数控原理与系统课件1章

数控原理与系统第1章数控系统概述●1.1数控系统的基本概念●1.2机床数控系统的分类●1.3现代数控系统的发展趋势1.1数控系统的基本概念数控：数字控制（NumericalControl，NC）是一种自动控制技术，是用数字化信息（指令）对机械运动及加工过程实现控制的一种方法。计算机数控：（ComputerizedNumericalcontrol，CNC）采用电子计算机来完成主要的数字控制任务。1.1数控系统的基本概念数字控制是相对于模拟控制而言的。数字控制系统中的控制信息是数字量，其变化在时间上和数量上都是不连续的；模拟控制系统中的控制信息是模拟量，其变化无论是在时间上还是在数量上都是连续的。数字控制与模拟控制相比有许多优点。1.1数控系统的基本概念数控系统（NumericalControlSystem）是一种控制系统，它自动输入载体上事先给定的数字量，并将其译码，在进行必要的信息处理和运算后，控制机床动作和加工零件。数控系统是用来实现机械运动及加工过程数字化信息控制的硬件和软件的总和。1.1数控系统的基本概念专用硬件数控系统（NC）：由数字逻辑电路构成，已逐渐被淘汰。计算机数控系统(CNC)：取代NC的是CNC系统。CNC是由计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控系统。1.1数控系统的基本概念数控机床（NC机床）：采用数控技术进行控制的各类加工机床，统称为数控机床。数控机床：是一种集机械制造、计算机技术、微电子技术、自动控制技术及精密测量技术等多种技术为一体的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。数控机床一般由数控系统、伺服驱动、机床本体及辅助控制装置等部分组成。1.1数控系统的基本概念数控机床的组成程序数控装置机床本体输入输出装置主轴伺服驱动辅助控制装置位置检测图1-1数控机床的组成进给伺服驱动1.1数控系统的基本概念数控机床的组成1．数控系统：是所有数控设备的核心。数控系统主要有程序的输入/输出装置和数控装置组成。2．伺服驱动控制装置：是数控系统与机床本体之间的电传动联系环节，包括进给轴伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置。3．辅助控制装置：是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统。4．机床本体：是数控机床机械结构实体。1.1数控系统的基本概念数控机床的基本工作过程1．零件加工的基本操作过程⑴程序编制。⑵数控机床通电初始化。⑶程序输入。⑷加工相关参数输入。⑸运行加工程序，完成零件的数控加工。1.1数控系统的基本概念数控机床的基本工作过程2．计算机数控系统的基本工作过程⑴信息输入。⑵译码转换。⑶数据处理。⑷轨迹插补。⑸伺服驱动。(6)程序管理。1.2机床数控系统的分类按工艺用途分类1．金属切削类机床数控系统2．金属成型类机床数控系统3．特种加工类机床数控系统1.2机床数控系统的分类按机床运动轨迹分类1．点位控制数控系统2．点位直线控制数控系统3．轮廓控制数控系统起点①②③④⑤图1-2点位控制1.2机床数控系统的分类按伺服控制方式1．开环控制数控系统1.2机床数控系统的分类按伺服控制方式2．闭环控制数控系统由于闭环系统的位置检测包含了进给传动链的全部误差，因而得到了很高的机床静态定位精度。但是，由于位置检测反馈环中包含的不稳定因素较多，闭环系统的设计和校正相当复杂，系统调试工作较困难，参数匹配不当会引起系统振荡，造成系统不能稳定工作。因此，这种闭环控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标镗床、数控精密磨床等。相对半闭环控制数控系统而言，按位置反馈元件的安装位置不同，闭环控制数控系统又称为全闭环控制数控系统。1.2机床数控系统的分类按伺服控制方式2．闭环控制数控系统1.2机床数控系统的分类按伺服控制方式3．半闭环控制数控系统1.2机床数控系统的分类按可联动的坐标轴数分类有二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴及五轴以上联动控制数控系统。可联动的坐标轴数的不同，使机床的加工能力区别很大。二轴联动只能两坐标轴联动，主要用于数控车床加工曲线旋转面或数控铣床等加工曲线柱面；二轴半联动主要用于三轴以上机床的控制，除其中任意两轴互为联动外，另一轴作周期进给；若为三轴联动，选用适当刀具则可加工三维空间曲面。在加工多维曲面时，为使刀具能合理的切削，刀具的回转中心也要转动，因此需要更多的坐标轴联动。五轴联动的镗铣床能够加工螺旋桨表面。坐标联动数目是由所具有的伺服坐标轴数和系统控制软件功能共同决定的。机床所具有的伺服坐标轴数不等于坐标轴联动数；具有的伺服电机数也不等于坐标轴联动数。所谓坐标轴联动数是指由同一个插补程序段所能控制的同时移动坐标轴数。1.2机床数控系统的分类按系统功能水平分类按照数控系统的功能水平，数控系统可以分为经济型(低档型)、普及型(中档型)和高档型数控系统三种。这种分类方法没有明确的定义和确切的分类界线，且不同时期、不同国家的类似分类含义也不同。1.3现代数控系统的发展趋势现代数控系统发展趋势1．高速度化2．高精度化3．复合化4．智能化5．小型化6．网络化7．开放化8．高可靠性1.3现代数控系统的发展趋势现代数控系统发展趋势为提高可靠性，可采取如下的措施：⑴采用高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，来减少元器件的数量，精简电路外部连线，降低功耗。⑵建立由设计、试制到生产的一整套质量保证体系，采用模块化、标准化和通用化的硬件结构以便于组织批量生产及维修，完善各种抗干扰措施，对元器件进行严格的筛选，采用高质量的电路板安装工艺并进行老化、振动等全面的检验考核，以保证质量。