数控技术(绪论).ppt
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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月数控技术数控技术数控车床数控车床卧式镗铣床龙门式平面磨床具有仿形功能的加工中心具有仿形功能的加工中心立式加工中心加工中心数控钻削中心数控钻削中心数控钻床五轴五联动数控镗铣床五轴五联动数控镗铣床特种加工机床三坐标测量机三坐标测量机FANUC数控系统西门子PLC及数控系统直线插补加工直线插补加工高速加工高速加工第一章绪论1.1机床数字控制的基本原理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的基本概念n数字控制与数控技术n数字控制(数字控制(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。
n数控技术(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。
n数控机床(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。
n数控系统(数控系统(NumericalControlSystem)实现数字控制的装置。
n计算机数控系统(计算机数控系统(ComputerNumericalControlCNC)以计算机为核心的数控系统。
1.1.2数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成1.操作面板n它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。
n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;n它是数控机床特有部件。
2.控制介质与输入控制介质与输入输出设备输出设备n控制介质控制介质是记录零件加工程序的媒介n输入输出设备输入输出设备是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。
n数控机床常用的控制介质和输入输出设备见表1:
表表11控制介质和输入输出设备表控制介质和输入输出设备表3.通讯通讯n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:
n串行通讯(RS-232等串口)、n自动控制专用接口和规范(DNC方式,MAP协议等)n网络技术(internet,LAN等)。
4.CNC装置(CNC单元)n组成:
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。
n作用:
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装置是装置是CNC系统的核心系统的核心5.伺服单元、驱动装置和测量装置n伺服单元和驱动装置n主轴伺服驱动装置和主轴电机n进给伺服驱动装置和进给电机n测量装置n位置和速度测量装置。
以实现进给伺服系统的闭环控制。
n作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令:
n进给运动指令:
实现零件加工的成形运动(速度和位置控制)。
n主轴运动指令,实现零件加工的切削运动(速度控制)6.PLC、机床I/O电路和装置nPLC(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;n机床机床I/O电路和装置:
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;n功能:
n接受CNC的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n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。
7.机床机床n机床:
机床:
数控机床的主体,是实现制造加工的执行部件。
n组成:
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)。
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:
1.2.1按工艺用途分类n切削加工类:
切削加工类:
数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。
n成型加工类:
成型加工类:
数控折弯机、数控弯管机等。
n特种加工类:
特种加工类:
数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。
n其它类型:
其它类型:
数控装配机、数控测量机、机器人等。
1.2.2按控制功能分类n点位控制数控系统n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;n对轨迹不作控制要求;n运动过程中不进行任何加工。
n适用范围:
适用范围:
数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。
点位控制机床nn轮廓控制数控系统n轮廓控制轮廓控制(连续控制连续控制)系统:
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。
n适用范围:
适用范围:
数控车床、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。
轮廓控制系统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,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。
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n数控加工轨迹控制原理n逼近处理n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。
数控加工原理数控加工原理XLYLiXiYiT0P0Pe数控加工原理图1.2.3按联动轴数分类n2轴联动(平面曲线)n3轴联动(空间曲面,球头刀)n4轴联动(空间曲面)n5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。
1.2.4按进给伺服系统的类型分类n按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统开环数控系统和闭环数控系闭环数控系统统,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全闭环和半闭环半闭环两种。
1.开环数控系统开环数控系统n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。
电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大特点:
特点:
n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。
n一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
n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。
2.半闭环数控系统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。
位置控制调节器位置控制调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈特点:
特点:
n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。
n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。
n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。
3.全闭环数控系统全闭环数控系统n全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示,直接对运动部件的实际位置进行检测。
位置控制调节器位置控制调节器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单元检测与反馈单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际位实际位置反馈置反馈实际速实际速度反馈度反馈特点:
特点:
n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。
n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。
n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。
1.2.5按数控系统分类按数控系统分类按性能分按性能分上一页上一页下一页下一页经济型数控系统经济型数控系统普及型数控系统普及型数控系统高级型数控系统高级型数控系统数控系统分类上一页上一页下一页下一页经经济济型型普普及及型型高级型高级型CPU8位位12个个16位位32位位联动轴数联动轴数335555分辨率分辨率0.0050.011m1m进给速度进给速度68m/min24m/min24m/min24m/min24m/min伺服驱动伺服驱动开环,步进式开环,步进式交交流流/直直流流半半闭闭/全闭全闭数数字字化化交交流流/直流,全闭环直流,全闭环显示显示LCD,LEDCRT,字字符符/图形图形CRT,图形图形通信通信RS232简简单单通通信信RS232DNC通通信接口信接口高高性性能能通通信信接接口,联网口,联网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,但是在目前还不能完全取代普通机床,也就是说,它不能以最经济的方式来它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。
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数控机床加工的优缺点加工的优缺点。
数控加工的优点n自动化程度高,可以减轻工人的体力劳动强度n加工的零件一致性好,质量稳定n生产效率较高n便于产品研制n便于实现计算机辅助制造。
数控加工的缺点n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:
n单位加工成本较高。
n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%)n加工中的调整相对复杂n维修难度大数控加工的适应性n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:
n最适应类最适应类对于下述零件,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。
n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;n用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件;n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;n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。
n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。
n在通用机床上加工时极易受人为因素(如:
情绪波动、体力强弱、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;n在通用机床上加工时必须制造复杂专用工装的零件;n需要多次更改设计后才能定型的零件;n在通用机床上加工需要作长时间调整的零件;n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。
n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
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