现代数控装备设计技术 概述

1、1现代数控装备设计技术教材：数控技术及装备韩建海主编 华中科技大学出版社 2007年参考教材：1、数控机械设计 张明柱 河南科技大学校内讲义 2、数控技术 廖效果 湖北科学技术出版社2、数字控制机床 刘又午 机械工业出版社2课程内容第一章 数控装备概述 第二章计算机数控系统原理 第三章运动轴的联动控制第四章伺服驱动系统第五章 位置检测元件第六章数控装备的操作编程第七章 数控装备中常用的机械传动部件第八章数控装备回转台及导轨第九章 数控加工中心及其自动换刀机构第十章 数控装备设计实例3第一章 数控装备概述 数控装备的基本概念数控系统的类型数控技术在机械制造中的应用和发展4数控装备的基本概念一、数

2、控的概念数控：数字控制（Numerical Control）的简称， 它是利用微电子电路的数字信号特别是计算机的数字指令对机械运动进行控制的技术。控制量：1、机械量，如位置、角度、速度等。 2、其它物理量：压力、流量等。数控装备：包括数控机床在内的用微电子线路特别是计算机的可编程数字指令控制其运动的自动化机械装备统称为数控装备。突出标志：1、可通过编程改变功能和动作。 2、有精确的运动伺服控制。5二、数控装备的应用金属切削机床坐标测量机机器人办公自动化机械数控焊接机 数控编织机和数控剪裁机 激光加工设备 医疗诊断设备 6数控车床7数控车床8数控铣床9101112多主轴钻床13卧式加工中心14线

3、切割机15线切割机16三坐标测量机17大型三坐标测量机18弯管机19数控折板机20数控转塔冲床21机器人22焊接机器人2324平板绘图仪25滚筒绘图机26激光切割机27快速激光原型机28等离子切割机29线束机30线束31贴片机32贴片机33贴片电路板34贴片头35注塑机36CT扫描机37CT扫描机3839三、数控装备的特点图纸 输入 介质 输入 装置 编程 数控 装置 伺服 电机 伺服 电机 m 机械零件加工 机床手轮手轮40三、数控装备的特点图纸 输入 介质 输入 装置 编程 数控 装置 伺服 电机 伺服 电机 m 机械零件加工 41三、数控装备的特点 易于实现复杂另件的加工自动化。 提高了

4、生产率和效率。 提高了加工精度和重复精度。 增加了设备的柔性。 降低了操作者的劳动强度。 设备可靠性提高。42四、数控装备的组成43四、数控装备的组成控制驱动44四、数控装备的组成传动支撑导向45四、数控装备的组成 程序编制 数控装置 伺服机构 机械本体 测量装置 专用功能部件 作业对象 功能控制 坐标控制 46、程序编制 不同数控装备根据其信息量的多少，编程的难易有多种编程方法。常见的有键盘输入、纸带输入、磁带输入、计算机辅助编程通讯输入等。如：数控机床的程序编制是根据图纸要求，把加工所需要的一切信息（刀具运动轨迹、切削用量、主轴转速及其它辅助动作等），按照标准格式作成穿孔带。程序编制包括手

5、工编程和自动编程。程序编制 数控装置 伺服机构 机械本体 测量装置 专用功能部件 作业对象 功能控制 坐标控制 是根据目标要求，把控制中所需的一切有关信息按照标准格式输入数控装置或记录在输入介质上。47、数控装置 数控装置对信息的处理和运算可以由逻辑线路等硬件来实现，也可以用计算机软件来实现。前者称硬件数控，后者称软件数控。数控机械的迅速发展应用是以软件数控技术的成熟为基础的。 数控装置是用来接受并处理由程序（编制）输入载体带来的信息，并经过运算处理转变成控制伺服机构运动和其它各种辅助机构动作的指令（位置、速度、通断等），并输出到相关伺服及功能执行机构的控制装置。程序编制 数控装置 伺服机构

6、机械本体 测量装置 专用功能部件 作业对象 功能控制 坐标控制 48、数控装置 数控装置的控制指令包括功能控制和坐标控制两类。 功能控制是把控制指令传给机器的有关操纵系统，使系统确立相应的工作状态，控制机器发出相应的动作，这种指令通常为二值量，如主轴的转停，电磁铁的通断等。坐标控制（位置控制）是把控制指令传给机器的伺服机构，控制运动部件按予定的速度、规迹或位移量运动 。程序编制 数控装置 伺服机构 机械本体 测量装置 专用功能部件 作业对象 功能控制 坐标控制 49、伺服机构 伺服机构是坐标运动的执行机构。包括伺服驱动元件和机器的运动部件，它把坐标控制指令准确地转换成相应的坐标运动。它是数控机

