数控技术大作业.doc

I 说说 明明 一 大作业应包括下列主要内容 1 目录 2 题目 1 的要求 精简版 与报告 3 题目 2 的要求 精简版 与报告 4 题目 3 的要求 精简版 与报告 5 其他内容 二 注意事项 1 报告可以打印 也可以手写 手写的请扫描后粘贴入 word 文件中 形成电子文档 2 调研部分 不要为了凑字数 而撰写大量无关内容 字数不重要 重要的是对调研内容的自我总结 3 在大作业的最后 如果愿意 可以谈一下对课程的感受和建议 4 报告的电子版请以班级为单位 刻录在光盘中交给任课教师 三 报告请用 A4 纸双面打印 左侧装订 统一交给任课教师 以备检查 四 此说明页请勿删除 II 数控大作业一 加工中心零件加工编程加工中心零件加工编程 III 一 目的和要求一 目的和要求 本作业通过给定一台数控机床具体技术参数和零件加工工艺卡 使学生对数控机床具 体参数 加工能力和加工工艺流程有直观了解和认识 同时 锻炼学生解决实际加工问题 的能力 1 了解加工中心的具体技术参数 加工范围和加工能力 2 了解实际加工中 从零件图纸分析到制定零件加工工艺过程 3 按照加工工艺编写指定的工序的零件数控加工程序 二 数控机床设备二 数控机床设备 1 机床结构 主要由床身 铣头 横进给 升降台 冷却 润滑及电气等部分组成 XKJ325 1 数控 铣床配用 GSK928 型数控系统 对主轴和工作台纵横向进行控制 用户按照加工零件的尺 寸及工艺要求 先编成零件的加工程控 最后完成各种几何形状的加工 2 机床的用途和加工特点 本机床适用于多品种中 小批量生产的零件 对各种复杂曲线的凸轮 孔 样板弧形糟 等零件的加工效能尤为显著 该机床高速性能好 工作稳定可靠 定位精度和重复精度较 高 不需要模具就能确保零件的加工精度 减少辅助时间 提高劳动生产率 3 加工中心的主要技术参数 数控机床的技术参数 反映了机床的性能及加工范围 表 1 TH5640D 立式加工中心的主要技术参数 名称参数 工作台尺寸 mm 400 550 T 型槽 mm 18H8 工作台 允许负载 kg 600 主轴锥孔 No BT40 主轴 主轴直径 mm 85 IV 主周转速 标准型 高速型 rpm 22 5 2250 45 4500 主轴电机 kw 5 5 7 5 移动范围 mm 1000 500 470 主轴端面至工作台面距离 mm150 620 380 850 行程 主轴中心线至立柱面 mm 510 切削进行速度 mm min1 4000 进给 快速移动速度 m min15 10 刀库容量把 20 24 刀具尺寸 重量 mm kg 80 300 8 刀库 换刀时间 s 气液动 7S 凸轮 3S 钻孔能力 mm 32 镗孔能力 mm 80 攻丝能力 mmM24 加工能力 铣削能力 Cm3 min100 定位精度 mm 0 005 位置精度 重复定位精度 mm 0 003 气源气压 L min bay250 5 7 机床重量 净重 毛重 T 7 5 8 5 机床外型尺寸 mm 2756 2696 3000 其它 包装箱尺寸 mm 3840 2545 3080 三 加工工艺制订三 加工工艺制订 一 加工零件 一 加工零件 加工图 1 零件 材料 HT200 毛坯尺寸长 宽 高为 170 110 50mm 试分析该零件的 数控铣削加工工艺 如零件图分析 装夹方案 加工顺序 刀具卡 工艺卡等 编写加工 程序和主要操作步骤 V 图 1 加工零件图 二 工艺分析 二 工艺分析 1 零件图工艺分析 该零件主要由平面 孔及外轮廓组成 平面与外轮廓的表面 粗糙度要求 Ra6 3 可采用铣粗 精铣方案 2 确定装夹方案 根据零件的特点 加工上表面 60 外圆及其台阶面和孔系时 选用平口虎钳夹紧 铣削外轮廓时 采用一面两孔的定位方式 即以底面 40H 和 13 孔定位 3 确定加工顺序 按照基面先行 先面后孔 先粗后精的原则确定加工顺序 即 粗加工定位基准面 底面 60 外圆及其台阶面 孔系加工 外轮廓铣削 精 加工底面并保证尺寸 40 4 刀具的选用 加工中心刀具通常由刃具和刀柄两部分组成 刃具有面加工用的各种铣刀和孔加工用的 各种钻头 扩孔钻 镗刀 铰刀及丝锥等 刀柄要满足机床主轴自动松开和夹紧定位 并 能准确地安装各种刃具和适应换刀机械手的夹持等要求 主要是刀具的长度和直径的选择 如加工孔依据其深度和孔径选择 表 2 刀具选择 产品名称或代号产品名称或代号零件名称零件名称端盖端盖图号图号 序号刀具编号刀具规格名称数量加工表面刀具半径备注 1T01 20 硬质合金端面铣刀1铣削上 下表面 16 VI 2T02 12 硬质合金端面立铣刀1铣削外园及其台阶面 8 3T03 38 钻头1钻 40 底孔 4T04 40 镗孔刀1镗 40 内孔 5T05 13 钻头1钻 2 13 螺孔 6T06 22 14 锪钻12 22 锪孔 7T07 8 硬质合金端面立铣刀1铣削外轮廓 编制审核批准日期 5 切削用量的选择该材料 铣削平面 60 外圆及其台阶面和外轮廓时可留 0 5MM 的精加余量 其余一次走完粗铣 确定主轴转速时 可先查确削用量手册 硬质合 金铣刀加工铸铁 190 260HB 时的速度为 45 90m min 取 Vc 70m min 根据铣刀直径和 公式计算主轴转速 并填入工序卡片中 确定进给速度时 