《数控加工技术 教学课件 ppt 作者 姚新 第2章 数控加工技术的控制原理与传动结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控加工技术 教学课件 ppt 作者 姚新 第2章 数控加工技术的控制原理与传动结构（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 数控加工技术的控制原理与传动结构,第2章 数控加工技术的控制原理与传动结构,2.1 数控加工技术自动控制基础 2.2 计算机数控(CNC)装置 2.3 数控机床进给运动控制及传动结构,2.1 数控加工技术自动控制基础,2.1.1 自动控制系统的工作原理 首先我们研究一个日常生活中的控制实例，如图21所示，人工削苹果。,图2-1 人工削苹果,2.1 数控加工技术自动控制基础,1)分析工作任务(生产批量、质量标准等)。 2)制订工艺流程。 3)填写工序卡。 4)进行工序加工。,图2-2 手工削苹果控制原理图,2.1.2 自动控制系统的基本类型,2.1 数控加工技术自动控制基础,自动控制系统
2、种类繁多，有机械的、电子的、液压的、气动的等。 1.按系统的结构分类 就其基本结构形式而言，可分为开环控制系统、闭环控制系统和半闭环控制系统。 (1)开环控制系统 如图2-3所示，开环控制系统是没有输出反馈的一类控制系统。,图2-3 数控机床开环控制系统框图,2.1 数控加工技术自动控制基础,图2-4 数控机床闭环控制系统框图,(2)闭环控制系统 输出的信息反馈到输入端，,2.1 数控加工技术自动控制基础,输入信号和反馈信号比较后的差值(即偏差信号)加给控制器后再控制受控对象的输出，从而形成闭环控制回路。 (3)半闭环控制系统 在数控机床中，这类控制将检测元件安装在驱动电动机的端部或传动丝杠端
3、部，通过测量转角位移来间接测量工作台的实际位置或位移。,图2-5 半闭环控制系统框图,2.1 数控加工技术自动控制基础,2.按输入信号变化规律分类 (1)恒值(定值)控制系统 恒值控制系统的输入量是一恒定值，系统保证在任何干扰作用下，能维持输出量为恒定值。 ()随动控制系统 随动控制系统又称为伺服系统。 (3)程序控制系统 当输入量为预定的时间函数时，称为程序控制系统。 3.按信号传递是否连续分类 (1)连续控制系统 当系统中各元件的输入量和输出量均是连续变化的模拟量，就称此类系统为连续控制系统或模拟控制系统。 (2)离散控制系统 当系统中某处或多处的信号是脉冲序列或数码形式时，这种系统称为离
4、散控制系统。 2.1.3 自动控制系统的基本性能要求,2.1 数控加工技术自动控制基础,自动控制系统用于不同的目的，要求也有所不同。 1.稳定性 由于系统存在着惯性，当系统的各个参数分配不当时，将会引起系统的振荡而失去工作的能力。 2.快速性 快速性是在系统稳定的条件下提出的。 3.准确性 准确性是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，或称为静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。,2.2 计算机数控(CNC)装置,2.2.1 概述,图2-6 机床数控系统组成,2.2 计算机数控(CNC)装置,1.数控系统和数控装置的组成 如图2-6所示，数控机床是由数控系统和机床本体两大部分
5、组成。,图2-7 CNC装置的系统平台,2.2 计算机数控(CNC)装置,2.数控装置的工作流程 CNC系统对零件程序的处理流程如图2-8所示。,图2-8 CNC系统对零件程序的处理流程,(1)输入 零件程序的输入，通常是指将编制好的零件加工程序送入数控装置的过程，可分为手动输入和自动输入两种方式。,2.2 计算机数控(CNC)装置,(2)译码 译码程序的功能主要是将零件加工程序翻译成便于数控系统计算机处理的格式，其中包括数据信息和控制信息。 (3)数据处理 数据处理包括刀具补偿、速度计算以及辅助功能的处理等。 (4)插补 所谓插补，即已知运动轨迹的起点、终点、曲线类型和走向，计算出运动轨迹所
