数控技术与数控机床

数控技术与数控机床一、数控技术的产生二、数控机床三、数控机床涉及的基本技术四、数控技术的过去、现在与未来先进制造技术是经济发展的支撑制造技术的三个发展阶段：第一阶段：用机器代替手工，从作坊形成工厂。第二阶段：从单件生产方式发展到大量生产方式。第三阶段：制造的柔性化、系统化、智能化。产品与生产方式：自动机床、组合机床、专用自动线等刚性自动化机床设备大批量生产采用“刚性”自动化设备小批量生产采用“柔性”自动化设备数字控制机床等灵活通用的、能适应产品频繁变化的柔性自动化机床设备在机械产品中，单件和小批量产品约占70%~80%信息已成为当今社会的主导资源人类社会技术发展史，经历了石器朝代、青铜器朝代和铁器朝代，每一个朝代都是以该朝代的主导资源和主导工具命名的。当今社会已进入了信息时代，信息成为起主导作用的资源，而以电子计算机为主的电子交换器件则成为起主导作用的工具。信息具有可共享性、可识别性、可转换性、可传递性、可处理性、可再生性的特点，所以，人们借助计算机系统的辅助，将有关的信息转换到产品与服务中，使之成为更好的产品和更好的服务。计算机控制系统系统：是一些机构的组合，这些机构由信息联系在一起，完成一定的任务。系统计算机（完成比较器、控制器等功能）被控对象或过程测量机构或传感器等控制：通过信息给对象以命令。对象：为完成一定任务的被控制机构。过程：被控制的连续运行状态。如机械加工过程（车削、铣削、磨削等）、化学反应过程等。20世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域一个崭新时代的到来1948年美国帕森斯（ParsonsCo.）公司在研制加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出利用电子计算机控制机床加工复杂曲线样板的新概念。ParsonsCo.公司设想的方案是：把坐标点的代码打在穿孔卡上，然后输入到机床的控制系统中，使一台改装过的铣床按照微小增量的步距移动得到需要的轨迹。ParsonsCo.公司受美国空军委托与麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所合作研制于1952年研制出世界上第一台三坐标立式数控铣床。采用了自动控制、伺服驱动、精密测量、新型机械结构。1955年数控机床形成了产业化，并批量投放市场。数控机床的诞生在对复杂曲线、型面的加工以及对美国航空工业和军事工业的发展起到了重要作用。ParsonsCo.公司的数控加工方案实现了，这是因为：第一：构思正确。第二：科学技术的发展使构思变为现实成为可能。数控加工的构思与实现零件尺寸零件形状数控装置伺服系统速度反馈位置反馈机床单位运动返回计算机的出现为数控技术的出现与发展奠定了基础第一代数控：1952~1959年，以MIT研制的三坐标数控系统为标志，系统全部采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。称之为硬件数控系统（NumericalControl—NC）。第二代数控：1959~，晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统。成为第二代数控系统的标志。第三代数控：1965~，由于小规模集成电路的出现，使其体积变小、功耗降低，数控系统的可靠性得以进一步提高，从而推动了数控系统的发展。第四代数控：1970~，随着微电子技术的发展，小型计算机逐渐取代数控系统中的专用计算机，使许多控制功能可以依靠编制专用程序来完成，而不必依靠硬件电路，实现软件控制，大大提高了数控系统控制的灵活性和数控设备的可靠性。1970年，美国芝加哥国际机床展览会上第一次展出了采用小型计算机控制的计算机数控（ComputerNumericalControl—CNC）装置和由计算机直接控制多台机床的直接数控（DirectNumericalControl—DNC）系统。第五代数控：1974~，中、大规模集成电路技术所取得的成就，促使价格低廉、体积更小、集成度更高、工作可靠的微处理器芯片问世，并逐步应用于数控系统，进一步简化了CNC系统的硬件结构，降低了CNC机床的成本，由此产生了以微处理器为CNC系统核心的第五代数控系统，即采用微型电子计算机控制的数控系统（MicrocomputerNumericalControl——MNC）新一代数控：进入90年代，数控系统的发展以高速度、高精度、智能化为显著特点。大规模和超大规模集成电路的进一步发展，使微处理器的性能不断提高，软件功能日益增强，CNC系统随着外围电路和接口配置的不断完善，以及软件技术在交互式人机对话和图形显示技术方面所取得的成就而得到发展。基于PC-NC的新一代数控充分利用了现有PC机的软硬件资源，使得数控系统集成度高，可靠性好，升级换代容易，易于实现开放式系统。返回一数控机床定义由国际信息处理联盟IFIP——InternationalFederationofInformationProcessing第五技术委员会对数控机床作如下定义：数控机床是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。数控系统：采用数控技术的控制系统。数控技术——数字控制（NumericalControl）技术（NC技术）：用数字化信息（数字量及字符）发出指令并实现自动控制的技术。数控（NC）——硬件数控：数控设备的数控功能是用专用计算机的硬件结构来实现的。计算机数控（CNC）——软件数控（ComputerNumericalControl）：在硬件数控的基础上发展起来的，以小型通用计算机或微型计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能。若改变相应的控制程序，即可改变其控制功能，而无需改变其硬件电路。因此CNC系统具有更大的通用性和灵活性，即具有很好的“柔性”。机床数控技术数控系统外围技术机床基础件配套件工作台床身立柱导轨刀架刀库丝杠位置反馈系统数控装置驱动系统管理技术工具系统编程技术软件硬件ROMPLCCPURAM顺序程序控制软件电动机伺服系统I/O接口功率放大器PWMSCR交流电动机步进电动机直流电动机激光光栅光电编码器磁栅感应同步器测带发电机旋转变压器刀杆刀片编程系统编程机二机床数控技术图示1)根据加工零件的图纸与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序单。2)通过输入装置将程序代码逐段输入到数控装置。3)数控装置将代码进行译码，寄存和运算之后，向机床伺服机构发出讯号，以驱动机床的各个运动部件，并控制其它必要的辅助操作，如变速、开关冷却液、松夹工件及刀具转位等，最后加工出合格的零件。