根据铣刀齿数 主轴转速 和 切削用量手册中给出的每齿进给量 计算进给速度并填入工序卡片中 拟订数控铣削加工 工序卡片如表 3 把零件加工顺序 采用的刀具和切削用量等参数编入数控加工工序卡片 中 以指导编程加工操作 表 3 数控加工工序卡片 单位名称产品名称或代号零件名称零件图号 数控铣削加工实例端盖 工序号程序编号夹具名称使用设备车间 平口虎钳和一面两销TH5640D 加工中心 工步号 工步内容刀具号 刀具规格 mm主轴转速 r min 进给速度 mm min 背吃刀量 mm 1粗铣定位基准面 底面 T01 125 硬质合金端面铣刀5002004 2粗铣上表面T01 20 硬质合金端面铣刀5002005 3精铣上表面T01 20 硬质合金端面铣刀10001000 5 4粗铣 60 外园及其台阶面 T02 12 硬质合金端面立铣刀5002005 VII 5精铣 60 外园及其台阶面 T02 12 硬质合金端面立铣刀6001000 5 6钻 40H7 底孔T03 38 钻头4005019 7粗镗 40H7 内孔表面T04 40 镗孔刀4001000 8 8精镗 40H7 内孔表面T04 40 镗孔刀9001000 2 9钻 2 13 螺孔T05 13 钻头500506 5 10用 2 22 锪孔T06 22 14 锪钻3502004 5 11粗铣外轮廓T07 8 硬质合金端面立铣刀80020011 12精铣外轮廓T07 8 硬质合金端面立铣刀120010022 13粗铣定位基面至尺寸 40T01 20 硬质合金端面铣刀5001000 2 编制审核批准年 月 日第一页 四 要完成的程序编写任务四 要完成的程序编写任务 坐标原点 40 圆的圆心处为工件编程 X Y 轴原点坐标 Z 轴原点坐标在精铣后的 工件上表面 刀具补偿 刀具补偿号自定 作业中画出加工工件和坐标系 1 编写精铣 60 外圆工序 仅工序 5 中 60 外圆 台阶不管 加工程序 2 编写工序 6 10 加工程序 3 编写工序 12 精铣外轮廓加工程序 五 加工工件和程序五 加工工件和程序 一 一 原始坯料尺寸 原始坯料尺寸 VIII 二 二 加工工件和坐标系 加工工件和坐标系 IX 三 程序 三 程序 说明 换刀点选在坐标系的 X 0 Y 0 Z 250mm 处 初始平面设在 Z 50mm 的 位置 长度刀具补偿值和半径刀具补偿值为系统预设 1 精铣 60 外圆工序 1 编写精铣 60 外圆工序 N10 G92 X0 Y0 Z0 设定工件坐标系 N20 G90 G00 Z50 T02 M06 绝对值输入 快速移动到 z50 换 2 号外圆铣刀 N30 S600 M03 主轴转 N40 G43 Z15 H01 刀具长度补偿 N50 G41 D01 X0 Y 30 刀具半径补偿 N60 G01 Z 18 F100 到达初始加工点 换刀平面 初始平面 参考平面 X N70 G02 J30 0 加工外圆 N80 G01 Z15 回到安全面 N90 G40 G49 G00 X0 Y0 Z0 M05 取消刀补 回到初始点 主轴停 2 编写工序 6 10 加工程序 N10 G92 X0 Y0 Z0 设置工件坐标系 N20 G90 G00 Z50 T03 M06 绝对值输入 快速移动到 z50 换 3 号钻头 N30 S400 M03 主轴转 N40 G43 Z15 H01 刀具长度补偿 N50 G83 G98 Z 40 R3 F50 深孔钻削循环 N60 M05 G49 主轴停 取消刀补 N70 G49 G00 Z50 T04 M06 换 4 号镗刀 N80 M03 主轴转 N90 G43 Z15 H01 刀具长度补偿 N100 G86 G98 Z 40 R3 F100 镗孔循环 N110 S900 M03 主轴转速变为 900 N120 G76 G98 Q3 Z 40 R3 F100 精镗循环 N130 M05 G49 主轴停 取消刀补 N140 G49 G00 Z50 T05 M06 换 5 号钻头 N150 S500 M03 主轴转 N160 G43 Z15 H01 刀具长度补偿 N170 G99 G81 X 60 Y0 Z 40 R3 F50 钻螺孔循环 N180 G98 X60 另一个螺孔 N190 M05 G49 主轴停 取消刀补 N200 G00 G49 X0 Z50 T06 M06 换锪钻 N210 G43 Z50 H01 长度刀补 N220 S350 M03 主轴转 N230 G99 G81 X 60 Y0 Z 30 R3 F200 锪孔循环 N240 G99 Y60 锪另一个孔 N250 G49 G80 Z3 停止循环 取消刀补 XI N260 G00 X0 Y0 Z0 M03 主轴停 返回坐标原点 3 编写工序 12 精铣外轮廓加工程序 N10 G92 X0 Y0 Z18 设定工件坐标系 N20 G90 G00 Z50 T07 M06 换 7 号铣刀 N30 G43 Z3 H1 刀具长度补偿 N40 G00 G41 G02 X 80 Y0 刀具半径补偿 N50 S1200 M03 主轴转 N60 G01 Z 22 到达初始加工点 N70 G03 X69 24 Y17 73 R20 F100 逆时针圆弧 P1 到 P2 N80 G01 X13 87 Y46 6 加工直线段 N90 G03 