数控技术_绪论

黑龙江大学机电工程学院刘国华lgh7511,机床数控技术,课程情况总体简介,授课学时：成绩评定：课程性质：课程任务：,1.掌握数控机床的基本原理和基础知识；2.熟悉数控机床的基本结构和工作机理；3.具备数控加工手工编程能力和正确使用数控设备的能力；4.培养选用或设计组成数控机床的计算机数控系统的能力。,机械设计制造与自动化专业的一门主干专业技术课，是一门实践性、综合性很强的课程，现为专业指导性选修课程。,51学时（讲授39学时，实验12学时）随堂考试,出勤10，作业10，实验20，考试60。,第一章绪论,目录（章节）,第二章数控编程基础,第七章数控机床的机械结构,第六章数控机床的伺服系统,第五章数控插补控制原理,第四章计算机数控装置,第三章数控加工编程,第八章数控机床的故障诊断,第一节数控技术的基本概念,第一章绪论,第二节数控机床的组成和分类,第四节数控技术的发展趋势,第三节数控机床的特点及适用范围,第一章绪论,数控车床,第一章绪论,数控铣床,第一章绪论,立式加工中心,第一章绪论,五轴加工中心,加工中心,一.概述,1.数控机床的产生和发展,数控技术产生背景：1.单件、小批量生产占机械加工的大部分，尤其在航空、航天、船舶等领域，不仅加工批量小，且零件形状复杂、精度要求高，且需经常变型，传统的自动化机床不适应这些加工形式。(需求背景)2.仿形加工机床部分解决了中小批量复杂零件的加工，但更换零件时，必须制造靠模和调整机床，耗费大量手工劳动，增加了生产准备期，且靠模的误差的影响使加工精度难以达到较高要求。(存在问题)3.为解决上述问题，实现多品种、小批量产品零件的自动化生产，20世纪40年代世界上诞生了第一台电子计算机，使数控技术的出现称为可能。(可行性),第一节数控机床的基本概念,第一节数控机床的基本概念,1.数控机床的产生和发展,1948年，美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升机螺旋桨叶片轮廓用检查样板的机床时，首先提出计算机控制机床的设想，在麻省理工学院（MIT）的协助下，1952年研制成功了世界上第一台三坐标直线插补且连续控制的立式数控铣床。我国于1958年由清华大学和北京第一机床厂合作研制了我国第一台数控铣床。,第一节数控机床的基本概念,1.数控机床的产生和发展,数控技术是机械技术和计算机控制技术的结合的产物，计算机技术进步推动数控技术发展。1952年，电子管控制数控机床1959年，晶体管控制数控机床，加工中心60年代，集成电路数控机床70年代，计算机数控机床80年代，计算机集成制造系统,第一节数控机床的基本概念,2.数控技术的基本概念数控技术：用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法（NumericalControl）。数控系统：采用数控技术的控制系统。计算机数控系统：以计算机为控制核心的控制系统。（ComputerNumericalControl，CNC）数控机床：用数字技术实施加工控制的机床，或装备了数控系统的机床。,3.数控机床的工作原理,刀具、工件间相对运动,几何信息,进给速度、主轴转速、辅助信息参数,工艺信息,数控加工程序,数控机床,零件加工,数控机床在加工零件时，首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据；其次编制零件的数控加工程序，并将程序输入到数控装置，数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移的大小，以及刀具选择交换、工件夹紧松开等进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。,N0030G01X20Y50F150S300T12M03；,二.数控机床的工作流程,1.数控加工程序编制从零件图样到制成控制介质的全部过程。2.程序输入把零件程序、控制参数和补偿数据输入到数控装置中去。3.译码将加工信息和其它辅助信息翻译成计算机能识别的数据形式并存在指定内存区域。4.刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。5.插补根据给定速度和轮廓线型的要求，在轮廓之间，确定中间点的方法。6.位置控制和机床加工伺服电机驱动机床的运动部件加工工件。,在轮廓控制系统中，根据给定的进给速度和轮廓线形的要求等“有限信息”，在已知数据点之间插入中间点的方法，其实质就是数据点的“密化”。插补的结果是输出运动轨迹的中间坐标值，机床伺服驱动系统根据这些坐标值控制各坐标轴协调运动，加工出预定的几何形状。插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补原理也叫轨迹控制原理。五坐标插补加工仍是国外对我国封锁的技术。,什么是插补？,数控机床的伺服系统伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。包括大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。