数控技术第一章 概述

皖西学院机械与电子工程学院周小超 数控技术 2 第一章概述 1 1数控系统及数控机床的基本概念1 2数控机床的分类1 3数控机床的产生与发展 3 第一章概述 1 1数控系统及数控机床的基本概念1 2数控机床的分类1 3数控机床的产生与发展 4 一数控技术的基本概念数字控制 NumericalControlTechnology NC 是一种借助数字化信息 数字 字符 对某一工作过程 如加工 测量 装配等 发出指令并实现自动控制的技术 数控系统 NumericalControlSystem 采用数字控制技术的自动控制系统 数控机床 NumericalControlMachineTools 是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床 数控机床是一种装有程序控制系统 数控系统 的高效自动化机床 是数控技术典型应用的例子 1 1数控系统及数控机床的基本概念 5 1 1数控系统及数控机床的基本概念 二 数控机床的组成 6 一 CNC系统 1 1数控系统及数控机床的基本概念 7 一 CNC系统 1 1数控系统及数控机床的基本概念 1 CNC装置 8 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 1数控系统及数控机床的基本概念 9 一 CNC系统 1 1数控系统及数控机床的基本概念 1 CNC装置 硬件计算机管理软件软件控制软件 10 一 CNC系统 1 1数控系统及数控机床的基本概念 1 CNC装置 2 可编程控制器 11 2 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 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 1数控系统及数控机床的基本概念 12 3 接口与上位机的通信接口 串行通信 网络通信与各种输入 输出设备接口与机床侧信号往来的I O接口 1 1数控系统及数控机床的基本概念 13 一 CNC系统 1 1数控系统及数控机床的基本概念 2 输入 输出设备和控制介质 14 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 1 1数控系统及数控机床的基本概念 2 输入 输出设备和控制介质 15 表1控制介质和输入输出设备表 1 1数控系统及数控机床的基本概念 16 一 CNC系统 1 1数控系统及数控机床的基本概念 3 伺服单元 驱动装置和测量装置 17 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 3 伺服单元 驱动装置和测量装置 1 1数控系统及数控机床的基本概念 18 1 1数控系统及数控机床的基本概念 二 机床 19 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 1 1数控系统及数控机床的基本概念 二 机床 20 高刚度和高抗振性小的机床热变形高效率 无间隙 低摩擦传动简化的机械传动结构 1 1数控系统及数控机床的基本概念 数控机床主机特点 21 1 适应性强 适合加工单件小批量复杂零件2 加工精度高 产品质量稳定3 自动化程度高 劳动强度低4 生产效率高减少辅助时间和机动时间5 良好的经济效率6 有利于生产管理的现代化 二 数控机床的特点 1 1数控系统及数控机床的基本概念 22 第一章概述 1 1数控系统及数控机床的基本概念1 2数控机床的分类1 3数控机床的产生与发展 23 数控机床的种类很多 从不同角度对其进行考查 就有不同的分类方法 通常有以下几种不同的分类方法 1 2数控机床的分类 24 点位控制数控机床 位置控制 轮廓控制数控机床 连续控制 一 按控制刀具与工件相对运动的轨迹分类 1 2数控机床的分类 25 特点 仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动 对轨迹不作控制要求 运动过程中不进行任何加工适用范围 数控钻床 数控镗床 数控冲床和数控测量机 点位控制 1 2数控机床的分类 26 轮廓控制轮廓控制 连续控制 系统 具有控制几个进给轴同时谐调运动 坐标联动 使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动 在运动过程中进行连续切削加工的数控系统 适用范围 数控车床 数控铣床 加工中心等用于加工曲线和曲面的机床 现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统 1 2数控机床的分类 27 开环控制系统闭环控制系统 半闭环控制系统 全闭环控制系统 二 按照伺服驱动系统的控制方式分类 1 2数控机床的分类 28 开环数控系统 1 2数控机床的分类 29 1 2数控机床的分类 30 没有位置测量装置 信号流是单向的 数控装置 进给系统 故系统稳定性好 无位置反馈 精度相对闭环系统来讲不高 其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件 这类系统具有结构简单 工作稳定 调试方便 维修简单 价格低廉等优点 在精度和速度要求不高 驱动力矩不大的场合得到广泛应用 一般用于经济型数控机床 1 2数控机床的分类 31 半闭环数控系统 位置控制调节器 速度控制调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元 速度控制单元 CNC插补指令 实际位置反馈 实际速度反馈 1 2数控机床的分类 32 半闭环控制框图 1 2数控机床的分类 33 半闭环数控系统的位置采样点如图所示 是从驱动装置 常用伺服电机 或丝杠引出 采样旋转角度进行检测 不是直接检测运动部件的实际位置 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节 因此可获得稳定的控制性能 其系统的稳定性虽不如开环系统 但比闭环要好 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除 因此 其精度较闭环差 较开环好 但可对这类误差进行补偿 因而仍可获得满意的精度 半闭环数控系统结构简单 调试方便 精度也较高 因而在现代CNC机床中得到了广泛应用 1 2数控机床的分类 34 全闭环数控系统 1 2数控机床的分类 35 闭环控制框图 检测装置 光栅 1 2数控机床的分类 36 闭环数控系统的位置采样点如图所示 直接检测运动部件的实际位置 精度高 闭环环路内包括机械传动环节多 易导致系统不稳定闭环数控系统复杂 调试较难 成本高 1 2数控机床的分类 37 3 按照CNC装置的功能水平分类 1 2数控机床的分类 38 4按工艺用途分类切削加工类 