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1、教材 杨有君 数控技术 机械工业出版社 2005年9月第一版杨有君 数字控制技术与数控机床 机械工业出版社 2002年6月第一版廖效果等 数字控制机床 华中理工大学出版社 1999年7月 数控技术 1 数控车床 2 卧式镗铣床 3 龙门式平面磨床 4 具有仿形功能的加工中心 5 立式加工中心 6 加工中心 7 数控钻削中心 8 数控钻床 9 五轴五联动数控镗铣床 10 特种加工机床 11 三坐标测量机 12 FANUC数控系统 13 西门子PLC及数控系统 14 直线插补加工 15 高速加工 16 第一章绪论1 1机床数字控制的基本原理1 1 1数字控制的基本概念 数字控制与数控技术数字控制
2、NumericalControlNC 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 17 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 它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 18 1 1 2
3、数控系统与数控机床的组成 19 1 操作面板 它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具 组成 按钮站 状态灯 按键阵列 功能与计算机键盘一样 和显示器 它是数控机床特有部件 20 2 控制介质与输入输出设备 控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置 交互的信息通常是零件加工程序 即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上 数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1 21 表1控制介质和输入输出设备表 22 3 通讯 现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外 一般都具有用通
4、讯方式进行信息交换的能力 它们是实现CAD CAM的集成 FMS和CIMS的基本技术 采用的方式有 串行通讯 RS 232等串口 自动控制专用接口和规范 DNC方式 MAP协议等 网络技术 internet LAN等 23 4 CNC装置 CNC单元 组成 计算机系统 位置控制板 PLC接口板 通讯接口板 特殊功能模块以及相应的控制软件 作用 根据输入的零件加工程序进行相应的处理 如运动轨迹处理 机床输入输出处理等 然后输出控制命令到相应的执行部件 伺服单元 驱动装置和PLC等 所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合 合理组织 使整个系统有条不紊地进行工作的 CNC装置是CNC系统的核
5、心 24 5 伺服单元 驱动装置和测量装置 伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机测量装置位置和速度测量装置 以实现进给伺服系统的闭环控制 作用保证灵敏 准确地跟踪CNC装置指令 进给运动指令 实现零件加工的成形运动 速度和位置控制 主轴运动指令 实现零件加工的切削运动 速度控制 25 6 PLC 机床I O电路和装置 PLC ProgrammableLogicController 用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I O控制 它由硬件和软件组成 机床I O电路和装置 实现I O控制的执行部件 由继电器 电磁阀 行程开关 接触器等组成的逻辑电路 功能 接受CNC的
6、M S T指令 对其进行译码并转换成对应的控制信号 控制辅助装置完成机床相应的开关动作接受操作面板和机床侧的I O信号 送给CNC装置 经其处理后 输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作 26 7 机床 机床 数控机床的主体 是实现制造加工的执行部件 组成 由主运动部件 进给运动部件 工作台 拖板以及相应的传动机构 支承件 立柱 床身等 以及特殊装置 刀具自动交换系统工件自动交换系统 和辅助装置 如排屑装置等 27 1 2数控机床的分类 数控机床的种类很多 从不同角度对其进行考查 就有不同的分类方法 通常有以下几种不同的分类方法 28 1 2 1按工艺用途分类 切削加工类 数控镗铣床 数
7、控车床 数控磨床 加工中心 数控齿轮加工机床 FMC等 成型加工类 数控折弯机 数控弯管机等 特种加工类 数控线切割机 电火花加工机 激光加工机等 其它类型 数控装配机 数控测量机 机器人等 29 1 2 2按控制功能分类 点位控制数控系统仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动 对轨迹不作控制要求 运动过程中不进行任何加工 适用范围 数控钻床 数控镗床 数控冲床和数控测量机 30 点位控制机床 31 轮廓控制数控系统轮廓控制 连续控制 系统 具有控制几个进给轴同时协调运动 坐标联动 使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动 在运动过程中进行连续切削加工的数控系统 适用范围 数控车
8、床 数控铣床 加工中心等用于加工曲线和曲面的机床 现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统 32 轮廓控制系统 装置系统一般都是两坐标或两坐标以上的多坐标联动控制系统 其功能齐全 可加工任意形状的曲线或型腔 如平板凸轮 二轴 三轴 五轴 四轴 33 数控加工轨迹控制原理逼近处理图为欲加工的圆弧轨迹L 起点为P0 终点为Pe CNC装置首先对圆弧进行逼近处理 数控加工原理 34 1 2 3按联动轴数分类 2轴联动 平面曲线 3轴联动 空间曲面 球头刀 4轴联动 空间曲面 5轴联动及6轴联动 空间曲面 联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂 35 1 2 4按进给伺服系统的类型分类 按数控系统的
9、进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统 在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种 36 1 开环数控系统 没有位置测量装置 信号流是单向的 数控装置 进给系统 故系统稳定性好 37 特点 无位置反馈 精度相对闭环系统来讲不高 其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件 这类系统具有结构简单 工作稳定 调试方便 维修简单 价格低廉等优点 在精度和速度要求不高 驱动力矩不大的场合得到广泛应用 一般用于经济型数控机床 38 2 半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示 是从驱动装置 常用伺服
