲法即CNC系统直接按规定的最小长度单位 称脉冲当量 计算每一坐标位置 以一定频率的脉冲序列形式提供给位置伺服单元 实现位置控制 基准脉冲频率高低决定了进给速度的快慢 对于这种插补方法而言 占用CNC系统实时控制的时间多 不能更多扩展其他方面功能 主要用于经济型数控系统 基准脉冲法有逐点比较法 数字积分法等 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 运动控制功能 插补算法时间分割法 也称为数据采样法或数字增量法即CNC系统计算出给定时间间隔 插补周期 内各坐标轴位置增量值 也即插补轨迹的一个步长 而每一步长的精插补则由位置控制器软硬件的配合或专用硬件插补器完成 这种插补方法所占用的CNC系统实时控制时间大为减少 约减少30 一40 左右 数据采样法是根据给定进给速度大小来计算一个时间间隔内的位置增量 因此 CNC系统可空出很多时间去扩展其他方面功能 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 运动控制功能 控制轴数及联动轴数CNC装置能控制的轴数以及同时控制 即联动 的轴数是其主要性能之一 一般情况下普通车床为两轴联动 普通铣床为三轴联动 加工中心多为三轴以上联动 联动轴数越多 CNC装置的功能越强 系统越复杂 编程也越困难 最新型的通道式数控系统可控轴数可达32轴 3轴联动 4轴控制 5轴联动 5轴联动加工 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 轴控制功能 进给轴控制位置控制 它的主要任务是在每个采样周期内 将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较 用其差值去控制进给伺服驱动系统 轴运动分辨率 轴的运动分辨率是指轴的检测元件对位置的分辨率 先进的数控系统轴的运动分辨率可达0 1 m 主轴控制通常主轴只需要进行速度控制 用PLC的开关量控制 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 刀具与补偿功能 刀具功能这项功能包括能选取的刀具数量和种类 刀具的编码方式 自动换刀的方式 即固定换刀还是随机换刀 刀具补偿包括刀具长度补偿刀具半径补偿刀尖圆弧补偿 这些功能可以补偿刀具磨损以及在换刀时使刀具准确定位 其他补偿包括坐标轴的反向间隙补偿 进给传动件的传动误差补偿 如丝杠螺距补偿 进给齿条齿距误差补偿 机件的温度变形补偿等 00 51 81 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 开关量控制 逻辑控制 辅助功能主要完成M T S代码辅助功能 机床控制面板机床控制面板上有各种开关 按钮等信息 其中包括机床的启动 停止 机械变速选择 主轴正转 反转 停止 冷却液的开 关 各坐标的点动和刀架 夹盘的松开 夹紧等信号 保护功能此功能包括进给轴的限位 主轴伺服保护状态监视信号和伺服系统运行准备等保护信号 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 输入输入CNC装置的有零件程序 控制参数和补偿数据 输入的方式有键盘手动输入 磁盘输入 光盘输入 通信接口输入 串口 以及连接上级计算机的DNC 直接数控 接口输入 CNC装置在输入过程中还要完成校验和代码转换等工作 输入的全部信息都放到CNC装置的内部存储器中 译码在输入的零件加工程序中 含有零件的轮廓信息 线型 起终点坐标 加工速度 F代码 和其他的辅助信息 M S T 代码等 CNC装置按一个程序段为单位 根据一定的语言规则解释成计算机能够识别的数据形式 并以一定的数据格式存放在指定的内储专用区间 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 1CNC装置的功能分析 数据处理数据处理包括刀具补偿 速度计算以及辅助功能的处理等 I O处理I O处理主要是处理CNC装置与机床之间的强电信号的输入 输出和控制 信息显示CNC装置的显示主要是为操作者提供方便 通常有 零件程序的显示 参数显示 刀具位置显示 机床状态显示 报警显示等 高档CNC装置中还有刀具加工轨迹的静 动态图形显示 以及在线编程时的图形显示等 诊断及故障报曾现代CNC装置都具有诊断能力 诊断程序融合在各个部分 随时检查不正常的事件 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 2CNC系统工作特点 系统软件的内容CNC系统是一个专用的实时多任务系统 CNC装置通常作为一个独立的过程控制单元用在自动化生产中 因此 它的系统软件包括管理和控制两大部分 系统的管理部分包括 输入 I O处理 通信 显示 诊断和加工程序的编辑等功能 系统的控制部分包括 译码 刀具补偿 速度处理 插补 位置控制 PLC功能 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 2CNC系统工作特点 系统软件的结构类型前后台型软件结构 在前后台软件结构中 前台程序是一个中断服务程序 完成全部的实时功能 后台 