数控加工概述

1.1数控加工概述第1节数控机床的组成及工作原理第2节数控机床的种类与常见数控机床第3节数控加工技术的应用与发展第4节数控机床认知第一节数控机床的组成及工作原理一、数控、数控机床与数控加工•数字控制：是以数字化信号对机构的运动过程进行控制的一种方法。简称为数控（NC）。•数控机床：指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。•数控加工：泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。•数控机床与普通机床比较：数控机床在普通机床基础上增加了对机床运动和动作自动控制的功能部件，使数控机床能够自动完成对零件加工的全过程。其控制的媒介：数字程序（学习重点）不同加工方式示例成型零件成形车刀仿型加工靠模板数控加工采用数控机床加工零件时,只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，数控机床便按照事先编好的加工程序,自动地对被加工零件进行加工.x-y数控拖板变频主轴机床本体数控系统及其操作面板行程开关控制电柜Z轴伺服电机二、数控机床组成数控机床的组成计算机数控装置伺服系统机床的机械部件输入输出装置三、数控机床各部分的作用1.输入装置作用：输入程序（人机）、控制参数、补偿量等方式：键盘输入纸带输入（穿孔纸带）磁盘输入（硬盘、软盘、U盘）网络通讯(RS232、DNC、TCP/IP）2.数控装置（NC)___数控机床大脑作用：数控机床核心部件（战略物资、东芝事件）☻接受输入信息☻运算与处理(译码、运算、逻辑处理)☻产生输出脉冲（动作、运动指令）计算机的功能CNC：计算机数字控制装置CNC系统构成CNC装置控制软件(软件功能)硬件电路(硬件功能)主轴伺服单元主轴驱动装置可编程控制器进给伺服单元进给驱动装置测量装置(位置\速度)程序操作面板输入输出设备机床M.S.T\辅助指令信号主轴电机主轴动作完成进给动作PLC完成开关动作伺服驱动系统进给电机电→机信号转换\放大经插补运算,输出各坐标轴进给速度、进给方向和位移量指令经逻辑运算,输出主轴变速、换向和起停信号选择和交换刀具的刀具指令信号辅助指令信号:冷却、润滑、夹经紧、松开、分度等.控制信号3.伺服系统：数控机床的动力装置作用：接受数控装置的输出驱动与放大实现电→机转换4）.机床的机械部件：受控设备与传统的普通机床比较，具有如下特点：(1)机械传动结构得到简化，传动链较短。(2)机械结构具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼刚度、耐磨性以及抗热变形性能。(3)较多地采用高效传动件。(4)还有一些配套部件和辅属设备。四、数控加工原理1.数控加工过程零件图纸工艺分析数值计算编制并输入程序安装工件对刀试切加工检验2.数控加工原理概述数控加工原理就是将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动完成零件的加工。3.插补1)插补的概念数控系统必须在运动过程中实时计算出满足线形和进给速度要求的若干中间点(在起点和终点之间)，这就是插补。插补就是根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求，在轮廓的已知点之间计算中间点的方法。直线插补圆弧插补直线插补：数控系统对直线进行的插补计算；圆弧插补：对圆弧进行的插补计算；曲线插补：对其他曲线进行的插补计算。2)插补方法的分类目前常用的插补方法大致分为两类：脉冲增量插补和数字增量插补。插补运算可有硬件插补(插补器)和软件插补两种实现方式。按插补计算方法又可细分为逐点比较法、数字积分法、时间分割法和样条插补法等多种。逐点比较法逐点比较法插补运算是以区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与相应给定的图形上的点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步的走向。