X 13 87 R30 加工圆弧段 N100 G01 X 69 24Y17 73 加工直线段 N110 G03 Y 17 73 R20 加工圆弧段 N120 G01 X 13 78 Y 46 6 加工直线段 N130 G03 X13 87 R30 加工圆弧段 N140 G01 X69 24 Y 17 73 加工直线段 N150 G03 X80 Y0 R20 加工圆弧段 N160 G00 G40 Z18 回到初始平面 N170 X0 Y0 M05 回到初始点主轴停 N180 M30 程序停 目目 录录 XII 摘摘 要 要 XIII 引引 言言 XIII 一 一 数控系统的发展过程和趋势数控系统的发展过程和趋势 XIII 一 数控系统的发展过程 XIV 二 数控系统发展趋势 XV 二 二 国外和国内数控系统功能介绍与应用分析国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 XVIII 一 FANUC 的新一代 NGC 系列数控系统 XVIII 二 三菱数控系统 C70 XX 三 凯恩帝 K1000MII XXII 四 华中数控 HNC 19XP M 数控装置 错误错误 未定义书签 未定义书签 五 南京华兴数控 WA730M 5 错误错误 未定义书签 未定义书签 三 三 国内数控系统与国外知名数控系统比较国内数控系统与国外知名数控系统比较 XXIV 一 中高档 中低档数控系统的综合比较 错误错误 未定义书签 未定义书签 二 高档数控系统国内外综合比较 错误错误 未定义书签 未定义书签 三 国内外数控系统的比较与差距 错误错误 未定义书签 未定义书签 参考文献参考文献 XXV XIII 调研报告 数控系统的国内外发展及应用现状 摘摘 要要 数控系统是数字控制系统的简称 英文名称为 Numerical Control System 根 据计算机存储 器中存储的控制程序 执行部分或全部数值控制功能 并配 有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统 通过利用数字 文字和符号组成 的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制 它所控制的通常是位置 角度 速度等机械量和开关量 关键词 关键词 数控系统 发展趋势 功能分析 对比 引引 言言 数控系统早期是与计算机并行发展演化的 用于控制自动化加工设备的 由电子管和 继电器等硬件构成具有计算能力的专用控制器的称为硬件数控 20世纪70年代以后 分离 的硬件电子元件逐步由集成度更高的计算机处理器代替 称为计算机数控系统 计算机数 控系统是用计算机控制加工功能 实现数值控制的系统 CNC 系统根据计算机存储器中存 储的控制程序 执行部分或全部数值控制功能 并配有接口电路和伺服驱动装置 用于控 制自动化加工设备的专用计算机系统 CNC 系统由数控程序存储装置 计算机控制主机 可编程逻辑控制器 PLC 主轴驱动装置和进给驱动装置等组成 由于逐步使用通用计算 机 数控系统日趋具有了软件为主的色彩 又用 PLC 代替了传统的机床电器逻辑控制装置 使系统更小巧 其灵活性 通用性 可靠性更好 易于实现复杂的数控功能 使用 维护 也方便 并具有与网络连接及进行远程通信的功能 一 一 数控系统的发展过程和趋势数控系统的发展过程和趋势 制造业是生产物质财富的产业 机床是制造业的主要生产设备 制造 业中 的绝大多数零件都直接或间接地经过机床加工 固此机床 也称工作母机 是制 造业的基础 XIV 国内外装备制造业的发展经验表明 发展装备制造业 数控机床是基础 数控机床是装备制造业的工作母机 数控机床属于金属切削机床制造业 金属 切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器 它是制造机器的 机器 现代机械制造中加工机械零件的方法很多 除切削加工外 还有铸造 锻 造 焊接 冲压 挤压等 但凡属精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件 一般都需在机床上用切削的方法进行最终加工 一一 数控系统的发展数控系统的发展过程过程 数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的 其过程大致 如下 自1952年美国研制出第一台试验性数控系统以来 数控技术的发展十分迅 速 数控系统也由原先的硬连接数控发展成为今天的计算机数控 CNC 它是综 合了计算机 通信 微电子 自动控制 传感 测试 机械制造等技术而形成 的一门边缘学科 随着现代化的生产对CNC的要求越来越高 数控系统之间不兼 容 编程困难 智能化程度等诸多问题大大限制了现代化生产以及数控技术的 发展 因此解除束缚数控发展的这些障碍 创建一个新的强有力的开放性体系 结构已是数控发展的最重要趋势之一 当前 数控系统正在由专用型封闭式开 环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展 在集成化基础上 数控系统实现了超薄型 超小型化 在技能化基础上 综合了计算机 通信 人工智能等多学科技术 实现了高速 高效 高精控制 加工过程中可以自动 修正 调节与补偿各种参数 