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计算机数控系统
目录
1、计算机数控系统满足的要求与分类
1.1数控机床的计算机数控系统的结构
1.2计算机数控系统的分类
1.3计算机控制系统的特点
2、CNC的组成
2.1CNC装置的组成
2.2CNC的软件系统组成框图
2.3CNC的硬件系统组成框图
3、CNC的工作过程
4CNC的功能
4.1控制功能
4.2插补功能
4.3固定循环加工功能
4.4进给功能
4.5主轴的转速功能
4.6刀具功能及工作台分度功能
4.7辅助功能
4.8补偿功能
5、国内外研究进展
5.1国内外数控技术发展状况
5.2性能发展方向
5.3功能发展方向
5.4体系结构的发展
6、结束语
7、参考文献
摘要
前言
数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成,它是数控机床的大脑。
与普通机床相比,数控机床有如下特点:
●加工精度高,具有稳定的加工质量;
●可进行多坐标的联动,能加工形状复杂的零件;
●加工零件改变时,一般只需要更改数控程序,可节省生产准备时间;
数控折弯机
●机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量,生产率高(一般为普通机床的3~5倍);
●机床自动化程度高,可以减轻劳动强度;
●对操作人员的素质要求较高,对维修人员的技术要求更高。
数控机床一般由下列几个部分组成:
●主机,他是数控机床的主题,包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
他是用于完成各种切削加工的机械部件。
数控机床
●数控装置,是数控机床的核心,包括硬件(印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等)以及相应的软件,用于输入数字化的零件程序,并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
●驱动装置,他是数控机床执行机构的驱动部件,包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。
他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。
当几个进给联动时,可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
●辅助装置,指数控机床的一些必要的配套部件,用以保证数控机床的运行,如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。
它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头,还包括刀具及监控检测装置等。
●编程及其他附属设备,可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来,数控机床在制造工业,特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用,数控技术无论在硬件和软件方面,都有飞速发展
在数控加工中,数控铣削加工最为复杂,需解决的问题也最多。
除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点,伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信
数控机床的构造
号转换成机床移动部件的运动。
具体有以下部分构成:
数控机床的构造
主机
他是数控机床的主体,包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
他是用于完成各种切削加工的机械部件。
数控装置
是数控机床的核心,包括硬件(印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等)以及相应的软件,用于输入数字化的零件程序,并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
驱动装置
他是数控机床执行机构的驱动部件,包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。
他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。
当几个进给联动时,可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
辅助装置
指数控机床的一些必要的配套部件,用以保证数控机床的运行,如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。
它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头,还包括刀具及监控检测装置等。
编程及其他附属设备:
可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
编辑本段分类和应用
按工艺用途分类
金属切削类数控机床,包括数控车床,数控钻床,数控铣床,数控磨床,数控镗床发及加工中心.这些机床都有适
数控机床的构造
用于单件、小批量和多品种和零件加工,具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程度,以及很高的设备柔性。
金属成型类数控机床;这类机床包括数控折弯机,数控组合冲床、数控弯管机、数控回转头压力机等。
数控特种加工机床;这类机床包括数控线(电极)切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机、数控激光切割机床、专用组合机床等。
其他类型的数控设备;非加工设备采用数控技术,如自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。
按运动方式分类
点位控制;点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只能够实现从一个位置到另一个位置的精确运动,在运动和定位过程中不进行任何加工工序。
如数控钻床、数按坐标镗床、数控焊机和数控弯管机等。
直线控制;点位直线控制的特点是机床的运动部件不仅要实现一个坐标位置到另一个位置的精确移动和定位,而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线进给运动。
轮廓控制;轮廓控制数控机床的特点是机床的运动部件能够实现两个坐标轴同时进行联动控制。
