数控原理与系统课件

数控原理与系统5.1数控系统的基本原理与结构一、数控系统的基本原理

数控技术(NumericalControl-NC)—是一种自动控制技术,是利用数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。计算机数控系统是数控机床的核心,它的功能是接受载体送来的加工信息,经计算和处理后去控制机床的具体动作。计算机数控技术的工作过程:(1)输入(2)译码(3)数据处理(4)插补(5)伺服控制(6)管理程序返回上页下页5.1数控系统的基本原理与结构二、数控系统的结构

数控系统一般包括输入/输出(I/O)装置、数控装置、驱动控制装置、机床电逻辑控制装置四部分。(图5-1计算机数控系统的组成)(一)数控系统硬件1.单CPU结构(图5-2)CNC装置特点

(1)对存储、插补计算等集中控制分时处理(2)CPU通总线与存储、输入输出控制等各种接口相连,构成CNC系统。(3)结构简单,容易实现。(4)进给速度容易受较大影响2.多CPU结构(图5-3)特点(1)运算速度快,性价比高(2)适应性强,扩展容易(3)可靠性高(4)硬件易于规模生产。返回上页下页计算机数控系统由软件和硬件共同完成,它具有数控系统一般组成形式的各个部分,可以通过键盘方式输入和编辑数控加工程序,通过通讯方式输入其它计算机CAD/CAM系统或上位机所提供的数控加工程序返回上页下页它采用集中控制,分时处理数控的每一个任务。返回上页下页在多CPU结构的CNC装置中有两个或两个以上CPU构成处理部件,处理部件之间采用紧耦合,有集中的操作系统,资源共享。返回上页下页5.1数控系统的基本原理与结构(二)数控系统软件1.多任务并行处理目前CNC系统的硬件中,广泛采用资源重复并行处理关系。(如图5-4)2.实时中断处理CNC装置的多任务和实时性的要求决定了中断处理为必不可少的组成部分。中断管理主要靠硬件完成,中断结构则决定了其软件的结构。返回上页下页5.2插补原理一、数控加工系统的输入与译码(一)数控加工程序的输入1.输入过程-通过相应的输入装置将信息输入数控系统中2.键盘输入方式3.计算机通信输入方式(二)数控加工程序的译码过程(如图5-6)1代码的识别—一般先把ISO代码或EIA代码组成的排列规律不明显的代码按基本功能转化成具有一定规律的数控内部代码。2功能码的处理—经过代码识别建立各种功能代码的标志,然后要分别对各功能代码进行处理。返回上页下页功能码的处理过程:首先建立一个与数控加工程序缓冲器相对应的结果缓冲器,对于具体的CNC系统,存储器的格式和规模是不变的。5.2插补原理返回上页下页5.2插补原理二、点位/直线切削控制原理直线控制系统的结构(图5-7)位置计算与比较的实现方法(1)减法计算在位置计数器中预置给定的位移量,坐标移动时进行减法计算。(2)比较计算将给定的位移量存入指令寄存器,坐标移动时位置计数器以零开始进行加法计算,两者相比较,在计数值与给定值相符时停止进给。位置计算与比较的软件控制流程如图5-8所示返回上页下页点位/直线切削控制系统有较完善的进给,主轴转速、刀具选择及辅助技能的寄存与控制。一般采用液脉冲马达或功率步进电机驱动完成。5-7点位/直线切削控制系统的结构框图返回上页下页第一次判别G90/G91,若为增量方式,则为G91方式的减法计数器预置数。第二次判断G90/G91标志是为区分绝对值方式和增量方式,每走一步运算一次,每次都要判别是否需要降速,以保证准确定位。5-8位置计算与比较的软件控制流程图返回上页下页5.2插补原理三、轮廓控制切削原理轮廓控制系统能对刀具与工件相对位移的轨迹进行连续控制,能加工出曲面、凸轮、锥度等复杂形状的零件。其核心装置就是插补器。插补器的功能是按给定的尺寸和加工速度用脉冲信号使机床进给走任意斜线和圆弧。(一)逐点比较法(如图5-9)1.逐点比较法直线插补原理(1)偏差判别(2)坐标进给(3)偏差计算(4)终点判别2.逐点比较法圆弧插补原理返回上页下页逐点比较法原理是计算机在控制加工过程中,能逐点的计算和判别加工偏差,以控制坐标进给,按规定图形加工出所需要的工件,用步进电机拖动机床,其进给十步进式,查补器控制机床各个坐标,每走一步要完成四个节拍。