数控机床绪论讲义.pptx
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数控机床绪论讲义.pptx
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,机床数控原理及应用,主讲:
王润孝教授,课程内容,绪论插补与刀补计算原理CNC系统结构及控制方法检测装置数控机床的伺服驱动系统数控机床的故障诊断,1.理论部分,课程内容,CAD-CAMNC加工简易数控系统数控编程加工,2.实验部分插补算法实验课程实步进式伺服系统验检测元件原理,综合实验,教材及参考书,选用教材:
机床数控原理与系统西工大出版社王润孝秦现生主编参考书目:
计算机数控(CNC)系统西工大出版社彭炎午主编现代数控机床机械工业出版社毕承恩丁乃建编著,1-1绪论,一、示例,普通车床,数控车床,加工圆柱,普通车床加工,普通车床的操作,数控车床加工,QT200全功能数控车床8位转塔刀台/8位,并联机床,并联运动机构,二、数控机床的定义,数控:
(NumericalControl,NC)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。
数控机床:
用数控技术控制的机床称为数控机床。
二、数控机床的定义,数控机床的一般工作形式为:
三、数控机床的组成,数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量装置和机床本体组成。
三、数控机床的组成,1、控制介质人和数控机床联系的媒介物。
(也称程序介质、输入介质、信息载体)控制介质可以是穿孔带,也可以是穿孔卡、磁带、磁盘或其他可以储存代码的载体,有些直接集成在CAD/CAM中。
三、数控机床的组成,2、数控装置数控装置是数控机床的中枢,在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。
数控装置接收输入介质的信息,并将其代码加以识别、储存、运算,输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统,进而控制机床动作。
在计算机数控机床中,由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元,因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。
三、数控机床的组成,3、伺服系统其作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动,包括信号放大和驱动元件。
其性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。
脉冲当量相对于每个脉冲信号,机床移动部件的位移,常见的有:
0.01mm,0.005mm,0.001mm,三、数控机床的组成,步进电机,直流伺服电机,常用的伺服元件,常用的检测元件,交流伺服电机编码盘,磁珊,光栅,三、数控机床的组成,4、机床早期采用通用车床,现在采用了新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的技术使其发生了很大的变化。
目前已模块化生产,分为六大块数控系统主轴单元数控刀架和转台滚动部件刀库和机械手高速防护罩,四、数控机床的工作原理,数控机床加工零件,首先要将被加工零件的图样及工艺信息数字化,用规定的代码和程序格式编写加工程序,然后将所编写的程序指令输入到机床的数控装置中.数控装置再将程序(代码)进行译码、运算,向机床各个坐标的伺服机构和辅助控制装置发出信号,驱动机床各运动部件,控制所需要的运动,最后加工出合格零件。
四、数控机床的工作原理,从自动控制的角度来看,计算机数控(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。
四、数控机床的工作原理,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。
五、数控机床的分类,数控机床规格繁多,据不完全统计已有400多个品种规格。
可以按照多种原则来进行分类。
但归纳起来,常见的是以下面4种方法来分类的。
按工艺用途分类按运动轨迹分类按伺服系统的控制方式分类按数控装置分类,1.按工艺用途分类,一般数控机床:
车铣镗钻磨等,功能与通用机床相似;但是可以加工复杂形状的零件。
数控加工中心:
在数控铣、镗、钻床的基础上增加了自动换刀装置。
带刀库,一次装夹后可完成多工序加工。
多坐标数控机床:
坐标轴大于3,能加工复杂形状零件。
2.按运动轨迹分类,点位控制数控机床:
点点位置精确控制,保证的是定位精度,以慢快慢的运动方式如:
钻床、冲床、测量机等如图点位直线控制数控机床:
位置控制+速度和路线控制,只能沿某个坐标轴方向(平行或45)切削加工轮廓控制数控机床:
每点的位置+速度+路线控制,可对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制,按运动轨迹分类,点位控制钻孔加工,工件,刀具,A,B,按运动轨迹分类,点位直线控制切削加工,按运动轨迹分类,工件,刀具,轮廓控制加工,3.按伺服系统的控制方式分类,开环控制数控机床闭环控制数控机床半闭环控制数控机床,
(1)开环控制数控机床,数控装置,控制电路,工作台,输入,开环控制系统框图,步进电机,减速器,
(2)闭环控制数控机床,工作台,输入,闭环控制系统框图,位置检测元件,位置反馈,(3)半闭环控制数控机床,数控装置,控制电路,伺服电机,工作台,输入,速度检测元件,速度反馈,转角检测元件位置反馈半闭环控制系统框图,4.按数控装置分类,硬件数控机床(NC)速度快,但功能扩展性和灵活性差软件控制数控机床(CNC)主要功能由软件实现,软件模块化,便于扩展,六、数控机床的特点及优势,1.设计特点采用了高性能的主轴及伺服传动系统,机械结构得到简化,传动链较短;为了使连续性自动化加工,机械结构具有较高的动态刚度及耐磨性,热变形小;更多的采用高效率、高精度的传动部件,如滚珠丝杠、直线滚动导轨等;加工中心带有刀库、自动换刀装置采用辅助装置:
冷却、排屑、防护、润滑、储运等装置,七、数控机床的特点及优势,优势适应性强,适合加工单件小批量、复杂零件加工零件一致性好、重复精度高高自动化、高效率只要改变程序就可改变加工件,不需要大量复杂工装夹具可以采用复合工艺有利于生产管理的现代化,七、数控机床的应用,经过多年的发展,已形成种类繁多的CNC系统,应用范围也日益广泛。
主要包括:
