数控机床NCPPT课件

1 数控技术 郑州大学机械工程学院 2 第一章数控机床概述 第一节数控机床简介第二节数控机床的控制原理和组成第三节数控机床的分类第四节数控技术及数控机床的发展及其技术水平 3 第一节数控机床简介 一 数控机床的产生NumericalControl NC ComputerNumericalControl CNC 1952年美国Parsons公司和MIT受空军委托研制成功世界上首台数控机床 它综合了电子计算机 自动控制 伺服驱动 精密检测 新型机械结构等世界先进技术 当时 1955年实用化 复杂曲面 4 二 数控机床的特点 1 能适应不同零件的自动加工 2 生产效率和加工精度高 加工质量稳定 3 能高效优质完成复杂型面零件的加工 其生产效率比之通用机床加工可提高十几倍甚至几十倍 4 工序集中 一机多用 5 数控机床是一种高技术的设备 5 第二节数控机床的控制原理和组成 一 数控机床的控制原理数控机床是一种高度自动化的机床 在加工工艺与加工表面形成方法上与普通机床是基本相同的 最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上 数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的 将与加工零件有关的信息 工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数 进给执行部件的进给尺寸 切削加工的工艺参数 主运动和进给运动的速度 切削深度等 以及各种辅助操作 主运动变速 刀具更换 冷却润滑液启停 工件夹紧松开等 等加工信息用规定的文字 数字和符号组成的代码 按一定的格式编写成加工程序单 将加工程序通过控制介质输入到数控装置中 由数控装置经过分析处理后 发出各种与加工程序相对应的信号和指令拉制机床进行自动加工 6 二 数控机床的组成 一 程序编制及程序载体 二 输入装置 三 数控装置及强电控制装置 四 伺服驱动系统及位置检测装置 五 伺床的机械部件 7 8 第三节数控机床的分类 一 按数控机床的加工功能分类 一 点位控制数控机床这类机床主要有数控钻床 数控镗床 数控冲床 三坐标测量机等 此外印刷电路板钻孔机应算是最简单的点位控制数控机床 点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系 它控制在加工平面内的两个坐标轴 一个坐标轴就是一个方向的进给运动 带动刀具与工件相对运动 从一个坐标位置 坐标点 快速移动到下一个坐标位置 然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工 9 二 直线控制数控机床 直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度 沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工 进给速度根据切削条件可在一定范围内调变 10 三 轮廓控制数控机床 1 平面轮廓加工的数控机床这类机床有加工曲面零件的数控车床和铣削曲面轮廓的数控铣床 其加工零件的轮廓形状如图I 2所示 零件的轮廓可以由直线 圆弧或任意平面曲线 如抛物线 阿基米德螺旋线等 组成 11 2 空间轮廓加工的数控机床 1 在三坐标控制两坐标联动的机床上 用 行切法 进行加工也有将这种方法称为轴控制的 空间轮廓加工 根据轮廓形状和所用刀具形状的不同有以下几种方法 12 2 三坐标联动加工 图1 4为内循环滚珠螺母的回珠器示意图 其该道母线SS 为一空间曲线 它可用空间直线去逼近 因此 可在有空间直线插补功能的三坐标联动机床上加工 但是编程计算较复杂 其加工程序可采用自动编程系统来编制 13 3 四坐标联动加工 图1 5所示的飞机大梁 它的加工表面是直纹扭曲面 若用三坐标联动机床和球头铣刀加工 不但生产率低 而且零件的表面光洁度也很差 为此 可采用圆柱铣刀周边切削方式 14 4 五坐标联动加工 所有的空间轮廓几乎都可以用球头刀按 行切法 进行加工 对于一些大型的曲面轮廓 零件尺寸和曲面的曲率半径都比较大 改用端铣刀进行加工 可以提高生产率和减少加工的残留量 减小表面粗糙度 15 二 按所用进给伺服系统的类型分类 1 开环数控机床开环数控机床采用开环进给伺服系统 图1 7所示为典型的开环进给系统 其中图1 7 a 是由功率步进电机驱动的开环进给系统 数控装置根据所要求的进给速度和进给位移 