机械电子与数字控制基础PPT课件

1 机械电子与数字控制基础 主讲人 郑琳大连民族学院2014年9月 2 机械电子与数字控制基础 教材 机床控制技术 宁立伟主编 机电一体化设计基础 郑堤 唐可洪主编参考书目 机电一体化控制技术与系统 周祖德 机电一体化系统设计 张建民 机电一体化技术 卢金鼎 机电一体化技术基础及应用 黄筱调 3 机械电子与数字控制基础 考核方式 平时成绩占30 期末考试成绩占70 缺勤一次扣10分迟到或早退一次扣5分缺勤三次取消考试资格 4 第一章数控技术概论 机械电子与数字控制基础 数字控制技术 数控机床的构成 数控系统主要技术指标 数控系统分类 数控技术发展趋势 NC机床的发展方向 5 第一章数控技术概述 第一章数控技术概述 数控技术 6 数控技术 第一章数控技术概述 数字控制 NumericalControl简称NC 是一种借助数字 字符或其它符号对某一工作过程 如加工 测量 装配等 进行控制的自动化方法 数控技术 NumericalControlTechnology 是指用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术 它是制造业实现自动化 柔性化和集成化生产的基础技术 由于计算机应用技术的成熟 数控系统均采用了计算机数控 CNC ComputerNumericalControl 以区别于传统的NC 什么是数字控制技术 以数字量作为控制信息量 7 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床 NumericalControlMachineTools 是用计算机通过数字信息来自动控制机械加工的机床 具体地说 数控机床是通过编制程序 即通过数字 代码 指令来自动完成机床各个坐标的协调运动 正确地控制机床运动部件的位移量 并且按加工的动作顺序要求自动控制机床各个部件的动作 数控机床是集计算机应用技术 自动控制 精密测量 微电子技术 机械加工技术于一体的一种具有高效率 高精度 高柔性和高自动化的光机电一体化数控装备 什么是数控机床 8 图片 9 图片 10 图片 11 图片 12 图片 13 图片 14 图片 15 数控技术 第一章数控技术概述 1 数控机床的加工特点 数控机床的特点 1 加工精度高 质量稳定 2 生产效率高 3 适应性强 4 良好的经济效益 5 自动化程度高 劳动强度低 6 有利于实行现代化生产管理 16 数控技术 第一章数控技术概述 2 数控机床的使用特点 数控机床的特点 1 对操作 维修人员的要求较高 2 对夹具和刀具的要求 3 数控机床的应用范围 一般来说 数控机床最适合加工具有以下特点的工件 1 多品种小批量生产的工件 2 形状结构比较复杂的工件 3 需要频繁改型的工件 4 需要最短生产周期的急需工件 17 数控技术 第一章数控技术概述 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 切削用量以及各种辅助操作等加工信息 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 经过数控装置的处理 运算 按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路 经过转换 放大进行伺服电机的驱动 带动各轴运动 并进行反馈控制 使刀具 工件以及其它辅助装置严格按程序规定的顺序 轨迹和参数有条不紊的工作 从而加工出所需要的零件 数控机床的工作原理 18 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的构成 数控机床一般由数控系统 伺服系统 主传动系统 强电控制柜 机床本体和各类辅助装置组成 19 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的构成 1 数控系统 数控系统是机床实现自动加工的核心 主要有操作系统 主控制系统 可编程控制器 各类I O接口等组成 2 伺服系统 它是数控系统地执行部分 主要由伺服电动机 驱动控制系统及位置检测反馈装置等组成 20 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的构成 3 主传动系统 它是机床切削加工时传递扭矩的主要部件之一 一般分为齿轮有级变速和电气无级调速两种类型 4 强电控制装置 强电控制装置是介于数控装置和机床机械 液压部件之间的控制系统 主要由各种中间继电器 接触器 变压器 电源开关 接线端子和各类电气保护元器件等构成 21 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的构成 5 辅助装置 主要包括刀具自动交换装置 ATC AutomaticToolChanger 工件自动交换装置 APC AutomaticPalletChanger 工件夹紧放松机构 回转工作台 液压控制系统 润滑装置 冷却液装置 排屑装置 过载与限位保护装置等 22 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的构成 6 机床本体 它指的是数控机床机械结构实体 由主传动机构 进给传动机构 工作台 床身以及立柱等部分组成 23 数控技术 第一章数控技术概述 数控系统主要技术指标 控制轴数CNC最多可以控制多少坐标轴 包括直线轴和回转轴 联动轴数CNC可同时控制且按一定规律完成一定轨迹插补的协调运动的坐标轴数 插补功能插补直线 圆弧 抛物线 椭圆 正弦曲线 螺旋曲线 样条函数等 甚至可对曲面直接插补 插补坐标系也从直角坐标系扩展到极坐标系 圆筒坐标系 24 数控技术 第一章数控技术概述 