三数控机床加工零件的几个步骤四数控机床通常由四部分组成图示的机床组成方式为——开环系统程序载体数控装置伺服系统机床部分测量装置检测反馈加上测量装置后机床组成方式为——闭环系统可以将机床所得到的检测结果再反馈到数控装置中去。程序载体输入装置数控装置伺服驱动系统强电控制装置检测装置机床（主运动、进给运动、辅助操作）五数控机床的基本组成如下图所示继续程序载体对数控机床进行控制必须在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即——程序载体（又称控制介质）。常用的控制介质有：穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。返回输入装置输入装置的作用就是将程序载体上的数控代码信息转换为相应的电脉冲信号传送至数控装置的内存储器。数控代码信息——零件加工程序、控制参数、补偿数据光电阅读机——穿孔带。磁带机——磁带。软盘驱动器——磁盘。MDI（ManpowerDataInput）方式——人工数据输入。直接通讯方式——由计算机直接传送给数控装置。DNC系统接口输入——分布式数字控制系统接口输入（DistributedNumericalControl）。返回强电控制装置主要功能是接受数控装置所控制的内置式可编程控制器（PLC）输出的主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松开，切削液的开或关等辅助操作的信号，经功率放大直接驱动相应的执行元件，诸如接触器、电磁阀等，从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。返回伺服系统伺服系统（ServoSystem）接受来自数控装置的指令信息（脉冲信号），严格按照指令信息的要求带动机床的移动部件，以加工出符合图纸要求的零件。伺服系统包括:驱动装置、执行部件两大系统。由于伺服控制系统是数控机床的最后控制环节，因此它的伺服精度和动态响应特性将直接影响数控机床的生产率、加工精度和表面加工质量。功率步进电动机（SteppingMotor）直流伺服电动机（带有感应同步器、编码器等位置检测元件）。采用晶体管脉冲宽度调制（PWM—PulseWidthModulation）和晶闸管（SCR—SemiconductorControlRectifier）调速系统。交流伺服电动机（带有感应同步器、编码器等位置检测元件）。采用正弦波PWM变频调速（SPWM—SinePWM）和矢量控制调速（VectorControl）常用伺服驱动部件有:返回机床与传统的机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统、支撑系统、排屑系统与刀具系统的部件结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。通常对数控机床设计在机床的精度、静刚度、动刚度和热刚度等方面提出了更高的要求，而传动链则要求尽可能简单。目的是为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的特点。（1）由于采用高性能的主轴和伺服系统，使得数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短。（2）具有较高的动态刚度、阻尼精度，耐磨性好，热变形较小。（3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，滚动导轨。与普通机床的不同点：返回六数控机床的分类1、按工艺用途分类普通数控机床：车、铣、钻、镗、磨等。其工艺性能与通用机床相似，但能自动加工复杂形状零件。在普通数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置，能连续进行车、铣、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。加工中心机床：有些复杂形状零件需要三个坐标以上的合成运动才能加工。常用的有四个、五个、六个坐标的数控机床。多坐标数控机床：数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床。数控特种加工机床：16大类数控机床：数控车床（含有铣削功能的车削中心）数控铣床（含铣削中心）数控镗床以铣镗削为主的加工中心数控磨床（含磨削中心）数控钻床（含钻削中心）数控拉床数控刨床数控切割机床数控齿轮加工机床柔性制造单元（FMC——FlexibleManufacturingCell）柔性制造系统（FMS——FlexibleManufacturingSystem）数控电加工机床（含电加工中心）数控板材成形加工机床数控管料成形加工机床其它数控机床2、按运动方式分类点位控制：特点是机床移动部件只能实现一个位置到另一个位置的精确移动，在移动和定位过程中不进行任何加工，机床移动部件的运动路线并不影响加工的孔距精度。最典型的点位控制数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控点焊机和数控弯管机。特点是能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，它不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且要控制整个加工过程每一点的速度与位移量。点位直线控制系统：由于只能作简单的直线运动，因此不能实现任意的轮廓轨迹加工。轮廓控制（连续控制）：特点是能够对两个或两个以上的坐标同时进行控制，它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐标，而且要控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要控制移动轨迹，将工件加工成一定的轮廓形状。轮廓控制需要在加工过程中不断进行多坐标轴之间的插补运算，实现相应的速度和位移控制。轮廓控制包含了点位和点位直线控制。3、按控制方式分类开环控制系统：不带反馈装置，CNC系统发出的指令脉冲信号是单方向的，机床没有检测反馈装置，其加工精度取决于伺服系统的性能。步进电机驱动电路功率步进电动机机械传动链机床运动部件输入脉冲闭环控制系统：位置环：机床最终运动部件位置上直接装有直线或回转式检测装置，测得实际位移值后反馈回来与指令值进行比较，所得差值再经数/模（D/A）变换、放大，对伺服电机进行控制，使驱动机构按规定移动，直到其差值趋于0为止。速度环：处于位置环内，其目的是减少因负载等因素而引起进给速度的波动，改善位置环的控制品质。继续闭环控制将机械传动链的全部环节都包括在闭环之内，因而从理论讲，闭环控制的运动精度主要取决于检测装置的精