输出一定频率和数量的进给指令脉冲 经驱动电路放大后 每一个进给脉冲驱动功率步进电机旋转一个步距角 再经减速齿轮 丝扛螺母副 转换成工作台的一个当量直线位移 对于圆周进给 一般都是通过减速齿轮 蜗杆蜗轮副带动转台进给一个当量角位移 16 17 二 闭环数控机床 闭环数控机床的进给伺服系统是按闭环原理工作的 图1 8 a 为典型的闭环进结系统 数控装置将位移指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号 随时进行比较 根据其差值与指令进给速度的要求 按一定的规律进行转换后 得到进给伺服系统的速度指令 另一方面还利用和伺服驱动电机同轴刚性连接的测速元器件 随时实测驱动电机的转速 得到速度反馈信号 将它与速度指令信号相比较 以其比较的结果即速度误差信号 对驱动电机的转速随时进行校正 利用上述的位置控制和速度控制的两个回路 可以获得比开环进给系统精度更高 速度更快 驱动功率更大的特性指标 18 19 三 半闭环数控机床 如图1 8 b 所示 如果将位置检测装置安装在驱动电机的端部 或安装在传动丝杠端部 如图1 8 b 中虚线所示 问接测量执行部件的实际位置或位移 这种系统就是半闭环进给系统 可以获得比开环系统更高的精度 但它的位移精度比闭环系统的要低 与闭环系统相比 易于实现系统的稳定性 现在大多数数控机床都广泛采用这种半闭环进给伺服系统 20 三 按所用数控装置类型分类 一 硬线数控机床硬线数控机床 NC 使用硬线数控装置 它的输入处理 插补运算和控制功能 都由专用的固定组合逻辑电路来实现 不同功能的机床 其组合逻辑电路也不相同 改变或增减控制 运算功能时 需要改变数控装置的硬件电路 因此通用性 灵活性差 制造周期长 成本高 20世纪70年代初期以前的数控机床基本上部属于这种类型 现代数控机床不再采用硬线数控系统 21 二 计算机数控机床 这类机床使用计算机数控装置 CNC 即软线数控装置 这种数控装置的硬件电路是由小型或微型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成 数控机床的主要功能几乎全部由系统软件来实现 所以不同功能的机其系统软件也就不同 而修改或增减系统功能时 不需变动硬件电路 只需改变系统软件 因此 具有较高的灵活性 同时由于硬件电路基本上是通用的 这就有利于大量生产 提高质量和可靠性 缩短制造周期和降低成本 早在20世纪60年代初期就出现了这类数控机床 但是直到20世纪70年代中期以后 随着微电子技术的发展和微型计算机的发展以及集成电路的集成度不断提高 计算机数控装置才得到不断的发展和提高 目前几乎所有的数控机床都采用了计算机数控装置 22 除了上述三种分类方法以外 还可以从其他角度进行分类 例如 金属切削类数控机床有数控车床 数控铣床等等 金属成型类数控机床有数控折弯机 数控弯管机 数控冲床等 数控特种加工机床有数控线切割机 数控激光加工机 数控火焰切割机 数控等离子体切割机等 23 第四节数控技术及数控机床的发展及其技术水平 随着科学技术的发展 制造技术的进步 产品质量和品种多样化的要求日益提高 中小批量生产的比重明显增加 促使数控机床不断向着高效率 高质量 高柔性和低成本的方向发展 而且 数控机床作为柔性制造单元 FMC 柔性制造系统 FMS 计算机集成制造系统 CIMS 的基础设备 对其数控装置 伺服驱动系统 程序编制 检测监控以及机床主机等组成部分提出了更高的要求 以下几个方面可以说明数控技术和数控机床当前的发展和水平 24 一 数控装置 数控装置的发展是数控技术和数控机床发展的关键 电子元器件和计算机技术的发展推动了数控装置的发展 最初的数控装置使用电子管器件 以后使用晶体管和印刷电路板 发展到20世纪60年代末期使用的小规模集成电路器件 这些都是所谓硬线数控装置 20世纪70年代以来 随着计算机技术的发展 才出现了以小型计算机 微处理器为核心的计算机数控装置 CNC 当今它已被广泛采用 占据绝对的优势 它的水平如下 25 1 数控装置的微处理器的CPU已由8位字长增加至16位和32位 时钟频率由2MHz提高到16MHz 20MHz和32MHz 最近还开发出了64位CPU 并且开始采用精简指令集运算芯片RISC作为CPU 使运算速度得到进一步提高 此外 大规模和超大规模集成电路和多个微处理器的采用 使数控装置的硬件结构标准化 模块化和通用化 使数控功能可根据需要进行组合和扩展 26 2 数控装置配备有多种遥控和智能接口 如RS232串行接口 