数控技术与装备概述

数控技术与装备概述一、数控技术背景（1）国内外数控机床与数控技术的发展现状：随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，己不适应日益复杂的制造过程，因此，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为我们国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。（2）数控技术的发展趋势：数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术发展的趋势来看，主要有：①高精度、高速度的发展趋势、②5轴联动加工和复合加工机床快速发展、③智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势（3）数控技术的研究意义：制造业是国民经济的命脉，机械制造业又是制造业中的支柱与核心。在现代社会生产领域中，计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助管理以及将它们有机地集成起来的计算机集成制造(CIM)已经成为现代企业科技进步和实现现代化的标志。用计算机辅助制造工程技术对我国传统产业进行改造，是我国制造业走向世界、走向现代化的必由之路。在国际竞争日益激烈的今天，作为计算机辅助制造工程技术基础的数控加工技术在机械制造业中的地位显得愈来愈重要。现在很多工业发达国家的数控化率可达30%以上，数控机床已成为机械制造业的主要设备。我国从1958年开始研制和使用数控机床，至今在数控机床的品种、数量和质量等方面得到了长足的发展。特别是在改革开放以来，我国数控机床的总拥有量有了显著的增加。数控加工技术的应用和普通机床的数控化改造已成为传统机械制造企业提高竞争力、摆脱困境的有效途径。应用数控加工可大大提高生产率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少、节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程连成一体，使零件的计算机辅助设计、计算机辅助工艺规划和计算机辅助制造的一体化成为现实。使机械加工的柔性自动化水平不断提高，是现代先进制造技术的基础和核心。二、数控系统数控系统是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。（1）数控系统的基本构成硬件结构从硬件结构上的角度，数控系统到目前为止可分为两个阶段共六代，第一阶段为数值逻辑控制阶段，其特征是不具有CPU，依靠数值逻辑实现数控所需的数值计算和逻辑控制，包括第一代是电子管数控系统，第二代是晶体管数控系统，第三代是集成电路数控系统；第二个阶段为计算机控制阶段，其特征是直接引入计算机控制，依靠软件计算完成数控的主要功能，包括第四代是小型计算机数控系统，第五代是微型计算机数控系统，第六代是PC数控系统。由于上世纪90年代开始，PC结构的计算机应用的普及推广，PC构架下计算机CPU及外围存储、显示、通讯技术的高速进步，制造成本的大幅降低，导致PC构架数控系统日趋成为主流的数控系统结构体系。PC数控系统的发展，形成了“NC+PC”过渡型结构，既保留传统NC硬件结构，仅将PC作为HMI。代表性的产品包括FANUC的160i，180i,310i,840D等。还有一类即将数控功能集中以运动控制卡的形式实现，通过增扩NC控制板卡（如基于DSP的运动控制卡等）来发展PC数控系统。典型代表有美国DELTATAU公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC系统。另一种更加革命性的结构是全部采用PC平台的软硬件资源,仅增加与伺服驱动及I/O设备通信所必需的现场总线接口，从而实现非常简洁硬件体系结构。软件结构①输入数据处理程序它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。②插补计算程序CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点、既定速度等进行中间输出点的插值密化运算。上述密化计算不仅要严格遵循给定轨迹要求还要符合机械系统平稳运动加减速的要求。根据运算结果，分别向各坐标轴发出形成进给运动的位置指令。这个过程称为插补运算。计算得到进给运动的位置指令通过CNC内或伺服系统内的位置闭环、速度环、电流环控制调节，输出电流驱动电机带动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式。③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。在PC化的硬件结构下，管理程序通常在实时操作系统的支持下实现。④诊断程序诊断程序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（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。三、插补算法目前常用的插补算法有：脉冲增量插补、数据采样插补数字增量插补(数据采样插补)：特点：插补程序以一定的时间间隔定时(插补周期)运行，在每个周期内根据进给速度计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量（数字量）。其基本思想是：用直线段（内接弦线，内外均差弦线，切线）来逼近曲线（包括直线）。插补分两步完成：①粗插补，将编程曲线分段，采用软件完成。②精插补，对每段/密化。一般采用脉冲增量插补法，用硬件成。数据采样插补算法的分类：直接函数法、扩展数字积分法、二阶递归扩展数字积分圆弧插补法、圆弧双数字积分插补法、角度逼近圆弧插补法、“改进吐斯丁”（ImprovedTustinMethod――ITM）法逐点比较法：基本原理：在刀具按要求轨迹运动加工零件轮廓的过程中，不断比较刀具与被加工零件轮廓之间的相对位置，并根据比较结果决定下一步的进给方向，使刀具沿着坐标轴向减少偏差的方向进给，且只有一个方向的进给。例子：设欲加工的第一象限直线OE如右图所示，直线起点在原点，终点为E（6，4）。试用逐点比较法对该直线进行插补，产并画出轨迹图。步数偏差判别坐标进给偏差计算终点判别0F0=0∑=6+4=101F0=0+XF1=F0-ye=0-4=-4∑=10-1=92F10+YF2=F1+xe=-4+6=2∑=9-1=83F20+XF3=F2-ye=2-4=-2∑=8-1=74F30+YF4=F3+xe=-2+6=4∑=7-1=65F40+XF5=F4-ye=4-4=0∑=6-1=56F5=0+XF6=F5-ye=0-4=-4∑=5-1=47F60+YF7=F6+xe=-4+6=2∑=4-1=38F70+XF8=F7-ye=2-4=-2∑=3-1=29F80+YF9=F8+xe=-2+6=4∑=2-1=110F90+XF10=F9-ye=4-4=0∑=1-1=0