如图5-9图5-9逐点比较法的工作节拍返回上页下页(二)数字积分插补法数字积分法又称为数字微分分析器(DAA-DigitalDifferentialAnalyzer),它可实现一次、二次曲线的插补,易于实现多坐标联动,适用范围较广。1.数字积分法直线插补原理2.圆弧插补原理(三)数据采样插补数据采样插补用小段直线来逼近给定轨迹,插补输出的是下一个插补周期内各轴要运动的距离,不需要每走一步脉冲当量插补一次,从而达到很高的进给速度。数据采样插补的具体算法有多种,如时间分割法、拓展DDA法,双DDA法。5.2插补原理返回上页下页5.3刀具补偿原理数控的刀补功能,用来修正程序规定的值与刀具实际切削成形值之差。一、刀具长度补偿刀具长度补偿是用来实现刀尖圆弧中心轨迹与刀架中心轨迹之间的转换。二、刀具半径补偿1.刀具半径补偿的概念及过程在实际处理过程中,刀具半径补偿的执行过程分为刀补的建立、刀补的进行和撤销三个步骤。(1)刀补的建立-刀具接近工件,刀具中心轨迹的终点在法线方向上偏移一个刀具半径的距离。(2)刀具补偿进行-一旦建立刀补,则刀补状态一直维持到刀补撤销。(3)刀具补偿撤销-刀具运行到轮廓线的终点,用G40指令撤销刀补命令。返回上页下页5.4数控系统的接口一、接口解决的问题从功能角度去分,接口电路解决的问题有两类。1.单台机床内部各部件之间的信息交换问题2.机床与机床之间或机床与计算机之间的信息交换问题。二、接口分类规范“机床/数控接口”国际标准指出了数控装置,电气控制设备与机床之间的接口范围,他们共分为四类,如图5-17.A、B类接口交换的信息是数控装置与驱动电动机,位置、速度检测之间的控制信号。C类接口以电源变压器为中心,有各种电气设备将电能按要求转变成机床工作需要的动作。D类接口信息是数控装置与外部电器元件之间的输入输出信号,对现代数控机床而言,这类信号大多有可编程控制器来控制。返回上页下页5.4数控系统的接口三、接口的实现1.接口实现的任务CNC系统和机床之间的来往信号,要通过I/O接口电路连接起来,该接口电路的主要任务是:(1)进行电平转化和放大(2)为防止干扰信号引起误动作。2.接口实现的方法在数控装置的I/O接口中,应用较多的是直流数字信号。(1)数控系统的输入接口电路(图5-19)(2)数控系统的输出接口电路(图5-20)四、通信接口

返回上页下页A—与驱动有关的联动电路B—数控装置与测量系统及其传感器间的连接电路。C---电源及保护电路D—开关信号和代码信息连接电路图5-17机床/数控接口分类返回上页下页图5-19触点输入的接收电路输入接口是接收机床操作面板的各开关,按钮信号及机床的各种限位开关信号。触点输入信号是从机床送入数控系统的信号,要消除其抖动,可通过触发器对输入波形进行整形处理。返回上页下页图5-20继电输出电路输出接口是将各种机床工作状态的信息送到机床操作面板,把控制机床动作信号送到强电柜,因此有继电器输出电路和无触点输出电路。如图5-20所示,当数控装置有信号输出时,开关三极管导通,输出为低电平,此时在继电器线圈上形成压差,有电流产生,继电器动作,反之,继电器不动作。返回上页下页5.5辅助机能控制与PLC可控编程器是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置。它是专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统,它采用可编程的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、技术和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入输出,控制各种类型的机械设备和生产过程。一、可编程控制器的原理与工作过程(图5-21)中央处理器--可直接使用微处理器来实现,它通过输入模块采入现场信息,并按用户规定逻辑进行处理,然后将结果输出去控制外围设备。存储器--用于存放系统程序、用户程序和工作数据。输入/输出模块式---PLC运行过程中与现场之间的桥梁,它一方面将现场信号转换成标准的逻辑电平信号,另一方面将PLC内部逻辑信号电平转换成外部执行元件要求的信号。编程器用来开发、调试、运行应用程序的特殊工具。电源单元—将外部提供的交流电转变为可变控制器内部所需要的直流电源,有的还提供DC24V输出。