《数控原理与系统》课件

数控原理与系统课程简介本课程旨在深入探讨数控技术的基本原理和典型系统组成,涵盖了数控机床的结构、伺服系统、数控电路和程序编制等关键内容,为学生奠定扎实的数控知识基础。数控技术的定义和发展历程1早期尝试20世纪40年代,数控技术开始兴起,首次应用于工厂机床2技术进步50年代后,数控系统逐渐实现程序化控制,性能不断提升3广泛应用60年代起,数控技术广泛应用于各类机床,革新了制造业4持续创新计算机和电子技术的发展进一步推动数控技术不断创新数控技术是20世纪重要的制造业技术革命,经历了从最初的单一机床控制到集中数控、分散数控再到计算机数控的发展历程。其发展不仅大幅提高了加工精度和生产效率,也为工业自动化和智能制造奠定了基础。数控系统的基本组成控制单元数控系统的核心是控制单元,通常由计算机、DSP等构成,负责接收和解析各类指令,并发出相应的控制信号。驱动单元驱动单元将控制单元的指令转换为电机驱动信号,通过伺服电机等执行机构带动机床运动.反馈单元反馈单元采集电机、编码器等设备的实际运行数据,反馈给控制单元以实现闭环控制.辅助单元包括程序输入设备、显示装置、报警装置等,提供数据输入和状态监控等功能.机床坐标系统和指令坐标系统机床坐标系统机床坐标系统是控制机床运动的基准,定义了机床刀具和工件的空间位置关系。它由直角三维坐标系统构成,包括X、Y、Z三个直角坐标轴。指令坐标系统指令坐标系统是数控系统内部使用的坐标系统,定义了编程指令所表示的工件位置。它可以是直角坐标系统,也可以是极坐标系统。坐标系转换数控系统需要将指令坐标系转换为机床坐标系,以实现对机床的精确控制。这需要复杂的几何变换计算。数控指令的分类和格式1指令分类数控指令按功能可分为准备指令(G代码)和辅助指令(M代码)。G代码用于控制机床运动,M代码用于辅助功能的控制。2指令格式每条指令由指令代码(G或M)、数值(参数)和指令结束符(如;)组成。参数包括坐标值、进给速度、主轴转速等。3指令编程数控程序是由一系列数控指令有序组成的。合理安排指令顺序,可以实现复杂的加工工艺。4指令特性数控指令具有模态性和累计性特点,能够在不同程序块间传递状态。G代码和M代码的使用方法1G代码G代码是用于控制机床运动轨迹和功能的数字指令。包括定位、进给、进给速度等基本动作指令。2M代码M代码用于控制机床的附加功能,如主轴启停、冷却液开关、工件夹紧等。是对机床进行辅助控制的指令。3代码使用方法在编写数控程序时,需要根据加工工艺的需求,合理地选用G代码和M代码,并按照正确的格式进行组合。插补运算及其算法坐标转换插补运算涉及从工件坐标系转换到机床坐标系的复杂计算。精确度控制插补算法必须确保机床沿直线或圆弧轨迹移动,达到所需的精度。速度控制在保证精度的前提下,插补算法要求尽可能提高加工速度。算法优化各种插补算法,如直线、圆弧、样条等,都在不断优化以提高效率。常见的插补方式直线插补直线插补是最基础的插补方式,可以实现从当前位置到目标位置的直线运动。通过设置直线的起点和终点坐标即可完成直线轨迹的生成。圆弧插补圆弧插补可以实现从当前位置到目标位置的圆弧运动。通过设置圆弧的起点、终点和圆心坐标即可完成圆弧轨迹的生成。螺旋插补螺旋插补是在圆弧插补的基础上，同时在工件轴上进行线性插补,可以实现复杂的三维空间运动轨迹。数控驱动系统的结构数控驱动系统是数控系统的核心组成部分之一。它负责执行数控指令并驱动机床各运动轴的运动。系统主要包括伺服电机、编码器、放大器等部件，通过闭环控制实现精确的位置和速度控制。系统结构的优化设计对于提高加工精度和效率至关重要。数控伺服电机的特性高动态响应数控伺服电机具有快速响应、高加速度和精确定位的特性,可以满足数控机床对高速高精度运动控制的需求。