它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置,而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量,即要求控制运动轨迹,将零件加工成在平面内的直线、曲线或在空间的曲面。
按控制方式分类
开环控制;即不带位置反馈装置的控制方式。
半闭环控制;指在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置,通过检测伺服电动机的转角间接地
数控车间
检测出运动部件的位移反馈给数控装置的比较器,与输入的指令进行比较,用差值控制运动部件。
闭环控制;是在机床的最终的运动部件的相应位置直接直线或回转式检测装置,将直接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令移量进行比较,用差值控制运动部件,使运动部件严格按实际需要的位移量运动。
按数控制机床的性能分类
经济型数控机床;
中档数控机床;
高档数控机床;
按所用数控装置的构成方式分类
硬线数控系统;
软线数控系统;
1、数控机床的计算机数控系统的结构
⏹1.1一、CNC数控机床
⏹CNC是数控机床的核心。
⏹CNC数控机床由以下几部分组成:
加工程序、输入/输出设备、CNC装置、可编程控制器(PLC)、主轴驱动装置、进给驱动装置和机床。
⏹1.2CNC数控机床的组成框图
11.3CNC数控机床的组成
2、CNC的组成
⏹从自动控制的角度来看,CNC系统是一种位置(轨迹)、速度(还包括电流)控制系统,其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象并使其协调运动的自动控制系统,是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。
⏹从外部特征来看,CNC系统是由硬件(通用硬件和专用硬件)和软件(专用)两大部分组成的。
它们二者是相互支持,不可分割的。
CNC的工作是在硬件的支持下,由软件来实现部分或大部分数控功能。
⏹硬件是基础,软件是灵魂
2.1CNC装置的组成
⏹2.2CNC装置的组成
⏹该平台有以下两方面的含义:
⏹提供CNC系统基本配置的必备功能;
⏹在平台上可以根据用户的要求进行功能设计和开发。
2CNC的硬件系统组成框图
⏹2.3CNC的软件系统组成框图
⏹
3、CNC的工作过程
⏹工作过程就是指在硬件的支持下,软件完成控制功能的过程。
⏹包括:
⏹1.加工程序的输入
⏹2.译码
⏹3.刀具补偿
⏹4.对进给速度进行处理
⏹5.插补
4、CNC的功能
CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。
数控装置的功能包括基本功能和选择功能。
a)基本功能——数控系统基本配置的功能,即必备功能;
b)选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。
4.1控制功能
c)——CNC能控制和能联动控制的进给轴数。
d)CNC的进给轴分类:
1.移动轴(X、Y、Z)和回转轴(A、B、C);
2.基本轴和附加轴(U、V、W)。
e)联动控制轴数越多,CNC系统就越复杂,编程也越困难
准备功能(G功能)
——指令机床动作方式的功能。
如:
基本移动、程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、基准点返回和固定循环等。
4.2插补功能
⏹插补功能
⏹—— 插补功能是数控系统实现零件轮廓(平面或空间)加工轨迹运算的功能。
4.3固定循环加工功能
⏹固定循环功能
⏹—— 固定循环功能是数控系统实现典型加工循环(如:
钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削和切螺纹等)的功能。
4.4进给功能(F功能)
⏹进给功能
⏹—— 进给速度的控制功能。
⏹进给速度——控制刀具相对工件的运动速度,单位为mm/min。
⏹同步进给速度——实现切削速度和进给速度的同步,单位为mm/r。
⏹快速进给速度——一般为进给速度的最高速度,它通过参数设定,用G00指令执行快速。
⏹进给倍率(进给修调率)——人工实时修调预先给定的进给速度。
4.5主轴的转速功能
主轴功能
——数控系统的主轴的控制功能。
主轴转速——主轴转速的控制功能,单位为r/min。
恒线速度控制——刀具切削点的切削速度为恒速的控制功能。
主轴定向控制——主轴周向定位于特定位置控制的功能。
C轴控制——主轴周向任意位置控制的功能。
主轴修调率——人工实时修调预先设定的主轴转速。
4.6刀具功能及工作台分度功能
刀具管理功能
——实现对刀具几何尺寸和寿命的管理功能。
刀具几何尺寸(半径和长度),供刀具补偿功能使用;
刀具寿命是指时间寿命,当刀具寿命到期时,CNC系统将提示用户更换刀具;CNC系统都具有刀具号(T)管理功能,用于标识刀库中的刀具和自动选择加工刀具。
4.7辅助功能(M功能)
辅助功能(M功能)
——用于指令机床辅助操作的功能。
如:
主轴起停、主轴转向、切削液的开关或刀库的起停等。
4.8补偿功能
补偿功能
刀具半径和长度补偿功能:
实现按零件轮廓编制的程序控制刀具中心轨迹的功能。
传动链误差:
包括螺距误差补偿和反向间隙误差补偿功能。
非线性误差补偿功能:
对诸如热变形、静态弹性变形、空间误差以及由刀具磨损所引起的加工误差等,采用AI、专家系统等新技术进行建模,利用模型实施在线补偿。
5、国内外研究进展
PLC的规模及其应用
5.1国内外数控技术发展状况
世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复,曾一度几乎快成为夕阳工业,所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。
90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。
如美国、德国等几大制造商都经过较大变动,从90年代初开始已出现明显的回升,在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。
如德国机床行业从2000年至今已接受3个月以后的订货合同,生产任务饱满。
20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用,计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。
自从1952年美国第1台数控铣床问世至今已经历了50个年头。
数控设备包括:
车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机,形成庞大的数控制造设备家族,每年全世界的产量有10~20万台,产值上百亿美元。
