第4章设备自动化技术

1第4章设备自动化技术4.1数控技术及数控机床4.1.1概述世界机床技术的发展分三大阶段：（1）1769~1930年的小量零星生产用普通机床；（2）1930~1952年大量大批生产用高效自动化机床、自动线；（3）1952~迄今多品种、中小批量、柔性生产用数控机床。作为人类发展工业必不可少的复杂生产工具，机床技术的发展是人类知识、经验和科技成果的结晶。数控机床和数控技术是微电子技术与传统机械技术相结合的产物。它根据机械加工的工艺要求，使用计算机技术对整个加工过程进行信息处理与控制，实现生产过程的自动化、柔性化。较好地解决了复杂、精密、多品种、小批量机械零件加工问题，为典型多品种、单件小批量生产零件的精密加工提供了优良的技术条件，是一种灵活、通用、高效的自动化机床。从第一台数控机床的诞生，数控技术便在工业界引发了一场不小的革命。近年来，数控机床更是日趋完善，具体有以下特点：（1）不断改善和扩展以高精、高速、高效为代表的功能通过采用64位RISC控制功能和交流伺服系统、提高元件的分辩率、主轴速度和进给速度、改善插补功能达到此目标。（2）开放结构系统的发展所谓开放是指系统内部数据可与外部的控制设备互相控制。（3）采用新元件、新工艺如新的集成半导体电路、超薄型液晶显示器、光纤等。（4）改善和发展伺服技术在完善交流伺服主轴电机的同时，主要发展高速主轴电机、直线进给电机。（5）采用通讯技术CNC技术使FMS、CIMS成为可能，FMS、CIMS的发展反过来要求CNC系统应具有通讯、连网功能，以便实现CIMS环境下的信息集成和系统管理，现代CNC系统一般都具有通讯的串行口和DNC接口4.1.2NC与CNC的定义数字控制（NumericalControl）：用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称为数控（NC）。数控机床（NCMachine）：采用了数控技术的机床，或者是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟（InternationalFederationofInformation2Processing，简称IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序。数控系统（NCSystem）：就是上述定义中所指的程序控制系统，能自动阅读输入载体上事先给定的程序，并将其译码，从而控制机床运动和加工零件过程。计算机数控系统（ComputerizedNumericalControlSystem）是一种数控系统，由装有数控系统程序的专用计算机、输入输出设备、可编程序控制器（PLC）、存储器、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成。习惯上称为CNC系统。4.1.3数控机床系统基本构成数控机床基本结构如图4-1所示，包括加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统、辅助控制装置、检测装置及机床本体等几部分。数控机床完成的基本动作主要有：（1）主轴运动：和普通机床一样，主运动主要完成切削任务，其动力约占整个机床动力的70%-80%。基本控制是主轴的正、反转和停止，可自动换挡及无级调速。对加工中心和有些数控车床还必须具有定向控制和C轴控制。（2）进给运动：数控机床区别与普通机床最根本的地方，即用电气驱动替代了机械驱动，数控机床的进给运动是有进给伺服系统完成。伺服系统包括伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动练及位置检测装置。（3）输入/输出（I/O）数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行连续控制外，还要对机床的各种状态进行控制。这些状态控制包括主轴的变速控制，主轴的正、反转及停止，冷却和润滑装置的起动和停止，刀具自动交换，工件夹紧和放松及分度工作台转位等。