第一章数控机床概述.docx
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第一章数控机床概述
1数控机床概述
1.1数控技术的基本概念
设备的操作、编程、维护以及生产组织和管理等方面工作的高等技术应用型人才。
而职业教育承担着培养技术、技能型人才的重要责任。
据悉,教育部、劳动保障部、国防科工委、信息产业部、交通部、卫生部等6部门23日共同启动了“制造业和现代服务业技能型紧缺人才培养培训工程”,以缓解劳动力市场上技能型人才的紧缺状况,提高职业教育对社会根据教育部等部门调查研究和分析预测,我国劳动力市场技能型人才短缺问题在数控技术应用、计算机应用与软件技术、汽车运用与维修、护理等4个专业领域尤为突出。
走新型工业化道路,不仅需要一大批拔尖创新人才,也需要数以千万计的专门人才和数以亿计的高素质劳动者。
调查表明,我国要成为“世界工厂”,需要培训和造就数十万数控技术应用领域的操作人员、编程人员和维修人员;虽然我国制造业已开始广泛使用先进的数控技术,但掌握数控技术的机电复合型人才奇缺,其中仅数控机床的操作、编程、维修人员就短缺60多万人。
因此我们需要培养能在数控技术领域面向数控加工、模具设计与制造、CAD/CAM技术等多个不同方向发展,在生产第一线从事数控和企业需求的反应能力,促进整个职业教育事业的改革与发展。
因此学好数控技术对今后的就业非常重要。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品,即所谓的数字化装备,其技术范围覆盖很多领域:
(1)机械制造技术;
(2)信息处理、加工、传输技术;(3)自动控制技术;(4)伺服驱动技术;(5)传感器技术;(6)软件技术等。
一.数控NC--数字控制(NumericalControl)
它是指用数字化信号对机床运动及其加工过程中进行控制的一种方法。
(1)数字化信号(01010010)
(2)模拟量信号(~)
(3)开关量信号(0、1,主轴正反转、刀架正反转、冷却液开关)由PLC控制
NC数控又名硬线数控。
二.数控机床(NCMachine)
数控装备是指应用数控技术对工作机械的工作过程进行控制的装备。
当然,数控技术应用最早、最成功的应用行业是制造业,最典型的代表是数控机床,现在数控技术的已广泛应用于国民经济各行业(如轻工、农业、能源、交通、材料、医疗、环保、信息、国防工业等)的生产装备和成套技术装备。
例如制造行业(工业机器人等)、医疗诊断治疗设备(CT机、γ刀治疗机的等)、电子制造行业(键合机、光刻机的等)、轻工行业(多色印刷机、木工机械等)都是各行业典型的数控装备。
数控机床是一种装有程序控制系统(数控系统)的高效自动化机床。
该系统能逻辑的处理具有特定代码和其它符号编码指令规定的程序。
它综合了计算机、自动控制、精密测量、机床机构设计与制造等方面的最新成果。
具体地说,凡是将刀具相对于工件的移动轨迹和相关的工艺信息用代码进行编程,然后送入数控系统经过数字运算、处理,并通过高性能的驱动单元控制机床的刀具与工件的相对运动,加工出所需工件的一类机床即为数控机床。
进入21世纪,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争的压力。
科学技术和社会生产的不断发展,对机加工的生产设备提出了三高(高性能、高精度、和高自动化)的要求。
在机械产品中单件和小批量产品占70%-80%,一般采用通用机床加工,但自动化程度不高,生产效率和产品质量难保证。
大批大量生产的产品多采用专用机床、组合机床和专用自动化机床,但专用生产设备使用的柔性很差。
现代机械产品的一些关键零部件精密复杂、加工批量小、改变频繁,不能用以上方法解决。
为了解决上述问题,一种新型的数字程序控制机床应运而生。
世界上第一台数控机床是1952年美国帕森斯parsons公司和麻省理工学院MI.T合作研制成功的三坐标数控铣床,它用来加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。
数控机床的产生使机械制造业的发展进入了一个新的阶段。
与普通机床相比,数控机床取代了手工操作,都可由数控系统在程序控制下自动完成。
当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。
数控化率:
我国:
是全世界机床拥有量最多的国家(近300万台)
数控化率仅达到1.9%左右,
西方:
20%
日本:
不到80万台的机床却有近10倍于我国的制造能力。
数控化率低,已有数控机床利用率、开动率低,这是发展我国21世纪制造业必须首先解决的最主要问题。
年产量:
我国:
3000~4000台/每年
日本:
5万多台/每年
我国十几亿美元进口7000~9000台/每年
即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。
