第1章数控机床的概述

机械设备数控技术,华南理工大学机械与汽车工程学院,有问题探讨请联系,88372969李勇meliyong,主要参考书,王永章机床的数字控制技术哈工大出版社，2002年廖效果、刘又午等数控技术湖北科学技术出版社武汉，2000年毕承恩，丁乃健现代数控机床机械工业出版社北京，1994,教学方法与考核方式,教学方法课堂教学实验教学自学专题讲座,考核方式考试（70%）平时成绩（30%）读书报告、大作业等课堂提问、考勤,机械设备数控技术,第一章数控机床的概述第二章数控机床的机械结构第三章CNC系统原理及结构第四章数控加工程序的编制第五章数控装置的插补与刀具补偿第六章位置检测装置第七章数控机床的伺服系统,第一章数控机床的概述,1.1数字控制的基本概念1.2数字机床的组成及工作原理1.3数控机床的分类1.4数控机床的特点及应用范围1.5数控机床的发展,内容提要：本章主要介绍数字控制的概念、数控技术、数控设备的工作过程，数控机床的基本概念、体系结构、工作原理及分类；数控机床的应用范围及发展动向，使读者对现代数控技术与数控系统有大致了解。,第一章数控机床的概述,我国第一台数控机床,第一章数控机床的概述,华南理工大学自制的第一台数控机床,数控车床,第一章数控机床的概述,数控铣床,加工中心,数控钻床,第一章数控机床的概述,数字控制（NumericalControl）简称数控（NC），是近代发展起来的一种自动控制技术，是指用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。数字控制技术（NumericalControlTechnology），是指用数字量及字符发出指令并实现自动控制的技术。数控机床(NumericalControlMachineTools)是指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。,1.1数字控制的基本概念,数控系统是一种控制系统，它自动输入载体上事先给定的数字量，并将其译码，在进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件。硬件数控（NC）早期的数控系统，它由硬件逻辑电路来实现其控制功能。计算机数控（CNC）系统由计算机承担数控中命令发生器的控制器的数控系统。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真正的“柔性”，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。,1.1数字控制的基本概念,工艺分析,数控加工程序,工序卡,传统加工,数控加工,数控加工与传统加工的比较,1.1数字控制的基本概念,1.2数控机床的工作原理及组成,数控机床是典型的数控化设备，它一般由以下几部分组成：一、程序编制及程序载体二、输入输出装置三、计算机数控装置及强电控制装置四、伺服驱动系统及位置检测装置五、机床的机械部件,1.2.1数控机床的组成,1.2.1数控机床的组成,程序的编制是根据零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息，用标准的由文字、数字和符号组成的数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编好的数控程序存放在一种存储载体上，程序载体(信息载体)又称控制介质，用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息，以控制机床的运动，实现零件的机械加工。,一程序编制及程序载体,1.2.1数控机床的组成,一程序编制及程序载体,控制介质与输入输出装置,1.2.1数控机床的组成,输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。,二输入输出装置,1.2.1数控机床的组成,FANUC数控系统（显示器及操作面板）,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。,1.2.1数控机床的组成,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。,三计算机数控装置及强电控制装置,1.2.1数控机床的组成,强电控制装置强电控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统作用：接收数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。此外，还有行程开关和监控检测等开关信号也要经过强电控制装置送到数控装置进行处理。,三计算机数控装置及强电控制装置,1.2.1数控机床的组成,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）,四伺服驱动系统及位置检测装置,1.2.1数控机床的组成,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）。,五机床的机械部件,1.2.1数控机床的组成,数控机床的结构,1.2.2数控机床的工作过程,一数控编程数控编程的一般过程如下图：,1.2.2数控机床的工作过程,二输入采用操作面板上的键盘、纸带阅读机、磁盘软驱、网络通讯接口等方式，把零件的数控加工程序、控制参数、补偿参数等操作信息输送到CNC数控装置中。三译码数控装置对接收到的数控加工程序进行语法检查，按照语法规则将其翻译成计算机可以识别的数据形式，并按一定的数据格式将这些数据存放在指定的内存专用存储区。,四刀具补偿刀具补偿又叫做“刀补”，是指在生产现场根据刀具的实际测量值，将加工零件时所用刀具的半径和长度等现场数据输入CNC数控装置，数控系统根据这些刀补值进行运算，自动把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹，以便加工出所要求的零件轮廓。五插补在已知零件轮廓表面曲线段的起点和终点之间，进行“数据点的密化工作”。数控系统在每个插补周期内运行一次插补程序，得到一个微线段数据，数控机床的运动部件就沿着相应坐标走一步。这一步的距离，在经济型数控机床中称为“脉冲当量”，在中、高档数控机床中称为“最小设定单位”，它反映了数控机床可能达到的最高加工精度。,1.2.2数控机床的工作过程,六加工零件的轮廓表面是由许多曲线段（包括直线段）连接构成，数控系统执行一条数控加工程序，通常需要运行许多次插补周期，来生成一连串逼近零件轮廓曲线的微线段，从而加工出零件表面上的一段曲线。当数控加工程序单上的所有程序段全部执行完毕，就意味着数控机床加工零件结束。,1.2.2数控机床的工作过程,1.3数控机床的分类1.3.1按数控机床的运动轨迹分类,按照机床的运动轨迹分，数控机床可以分为：点位数控机床、直线数控机床、轮廓数控机床。点位控制数控机床(PointtoPointControlNCMachine)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。,(2)直线控制数控机床(StraitCutControlNCMachine)控制点与点之间的准确定位控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹），但其路线只是与机床坐标轴平行的直线，即同时控制的坐标轴只有一个（即数控系统内不必具有插补运算功能）适用范围：数控车床、数控铣床、数控磨床等,1.3.1按数控机床的运动轨迹分类,1.3.1按数控机床的运动轨迹分类,(3)轮廓控制数控机床(ContouringControlNCMachine)轮廓控制数控机床的特点：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。,1.3.1按数控机床的运动轨迹分类,采用轮廓控制系统进行加工时，实际上是采用折线逼近直线和曲线的方法。如下图,1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类,按照所用的进给伺服系统的类型分，数控机床可以分为三大类：开环数控系统、闭环数控系统、半闭环数控系统。