数控镗铣床 数控车床 数控磨床 加工中心 数控齿轮加工机床 FMC等 成型加工类 数控折弯机 数控冲裁机等 特种加工类 数控线切割机 电火花加工机 激光加工机等 其它类型 数控装配机 数控测量机 机器人等 1 2数控机床的分类 39 第一章概述 1 1数控系统及数控机床的基本概念1 2数控机床的分类1 3数控机床的产生与发展 40 产生 要解决如下问题 单件 小批量 生产精度复杂型面加工发展五代 电子管 晶体管 小规模集成电路 大规模集成电路及小型计算机 微型计算机 1 数控机床的出现和发展 41 第一代 1952年 电子管控制的第一台三坐标联动的铣床 第二代 1959年 出现了晶体管控制的 加工中心 第三代 1965年 出现了小规模集成电路 使数控系统的可靠性得到了进一步的提高 第四代 1967年以计算机作为控制单元的数控制系统 FMS FlexibleManufacturingSystem 柔性制造系统 第五代 1970年 美国英特尔开发使用了微处理器 1 数控机床的出现和发展 1 3数控机床的产生与发展 42 2 数控机床的发展趋势 1 数控系统的发展趋势1 高速高精度2 智能化 1 应用自适应控制技术 2 自动编程技术 3 具有故障自动诊断功能 4 应用模式识别技术3 开放式数控系统 1 3数控机床的产生与发展 43 4 基于网络的数控系统数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的通信 主要通过SERCOS serialrealtimecommunicationspecification 串行实时通信协议 链式网络传送数字伺服控制信息 数控系统与上级主计算机间的通信 与车间现场设备及I O装置的通信 主要通过现场总线进行通讯 通过因特网与服务中心的通信 传递维修数据 通过因特网与另一个工厂交换制造数据 1 3数控机床的产生与发展 44 2 数控机床的发展趋势 2 数控机床的发展趋势采用开放式结构 进线 联网 专用要求 向智能化发展自动编程 模糊控制 学习控制 自适应控制 工艺参数自动生成 三维刀具补偿 运动参数动态补偿 人机界面极为友好 有故障专家诊断系统 1 3数控机床的产生与发展 45 运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化交互网络化 1 3数控机床的产生与发展 2 数控机床的发展趋势 46 运行高速化 使进给率 主轴转速 刀具交换速度 托盘交换速度实现高速化 并且具有高加 减 速率 进给率高速化 在分辨率为1 m时 Fmax 240m min 在Fmax下可获得复杂型面的精确加工 在程序段长度为1mm时 Fmax 30m min 并且具有1 5g的加减速率 1 3数控机床的产生与发展 47 主轴高速化 采用电主轴 内装式主轴电机 即主轴电机的转子轴就是主轴部件 主轴最高转速达200000r min 主轴转速的最高加 减 速为1 0g 即仅需1 8秒即可从0提速到15000r min 换刀速度0 9秒 刀到刀 2 8秒 切削到切削 工作台 托盘 交换速度6 3秒 1 3数控机床的产生与发展 48 加工高精化 提高机械设备的制造和装配精度 提高数控系统的控制精度 采用误差补偿技术 提高CNC系统控制精度 采用高速插补技术 以微小程序段实现连续进给 使CNC控制单位精细化采用高分辨率位置检测装置 提高位置检测精度 日本交流伺服电机已有装上106脉冲 转的内藏位置检测器 其位置检测精度能达到0 01 m 脉冲 位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法 1 3数控机床的产生与发展 49 采用误差补偿技术 采用反向间隙补偿 丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术 设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术 研究结果表明 综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60 80 三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为 0 1 m 1 3数控机床的产生与发展 50 功能复合化复合化是指在一台设备能实现多种工艺手段加工的方法 镗铣钻复合 加工中心 ATC 五面加工中心 ATC 主轴立卧转换 车铣复合 车削中心 ATC 动力刀头 铣镗钻车复合 复合加工中心 ATC 可自动装卸车刀架 铣镗钻磨复合 复合加工中心 ATC 动力磨头 可更换主轴箱的数控机床 组合加工中心 1 3数控机床的产生与发展 51 控制智能化随着人工智能技术的不断发展 并为满足制造业生产柔性化 制造自动化发展需求 数控技术智能化程度不断提高 具体体现在以下几个方面 1 3数控机床的产生与发展 52 加工过程自适应控制技术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 1 3数控机床的产生与发展 53 加工参数的智能优化与选择将工艺专家或技工的经验 零件加工的一般与特殊规律 用现代智能方法 构造基于专家系统或基于模型的 加工参数的智能优化与选择器 利用它获得优化的加工参数 从而达到提高编程效率和加工工艺水平 缩短生产准备时间的目的 采用经过优化的加工参数编制的加工程序 可使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态 1 3数控机床的产生与发展 54 智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断技术 根据已有的故障信息 应用现代智能方法 AI ES ANN等 实现故障快速准确定位的技术 智能故障自修复技术 指能根据诊断确定故障原因和部位 以自动排除故障或指导故障的排除技术 智能自修复技术集故障自诊断 故障自排除 自恢复 自调节于一体 并贯穿于加工过程的整个生命周期 智能故障诊断技术在有些日本 美国公司生产的数控系统中已有应用 基本上都是应用专家系统实现的 智能化自修复技术还在研究之中 1 3数控机床的产生与发展 55 智能化交流伺服驱动装置目前已开始研究能自动识别负载 并自动调整参数的智能化伺服系统 包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置 这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量 并自动对控制系统参数进行优化和调整 使驱动系统获得最佳运行 1 3数控机床的产生与发展 56 体系开放化定义 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