数控技术应用教程

数控技术应用教程

《数控机床基本知识》大竹县职业中学王宇第1章数控机床基本知识1.1数控机床的产生与发展1.2数控机床的组成结构及工作原理1.3数控机床的分类

1.1数控机床的产生与发展随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是在宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高，形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，企业生产也迫切需要进一步提高其生产效率，提高产品质量及降低生产成本。一种新型的生产设备——数控机床就应运而生了。1.1.1数控机床的产生帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology）合作，于1952年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。1959年，美国克耐·杜列克公司（Keaney&Trecker）首次成功开发了加工中心（MachiningCenter）。1.1.2数控机床的发展简况第1代数控机床：1952年～1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（MNC）。1．计算机直接数控系统所谓计算机直接数控（DirectNumericalControl，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。2．柔性制造系统柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。3．计算机集成制造系统计算机集成制造系统（Computer-IntegratedManufacturingSystem，CIMS），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。1.1.3我我国国数控控机床床发展展概况况1958年年开始始并试试制成成功第第一台台电子子管数数控机机床。。1965年开开始研研制晶晶体管管数控控系统统，直直到20世世纪60年年代末末至70年年代初初成功功。从从20世纪纪80年代代开始始，先先后从从日本本、美美国、、德国国等国国家引引进先先进的的数控控技术术。如如北京京机床床研究究所从从日本本FANUC公公司引引进FANUC3、、FANUC5、FANUC6、、FANUC7系列列产品品的制制造技技术；；上海海机床床研究究所引引进美美国GE公公司的的MTC-1数数控系系统等等。1.1.4数数控机床床的发展趋势势从数控机床技技术水平看，，高精度、高高速度、高柔柔性、多功能能和高自动化化是数控机床床的重要发展展趋势。数控系统都采采用了16位位和32位微微处理器，标标准总线及软软件模块和硬硬件模块结构构，内存容量量扩大到1MB以上，机机床分辨率可可达0.1m，高速进给给可达100m/min，控制轴数数可达16个个。1.2数数控机床的组组成结构及工工作原理1.2.1数数控机床床的组成1．控制介质质数控机床工作作时，不需要要操作工人直直接操纵机床床，但机床又又必须执行人人的意图，这这就需要在人人与机床之间间建立某种联联系，这种联联系的中间媒媒介物即称为为控制介质。。2．数控系统统数控装置是一一种控制系统统，是数控机机床的中心环环节。它能自自动阅读输入入载体上事先先给定的数字字，并将其译译码，从而使使机床进给并并加工零件，，数控系统通通常由输入装装置、控制器器、运算器和和输出装置4大部分组成成。3．伺服系统统伺服系统由伺伺服驱动电动动机和伺服驱驱动装置组成成，它是数控控系统的执行行部分。伺服服系统接受数数控系统的指指令信息，并并按照指令信信息的要求带带动机床的移移动部件运动动或使执行部部分动作，以以加工出符合合要求的工件件。每一个脉脉冲使机床移移动部件产生生的位移量叫叫做脉冲当量量。目前所使使用的数控系系统脉冲当量量通常为0.001mm/脉冲。4．辅助控制制系统辅助控制系统统是介于数控控装置和机床床机械、液压压部件之间的的强电控制装装置。5．机床本体体机床本体是数数控机床的主主体，由机床床的基础大件件（如床身、、底座）和各各运动部件（（如工作台、、床鞍、主轴轴等）所组成成。1.2.2数数控机床床的关键结构构部件1．伺服系统统驱动电机（1）步进电电动机步进电动机通通常用于开环环伺服系统机机床。（2）直流伺伺服电动机①小惯量直直流电动机②宽调速直直流电动机③无刷直流流电动机（3）交流伺伺服电动机近年来新型功功率开关器件件、专用集成成电路和新的的控制算法等等的发展带动动了交流驱动动电源的发展展，使其调速速性能更能适适应数控机床床伺服系统的的要求。