伺服系统是数控机床的重要组成部分，是数控装置和机床主体的联系环节。接收数控装置的微小电控信号(5V左右,mA级)，放大成强电驱动信号(几十上百伏、安培级)，驱动伺服系统的执行元件伺服电动机，并将电控信号的变化转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制，达到加工出所需工件的外形和尺寸的最终目标。组成：伺服电机、驱动信号控制转换电路、电子电力驱动放大模块、位置调节单元、速度调节单元、电流调节单元、检测装置等。,第二节数控机床的组成和分类,数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体五部分组成。,一.数控机床的组成,第二节数控机床的组成和分类,输入输出设备：主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印，如:键盘、显示器、纸带阅读机、磁带机和磁盘驱动器等。数控装置：数控机床的核心，接受输入设备的程序、数据，完成数值计算、逻辑判断以及输入输出控制等功能。通常由一台专用计算机或通用计算机与输入输出接口板以及机床控制器组成。功能：多坐标控制;插补;程序输入、编辑和修改;故障自诊断;补偿等。伺服系统：连接数控装置(CNC)和数控机床(主机)的关键部分，接收来自数控装置的指令，驱动数控机床上的执行件(工作台或刀架)实现预期的运动。并将运动结果反馈回去与输入指令相比较，直至与输入指令之差为零，机床精确地运动到所要求的位置。测量反馈装置：测量速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统，常用如脉冲编码器、旋转变压器、光栅等。机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分，包括床身、立柱、主轴、进给机构等。,二.数控机床的分类,(2)直线控制数控机床,(1)点位控制数控机床,(3)轮廓控制数控机床,(1)点位控制数控机床仅能使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。典型机床：数控钻床、数控镗床、数控冲床。(2)直线控制数控机床不仅要保证点与点之间的准确定位，且控制相关点之间的位移速度和路线，其路线一般是由平行于各坐标轴或与坐标轴成45度夹角的直线组成。特点：运动过程中要切削，需具备刀具半径补偿功能和刀具长度补偿功能及主轴转速控制功能。典型机床：简易NC车床，简易NC铣床。(3)轮廓控制数控机床能同时控制两个或两个以上的轴，对位置及速度进行严格的不间断控制。特点：具有直线和圆弧插补功能、刀具补偿功能、机床各种误差补偿功能。典型机床：NC车床，NC铣床，加工中心。,1.按机械加工的运动轨迹分类,1.按机械加工的运动轨迹分类,点位控制,直线控制,轮廓控制,2轴联动,5轴联动加工,4轴联动加工,3轴联动,（1）开环控制数控机床,2.按伺服系统的控制原理分类,特点：机床不带位置检测装置，也不将位移的实际值反馈回去与指令值进行比较修正，控制信号的流程是单向的，使用步进电动机作为执行元件。系统精度取决于步进电机的步距精度和工作频率以及传动机构的传动精度，难以实现高精度加工。优点：结构简单、成本较低，调试维修方便。适用范围：对精度、速度要求不高的经济型、中小型数控系统。,（2）闭环控制数控机床,安装在工作台上的位置检测装置把工作台的实际位移量反馈到控制器与指令信号相比较，驱动工作台向减少误差的方向移动。系统精度理论上仅取决于测量装置的精度，消除了放大和传动部分的误差，间隙误差等的直接影响。缺点：系统较复杂，调试和维修较困难。适用范围：大型或比较精密的数控设备。,(3)半闭环控制数控机床,伺服电机,工作台,速度检测元件,检测元件装在传动链的旋转部位（电动机或丝杠端），不检测工作台的实际位移量，而检测与位移量有关的旋转轴的转角量。特点：精度比闭环差，但系统结构简单，便于调整，检测元件价格低，系统稳定性能好。适用范围：广泛应用于中小型数控机床。,3.按功能水平分类,数控系统的功能分类,4.按工艺方法、用途分类,切削加工类：数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床等。成形加工类：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：数控雕刻机、数控测量机等。,4.按工艺方法、用途分类,数控折弯机,数控冲床,数控弯管机,三坐标测量仪搬运机器人,数控电火花线切割机床数控激光切割机床,数控机床的规格指标1.行程范围2.摆角范围3.刀库容量和换刀时间4.控制轴数与联动轴数数控机床的精度指标1.分辨率和脉冲当量2.定位精度和重复定位精度3.分度精度数控机床的运动性能指标1.主轴转速2.位移速度和进给速度可靠性指标1.平均无故障工作时间(MeanTimeBetweenFailures,MTBF)2.平均修复时间(MeanTimeToRepair,MTTR)3.平均有效度A,三、数控机床主要技术指标,1.