金属切削金属成型特种加工其它类型,数控车床,数控铣床,数控钻床,加工中心,数控雕刻机床,三座标测量机,数控电火花成型机,快速成型设备,数控多工位冲床,数控弯管机,数控卷簧机,1-2数控机床的产生和发展,一、数控机床的产生在汽车、拖拉机等大量生产的工业部门中,大都采用自动机床、组合机床和自动线。
但这种设备的第一次投资费用大,生产准备时间长,这与改型频繁、精度要求高、零件形状复杂的舰船和宇航,以及其他国防工业的要求不相适应。
如果采用仿形机床,则要制造靠模,不仅生产周期长,精度亦受限制。
1-2数控机床的产生和发展,第二次世界大战以后,美国为了加速飞机工业的发展,要求革新一种样板加工的设备。
1948年,美国帕森斯(Parsons)公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检查用样板的机床时,提出了数控机床的初始设想。
1-2数控机床的产生和发展,1952年,美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了世界上第一台数控机床。
半个世纪以来,数控技术得到了迅猛的发展,加工精度和生产效率不断提高。
数控机床的发展至今已经历了两个阶段和六代。
1-2数控机床的产生和发展,二、发展及趋势1952年的第一代电子管数控机床1959年的第二代晶体管数控机床1965年的第三代集成电路数控机床1970年的第四代小型计算机数控机床1974年的第五代微型计算机数控系统1990年的第六代基于PC的数控机床,1-2数控机床的产生和发展,随着计算机技术的发展,数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就,使其朝着下述方向发展。
高速、高效、高精度控制智能化网络化数控系统开放化并联机床STEP-NC,1-2数控机床的产生和发展,1.加工高速化、高精度化加工高速化高速CPU芯片主轴高速化,采用电主轴采用全数字交流伺服机床动、静态性能的改善,1-2数控机床的产生和发展,在分辨率为1m时,快进速度达240m/min,可获得复杂型面的精确加工加速度达2g主轴转速已达200,000rpm换刀速度少于1s,1-2数控机床的产生和发展,2)加工高精度化提高机械的制造和装配精度;采用高速插补技术,以微小程序段实现连续进给,使CNC控制单位精细化采用高分辨率位置检测装置,提高位置检测精度(日本交流伺服电机已有装上1000000脉冲/转的内藏位置检测器,其位置检测精度能达到0.01m/脉冲)位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法,1-2数控机床的产生和发展,采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术设备的热变形误差补偿和空间误差的综合补偿技术。
研究表明,综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少6080。
1-2数控机床的产生和发展,2.控制智能化随着人工智能技术的不断发展,为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求,数控技术智能化程度不断提高,体现在:
加工过程自适应控制技术:
通过监测主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息,辩识出刀具的受力、磨损以及破损状态,机床加工的稳定性状态;并实时修调加工参数(主轴转速,进给速度)和加工指令,使设备处于最佳运行状态,以提高加工精度、降低工件表面粗糙度以及保证设备运行的安全性,1-2数控机床的产生和发展,加工参数的智能优化:
将零件加工的一般规律、特殊工艺经验,用现代智能方法,构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择”,获得优化的加工参数,提高编程效率和加工工艺水平,缩短生产准备时间。
使加工系统始终处于较合理和较经济的工作状态。
智能化交流伺服驱动装置:
自动识别负载、自动调整控制参数,包括智能主轴和智能化进给伺服装置,使驱动系统获得最佳运行。
1-2数控机床的产生和发展,智能故障诊断与自修复技术智能故障诊断技术:
根据已有的故障信息,应用现代智能方法,实现故障快速准确定位。
智能故障自修复技术:
根据诊断故障原因和部位,以自动排除故障或指导故障的排除技术。
集故障自诊断、自排除、自恢复、自调节于一体,贯穿于全生命周期。
智能故障诊断技术在有些数控系统中已有应用,智能化自修复技术还在研究之中。
1-2数控机床的产生和发展,3.加工网络化数控系统网络化是先进制造模式的要求,数控机床作为网络中的一个节点,有助于解决自动化孤岛问题。
支持网络通讯协议,既满足单机DNC需要,又能满足FMC、FMS、CIMS、敏捷制造对基层设备集成要求。
网络资源共享。
数控机床的远程(网络)控制。
数控机床故障的远程(网络)诊断。
数控机床的远程(网络)培训与教学(网络数控),1-2数控机床的产生和发展,数控系统中采用网络与光纤通讯技术实现运动和I/O的控制是数控技术的发展方向。
由于技术封锁等原因,各系统中光纤通讯采用的协议没有兼容性和互换性,要求伺服驱动器以及I/O模块必须具有相应协议的光纤通讯接口,这样的系统软硬件开放性较差,而且系统的成本也较高。
网络通讯协议:
德国Intrtamat的SERCOS、美国DELTATAU的Mcro-Link、日本FANUC的SERVO-Link、日本三菱的Tro-Link,还有ARCNET、CANBus、Profibus、USB、IEEE1394。
1-2数控机床的产生和发展,4.数控系统的开放化1)传统数控系统的特点由生产厂家支配价格和结构,各种接口不能通用。
功能集成停止在微电子技术的应用上,而不是针对开放式的生产环境和功能。
对于不同的产品,操作、维护方法都必须进行相应的培训。
对于使用者,控制器成为黑盒子无法自行修改更新。
1-2数控机床的产生和发展,由于传统数控系统的局限性,为满足现代化生产的要求,数控系统需要具有:
开放性:
可重构性、可维护性、允许用户进行二次开发模块化:
具有平台无关性接口协议:
可传递性、可移植性可进化性:
智能化语言统一化:
中性语言NML:
FADL、OSEL,1-2数控机床的产生和发展,2)开放化数控系统的概念数控系统可以在统一的运行平台上开发,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁数控功能,形成系列化
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