(1)开环数控系统,开环数控系统的特点：一般采用步进电机作为驱动装置没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好，但加工精度不高。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，适用性：一般仅用于运动速度较低和工作精度不高的经济型数控机床,1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类,(2)闭环数控系统,1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类,闭环数控系统的特点：安装了位置检测装置，并且在进给系统末端的执行部件上，实测它的位置或位移量从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。,1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类,(3)半闭环数控系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置,1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类,半闭环数控系统的特点：闭环系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环系统只能补偿系统环路内部分元件的误差。半闭环系统的精度比闭环系统的精度要低一些，比开环数控系统的精度高。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。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,1.3.2按所用的进给伺服系统的类型分类,1.3.3按所用的数控装置类型分类,按照所用的数控装置类型分类，数控机床可以分为：硬件数控系统、计算机数控系统。(1)硬件数控系统硬件数控(NC)使用硬件数控装置，它的输入处理、插补运算和控制功能都由专用的固定组合逻辑电路来实现，不同功能的机床，其组合逻辑电路也不相同。改变控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件电路，因此通用性、灵活性差，制造周期长，成本高。,(2)计算机数控系统计算机数控(CNC)系统，即软件数控装置。这种数控装置的硬件电路是由小型或微型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成，数控机床的主要功能几乎全部由系统软件来实现，所以不同功能的机床其系统软件也就不同，而修改系统功能时，不需变动硬件电路，只需改变系统软件。因此具有较高的灵活性，同时由于硬件电路基本上是通用的，这就有利于大量生产，提高质量和可靠性，缩短制造周期和降低成本。,1.3.3按所用的数控装置类型分类,1.3.4按数控系统功能水平分类,按照数控系统功能水平分类，数控系统可以分为：经济型数控系统、普及型数控系统、高档型数控系统。(1)经济型数控系统这类机床结构一般都比较简单，精度中等，价格也比较低廉，一般不具有通信功能，如经济型数控线切割机床、数控钻床、数控车床、数控铣床及数控磨床等。,经济型数控系统,1.3.4按数控系统功能水平分类,(2)普及型数控系统普及型数控系统常称为全功能数控系统，这类数控系统功能较多，除了具有一般数控系统的功能外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等，系统的可靠性和控制的灵活性比较高。,(3)高档型数控系统这类系统功能齐全，价格昂贵，如具有5轴以上的数控铣床，大型、重型数控机床，五面加工中心，车削中心和柔性加工单元等。,1.3.4按数控系统功能水平分类,1.3.5按数控机构类型分类,机构学里将机构分为串联机构和并联机构，串联机构的典型代表是机器人，传统机床的布局实际上也是串联机构。(1)串联机床串联机构具有工作范围大，灵活性好等特点，但精度低，刚性差，作为机床，为提高精度和刚性，不得不将床身、导轨等制造得宽大厚实，由此导致了活动范围和灵活性能的下降。,1.3.5按数控机构类型分类,(2)并联机床并联机床是指用并联机构作为进给传动机构的数字控制机床，与传统机床相比并联机床具有如下特点：,五、多功能灵活性强；六、使用寿命长；七、Stewart平台适合于模块化生产；八、变换坐标系方便。,一、结构简单、价格低；二、结构刚度高；三、加工速度高，惯性低；四、加工精度高；,并联运动机床,1.4数控机床的特点及应用范围,1.4.1数控机床的特点广泛的适应性精度高，质量稳定加工生产效率高减轻劳动强度，改善生产条件能实现复杂零件的加工有利于生产管理现代化初始投资大，技术含量高,1.4数控机床的特点及应用范围,1.4.2数控机床的应用范围(1)多品种小批量的零件从下面的零件加工批量数与综合费用的关系图可以看出，大批大量生产的零件应选用专用机床或自动线加工；单件小批生产的零件应选用通用机床加工；批量数在10200件之间的多品种中小批量生产的零件，通常采用数控机床加工比较合理。,1.4数控机床的特点及应用范围,(2)结构比较复杂的零件从零件的复杂程度、零件的批量大小与三类机床的关系（如下图）可以看出，数控机床适宜加工结构比较复杂、在其它机床上必须使用大量复杂昂贵的工艺装备才能进行加工的零件。,1.4数控机床的特点及应用范围,（3）需要频繁改型的零件（4）价值昂贵的关键零件（5）快速交货的紧急零件,1.4数控机床的特点及应用范围,1.4数控机床的特点及应用范围,1.5数控机床的发展,1.5.1数控机床的发展概况,1.5.2数控机床的发展方向,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,1.5.2数控机床的发展方向,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。,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；,1.5.2数控机床的发展方向,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。,1.5.2数控机床的发展方向,HPC-1000APHorizontalMachinecenter（带工作台交换托盘）,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。,1.5.2数控机床的发展方向,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。,1.5.2数控机床的发展方向,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；,1.5.2数控机床的发展方向,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：,1.5.2数控机床的发展方向,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。,1.5.2数控机床的发展方向,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国内清华、华中工、华南工大的自适应控制技术的研究已取得成果,1.5.2数控机床的发展方向,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,1.5.2数控机床的发展方向,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。,1.5.2数控机床的发展方向,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。,1.5.2数控机床的发展方向,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。,1.5.2数控机床的发展方向,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；,1.5.2数控机床的发展方向,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