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数控技术
数控技术
NumericalControlTechnology
武汉理工大学机电学院
2005.12
第一章数控机床概述
数字控制(NumericalControlNC)是一种借助数字、字符(character)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。
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。
第一节数控机床简介
一.数控机床的产生
1952,第一台数控机床诞生,这就是由美国PARSONS公司和麻省理工学院合作研制的三坐标数控铣床。
制造需要高效率、高精度和自动化。
对大批量生产的产品,广泛采用组合机床、凸轮控制的多刀多工位自动或半自动机床、自动生产线或自动化车间生产,从而实现高效率、高精度的自动化生产。
这些机床设备的特点是专用、刚性。
对单件、小批量生产,采用通用机床加工。
对复杂型面的零件,则利用画线和样本用手工操作的方法加工,或用靠模和仿型机床加工。
效率低,不易保证精度。
需求:
单件、小批量零件加工的自动化。
复杂型面零件加工的自动化和加工精度
技术:
电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测、新型机械结构。
(技术基础)
二.数控机床的特点
(1)能适应不同零件的自动加工
改变加工零件,只需改变数控程序。
柔性好,生产准备周期短。
(2)生产效率和加工精度高、加工质量稳定
大切削量加工,缩短切削加工时间。
自动换刀、自动换速和其他辅助操作的自动化,缩短辅助时间。
机床的高精度、用软件进行精度矫正和补偿、自动加工避免人为误差,使加工精度高、质量稳定。
(3)能高效优质完成复杂型面零件的加工。
(4)工序集中,一机多用。
(5)数控机床是一种高技术的设备。
第二节数控机床的控制原理和组成
一.数控机床的控制原理
数控机床使用数字化的信息来实现自动控制的。
将与加工零件有关的信息—工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数(进给尺寸)、切削加工的工艺参数(主运动和进给运动的速度、切削深度)、各种辅助操作(变速、换刀、冷却润滑、工件夹紧松开)—用规定的文字、数字和字符组成的代码,按一定的格式编写成加工程序单(数字化),将加工程序通过控制介质输入到数控装置中,由数控装置经过分析处理后,发出与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。
二.数控机床的组成
(一)程序编制及程序载体
数控程序是机床加工的工作指令。
也是数字化了的加工信息。
数控程序的编制也就是对加工信息数字化的过程:
通过工艺分析,确定:
零件在机床上的安装位置、刀具与工件相对运动的尺寸参数、零件加工的工艺路线或加工顺序、切削加工的工艺参数、辅助装置的动作,得到运动、尺寸、工艺参数等加工信息;用标准的由文字、数字和符号组成的数控代码,按规定的方法和格式,编制零件加工的数控程序单。
编程方法:
人工(手工)编程,计算机自动(辅助)编程。
程序载体:
存放和便于向数控装置输入数控程序的存储载体。
有穿孔纸带、磁盘、磁卡、磁带等。
(二)输入装置
功能:
将程序载体上的数控程序(代码)变成相应的电脉冲信号,转送并存入数控装置内。
这种装置有,光电阅读机、录放机、软盘驱动器等。
有些数控机床不用程序载体,而是将程序通过键盘,用手工方式(MDI方式输入,或通过通信方式从计算机传送到数控装置。
(三)数控装置及强电控制装置
数控装置:
将输入的数控程序代码,通过其系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后,输出各种信号和指令,控制机床的各部分,进行规定的有序的动作。
最基本的信号:
由插补运算决定的各坐标轴的进给位移量、方向和速度指令。
其他信号还有:
主运动的变速、换向和启停指令信号
选择和交换刀具的刀具指令信号