这样就能得到一个接近给定图形的轨迹，其最大偏差不超过一个脉冲当量123412345XYFm＜0M(Xm,Ym)A(Xe,Ye)0BAFm＜0Fm＞0R0XY起始初始化Xe，Ye，EFm≥0＋Y走一步Fm←Fm＋Xe＋X走一步Fm←Fm－YeE←E－1E＝0结束YNNY偏差判别坐标进给新偏差计算终点判别终点到插补结束未到插补开始Fm＞0五、数控加工的特点（优点）1.加工精度高，加工质量稳定☻数控机床的机械精度高☻数控机床的控制精度高（0.001mm/P）☻无人为误差，加工的一致性好2.数控加工的生产效率高☻极大地缩短加工的辅助时间（快速行程、自动换刀）☻免划线工序☻粗、精加工一次装夹完成☻无需中途停车检测3.对加工对象的适应性强.单件、小批生产易于获得好效益4.易于实现CAD/CAM一体化及构成计算机集中控制系统.六几个数控加工常用术语1、坐标联动加工数控机床加工时的横向、纵向等进给量都是以轴坐标数据控制的。如：两坐标车床、三坐标铣床、五轴加工中心等。坐标联动：坐标轴的非独立运动。即：一个轴的运动要受到其它轴运动的制约。2坐标联动22坐标联动3坐标联动12、脉冲当量：CNC装置每发出一个脉冲，机床执行部件的最小位移量称为。常用机床的脉冲当量为0.01～0.001mm/脉冲，脉冲当量越小，数控机床精度越高。各种斜线、圆弧、曲线均可由以脉冲当量为单位的微小直线段拟合而成。脉冲当量脉冲当量:单位脉冲作用下进给轴移动的距离。单位：mm/脉冲如0.001mm/P脉冲当量的大小与数控系统的水平有关。0.05～0.001脉冲产生：运动控制指令（自动）、按键触发或手摇脉冲发生器（手动操作）3、进给速度与速度修调进给速度：单位时间内坐标轴移动的距离。（加工时刀具相对于工件的移动速度）单位：mm/minmm/r速度修调：通过修调倍率对速度进行适量修调。数控机床在加工过程中能通过速度修调实时调整进给速度和主轴转速，便于加工。第二节数控机床的种类与常见数控机床一、数控机床的种类1．按工艺方式分类1)金属切削类数控机床这类数控机床如数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床、数控齿轮加工机床、加工中心等。2)金属成型类数控机床这类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床等。3)数控特种加工及其他类型机床这类数控机床如数控线切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控电火花加工机床等。2．按控制系统运动方式分类1)开环数控机床特点：指令信号是单向的，没有检测反馈装置，不能进行运动误差的校正。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图1-1开环控制的系统框图螺母步进电机功率放大环形分配CNC丝杠滑板（工作台）开环伺服系统2)闭环数控机床特点：位置检测装置安装在执行部件上，可实测进给系统的位移量或位置。控制运动，使运动部件严格按照实际需要的位移量运动。对驱动电机的转速随时进行修正。这类机床的运动精度主要取决于检测装置的精度，与机械传动链的误差无关。比较器功率放大电路直流或交流伺服电动机机械传动链输入脉冲机床运动部件位置检测装置图1-2闭环控制的系统框图螺母丝杠伺服放大器CNC比较器反馈信号指令信号直线位移测量装置滑板（工作台）伺服电机闭环伺服系统3)半闭环数控机床特点：检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部，可间接测量执行部件的实际位置或位移。控制系统的调试十分方便，可获得稳定的控制特性。可获得比较满意的精度与速度。大多数数控机床采用半闭环控制系统。比较器输入脉冲前置及功率放大电路直流或交流伺服电动机脉冲编码器机械传动链机床运动部件图1-3半闭环控制的系统框图螺母丝杠滑板（工作台）伺服放大器CNC比较器角位移测量装置反馈信号指令信号伺服电机丝杠螺母伺服电机滑板(工作台)角位移测量装置伺服放大器比较器CNC指令信号反馈信号半闭环伺服系统3.按控制系统功能水平分类可分为低、中、高三个档次1）控制系统CPU的档次：8位低16、32位中64位高2）分辨率和进给速度：分辨率进给速度10µm8-10m/min低1µm10－20m/min中0.1µm15－20m/min高3）坐标联动功能：2轴联动、3轴联动、3轴2联动、4轴联动、5轴联动4）通信功能低档数控系统一般无通信功能；中档有RS232C或可供DNC（直接数控）的通信接口；高档系统有RS422A或支持MAP(自动化协议）的高性能通信接口，具有联网功能。