返回上页下页图5-21小型PLC内部结构示意图它由中央处理器、存储器、输入/输出单元,编程器、电源和外围设备等组成,并且内部通过总线相连。PLC在上述硬件环境下,还必须要有相应的执行软件配合工作。PLC内部一般采用扫描工作方式工作,用户将软件用编程器写入PLC的用户程序存储器中,并将现场信号和被控制的执行元件相应的连接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上,通过PLC的控制开关时期处于运行工作状态,接着PLC就以顺序扫描的工作方式进行工作。返回上页下页5.5辅助机能控制与PLC二、可控制编程器的功能与特点可编程是PLC的基本特点,对于不同的控制对象,应用与传统的继电器控制相似的梯形图编程方式。三、数控机床中的可编程控制器PLC在CNC中有内装型和独立型之分。图5-22是内装型PLC的CNC框图。其特点是:PLCCNC统一设计,结构紧凑、性价比高;PLC与CNC共用CPU或有独立的CPU,功能有所区别;PLC与CNC通常装在一个机箱里。数控机床中独立型PLC本身是一个控制器,是一个完整的系统。其特点是使用灵活;要进行PLC与CNC装置I/O联结,控制功能更强大。返回上页下页图5-22内装型PLC的CNC框图返回上页下页5.5辅助机能控制与PLC四、M、S、T功能的实现1.M功能的实现M功能又称辅助功能,其代码用“M”后跟2位数表示。根据M代码的编程,可控制住周的正反转和主轴变速等。2.S功能实现S功能主要完成主轴转速的控制。S4位代码编程是指S代码后4位十进制来指定主轴转速。3.T功能的实现T功能即刀具功能,T代码后跟随2-5位数字表示刀具号和刀具补偿号。图5-23所示为采用固定存取换刀控制方式的T功能处理框图。返回上页下页图5-23T功能处理框图数控程序中T代码指令经译码处理后,将信息传送给PLC,在PLC中找到T代码指定刀号对应的刀具编号,然后与目前刀号相比,如相同,返回原处。如不同,首先将主轴上的现行刀具归还到自己的固定的刀座上,然后回转刀库,进行比较计算直至新的刀具位置与要换的刀号相同。返回上页下页机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。按被加工的工件处于的温度状态﹐分为冷加工和热加工。一般在常温下加工，并且不引起工件的化学或物相变化﹐称冷加工。一般在高于或低于常温状态的加工﹐会引起工件的化学或物相变化﹐称热加工。冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。热加工常见有热处理﹐煅造﹐铸造和焊接。机械加工另外装配时常常要用到冷热处理。例如：轴承在装配时往往将内圈放入液氮里冷却使其尺寸收缩，将外圈适当加热使其尺寸放大，然后再将其装配在一起。火车的车轮外圈也是用加热的方法将其套在基体上，冷却时即可保证其结合的牢固性（此种方法现在依旧应用于某些零部件的转配过程中）。机械加工包括：灯丝电源绕组、激光切割、重型加工、金属粘结、金属拉拔、等离子切割、精密焊接、辊轧成型、金属板材弯曲成型、模锻、水喷射切割、精密焊接等。机械加工：广意的机械加工就是指能用机械手段制造产品的过程；狭意的是用车床（LatheMachine）、铣床(MillingMachine)、钻床(DrilingMachine)、磨床(GrindingMachine)、冲压机、压铸机机等专用机械设备制作零件的过程。编辑本段微型机械加工技术的国外发展现状机械产品1959年，RichardPFeynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，其后开发出尺寸为50～500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～12μm的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。微型机械在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。