机床数控技术修改PPT课件

24 04 2020 1 1概述 1 1机床数字控制的基本概念1 2数控机床的构成和工作原理1 3数字控制机床的分类1 4数控机床的产生与发展 24 04 2020 2 1 1机床数控技术的基本概念 1 数控 NumericalControl 是数字控制技术的简称 缩写为NC 在自动控制技术中 数字控制是相对模拟控制而言的 但模拟控制几乎已被数字控制所替代 根据控制对象不同 有各种数字控制系统 其中 产生最早 应用最广泛的是机床的数字控制 在工业技术领域 如果不作特殊说明 一般谈到数控都是指机床的数字控制 2 数控机床是用数字化代码程序控制 能自动完成加工循环的通用机床 在机床领域 除了数字控制技术外 还有顺序控制技术 采用可编程逻辑控制器 即PLC 主要用于专用机床或专门化机床 24 04 2020 3 3 计算机数控 ComputerNumericalControl 是计算机数字控制的简称 缩写为CNC数控装置是数控机床的控制中枢 早期是由数字逻辑电路构成的 因此称为硬件数控 随着计算机技术的发展 硬件数控系统已被淘汰 取而代之的是微处理器为核心的计算机数控 CNC是采用存储程序的计算机来完成部分或全部基本数控功能 主要由计算机程序 即软件来对各类控制信息进行处理 不仅具有真正的柔性 而且可处理逻辑电路难以处理的各种复杂信息 因此使数控系统的功能大大提高 而且还在向更高水平发展 现在的数控机床都是计算机数控机床 即CNC机床 但一般仍称数控机床 24 04 2020 4 1 2数控机床的构成和工作原理 24 04 2020 5 1 2 1计算机数控装置 数控系统 计算机数控装置 即CNC装置 是数控机床的核心 由微处理器 CPU 存储器 各种I O接口及外围逻辑电路等构成 其基本功能是对输入的数控程序及有关数据进行存储与处理 通过插补运算等形成运动轨迹指令 控制伺服单元和驱动装置 实现刀具与工件的相对运动 此外还有越来越多的扩展功能 主要如下 多种程序输入功能 人机对话 手动数据输入 串行口 R232 输入 DNC输入等 以及编辑和修改功能 信息转换功能 EIA ISO代码转换 英制 公制转换 坐标转换 绝对值 增量值转换等 24 04 2020 6 实现多种插补 直线 圆弧等 运算和多坐标控制 多轴联动 刀具半径补偿 长度补偿等 系统检测和诊断功能 具有故障自诊断功能 图形显示和加工仿真功能 通讯和连网功能 加工任务数据的统计与管理功能等 智能化功能工件自动检测 自动定心 刀具寿命及刀具收存情况管理 刀具破损检测及自动更换备用刀具 负载监控 根据加工时的热变形 利用检测反馈的各种实时补偿 如对滚珠丝杠等的伸缩进行适时补偿功能 维修管理等 24 04 2020 7 1 2 2伺服进给系统 1 作用伺服系统的作用是把来自数控装置的指令信息转换为床移动部件的运动 使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的运动 最后加工出符合图纸要求的零件 伺服系统的精度和动态响应是影响数控机床加工精度 表面质量及生产率的重要因素之一 24 04 2020 8 2 组成进给伺服电动机及其驱动控制系统 位置检测反馈装置等组成 目前进给伺服电动机主要是交流伺服电动机 取代了过去的直流伺服电动机 步进电机用于简易数控机床 对于大多数数控机床 为提高其定位精度 都有一套位置测量与反馈装置 形成闭环或半闭环控制 目前在数控机床上常用的测量装置有光栅 闭环控制 旋转变压器 感应同步器 磁栅 编码盘 半闭环控制 等 24 04 2020 9 3 主要技术指标 脉冲当量 或最小设定单位 数控装置发出一个控制脉冲 机床工作台移动的距离称为脉冲当量 脉冲当量越小 加工精度越高 一般为0 01 0 001mm 此外还有运动速度 输出转矩 定位精度等 24 04 2020 10 1 2 3可编程逻辑控制器PLC 用于完成数控机床的各种逻辑运算和顺序控制 即各种设备开关控制 PLC还接受机床操作面板的指令 一方面直接控制机床的动作 一方面将有关指令送往CNC用于加工过程协调控制 PLC有内置型和独立型两大类 24 04 2020 11 1 2 4主轴驱动单元 有三种类型 1 经济型数控机床 主轴及主传动系统与一般机床相似 普通电机驱动 滑移齿轮有级变速 2 中挡型数控机床 主轴采用无级调速电机驱动 机械变速装置简化或取消 3 高挡型数控机床 主轴采用伺服电机驱动 可以无级调速及插补控制 机械变速装置简化或取消 