因此,国家计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针,在“九五”期间,我协会也曾做过调研。
当时提出数控化改造的设备可达8~10万台,需投入80~100亿资金,但得到的经济效益将是投入的5~10倍以上。
因此,这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现。
三.数控系统(NCSystem)
数控设备的数据处理和控制电路以及伺服机构等系统称数字控制系统。
它能逻辑的处理输入到系统中具有特定代码的程序,并将其译码,从而使机床运动并加工零件,它由程序输入、输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴进给及驱动装置等组成。
数控技术经过50年的6代和2个阶段的发展:
第1阶段:
硬件数控(NCNumericalcontrol)
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(CNCComputerNumericalcontrol)
第4代:
1970年的小型计算机(CNC)
第5代:
1974年的微处理器(MNC)
第6代:
1990年基于PC平台的数控系统(PC-NC)
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NUC,日本的三菱。
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。
图1.1.119世纪铣床
四.计算机数控(CNC,ComputerNumericalControl)系统
由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、计算机数字控制装置(CNC装置)、可编程控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给驱动装置等部分组成。
图1.1.2CNC系统原理
开放式的CNC系统:
一个开放式系统应保证使开发的应用软件能在不同厂商提供的不同的软硬件平台上运行,且能与其他软件系统协调工作。
开放式的CNC系统特征:
1)对于使用者是开放的
2)对于机床制造商是开放的
3)对于硬件的选择是开放的
4)对于主轴及进给驱动系统是开放的
5)对于数据传输及交换等是开放的
图1.1.3
开放式的CNC系统特点:
1)系统结构简单
2)用户操作命令接近自然语言
3)使用与人机对话编程
4)容易与计算机网络系统互联
5)容易与CAD/CAM系统集成
第七代数控系统:
基于Web的CNC系统(远程CNC系统)、智能CNC系统、CAD/CAM集成CNC系统
五.数控程序(NCProgram)
输入数控系统中的、使数控机床执行一个确定的加工任务的、具有特定代码和其它符号编码的一系列指令。
六.数控编程
数控编程:
将零件的加工信息编制成数控机床能识别的代码。
在数控机床上加工零件时,要把加工零件的全部工艺过程、工艺参数和位移数据,以信息的形式记录在控制介质上,用控制介质上的信息来控制机床,实现零件的全部加工过程。
从分析零件图纸到获得数控机床所需控制介质的全部过程,即称之为数控编程。
七.数控加工
数控机床加工零件时,首先要将零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序,并输入到数控系统中,经过计算机的处理运算,向机床各坐标的伺服系统及辅助装置发出指令,驱动机床有序的动作与操作,实现刀具与工件的相对运动,加工出所要求的零件。
图1.1.4
1.2数控机床的组成
图1.1.5数控机床的组成
数控机床是利用数字控制技术,按照预先编制好的程序实现加工运行的自动化设备。
由五大部分组成:
1.信息输入
信息输入时将加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送到数控装置,输入方式有穿孔纸带、键盘(MDI)、磁盘等。
2.数控装置
是一种专用的计算机,是整个数控机床数控系统的核心。
程序由输入装置将加工信息传给数控系统,通过编译形成计算机能识别的信息,信息处理后通过输出单元发出速度和位置控制指令给伺服系统。
3.伺服驱动及检测装置
是数控机床的关键部分。
伺服系统包括驱动与执行部分,驱动部分接收机算机运行处理后分配来的信号,经调解、转换、放大以后去驱动伺服电机,带动机床执行部件运动,进行严格的速度和位置反馈控制。
4.机床本体
包括机床主机与辅助装置。
机床主体是直接完成各种切削加工运动的机械部分,包括支撑部分(床身、立柱等)、主运动部件(主轴箱)、进给运动部件(工作滑台及刀架)等。
辅助装置如:
液压系统、气动系统、润滑系统、冷却派屑系统等。
5.机电接口
数控机床除了实现加工零件的数字控制外,还有许多功能由可编程控制器(PLC)来完成的逻辑顺序控制。