辅助指令信号(冷却、润滑的启停;工件、机床部件的松开和夹
紧;分度工作台转位等)
强电控制装置:
介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统。
功能:
接受数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号,经必要的编译、逻辑判断、功率放大后,驱动相应的电器、液压、气动和机械部件,以完成指令所规定的动作;行程开关和监控检测等开关信号经该装置送数控装置处理。
(四)伺服驱动系统及位置检测装置
伺服驱动系统:
有伺服驱动电路和伺服驱动装置(电机)组成。
与机床的执行部件和机械传动部件一起组成数控机床的进给系统。
功能:
根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。
位置检测装置:
在闭环和办闭环伺服系统中,使用位置检测装置,间接或直接测量执行部件的实际位移,使伺服系统按闭环原理工作:
将实际位移与指令位移进行比较,其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。
(五)机床的机械部件
主运动部件、进给运动传动和执行部件(工作台、拖板)、支撑部件(床身、立柱);
辅助装置(冷却、润滑、排屑、转位、夹紧)
刀库、交换刀具的机械手(加工中心)
数控机床的机械部件的组成与普通机床相似,但在性能、功能、结构上有很大不同。
性能:
更好
具有更高精度、刚度、抗震性、热稳定性、可靠性、寿命。
功能:
更多、更强。
高速强力切削功能
复合加工功能---车、铣、钻、镗、磨….复合在一台机床上加工。
多工位加工功能---车床,双主轴,自动交换工件加工。
加工中心,五面加工,主轴能改变方位,能立能卧
C主轴功能---还要能作进给、分度运动(车削中心)
自动换刀功能----刀库+机械手(加工中心)
回转动力刀架(数控车床)
结构:
更新、更合理
传动结构更简短,使用新型的传动元件:
滚珠丝杠、消隙齿轮,同步齿形带
新颖、合理的结构布局:
数控车床的倾斜床身结构,等
新型导轨结构。
第三节数控机床的分类
一.按数控机床的加工功能分
(一)点位控制(positioningcontrol)数控机床
控制特点:
在加工平面内,从一个位置快速移动到下一个位置,并有高的定位精度。
移动时不加工,到位后,第三轴进行加工。
用于加工孔系(钻、镗、冲),这类数控机床有:
数控钻床、镗床、冲床、三坐标测量机等。
(二)直线控制(linemotioncontrol)数控机床
控制特点:
控制刀具或工作台,以适当的速度,沿平行坐标轴的方向直线移动和加工。
速度在一定范围可调。
用于加工台阶轴,铣削平面,这类机床有:
简易数控车床、直线控制的数控铣床。
还有数控组合机床。
(三)轮廓控制(contouringcontrol)数控机床
控制特点:
连续、按一定联系、协调控制(联动)两个以上坐标轴任何时刻的运动位置、速度和方向,使刀具相对工件按要求的轮廓轨迹运动。
也称连续控制或多坐标联动数控机床。
1.平面轮廓加工的数控机床
控制两个坐标轴联动,使刀具相对工件在某一坐标平面做平面曲线运动,从而加工由平面曲线组成的轮廓的零件。
常用于车削回转曲面、铣削平面曲线轮廓零件(平面凸轮)。
亦称两坐标联动数控机床。
加工平面轮廓时,无论轮廓是什么曲线组成,常用小段直线来逼近曲线:
以铣削平面轮廓为例,设当前铣刀回转中心在I/点,轮廓上的切削点为I,在单位时间内,数控系统控制刀具相对工件在X、Y两个坐标轴方向同时进给ΔxI和Δyi产生合成直线位移ΔLi,移到J点,从而在工件上加工出一小段直线IJ,逼近弧段IJ,如此连续控制X、Y轴的进给运动,便可加工出多段小直线组成的折线来逼近曲线轮廓。
这里,控制的关键是确定每个单位时间内的进给位移分量ΔxI和ΔyI,这是由插补运算和刀具半径补偿运算来完成的。
运算条件:
合成进给速度、单位时间长短、轮廓曲线方程、由刀具半径和加工裕量所决定的刀具中心偏移量。
2.空间轮廓加工的数控机床
加工空间轮廓,根据空间曲面形状、所用刀具、加工精度和粗糙度要求等的不同,使用不同的加工方法:
两轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动。
(1)两轴半联动加工
对任何曲面,以平行于某坐标平面的平面连续剖分,得到一系列平面曲线。
加工曲面时,采用球头铣刀,刀具中心在剖分坐标平面(X、Y、Z中的任意两轴)内作平面曲线的插补运动,第三轴作周期进给。
就可加工出该曲面。
称行切法。
(2)三坐标联动加工
三坐标联动,刀具作空间曲线插补运动。
可加工空间曲线轮廓(回珠器滚道)。
还可加工曲面轮廓。
加工曲面时,也采用行切法。
与两轴半不同的是,刀具作空间曲线插补运动,从而,使刀具在工件上切出的轨迹是平面曲线,切痕规则,容易得到低的表面粗糙度。
(3)四坐标联动加工
从理论上,有三轴联动,使用球头铣刀,可加工任意空间轮廓。
但从加工效率和加工表面粗糙度考虑,对很多曲面,采用三坐标联动加工是不合适的,需要采用更多的坐标联动来加工。
飞机大梁是一个直纹扭曲面。
若采用圆柱铣刀周边切削方式,因是直纹,在加工中,使刀具与加工型面始终保持贴合,不仅加工表面光洁,而且效率高。
为了实现这种加工方式,不仅要X、Y、Z三坐标联动控制刀具刀位点在空间的位置,而且要同时控制刀具绕刀位点的摆角,使刀具始终贴合工件,且还要补偿因摆角所引起的刀位点的改变。
这就是四坐标联动加工。
(4)五坐标联动加工
对大型曲面轮廓,零件尺寸和曲率半径比较大,可用端面铣刀进行加工,以提高生产率和减少加工残留量。
加工时,使铣刀端面与切削点的切平面重合(凸面)或与切平面成某一夹角(凹面,避免产生刀刃干涉)。
这时,切削点的坐标和法线方向时不断变化的,那么,刀具的刀位点和轴线也要相应变化。
故需要X、Y、Z和绕两个坐标的角度联动控制,即五坐标联动控制。
三坐标以上联动的编程很复杂,需要使用自动编程系统来编制。
二.按所用进给伺服系统的类型分类
(一)开环(openloop)数控机床
开环数控机床采用开环进给伺服系统。
典型的开环伺服系统是有功率步进电机和驱动电源组成的伺服系统。
控制原理:
数控装置根据所要求的进给速度和进给位移,输出一定频率和数量的进给指令脉冲,经驱动电路放大后,每个进给脉冲驱动功率步进电机旋转一个步距角,在经减速齿轮、丝杠螺母副,驱动工作台移动一个当量直线位移(称为脉冲当量)。
从理论上,对应一个进给脉冲,步进电机转过一个步距角,工作台移动一个当量位移,进给脉冲数量控制工作台的位移量,脉冲频率控制运动速度。
无须对实际位移进行检测。
所以开环数控机床没有位移检测装置。
实际上,由于存在步距角误差、转动间隙和误差,实际位移与指令位移之间有误差。
又由于没有检测装置检测实际位移,实际位移误差不能被补偿,所以,开环数控机床的精度较低,速度也较低。
开环伺服系统多用于经济型数控机床或对旧机床进行改造。
(二)闭环(closedloop)数控机床
闭环伺服系统按闭环原理工作。
由安装在进给执行部件上的位移检测装置直接检测的实际位移,经反馈回路反馈给数控装置,数控装置将位移指令与实际位移进行比较,根据其差值与指令进给速度的要求,按一定的规律进行转换后,得到进给伺服系统的速度指令。
同时,测速元件测量伺服电机的转速,作为速度反馈信号,它与速度指令信号相比较后,其速度误差,对伺服电机的速度进行调节校正。
从而控制工作台准确的按指令位移和速度运动。
位置反馈回路、速度反馈回路与主控回路构成两个封闭环,所以称闭环控制。
由位置控制和速度控制构成的双闭环控制,可以获得比开环进给系统精度更高、速度更快、驱动功率更大的特性指标。
(三)半闭环(semi-closedloop)数控机床
若将位置检测装置安装在伺服电机或传动丝杠的端部,间接测量执行部件的实际位移,按闭环原理控制。
则构成半闭环控制。
因为控制环路不包含实际需要被控制的执行部件,所以,是半闭环。
由于不是直接检测实际位移进行控制,所以,精度低于闭环控制,但仍比开环的精度高。
而且,控制系统的稳定性比闭环系统容易获得。
现在,大多数数控机床都采用半闭环进给伺服系统。
三.按所用数控装置类型分类
(一)硬线数控(NC)机床
使用硬线数控系统。
它的输入处理、插补运算和控制功能,都是由专用的固定组合逻辑电路来实现。
不同功能的数控机床,组合逻辑电路也不同。