实现在线故障诊断和智能化处理 在网络基础上 CAD CAM与数控系统集成一体 实现工厂制造网络化 异地制造等 高精度 高速度 高效和高可靠性从1950年至2000年的50年间加工精度提 升了100倍左右 即加工精度平均每8年提高l倍 近10年来 普通级数控机床的 加工精度由lOgm提高到59m 精密级加工中心则从3 59m 提高到1 1 59m 且超精密加工精度已开始进入纳米级 在可靠性方面 国外数控装置的MTBF值 已达到6000h以上 伺服系统的MTBF值达到30000h以上 表现出非常高的可靠性 为实现高速 高精加工 与之配套的功能部件如电主轴 直线电机等得到了快 速发展 应用领域进一步扩大 目前 意大利某公司的数控铣床电主轴的最高 转速可达75000 r min 功率4 kW 高档数控机床的快进速度可达120 m min 加速度达29以上 主轴转速 XV 已达100000 ffmin 换刀时间则少于0 14 S 五轴联动成为发展方向 发达国 家正致力于研制更高精度的超高速数控机床 二 数控系统发展趋势 二 数控系统发展趋势 1 体系开放化发展 计算机技术的飞速发展 推动数控系统更快地更新换代 开放式体系结构 使数控系统有更好的通用性 柔性 适应性 可扩展性 并可以较容易地实现 智能化 网络化 1 向未来技术开放 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 2 向用户特殊要求开放 更新产品 扩充功能 提供硬软件产品的各种组 合以满足特殊应用要求 3 数控标准的建立 标准化的编程语言 既方便用户使用 又降低了和操 作效率直接有关的劳动消耗 2 高速化 随着汽车 国防 航空 航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应 用 对数控机床加工的高速化要求越来越高 1 主轴转速 机床采用电主轴 内装式主轴电机 主轴最高转速达 200000r min 2 进给率 分辨率为 0 01 m 时 最大进给率达到 240m min 可获得复杂型 面的精确加工 3 运算速度 CPU 已发展到 32 位以及 64 位的数控系统 频率提高到上 千兆赫 使得当分辨率为 0 1 m 0 01 m 时仍能获得高达 24 240m min 的进给 速度 4 换刀速度 目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在 1s 左右 高的已达 0 5s 3 高精度化 数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度 机床的运动精度 热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视 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 并采用高分辨率位置检测装置 提高位置检测精度 日 XVI 本已开发装有 106 脉冲 转的内藏位置检测器的交流伺服电机 其位置检测精度 可达到 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 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 对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿 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 采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度 并通过仿真预测机 床的加工精度 以保证机床的定位精度和重复定位精度 使其性能长期稳定 能够在不同运行条件下完成多种加工任务 并保证零件的加工质量 4 功能复合化 复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种 要素加工 根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类 缩短了产品 制造周期 提高了生产效率和制造商的市场反应能力 相对于传统的工序分散 的生产方法具有明显的优势 国内外的多轴加工机床 包括双主轴 双刀架 9 轴控制等 以及可实现 4 5 轴联动的五轴高速门式加工中心 五轴联动高速铣削中心等 5 控制智能化 21世纪的数控装备将具有一定智能化的系统 智能化内容包含在数控系统中 的各个方面 为追求加工效率和加工质量方面的智能化 如加工过程的自适应 控制 工艺参数的自动生成等 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 如 前馈控制 电机参数的自适应运算 自动识别负载 自动选定模型 自整定等 简化编程和操作方面的智能化 如智能化的自动编程 智能化的人机界面等 还有智能诊断 智能监控 方便系统的诊断及维修等内容 数控机床向柔性自 动化系统发展的趋势是 一方面从点 数控单机 加工中心和数控复合加工机床 线 FMC FMS FTL FML 向面 工段车间 体 CIMS 的方向发展 另一方面注 重应用型和经济型的发展 柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品 迅速更新的手段 是各国制造业发展的主流趋势 其重点是以提高系统的可靠 性 实用性为前提 以异域联网和集成为目标 注重加强单元技术的开拓 完 善 数控机床及其构成的柔性制造单元能方便的与CAD CAM CAPP MTS连接 向信息集成方面发展 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的新亮点 数控装备的网络化能够极大地满足生产线 制造系统 制造企业对信息集成的 需求 也是实现新的制造模式如敏捷制造 虚拟企业 全球制造的基础单元 国内外的著名数控机床和数控系统制 XVII 造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机 如日本山崎马扎克 M a z a k 公司展出的 CyberProduction Center 智能生产控制中心 简称cPc 德国 西门子 Siemens 公展出的Open Manu facturing Environment 开放制造环境 简称OME 等 均反映了数控机床加工向 6 驱动并联化 并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大 系统刚度低 刀 具只能沿固定导轨进给 作业自由度偏低 设备加工灵活性和机动性不够等固 有缺陷 并联机床作为一种新型的加工设备 已成为当前机床技术的一个重要研究 方向 受到了国际机床行业的高度重视 被认为是 21 世纪新一代数控加工 设备 7 极端化 大型化和微型化 国防 航空 航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且 性能良好的数控机床的支撑 而超精密加工技术和微纳米技术是 21 世纪的战略 技术 需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备 所 以微型机床包括微切削加工 车 铣 磨 机床 微电加工机床 微激光加工机 床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大 8 开放化 开放式数控系统可以解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件产业化生 产存在的问题 数控系统开放化巳成为数控系统的未来之路 所谓开放式数控 系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 面向机床厂家和最终用户 通过改变 增加或剪裁结构对象 数控功能 形成系列化 并方便地将用户的 特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中 快速实现不同品种 不同档次的开放 式数控系统 形成具有鲜明个性的名牌产品 目前开放式数控系统的体系结构 规范 通信规范 配置规范 运行平台 数控系统功能库及数控系统功能软件 开发工具等是当前研究的核心 目前世界上已成气候的开放式数控系统研究计 划有 OSACA OMAC和OSECO OSACA全称Open System Architecture for Control within Automation Systems 即自动化系统中的控制开放系统体系结 构 系统平台通过Applicator Program Interface对外提供服务 API是结构功 能单元AO Architecture Object 访问系统平台唯一途径 它屏蔽了平台的真实 XVIII 实现 保证了系统平台的硬件无关性和操作系统无关性 常用的5个AO通常是 HMC 人机界面 LC 逻辑控制 MC 运动控制 AC 轴控制 和PC 过程控制 OSACA充分保证了 开放 的特征 即可移植性 可扩展性和可互换性 OMAC Open Modular Architecture Controllers 开放式 模块化体系结构控 制器 最初由美国3大汽车公司克莱斯勒 福特和通用提出 它是采用搭积木 的方式来构造控制系统 设计者在完成了分解之后 预制特定的模块集合在一 起组成了一个库或积木盒 构造系统时只需从库中选取模块拼接在一起即可 就像搭积木一样简单 模块可以被重新利用和继承 OSEC Open System Environment for Controllers 控制器开放系统环境 是由6家日本公司 东芝 丰田 MAZAK 日本IBM 三菱电子公司和SML公司 组成的一个工作组提出的 OSEC所谓的开放式系统本身被认为是一个分布式系统 它能满足用户对制造系 统不同配置的要求 最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于PC的标准化 人机界面的要求 OSEC的结构虽有独到之处 但与其他开放系统结构一样 也 只是处于试验阶段 目前并未形成商业化的产品 目前在我国已有的开放式CNC 系统有4种 即华中数控系统 中华I型 北京航空航天大学 航天I型和蓝天I 型 二 二 国外和国内数控系统功能介绍与应用分析国外和国内数控系统功能介绍与应用分析 一 一 FANUCFANUC 的新一代的新一代 NGCNGC 