⑶增强故障自诊断、自恢复和保护功能，实现对系统内软、硬件和外部设备的故障诊断和报警；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当产生编程及人为操作错误，超程、刀具磨损、各种干扰、断电等意外事件时，自动进行相应的保护。1.3现代数控系统的发展趋势开放式数控系统1．开放式数控系统特点开放式数控系统是计算机软、硬件技术、信息技术，控制技术融入数控技术的产物。根据IEEE的定义，开放式数控系统为：能使各种应用系统有效地运行于不同供应商提供的平台上，具有与其他应用系统相互操作及提供与用户交互的特点。也可以通俗地理解为开放式数控系统的实质是一种通用计算机硬件平台上的标准应用程序，而不再像传统数控系统那样包含有许多插件板的专用硬件系统。或者说，开放式数控系统允许用户根据各自需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能，从而迅速适应不同用户的需要，并且组成新系统的各功能模块可来源于不同的供应商，且相互兼容。1.3现代数控系统的发展趋势开放式数控系统1．开放式数控系统特点一般认为，开放式数控系统应具有下列特征。⑴具有开放结构数字控制器平台，使控制系统具有硬件无关性，用户可根据需求选用通用计算机控制，利用PC机建立开放的人机界面。⑵具有高度模块化的特征。模块化的含义有两层：一层是数控功能的模块化，可以根据机床厂的要求选装所需的功能；另一层含义是系统体系结构的模块化，即数控系统内部实现各功能的算法是可分离的、可替换的。⑶数控系统的开放是在一定的标准化约束下进行的，而不是没有限制、毫无约束的。⑷开放式控制系统应当允许用户进行二次开发。⑸考虑到迅速发展的网络技术及其在工业生产领域的应用，作为开放式控制系统应当适应网络操作方式需要。1.3现代数控系统的发展趋势开放式数控系统2．国内外开放式数控系统研究动向⑴美国的NGC计划⑵欧共体的OSACA计划⑶日本的OSEC计划⑷我国开放式数控系统1.3现代数控系统的发展趋势并联运动机床新一代机床的发展趋势是进一步满足超精密、超高速、激光和细微加工等新工艺提出的高性能和高集成度的要求，为此，全球机床制造业都在积极探索和研究新型的制造设备和制造模式，并涌现了多种新颖的设计理念，而其中并联运动机床的出现和迅速发展就是典型的例子。并联机床（又称虚拟轴机床）是由机械机构学原理引用过来的，机构学里将机构分为串联机构和并联机构，串联机构的典型代表是机器人，传统机床的布局实际上也是串联机构。1.3现代数控系统的发展趋势并联运动机床1．并联运动机床的特点并联运动机床是以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的潜力，以软件代替部分硬件，以电气装置和电子器件取代部分机械传动，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。1.3现代数控系统的发展趋势并联运动机床1．并联运动机床的特点如图1-6所示，传统机床与并联运动机床相比较，从结构布局上看它们的区别主要表现在：传统机床布局的特点是以床身、立柱、横梁等作为支承部件，主轴部件和工作台的滑板沿支承部件上的直线导轨移动，按照X、Y、Z坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀头点的加工表面轨迹。并联运动机床布局的基本特点是以机床框架为固定平台的若干杆件组成空间并联机构，主轴部件安装在并联机构的动平台上，改变杆件长度或移动杆件支点，按照并联运动学原理形成刀头点的加工表面轨迹。1.3现代数控系统的发展趋势并联运动机床1.3现代数控系统的发展趋势并联运动机床2．并联运动机床对数控系统的要求并联运动机床的控制系统必须是开放式控制系统。3．并联运动机床的发展1965年Stewart提出了一种6自由度的新型空间并联机构，引起了众多研究者的兴趣，经过40多年的不断改进和发展，演变出不同运动学原理和结构的空间并联机构，并已在许多科学研究和工业领域取得了广泛应用。第一台真正的并联运动机床是1994年在美国芝加哥国际机床博览会，由美国Ingersoll铣床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出的、称为“六足虫”（Hexapod）和“变异型”(Variax)的数控机床与加工中心，引起世界轰动。随后，英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Muticraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司，瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麦Braunschweig公司，德国亚琛工业大学和斯图加特大学等单位也纷纷研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机床、坐标测量机和加工中心等。当时在国际上对并联机床做得最好的是瑞典的NOUSE公司，到2003年，该公司已经销售出300余台。1.3现代数控系统的发展趋势并联运动机床我国也将并联运动机床的研究纳入了多个发展计划中，我国的高校、科研院所和企业也开展了并联机床的研究工作，并在1997年由清华大学研制成功镗铣类虚拟机床原型样机VAMTIY。此后，我国并联运动机床的研究得到了快速的发展和应用。例如，哈工大与哈量集团共同研制的加工叶片的并联加工中心获得2005年度中国机械行业科技进步二等奖；清华大学和齐齐哈尔第二机床集团联合研制了加工水轮机叶片的龙门式混联机床，另外还有天津大学、燕山大学、中科院沈阳自动化所、北京航空航天大学、东北大学、北京理工大学等，也都开展了并联机床的研制工作，图1-7所示为我国研制的DCB510五轴并联运动机床外形图。1.3现代数控系统的发展趋势并联运动机床