RS422高速远距离串行接口以及DNC接口等 配备DNC接口 可以实现几台数控机床之间的数据通讯 也可以直接对几台数控机床进行控制 此外在数控装置中采用MAP等高级工业控制网络或Ethernet 以太网 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和CIMS等制造系统创造了条件 27 3 数控装置具有很好的操作性能 装置上设置了很好的人机界面 普遍采用薄膜按键 减少指示灯和按键数量 大量采用菜单选择操作 彩色CRT显示器 不仅显示字符 平面团形 还能显示三维动态立体图形 这样使操作越来越简便 4 数控装置的可靠性大大提高 大量采用高集成度芯片 专用芯片及混合式集成电路 减少了元器件数量 电子元器件采用表面安装工艺 SMT 实现三维高密度安装 元器件经过严格筛选 这样提高硬件质量 降低功耗 极大地提高了系统的可靠性 使得数控装置的平均无故障时间 MBF 达到10000 36000小时 28 5 20世纪80年代末 如年代初出现了CNC系统的开放式体系结构 其硬件 软件和总线规范均是对外开放的 为数控设备制造厂家和用户二次开发出具有各自技术特色的系统提供了有力的支持 29 二 进给伺服驱动系统 进给伺服系统是数控机床的重要组成部分 它的电路 电机及检测装置等的技术水平都有极大的提高 1 永磁同步交流伺服电机逐渐取代了直流伺服电机 提高了电机的可靠性 降低了制造成本 基本上无需维修 2 组成伺服驱动电路的位置 速度和电流控制环节部分实现数字化 甚至利用单片微机或高速数字信号处理器为硬件基础进行全数字化控制 与CNC系统的计算机有双向通信联系 这样避免了零点漂移 提高了位置与速度控制的精度和稳定性 由于采用软件控制 系统可以引用多种控制策略 容易改变系统的结构和参数 以适应不同机械负载的要求 有的甚至可以自动辨识负载惯量 并自动调整和优化系统的参数 从而获得最佳的静态和动态控制性能和效果 30 3 采用高速和高分辨率的位置检测装置组成半闭环和闭环位置控制系统 增量式位置检测编码达到10000p r 脉冲 转 绝对式编码器可以达到1000000p r和0 01 m 脉冲的分辨率 分辨率为0 1 时 位移速度可达到240m min 这样极大地提高了位置控制的精度 即机床的定位精度 4 通过进给伺服系统实现丝杆螺距误差补偿外 热变形误差补偿 空间误差补偿技术的研究也取得了显著的成效 综合误差补偿技术的应用可以将加工误差减少60 左右 31 三 程序编制 数控机床编程技术的发展水平表现在以下几个方面 1 数控机床的自动编程系统除语言编程系统外 图形编程 实物编程和语音编程都得到了长足的发展 增加了自动编程的手段 2 从脱机编程逐渐发展到在线编程 脱机编程是由手工或编程计算机系统完成程序编制 然后再由输入装置输入数控装置 现代的CNC系统具有很强的运算能力 很高的运算速度和存储容量 可以将自动编程的很多功能 植入到数控装置里 使零件的加工程序可以在数控装置的操作面板上在线编制 如FANUC公司的SymbolicFAPT就是采用这样的编程方法 也可称之为图形人机对话编程 有的数控系统 还开发有空间曲面插补功能 插补软件可根据存放在数控系统内的空间曲面的数学模型 插补加工出曲面轮廓 极大地简化了编程和程序输入 极大地提高了加工可靠性 32 3 在线编程过程中不仅可以处理几何信息 还可以处理工艺信息 数控装置内没有与该机床加工工艺相关的小型工艺数据库或专家系统 可以自动选择最佳的工艺参数 4 数控机床的工况检测 监控和故障诊断现代数控机床上装有工件尺寸检测装置 对工件加工尺寸进行定期检测 发现超差则及时发出报警或补偿信号 还有红外 超声发射等监控装置 对刀具工况进行监控 遇有刀具磨损超标或刀具破损 能及时报警 以便调换刀具 以保证加工产品的质量 目前CNC系统中已经采用了开机诊断 运行诊断 通讯诊断和专家诊断系统等故障自诊断技术 对故障进行自动查找 分类 显示 报警 便于及时发现和排除系统的故障 33 五 采用功能很强的可编程控制器 数控机床辅助功能的控制 以前都采用继电器逻辑硬件电路 而且要由用户去设计制造 现代数控机床广泛采用内装型或独立型可编程控制器PC ProgrammableController 它有专用的32位微处理器 基本指令执行时间是0 2 s step 有梯形语言程序16000以上 可以来用C语言或PASCAL语言来编制PC程序 程序容量68 256KB以上 在PC与CNC之间有高速窗口 采用C语言编程时 