系列数控系统系列数控系统 FANUC 公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家 该公司自60 年代生 产数控系统以来 已经开发出40 多种的系列产品 FANUC 公司目前生产的 数控装置有F0 F10 F11 F12 F15 F16 F18 系列 F00 F100 F110 F120 F150 系列是在F0 F10 F12 F15 的基础上加了MMC 功 能 即CNC PMC MMC 三位一体的CNC 1 FANUC 公司产品特点 1 结构上长期采用大板结构 但在新的产品中已采用模块化结构 2 采用专用LSI 以提高集成度 可靠性 减小体积和降低成本 XIX 3 产品应用范围广 每一CNC 装置上可配多种上控制软件 适用于多 种机床 4 不断采用新工艺 新技术 如表面安装技术SMT 多层印制电路板 光导纤维电缆等 5 CNC 装置体积减小 采用面板装配式 内装式PMC 可编程机床控 制器 6 在插补 加减速成 补偿 自动编程 图形显示 通信 控制和诊 断 方面不断增加新的功能 插补功能 除直线 圆弧 螺旋线插补外 还有假想轴插补 极其坐标插 补 圆锥面插补 指数函数插补 样条插补等 切削进给的自动加减速功能 除插补后直线加减速 还插补前加减速 补偿功能 除螺距误差补偿 丝杠反向间隙补偿之外 还有坡度补偿线性 度 补偿以及各新的刀具补偿功能 故障诊断功能 采用人工智能 系统具有推理软件 以知识库为根据查找 故 障原因 7 CNC 装置面向用户开放的功能 以用户特订宏程序 MMC 等功能来 实现 8 支持多种语言显示 如日 英 德 汉 意 法 荷 西班牙 瑞 典 挪威 丹麦语等 9 备有多种外设 如FANUC PPR FANUC FA Card FANUC FLOPY CASSETE FANUC PROGRAM FILE Mate 等 10 已推出MAP 制造自动化协议 接口 使CNC 通过该接口实现与上 一级计算机通信 11 现已形成多种版本 XX 2 FANUC 系统的 0 系类型号划分 系统 0 TC 用于普通车床 自动车床 0 MC 用于铣床 钻床 加工中心 0 GCC 用于内 外磨床 0 GSC 用于平面磨床 0 TTC 用于双刀架 4 轴车床 POWER MATE 0 用于2 轴小型车床 0i 系列 0i MA 用于加工中心 铣床 0i TA 用于车床 可控制4 轴 16i 用于最大8 轴 6 轴联动 18i 用于最大6 轴 4 轴联动 160 18MC 用于加工中心 铣床 平面磨床 160 18TC 用于车床 磨床 160 18DMC 用于加工中心 铣床 平面磨床的开放式CNC 系统 160 180TC 用于车床 圆柱磨床的开放式 CNC 系统 3 FANUC 系统其他特性 a 高速 大容量 多通道的 PMC 30i 系列由专用的处理器和最新的专用 LSI 组成的 PMC 对大量的顺 序控制进行高速处理 可以在一台 PMC 上执行最多 3 个通道 各自独立 的梯形程序 b 伺服 HRV High Response Vector 控制 FANUC 的伺服 HRV 控制是实现纳米 CNC 系统的高速 高精度的伺服控 制 目前已发展和实现了 HRV4 控制 采用 HRV4 控制 可以大幅提高对 命令的响应性和抑制外部干扰 电流的控制是所有伺服控制的基础 HRV4 可实现最高超过 1kHz 的高频响应特性 它还可以实现增益更高的速 度控制 c 丰富的网络功能 利用丰富的网络功能和软件 通过网络传递和共亨信息 管理系统和 使用系统 在构建复杂的多路径系统中 实现优良的可视性和操作性 2 2 西门子数控系统西门子数控系统 XXI 西门子数控系统特点 西门子数控系统特点 1 人机界面 人机交换界面负责 NC 数据的输入和显示 它由 MMC 和 OP 组成 MMC Man Machine Communication 包括 OP Operation panel 单元 MMC MCP Machine Control Panel 三部分 MMC 实际上就是一台计算机 有自己独立的 CPU 还可以带硬盘 带软驱 OP 单元正是这台计算机的显示器 而西门子 MMC 的控制软件也在这台计算 机中 1 MMC 我们最常用的 MMC 有两种 MCC100 2 和 MMC103 其中 MMC100 2 的 CPU 为 486 不能带硬盘 而 MMC103 的 CPU 为奔腾 可以带硬盘 一般的 用户为 SINUMERIK810D 配 MMC100 2 而为 SINUMERIK840D 配 MMC103 PCU PC UNIT 是专门为配合西门子最新的操作面板 OP10 OP10S OP10C OP12 OP15 等而开发的 MMC 模块 目前有三种 PCU 模块 PCU20 PCU50 PCU70 PCU20 对应于 MMC100 2 不带硬盘 但可 以带软驱 PCU50 PCU70 对应于 MMC103 可以带硬盘 与 MMC 不同的是 PCU50 的软件是基于 WINDOWS NT 的 PCU 的软件被称作 HMI HMI 有分为两 种 嵌入式 HMI 和高级 HMI 一般标准供货时 PCU20 装载的是嵌入式 HMI 而 PCU50 和 PCU70 则装载高级 HMI 2 OP OP 单元一般包括一个 