我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段,许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。
但总的来说,技术水平不高,质量不佳,所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整,经历了几年最困难的萧条时期,那时生产能力降到50%,库存超过4个月。
从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场,加强限制进口数控设备的审批,投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关,对数控设备生产起到了很大的促进作用,尤其是在1999年以后,国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金,使数控设备制造市场一派繁荣。
但也反映了下列问题:
(1)低技术水平的产品竞争激烈,互相靠压价促销;
(2)高技术水平、全功能产品主要靠进口;
(3)配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口;
(4)应用技术水平较低,联网技术没有完全推广使用;
(5)自行开发能力较差,相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。
“十五”刚刚开始,国防科工委就明确提出了在军工企业中投入6.8亿元,用于对1.2~1.8万台机床的数控化改造。
数控技术经过50年的2个阶段和6代的发展:
第1阶段:
硬件数控(NC)
第1代:
1952年的电子管
第2代:
1959年晶体管分离元件
第3代:
1965年的小规模集成电路
第2阶段:
软件数控(CNC)
第4代:
1970年的小型计算机
第5代:
1974年的微处理器
第6代:
1990年基于个人PC机(PC-BASEO)
第6代的系统优点主要有:
(1)元器件集成度高,可靠性好,性能高,可靠性已可达到5万小时以上;
(2)基于PC平台,技术进步快,升级换代容易;
(3)提供了开放式基础,可供利用的软、硬件资源丰富,使数控功能扩展到很宽的领域(如CAD、CAM、CAPP,连接网卡、声卡、打印机、摄影机等);
(4)对数控系统生产厂来说,提供了优良的开发环境,简化了硬件。
目前,国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司,1年生产5万套以上系统,占世界市场约40%左右,其次是德国的西门子公司约占15%以上,再次是德海德汉尔,西班牙发格,意大利菲地亚,法国的NUM,日本的三菱、安川。
国产数控系统厂家主要有华中数控、北京航天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等,国产数控生产厂家规模都较小,年产都还没有超过300~400套。
近10年数控机床为适应加工技术发展,在以下几个技术领域都有巨大进步。
(1)高速化
由于高速加工技术普及,机床普遍提高各方面速度,车床主轴转速由3000~4000r/min提高到8000~10000r/min,铣床和加工中心主轴转速由4000~8000r/min提高到12000r/min、24000r/min、40000r/min以上快速移动速度由过去的10~20m/min提高到48m/min、60m/min、80m/min、120m/min在提高速度的同时要求提高运动部件起动的加速度,其已由过去一般机床的0.5G(重力加速度)提高到1.5~2G,最高可达15G,直线电机在机床上开始使用,主轴上大量采用内装式主轴电机。
(2)高精度化
数控机床的定位精度已由一般的0.01~0.02mm提高到0.008mm左右,亚微米级机床达到0.0005mm左右,纳米级机床达到0.005~0.01μm,最小分辨率为1nm(0.000001mm)的数控系统和机床已有产品。
数控中两轴以上插补技术大大提高,纳米级插补使两轴联动出的圆弧都可以达到1μ的圆度,插补前多程序段预读,大大提高插补质量,并可进行自动拐角处理等。
(3)复合加工、新结构机床大量出现
如5轴5面体复合加工机床,5轴5联动加工各类异形零件。
也派生出各新颖的机床结构,包括6轴虚拟轴机床,串并联铰链机床等。
采用特殊机械结构,数控的特殊运算方式,特殊编程要求。
(4)使用各种高效特殊功能的刀具使数控机床“如虎添翼”。
如内冷钻头由于使高压冷却液直接冷却钻头切削刃和排除切屑,在钻深孔时大大提高效率。
加工钢件切削速度能达1000m/min,加工铝件能达5000m/min。
(5)数控机床的开放性和联网管理,已是使用数控机床的基本要求,它不仅是提高数控机床开动率、生产率的必要手段,而且是企业合理化、最佳化利用这些制造手段的方法。
因此,计算机集成制造、网络制造、异地诊断、虚拟制造、异行工程等等各种新技术都在数控机床基础上发展起来,这必然成为21世纪制造业发展的一个主要潮流。
5.2性能发展方向
(1)高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。
由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统,同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施,机床的高速高精高效化已大大提高。
(2)柔性化包含两方面:
数控系统本身的柔性,数控系统采用模块化设计,功能覆盖面大,可裁剪性强,便于满足不同用户的需求;群控系统的柔性,同一群控系统能依据不同生产流程的要求,使物料流和信息流自动进行动态调整,从而最大限度地发挥群控系统的效能。
(3)工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工,正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。
数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后,通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施,完成多工序、多表面的复合加工。
数控技术轴,西门子880系统控制轴数可达24轴。
(4)实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境,其作用是如何调度任务,以确保任务在规定期限内完成。
而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。