可以在个人计算机的开发环境下工作 利用PC的高速处理功能 使CNC与PC有机地结合起来 而且可以利用梯形图 Ladder 的监控功能 使机床的故障诊断和维修更加方便 34 六 数控机床的主机 数控机床的主机也有很多新的发展 表现在 1 主运动部件不断实现电气化和高速化 除采用直流调速电机和交流变频调速电机驱动主轴部件 以提高主运动的速度和调速范围 并减少机械传动链以外 近来更有采用内装式主轴电机 将主轴部件做在电机转子上 从而大大提高了主轴转速和减少机械传动 主轴转速最高可达10000 100000r min 而且仅用1 8s即可从0速升到最高转速 35 2 增加加工功能 集中工序以提高生产率相加工件的形位精度 如采用自动换刀装置 自动更换工件机构 数控夹具等 开发出铣镗加工中心 车削加工中心等机床 如采用转位主轴头架 形成五面加工能力 3 采用机电一体化和全封闭式结构 将以前与主机分离的数控装置 强电控制装置和液压传动油箱等设备全部与主机集成为一体 使结构紧凑 减少管线 减少占地面积 零件加工区域完全封闭在可以窥视的罩壳内 并采用自动排屑装置 改善了加工环境和条件 采用气动液压机构以控制和驱动各种辅助运动机构 利用集中的压缩空气动力 避免了液压油泵的耗能 发热和噪声等缺点 4 主机的大件采用焊接结构和合理的结构形式 在减轻机床自重的条件下 获得极高的结构刚度和抗振性 采用电机无级调速驱动 缩短机械传动链的长度 减小噪声 提高机械效率 采用低摩擦阻力的滚珠丝杠螺母副 静压丝杠螺母副 滚动导轨 静压导轨 贴塑导轨等传动元件和导向导轨 极大地提高了传动刚度和减小摩擦阻力 从而提高了进给运动的动态响应性能和低速运动平稳性能 36 二 直接数字控制系统 直接数字控制 DNC 系统是用一台通用汁算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统 在DNC系统中 基本保留原来各数控机床的NC系统 并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络 实现分级控制管理 中央计算机并不取代各数控装置的常规工作 DNC系统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 此外DNC系统还具有生产管理 作业调度 工况显示监控和刀具寿命管理等能力 DNC系统可以分成间接控制型和直接控制型两大类 37 一 间接控制型系统 间接控制型DND系统是由已有的数控机床 配上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上通信接口所组成 如图1 9所示 中央计算机配备有大容量的外存储器 以存放每台数控机床所需的零件加工计划和加工程序 适时调至计算机的内存中 计算机中存有扫描程序 顺次查询各台数控机床的请求信号 根据需要 计算机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 由于传送一个零件加工程序的时间报短 而机床的加工时间很长 所以一台中央计算机为多台机床服务时 不会发生等待现象 38 二 直接控制型系统 组成直接控制型DNC系统的数控机床不再配置普通的数控装置 原来由数控装置完成的插补运算功能全部或部分由中央计算机集中完成 各台数控机床只需配置一个简单的机床控制器 MachineControlUnit MCU 用于数据传递 驱动控制和手动操作 其原理框图如图1 10所示 39 三 柔性制造单元和柔性制造系统 一 柔性制造单元柔性制造单元 FMC 是由加工中心 MC 与自动交换工件 AW APC 的装置所组成 同时数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能 图1 11所示为某厂生产的FMC 1型柔性制造单元的示意图 40 41 二 柔性制造系统 1 柔性制造系统的特征FMS有其公认的特征 1 具有多台制造设备 这些设备不限于切削加工设备 也可以是电加工 激光加工 热处理 冲压剪切设备以及装配 检测等设备 或者是上述多种加工设备的综合 组成设备的台数并无定论 一般认为由5台以上设备组成的系统才称为FMS 也有人认为2 4台设备组成的是小规模FM 当然只有一台设备的一定是FMC 42 2 系统由一个物料运输系统将所有设备连结起来 可以进行没有固定加工顺序和无节拍的随机自动制造 3 由计算机进行高度自动的多级控制与管理 对一定范围内的多品种 小批量的零部件进行制造 43 2 