数控系统主要技术指标 机床坐标轴可达到的控制精度 即CNC每发出一个脉冲 坐标轴移动的距离 定位精度实际位置与指令位置的一致程度 不一致量为误差 重复精度在相同条件下 操作方法不变 进行规定次数操作所得到的连续结果的一致程度 脉冲当量 分辨率 定位精度与重复精度 25 数控技术 第一章数控技术概述 数控系统主要技术指标 什么叫脉冲当量 它影响数控机床什么性能 它的值一般为多少 答 相对于每一个脉冲信号的机床运动部件的位移量称为脉冲当量 又称作最小设定单位 它的大小视机床的精度而定 一般为0 01 0 0005mm 脉冲当量影响数控机床的加工精度 它的值取得越小 加工精度越高 26 数控技术 第一章数控技术概述 数控系统主要技术指标 行程和插补范围CNC的控制范围和加工范围 进给速度和调节范围进给速度 刀具每分钟切削进给距离 最大进给速度 CNC在一定精度条件下所能达到的最大加工速度 最大快进速度 不加工的最大移动速度 速度调节 通过操作面板上的进给倍率开关调整 调节范围一般是10 120 每档间隔10 27 数控技术 第一章数控技术概述 数控系统主要技术指标 主轴转速和调节范围主轴转速 主轴每分钟的转速 转速调节 通过操作面板上的主轴倍率开关调整 调节范围一般是50 120 每档间隔5 主轴恒线速 保证诸如车床端面切削的恒定切削速度 单位mm min 28 数控技术 第一章数控技术概述 数控系统主要技术指标 刀具管理和刀具补偿T指令 CNC从刀库中选择刀具刀具半径补偿 长度补偿 刀具寿命管理 自动刀具测量等 准备功能 G功能 用来指令机床动作的方式功能 辅助功能 M功能 规定主轴的起停 转向 冷却液的通断 刀库的起停等 29 数控技术 第一章数控技术概述 数控系统主要技术指标 开关量接口M S T功能以BCD码形式输出 机床其它开关量信号 如急停 循环起动 进给保持等 字符图形显示自诊断功能通信与通信协议 操作功能程序段跳步 机械闭锁 辅助功能闭锁 单段 试运行 录返 示教等 30 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按工艺用途分类 1 金属切削类数控机床 1 数控车床 31 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按工艺用途分类 1 金属切削类数控机床 2 数控铣床 32 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按工艺用途分类 1 金属切削类数控机床 3 加工中心 33 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按工艺用途分类 2 金属成型类数控机床 数控折弯机 数控弯管机 数控压力机等 34 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按工艺用途分类 2 金属成型类数控机床 数控折弯机 数控弯管机 数控压力机等 35 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按工艺用途分类 3 特种加工类数控机床 这类机床主要有数控线切割机 数控电火花加工机床 数控激光切割机床 数控火焰切割机 数控三坐标测量机等 36 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按工艺用途分类 3 特种加工类数控机床 这类机床主要有数控线切割机 数控电火花加工机床 数控激光切割机床 数控火焰切割机 数控三坐标测量机等 37 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按运动轨迹分类 1 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 38 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按运动轨迹分类 2 点位直线控制数控机床 这类机床的特点是除了要求控制点与点之间的准确位置外 还要控制两相关点之间的移动速度和轨迹 但其轨迹是与机床坐标轴平行的直线 一般情况下 这类机床有2 3个可控轴 但同时控制的坐标轴只有一个 39 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按运动轨迹分类 3 轮廓控制数控机床 轮廓控制的特点是能够对两个或两个以上坐标轴的位移和速度同时进行连续控制 以加工出任意斜率的 圆弧或任意平面曲线 如抛物线 阿基米德螺旋线等 或曲面 这类机床主要有数控车床 数控铣床 数控线切割机 加工中心等 40 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按运动轨迹分类 3 轮廓控制数控机床 轮廓控制数控机床按所控制的联动坐标轴数 轮廓控制数控机床又可分为以下几种形式 1 二轴联动 主要用于数控车床加工曲线旋转面或数控铣床等加工曲线柱面 2 二轴半联动 即以X Y Z三轴中任意两轴作插补运动 第三轴作周期性进给 采用球头铣刀用 行切法 进行加工 3 三轴联动 一般分为两类 一类就是x y z三个直线坐标轴联动 比较多地用于数控铣床 加工中心等 41 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按有无反馈分类 开环控制数控系统闭环控制数控系统 区别在于有无反馈检测系统 42 a 步进电机驱动电路 指令脉冲 步进电机 液压扭矩放大器 电液脉冲马达 b 开环数控机床系统 43 闭环 半闭环数控机床系统 a b 44 