数控技术的基本概念

第一章概论1.1数控技术的基本概念1.1.1什么是机床的数字控制数字控制(NumericalControl,NC)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。数控技术(NumericalControlTechnology)采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。也就是利用数字化信号进行控制的技术。数控机床(NumericalControlMachineTools)是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。是数控技术典型应用的例子。数控系统(NumericalControlSystem)实现数字控制的装置。计算机数控系统(ComputerNumericalControlCNC)以计算机为核心的数控系统。1.1.2机床数字控制的原理数控机床在加工零件时，首先是根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据；其次是编制零件的数控加工程序，然后将数控程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停、进给运动方向、速度和位移的大小，以及其他诸如刀具选择交换工件夹紧松开、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。在数控机床上有下面二种控制方法。点位控制(PointtoPointControl):控制点到点的距离。只是要求严格控制点到点之间的距离，而与所走的路径无关。轮廓加工控制(ContouringControl):控制轮廓加工，实时控制位移和速度。它的特点是能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行连续地相关控制，使合成的平面或空间运动轨迹能满足轮廓曲线和曲面加工的要求。控制过程中不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间比率都要行严格控制，以便加工出给定的轨迹。机床的数字控制是由数控系统完成的。该系统包括数控装置、伺服驱动装置、可编程控制器和检测装置等。数控装置能接收零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，以两种控制方式，即关断控制和调节控制来驱动机床各坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩。机床的数字控制包括：轨迹控制和开关量控制。轨迹控制：直线、圆弧及其它各种平面,空间轨迹。由插补指令实现。插补指令越丰富，数控功能越强。开关量控制：为配合数控加工，所需要的开关动作控制，如程序停冷却液开停、轴正反转等等。由辅助功能指令实现。一般由可编程控制器（PLC）来完成，开关量仅有“0”和“1”两种状态。1.1.2数控机床的组成及特点数控机床的组成控制介质又称信恭载体，是人与数控机床之间联系的中间媒介物质，它反映了数控加工中的全部信息。如纸带、磁带、软盈或硬盈等。是将程序载体内有关加工程序信息输入到数控装置内。如光电阅读机、录音机、软驱、键盘、其他计算机等。数控装置是机床实现自动加工的核心，是数控设备的控制核心，是整个数控机床的灵魂所在。主要由监视器、中央处理器（CPU）、存储器、控制器、可编程控制器（PLC）、各类输入/输出接口和设备等组成。伺服系统是数控装置和机床本体之间的电传动联系环节。它接受数控装置送来的各种动作命令，驱动数控机床进给传动系统运动。该系统的作用是通过传感器将伺服电动机的角位移或数控机床执行机构的直线位移转换成电信号，输送给数控装置，与指令位置进行比较，并由数控装置发出指令，纠正所产生的误差。解决数控装置和机床之间的接口问题。是把强电线路提供的信号转换成PLC可接收的弱电信号，从而完成如主轴的启停，刀具的更换，工件的夹紧松开等工作。数控机床的本体是指其机械结构的实体。它与普通机床相比较，同样是由主传动系统、进给传动系统、工作台、床身以及各种辅助装置。不同的是它的主运动和进给运动都是由单独的伺服电机驱动。数控机床的优势：1）.广泛的适应性和较大的灵活性；.加工零件一致性好、重复精度高；.高自动化高效率；.只要改变程序就可改变加工件，不需要大量复杂工装夹具；.可以采用复合工艺；.工艺设计会经常变化的零件。数控机床的缺点：.初次设备投资大；.对使用者技术要求高。数控机床的适用范围：1).小批量而又轮番生产的零件；2).几何形状复杂的零件；.需进行多种工序加工的零件；.切削余量大的零件；.加工精度高的零件；.工艺设计会经常变化的零件；7).贵重零件；8).需全部检测的零件。1.2数控机床的分类按运动控制的特点分类：点位控制数控机床；直线控制数控机床；轮廓控制的数控机床。按伺服系统的类型分类：开环控制的数控机床:闭环控制的数控机床:半闭环控制的数控机床按工艺方法分类：金属切削类数控机床；金属成型及特种加工类数控机床。按功能水平分类：高档；中档；低档。1.2.1按运动控制的特点分类点位控制数控机床点位控制只是要求控制机床的移动部件从一点移动到另一点的准确定位，而对于点与点之间的运动轨迹的要求并不严格，在移动过程中不进行加工，各坐标轴之间的运动是不相关的。这类机床主要有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。直线控制数控机床直线控制数控机床也叫平行控制数控机床，它的特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制这两点之间的移动速度和路线，但是它的运动路线只是与机床坐标轴平行或成45°的斜线移动，也就是说同时控制的坐标轴只有一个，在移动的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。