国际标准《ISO4336-1981(E)机床数字控制-数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范》规定，将数控接口分为下列四类：I类：与驱动命令有关的连接电路，主要指与坐标轴进给驱动和主轴驱动的连接电路。II类：数控装置与测量系统和测量传感器之间的连接电路。III类：电源及保护电路。加工程序输入装置数控系统伺服系统辅助控制装置机床检测装置图4-1数控机床的基本构成3IV类：开/关信号和代码信号连接电路。4.1.4数控机床的分类数控机床的种类很多，按不同的分类方法可以分成不同类别，归纳起来主要有以下几种分类方式。（1）运动轨迹分类。可分为点位控制系统、直线控制系统、轮廓控制系统。点位控制系统控制刀具相对于工件定位点的坐标位置，对定位移动的轨迹无要求，在定位移动过程中不进行切削加工，如数控钻床、数控坐标镗床等。直线控制系统是指能控制刀具或工作台以给定的速度，沿平行于某一坐标轴方向进行直线切削加工的控制系统，如数控车床、数控镗铣床和加工中心等。轮廓控制系统也称为连续控制系统，它能对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，在加工过程中，需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度和位移控制。这类数控机床的功能比较完善。（2）按用途分类。可分为金属切削类、金属成型类数控机床和数控特种加工机床。金属切削类主要有数控车、铣、钻、镗、磨等机床。金属成型类主要有数控折弯机、弯管机和压力机等。特种加工数控主要有数控线切割机床、电火花加工机床和激光加工机床等。（3）按进给伺服控制系统分类。它可以分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环伺服系统对执行机构不进行位置检测，多采用步进电机或电液脉冲马达作为伺服驱动元件，其控制精度较低。闭环伺服系统通过检测工作台的实际移动位移，并将其反馈回伺服控制系统，控制系统通过与理想值相比较，从而调整工作台的位移偏差。这种方式控制精度高、速度快，但系统复杂、成本高。半闭环伺服系统与闭环伺服系统的区别在于检测装置是检测伺服电机的转角而不是工作台的实际位置。它的构造成本比闭环伺服系统要低、调试容易些，精度比开环伺服系统高。（4）按数控装置分类。分为硬线数控系统和软线数控系统。硬线数控系统由专用的固定组合逻辑电路实现，其灵活性差、制造成本高，现在基本不采用。软线数控使用小型或微型计算机和一些通用或专用的集成电路构成，其主要功能由软件实现，系统的适应性强、利用率高、构造成本相对较低。4.1.5数控机床的基本技术1.数控编程技术1）数控编程概念数控编程是指从确定零件加工工艺路线到制成控制介质的整个过程，而4生成一定格式的加工程序单。数控程序作为数控机床加工零件的指令集，起直接影响零件加工的质量、生产效率和生产成本。数控编程过程中首先需考虑的问题是要满足零件加工的要求，能加工出符合图样的合格零件，同时也应该考虑生产效率和制造成本尽量的优化，充分发挥数控机床的功能。一般来说，数控编程过程主要包括：零件图样分析、工艺处理、数学处理、程序编制、控制介质制作和程序校核试切等过程，如图4-2所示。·其具体步骤如下：（1）分析零件图样。分析零件的材料、形状、尺寸、精度、批量要求以及毛坯形状和热处理要求等，在此基础上明确加工内容要求，确定加工方案。（2）工艺处理。主要包括选择合适的数控机床、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。工艺处理实际上设计的问题很多，例如夹具要尽量安装使用方便，装夹的次数尽可能少；编程原点和坐标系的选择应使编程简化，引起的加工误差小；选择合理的走刀路线和切削量，尽量减少空切，保证加工过程的安全等等。（3）数学处理。根据零件图纸和确定的加工路线，计算出数控机床所需要的输入数据，数学处理的复杂程度取决于零件的复杂程度和数控装置的选择。当零件形状比较复杂，数控装置的插补功能不强时，可借助计算机完成相应的任务。（4）程序编制和输入介质准备。根据数学处理计算出数据和确定的加工用量，编制相应的数控代码，并根据数控装置对输入信息的要求，制作相应的输入介质。