24 04 2020 12 24 04 2020 13 1 2 5数控面板 数控面板是数控系统的控制面板 各种数控系统的数控面板是不相同的 但大多数是有共性或相似的 主要由显示器 手动数据输入 ManualDataInput 简称MDI 键盘组成 又称为MDI面板 操作人员可通过键盘和显示器实现系统管理和对数控程序及有关数据进行输入和编辑修改 此外 数控程序及数据还可以通过磁盘 即软盘 或通讯接口输入 显示器常具有多个软功能键 简称软件 用于选择菜单 按键除各种符号键和数字键外 还常设控制键和用户定义键等 24 04 2020 14 1 2 6机床操作面板 由各种按钮和旋钮等组成 主要用于对机床的操作 如系统启动开关 紧急停车开关 进给速度倍率旋钮 或按钮 机床回零按钮 手动快 慢进给按钮等 24 04 2020 15 1 2 7机床本体 它指的是数控机床机械结构实体 它与传统的普通机床相比较 同样由主传动机构 进给传动机构 工作台 床身及立柱等部分组成 但数控机床的整体布局 外观造型 传动机构及操作机构等方面都发生了很大的变化 归纳起来由以下及点 1 由于普遍采用了伺服电机无级调速技术 机床进给运动和主传动的变速操纵机构被极大地简化甚至取消 24 04 2020 16 2 进给传动采用高效传动件 如滚珠丝杠 直线滚动导轨副 贴塑导轨 同步齿形带 柔性联轴器等 具有传动链短 结构简单 传动精度高等特点 3 结构设计具有刚度大 精度高 抗振性强 热变形小等特点布局形式便于高效生产 如采用斜床身 有利于提高机床刚度和方便排屑 4 加工中心有较完善的刀具自动交换和管理系统 有的有工件自动交换工作台 工件在加工中心类机床上一次安装后 能自动地完成或接近完成工件各面的加工工序 采用全封闭罩壳 由于数控机床是自动完成加工 为了操作安全等 一般采用移门结构的全封闭罩壳 对机床的加工部位进行全封闭 24 04 2020 17 24 04 2020 18 24 04 2020 19 24 04 2020 20 24 04 2020 21 24 04 2020 22 1 1 2数控机床的技术特点 由于数控机床综合了微电子技术 计算机应用技术 自动控制技术以及精密机床设计与制造技术 具有专用机床的高效率 精密机床的高精度和通用机床的高柔性等显著特点 具体说来可包括以下几个方面 复杂 精密 多变零件的高效 自动化加工 1 柔性自动化 具有广泛适应性 由于采用数控程序控制 加工中多采用通用型工装 只要改变数控程序 便可实现对新零件的自动化加工 因此能适应当前市场竞争中对产品不断更新换代的要求 解决了多品种 中小批量生产自动化问题 24 04 2020 23 2 精度高 质量稳定 在数控机床中集中了众多提高加工精度和保证质量稳定性的技术措施 首先数控机床是根据数控程序自动工作 一般在工作过程中不需要人工干预 这就消除了操作者人为产生的失误或误差 数控机床的机械结构是按照精密机床要求进行设计和制造的 采用了滚珠丝杠 滚动导轨等高精度传动部件 而且刚度大 精度高 伺服传动系统的脉冲当量或最小设定单位可以达到0 01 0 0005mm 同时工作中还大多采用具有检测反馈的闭环或半闭环控制 并且有误差修正或补偿功能 可进一步提高精度和稳定性 数控加工中心具有刀库和自动换刀装置 工件可在一次装夹后完成工件的多面和多工序加工 最大限度地减小了装夹误差的影响等 24 04 2020 24 3 生产效率高 数控机床能最大限度地减小零件加工所需的机动时间与辅助时间 使生产效率显著提高 数控机床的进给运动和多数主运动都采用无级调速 且调速范围大 因此每一道工序都能选择最佳的切削速度和进给速度 良好的结构刚度和抗振性允许机床采用大切削用量和进行强力切削 一般不需要停机对工件进行检测 从而有效地减少了机床加工中的停机时间 机床移动部件在定位中都采用自动加减速措施 因此可选用很高的空行程运动速度 大大节约了辅助运动时间 加工中心可采用自动换刀和自动交换工作台等措施 工件一次装夹 可进行多面和多工序加工 可大大减少工件装夹 对刀等辅助时间 而且加工工序集中 可减少零件周转 减少了设备台数及厂房面积 给生产调度管理带来极大方便 24 04 2020 25 4 能实现复杂零件的加工 由于数控机床采用计算机插补技术和多坐标联动控制 可以实现任意的轨迹运动和加工出任何复杂形状的空间曲面 可方便地完成各种复杂曲面 如螺旋桨 汽轮机叶片 汽车外形冲压用模具等类零件的加工 5 减轻劳动强度 改善劳动条件 