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的分类 按性能分类 45 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 高精度超精密加工进入了纳米 0 001 m 级 机床回转精度达0 01 m 加工圆度为0 1 m 表面粗糙度为Ra 0 03 m 实例 液浮陀螺球面的球度0 2 0 5 m 空对空导弹红外接受器的非球面反射镜的形状误差0 1 0 3 m 激光打印机的平面反射镜和录像机磁头的平面度要求为0 04 m 粗糙度为0 02 m 高精度轴承的滚动体圆度要求小于0 5 m 轿车气缸的缸体和连杆两端的圆孔的圆柱度要求 1 m 46 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 高速度 高效率高速进给 高响应伺服主轴高速回转 高刚度 高速传动 冷却高速FANUCFS15系列CNC 多个32位CPU进行分散控制和处理 最小设定单位在0 1 m时 进给速度可达24m min 最小设定单位在1 m时 进给速度可达240m min日本新泻铁工所的V240立式MC主轴转速高达50000RPM 加工一个NAC55钢模具 用陶瓷刀具只需12MIN 而在普通机床上需9小时 47 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 复合化工序复合化一次安装 完成多工序多表面加工 刀库 机械手 主轴箱库 可交换工作台 功能复合化车铣中心 48 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 智能化自适用控制技术专家系统故障自诊断智能化交流伺服驱动装置 49 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 高柔性化小型化与开放式结构小型化LSI 新型TFT彩色液晶薄型显示器和表面安装技术 三维立体装配 SIEMENS推出的SINUMERIK840DCNC体积为50 316 207 mm3 50 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 开放式结构定义 IEEE 具有在不同的工作平台上均能实现系统功能 且可以与其他的系统应用进行互操作的系统 开放式数控系统特点 系统构件 软件和硬件 具有标准化 Standardization 与多样化 Diversification 和互换性 Interchangeability 的特征允许通过对构件的增减来构造系统 实现系统 积木式 的集成 构造应该是可移植的和透明的 51 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 向未来技术开放 由于软硬件接口都遵循公认的标准协议 只需少量的重新设计和调整 新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳 吸收和兼容 这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期 标准化的人机界面 标准化的编程语言 方便用户使用 降低了和操作效率直接有关的劳动消耗 向用户特殊要求开放 更新产品 扩充能力 提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求 给用户提供一个方法 从低级控制器开始 逐步提高 直到达到所要求的性能为止 另外用户自身的技术诀窍能方便地融入 创造出自己的名牌产品 可减少产品品种 便于批量生产 提高可靠性和降低成本 增强市场供应能力和竞争能力 52 数控技术 第一章数控技术概述 数控机床的发展趋势 数控加工中心机床MC MachiningCenter MC 定位精度 2 5 m 重复定位精度1 s S 1000r minFmax 36 40m min 现代MC 在NC镗或铣床上加ATC 自动时间校正器AutomaticTimingCorrector MC上加自动分度回转工作台或自动转角度的主轴头 一次装夹完成多面 多角度加工 MC上带交换工作台 53 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 并联加工中心又称6条腿数控机床 虚轴机床 是数控机床在结构上取得的重大突破 54 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 55 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 自适应控制AC AdaptiveControl 将代表加工状态的参数进行测量并及时对主轴转速 进给速度等参数进行修正 使切削过程达到并维持最佳状态 这称为NC机床的自适应控制所谓最佳状态指标 可以是最大生产率 最低加工成本 最佳表面质量等 56 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 通过监测加工过程中的切削力 主轴和进给电机的功率 电流 电压等信息 利用传统的或现代的算法进行识别 以辩识出刀具的受力 磨损以及破损状态 机床加工的稳定性状态 并根据这些状态实时修调加工参数 主轴转速 进给速度 和加工指令 使设备处于最佳运行状态 以提高加工精度 降低工件表面粗糙度以及设备运行的安全性 自适应控制AC AdaptiveControl 57 数控技术 第一章数控技术概述 数控技术的发展趋势 直接数字控制DNC DirectNC DNC是一台中央计算机控制一群CNC 目前DNC已从直接数控演变为分配式数控 即DNC控制的全部 CNC机床各守其职 与中