数控技术第一章课件

青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,数控技术,邢建国机电学院,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,本课程的目的与要求,通过本课程的学习，使得学生能够了解数控技术在现代制造业中的重要地位和发展方向、数控技术的发展历史、现状与趋势；掌握数控技术中几何运动控制和伺服控制的各种基本理论，比较全面的学习数控系统、伺服系统的原理和应会的技术。,本课程定位,原理与应用原理为主元件与系统通过元件掌握系统定性与定量重在定性，但建立必要的概念掌握与了解局部掌握，整体了解,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第一章绪论,第一节概述一、基本概念什么是数控即数字控制（NumericalControl)简称，是指利用数字化信息进行控制，其控制对象可以是各种生成过程。什么是机床数控技术用数字化信息对机床运动及其加工过程进行控制的一种技术。什么是数控机床(NumericalControlMachineTools),第一节概述,数控机床是一个装有数字控制系统的机床，该系统能够处理加工程序，控制机床自动完成各种加工运动和辅助运动。二、数控机床的加工原理数控机床组成及加工过程如下图所示。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第一节概述,(1)程序载体人和数控机床联系的媒介物。(也称控制介质、输入介质、信息载体)穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘或其他可以储存代码的载体，USB接口，有些直接集成在CAD/CAM中或连接上级计算机的DNC(直接数控)输入。程序格式（编码标准）：EIA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；以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统,称为普通数控系统,即NC系统.,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第三节数控机床的发展,2.计算机数控系统发展和完善阶段（19701986)第四代：1970年，小型计算机为核心的计算机数控系统（CNC），原来由硬件实现的功能逐步由软件完成。第五代：1974年，出现采用微处理器芯片的CNC系统，使数控系统达到了普及的程度。第六代：1980年左右，采用超大规模集成电路、大容量存储器、CRT的CNC系统，具有了交互式对话编程，图形显示功能，柔性化、模块化结构。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第三节数控机床的发展,3.高速高精度CNC的开发与应用阶段（1986）第七代：32位CPU在CNC中得到应用，1986年三菱电机公司率先推出了CPU为86020的32位CNC，并逐渐成为当今数控系统的主流。4.基于PC的开发式CNC的开发与应用阶段（1994）第八代：1994年基于PC的CNC控制器在美国首先亮相市场。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第三节数控机床的发展,我国数控机床的研制始于1958年，由清华大学研制出了最早的样机。1966年诞生了第一台用于直线圆弧插补的晶体管数控系统。1970年北京第一机床厂的XK5040型数控升降台铣床作为商品，小批量生产并推向市场。但由于相关工业基础差，尤其是数控系统的支撑工业电子工业薄弱，致使在19701976年间开发出的加工中心、数控镗床、数控磨床及数控钻床因系统不过关，多数机床没有在生产中发挥作用。80年代前期，在引入了日本FANUC数控技术后，我国的数控机床才真正进入小批量生产的商品化时代。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术。经过“八五”、“九五”的公关，开发出了一批自主版权的中高档数控系统，如中华I型、航天I型、华中I型等。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,我国装备制造业经历了：50年代的“苏联一边倒”60-70年代的自力更生80年代后全方位引进与研制产品品种达3500种其中数控及其新技术产品达1500种左右，覆盖超重型、高精度、纳米级超精度、特种加工、五轴联动数控机床等前沿技术领域。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,立式数控机床的工作台可加工直径16m的工件,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,卧式数控机床可加工直径4.5m的工件,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,北京机床所研制的纳米级数控机床（机械移动量达5nm）,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,五轴联动数控龙门铣床,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第四节数控机床的发展趋势,1运行高速化2加工高精度3控制智能化4功能复合化5交互网络化6开放式结构7并联机构机床,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,1.运行高速化进给、主轴、刀具交换、托盘交换等实现高速化，并具有高加（减）速度。进给率高速化：在分辨率为1m时，Fmax=240m/min，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；,第四节数控机床的发展趋势,反馈信号：4MHz,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第四节数控机床的发展趋势,在高效加工中心上达到90m/min的快移速度和1g的加速度.直线电机作为高效驱动元件正被广为应用，尤其在激光切割和高速加工中。