如:
自动换刀、冷却液开关等是由强电线路提供的,经过接口电路转换成PLC可接受的信号。
数控机床的组成:
控制信息(程序)-数控装置(译码、运算、控制)-伺服装置(驱动、电机、测量反馈)-机床本体-辅助装置
一般由CNC系统、伺服系统、机械系统三大部分组成。
1.2.1CNC系统
是CNC机床的核心。
图1.2.1CNC系统的组成框图
CNC系统核心是计算机数字控制装置(CNC装置),实质上是一种专用的计算机,除计算机一般的结构外,还有和数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。
其由硬件(数控系统本体器件)和软件(系统控制程序如编译、中断、诊断、管理、刀补、插补等)组成。
系统中的一种功能,可用硬件电路实现,也可用软件实现。
新一代的CNC系统,大都是采用软件来实现数控系统的绝大部分功能。
要增加或更新系统功能时,则只需要更换控制软件即可,因此CNC系统较之NC系统具有更好的通用性和灵活性。
一.CNC系统的工作过程
图1.2.2
1.正常工作前的准备工作
在接通电源后,CNC装置将对数控系统及数控机床的各组成部分的工作状态进行检查和诊断,并设置初始状态。
2.零件加工控制信息的输入
CNC系统具备了正常工作条件后,开始输入零件加工程序、刀具长度补偿数值、刀具半径补偿数值以及工件坐标系原点相对机床原点的坐标值。
有两种不同的输入方式:
一种是边输入边加工,DNC(直接数字控制系统:
使用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统)属于此方式;另一种是CNC系统对数控设备进行自动控制所需的各种外部控制信息及加工数据,通过输入设备存入CNC装置的存储器中,它主要有两个任务,一个任务是从光电阅读机或键盘输入零件加工程序,并将其存放在零件程序存储器中;另一任务是从零件程序存储器中把零件程序逐段往外调出,送入缓冲区,以便译码时使用。
3.译码
加工控制信息输入后,启动加工运行,此时CNC装置在系统控制程序的作用下,对数控程序进行预处理,即进行译码和预计算(刀补计算、坐标变换等)。
所谓译码就是将输入的程序段按照一定的规则翻译成数控系统能够识别的数据形式,并按约定的形式存放在指定的译码结果缓冲器中。
具体来讲,就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器逐个读入字符,先识别出其中的文字码和数字码,然后根据文字码代表的功能,将后续数字码送到相应的译码结果缓冲器单元中,可见,译码主要包括代码识别和功能解释两大部分。
数控加工程序存储器:
用于存放整个数控加工程序,当存储有多个加工程序时,一般在存储器中开辟一个目录区。
数控加工程序缓冲器:
只能存放一个或几个程序数据段,规模较小。
是数控加工程序输入通路的重要组成部分。
图1.2.3
4.刀具补偿
包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。
通常编程时直接按照零件图纸的实际轮廓大小编写,刀具补偿的作用就是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。
5.进给速度处理
速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动。
编程指令给出的速度是在各坐标合成方向上的速度,进给速度处理首先要根据合成速度计算各坐标方向上的分速度。
速度控制程序根据给定的速度值控制插补运算的频率,以保证预定的进给速度。
在速度变化较大时,需要进行自动加减速控制,以避免因速度突变而造成驱动系统失步。
另外,诸如换刀、主轴启停、切削液开停等辅助功能也在此程序中处理。
6.插补
在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间,按一定的算法进行“数据点的密化”工作。
CNC系统根据零件加工程序中提供的数据,如线段轨迹的种类、起点、终点坐标等进行运算。
根据运算结果,分别向各坐标轴发出进给脉冲。
进给脉冲通过伺服系统驱动工作台或刀具做相应的运动,完成程序规定的加工任务。
CNC系统是一边进行插补运算、一边进行加工,是一种典型的实时控制方式,所以插补运算的快慢直接影响机床的进给速度,因此尽可能地缩短运算时间,是插补运算程序的关键。
7.管理程序
管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。
管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。
有的管理程序可以使多道程序并行工作,如在插补运算与速度控制的空闲时间进行数据输入处理,即调用各种功能子程序,完成下一数据段的读入、译码和数据处理工作,并且保证在数据段加工过程中将下一数据段准备完毕,一旦本数据段加工完毕就立即开始下一数据段的插补加工。
