数字控制技术与数控机床1

数字控制技术与数控机床主讲：于涛第一章概述数控机床简介–数控机床的产生及其重要性数字控制机床，是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。1952年，MIT伺服机构研究所用实验室制造的控制装置和新新那提（CincinnatiHydrotel）公司的立式铣床成功地实现了三轴联动数控运动，可控制铣刀进行连续空间曲面的加工，揭开了数控加工技术的序幕。数控机床是综合应用了微电子、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机床，它标志着机床工业进入了一个新的阶段。数控技术的发展非常迅速，使制造技术发生了根本性的变化，几乎所有品种的机床都实现了数控化。数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。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零件的自动化加工，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。数控加工技术也是发展军事工业的重要战略技术。–数控机床应用范围及特点目前的数控加工主要应用于以下两个方面：–常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等，其目的在于：提高加工效率，避免人为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。–另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等，该类零件在众多的制造行业中具有重要的地位，其加工质量直接影响以至决定着整机产品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。数控机床在机械制造领域中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：–高柔性–生产效率高–加工精度高、加工质量稳定可靠–自动化程度高–能完成复杂型面的加工–有利于生产管理的现代化数控机床的基本工作原理–数控机床的基本工作原理国家标准GB8129－1987将数控（NumericalControl）定义为：用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法。国际信息处理联盟IFIP（InternationalFederationofInformationProcessing）将数控机床定义为：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，机床的运动和动作按照这种程序控制系统发出的由特定代码和符号编码组成的指令进行。这种程序控制系统称之为机床的数控系统。CNC系统框图机床I/O电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数控装置操作面板PLC计算机数控系统机床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备–数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的启、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。普通机床与NC机床普通机床具有手动加工和机动加工功能，加工过程全部由人工干预。主传动和进给传动一般采用三相交流异步电动机，由变速箱实现多极变速以满足工艺要求，机床传动链长。加工过程中，必须由人工不断地进行测量，保证工件的加工精度。普通机床与NC机床NC机床具有手动加工（电手轮）、机动加工和控制程序自动加工功能，加工过程一般不需人工干预。具有CRT屏幕显示功能，自动报警显示功能。普通机床不具备此功能。主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机。一般没有主轴变速箱和进给变速箱，传动链短。普通机床与NC机床NC机床具有工件测量系统。加工过程中不需进行工件尺寸的人工测量。CNC机床与普通机床最显著的区别当加工对象（工件）改变，CNC机床只需改变加工程序（应用软件），而不需对机床作较大的调整，就能加工出各种不同的工件。普通机床与NC机床–数控机床的组成数控程序和控制介质控制介质输入设备输入设备穿孔纸带纸带阅读机纸带穿孔机磁带磁带机或录音机磁盘磁盘驱动器FLASH无输入装置数控装置（CNC单元）通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通讯（RS-232等串口）、自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）网络技术（internet，LAN等）。CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和PLC等)，所有这些工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作的。CNC装置是CNC系统的核心伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置–主轴伺服驱动装置和主轴电机–进给伺服驱动装置和进给电机测量装置–位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令：–进给运动指令：实现零件加工的成形运动（速度和位置控制）。–主轴运动指令，实现零件加工的切削运动（速度控制）机床的机械部件–机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。–组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。数控机床的分类按工艺用途分类普通数控机床、加工中心、金属成形类数控机床、数控特种加工机床、其他类型数控机床按运动方式分类点位控制、直线控制、轮廓控制按伺服机构的控制方式分类开环控制、闭环控制、半闭环控制分类按加工方式进行数控机床的分类金属切削类机床车、加工中心、钻、磨、镗。