10 4 TFT 显示屏和一个 NC 键盘 根据用户不同 的要求 西门子为用户选配不同的 OP 单元 如 OP030 OP031 OP032 OP032S 等 其中 OP031 最为常用 3 MCP MCP 是专门为数控机床而配置的 它也是 OPI 上的一个节点 根据应用 场合不同 其布局也不同 目前 有车床版 MCP 和铣床版 MCP 两种 对 810D 和 840D MCP 的 MPI 地址分别为 14 和 6 用 MCP 后面的 S3 开关设定 对于 SINUMERIK840D 应用了 MPI Multiple Point Interface 总线技 术 传输速率为 187 5k 秒 OP 单元为这个总线构成的网络中的一个节点 为提高人机交互的效率 又有 OPI Operator PanelInterface 总线 它 的传输速率为 1 5M 秒 2 数控及驱动单元 1 NCU 数控单元 SINUMERIK840D 的数控单元被称为 NCU Numenrical Controlunit 单 元 中央控制单元 负责 NC 所有的功能 机床的逻辑控制 还有和 MMC 的通 讯 它由一个 COM CPU 板 一个 PLC CPU 板和一个 DRIVE 板组成 根据选用硬件如 CPU 芯片等和功能配置的不同 NCU 分为 NCU561 2 NCU571 2 NCU572 2 NCU573 2 12 轴 NCU573 2 31 轴 等 XXII 若干种 同样 NCU 单元中也集成 SINUMERIK840D 数控 CPU 和 SIMATIC PLC CPU 芯片 包括相应的数控软件和 PLC 控制软件 并且带有 MPI 或 Profibus 借口 RS232 借口 手轮及测量接口 PCMCIA 卡插槽等 所不同的是 NCU 单元很薄 所有的驱动模块均排列在其右侧 2 数字驱动 数字伺服 运动控制的执行部分 由 611D 伺服驱动和 1FT6 1FK6 电 机组成 SINUMERIK840D 配置的驱动一般都采用 SIMODRIVE611D 它包括两部分 电源模块 驱动模块 功率模块 电源模块 主要为 NC 和给驱动装置提供控制和动力电源 产生母线电 压 同时监测电源和模块状态 根据容量不同 凡小于 15KW 均不带馈入装 置 极为 U E 电源模块 凡大于 15KW 均需带馈入装置 记为 I RF 电源模 块 通过模块上的订货号或标记可识别 611D 数字驱动 是新一代数字控制总线驱动的交流驱动 它分为双轴模 块和单轴模块两种 相应的进给伺服电机可采用 1FT6 或者 1FK6 系列 编 码器信号为 1Vpp 正弦波 可实现全闭环控制 主轴伺服电机为 1PH7 系列 3 PLC 模块 SINUMERIK810D 840D 系统的 PLC 部分使用的是西门子 SIMATIC S7 300 的软件及模块 在同一条导轨上从左到右依次为电源模块 Power Supply 接口模块 Interface Module 机信号模块 Signal Module 的 CPU 与 NC 的 CPU 是集成在 CCU 或 NCU 中的 电源模块 PS 是为 PLC 和 NC 提供电源的 24V 和 5V 接口模块 IM 是用于级之间互连的 信号模块 SM 使用与机床 PLC 输入 输出的模块 有输入型和输出型两种 3 3 华中系统华中系统 华中数控系统是基于通用 PC 的数控装置 是武汉华中数控股份有限公 司在国家 八五 九五 科技攻关的重大科技成果 华中数控系统发展 为三大系列 世纪星系列 小博士系列和华中 I 型系列 世纪星系列采用 通用原装进口嵌入式工业 PC 机 彩色 LCD 液晶显示器 内置式 PLC 可与 多种伺服驱动单元配套使用 小博士系列为外配通用 PC 机的经济型数控装 置 华中系统的简介 XXIII 1 CPU 卡的配置是 CPU 80386 以上 内存 2MB 以上 cache 128kB 以上 软 硬驱接口 键盘接口 二串一并通信接口 DMA 控制器 中断控制器和定时 器 外存是包括软驱 硬驱和电子盘在内的存储器件 2 系统总线是一块由四层印刷电路板制成的无源母板 3 图 3 2 中的定制功能接口部分是数控系统的操作面板 其中数控键盘通过 COM2 口直接写入标准键盘的缓冲区 4 图 3 2 中的 定制功能接口 表示是可根据用户特殊要求而定制的功能模 块 5 位置单元接口根据伺服单元的不同而有不同的具体实施方案 当伺服单元 为数字交流伺服单元时 位置单元接口可采用标准 RS 232C 串口 当伺服 单元为模拟式交 直流伺服单元时 位置单元接口采用位置环板 当用步进 电机为驱动元件时 教学型数控机床 位置单元接口采用多功能数控接口 板 6 光电隔离 I O 板主要处理控制面板上以及机床测量的开关量信号 7 多功能板主要处理主轴单元的模拟或数字控制信号 并回收来自主轴编码 器 手摇脉冲发生器的脉冲信号 四 航天数控 十多年来 航天数控充分发挥航天工业的高技术优势 相继开发了高 中 低档次的多个系列的产品 功能覆盖了车床 铣床 加工中心 磨床 火焰切割机等控制系统 广泛应用于军工 船舶 汽车 航空 航天 造纸 建筑等各领域 CASNUC2100 数控系统是一个总线式 模块化的控制系统 该系统采用开 放式体系结构 可以广泛借用丰富的外部软 硬件资源 可控制 