8.位置控制
在伺服系统的位置环上。
可由软件或硬件完成。
主要任务是在每个采样周期内,将插补计算出的指令位置与实际位置相比较,获得差值去控制进给伺服电机。
9.I/O处理
处理CNC系统与机床之间的强电信号输入、输出和控制,如换刀、换档、冷却等。
10.显示
为操作者提供方便,有零件程序显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。
11.诊断
诊断的功能是在程序运行中及时发现系统的故障,并指出故障的类型。
也可以在运行前或故障发生后,检查系统各主要部件(如CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等)的功能是否正常,并指出发生故障的部位。
有联机和脱机诊断功能。
二.CNC系统的主要功能P4
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。
基本功能——数控系统基本配置的功能,即必备功能;
选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。
1.基本功能
1)控制功能——CNC能控制和能联动控制的进给轴数。
CNC的进给轴分类:
移动轴(X、Y、Z)和回转轴(A、B、C);基本轴和附加轴(U、V、W)。
联动控制轴数越多,CNC系统就越复杂,编程也越困难。
2)准备功能(G功能)——指定机床动作方式的功能。
G+两位数字,G00~G99共100种
3)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)进给功能
进给功能用F直接指令各轴的进给速度。
切削进给速度——控制刀具相对工件的运动速度,用F和其后的数字指定,单位为mm/min。
同步进给速度——以主轴每转进给量规定的进给速度,实现切削速度和进给速度的同步,单位为mm/r。
进给倍率(进给修调率)——人工实时修调预先给定的进给速度。
设置在操作面板上,可在0%~200%之间变化,每档间隔10%。
使用倍率开关不用修改程序中的代码,就可改变机床的进给速度。
5)主轴功能——数控系统的主轴转速的功能。
用S+数值组成
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,可以不修改程序。
6)辅助功能(M功能)——用于指令机床辅助操作的功能
7)刀具管理功能——用来选择刀具,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。
8)字符图形显示功能
9)自诊断功能----CNC自动实现故障预报和故障定位的功能。
开机自诊断;在线自诊断;离线自诊断;远程通讯诊断
10)通信及联网功能用于实现程序的传输、DNC(计算机直接数字控制系统)、分布式的计算机数控、制造自动化协议(MAP)
2.选择功能
1)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。
传动链误差补偿功能:
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。
2)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
3)人机对话功能
在CNC装置中这类功能有:
a)菜单结构操作界面;
b)零件加工程序的编辑环境;
c)系统和机床参数、状态、故障信息的显示、查询或修改画面等。
1.2.2伺服系统
伺服系统包括驱动部分和执行机构两大部分。
伺服系统(驱动系统)主要指数控设备的主轴伺服控制和进给伺服控制,是CNC系统的执行部分。
伺服系统的作用是把来自CNC装置的各种指令(脉冲信号),转换成数控设备移动部件的运动。
伺服系统的功能包括位置控制和速度控制。
伺服系统的性能,在很大程度上决定了数控机床的性能。
例如,数控机床的最高运动速度、插补精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的位置与速度控制系统的性能。
因此,研究与开发高性能的伺服控制系统,一直是数控机床研究与开发的关键技术之一。
1)伺服系统的功能——对数控机床移动部件的位置和速度进行控制
2)构成
3)分类
一、进给伺服系统
控制机床各坐标轴的切削进给运动,是数控机床的进给运动执行部分,包括位置控制单元、速度控制单元、执行电动机、测量反馈单元等部分,它接受计算机发来的各种动作命令,去动执行电动机运动。
执行电动机可以是步进电机、电液马达、直流伺服电动机或交流伺服电动机。
组成如图,其性能好坏直接影响数控机床加工精度和生产效率。
图1.2.4
进给伺服系统的速度控制系统(或驱动系统)是由执行机构(例如交流伺服电动机、直流伺服电动机及速度检测元件)和速度控制单元所组成。