6、要经过的中间点坐标。 (5)位置控制 位置控制的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给伺服电动机。 3.数控装置的功能 (1)控制轴数和联动轴数 CNC装置能控制的轴数以及能同时控制(即联动)的轴数是其主要性能之一。,2.2 计算机数控(CNC)装置,(2)准备功能 准备功能也称G功能，ISO标准中规定准备功能有G00G99共100种，数控系统可从中选用。 (3)插补功能 CNC装置通过软件进行插补计算，特别是数据采样插补是当前的主要方法。 (4)主轴速度功能 它是指控制主轴运动的功能。 (5)进给功能 进给功能用F代码直接指定各轴的进给速度
7、。 1)切削进给速度。 2)同步进给速度。 3)快速进给速度。 4)进给倍率。 (6)补偿功能 它包括刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧补偿以及间隙补偿和温度变形补偿。,2.2 计算机数控(CNC)装置,(7)固定循环加工功能 钻孔、攻螺纹、镗孔、深孔钻削、切螺纹等所需完成的动作循环十分典型，将这些典型动作预先编好程序并存储在内存中，用G代码进行指定，即为固定循环指令。 (8)辅助功能(M代码) 辅助功能从M00M99共100种。 (9)字符图形显示功能 CNC装置可配置显示器，通过软件和接口实现字符、图形显示。 (10)程序编制功能 1)手工编程。 2)后台编程。 3)自动编程。 (11)
8、输入/输出和通信功能 一般的CNC装置可以接多种输入、输出外设，实现程序和参数的输入/输出和存储。,2.2 计算机数控(CNC)装置,(12)自诊断功能 CNC装置中设置了各种诊断程序，可以防止故障的发生或扩大。 2.2.2 数控装置的硬件结构 CNC装置是在硬件支持下，通过系统软件控制进行工作的。 1.单微处理器结构 一般简易的经济型CNC装置采用单微处理器结构。,图2-9 单微处理器结构框图,2.2 计算机数控(CNC)装置,1)CNC装置内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入/输出控制、显示等功能都由它集中控制、分时处理。 2)微处理器通过总线与存储、输入/输出控制等接口相连，构成C
9、NC装置。 3)结构简单，容易实现。 4)单微处理器因为只有一个微处理器集中控制，其功能将受到微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。 2.多微处理器结构 随着现代制造技术的发展，对数控机床提出了复杂功能、高进给速度和高加工精度的要求，FMS和CIMS系统也对数控机床提出了新的控制要求，因此多微处理器得到迅速的发展。,2.2 计算机数控(CNC)装置,(1)多微处理器CNC装置的基本功能模块 多微处理器CNC装置一般包括以下6种基本模块。 1)CNC管理模块。 2)CNC插补模块。 3)位置控制模块。 4)存储模块。 5)PLC模块。 6)指令、数据的输入/输出及显示模块。 (2
10、)多微处理器CNC装置的典型结构 多微处理器CNC装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。 1)共享总线结构。,2.2 计算机数控(CNC)装置,图2-10 共享总线结构框图,2)共享存储器结构。,2.2 计算机数控(CNC)装置,图2-11 具有四个微处理器的共享存储器框图,2.2.3 数控装置的软件结构,2.2 计算机数控(CNC)装置,1. CNC装置软件结构的特点 CNC系统是一个实时性很强的多任务系统，在它的软件设计中，融合了许多当今计算机软件设计的先进技术。 (1)多任务并行处理 CNC装置作为一个独立的过程控制单元用于自动加工中，其系统软件必须完成管理和控
11、制两项任务。,图2-13 任务并行处理图,2.2 计算机数控(CNC)装置,(2)多重实时中断处理 CNC装置控制软件的另一个重要特征是实时中断处理。 1)外部中断。 2)内部定时中断。 3)硬件故障中断。 4)程序性中断。 2. CNC装置软件结构的类型 在CNC软件的设计中，必须考虑CNC装置的实时、多任务、并行处理等特点。 (1)前后台型软件结构 前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置。,2.2 计算机数控(CNC)装置,图2-14 前后台型软件结构示意图,(2)中断型软件结构 中断型软件结构没有前后台之分，,2.2 计算机数控(CNC)装置,除了初始化程序外，根据各控