,直线电机,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,平面电机,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,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。主轴高速化：采用电主轴(内装式主轴电机)，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。,第四节数控机床的发展趋势,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,SpindleMotor,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,2.加工高精化提高机械的制造和装配精度；提高数控系统的控制精度；采用误差补偿技术。IC制造装备、纳米控制。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。,第四节数控机床的发展趋势,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,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。,第四节数控机床的发展趋势,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,3.控制智能化随着人工智能技术的不断发展，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，体现在：,第四节数控机床的发展趋势,加工过程自适应控制技术：通过监测主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，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。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,加工参数的智能优化:将零件加工的一般规律、特殊工艺经验，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”，获得优化的加工参数，使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。,第四节数控机床的发展趋势,目前已开发出自学习功能的神经网络电火花加工系统。日本大隈公司的7000系列数控系统具有人工智能自动编程功能。,智能化交流伺服驱动装置：自动识别负载、自动调整控制参数,包括智能主轴和智能化进给伺服装置，使驱动系统获得最佳运行。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,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，实现故障快速准确定位。智能故障自修复技术：根据诊断故障原因和部位，以自动排除故障或指导故障的排除技术。集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体，贯穿于全生命周期。智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用，智能化自修复技术还在研究之中。,第四节数控机床的发展趋势,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,4.功能复合化复合化：在一台设备上实现多种工艺步骤的加工，缩短加工链车铣复合车削中心（ATC，动力刀头）；镗铣钻复合加工中心（ATC）、五面加工中心（ATC，主轴立卧转换）；铣镗钻车复合复合加工中心；可更换主轴箱的数控机床组合加工中心；集车削和激光加工于一体的机床；测量/制造复合，在加工后对工件进行在线测量,第四节数控机床的发展趋势,数字化测量与数控仿形技术尽管CAD/CAM技术和数控机床已得到广泛应用，起于20世纪60年代的机械-电气仿形加工仍是一种复杂零件加工的重要手段。现已被简洁可靠的数字控制方式取代。数字仿形加工系统，不仅可复制出与实物模型形状尺寸完全相同的零件，而且可以采集反映模型轮廓表面的点集，建立描述该实物模型几何形体的完整的数据库。利用所采集的数据，编制数控加工指令，提供给数控机床，即可加工出原实物模型的复,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,复制品。数字化仿形加工，测量是关键环节，三坐标测量技术目前已基本解决测量精度问题，现在面临的问题是复杂形状零件的自动测量和数据处理，国内外学者在这方面做了大量工作，典型的成就如下：日本的MAKINO公司的FDNCC系列的立式数控仿形铣床，可实现高效的数控加工和仿形加工。意大利Mandelli公司生产的Mandelli7型数控加工中心，配上英国的RENISHAW三维电感测头，也构成一个数控仿形测量与加工系统。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,这几种系统的特点是利用数控机床本身的数控坐标系统，进行实物模型仿形测量的同时仿形加工，得到实物模型的数字化模型，然后处理成数控加工指令，加工出实物的复制品。实物几何形体的数字化模型还可以用数控三坐标测量机。如上海机床厂生产的PMM系列数控三坐标测量机，使用MECAL测量软件，实现实物模型的仿形测量，得到数字化模型。这些实践蕴含着3M(Measuring、ModelingandManufacturing)集成化思想。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,5.交互网络化支持网络通讯协议，既满足单机DNC需要，又能满足FMC、FMS、CIMS、灵捷制造TEAM（technologyenablingagilemanufacture）对基层设备集成要求的数控系统。网络资源共享。数控机床的远程（网络）控制。数控机床故障的远程（网络）诊断。数控机床的远程（网络）培训与教学（网络数控）,第四节数控机床的发展趋势,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和I/O的控制是数控技术的发展方向。