因而改变或增减控制和运算功能时,需要改变硬件电路。
故通用性、灵活性差,制造周期长,成本高。
(二)计算机数控(CNC)机床
使用计算机数控装置(软线数控装置)。
硬件电路由小型或微型计算机、加上通用或专用的大规模集成电路组成。
输入处理、插补运算等主要数控功能几乎全部由系统软件来实现。
不同功能的机床只是系统软件不同。
修改或增减功能,不需变动硬件电路,只需改变系统软件。
因此,具有较高的灵活性,而且,由于硬件基本上通用,有利于大量生产,提高质量和可靠性,缩短制造周期和降低成本。
第四节数控技术及数控机床的发展及其技术水平
一.概述
(一)数控装置
高速化:
标准化、模块化、通用化:
网络化:
宜人化:
高可靠性:
开放化:
(二)进给伺服驱动系统
(1)永磁同步交流伺服电机逐渐取代直流伺服电机。
(2)位置、速度、电流控制数字化
(3)采用高速和高分辨率的位置检测装置
(4)通过伺服系统进行各种误差补偿
(三)程序编制
(1)由语言编程发展到图形、实物、语音编程
(2)由脱机编程到在线编程
(3)由处理几何信息到处理工艺信息。
(四)数控机床的工况检测、监控和故障诊断
工件尺寸超差检测
刀具工况监控
故障开机诊断、运行诊断、通讯诊断、专家诊断
(五)采用功能很强的可编程控制器
(六)机床的主机
主轴部件高速化,电气化;
二.以数控机床为基础的先进制造系统
数控机床的产生和发展,有力地推动了机械制造自动化技术水平的发展和提高。
以数控机床为基础,不断产生出以自动化为特征的先进制造系统,至今乃至将来,都是制造自动化发展的方向。
(一)直接数字控制(DNC)系统
用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行加工和装配的系统。
机床的CNC系统与DNC的中央计算机组成计算机网络,实现分级控制管理。
有两类DNC系统:
1.间接控制型系统
由已有的数控机床,配上集中管理和控制的中央计算机,并在中央计算机和数控装置之间加上通信接口所组成。
中央计算机负责自动编制数控加工程序,并对加工程序进行编辑和修改。
中央计算机配有大容量的外存贮器,存放每台机床的零件加工计划和数控加工程序。
适时将加工程序调入内存,顺次扫瞄查询每台数控机床的请求信号,并根据加工计划,以中断方式向发出请求的某台数控机床的通信接口传送加工程序。
间接型DNC系统,各机床的数控功能仍由数控装置实现,中央计算机起原纸带阅读机的作用。
间接型DNC系统容易建立,当中央计算机有故障时,各数控机床可独立工作。
2.直接控制型系统
组成直接型DNC系统的数控机床不在配普通的数控装置,其插补运算等数控功能全部或部分由中央计算机完成。
各台数控机床只配一个简单的的机床控制器,用于数据传递、驱动控制和手动操作。
插补运算控制方法有三种:
(1)中央计算机完成各台机床的插补运算。
由接口分时经MCU向各机床传送进给指令。
(2)由接口电路完成各机床的插补运算,进给指令经MCU送至各机床。
(3)由中央计算机完成粗插补,接口电路或MCU完成精插补。
(二)柔性制造单元(FMC)
一台数控机床,配置自动输送或上下料装置、自动检测和工况自动监控装置,就组成一个柔性制造单元。
柔性制造单元可实现长时间连续的多品种小批量自动加工。
FMC的构成有两大类:
加工中心配自动工件交换装置(托盘交换系统);
数控机床(车、磨等)配工业机器人
自动检测,如工件尺寸的自动测量补偿;工况自动监控:
如刀具损坏和寿命监控。
图1-11是加工中心配自动工件交换装置的FMC的例子。
它由40把刀的卧式加工中心以及由环形工件交换工作台、工件托盘、托盘交换装置构成的工件交换装置所组成。
(三)柔性制造系统(FMS)
1.FMS的特征
(1)具有多台制造设备。
(一般认为有5台以上,数控设备或自动化设备);
(2)系统由物料运输系统将所有设备连接起来,可进行没有固定加工顺序和无节拍的随机制造;
(3)由计算机进行高度自动的分级控制和管理,对一定范围内的多品种、中小批量的零部件进行制造
2.FMS组成
FMS由加工、物流、信息流三个子系统组成,每个子系统可以有分系统。
加工系统:
可以又FMC组成,大多由数控机床按DNC的控制方式组成。
可自动更换刀具和工件并自动加工。