美国MIT、Berkeley、Stanford\AT&T的15名科学家在上世纪八十年代末提出"小机器、大机遇：关于新兴领域--微动力学的报告"的国家建议书，声称"由于微动力学(微系统)在美国的紧迫性，应在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面"，建议中央财政预支费用为五年5000万美元，得到美国领导机构重视，连续大力投资，并把航空航天、信息和MEMS作为科技发展的三大重点。美国宇航局投资1亿美元着手研制"发现号微型卫星"，美国国家科学基金会把MEMS作为一个新崛起的研究领域制定了资助微型电子机械系统的研究的计划，从1998年开始，资助MIT，加州大学等8所大学和贝尔实验室从事这一领域的研究与开发，年资助额从100万、200万加到1993年的500万美元。1994年发布的《美国国防部技术计划》报告，把MEMS列为关键技术项目。美国国防部高级研究计划局积极领导和支持MEMS的研究和军事应用，现已建成一条MEMS标准工艺线以促进新型元件/装置的研究与开发。美国工业主要致力于传感器、位移传感器、应变仪和加速度表等传感器有关领域的研究。很多机构参加了微型机械系统的研究，如康奈尔大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、密执安大学、威斯康星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。加州大学伯克利传感器和执行器中心(BSAC)得到国防部和十几家公司资助1500万元后，建立了1115m2研究开发MEMS的超净实验室。日本通产省1991年开始启动一项为期10年、耗资250亿日元的微型大型研究计划，研制两台样机，一台用于医疗、进入人体进行诊断和微型手术，另一台用于工业，对飞机发动机和原子能设备的微小裂纹实施维修。该计划有筑波大学、东京工业大学、东北大学、早稻田大学和富士通研究所等几十家单位参加。欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资，德国自1988年开始微加工十年计划项目，其科技部于1990～1993年拨款4万马克支持"微系统计划"研究，并把微系统列为本世纪初科技发展的重点，德国首创的LIGA工艺，为MEMS的发展提供了新的技术手段，并已成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年启动的7000万法郎的"微系统与技术"项目。欧共体组成"多功能微系统研究网络NEXUS"，联合协调46个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作，1992年投资为1000万美元。英国政府也制订了纳米科学计划。在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。目前已有大量的微型机械或微型系统被研究出来，例如：尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红血球，尺寸为7mm×7mm×2mm的微型泵流量可达250μl/min能开动汽车，在磁场中飞行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、微型陀螺和信号处理系统为一体的微型惯性组合(MIMU)。德国创造了LIGA工艺，制成了悬臂梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴、湿度、流量传感器以及多种光学器件。美国加州理工学院在飞机翼面粘上相当数量的1mm的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机的空气动力学特性。美国大批量生产的硅加速度计把微型传感器(机械部分)和集成电路(电信号源、放大器、信号处理和正检正电路等)一起集成在硅片上3mm×3mm的范围内。日本研制的数厘米见方的微型车床可加工精度达1.5μm的微细轴。工艺基础的基本概念编辑本段生产过程和工艺过程生产过程是指从原材料（或半成品）制成产品的全部过程。对机器生产而言包括原材料的运输和保存，生产的准备，毛坯的制造，零件的加工和热处理，产品的装配、及调试，油漆和包装等内容。生产过程的内容十分广泛，现代企业用系统工程学的原理和方法组织生产和指导生产，将生产过程看成是一个具有输入和输出的生产系统。