柔性制造系统的组成 一般认为FMS应由加工 物流 信息流三个子系统组成 每一个子系统还可以有分系统 加工系统可以由FMC组成 但是多数还是由传统的CNC机床 按DNC的控制方式构成 可以自动更换刀具和工件并进行自动加工 有些组成设备还可能是自动更换多轴主轴箱的加工中心 系统中的机床有互补和互替两种配置原则 互补是指在系统中配置完成不同工序的机床 被此互相补充而不能代替 一个工件顺次通过这些机床进行加工 互替是指在系统中配置有相同的机床 一台机床有故障则空闲的一台机床可以替代加工 以免等待 当然一个系统的机床设备也可以按这两种方式混合配置 这要根据预期生产纲领来确定 44 物流系统包括工件和刀具两个物流系统 系统设有中央刀库 出工业机器人在中央刀库和各机床的刀库之间进行输送和交换刀具 而刀具的备制和预调一般都不包括在系统自动管理的范围之内 刀具的数目要少 必须采用标准化 系列化 并有较长的刀具寿命 系统应有监控刀具寿命和刀具故障的功能 刀具寿命的监控 目前多用定时换刀的方式 即记录每一招刀具的使用时间 达到顶定的使用寿命后即强行更换 直接检测刀具磨损 根据磨损情况更换刀具的方法 由于这一技术尚不成熟 还没有在生产中得到应用 45 信息流系统包括加工系统及物流系统的自动控制 在线状态监控及其信息处理以及在线检测和处理等 此外在系统中还应该有排屑 去毛刺 清洗等工作工位 这些工作都要纳入系统的自动控制范围之内 46 3 柔性制造系统的优点 目前全世界拥有的柔性制造系统很多 而且还在以很快的速度增长 柔性制造系统的加工对象很广 生产批量为10 1000件 其中300件以下的最多 年产量约在200 3000件 一个柔性制造系统加工对象的品种为5 300种 其中30种以下的最多 使用柔性制造系统的行业主要集中在汽车 飞机 机床 拖拉机以及某些家用电器行业 柔性制造系统具有良好的经济效益和社会效益 这是由于解决了零部件的存放 运输以及等待时间 可以提高生产率50 以上 井使生产周期缩短50 以上 从而减少了在制品 缩短了资金局转期 由于装夹 测量 工况监视 质量控制等功能的采用 使机床的利用率由单机使用的50 提高到70 90 而且加工质量稳定 另一个优点是操作人员可以大为减少 47 三 柔性制造系统举例 图1 13为JCS FMS 1型系统的布局总框图 它是我国的第一条FMS 由北京机床研究所与精密机床厂根据日本FANUC公司的FMS技术 于1985年研制成功的 该系统用于加工直流伺服电机的轴 法兰 支架以及壳体等类型的14种零件 年产6种型号的电机约5000台以上 它的几个子系统为 48 49 1 加工系统 该系统共有5台数控机床 即CK7815型及START TURN1200型数控车床各1台 H160 1型数控端面外圆磨床 JCS 018型立式加工中心 HX754型卧式加工中心各1台 这5台机床呈直线式诽列 每台机床前设置有托盘站1个 并由4台M1型工业机器人分别在机床与托盘站之间进行工件的交换 其中两台加工中心合用一台工业机器人 以上5台机床与为之服务的工业机器人组成5个加工单元 加工单元分别与具有多路接口的单元控制器CCU连接 每个CCU能进行上 下级之间的信息交换和对下属设备的协调与监控 50 2 物流系统 机床的托盘站与自动仓库之间采用一台电缆感应的自动引导小车进行工件的运输 自动平面仓库上有15个工件出 入的托盘站 物流系统由物流管理计算机PMS 200和控制装置MCP进行控制 没有中央刀库和刀具管理 刀具要根据加工要求分别事先安装到各个机床的刀库或刀座上去 51 3 中央管理系统 中央管理系统集中安装在总控制室内 由总控制室可以总观FMS全线的情况 中央管理计算机承担整个系统的生产计划与作业调度 集中监控以及加工程序管理等工作 零件加工程序采用日本FANUC公司的P G型自动编程系统编制 编好的程序存放在程序库内 供加工时调用 LAN PC J型 为局部网络控制器 用以在中央计算机和下属的各单元控制器CCU 物流计算机 程序库之间实行信息传递与管理 此外 该系统还采用了有5个摄像头 ITV 的工业电视机 TV 对自动平面仓库 单元2 4 5和自动引导小车等5个部位的运行情况进行监视 52 五 机床的自适应控制 一 自适应控制机床的产生及其基本原理在机床 刀具 工件组成的系统上进行切削加工是一个动态过程 有许多因素和参数 加工件毛坯裕量不匀 材料硬度不一 刀具磨损 刀刃积屑瘤 受力变形 切削振动和热变形等 将使切削过程不能处于最佳状态 从而影响切削过程的生产效率 加工质量和经济效