第1章：数控技术.ppt

数控技术,课程的性质和目的:,是机械电子工程专业的一门主要专业基础课，在有关的基础课及其有关专业课的配合下，以数控机床为对象，研究计算机数字控制系统的基本原理及其在数控机床上的应用。,学习的重要性:,现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上。,本课程重点:,数控机床的组成编程方法插补技术伺服控制,第一章绪论,第一节机床数控技术的基本概念第二节数控机床的组成和分类第三节数控机床的特点及适用范围,第一节机床数控技术的基本概念,一、概述数控技术（NC）是指用数字化的信息对机床及加工过程进行控制的一种方法。,数控设备,是采用数控技术的机械设备，即用数字信号对该设备（机床、切割机、绘图机等）自动工作过程进行控制。,数控机床,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。它是数控技术典型应用的例子。,数控车床,线切割机,数控加工中心,数控加工中心,数控加工中心的换刀,脉冲当量(),相对于每一个输入的脉冲信号，机床移动部件的位移量。是衡量数控机床加工精度的指标.,数控系统：,是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字值，并将其译码，从而使机床动作和加工零件。,数控系统包括：,数控装置可编程序控制器主轴驱动及进给驱动装置等。,二、数控机床的工作流程,1、数控加工的工作流程,数控加工中数据转换过程,Back,铣削加工:,Back,插补就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值的方法。,Back,2、数控机床加工原理,逼近处理插补运算指令输出,三、数控机床的产生和发展,1、数控机床的产生从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段有：,自动机床；组合机床；专用自动生产线。,汽车后桥齿轮箱加工自动线,缺点：,初始投资大；准备周期长；柔性差。,数控机床产生和发展的原因：,内在动力-市场竞争激烈外在动力-电子技术和计算机技术的飞速发展,数控机床是为了解决单件、小批量、精度高、复杂型面零件加工的自动化要求而产生的。,2、数控机床的发展,1952年，Parsons公司和M.I.T合作研制了世界上第一台三座标数控机床。1955年，第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来。从1952年至今，NC机床按NC系统的发展经历的五代。,第一代：1955年电子管第二代：1959年晶体管。第三代：1965年小规模集成电路第四代：1970年小型计算机第五代：1974年微处理器,1994年：基于PC的NC系统诞生，使NC系统的研发进入了开放型、柔性化的新时代，新型NC系统的开发周期日益缩短。它是数控技术发展的又一个里程碑。,3、我国数控机床发展情况,1）1958年开始研究数控技术；2）1965年，开始研制晶体管数控系统；3）60年代末至70年代初研制成功X53K-1G数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。,4）从70年代开始，数控技术在机械加工领域全面展开；,5）80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术；,6）现在，我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系。,2000年的统计数据,数控机床厂家：100数控系统厂家：50数控机床配套厂家：300年产量：14053台数控机床品种：1300产量数控化率：8%（95年3.6%）,中国数控机床发展水平及数字统计,2002年中国金属加工机床进口、出口贸易统计,2002年世界机床生产前十名（百万美元）,2002年世界机床消费前十名（百万美元）,2002年世界机床进口前十名（百万美元）,2002年世界机床出口前十名（百万美元）,第二节数控机床的组成及分类,一、数控机床的组成,数控机床的组成框图,Next,控制介质和输入输出设备表,Back,CNC装置组成：,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相应的控制软件。,Back,伺服系统包括：,伺服控制电路功率放大线路伺服电机等。,伺服系统的类型：,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,Back,二、数控机床的分类,1、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、数控弯管机等。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,2、按机械加工的运动轨迹分类,（1）点位控制数控机床（2）直线控制数控机床（3）轮廓控制数控机床,点位控制数控机床,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。,点位控制系统:,直线控制数控机床,特点:不仅要保证点与点之间的准确定位，而且要控制两相关点之间的位移速度和路线。其路线一般由各坐标轴平行的直线段或与坐标轴成45o的斜线组成。,直线控制系统:,轮廓控制数控机床,特点：能够同时控制两轴或两个以上的轴，对位置和速度进行严格的不间断控制适用范围：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。,连续控制系统:,3、按同时控制的轴数分,三轴联动的数控加工,五轴联动的数控加工,五轴联动的数控加工:,4、按伺服系统的控制原理分类,（1）开环伺服系统数控机床（2）闭环伺服系统数控机床（3）半闭环伺服系统数控机床,开环伺服系统数控机床,特点：,无反馈环节，系统稳定；速度及精度较低；典型系统：采用步进电机的伺服系统。