第一章 数控机床概述

第一章数控机床概述6教学目的和要求：使学生掌握数控、计算机数控，数控机床等基本概念，了解数控机床的特点，数控装置的主要技术指标，掌握数控机床的组成与分类以及数控技术的发展及其技术水平。重点：数字控制的基本概念。数控机床的组成及分类。数控技术的发展。难点：数控机床的控制原理和组成。思考题：1-1．名词解释：数字控制、数控机床、点位控制系统、轮廓控制系统、开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统1-2．NC机床由哪儿部分组成，试用框图表示各部分之间的关系。1-3．试从控制精度、系统稳定性及经济性三方面，比较开环、闭环、半闭环系统的优劣？1-4．从NC系统、联动轴数、伺服系统、机床来看，NC机床各分为几类，它们各用于什么场合？1-5．NC机床适用于加工哪些类型零件，不适用于哪些类型的零件，为什么？第一章数控机床概述内容提要：本章主要介绍数控技术、数控机床等的基本概念；数控机床的组成与各部分介绍；数控机床加工的特点；数控机床的工作原理及分类；数控机床的应用范围；数控机床的产生、及发展；与数控技术发展相关的新技术。第一节数控机床简介a)自从本世纪中叶数控技术创立以来，它给机械制造业带来了革命性的变化。b)现在数控技术已成为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础技术，现代的CAD/CAM，FMS和CIMS、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上；c)数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；d)是国家的战略技术：东芝事件、考克斯报告！e)基于它的相关产业是体现国家综合国力水平的重要基础性产业；f)专家们预言:二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。数字控制与数控技术：1、数字控制（NumericalControlNC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。2、数控技术（NumericalControlTechnology）采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。3、数控机床（NumericalControlMachineTools）是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。它数控技术典型应用的例子。4、数控系统（NumericalControlSystem）实现数字控制的装置。5、计算机数控系统（ComputerNumericalControlCNC）以计算机为核心的数控系统。第二节数控机床的组成与各部分介绍数控系统与数控机床的组成1、操作面板a、它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。b、组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器；。c、它是数控机床特有部件2、控制介质与输入输出设备a、控制介质是记录零件加工程序的媒介b、输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。c、数控机床常用的控制介质和输入输出设备下表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：a、串行通讯（RS-232等串口）、b、自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）c、网络技术（internet，LAN等）。3、CNC装置(CNC单元)a、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。b、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4、伺服单元、驱动装置和测量装置a、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b、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。c、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）5、PLC、机床I/O电路和装置a、PLC(ProgrammableLogicController)：用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成；b、机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；c、功能：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。6、机床a、机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。b、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）。第三节数控机床的加工特点数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：1、能适应不同零件的自动加工；2、生产效率和加工精度高、加工质量稳定；3、能高效优质完成复杂型面零件的加工；4、工序集中，一机多用；5、数控机床是一种高技术的设备。第四节数控机床的工作原理及分类一、数控装置的工作过程CNC装置的工作是在硬件的支持下执行软件的过程。下面简要说明CNC装置的工作情况。1、程序输入将编写好的数控加工程序输入给CNC装置的方式有：纸带阅读机输入、键盘输入、磁盘输入、通讯接口输入及连接上一级计算机的DNC(DirectNumericalControl)接口输入。CNC装置在输入过程中还要完成校验和代码转换等工作，输入的全部信息都放到CNC装置的内部存储器中。2、译码在输入的工件加工程序中含有工件的轮廓信息（起点、终点、直线、圆弧等）、加工速度（F代码）及其它辅助功能（M、S、T）信息等，译码程序以一个程序段为单位，按一定规则将这些信息翻译成计算机内部能识别的数据形式，并以约定的格式存放在指定的内存区间。3、数据处理数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化成刀具中心轨迹，编程员只需按零件轮廓轨迹编程，减轻了工作量。速度计算是解决该加工程序段以什么样的速度运动的问题。编程所给的进给速度是合成速度，速度计算是根据合成速度来计算各坐标运动方向的分速度。另外对机床允许的最低速度和最高速度的限制进行判断并处理。辅助功能诸如换刀、主轴启停、切削液开关等一些开关量信号也在此程序中处理。辅助功能处理的主要工作是识别标志，在程序执行时发出信号，让机床相应部件执行这些动作。4、插补插补的任务是通过插补计算程序在已知有限信息的基础上进行“数据点的密化”工作，即在起点和终点之间插入一些中间点。5、位置控制它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电动机，进而控制工作台或刀具的位移。6、输入/输出（I/O）处理控制I/O处理主要处理CNC系统和机床之间的来往信号的输入和输出控制。7、显示CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，通常有：零件程序显示、参数设置、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示、刀具加工轨迹动态模拟显示以及在线编程时的图形显示等8、诊断主要是指CNC系统利用内装诊断程序进行自诊断，主要有启动诊断和在线诊断。启动诊断是指CNC系统每次从通电开始进入正常的运行准备状态中，系统相应的内诊断程序通过扫描自动检查系统硬件、软件及有关外设是否正常。只有当检查的每个项目都确认正确无误之后，整个系统才能进入正常的准备状态。否则，CNC系统将通过报警方式指出故障的信息，此时，启动诊断过程不能结束，系统不能投入运行。在线诊断程序是指在系统处于正常运行状态中，由系统相应的内装诊断程序，通过定时中断周期扫描检查CNC系统本身以及各外设。只要系统不停电，在线诊断就不会停止。二、数控机床的分类：数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法：1、按工艺用途分类切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。2、按控制功能分类点位控制数控系统轮廓控制数控系统轮廓控制(连续控制)系统：具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。3、按联动轴数分类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。4、按进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置Õ进给系统），故系统稳定性好。无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。全闭环数控系统全闭环数控系统的位置采样点如图所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。第三节第五节数控机床的应用范围数控机床的确具有普通机床所不具备的许多优点。而且它的应用范围还在不断扩大，但是在目前还不能完全取代普通机床，也就是说，它不能以最经济的方式来解决加工制造中所有问题。为了更好地说明这个问题，有必要先初步了解一下采用数控机床加工的优缺点。1、数控加工的优点（1）自动化程度高，可以减轻工人的体力劳动强度（2）加工的零件一致性好，质量稳定（3）生产效率较高（4）便于产品研制（5）便于实现计算机辅助制造。2、数控加工的缺点任何事物都是两重性。数控加工虽有上述各种优点，同时在某些方面也存在不足之处：（1）单位加工成本较高。（2）只适宜于多品种小批量或中批量生产（占机械加工总量70%~80%）（3）加工中的调整相对复杂（4）维修难度大3、数控加工的适应性根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，一般可按适应程度将零件分为下列三类：（1）最适应类对于下述零件，首先应考虑能不能把它们加工出来，即要着重考虑可能性问题。只要有可能，可先不要过多地去考虑生产率与经济上是否合理，都应把对其进行数控加工作为优选方案。a、形状复杂：加工精