能使企业的管理科学化，使企业更具应变力和竞争力。在生产过程中，直接改变原材料（或毛坯）形状、尺寸和性能，使之变为成品的过程，称为工艺过程。它是生产过程的主要部分。例如毛坯的铸造、锻造和焊接；改变材料性能的热处理[1]；零件的机械加工等，都属于工艺过程。工艺过程又是由一个或若干个顺序排列的工序组成的。工序是工艺过程的基本组成单位。所谓工序是指在一个工作地点，对一个或一组工件所连续完成的那部分工艺过程。构成一个工序的主要特点是不改变加工对象、设备和操作者，而且工序的内容是连续完成的。例如图32-1中[cc1]的零件，其工艺过程可以分为以下两个工序：工序1：在车床上车外圆、车端面、镗孔和内孔倒角；工序2：在钻床上钻6个小孔。在同一道工序中，工件可能要经过几次安装。工件在一次装夹中所完成的那部分工序，称为安装。在工序1中，有两次安装。第一次安装：用三爪卡盘夹住外圆，车端面C，镗内孔，内孔倒角，车外圆。第二次安装：调头用三爪盘夹住外圆，车端面A和B，内孔倒角。编辑本段生产类型生产类型通常分为三类。1．单件生产单个地生产某个零件，很少重复地生产。2．成批生产成批地制造相同的零件的生产。3．大量生产当产品的制造数量很大，大多数工作地点经常是重复进行一种零件的某一工序的生产。拟定零件的工艺过程时，由于零件的生产类型不同，所采用的加方法、机床设备、工夹量具、毛坯及对工人的技术要求等，都有很大的不同。编辑本段加工余量为了加工出合格的零件，必须从毛坯上切去的那层金属的厚度，称为加工余量。加工余量又可分为工序余量和总余量。某工序中需要切除的那层金属厚度，称为该工序的加工余量。从毛坯到成品总共需要切除的余量，称为总余量，等于相应表面各工序余量之和。在工件上留加工余量的目的是为了切除上一道工序所留下来的加工误差和表面缺陷，如铸件表面冷硬层、气孔、夹砂层，锻件表面的氧化皮、脱碳层、表面裂纹，切削加工后的内应力层和表面粗糙度等。从而提高工件的精度和表面粗糙度。加工余量的大小对加工质量和生产效率均有较大影响。加工余量过大，不仅增加了机械加工的劳动量，降低了生产率，而且增加了材料、工具和电力消耗，提高了加工成本。若加工余量过小，则既不能消除上道工序的各种缺陷和误差，又不能补偿本工序加工时的装夹误差，造成废品。其选取原则是在保证质量的前提下，使余量尽可能小。一般说来，越是精加工，工序余量越小。编辑本段基准机械零件是由若干个表面组成的，研究零件表面的相对关系，必须确定一个基准，基准是零件上用来确定其它点、线、面的位置所依据的点、线、面。根据基准的不同功能，基准可分为设计基准和工艺基准两类。1．设计基准在零件图上用以确定其它点、线、面位置的基准，称为设计基准。如图32-2所[cc2]示的轴套零件，各外圆和内孔的设计基准是零件的轴心线，端面A是端面B、C的设计基准，内孔的轴线是外圆径向跳动的基准。2．工艺基准零件在加工和装配过程中所使用的基准，称为工艺基准。工艺基准按用途不同又分为装配基准、测量基准及定位基准。（1）装配基准装配时用以确定零件在部件或产品中的位置的基准，称为装配基准。（2）测量基准用以检验已加工表面的尺寸及位置的基准，称为测量基准。如图32-2中的零件，内孔轴线是检验外圆径向跳动的测量基准；表面A是检验长度L尺寸l和的测量基准。（3）定位基准加工时工件定位所用的基准，称为定位基准。作为定位基准的表面（或线、点），在第一道工序中只能选择未加工的毛坯表面，这种定位表面称粗基准.在以后的各个工序中就可采用已加工表面作为定位基准，这种定位表面称精基准。编辑本段拟定工艺路线的一般原则机械加工工艺规程的制定，大体可分为两个步骤。首先是拟定零件加工的工艺路线，然后再确定每一道工序的工序尺寸、所用设备和工艺装备以及切削规范、工时定额等。这两个步骤是互相联系的，应进行综合分析。工艺路线的拟定是制定工艺过程的总体布局，主要任务是选择各个表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序，以及整个工艺过程中工序数目的多少等。拟定工艺路线的一般原则1、先加工基准面零件在加工过程中，作为定位基准的表面应首先加工出来，以便尽快为后续工序的加工提供精基准。称为“基准先行”。2、划分加工阶段加工质量要求高的表面，都划分加工阶段，一