背景 程序是一个循环运行程序 管理软件和插补准备在这里完成 后台程序运行中 实时中断程序不断插入 与后台程序相配合 共同完成零件加工任务 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 2CNC系统工作特点 系统软件的结构类型中断型软件结构 中断型软件结构的特点是除了初始化程序外 整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中 整个软件就是一个大的中断系统 其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 2CNC系统工作特点 多任务并行处理数控加工时 CNC装置要完成许多任务 在许多情况下 管理和控制的某些工作必须同时进行 例如 为了保证加工过程的连续性 即刀具在各阶段之间不停刀 译码 刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行 而插补程序又必须与位置控制程序同时进行 图4 13所示为CNC装置的任务分解图 反映了它的多任务性 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 2CNC系统工作特点 多任务并行处理CNC系统工作特点 多任务并行处理资源分时共享 各任务的优先级分配问题 各任务占用CPU的时间长度 各任务占用CPU时间示意图 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 2CNC系统工作特点 多任务并行处理硬件 资源重复 如采用多CPU的体系结构来提高系统的速度 软件 时间重叠 资源共享 时间重叠是根据流水线处理技术 使多个处理过程在时间上相互错开 轮流使用同一套设备的几个部分 资源共享是根据 分时共享 的原则 使多个用户按时间顺序使用同一套设备 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 2CNC系统工作特点 多任务并行处理资源重叠流水并行处理 时间重叠后 每个程序段的输出之间不再有间隔 从而保证了电机转动和刀具移动的连续性 91 流水处理技术示意图 时间 t t t 空间 3 3 3 2 2 2 输出 CPU1 CPU2 CPU3 并行处理 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 2CNC系统工作特点 实时中断处理CNC系统软件结构的另一个特点是实时中断处理 CNC系统程序以零件加工为对象 每个程序段有许多子程序 子过程 它们按预定的顺序反复执行 各步骤间关系十分密切 有许多子程序实时性很强 这就决定了中断成为整个系统不可缺少的重要组成部分 CNC系统的中断管理主要靠硬件完成 而系统的中断结构决定了软件结构 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 2CNC系统工作特点 实时中断处理 CNC系统的中断类型外部中断 主要有纸带光电阅读机中断 外部监控中断 如 紧急停 量仪到位等 和键盘操作面板输入中断 前两种中断的实时性要求很高 将它们放在较高的优先级上 而键盘和操作面板输人中断则放在较低的中断优先级上 在有些系统中 甚至用查询的方式来处理它 内部定时中断 主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断 在有些系统中这两种定时中断合二为一 但在处理时 总是先处理位置控制 然后处理插补运算 硬件故障中断 它是各种硬件故障检测装置发出的中断 如存储器出错 定时器出错 插补运算超时等 程序性中断 它是程序中出现的异常情况的报警中断 如各种溢出 除零等 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 3硬件结构 数控系统的计算机数控系统从硬件结构上可分为单CPU和多CPU结构以及最新兴起的直接采用PC机的系统 单CPU数控装置以一个CPU为核心 CPU通过总线与存储器以及各种接口相连接 采用集中控制 分时处理的工作方式 完成数据加工中各个任务 多CPU结构有两个以上的CPU控制总线并构成处理部件和各种功能模块 功能模块之间采用紧藕合 有集中的操作系统 共享资源 或者各CPU构成独立部件 其间采用松耦合 有多层操作系统 有效地实行并行处理 采用PC机是一种新发展趋势 这一应用得益于PC计算机的飞速发展和软件控制技术的日益完善 利用PC机的软 硬件资源优势可将许多现代控制技术融人数控系统 借助WINDOWS操作系统获得优良的人机交互环境 在数控系统中增添多媒体功能和网络功能 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 3硬件结构 数控系统的计算机 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 3硬件结构 I O接口器件I O接口的信号主要包括 CNC装置输出到伺服系统的控制信号 检测元件反馈到CNC装置的测量信号 PLC的开关量信号 控制信号分为数字信号和模拟信号 数字信号输出到数字式伺服系统 