金属成型类机床数控折弯机、数控回转头压力机数控特种加工机床数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床其它类型数控三坐标测量机分类点位控制系统这类控制方式只要求控制刀具从一点移到另一点的准确位置，而对运动轨迹原则上不加控制。数控机床在刀具移动的过程中，并不进行切削加工，而是作快速空行程的定位运动。属于点位控制的数控机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。点位控制系统在从点1到点2的轨迹中，刀具不切削。因此可以从任意选择的方向接近点2。现在图示的是两种可能的路径。直线控制系统这类控制方式除了控制点与点之间的准确位置外，还要保证被控制的两点间移动的轨迹是一条直线而且移动的速度是给定的。在两点间移动时，刀具切削材料，进行加工。一般的简易数控系统均属于直线控制系统。直线控制系统必须是沿着平行于某一坐标轴方向，或沿着与坐标轴成45度的直线。在这个例子中，显示的是关于铣削的一个直线控制系统。工件的a-b-c外形被加工。注意轮廓控制系统该系统能对刀具相对零件的运动轨迹进行连续控制，以加工任意斜率的直线、圆弧、抛物线或其它函数关系的曲线。刀具以一定的进给速度运动的同时，进行加工。数控铣床、功能完善的数控车床、数控凸轮磨床等均采用。轮廓控制系统装置系统一般都是两坐标或两坐标以上的多坐标联动控制系统，其功能齐全，可加工任意形状的曲线或型腔，如平板凸轮。二轴三轴五轴四轴开环控制系统通常不带位置测量元件，伺服驱动元件为步进电机。输入的数据通过数控系统的运算分配出指令脉冲，每一个脉冲送给步进电机，它就转动一个精度，再通过传动机构使被控制的工作台移动。对实际传动机构的动作情况是不进行检查的，没有被控制对象的反馈值，指令发送出去不再反馈回来，称为开环控制。优点是结构简单，调试容易，价格便宜。但是控制精度和运动速度受到限制。步进电机工作台步进电机驱动线路进给脉冲半闭环控制系统工作台模数转换执行单元角度测量位置指令位置反馈对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机（执行单元）有机联系的测量元件（如测速电机、光电编码器等）检测出伺服电机的转角，间接地推算出工作台实际位移量，用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于检测的不是工作台的位移，所以称之为半闭环。精度没有闭环高，但调试却比闭环容易。闭环控制系统位置指令位置反馈工作台执行单元模数转换计算机位置检测器必须具备测量元件。直接在移动工作台上安装直线位移检测装置如光栅、磁尺、感应同步器等，检测出来的反馈信号与输入指令相比较，用比较的差值进行控制，直至差值消除时停止，这叫闭环控制。优点是控制精度高，但是安装、调试和维护比较复杂，而且价格昂贵。数控机床分类表数控机床的种类数控车床加工中心机床数控铣床数控钻床数控镗床数控磨床数控电加工机床数控金属成型机床控制系统类别点位、直线控制轮廓控制点位、直线控制开环、半闭环、闭环特殊用途的轮廓控制点位、直线控制轮廓控制点位控制开环、半闭环开环、半闭环、闭环开环、半闭环、闭环开环、半闭环开环、半闭环开环、半闭环开环、半闭环闭环闭环、半闭环开环、半闭环开环、半闭环点位、直线控制点位、直线控制轮廓控制轮廓控制执行机构类别加工对象类别没锥度、圆弧的轴有锥度、圆弧的轴齿轮箱、框架等箱体飞机零件的轮廓加工箱体平面轮廓的凸轮、样板、冲模，压、铸模印刷电路基板、多孔零件箱体精密箱体凸轮、轧辊、冲模模具冲压，板材、弯管等–按数控机床的功能水平分类低档数控机床（经济型数控机床）中档数控机床高档数控机床–按可联动的坐标数分类2轴联动（平面曲线）3轴联动（空间曲面，球头刀）4轴联动（空间曲面）5轴联动及6轴联动（空间曲面）。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。数控技术的发展–数控系统及数控机床的发展历程1952年美国麻省理工学院研制成数控铣床后，随着电子技术、计算机技术、自动控制技术和精密测量技术的发展，以集成电路的集成度为推动力，先后经历了电子管、晶体管、小规模集成电路、小型计算机（CNC）和微型机（MNC）数控系统等五个发展阶段。90年代以来，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统正朝着以通用微机（个人计算机－PC）为基础、体系结构开放和智能化的方向发展。1994年基于PC的NC控制器在美国首先出现于市场，此后得到迅速发展。由于基于PC的开放式数控系统可充分利用通用微机丰富的硬软件资源和适用于通用微机的各种先进技术，已成为数控技术发展的潮流和趋势。在伺服驱动方面，随着微电子、计算机和控制技术的发展，伺服驱动系统的性能也不断提高，从最初的电液伺服电机和功率步进电机开环控制驱动发展到直流伺服电机和目前广泛应用的交流伺服电机闭环(半闭环)控制驱动，并由模拟控制向数字化控制方向发展。在高性能的数控系统上已普遍采用数字化的交流伺服驱动，使用高速数字信号处理器(DSP)和高分辨率的检测器，以极高的采样频率进行数字补偿，实现伺服驱动的高速高精度化。1958年美国Kearney&Trecker公司开发了世界上第一台加工中心，从而揭开了加工中心的序幕。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS。–数控机床的发展现状与趋势高精度化高速度化高柔性化高自动化复合化智能化网络化高可靠性–先进数控技术概述CNC系统采用高性能CPU及开放式体系结构–目前先进的CNC系统普遍使用32位甚至64位CPU多总线的体系结构和实时多任务、多用户的操作系统，以提高运算处理速度。–新—代数控系统体系结构向开放式系统发展。CNC制造商、系统集成者、用户都希望“开放式的控制器”，能够自由地选择CNC装置、驱动装置、伺服电动机、应用软件等数控系统的各个构成要素，并能采用规范的、简便的方法将这些构成要素组合起来。–基于PC的开放式CNC大致可分为三类：专用CNC+PC型、运动控制器+PC型、纯PC型传统封闭式数控系统的缺点（1）各厂家产品软