优异的速度特性数控伺服电机通过闭环控制能够保持恒定的转速,即使在负载变化或外界干扰的情况下也能保持稳定。精准的位置控制数控伺服电机配合高分辨率编码器,可以实现精确的角度和位置控制,满足数控机床对加工精度的要求。编码器的工作原理1旋转编码器结构由圆盘、光栅和光电传感器组成2编码原理光栅旋转产生光脉冲,由光电传感器转换为电信号3信号处理计数电路统计脉冲数,得到位移信号4反馈控制位移信号反馈至驱动电路,实现精确定位编码器广泛应用于数控机床、机器人、电梯等需精确定位的场合。通过光栅旋转产生电脉冲,结合计数电路可以实现位移检测和反馈控制,是数控系统关键的感测装置。伺服系统的闭环控制测量反馈通过编码器或其他传感器测量实际运动参数,如位置、速度和加速度等。比较控制量将测量的实际量与设定目标量进行比较,计算出偏差。修正控制输出根据偏差大小和方向,自动调整伺服驱动器的输出,缩小误差。实现精准控制通过不断的偏差检测和修正,最终实现期望的精准运动控制。数控机床的主轴结构数控机床的主轴是承担切削加工的关键部件。主轴由主轴箱、主轴轴承、主轴电机等组成。主轴箱为主轴提供坚固的支撑和保护,主轴轴承用于支撑高速旋转的主轴,主轴电机作为主轴的动力源。主轴结构的设计关系到机床的加工精度、稳定性和可靠性。主轴电机驱动装置主轴电机类型数控机床通常采用交流伺服电机或直流高速电机作为主轴电机驱动装置。这些电机具有高转速、高扭矩和快速响应的特点。驱动系统结构主轴电机驱动装置通常包括电机、控制器、功率放大器、编码器等部件。控制器根据指令信号对电机进行精确控制，实现主轴高速旋转。控制方式主轴电机常采用闭环伺服控制方式,通过编码器反馈转速和位置信息,确保主轴精确定位和稳定转动。数控加工过程的工艺参数1切削速度确定合适的切削速度是保证加工精度和表面质量的关键。需根据工件材料和刀具材料选择合适的切削速度。2进给率进给率影响加工效率和表面粗糙度。应根据工件尺寸、材料强度等因素合理设置进给率。3切深合理控制切深可以提高切削稳定性,降低加工力,并减少对刀具的磨损。需根据工件材料和加工要求确定切深。4润滑冷却选择合适的润滑冷却方式可以降低加工过程中的温度,减少工件和刀具的磨损。数控加工误差及其补偿机械误差由于机床本身的制造误差、机械磨损、热变形等原因导致的位置和轨迹误差。控制系统误差由电气控制系统中的分辨率、响应速度和反馈精度等因素引起的误差。工艺参数误差加工参数如切深、进给速度等控制不当造成的加工误差。补偿措施通过几何补偿、热补偿、负载补偿等方式来抑制和消除各种误差。数控系统的典型结构数控系统一般由三个主要部分组成:数控装置、伺服驱动系统和机床本体。数控装置负责接收和处理编码程序,向伺服驱动系统发送控制指令。伺服驱动系统根据控制指令驱动各轴电机执行相应动作。机床本体提供机械平台,完成加工工艺。这三部分相互配合,协同工作,构成完整的数控系统。数控系统的硬件组成中央处理单元数控系统的核心部件，负责执行编程指令和协调整个系统。存储设备包括程序存储器和数据存储器，用于保存程序代码和加工数据。输入输出接口连接各种输入输出设备，如操作面板、检测传感器等。驱动装置将数字控制信号转换为能驱动电机和执行机构的模拟量。数控系统的软件结构控制软件层提供数控系统的基本功能和算法实现,如插补、运动控制等。操作系统层为应用软件提供操作环境,管理系统资源。人机交互层提供用户界面,实现数控系统的操作和监控。通信接口层实现数控系统与外部设备的数据交换和通信。数控系统的开发环境编程开发平台数控系统的编程环境通常基于Windows或Linux操作系统,提供可视化的集成开发环境(IDE)。