12、制模块实时要求的不同，把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统，系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。,表2-1 数控装置中断型软件的结构,表2-1 数控装置中断型软件的结构,(3)基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统(RTOS)是操作系统的一个重要分支。,2.2 计算机数控(CNC)装置,1)弱化了功能模块间的耦合关系。 2)系统的开放性和可维护性好。 3)减少系统开发的工作量。 2.2.4 CNC系统的插补与刀补原理 1.插补的基本概念 数控加工沿直线或圆弧轨迹运动时，程序中只提供了刀具运动路线的起点、终点坐标等基本数据，而刀具怎么从起点
13、沿运动轨迹走向终点则由数控系统的插补装置或插补软件来控制。,图2-15 插补和刀补 a)直线插补 b)圆弧插补 c)刀具半径补偿,2.2 计算机数控(CNC)装置,2.插补方法 插补的任务就是根据进给速度的要求,完成在轮廓起点和终点之间的中间点的坐标值计算。 (1)脉冲增量插补 脉冲增量插补就是通过向各个运动轴分配脉冲，控制机床坐标轴作相互协调的运动，从而加工出一定形状零件轮廓的算法。,图2-16 逐点比较法 工作流程图,2.2 计算机数控(CNC)装置,(2)数据采样插补 数据采样插补就是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定曲线，由于这些微小直线段是根据编程进给速度，按系统给定的时间间隔
14、来进行分割的，所以又称为“时间分割法”插补。 3.刀补原理 刀补是指数控加工中的刀具半径补偿和刀具长度的补偿。 2.2.5 数控装置与PLC 1. PLC在数控机床中的作用及特点 数控机床采用的顺序控制装置主要有两类：一类为传统的继电器逻辑电路(RLC)，另一类为可编程序控制器(PLC)。 1)PLC实际上是计算机系统，具有面向用户的指令和专为存储用户程序的存储器。,2.2 计算机数控(CNC)装置,2)PLC没有继电器那些接触不良、触点熔焊、线圈烧断等故障，运行时无振动、无噪声，且具有很强的抗干扰能力，可以在环境较差的情况下稳定可靠地运行。 3)PLC结构紧凑、体积小，容易装入机床内部电器柜
15、内，便于实现数控机床的机电一体化。 2. PLC辅助控制功能的实现 图2-17所示为PLC辅助控制功能的信息处理。,图2-17 PLC辅助控制功能的信息处理,2.2 计算机数控(CNC)装置,(1)机床操作面板控制 将操作面板上的控制信号直接送入数控系统的接口信号区，以控制数控系统的运行。 1)S功能处理。 2)T功能处理。 3)M功能处理。 (2)机床外部开关信号的控制 将机床侧的控制开关信号送入PLC，经逻辑运算后，输出给控制对象。 (3)输出信号控制 PLC输出的信号经继电器、接触器或液压、气动电磁阀对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还有冷却、润滑和油泵电动机等的控制。 (4
16、)伺服控制 控制主轴、伺服进给及刀库驱动的控制信号，以满足伺服驱动的条件。,2.2 计算机数控(CNC)装置,(5)报警处理控制 当出现故障时，PLC收集强电柜、机床侧和伺服驱动的故障信号，将报警标志区中的相应报警标志位置位，数控系统便显示报警号及报警文本，以方便故障诊断。 2.2.6 典型数控系统简介 数控系统是数控机床的核心。 1. FANUC公司的主要数控系统 FANUC 0系列数控系统分为A型、B型、C型和D型产品，FANUC 0系列中，国内使用较多的是普及型FANUC 0-D和全功能型FANUC 0-C两个子系列。 2. SIEMENS公司的主要数控系统 (1)SINUMERIK 802S/C SINUMERIK 802S/C用于车床、铣床等，可控3个进给轴和1个主轴，802S适于步进电动机驱动，802C适于伺服电动机驱动。,2.2 计算机数控(CNC)装置,(2)SINUMERIK 802D SINUMERIK 802D用于控制4个进给轴和1个主轴、PLC I/O模块，具有图形式循环编程，车削、铣削/钻削工艺循环，FRAME(包括移动、旋转和缩放)等功能，为复杂加工