这类机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床和数控磨床等。轮廓控制的数控机床轮廓控制数控机床也叫连续控制数控机床，它的特点是能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行连续地相关控制，使合成的平面或空间运动轨迹能满足轮廓曲线和曲面加工的要求。这类机床主要有数控车床、数控铣床、加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制系统。根据它所控制的联动坐标轴数不同，又可以分为下面几种形式。二轴联动；二轴半联动；三轴联动；四轴联动；五轴联动。1.2.2按伺服系统的类型分类开环控制的数控机床开环控制系统数控机床通常不带检测反馈装置，一般它的驱动电动机为步进电动机。步进电动机的主要特征就是控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角，再由传动机构带动工作台移动，并且电动机本身就有自锁能力。数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驱动电路，它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向。这种控制方式的最大特点就是控制方便、结构简单、价格便宜。数控系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但由于机械传动的误差不经过反馈校正，位移精度不高。在我国，一般经济型数控系统和旧设备的数控改造多采用这种控制方式。另外，这种控制方式还可以配置单片机或单板机作为数控装置。闭环控制的数控机床闭环控制数控机床的进给伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驱动电动机可采用直流或交流两种伺服电动机，并需要配置位置反馈和速度反馈，在加工中随时检测移动部件的实际位移量，并及时反馈给数控系统中的比较器进行比较，其差值又作为伺服驱动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差。按位置反馈检测元件的安装部位和所作用的反馈装置的不同，它又分为全闭环和半闭环两种控制方式。全闭环控制其位置反馈装置采用直线位移检测元件（目前一般采用光栅尺），安装在机床的床鞍部位，即直接检测机床坐标的直线位移量。该类机床数控装置中插补器发出的位置指令信号与工作台上检测到的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值为零停止运动。这种具有反馈控制的系统，在电气上称为闭环控制系统。通过反馈可以消除从电动机到机床床鞍的整个机械传动链中的传动误差，得到很高的机床静态定位精度。由于在整个控制环内包含了很多机械传动环节，而许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性，并且整个机械传动链的动态响应时间与电气响应时间相比又非常大，直接影响系统的调节参数。这为整个闭环系统的稳定性校正带来很大困难，系统的设计和调整也都相当复杂。这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标镗床、数控精密磨床和大型数控机床等。半闭环控制的数控机床其位置反馈采用转角检测元件（目前主要采用编码器等），直接安装在伺服电动机或丝杠端部，间接测量执行部件的实际位置或位移量。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。丝杠等机械传动误差不能通过反馈来随时校正，但是可采用软件定值补偿方法来适当提高其精度。目前，大部分数控机床采用半闭环控制方式。 （第一讲）1.2.3按工艺方法分类 （第二讲）金属切削类数控机床卧式数控车床；立式数控车床；卧式数控车床；立式数控车床；立式数控铣床；卧式数控铣床；龙门式数控铣床；龙门式数控铣床；数控钻床；三维数控钻床；高速加工中心；立式加工中心；卧式加工中心；龙门加工中心。金属成型类及特种加工类数控机床数控线切割机床；数控电火花成型机床；电子自准直仪；数控三坐标测量仪；数控激光切割设备；数控剪板机；数控折弯机。1.2.4按功能水平分类在我国，一般把数控系统分为低、中、高三档。低档数控机床；中档数控机床；高档数控机床。中、高档数控机床一般又称为全功能数控或标准型数控机床。这类数控机床大多采用由单片机和步进电机组成的开环控制系统，或其他功能简单、价格便宜的数控系统。主要用于车床、线切割机床及旧机床改造等。经济型数控机床就属此类。这类数控机床功能较全、价格适中，应用较广。这类数控机床功能齐全、价格较贵，主要用于大中型机床及柔性制造系统、计算机集成制造系统中。经济型数控机床；全功能型数控机床；五轴车铣中心。1.3数控技术的产生发展及技术水平1.3.1数控技术的产生与发展早在1930年，美国就有人申请了机床数控专利，1946年世界上第一台计算机的问世，为数控机床的研制提供了技术基础。促进数控技术发展的动力是二次世界大战后的军备竞赛。1948年美国的一家公司承担了设计研究和加工直升机螺旋桨叶片轮廓用检验样板的加工机床的任务，由此提出了研制数控机床的最初萌芽。在麻省理工学院的协助下，1949年开始工作，经过3年的研究，于1952年试制成功世界上第一台数控铣床。1953年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是研制APT(AutomaticallyProgrammingTool)自动编程系统的开始。1955年，美国空军花费巨资订购了大约100台数控机床，标志着数控机床进入了实用阶段。1958年，美国在世界上又率先研制成功带有自动换刀装置的加工中心(Machiningcenter,MC)。从此，数控技术随着计算机技术和微电子技术的发展迅速发展起来。上述发展历程，经历了这么几个阶段。