5)显示功能低：发光二极管LED显示器，单色液晶LCD显示仅有字符显示功能的CRT（阴极射线管）显示器中高档：CRT或LCD显示器具有彩色图形或图形动态显示功能。4.按加工控制路线分类点位控制机床直线控制机床轮廓控制机床。(a)点位控制；(b)直线控制；(c)轮廓控制(a)(b)(c)1)点位控制机床：它如图(a)所示。只控制刀具从一点向另一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。在从点到点的移动过程中，只作快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。2)点位直线控制机床：它如图(b)所示。可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45°的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45º的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。3)轮廓控制机床：它又称连续控制机床，如图(c)所示。可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。二、常见数控机床1．数控车床图1-4CJK6146型经济型数控车床图1-5CKH6116型数控车床1)按主轴配置形式分卧式:水平导轨和斜置导轨;立式。2)按刀架数量分单刀架:水平导轨，两坐标控制；双刀架:斜置导轨，四坐标控制。3)按数控车床控制系统和机械结构的档次分经济型数控车床全功能数控车床车削中心。2．数控铣床与加工中心图1-6XK5025型经济型数控铣床图1-7XH714A型立式加工中心1)三坐标数控铣床与加工中心除具有普通铣床的功能外，还具有加工形状复杂的二维和三维轮廓的能力，相应称为二轴(或2.5轴)加工与三轴加工。对于三坐标加工中心，由于具有自动换刀功能，适于需要铣、钻、铰及攻螺纹等多工序加工的零件，如箱体等。坐标联动加工数控机床加工时的横向、纵向等进给量都是以轴坐标数据控制的。如：两坐标车床、三坐标铣床、五轴加工中心等。坐标联动：坐标轴的非独立运动。即：一个轴的运动要受到其它轴运动的制约。2坐标联动22坐标联动3坐标联动12)四坐标数控铣床与加工中心四坐标是指在X、Y、Z三个平动坐标轴基础上增加一个转动坐标轴，且四个轴一般可以联动。3)五坐标数控铣床与加工中心五坐标数控铣床与加工中心具有两个回转坐标，相对于静止的工件来说，其合成运动可使刀具轴线的方向在一定的空间内任意控制，可获得比四坐标加工更好的工艺范围和加工效果，特别适宜于三维曲面零件的高质量加工以及异型复杂零件的加工。3．复合机床1)车削为主型以车削加工为主的复合加工机是车削复合中心(车铣中心)。2)铣削为主型铣削为主型主要指加工中心的复合化和加工中心的多轴化。3)磨削为主型磨床的多轴化，原来只在无心磨床上可见，多数是以装卸作业自动化为目的，现在，开发了在一台机床上能完成内圆、外圆、端面磨削的复合加工机。4)不同工种加工的复合化使用复合机床加工，可以大大缩短工件的生产周期及提高工件加工精度。预示着一个完全加工时代即将到来。第三节数控加工技术的应用与发展一、数控机床的产生数控机床最大的特点：当改变加工零件时，只需要向数控系统输入新的加工程序；而且生产效率和加工精度高、加工质量稳定，能高效优质地完成复杂型面零件的加工。二、数控技术现状1．数控装置数控装置的当前水平主要体现在以下几方面：(1)数控装置的微处理器CPU升级；大规模和超大规模集成电路和多微处理器的采用。(2)数控装置配有多种遥控和智能接口。(3)数控装置具有很好的可操作性能。(4)数控装置的可靠性大大提高，平均无故障时间达到10000～36000小时。(5)在20世纪90年代产生了开放结构的数控系统。典型数控系统：1.日本FANUC系列数控系统2.德国的SIEMENS公司的SINUMERIK系列数控系统3.华中数控系统HNC2．软件伺服驱动技术伺服技术的发展水平