它的职能是提供切削过程中需要的转矩和功率,可以任意调节运转速度。
进给伺服系统的位置控制系统又分为开环控制系统和闭环控制系统两种。
开环控制不需要位置检测及反馈,闭环控制需要位置检测及反馈。
位置控制的职能是精确地控制机床运动部件的坐标位置,快速而准确地跟踪指令运动。
闭环位置控制系统又称为位置伺服系统,它是基于反馈控制原理工作的,即把被控变量与输入的指令值进行比较,以形成误差值,并用此误差来控制伺服机构向着消除误差的方向运转(负反馈),最终使得输出等于输入。
为了进行反馈,就需要有检测元件。
检测元件的功能是对被控变量进行检测与信号变换,使之变成与指令信号可比较的形式,以达到进行控制的目的。
数控机床位置控制系统的一般结构如图1.2.5所示。
这是一个双闭环系统,内环是速度环,外环是位置环。
用于速度反馈的检测元件,通常为测速发电机。
速度控制单元是一个独立的单元部件,它由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等部分组成。
图1.2.5
位置环由CNC系统中的位置控制模块与速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。
位置控制主要是对数控机床进给运动的坐标位置进行控制,例如,工作台前后左右移动、主轴箱的上下移动、围绕某一个直线轴的旋转运动等。
多轴控制是数控机床上要求最高的位置控制,不仅对单个轴的运动速度和精度的控制有严格要求,而且在多轴联动时,还要求各移动轴有很好的动态配合。
否则,会影响加工效率、加工精度和表面粗糙度。
如果按执行机构的动作原理分类,可以把位置控制系统分为电液控制系统和电控制系统:
开环系统分为电液脉冲马达驱动的电液控制系统和功率步进电动机驱动的全电气位置控制系统;闭环系统分为电液伺服系统和全电气的直流、交流伺服系统。
早期的数控机床,尤其是大中型数控机床采用电液伺服系统驱动的较多。
它是由电液伺服阀、低速大转矩液压马达或液压缸及位置检测与反馈控制等部分组成。
该系统的优点是功率大,响应快,低速性能好,传动刚度和精度也比较好:
缺点是占地面积大,噪声大,效率较低,对油的质量要求高。
全电气的伺服系统:
又有直流(DC)和交流(AC)之分。
直流伺服系统,从20世纪70年代到80年代中期在数控机床上占主导地位。
当时直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能,输出转矩大,过载能力强,由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当,因而构成闭环后易于调整。
为了适应一部分数控机床频繁起动、制动及快速定位的要求,又发展了直流中小惯量的伺服电动机和大功率晶体管脉宽调制(PWM)驱动装置。
到了80年代以后,由于交流伺服电动机的材料、结构、控制理论及方法均有突破性进展,使交流伺服系统发展很快,逐渐取代了直流伺服系统。
交流伺服系统的最大优点是维护、制造成本低,适合在较恶劣的环境中使用。
交流伺服系统向数字化方向发展是适应高速、高精度机械系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化伺服系统的所有控制模型和动态补偿均由高速微处理器及其控制软件进行实时处理,采样周期只有零点几毫秒。
采用前馈与反馈结合的复合控制实现高精度和高速度。
近来又出现了学习控制这种智能型的伺服控制,在周期性的高速、高精度跟踪中,几乎可以消除第一个周期以外的全部伺服误差。
交流数字伺服系统是现代数控机床伺服系统的发展趋势。
二、主轴伺服系统概述
控制机床主轴的旋转运动,是数控机床主轴运动的控制部分,包括主轴控制单元、主轴电动机、测量反馈单元等部分。
对主轴的控制要求是在很宽的范围内速度连续可调,并在每一种速度下均能提供足够的切削能力。
在某些高性能的CNC机床和加工中心上还要求主轴位置可任意控制(即C轴位置控制),且具有准停功能,即要求主轴能停止在一个准确的位置,供自动换刀用。
在加工中心上有刀具位置控制。
刀库装有许多把不同类型的刀具,供加工选用。
为了能任意选择刀库不同位置上的刀具,需要有位置控制,以控制刀库准确停在要选用的刀具位置上。
刀具位置控制与轴控制相比,精度要低得多,故称为简易位置控制。
三、数控机床对伺服系统的要求
根据切削加工的特点,数控机床对进给伺服系统有如下要求:
1)调速范围宽:
转速在较大范围内有良好的稳定性。
一般速比应大于1:
10000,当速度低达0.1r/min时仍应有平稳的速度。
2)负载能力强:
切削中受负载冲击时,系统的速度应基本不变。
即使在低速时,也应有足够的负载能力。
3)反应速度快:
反应速度直接影响到系统品质,对电动机来说,要求
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