行程范围指坐标轴可控的运动区间，直接体现机床加工能力，决定了可加工零件的大小。一般指数控机床坐标轴X、Y、Z的行程大小构成数控机床的空间加工范围。2.摆角范围摆角坐标轴可控的摆角区间，其转角大小也直接影响到加工零件空间部位的能力。转角太小限制加工零件大小，转角太大会造成机床的刚度下降，给机床设计带来困难。3.刀库容量和换刀时间对数控机床的生产效率有直接影响。刀库容量是指刀库能存放加工刀具的数量。常见的中小型加工中心多为16-60把，大型加工中心达到100把以上。换刀时间是指将主轴上使用的刀具与装在刀库上的下一工序需要的刀具进行交换需要的时间。国内一般为10-20s，国外不少数控机床仅为4-5s。4.控制轴数与联动轴数数控机床的控制轴数是指机床数控装置能够控制的坐标轴数目。数控机床的联动轴数是指数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目，它反映了数控机床的曲面加工能力。目前有两轴联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。,数控机床的规格指标,1.分辨率和脉冲当量分辨率指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，是可以测量的最小增量；对控制系统而言，是可以控制的最小位移量。数控装置每发出一个脉冲信号，机床机械运动机构产生一个相应位移量，称为脉冲当量，其数值大小决定了机床的加工精度和表面质量。脉冲当量越小，加工精度和表面质量越高。简易数控机床脉冲当量为0.01mm，普通数控机床脉冲当量为0.001mm，精密数控系统可达0.0001mm。2.定位精度和重复定位精度定位精度指数控机床工作台等移动部件在确定终点所达到的实际位置精度。实际位置与理想位置之间误差称为定位误差，包括伺服系统、监测系统、进给系统等误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。一般数控机床定位精度为0.01mm。重复定位精度指在相同条件下，在同一台数控机床上，应用相同程序代码加工一批零件，得到连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统间隙与刚性以及摩擦特性等因素影响。一般情况下，是成正态分布的偶然性误差，影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。一般数控机床的重复定位精度为0.005mm。3.分度精度指分度工作台在分度时，理论要求回转角度值和实际回转角度值的差值。分度精度会影响零件加工部位在空间的角度位置，同时还会对孔系加工的同轴度造成一定的影响。,数控机床的精度指标,1.主轴转速主轴转速是指主轴所能达到的转速，是影响零件表面加工质量、生产效率以及刀具寿命的主要因素之一。目前数控车床主轴转速为40006000r/min，加工中心主轴转速达到了10000r/min以上。在高速加工的数控机床上，通常采用电动机转子和主轴一体的电主轴，使主轴转速达到每分钟数万转。这对各种小孔加工以及提高零件加工质量和表面质量极为有利。2.位移速度和进给速度位移速度是指进给轴在非加工状态下的移动速度；进给速度是指进给轴在加工状态下的移动速度。这两个物理量在很大程度上会对零件的加工质量造成影响，也是影响生产效率以及刀具寿命的主要因素。这两个性能指标受数控装置的运算速度、机床动态特征及工艺系统刚度等因素的限制。目前，国内数控机床的进给速度为1015m/min，国外已达1530m/min。,数控机床的运动性能指标,1.平均无故障工作时间(MeanTimeBetweenFailures,MTBF)平均无故障工作时间是指一台数控机床在使用中平均两次故障间隔的时间，即数控机床在寿命范围内，总工作时间和总故障次数之比。MTBF=总工作时间/总故障次数显然，平均无故障工作时间越长越好。2.平均修复时间(MeanTimeToRepair,MTTR)平均修复时间是指一台数控机床从开始出现故障直到能正常工作所用的平均修复时间。MTTR=总故障停机时间/总故障次数由于实际系统出现故障总是难免的，故对于可维修的系统，总希望一旦出现故障，修复的时间越短越好，即平均修复时间越短越好。3.平均有效度A如果把MTBF看作设备正常工作的时间，把MTTR看作设备不能工作的时间，那么正常工作时间与总工作时间之比成为设备的有效度A，是衡量设备可靠性的一个重要指标。A=MTBF/（MTBF+MTTR）,数控机床的可靠性指标,第三节数控机床的特点及适用范围,加工精度高，产品质量稳定劳动生产率高加工零件适应性强，灵活性好减轻工人劳动强度生产管理水平提高,数控机床适用范围,数控机床适用于品种变换频繁、批量较小，加工方法区别大且复杂程度较高的零件。,一.数控机床应用的特点,二.数控机床适用范围,第四节数控技术的发展趋势,一.数控机床的发展趋势,高速化与高精度化计算机系统读入加工指令数据后，高速处理并计算出伺服系统的移动量，并要求伺服系统能高速做出反应。采用高加（减）速度和高精度的位置检测系统和伺服系统。主轴转速、进给率、刀具交换等各种关键部分实现高速化