由互补和互配两种配置原则。
也可混合配置。
互补:
配置完成不同工序的机床,互相补充而不能互相代替,一个工件依次通过这些机床进行加工。
互替:
配置由相同的机床,一台机床有故障,则空闲的一台可以代替加工。
物流系统:
包括工件和刀具两个物流系统,在机床和装夹工位之间输送零件和刀具。
刀具物流系统:
中央刀库、工业机器人。
由机器人在中央刀库和各机床刀库之间输送和交换刀具。
还要有监控刀具寿命的故障的功能。
工件、夹具的输送、装卸及仓储的装置。
立体仓库及计算机控制管理系统;输送设备有传输带、有轨或无轨小车、行走机器人;
信息流系统:
加工系统和物流系统的自动控制;在线状态监控及信号处理;在线检测及处理。
(四)计算机集成制造系统(CIMS)
1.自动化子系统
在制造方面:
CNC、FMC、DNC、FMS等加工设备;PLC、AGV、RC等控制设备。
在工程设计方面:
CAD/CAPP/CAM、ATP、GT、CTD
在经营管理方面:
MRP、MRPII、MIS
2.CIMS的形成
1974年美国约瑟夫.哈林顿首先提出了计算机集成制造系统的概念。
CIMS的两个基本观点是:
(1)企业的生产经营是一个整体,要用系统工程的观点来统一考虑和解决产品从市场分析、经营管理和售后服务,产品工程设计和加工制造的全过程的问题。
(2)整个生产过程实际上是一个数据采集、传递和加工处理的过程。
最终形成的产品,可以看成是信息和数据的物质体现。
根据上述观点,将上述的各自动化子系统集成在一起,构成计算机集成制造系统。
CIMS不仅是生产设备的集成,更主要是以信息为特征的技术集成和功能集成。
计算机是集成的工具。
计算机辅助的自动化单元技术是集成的基础。
信息、数据的交换和共享是集成的桥梁。
3.CIMS结构的一种方案
图1-14是CIMS系统的一种结构模型。
按CIMS的概念,系统是一个五层递阶控制结构:
工厂层、区间层、单元层、工作站层、设备层。
由于需要集成在一起的多种单元自动化技术多为异构的硬件和软件,在集成为一个系统时,必须解决一些关键技术问题—集成技术问题:
产品信息(数据)模型技术(PDES(ProductDataExchangStandard)STEP(StandardfortheTransferandExchangeofProductModelData)),网络技术(MAP/TOP),分布式数据管理技术
三.机床的自适应控制(adaptivecontrol)
切削条件(因数和参数):
毛坯、材料、刀具等
切削(输入)参数:
进给速度、切削速度、切削裕量
切削状态参数:
切削力、扭矩、功率、主轴变位、振动、热变形
切削效果:
生产率、生产成本‘加工质量
通常加工,是根据切削条件,选择切削参数,使切削过程在一定的切削状态下进行,从而达到一定的切削效果。
对应于切削条件,选择的切削参数越合理,切削状态就越佳,得到的切削效果就越好。
由于切削过程是个动态过程,切削条件是变化的,如:
毛坯的裕量不匀,材料的硬度不一,刀具在磨损,刀刃积屑瘤等,这将引起切削状态改变,因此,需要调整切削参数才能保持切削过程在最佳状态。
如何根据切削条件的变化来及时调整(修正)切削参数,使切削过程保持在最佳状态。
为了解决这一问题,在20世纪69年代产生了自适应控制这一控制技术。
自适应控制以切削过程为调解控制对象,在切削过程中,实时检测某些状态参数,然后,根据预定的评价指标(函数)或约束条件,及时自动修正切削参数,使切削过程达到最佳状态,获得最优的切削效益。
评价指标:
最大生产率、最低加工成本、最好加工质量。
约束条件:
恒切削力、恒切削速度、恒切削功率。
图1-15给出了机床自适应控制的原理图。
它是在数控机床上增加适应控制反馈回路而构成的,适应反馈回路检测状态参数,在适应控制单元与给定评价指标(函数)或约束条件比较,输出校正信号,反馈给数控装置。
数控装置则自动修正输入的切削参数(进给速度),使切削过程向预定的指标和条件转变,达到最佳状态。
小结:
建立数控技术的有关概念、掌握数控机床分类与特点、了解数控机床的产生与发展。
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