1952年，第一代电子管数控系统；1959年，第二代晶体管和印刷电路板元件的数控系统；1965年，第三代集成电路数控系统；以上三代，都属于硬逻辑数控系统（NC）。1970年，第四代小型计算机（CNC）以及由计算机直接进行多机床控制（DNC）的数控系统；1974年，第五代微处理器和半导体存储器的数控系统；1990年，第六代基于工业PC机的通用型数控系统。电子管；晶体管；集成电路；印刷电路；CNC系统；DNC系统。上面说的是国际上总的发展历程。我国数控技术的开发研究起步较晚，其发展过程可以划分为4个阶段。1958~1965年，开始从采用电子管着手研制数控铣床，处于试制和试用阶段；1965~1972年，研制晶体管数控系统阶段，开始从实验阶段进入生产使用阶段；1972~1979年，研制成功了集成电路数控系统，是数控技术的生产和应用阶段；1980~数控技术进入了稳步发展的阶段，一大批具有自主知识产权的数控系统得以研制成功。1.3.2数控技术的发展趋势1.数控装置向高速度、高精度方向发展；向基于个人计算机（PC）的开放式数控系统发展；配置多种遥控接口和智能接口；具有很好的操作性能；数控系统的可靠性大大提高。速度和精度是数控机床的两个重要指标，直接关系到加工效率和产品的质量，特别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，提出了更高的要求。现在的主轴转速已达15000〜100,000r/min,进给速度和快速进给速度已达100〜240m/min；分辨率为0.01“m。PC机具有良好的人机界面，软件资源特别丰富，CPU主频高，内存大，通讯功能、网络功能强，可靠性高，成本低等特点。系统除配置RS232C串行接口、RS422等接口外，还有DNC接口，工业局域网络（LAN）通讯，制造自动化协议（MAP）等接口，以实现不同厂家和不同类型机床联网的需要。普遍采用薄膜软按钮的操作面板，减少指示灯和按钮的数量，使操作一目了然。大量采用菜单选择操作方式，彩色图像显示功能可以显示三维动态图形。大量采用高集成度的芯片，减少了元器件的数量，提高了硬件的质量，降低了功耗，提高了可靠性。使得数控系统的平均无故障时间达到了10,000〜36,000h以上。伺服系统前馈控制技术；机械静止摩擦的非线性控制技术；伺服系统的位置环和速度环（包括电流环）均采用软件控制；采用高分辨率的位置检测装置；补偿技术得到了发展和应用。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这样伺服系统的跟踪滞后误差大大减小。而过去的伺服系统，是把检测信号与位置指令的差值乘以位置环增益作为速度指令，因而总是存在着跟踪滞后误差，这使得在加工拐角及圆弧时加工精度恶化。对于一些具有较大静止摩擦的数控机床，新型数字伺服系统具有补偿机床驱动系统静摩擦的非线性控制功能。如数字调解和矢量控制等。为适应不同类型的机床，不同精度和不同速度要求，预先调整加、减速性能。如高分辨率的脉冲编码器，内有微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高，增量位置检测为10,000p/r（脉冲数/转）以上；绝对位置检测为1，000，000p/r以上。现代数控系统可以对伺服系统进行多种补偿，如丝杠螺距误差补偿、齿侧间隙补偿、轴向运动误差补偿、空间误差补偿和热变形补偿等。机械结构技术为缩小体积，减少占地面积，更多地采用机电一体化结构。为提高自动化程度，而采用自动交换刀具和工件，主轴和工作台的立、卧自动转换等。为提高数控机床的动态特性，伺服系统和机床主机进行很好的机电匹配。数控编程技术脱机编程发展到在线编程具有机械加工技术中的特殊工艺和组合工艺方法的程序编制功能编程系统由只能处理几何信息发展到几何信息和工艺信息同时处理的新阶段。向智能化方向发展应用自适应控制(AdaptiveControl)引入专家系统指导加工引入故障诊断专家系统智能化伺服驱动装置传统的编程是脱机的。由在机外编程，然后再输入给数控装置。现代的数控装置都有前台操作、后台编程的功能，可以在人工操作键盘和彩色显示器的作用下，在线的以人机对话方式进行编程。除了具有圆切削、固定循环和图形循环外，还有宏程序设计、子程序设计功能，会话式自动编程、蓝图编程和实物编程功能。由于有了小型工艺数据库，使得在线程序编制过程中可以自动选择最佳切削用量和适合的刀具。数控系统检测加工过程中的一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律与特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，并且带有自学功能。可以通过自动识别负载而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行状态。同样是把设备维修专家的经验与客观规律存入到系统中，建立专家数据库。1.3.3数控系统的技术性能指标CPU:16、32、64、RISC、主频越来越高；分辨率:0.01mm、0.001mm、0.1》m、0.01》m；控制功能:FANUC-15可控15轴,SIEMENS840D可控31轴,多种插补功能及其它功能；伺服驱动系统的性能：电流环、速度环、位置环交流数字伺服，交

流变频、矢量控制、非线性、前馈控制，摩擦补偿、伺服参数自动调整。数控系统内PLC功能：具有逻辑控制和轴控制功能，基本指令执行快，可用梯形图、C语言编程。系统的通讯接口功能：RS232C、DNC、RS485、局域网等。系统的开放性：可扩展、添加、重组、选择。可靠性与故障自诊断。中国数控机床发展水平及数字统计2002年中国金属加工机床进口、出口贸易统计进口出口数量（千台）金额（百万$）与上年比较（%）数量（千台）金额（白力$）与上年比较（％）数量金额数量金额金属切削机床合计75.962074.724.2926.605506.58263.922.2213.85其中数控机床18.281453.738.3731.633.1034.