交流流速度控制系系统正逐步取取代直流速度度控制系统。。2．位置检测测装置检测装置是把把位移和速度度测量信号作作为反馈信号号，并将反馈馈信号转换成成数字送回计计算机，和脉脉冲指令信号号相比较，以以控制驱动元元件正确运转转。（1）感应同同步器感应同步器是是一种电磁式式的高精度位位移检测元件件，按其结构构方式的不同同可分为直线线式和旋转式式两种，前者者用于长度测测量，后者用用于角度测量量。感应同步器的的特点是：精精度高，工作作可靠，抗干干扰性强，维维护简单，寿寿命长，可测测量长距离位位置，成本低低，易于批量量生产。（2）光栅光栅就是在一一块长条形的的光学玻璃上上均匀地刻划划很多条与运运动方向垂直直的条纹，条条纹之间的距距离成为栅距距。光栅测量装置置是一种非接接触式测量，，利用光路减减少了机械误误差，具有精精度高，响应应速度快等特特点，因此是是数控机床和和数显系统常常用的检测元元件。（3）磁栅磁栅是用电磁磁的方法计算算磁波数目的的一种位置检检测元件，磁磁栅测量装置置由磁性标尺尺、读取磁头头和检测电路路组成。磁栅位置检测测电路的特点点是：容易制制造，检测精精度高（能达达到每米±3m），安装使使用方便，对对环境条件要要求较低，若若磁性标尺膨膨胀系数与机机床一致，可可在一般车间间使用。由于于磁头与磁栅栅为有接触的的相对运动，，因而有磨损损，使用寿命命受到一定的的限制。一般般使用寿命可可达到5年，，涂上保护膜膜后寿命则可可进一步延长长。（4）旋转变变压器旋转变压器是是一种角位移移检测元件，，由定子和转转子组成，分分为有刷和无无刷两种形式式。有刷旋转转变压器定子子和转子均为为两相交流分分布绕组。数控机床检测测装置主要使使用无刷旋转转变压器，因因为无刷旋转转变压器具有有可靠性高、、寿命长、体体积小、不用用维修以及输输出信号大、、抗干扰能力力强等优点。。（5）脉冲编编码器脉冲编码器是是把机械转角角转化为电脉脉冲的一种常常用角位移传传感器。（6）测速发发电机测速发电机是是速度反馈元元件，相当于于一台永磁式式直流电动机机。3．进给运动动传动部件滚珠丝杠螺母母副是回转运运动与直线运运动相互转换换的新型理想想传动装置。。具有如下优点点。（1）传动效效率高。（2）摩擦力力小。（3）使用寿寿命长。（4）经预紧紧后可以消除除轴向间隙，，提高系统的的刚度。（5）反向运运动时无空行行程，可以提提高轴向运动动精度。4．CRT显显示及其接口口5．数控机床床通信RS-232接口口1.2.3数数控机床床的工作原理理数控系统的主主要任务之一一就是控制执执行机构按预预定的轨迹运运动。一般情情况是已知运运动轨迹的起起点坐标、终终点坐标和曲曲线方程，由由数控系统实实时地算出各各个中间点的的坐标。即需需要“插入、、补上”运动动轨迹各个中中间点的坐标标，通常这个个过程就称为为“插补”。。1．逐点比较较法直线插补补（1）直线插插补计算原理理①偏差计算算公式定义直线插补补的偏差判别别式如下：Fm=ymxexmye②终点判断断的方法一种方法是设设置Σx、Σy两个减法计数数器。另一种方法是是设置一个终终点计数器。。第三种方法是是选终点坐标标值较大的坐坐标作为计数数坐标。③插补计算算过程偏差判断坐标进给偏差计算终点判别2．逐点比较较法圆弧插补补（1）圆弧插插补计算原理理①偏差计算算公式定义圆弧偏差差判别式如下下：Fm=Rm2R2=xm2+ym2R2新加工点m+1点的偏差差为Fm2xm+1新加工点的偏偏差值为Fm+2ym+1②终点判别别方法③插补计算算过程1.3数数控机床的分分类1.3.1按按控制系系统的特点分分类1．点位控制制数控机床这类机床主要要有数控坐标标镗床、数控控钻床、数控控点焊机和数数控折弯机等等，其相应的的数控装置称称为点位控制制数控装置。。2．直线控制制数控机床这类机床主要要有数控车床床、数控磨床床和数控镗铣铣床等，相应应的数控装置置称为直线控控制装置。3．轮廓控制制数控机床属于这类机床床的有数控车车床、数控铣铣床、加工中中心等。其相相应的数控装装置称为轮廓廓控制装置。。轮廓数控装装置比点位、、直线控制装装置结构复杂杂得多，功能能齐全得多。。1.3.2按按进给伺伺服系统的类类型分类1．开环进给给伺服系统数数控机床开环进给伺服服系统通常不不带有位置检检测元件，伺伺服驱动元件件一般为步进进电动机。2．闭环进给给伺服系统数数控机床闭环进给控制制系统带有位位置检测元件件，随时可以以检测出工作作台的实际位位移，并反馈馈给数控装置置，并与设定定的指令值进进行比较，利利用其差值控控制伺服电动动机，直至差差值为零为止止。3．半闭环进进给伺服系统统数控机床半闭环进给伺伺服系统是将将位置检测元元件安装在伺伺服电动机的的轴上或滚珠珠丝杠的端部部，不直接反反馈机床的位位移量，而是是检测伺服机