模拟信号输出到模拟式伺服系统 测量信号分为数字信号和模拟信号 数字信号由数字式检测元件输入 模拟信号由模拟式检测元件输入 开关量信号完成电平转换和功率放大 4 4数控装置的功能分析及其实现 4 4 3硬件结构 I O接口器件接口电路的主要任务如下 进行电平转换和功率放大数控装置内是TTL电平 要控制的设备或电路不一定是TTL电平 因此要进行电平转换 在重负载情况下 还要进行功率放大 信号的隔离为防止噪声引起误动作 使用光电隔离器 脉冲变压器或继电器 使CNC和机床之间的信号在电器上加以隔离 信号的转换采用模拟量传送时 在CNC和机床侧电气设备之间要接入数 模转换电路 或与此相反 采用模 数 A D 转换电路 信号的整形或复原信号在传输过程中 由于衰减 噪声和反射等原因 会发生畸变 为此要根据信号类别及传输线质量 采取一定措施进行整形和复原 机床控制柜 4 5伺服系统及检测元件 什么是伺服系统 数控机床伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统 伺服系统 进给脉冲 进给位移量 变换放大 最高移动速度 跟踪精度 定位精度 动静态性能 4 5伺服系统及检测元件 典型的电气伺服系统框图电气伺服系统的一般结构为三闭环控制 4 5伺服系统及检测元件 典型的电气伺服系统框图执行部件交 直流伺服电机及速度检测元件伺服驱动器速度 电流控制单元 功率放大器等位置控制器 连接CNC与伺服驱动 4 5伺服系统及检测元件 数控机床的伺服驱动系统的种类 进给驱动系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动 准确的位置控制主轴驱动系统 控制机床主轴的旋转运动 提供切削过程中所需要的转矩和功率任意调节运转速度 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 常用的伺服执行元件主要有直流伺服电机 交流伺服电机 步进电机和直接驱动电机 步进电机伺服系统步进电机是一种将电脉冲信号转化成直线或角位移的执行元件 对这种电机施加一个电脉冲后 其转轴就转过一个角度 称为一步 脉冲数增加 直线或角位移随之增加 脉冲频率高 则电机旋转速度就高 反之则慢 分配脉冲的拍序改变后 电机便改变方向 4 3伺服驱动装置 特点1 无位移检测装置 控制精度低2 结构简单 易于调整 成本低 主要技术指标1 定位精度可达 0 02mm2 脉冲当量可达0 01mm3 最高进给速度低于6m min应用 经济型数控机床及机床数控化改造 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 关于步进电机步距角 步进电机每接受一个指令脉冲 转子相应的转角脉冲当量 步进电机每接受一个指令脉冲 工作台相应的位移转速 转角和转向的决定因素 脉冲频率 脉冲数和通电相序 主要类型 反应式步进电机 混合式步进电机 4 3伺服驱动装置 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 工作原理 4 3伺服驱动装置 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 4 3伺服驱动装置 通电方式 三相双三拍 正转 AB BC CA AB 反转 AC CB BA AC 三相六拍 正转 A AB B BC C CA A 反转 A AC C CB B BA A 三相单三拍 正转 A B C A 反转 A C B A 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 4 3伺服驱动装置 A AB B BC C CA 15 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 步进电机伺服系统步进电机的驱动电源是方波脉冲电压 因而必须使用专用设备 步进电机驱动器 步进电机的运行性能是电机和驱动器两者的综合效果 步进电机驱动器主要由环形分配器 功率放大器及其他控制电路组成 数控装置发生的脉冲信号通过环形分配器形成按一定顺序的脉冲 例如C CA A AB B BC C 这些脉冲经功率放大后加到步进电机的各相绕组上 数控装置每输出一个脉冲 步进电机就严格地转过一个角度 步距角 可以看出步进电机伺服系统不需要反馈信号就可实现速度和位置控制 因而它可以直接组成位置的开环伺服系统 直流伺服电机小惯量直流伺服电机性能特点 1 转动惯量小 约为普通直流电机的1 10 快速响应性好 2 电枢反应小 换向性好 电机时间常数小 只有几毫秒 3 由于转子无槽 结构均衡性好 低速平稳性好 4 最大扭矩为额定值的10倍 过载能力强 缺点 由于惯量小 必须配齿轮减速葙 才能拖动负载 4 3伺服驱动装置 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 直流伺服电机宽调速 大惯量 直流伺服电机结构特点 转子惯量大 响应特性由大功率驱动系统保证性能特点输出转矩大不需齿轮减速箱即可直接驱动负载 过载能力强转子热容量大 过载能力强 过载转矩可达5 10倍 动态响应好电流过载能力强 瞬时加速转矩大 动态响应好 