--数控技术概述PPT课件

数控技术 安徽科技学院机电与车辆工程学院 2 课程简介 掌握机床的数字控制技术的基本原理 数控装备基本知识和数控加工技术 通过课程学习 培养学生在数控编程 数控原理 数控机床机械结构等方面的专业知识 为以后机电结合的设计和使用技术打下基础 了解数控技术的最新发展趋势 新理论和新技术 3 课程简介 4 课程简介 5 课程简介 期末考试 80 平时 作业及实验 20 6 主要参考书 吴祖育 秦鹏飞 数控机床 第三版上海科学技术出版社上海2001年陈蔚芳 王宏涛 机床数控技术及应用 科学出版社北京2008年董玉红 数控技术 高等教育出版社北京2005年 7 主要内容 第1章数控技术概论 基本概念机床数控技术组成数控加工零件过程数控机床的特点与分类数控机床的发展趋势 8 1 1数控技术的基本概念 自从上20世纪中叶数控技术创立以来 它给机械制造业带来了革命性的变化 数控技术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 CAD CAM FMS和CIMS 敏捷制造和智能制造等 都建立在数控技术之上 数控技术是提高产品质量 提高劳动生产率必不可少的物质手段 是国家的战略技术 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 二十一世纪机械制造业的竞争 其实质是数控技术的竞争 9 数字控制 NumericalControlNC 是一种借助数字 字符或其它符号对某一工作过程 如加工 测量 装配等 进行可编程控制的自动化方法 计算机数控 ComputerNumericalControlCNC 是用一个存储程序的专用计算机 由控制程序来实现部分或全部基本控制功能 并通过借口与各种输入输出设备建立联系 更换不同的控制程序 可以实现不同的控制功能 1 1数控技术的基本概念 10 机床数控技术 NumericalControlTechnology 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 数控机床 NumericalControlMachineTools 是指采用数字形式信息控制的机床 详言之 凡是用数字化的代码将零件加工过程中所需的各种操作和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上 送入计算机或数控系统经过译码 运算及处理 控制机床的刀具与工件的相对运动 加工出所需要的工件的一类机床即为数控机床 它是数控技术典型应用的例子 1 1数控技术的基本概念 11 数控机床加工与传统机床加工的比较 工艺分析 数控加工程序 工序卡 传统加工 数控加工 图2传统加工与数控加工的比较图 1 1数控技术的基本概念 12 1 2机床数控技术的组成 13 1 2机床数控技术的组成 FANUC控制系统 分解 14 机床本体机床 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 2机床数控技术的组成 15 1 2机床数控技术的组成 16 数控系统是一种程序控制系统 它能逻辑地处理输入到系统中的数控加工程序 控制数控机床运动并加工出零件 计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统 1 2机床数控技术的组成 17 1 2机床数控技术的组成 18 1 2机床数控技术的组成 数控系统各组成部分的关系 数控系统各组成部分的关系 19 操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具 组成 按钮站 状态灯 按键阵列 功能与计算机键盘一样 和显示器 它是数控机床特有部件 1 2机床数控技术的组成 20 1 2机床数控技术的组成 21 1 2机床数控技术的组成 22 输入输出设备作用是将加工零件的程序和各种参数 数据送到数控装置输入输出设备可以通过多种方式获得加工程序 穿孔纸带 键盘 MDI MDI手动输入 软驱 USB接口 RS232C接口 分布式数字控制 DirectNumericalControl DNC 接口 网络接口 1 2机床数控技术的组成 23 1 2机床数控技术的组成 24 CNC装置 CNC单元 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 2机床数控技术的组成 25 1 2机床数控技术的组成 26 伺服单元 驱动装置和测量装置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 1 2机床数控技术的组成 27 1 2机床数控技术的组成 28 PLC 机床I O电路和装置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 机床I O电路和装置 实现I O控制的执行部件 由继电器 电磁阀 行程开关 接触器等组成的逻辑电路 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 2机床数控技术的组成 29 1 3数控机床加工零件的过程 30 根据被加工零件的图样与工艺方案 用规定的代码和程序编写程序 即编写加工程序 将编写的加工程序输入数控装置 数控装置对程序进行译码 运算处理 并向机床各个坐标的伺服驱动装置和辅助装置发出信号 以控制机床的运动 在机床上加工出合格的零件 1 3数控机床加工零件的过程 31 1 4数控机床的特点与分类 数控机床的特点适应性好精度高效率高减轻劳动强度 改善劳动条件有利于生产管理的现代化使用 维护技术要求高 32 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 4数控机床的特点与分类 33 一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 4数控机床的特点与分类 34 二按运动轨迹分类点位控制系统连续控制系统 1 4数控机床的特点与分类 35 点位控制数控系统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 1 4数控机床的特点与分类 36 轮廓控制数控系统轮廓控制 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 4数控机床的特点与分类 37 三按联动轴数分 2轴联动 平面曲线 同时控制两个坐标轴实现二维直线 圆弧 曲线的轨迹控制 2轴半联动 简单空间曲面 除了控制两个坐标轴联动外 还同时控制第三坐标轴作周期性进给运动 可以实现简单曲面的轨迹控制 3轴联动 空间曲面 球头刀 同时控制X Y Z三个直线坐标轴联动 实现曲面的轨迹控制 4轴联动及5轴联动 空间曲面 除了控制X Y Z三个直线坐标轴外 还能同时控制一个或两个回转坐标轴 工作台的旋转 刀具的摆动等 从而实现复杂曲面的轨迹控制 联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂 1 4数控机床的特点与分类 38 1 4数控机床的特点与分类 39 开环控制系统闭环控制系统 四按控制方式分类 半闭环控制系统 全闭环控制系统 1 4数控机床的特点与分类 40 开环数控系统没有位置测量装置 信号流是单向的 数控装置 