应用：低档次、经济型的数控机床。,闭环伺服系统数控机床,特点：,具有位置、速度检测装置，位置反馈信号来自于机床工作台；加工精度很高；设计和调整相当困难。应用：精度要求很高的镗铣加工中心、超精车床、超精磨床等。,半闭环伺服系统数控机床,特点：,检测元件安装在伺服电机或丝杠的端部，反馈信号取自电动机端而不是机床的最终运动部件；加工精度比闭环系统低，高于开环系统；系统的控制特性稳定。应用：大部分数控机床,第三节数控机床的特点及适用范围,一、数控机床的特点数控机床不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。,数控加工的优点,自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度加工的零件一致性好，质量稳定生产效率较高便于产品研制便于实现计算机辅助制造,数控加工的缺点,单位加工成本较高只适宜于多品种小批量或中批量生产（占机械加工总量70%80%）加工中的调整相对复杂维修难度大,二、数控机床的适用范围,三、发展数控机床的意义,（1）是发展制造技术和制造工业的基础提高质量、数量、效益和柔性；是一场制造业的重要革命产品结构，产业结构和生产方式发生深刻的质的变化,现代制造业的发展:,CNC(数控机床)DNC(直接数控)FMC（柔性制造单元）FMS（柔性制造系统）CIMS（计算机集成制造系统）FA（自动工厂）,柔性制造系统的组成:,FMS实例:,FMS实例:,（2）从国家的发展战略高度来看，数控技术是工业强国之必须；,基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业.（3）数控产品在国内大有市场。,四、数控机床发展的技术基础,计算机技术；伺服驱动技术；机械技术；控制技术；通信技术（网络数控）。,五、数控机床的技术发展趋势,发展趋势进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展,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驱动并联化交互网络化,速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。因为它直接关系到加工效率和产品质量。新一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。,1、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1m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；,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。,2、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0.01m/脉冲）；位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。,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6080。三井精机的JidicH5D型超精密卧式加工中心的定位精度为0.1m。,由于计算机技术的不断进步，促进了数控技术水平的提高，数控装置、进给伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置的性能也随之提高，使得现代的数控设备在新的技术水平下，可同时具备运行高速化、加工高精化的性能。,3、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；,4、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：,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。,MitsubishiElectric公司的用于数控电火花成型机床的“MiracleFuzzy”基于模糊逻辑的自适应控制器，可自动控制和优化加工参数；日本牧野在电火花NC系统Makino_Mce20中，用专家系统代替人进行加工过程监控。以色列的外置式力自适应控制器意大利Mandelli公司数控系统的可编程功率自适应控制功能。,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。,目前已开发出带自学习功能的神经网络电火花加工专家系统。日本大隈公司的7000系列数控系统带有人工智能式自动编程功能。国内清华在加工参数的智能优化与选择及CAPP方面的研究也取得了一些成果。但有待进行实用化开发。,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。,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。,智能4M数控系统,在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、机器操作(Manipulator)四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作一体化的4M智能系统。,5、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，实现系统“积木式”的集成。构造应该是可移植的和透明的；,开放体系结构CNC的优点,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。,开放式数控装置的概念结构,国内外开放式数控系统的研究进展,美国：NGC(TheNextGenerationWork-station/MachineController)和OMAC(OpenModularArchite