仿真与调试系统提供3D仿真功能,让开发人员可以在虚拟环境中测试和调试程序。开发语言通常使用结构化的高级语言,如C/C++,为系统中的各个模块编写程序。工程管理集成版本控制、任务跟踪等功能,帮助开发团队有效地管理和协作。PLC在数控系统中的应用PLC集成控制PLC可与数控系统无缝集成,实现对机床运行、工件加工、安全防护等各环节的集中控制。人机界面交互PLC提供友好的人机交互界面,让操作人员能够直观地监控和管理数控系统的各项功能。通信协议兼容PLC具有良好的通信协议兼容性,能与数控系统的各种外围设备实现高效数据交换。运动控制网络技术1工业以太网基于以太网的工业通信网络可以实现数控设备之间的高速互联和数据交换。2实时总线协议PROFINET、EtherCAT等实时总线协议能够满足数控系统对低延迟、高可靠性的要求。3分布式架构基于工业以太网和实时总线的分布式控制架构可提高系统的柔性和扩展性。4智能传感器网络在运动控制网络中集成智能传感器能够提升数据采集和反馈的精度。数控系统的现场总线技术提高可靠性现场总线技术采用分布式架构,减少了数控系统中的线缆数量,提高了系统的可靠性和抗干扰能力。实时通信现场总线技术支持实时数据传输,满足数控系统对高速、低延迟通信的需求。标准化控制现场总线技术遵循公开的行业标准,实现了数控设备的互操作性和系统的标准化。灵活扩展现场总线技术支持热插拔和即插即用,方便了数控系统的灵活扩展和维护。数控系统的网络化技术集中控制数控系统网络化后可实现集中监控和远程管理,提高生产效率和管理效率。操作界面、数据存储和故障诊断等功能可集中在中央控制系统上实现。实时数据共享网络化可实现设备状态、生产进度等实时数据在车间内部和企业层面的共享,有利于优化生产计划和调度。远程诊断维护通过网络连接,专业维护人员可以远程监控设备运行状况,诊断故障并进行远程维修,缩短维修时间。灵活扩展升级基于网络架构,数控系统可根据生产需求灵活添加新设备或升级软件,提高系统的适应性。远程监控和诊断技术实时数据传输通过互联网或专线将设备状态数据实时传输到远程监控中心,快速发现和解决设备问题。智能诊断分析利用大数据分析和人工智能技术,对收集的设备数据进行智能分析,自动识别故障并提出修复建议。远程控制和维护授权维修人员能够远程访问设备,对其进行诊断、参数设置和软件升级等操作,提高维护效率。移动端支持通过手机APP或平板电脑等移动设备,用户可随时随地监控和诊断设备运行状况。数控系统的维护和保养1定期检查定期检查各个部件的状态,包括电机、电子元件和连接线,及时发现并更换损坏部件。2清洁保养定期清洗机床表面和内部,避免灰尘和油污积累影响系统正常运转。3润滑保养按照规定周期,对机床移动部件进行适当的润滑,确保运行平稳。4软件更新及时更新数控系统软件,确保系统稳定运行并具有最新功能。数控系统的故障诊断故障诊断流程通过系统分析、症状收集、故障定位等步骤,有效快速地诊断出系统故障的根源,为后续的维修工作提供依据。诊断工具使用利用专业的测量仪器、检测软件等工具,深入系统内部进行故障排查,提高诊断的准确性和效率。故障分类与解决常见的机械故障、电气故障和控制故障针对不同类型的故障采取相应的解决措施数控系统的安全防护紧急停机在紧急情况下,能够快速停止机床运行,可最大限度减少伤害。保护装置设置防护罩和防护栏,避免人员接触运动部件,确保加工过程的安全性。安全警示在机床周围设置醒目的安全警示标志,提醒操作人员注意安全事项。数控系统的发展趋势智能化未来数控系统将更加智能化,能够自主诊断故障和优化加工参数,提高生产效率和产品质量。网络化数控系统将与工厂网络和互联网深度融合,实现远程监控、数据分析和控制优化。模块化系统结构将更加模块化,可快速