7、械有别于一般机械的特殊部分。伺服驱动元件主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、电液伺服马达和油（气）缸等数种。 程序编制 数控装置 伺服机构 机械本体 测量装置 专用功能部件 作业对象 功能控制 坐标控制 50、机械本体 包括机械传动部分、导向、定位、回转台部分及支承、操纵等机械装置。要求有更好的刚性和抗振性，运动面摩擦系数要小。 程序编制 数控装置 伺服机构 机械本体 测量装置 专用功能部件 作业对象 功能控制 坐标控制 51、检测装置 用于检测机械的运动方向、速度、位移、状态等参数，并将其显示出来或转变成电信号送给控制装置，它使机器数控装置能够校核机器的工作情况及实际位置是否与指令一

8、致，并由数控装置发出指令，纠正产生的误差。数控机械常采用测速电机，轴角编码器、光栅和感应同步器等检测转速、转角、位移参数。由前四部分构成的数控系统称开环系统，包括检测装置的系统称闭环系统。 程序编制 数控装置 伺服机构 机械本体 测量装置 专用功能部件 作业对象 功能控制 坐标控制 52、专用部件 不同的机器，有其专用部件用于特定的用途。如数控焊接设备的焊机，电火花加工机床的高频脉冲电源、电极，医疗诊断设备的透视射线收发部件等，激光加工设备激光发生器及激光枪，它们属于专门学科的研究领域，不在本课程讨论。 程序编制 数控装置 伺服机构 机械本体 测量装置 专用功能部件 作业对象 功能控制 坐标控

9、制 5354数控系统的类型 数字控制系统有多种类型，根据伺服系统可以分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。根据运动方式可以分为点位控制系统、点位/ 直线控制系统和连续控制系统。根据坐标值的表示方式不同，因而计算方法不同，可分为增量坐标控制系统和绝对坐标控制系统。55一、开环数控系统 开环数控系统的框图如图1-7。数控目标信息经程序编制， 利用各种输入方式输入数控装置，数控装置经运算处理后，将控制指令送往伺服机构，由伺服机构带动机械系统相应的工作执行件运动，实现相应的功能。至于执行件的实际运动是否达到数控装置的指令要求，不再进行检查。 开环系统结构简单，容易实现，但其精度低。开环系统的

10、运动精度取决于伺服机构精度，传动机构精度和执行件的精度。开环系统在低成本、低档次以步进电机为伺服元件的机械系统中应用普遍。 程序编制数控装置伺服机构机械运动执行部件56二、闭环数控系统 闭环数控系统的框图如图1-8。与开环系统相比，增加了对末端执行件运动的测量，并反馈给数控装置。数控装置根据指令值与实际值的偏差控制伺服机构的运动，使未端机械执行件的运动准确地达到预定值。 在闭环系统中，执行件的运动精度，取决于测量元件的测量精度。采用高精度的测量元件可以使闭环系统达到很高的工作精度。但闭环系统因增加了价格昂贵的检测装置，同时把系统各个环节都包括在控制环节之内，对伺服元件，机械传动部件，机械系统刚

11、性、摩擦、间隙要求较高，因此，闭环系统结构复杂、成本高，目前在高档、高精度数控系统中应用较多。程序编制数控装置伺服机构机械运动执行部件测量装置57三、半闭环数控系统 这种系统也对运动部件的位移进行测量，但它一般不直接测量末端执行件的位移，而是利用回转运动检测元件测量伺服机构到末端执行件的中间环节。如伺服电机输出轴、丝杠轴等，回转运动检测元件常用有旋转变压器、光电编码器等，其特点是价格较低，安装容易，机器人中多采用。 程序编制数控装置伺服机构机械运动执行部件测量装置58四、点位控制系统 这一类控制系统的特点是只要求获得正确的座标位置，而对于从一点移到另一点所经过的运动轨迹没有要求，其速度一般为快

12、速移动。但为了克服惯性，在到达座标点前有一至三次降速，保证执件最终能准确地到达定位点。点位系统可以是开环系统，也可以是闭环系统。应用点位系统的有钻、镗、冲等数控机床、打印机、点焊机器人、电子器件装配机械手等。图1-9力钻床运动规迹。 59五、点位/直线控制系统 直线系统除要求精确控制位移终点的座标外，还要保证被控制的二座标点间的运动速度一定，其运动规迹为沿坐标轴的直线，或与坐标轴成45的斜线。如车床、铣床、磨床等见图1-10，对其数控装置而言，没有坐标运动插补器，即各轴之间不进行联动。 60六、连续控制系统（轮廓控制系统） 这类控制系统能够对二个或二个以上座标方向的运动同时进行严格连续协调控制

13、。即其不仅控制每个座标的运动位移和运动速度，而且要控制各座标间运动和运动位移速度的协调，从而使工具能按规定的速度和轨迹运动。属于这类数控机械的如铣、磨、齿轮加工数控机床，绘图机、调刻机，轨迹控制机器人等。连续控制系统中包括插补器，可实现直线、园弧或螺旋线等曲线的插补运算，从而使两轴或多轴联动。 6162数控技术在机械制造中的应用和发展 数控技术是随机械制造加工设备的发展而出现的，因此，数控技术在机械制造行业的应用最为普遍和成熟。除了车、铣、镗、钻、磨等普通机床都已数控化外，在焊接、切割、冲压、装配等加工设备中，也大量地应用着数控技术。随着数控技术的发展，机械制造加工设备出现了新的类型，与传统机