科学技术发展到今天,实时系统和人工智能相互结合,人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展,而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展,由此产生了实时智能控制这一新的领域。
在数控技术领域,实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展:
自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。
例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统,在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能,在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制,使数控系统的控制性能大大提高,从而达到最佳控制的目的。
5.3功能发展方向
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。
至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。
PC机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统。
远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍。
向高速化和高精度化发展
这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
向智能化方向发展
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度将不断提高。
(1)应用自适应控制技术
数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数,达到改进系统运行状态的目的。
(2)引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中,以工艺参数数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。
(3)引入故障诊断专家系统
(4)智能化数字伺服驱动装置
可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行
5.3体系结构的发展
)集成化采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片,可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。
应用FPD平板显示技术,可提高显示器性能。
平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点,可实现超大尺寸显示,成为和CRT抗衡的新兴显示技术,是21世纪显示技术的主流。
应用先进封装和互连技术,将半导体和表面安装技术融为一体。
通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格,改进性能,减小组件尺寸,提高系统的可靠性。
(2)模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。
根据不同的功能需求,将基本模块,如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块,作成标准的系列化产品,通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减,构成不同档次的数控系统。
(3)网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。
通过机床联网,可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行,不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。
(4)通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构,便于裁剪、扩展和升级,可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。
闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。
由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程,包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素,因此,要实现加工过程的多目标优化,必须采用多变量的闭环控制,在实时加工过程中动态调整加工过程变量。
加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式,易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体,构成严密的制造过程闭环控制体系,从而实现集成化、智能化、网络化
6、结束语
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。
至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。
PC机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统。
远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍。
数控技术和数控机床是制造业现代化的基础,是一个国家综合国力的重要体现。
我国在从制造大国向制造强国转变的过程中,大力发展数控技术具有重要意义。
7、参考文献
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机械工业出版社,2003
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国防工业出版社,2002
[5]严爱珍.机床数控原理与系统.北京:
机械工业出版社,1999
[6]高学山《光机电一体化系统典型实例》
[7]林宋田建军《现代数控机床——光机电一体化丛书》
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