调速范围宽且运转平稳低速时输出转矩大 调速范围宽 运转平稳 易于调试由于惯量大 受负载影响小 可不加负载调试 4 3伺服驱动装置 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 直流伺服电机 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 交流伺服电机交流伺服电机没有直流伺服电机上述缺点 而且转子惯量比直流伺服电机小 使其动态响应好 在同样体积下 交流伺服电机的输出功率可比直流伺服电机提高10 一70 交流伺服电机的容量可以做得比直流伺服电机大 达到更高的电压和转速 例如 SEIMEENS公司生产的1FT5 系列的永磁交流伺服电机供电电压为600V 最高转速可达6000r min 从20世纪80年代后期开始 交流伺服电机逐渐替代直流伺服电机占据主要位置 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 特点 结构简单 无电刷 可靠性高 维护方便 种类 永磁式同步交流伺服电机和感应式异步交流伺服电机同步交流伺服电机同步交流伺服电机由永磁同步电机 转子位置传感器 速度传感器组成 永磁交流伺服电机与永磁直流伺服电机不同之处在于用转子位置传感器取代了直流电机整流子釉电刷的机械换向 因此无此项维护要求 且没有机械换向造成的电火花 使其能用在有腐蚀性 易燃易爆气体的环境 异步交流伺服电机异步交流伺服电机是一种感应式电机 它的笼型转子结构简单 坚固 电机价格便宜 过载能力强 但与同步交流伺服电机相比 其效率低 体积大 转子有较明显的损耗和发热 且需要供给无功励磁电流 从而要求驱动功率大 最困难的是其控制系统非常复杂 应用 目前数控机床进给系统多采用永磁式交流伺服电机 交流伺服电机 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 直接驱动电机直接驱动 DD 电机就是电机与其驱动的负载直接耦合在一起 中间不存在任何机械传动装置 是一种较为理想的驱动方式 也是机电一体化产品的最渐成果 它具有很高的伺服刚度和传输效率 快速的动态响应和精确的定位精度 采用直接驱动伺服系统的机床和机器人具有非常简洁的机械结构 但对它维护的技术要求高 目前其功率还不能做得太大 4 5伺服系统及检测元件 4 5 1常用伺服执行元件 直接驱动电机 4 5伺服系统及检测元件 4 5 2测量系统 检测元件是闭环伺服系统的重要组成部分 它的作用是检测位置轴速度 发送反馈信号 构成闭环 控制检测系统的精度决定了数控系统的精度和分辨率 根据检测元件的安装位置及与机床运动部件的耦合方式 可分为直接测量和间接测量两种 间接测量精度低 需要增加补偿措施 4 5伺服系统及检测元件 4 5 2测量系统 从检测元件输出的信号类型它可分为绝对式和增量式检测元件及模拟式和数字式检测元件 位置检测元件的分类见表4 3 常用位置检测装置分类表 光栅组成 长光栅 标尺光栅 短光栅 指示光栅 狭缝 光学镜和光电管图4 10 4 2位移 速度 位置传感器 4 5伺服系统及检测元件 4 5 2测量系统 增量式编码器 4 2位移 速度 位置传感器 4 5伺服系统及检测元件 4 5 2测量系统 绝对式编码器 4 2位移 速度 位置传感器 分类 机械式 光电式 磁电式组成及原理 编码盘 信号产生元件 信号接收元件 4 5伺服系统及检测元件 4 5 2测量系统 光电编码结构 00 51 122 00 51 123 角度编码器18000线 旋转编码器3600线 00 51 124 光栅尺 00 51 125 透射光栅 光栅检测装置的结构 00 51 126 00 51 127 利用两个平面形印刷绕组 其间保持均匀气隙约为 0 25 0 05 mm作相对平行移动 根据交变磁场和互感原理而工作的 4 6DNC系统 如前所述 CNC机床作为柔性制造自动化系统的基本单元 它必须有联网的通信功能 可以接受上级计算机的控制或遥控 在这里介绍一下有关DNC的基本概念和控制原理了便于后面内容的阐述 DNC系统含义DNC的含义有两种提法 二种为 直接数控 DirectNumericalControl 另一种为 分布式数控 DistributedNumericalControl 或称为 群控 这种技术是从CNC演变而来 在单台数控机床中 一台机床配备一台CNC系统 需要单独为其编程 制备输入纸带 配备工人操作 有些企业 为了减少单台NC机床的程序编制和制备纸带的工作量 减少工人的数量 提出了由一台通用计算机经过改进设计后 控制多台NC机床的要求 然而 DNC的意义远不在此 它意味着 可以把车间内各个数控机床通过统一调度和运行控制而组成一个柔性加工系统 这是迸一步发展成FMS的基础 4 6DNC系统 DNC系统的特点如下可实现非实时分配数控数据 DNC可以和车间的编程结合起来 便于实现车间的监控和管理 便于DNC系统向综合自动化系统转化 在DNC系统中由于采用局域网络 LAN 技术进行通信 因此DNC系统成为一种 开放式 系统 既可以作为车间级通信使用 又可以向上级和向下级设备扩展延伸 DNC便于与数据采集系统结合 采集机床工作状态 在线检测数据 对加工质量和机床状态进行实时控制 进