14、床相比有明显的优点，概要介绍如下：63一、自动换刀数控机床又称加工中心，是从普通数控机床发展起来的能自动更换刀具，一次装卡后自动完成多道工序的数控机床。普通数控机床上，刀具数目是受到限制的，但在加工某些零件，如果体时，往往需要铣、钻、扩、镗、铰及攻丝等多种工序，这时只有用多刀加工才能完成。加工中心上有一个刀库。它可以容纳几十把、甚至更多的刀具。工作时，由机械手将刀从刀库取出，自动安装在机床主轴上加工。加工过程中还能根据指令自动换刀。64由于加工中心机床能自动更换刀具，在工件一次装片后，连续自动切削，所以具有下列优点：、减少了辅助时间，提高了生产率，加工中心切削净时间可达到7585，切削效率提高

15、四倍。、由于工序的集中和自动加工，减少了因为多次装卡的安装误差。也避免了人为的操作误差，提高了加工质量和精度。、减少了许多工艺装备的设计和制造，缩短了新产品的试制周期。因而加工中心更加适应产品频繁更换，零件形状比较复杂，精度要求更高，生产批量不大而生产周期又要求较短的工厂企业 65二、适应数控机床（AC）（Adaptive Control） 也称自适应数控机床。由于加工中心只能按控制指令进行工作，无论加工中具体切削条件发生什么变化，切削用量都不能改变。因此编程时，为了避免未予计到的情况，如材料硬点、加工余量有变化等，并为防止在这种情况下机床和刀具出现故障，在选择切削用量时，只能根据最劣的条件，

16、选择最保守的用量。总之，为了留有余地，不能选择最佳参数，从而降低了生产率。 在适应数控上，通过安装在机床上的各种不同的检测装置，可以将加工条件的变化量测出来。如在磨床上，可以直接测量切削区的温度，也可以间接测量主轴的扭矩，电机的输出功率或总电流等因素，从而推知切削区加工条件的变化。通常测量的方法和被测参数有多种，将测得的数据送入适应数控装置，与予先存入的有关数据进行比较，使切削用量始终保持在最佳状态。从而提高了加工生产率和加工质量。适应控制的原理如图1-11。 66三、通用计算机数控（CNCComputer Numerical Control） 随着数控机床的发展，要求数控系统的生产厂能够提供

17、性能好、通用性好、价格低廉的数控系统，来适应进一步提高生产效果的需要。六、七十年代微型计算机的问世，大大推动了数控技术的进步，之后生产的数控系统大多采用通用计算机系统，以代替专用硬线数控装置，控制程序存入计算机存贮器中，可根据用户要求修改完善，以适应各种特定要求。此外CNC系统有存贮另件程序的能力，这对于重复生产比较有利。CNC系统还具有修改加工零件几何形状，修正切削用量，校正机床误差， 监视加工状态，诊断故障等能力。 67四、直接数字控制（DNCDirect Numerical Control 又称计算机群控系统。它是把一组数控机床连接到一个总的计算机系统，如图1-12,存贮器存储另件程序和

18、机床工作程序，并按程序对机床分配数据指令。群控系统中各数控机床中的数控装置相对比较简单，一般只接收控制计算机送来的指令，经简单处理或直接送到各伺服机构中，其数控装置中一般不具有指补器。主机 NC 机 床 NC 机 床 NC 机 床 NC 机 床 群控系统的计算机要以分时方式同时控制一群机床，主计算机不仅控制机床加工，同时还与计划管理相结合，所以需要较大容量的计算机，软件复杂，成本较高。68五、分布式数控系统（DNCDistributive Numerical Control） 它使用计算机网络来协调各个CNC机床的工作， 最终将此系统的主计算机与整个工的计算机连接成网，以形成比较大的、完整的制

19、造系统。其中各级计算机分担不同工作，直接控制计算机可以由微机实现。如图1-13所示。 69六、计算机集成制造系统（CIMSComputer lntegrated Manufacturing System） CIMS简单来说就是将产品的调研、设计、制造、检测以至生产管理和市场营销等功能通过计算机网络组成一个大系统，以提高生产效率，减少重复工作，压缩库存量，减少零件运输，适应市场竞争的需要。CIMS系统为了提高效率，增强竞争力，要求对产品的调研、设计、制造、销售采用并行的方式进行，前后环节时间差很少，各环节要求的信息可通过计算机通讯网络由其它环节送来（检索数据库）。CIMS的主要制造部分由柔性制系统FMS或加工单元组成。 70、柔性制造系统（Flexible Manufacturing System） 它是由CNC机床，机器人和零件运输小车，自动测量系统，自动仓库等组成。它