由于数控机床的操作者主要是利用操作面板对机床的自动加工进行操作 大大减轻了操作者的劳动强度 改善了生产条件 并且可以实现一个人轻松管理多台机床 24 04 2020 26 6 有利于现代化生产与管理 采用数控机床加工能方便精确计算零件的加工工时或进行自动加工统计 能精确计算生产和加工费用 有利于生产过程的科学管理 数控机床是计算机辅助设计与制造 CAD CAM 群控或分布式控制 DNC 柔性制造系统 FMS 计算机集成制造系统 CIMS 等先进制造系统的基础 24 04 2020 27 1 1 3数控机床存在的问题 1 成本高初始投资大 2 维护费用高技术难度大 3 对操作 维护 管理人员素质要求高对于上述问题相应对策 1 合理选择 工件复杂程度批量10 100 2 提高开工率 回收资金 3 降低数控机床成本 经济型加工中心 24 04 2020 28 1 3数字控制机床的分类 1 3 1按工艺用途分类1 3 2按运动轨迹类型分类1 3 3按控制方式进行分类1 3 4按数控系统的功能水平进行分类 24 04 2020 29 1 3 1按工艺用途分类 1 金属切削类可进一步划分为普通数控机床和加工中心两类 1 普通数控机床根据我国1985年颁布的 JB1838 85金属切削机床型号编制方法 金切机床划分为12大类 车床 C 钻床 Z 镗床 T 磨床 M 齿轮加工机床 Y 螺纹加工机床 S 铣床 X 刨床 B 拉床 L 超声波及电加工机床 D 切割机床 G 其它机床 Q 因此普通数控机床也划分为相应的12大类 仅在类代号后面增加机床通用性代号 K 加以区别 称做数控车床 数控铣床等 24 04 2020 30 2 加工中心类加工中心是在一般数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置而构成的 又成自动换刀数控机床 主要有铣镗加工中心 简称加工中心 车削加工中心 简称车削中心 和磨削加工中心 简称磨削中心 等 该类机床相应类代号后面要增加通用特性代号 H 24 04 2020 31 数控加工中心有如下优点 数控加工中心与一般的数控机床相比具有如下优点 减少机床台数 便于管理 对于多工序的零件只需一台机床就能完成全部加工 可有效减小半成品库存量 工件一次装夹后 就能完成全部或大部分的工序的加工 从而减少了由于多次安装造成的定位误差 工序集中 减少辅助时间 提高生产率 大大减少专用夹具的数量 进一步缩短了生产准备时间 24 04 2020 32 2 金属成形类数控压力机 数控折弯机 数控弯管机等 3 特种加工类数控电火花线切割机 数控电火花成形机 数控火焰切割机 数控激光加工机 4 测量 绘图类数控对刀仪 数控绘图仪 三坐标测量仪等 24 04 2020 33 1 3 2按运动轨迹类型分类 1 点位控制数控机床 点到点的控制 pointtopointcontrol 2 直线控制数控机床 3 轮廓控制或连续轨迹控制 contouring或continuouspathcontrol 现在绝大多数数控机床都具有轮廓控制或连续轨迹控制功能 24 04 2020 34 1 点位控制数控机床 电位控制数控机床的数控装置只要求精确地控制一个坐标点到另一个坐标点的定位精度 而不管从一点到另一点是按照什么轨迹运动 在移动过程中不进行任何加工 各轴之间的运动是不相关的 为了实现即快又精确的定位 两点之间的位置移动 一般以先最快速度移动到即将接近位置点 然后通过1 3级降速 以保证定位精度数控钻床 数控坐标镗床 数控测量机等 24 04 2020 35 2 直线控制数控机床 直线控制数控机床不仅要求具有准确的定位功能 还要控制两相关点之间的位移速度和路线 但其路线只是与坐标轴平行的直线 也就是说同时控制的轴只有一个 其路线一般是由和坐标轴平行的直线段组成 也包括45度的直线 而且辅助功能比点位控制的数控机床多 例如增加了主轴转速控制 循环进给加工 刀具选择功能等 数控车床 数控铣床 数控磨床等 24 04 2020 36 3 轮廓控制或连续轨迹控制 轮廓控制数控机床的数控装置能两个或两个以上坐标轴的位移和速度同时进行连续相关的控制 要求数控装置具有插补运算功能 即根据程序输入的基本数据 通过数控系统内插补运算器的数学处理 把直线或曲线的形状描述出来 并一边运算 一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲 从而控制各坐标轴的联动位移量与所要求的轮廓相符 又可分为二轴联动 