5 轴 8 轴 联动的机械设备 系统具有内装 PLC 图形显示功能 系统可配有软 硬盘接 口 通信接口 很好的通信功能 可以为 FMS CIMS 提供技术支持 其典型 应用有车床 铣床钻床 磨床 加工中心 螺杆铣 凸轮加工 火焰切割 玻璃雕刻 4 轴机器人控制 4 轴激光表面处理控制等 这种开放式的平台结 构系统既可以为用户提供最终产品 也可为其他数控系统生产厂家和工业过 程控制用户提供 OEM 原始设备生产商 的软 硬件产品 XXIV 1 广州数控 广州数控是近几年来发展比较迅速的数控系统 在我国特别是广大南方地 区有着众多的用户 广州数控的主要产品有 GSK 系列车床 铣床 加工中 心数控系统 DA98 系列全数字式交流伺服驱动装置 DY3 系列混合式步进电 机驱动装置 DF3 系列反应式步进电机驱动装置 GSK SJT 系列交流伺服电动 机 以其加工中心数控系统 GSK 218M 为广州数控自主研发的普及型数控系统 适配加工中心及普通铣床 采用 32 位高性能的 CPU 和超大规模可编程器件 FPGA 实时控制和硬件插补技术保证了系统 m 级精度下的高效率 可在线 编辑的 PLC 使逻辑控制功能更加灵活强大 广州数控加工中心系统标准配置为四轴三联动 旋转轴可由参数设定 最 高定位速度可达 30 米 分 最高插补速度达 15 米 分 可以提供直线型 指 数型和 S 型多种加减速方式 具有双向螺距误差补偿 反向间隙误差补偿 刀具长度补偿 刀具半径补偿功能 提供多级密码保护功能 方便设备管理 中 英文界面可参数选择 程序区空间为 56M 最大可存储 400 个程序 支 持后台编辑功能 具有标准 RS 232 及 USB 接口功能 可实现 CNC 与 PC 机双 向传输程序 参数及 PLC 程序 具有 DNC 控制功能 波特率可由参数设定 三 三 国内数控系统与国外知名数控系统比较国内数控系统与国外知名数控系统比较 国内外数控系统总体来说差距还是有 最近几年 普及型 中 高档数控 系统的国产市场完全被外国公司垄断 国外一些知名厂家采用技术封锁和低 价倾销的双重策略 利用其先进的技术和产品以及灵活多样的促销手段抢占 中国市场 扼杀中国的数控民族工业 但随着时间的迁移 国内用户已逐渐 领略到使用国外系统的弊端 不能及时维修及高昂的维修费用 不便于系统 的更新 难于进行二次开发 由于国外厂家技术封锁 国外系统难于作二次 开发 而许多用户要求系统的开放性 以便根据实际情况扩展功能 在低端 市场 价格较国内的昂贵 性价比低 但是随着国内一些公司不断地科研创新 在高端市场也取得了跨越式的进 展 这里以华中数控系统为例 介绍我国数控系统的快速发展以及与国外数 控系统的比较 XXV 由于华中数控系统采用了以工业 PC 机为硬件平台 DOS Windows 及其 丰富的支持软件为软件平台的技术路线 使主控制系统具有质量好 性能价 格比高 新产品开发周期短 系统维护方便 系统更新换代和升降快 系统 配套能力强 系统开放性好 便于用户二次开发和集成等许多优点 华中数 控系统在其操作界面 操作习惯和编程语言上按国际通用的数控系统设计 国外系统所运行的 G 代码数控程序 基本不需修改 可在华中数控系统上使 用 但是 华中数控系统采用汉字用户界面 提供完善的在线帮助功能 便 于用户学习和使用 系统提供类似高级语言的宏程序功能 具有三维仿真校 验和加工过程图形动态跟踪功能 图形显示形象直观 操作 使用方便容易 与 SIMENSE 和 FANUC 的普及型数控系统相比较 华中数控系统在功能上毫不 逊色 在价格上更为低廉 在维护和更新换代方面更为方便 但在外观和可 靠性方面略差 纵观国际上数控技术的发展的趋势 PC 数控 即华中数控系统采用了以 工业 PC 机为硬件平台 的技术路线是目前的主要潮流 SIMENSE 和 FANUC 也 不得不开始转向 PC 数控 国外 PC NC 主要在原 NC 上增扩 PC 用于图形 通 讯和大容量存储 如 FANUC 160 西门子 840 和美国 AB9360 等 另一种在 PC 上扩充带 DSP 处理器的控制卡 如 FANUC open 4 美国 DeltaTau 的 PMAC 等 相比之下 华中数控系统比较彻底地贯彻了 PC NC 的技术路线 以 PC 软件完成全部的 NC 功能 因而以国外低档数控系统的价格 实现了国外高档 系统的功能 具有优良的性能 价格比 因此 由国家组织的专家鉴定会认为 华中数控系统是具有我国特色的高性能数控系统 是一项重大的科研成果 具有国际先进水平 此外 华中数控系统的 SDI 算法在 PC 上实现了复杂曲面直接插补 而国 外目前还只有三轴的类似研究 且需高速硬件支持 如苏黎世大学使用小型 机和高速浮点阵列 日本铃木裕使用 PC 15 个 Transputer 处理器 三菱公 司认为需要 2000 个 68020 68881 而华中 I 型已经实现了 SDI 算法 并成 功地运用于 3 轴 4 轴 5 轴联动加工 所以 由机械部组织的专家鉴定会认 为该技术 属国际首创 具有当前国际先进水平 在中国 在 六 五 七 五 和 八 五 计划的支持下 我国先后研 制成功华中 I 型 中华 I 型 蓝天 I 型 航天 I 型四个基本型数控系统 国 内各系统均实现了高档多轴多过程控制 XXVI 最近几年 普及型 中 高档数控系统