10、电机 或丝杠引出 采样旋转角度进行检测 不是直接检测运动部件的实际位置 位置控制调节器 速度控制调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元 速度控制单元 CNC插补指令 实际位置反馈 实际速度反馈 39 特点 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节 因此可获得稳定的控制性能 其系统的稳定性虽不如开环系统 但比闭环要好 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除 因此 其精度较闭环差 较开环好 但可对这类误差进行补偿 因而仍可获得满意的精度 半闭环数控系统结构简单 调试方便 精度也较高 因而在现代CNC机床中得到了广泛应用 40 3 全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线
11、所示 直接对运动部件的实际位置进行检测 41 特点 从理论上讲 可以消除整个驱动和传动环节的误差 间隙和失动量 具有很高的位置控制精度 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性 刚性和间隙都是非线性的 故很容易造成系统的不稳定 使闭环系统的设计 安装和调试都相当困难 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床 超精车床 超精磨床以及较大型的数控机床等 42 1 2 5按数控系统分类 按性能分 上一页 下一页 经济型数控系统普及型数控系统高级型数控系统 43 数控系统分类 上一页 下一页 44 数控机床的应用范围 数控机床的确具有普通机床所不具备的许多优点 而且它的应用范围还在不断扩大 但是在目前还不能
12、完全取代普通机床 也就是说 它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题 为了更好地说明这个问题 有必要先初步了解一下采用数控机床加工的优缺点 45 数控加工的优点 自动化程度高 可以减轻工人的体力劳动强度加工的零件一致性好 质量稳定生产效率较高便于产品研制便于实现计算机辅助制造 46 数控加工的缺点 任何事物都是两重性 数控加工虽有上述各种优点 同时在某些方面也存在不足之处 单位加工成本较高 只适宜于多品种小批量或中批量生产 占机械加工总量70 80 加工中的调整相对复杂维修难度大 47 数控加工的适应性 根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践 一般可按适应程度将零件分为下列三类 最适应类
13、对于下述零件 首先应考虑能不能把它们加工出来 即要着重考虑可能性问题 只要有可能 可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理 都应把对其进行数控加工作为优选方案 48 形状复杂 加工精度要求高 用通用机床无法加工或虽然能加工但很难保证产品质量的零件 用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件 具有难测量 难控制进给 难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒型零件 必须在一次装夹中合并完成铣 镗 锪 铰或攻丝等多工序的零件 49 较适应类这类零件在分析其可加工性以后 还要在提高生产率及经济效益方面作全面衡量 一般可把它们作为数控加工的主要选择对象 50 在通用机床上加工时极易受人为因素 如 情绪波动 体力强
14、弱 技术水平高低等 干扰 零件价值又高 一旦质量失控便造成重大经济损失的零件 在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件 需要多次更改设计后才能定型的零件 在通用机床上加工需要作长时间调整的零件 用通用机床加工时 生产率很低或体力劳动强度很大的零件 51 不适应类下述一类零件采用数控加工后 在生产效率与经济性方面一般无明显改善 还可能弄巧成拙或得不偿失 故此类零件一般不应作为数控加工的选择对象 52 生产批量大的零件 当然不排除其中个别工序用数控机床加工 装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件 加工余量很不稳定 且数控机床上无在线检测系统可自动调整零件坐标位置的 必须用特定的工艺装备协
15、调加工的零件 53 根据上述数控加工的适应性 我们就可以根据所拥有的数控机床来选择加工对象 或根据零件类型来考虑哪些应该先安排数控加工 或从技术改造角度考虑 是否要投资添置数控机床 54 1 3数控技术发展1 3 1数控技术发展简史 发展沿革1952年 Parsons公司和M I T合作研制了世界上第一台三座标数控机床 1955年 第一台工业用数控机床由美国Bendix公司生产出来 从1952年至今 NC机床按NC系统的发展经历的五代 55 第一代 1955年NC系统以电子管组成 体积大 功耗大 第二代 1959年NC系统以晶体管组成 广泛采用印刷电路板 第三代 1965年NC系统采用小规模集
16、成电路作为硬件 其特点是体积小 功耗低 可靠性进一步提高 以上三代NC系统 由于其数控功能均由硬件实现 故历史上又称其为 硬线NC 56 第四代 1970年NC系统采用小型计算机取代专用计算机 其部分功能由软件实现 它具有价格低 可靠性高和功能多等特点 第五代 1974年NC系统以微处理器为核心 不仅价格进一步降低 体积进一步缩小 使实现真正意义上的机电一体化成为可能 这一代又可分为六个发展阶段 57 1974年 系统以位片微处理器为核心 有字符显示 自诊断功能 1979年 系统采用CRT显示 大容量磁泡存储器 可编程接口和遥控接口等 1981年 具有人机对话 动态图形显示 实时精度补偿功能 1986年 数字伺服控制诞生 大惯量的交直流电机进入实用阶段 1988年 采用高性能32位机为主机的主从结构系统 1994年 基于PC的NC系统诞生 使NC系统的研发进入了开放型 柔性化的新时代 新型NC系统的开发周期日益缩短 它是数控技术发展的又一个里程碑 58 1 3 2数控技术的发展动向 发展趋势进入九十年代以来 随着国际上计算机技术突飞猛进的发展 数控技术不断采用计算机 控制理论等领域的最