二轴半联动 三轴联动 五轴联动和四轴联动 24 04 2020 37 A 插补运算或控制的类型很多 插补器主要以软件为主 或采用软件与硬件相结合 B 功能类型 主要是直线插补 圆弧插补 螺旋线插补 其它类型 如样条插补等正在研究中 C 插补运算的本质是用直线段逼近斜线 圆弧或样条曲线 24 04 2020 38 1 3 3按控制方式进行分类 1 开环控制系统伺服系统中没有检测反馈装置 数控装置发出的指令信号的流程是单向的 其精度主要决定于驱动元件和步进电机 其驱动电机只能采用步进电动机 该类电动机的主要特征是控制电路每变换一次指令脉冲信号 电动机就转过一个步距角 并且电机本身就具有自锁能力 24 04 2020 39 开环控制系统的特点 优点 控制方便 结构简单 价格便宜 控制系统发出的指令信号流是单向的 所以不存在稳定性问题缺点 控制精度较差 对进一步提高定位精度受到限制应用 精度要求不太高的开环控制系统在我国一般经济型数控机床或旧设备数控改造中均被广泛地采用 另外该类控制方式的数控装置多由单片机或单板机构成 使得整个系统价格便宜 24 04 2020 40 2 全闭环控制系统 其位移反馈采用直线位移检测元件 安装在机床床鞍部位上 即直接检测机床坐标的直线位移量 通过反馈可以消除从电动机到机床床鞍整个机床传动连中的传动误差 得到很高的机床静态定位精度 24 04 2020 41 全闭环控制系统的特点 优点 定位进度高 调节速度快缺点 调试 维修困难 系统复杂 成本高 应用 精度要求很高的数控坐标镗床 数控精密磨床等 24 04 2020 42 3 半闭环控制系统 其位置反馈采用转角检测元件 直接安装在伺服电动机或丝杠端部 由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内 因此可以获得较稳定的控制特性检测装置安装在电机或丝杠上的闭环系统 把工作台运动干扰排除在控制系统之外没有把惯性大的工作台包括在闭环回路内 因此系统稳定性好 调试方便 24 04 2020 43 半闭环控制系统原理框图 24 04 2020 44 1 3 4按数控系统的功能水平进行分类 高 最高分辨率0 1微米 进给速度15 100m min 伺服系统采用闭环控制 联动轴数3 5以上 具有MAP 制造自动化协议 通信接口和其他接口 并具有通讯联网功能 一般具有三维动态图形显示功能 有较强功能的内装PLC 并具有轴控制扩展功能 选用32或64位CPU 中 最高分辨率1微米 进给速度15 24m min 伺服系统采用半闭环控制 联动轴数3 5 具有RS232或DNC通信接口 内装PLC 选用16或32位CPU 低 最高分辨率10微米 进给速度4 15m min 伺服系统采用开环控制 联动轴数不超过3轴 无通信功能 无内装PLC 选用8位CPU 24 04 2020 45 1 4数控机床的产生与发展 1 4 1数控机床的产生世界上第一台数字控制机床 简称数控机床 是为满足航空工业加工复杂零件的需要而产生的 1948年 美国帕森斯公司 ParsonsCo 在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时 提出了数控机床的初步设想 后来受空军委托与麻省理工学院伺服机构研究所合作开始了三坐标铣床的研究工作 1952年 美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作 发明了世界第一台三座标数控铣床 24 04 2020 46 第一代电子管数控系统1952 1958 1959年3月 由克耐 杜列克公司发明了带自动换刀装置的数控机床 称为 加工中心 采用晶体管和印刷电路板 第二代晶体管数控系统1959 1964 1965年出现采用中 小规模集成电路数控机床 第三代集成电路数控系统1965 1969 1967年 英国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FMS1968年 CNC出现 第四代小型机数控系统1970 1973 近20年来 微处理机的数控机床得到了飞速的发展和广泛的应用 这就是MNC 第五代微处理器数控系统1974 第六代基于工控PC机的通用型CNC系统 24 04 2020 47 1 4 2数控技术的发展趋势 1 硬件 开放式 PC集成技术 模块化 2 系统软件 开放式 标准操作系统 实时数据库 3 CNC核心功能 三维刀具补偿 样条插补 监控和诊断