穿孔纸带是过去常用的输入介质，但随着计算机技术在数控系统中普遍使用，数控代码可以直接存放在计算机的储存设备上，大大方便工艺处理数学处理图样分析编写程序程序校核试切零件图纸不合格合格数控系统图4-2数控编程过程5了程序编制和修改。（5）程序校核试切。生成的数控代码进行试切验证，如果加工的零件合格，则可以进行数控加工，如果试加工的零件达不到图纸规定的要求，应该分析原因，返回前面适当的步骤进行修改，直到满足要求为止。2）编程方法数控编程方法主要有手工编程、自动编程、面向车间的编程（WorkshopOrientedProgramming,WOP）和CAD/CAM集成系统的数控编程。（1）手工编程。是指编制零件数控加工程序的各个步骤，即零件图样分析、工艺处理、数学处理、程序编制和输入介质准备直至程序的检验等过程，均有由人工完成的。对于几何形状不太复杂的零件，计算比较简单，程序段不多，采用手工编程容易实现。但对于具有复杂空间曲面轮廓的零件，计算繁琐、程序量大、难校对，甚至无法手工编制出控制程序。（2）自动编程。使用计算机编制数控加工程序，自动地输出零件加工程序及自动制作控制介质过程称自动编程。在国外，自动编程语言最先由美国麻省理工学院在1995年研制成功的APT（AutomaticallyProgrammedTool，APT）系统，APT语言是对工件、刀具的几何形状以及刀具相对于工件的运动等进行定义时所用的符号语言。使用APT语言书写零件加工程序，经过APT语言编译系统编译可生成刀位文件，进行数控后置处理，能自动产生数控系统能接受的零件加工程序。在此基础上发展起来还有日本的FAPT、德国的EXAPT等。国内开发的自动编程工具主要有SKC-1，ZCX-1等。（3）面向车间的数控编程（WOP）。它介于手工编程和自动编程之间的一种编程方法。它可借助计算机完成一些复杂的数学处理工作，并提供人机交互界面，让编程人员可以方便的融入自己实际的加工经验。它在很大程度上减轻了编程人员的强度，提供了编程效率。（4）CAD/CAM集成系统数控编程。它以待加工零件的CAD模型为基础的一种集加工工艺规划及数控编程为一体的自动编程方法。而适用于数控编程的CAD模型主要有表面模型（SurfaceModel）和实体模型（SolidModel），其中表面模型应用得最为广泛。其编程的过程一般包括刀具定义和选择、刀具相对于零件表面运动方式的定义、切削参数的选择、走刀轨迹的生成、加工过程动态仿真、程序效验和后置处理等。目前流行的CAD软件，如Solidwork、UGII、Pre/E、I-deas等，都具有的数控编程模块，而更专业的数控编程CAD软件有MasterCAM、SurfCAM等，它们的设计绘图功能相对来说要弱一些，而更侧重于数控编程。2.数控机床插补原理在数控加工过程中，加工对象的轮廓种类很多。对于一些复杂的高次空间轮廓曲面，其刀具轨迹的计算非常复杂，计算量很大，难以满足数控加工6的适时性要求。因此在实际应用中，采用小段直线或圆弧（有些场合，使用抛物线、螺旋线甚至三次样条等高次曲线）对加工对象的轮廓曲面进行插补（也可理解为曲面拟合）。一般来说，对两坐标联动，有直线、圆弧和抛物线插补；对三坐标联动，有空间直线插补，空间直线、圆弧与抛物线之间的两两组合的综合插补；对四坐标联动，有圆弧、抛物线与双直线（或单直线）综合的五维（或四维）的插补。插补的任务就是根据进给速度的要求，完成这些拟合曲线起点和终点之间的中间点的坐标值计算。目前普遍应用的插补算法主要分为两大类：（1）脉冲增量插补。脉冲增量插补法适用于以步进电动机为驱动装置的开环数控系统，这类插补算法的特点是每次插补的结果仅产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电动机。脉冲增量插补的实现方法较简单，通常仅用加法和移位就可完成插补，容易用硬件来实现，而且，用硬件实现这类运算的速度很快。但是，CNC系统一般均用软件来完成这类算法。用软件实现的脉冲增量插补算法一般要执行20多条指令，如果CPU的时钟为5MHz，那么计算一个脉冲当量所需的时间大约为40μs。当脉冲当量为0.001mm时，可以达到的坐标轴极限速度为1.5m/min。如果要控制两个或两个以上坐标，且承担其他必要的数控功能时，所能形成的轮廓插补进