进给系统 故系统稳定性好 1 4数控机床的特点与分类 41 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 4数控机床的特点与分类 42 半闭环数控系统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 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 4数控机床的特点与分类 43 由于控制与机械传动间有明显的分界 因此控制系统调试方便 由于机械部分的间歇 摩擦死区等非线性环节都在闭环以外 故系统的稳定性较好 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 4数控机床的特点与分类 44 全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示 直接对运动部件的实际位置进行检测 1 4数控机床的特点与分类 45 加工精度很高 由于它将丝杠螺母副及工作台导轨副这些大惯量环节放在闭环之内 系统稳定性受到影响 调试困难 且结构复杂 价格昂贵 1 4数控机床的特点与分类 46 五按功能水平分 经济型数控机床中档型数控机床高档型数控机床 1 4数控机床的特点与分类 47 经济型数控机床步进电机实现的开环驱动 功能简单 价格低廉 精度中等 能满足加工形状比较简单的直线 圆弧及螺纹加工 一般控制轴数在3轴以下 脉冲当量 分辨率 多为0 01mm 快速进给速度在10m min以下 中档型数控机床采用交流或直流伺服电机实现半闭环驱动 能实现4轴或4轴以下联动控制 脉冲当量为1um 进给速度为15 24m min 一般采用16位或32位处理器 具RS232C通信接口 DNC接口和内装PLC 具有图形显示功能及面向用户的宏程序功能 1 4数控机床的特点与分类 48 高档型数控机床采用交流伺服电机形成闭环驱动 开始采用直线伺服电机 能实现5轴以上联动 脉冲当量 分辨率 为0 1 1um 进给速度可达100m min以上 一般采用32位以上微处理器 形成多CPU结构 编程功能强 具有智能诊断 联网和通信功能 1 4数控机床的特点与分类 49 1 4数控机床的特点与分类 50 1 4数控机床的特点与分类 51 1 4数控机床的特点与分类 52 1 4数控机床的特点与分类 53 1 4数控机床的特点与分类 54 1 4数控机床的特点与分类 55 1 4数控机床的特点与分类 数控加工示例 56 1 4数控机床的特点与分类 数控加工示例 57 1 4数控机床的特点与分类 数控加工示例 58 1 4数控机床的特点与分类 数控加工示例 五轴铣削 59 第一代数控 1952 1959年 采用电子管构成的硬件数控系统 第二代数控 1959 1965年 采用晶体管电路为主的硬件数控系统 第三代数控 1965年开始 采用小 中规模集成电路的硬件数控系统 第四代数控 1970年开始 采用大规模集成电路的小型通用电子计算机数控系统 第五代数控 1974年开始 采用微型计算机控制的数控系统 第六代数控 1990年开始 采用工控PC机的通用CNC系统 其中 前三代为第一阶段 数控系统主要是由硬件联结构成 称为硬件数控 后三代称为计算机数控 其功能主要由软件完成 1 5数控技术的发展趋势 60 1 5数控技术的发展趋势 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 61 运行高速化 加工高精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 5数控技术的发展趋势 62 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 5数控技术的发展趋势 63 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 高速加工示例 高速铣削和五坐标轴高速加工中心 1 5数控技术的发展趋势 64 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 5数控技术的发展趋势 65 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 5数控技术的发展趋势 66 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 1 5数控技术的发展趋势 67 功能复合化功能集成化现在 工件自动装卸 工件自动定位 刀具自动对刀 工件自动测量与补偿 集钻 车 镗 铣 磨为一体的 万能加工 和集装卸 加工 测量为一体的 完整加工 等 1 5数控技术的发展趋势 68 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 5数控技术的发展趋势 69 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 5数控技术的发展趋势 70 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 5数控技术的发展趋势 71 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 5数控技术的发展趋势 72 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 5数控技术的发展趋势 73 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 1 5数控技术的发展趋势 74 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 1 5数控技术的发展趋势 75 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 1 5数控技术的发展趋势 76 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 1 5数控技术的发展趋势 77 开放式数控装置的概念结构 1 5数控技术的发展趋势 78 国内外开放式数控系统的研究进展美国 NGC TheNextGenerationWork station MachineController 和OMAC OpenModularArchitectureController 计划欧共体 OSACA OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems 计划日本 OSEC OpenSystemEnvironmentforController 计划华中I型 基于IPC的CNC开放体系结构航天I型CNC系统 基于PC的多机CNC开放体系结构 1 5数控技术的发展趋势 79 驱动并联化并联加工中心 又称6条腿数控机床 虚轴机床 是数控机床在结构上取得的重大突破 1 5数控技术的发展趋势 80 81 特点并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物 由于它没有传统机床所必需的床身 立柱 导轨等制约机床性能提高的结构 具有现代机器人的模块化程度高 重量轻和速度快等