数控中：德国Intrtamat的SERCOS、美国DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link等。由于技术封锁等原因，各系统中光纤通讯采用的协议没有兼容性和互换性，要求伺服驱动器以及I/O模块必须具有相应协议的光纤通讯接口，这样的系统软硬件开放性较差，而且系统的成本也较高。另外的网络通讯协议：ARCNET、CANBus、Profibus、USB、IEEE1394。,第四节数控机床的发展趋势,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第四节数控机床的发展趋势,IEEE1394的前身即FireWire，是1986年由苹果电脑公司针对高速数据传输所开发的一种串行数据传输协议，并于1995年获得美国电机电子工程师协会认可成为正式新标准。现在大家看到的IEEE1394、FireWire和i.LINK其实指的都是这个标准，通常，在PC个人计算机领域将它称为IEEE1394，在电子消费品领域则更多的将它称为i.LINK。IEEE1394（FireWire）：高速串行数据传输的开放式技术标准，通讯速度最高达400MHz；,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第四节数控机床的发展趋势,目前IEEE1394技术使用最广的是数字成像领域，支持的产品包括数字相机或摄像机等。IEEE1394可以采用光纤进行信息的传输，大大地提高了系统的通讯速度和数据传输距离以及数据传输的可靠性。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,PC光纤通讯卡FireWire）,系统既具有了PMAC与SERCOS控制卡两者的优势，又在工艺性和配套性方面取得了新进展。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,基于FireWire的数控系统硬件结构图,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,用户对控制器的要求开放性：可重构性、可维护性、允许用户进行二次开发模块化：具有平台无关性接口协议：可传递性、可移植性可进化性：智能化NC语言统一化：中性语言NML：FADL、OSEL竞争性：经济性、可靠性适应计算机技术发展的生产系统的开放化,第四节数控机床的发展趋势,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第四节数控机床的发展趋势,6.开放式数控系统特征模块间接口协议描述精确，允许各模块独立开发；允许体系结构本身能被扩展；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；,开放式体系结构（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。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,第四节数控机床的发展趋势,开放式体系结构数控的优点数控系统厂品种减少、批量增加，易于满足用户要求；开放式的标准框架，促进各行业的软件厂商参与；软件开发效率提高，产品更新加快。机床厂可使整机具有个性化，降低开发成本。减少对系统厂的依赖，保护自己专有技术。最终用户方面购买机床时的初期成本透明化；机械设备变更时，而降低寿命周期成本；能实现用户自身独特的的FA系统设计；用户界面的一致性，易于使用和培训；,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,1987年，美国提出了下一代控制器计划NGG(NextGenerationWorkstation/MachineController)和开放式系统体系结构标准SOSAS(StandardsofOpenSystemArchitectureforAutomaticSystems)，首次提出了开放式体系结构的概念。1992年，欧共体开始实施自动化系统控制装置的开放系统体系结构计划OSACA。经过十多年的发展，开放性一词已经深入人心，并且体现在相关产品中。开放式数控系统成为CNC发展的潮流。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,一般来说，对于开放式数控系统都强调五个方面的性能特征：即插即用(plug当伺服单元为模拟式交流伺服时,位置单元接口采用位置环板.系统带RS232C接口,可直接CAD/CAM连接,带网络卡可连入工厂网络。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,2）通用PC机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统机床运动控制,逻辑控制功能由独立的运动控制器完成,运动控制器通常由以PC硬件插件的形式构成系统。数控上层软件(数控程序编辑,人机界面等)以PC为平台,是Windows等主流操作系统上的标准应用,并支持用户定制。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,以美国DELTATAU公司九十年代推出的PMAC(progra-mmablemulti-axescontroller)开放式多轴运动控制器为代表，DELTATAU公司利用NGC和OMAC等协议,用PC机加PMAC控制卡构成的PMAC开放式数控系统,获得了良好的应用效果。PMAC运动控制器提供了运动控制,离散控制,内务处理,同主机的交互等数控基本功能。它借助于Motorola的DSP56001/56002数字信号处理芯片,可同时控制18个轴,它的速度,分辨率,带宽等指标远优于一般的控制器。,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953679Email：xing_jg,主CPU及主板,并口,软驱,键盘,显示器,硬盘,串口,显卡,PMAC,双端口RAM,操作面板控制按扭限位，报警行程开关等。,指示灯控制继电器电磁阀等,伺服单元及电机,ISA总线,图3PMAC加PC数控系统结构,青岛大学机电工程学院邢建国Tel：85953